Экологическая функция целлюлозолитических бактерий в почвах Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 631.452.95 Н.Н. Наплекова

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗОЛИТИЧЕСКИХ БАКТЕРИЙ

В ПОЧВАХ

Ключевые слова: целлюлозолитиче-

ские бактерии, пигменты микроорганизмов, экзополисахариды, слизи, гумусовые кислоты, тяжелые металлы, свинец, кадмий.

Введение

Хорошо известно, что миксобактерии, разрушающие целлюлозу растительных остатков, выделяют в окружающую среду внеклеточные слизи (экзополисахариды), а также пигменты, сахара и органические кислоты [1-3]. Пигменты и экзополисахариды выполняют ряд важнейших биологических и экологических функций. Они защищают клетки от высыхания, предохраняют от воздействия ультрафиолетовых лучей, являются резервным фондом клетки. Слизи участвуют в формировании структуры почвы. Экологические функции метаболитов целлюлозолитических мик-собактерий изучены недостаточно. Отмечаются такие важнейшие экологические функции, как синтез биологически активных веществ, стимулирующих рост растений и участие сообщества целлюлозоли-тических бактерий с бактериями-спутниками в биологической фиксации азота атмосферы [3, 4].

Проблема защиты окружающей среды от загрязнения тяжелыми металлами тесно связана с ассимиляцией и детоксикацией подвижных форм их биологическими объектами, в частности микроорганизмами [3].

Ориентировочные подсчеты показывают [3], что почвенные микроорганизмы закрепляют от 1 до 15% запаса подвижных форм микроэлементов — марганца, бора, меди, молибдена, участвуя в их биологическом круговороте в ландшафтах.

Целью данной работы являлось выявление экологической роли метаболитов, выделяемых клетками целлюлозолитических бактерий в детоксикации тяжелых металлов свинца и кадмия в почвах.

В задачи исследований входило:

1) изучение возможности связывания двух тяжелых металлов — свинца и кадмия

— метаболитами бактерий (экзополисаха-ридными слизями, пигментами, органиче-

скими кислотами), разрушающих целлюлозу;

2) сопоставление по активности воздействия на растворимые соединения свинца и кадмия гумусовых кислот почв, микроорганизмов и их метаболитов.

Объекты и методы исследования

Целлюлозолитические бактерии из почв выделяли методом комочков на среду Гетчинсона с 0,7% агара и кружками фильтровальной бумаги. Очистку культур бактерий проводили термическим методом [3].

Меланиноподобные пигменты целлюлозных бактерий при выращивании на средах с моно- и полифенолами (тирозин и гваякол) выделены по методике [5]. Слизи целлюлозных бактерий получали и очищали общепринятым методом [3].

Гуминовые и фульвокислоты для опыта получены из лаборатории генезиса и географии почв Института почвоведения и агрохимии СО РАН.

Смесь тяжелых металлов с органическими веществом почв или метаболитами микроорганизмов тщательно встряхивали и оставляли при 24-26оС на одни сутки и далее определяли осаждение тяжелых металлов. Нужную рН среды устанавливали 0,1н NaOH и 1н HCl.

Результаты исследований

Осаждение органоминеральных соединений свинца и кадмия приведено в таблицах 1, 2. При добавлении металлов во всех случаях при кислом значении реакции среды растворы были прозрачные, то есть моментального осаждения металлов не наблюдалось. В дальнейшем осаждение тяжелых металлов происходило, и опыт продолжался до полного осаждения. Вероятно, в результате химических реакций (например, замещения водорода карбоксильных групп в органическом веществе и метаболитах микроорганизмов на тяжелые металлы) и явлений коагуляции, адсорбции, седиментации образуются нерастворимые органоминеральные комплексы.

Вестник Алтайского государственного аграрного университета № 3 (65), 2010

Таблица 1

Соосаждение тяжелых металлов гумусовыми кислотами почв и метаболитами микроорганизмов при pH 5,0 по суткам, мг

Испытуемое органическое вещество Свинец Кадмий

азотнокислый уксуснокислый уксуснокислый сернокислый хлористый

1 2 7 1 2 11 15 1 6 9 11 22 1 9 11 19 22 2 9 11 19 22

Гуминовая кислота чернозема 0,5 0,5 0,61 0,61 0,61

Фульвокислота чернозема 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Г уминовая кислота дерново-подзолистой 0,5 0,5 0,56 0,69 0,69

Фульвокислота дерно-во-подзолистой 0,51 0,52 0,59 0,59 0,59

Пигмент 8-й культуры монофенольный полифенольный 0,51 0,51 0,52 0,7 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90

Пигмент 4-й культуры меланиноподобный 0,5 0,5 0,90 0,90 0,80

Слизь 68-й культуры 8-й 32-й 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02 1,02

Глюкоза 0,51 0,65 0,65

Лимонная кислота 0,51 0,65 0,65

Примечание. Исходная концентрация органического вещества 1 мг/мл.

Таблица 2

Соосаждение тяжелых металлов гумусовыми кислотами почв и метаболитами микроорганизмов при pH 7,0 по суткам, мг

Испытуемое органическое вещество Свинец Кадмий

азотнокислый уксуснокислый азотнокислый уксуснокислый азотнокислый

1 2 5 9 1 2 5 9 1 2 20 1 2 20 1 2 11 20

Гуминовая кислота чернозема 0,55 0,55 0,5 0,5 0,61

Фульвокислота чернозема 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Гуминовая кислота дерново-подзолистой 0,55 0,55 0,5 0,5 0,5

Фульвокислота дерно-во-подзолистой 0,59 0,59 0,51 0,51 0,51

Пигмент 8-й культуры монофенольный полифенольный 0,63 0,63 0,63 0,63 0,87 0,87 0,87 0,87 0,87 0,87

Слизь 68-й культуры 8-й 0,83 0,83 0,83 0,83 0,83 0,83 0,83 0,83 0,83 0,83

Глюкоза 0,51 0,57 0,5 0,5 0,5

Лимонная кислота 0,21 0,57 0,5 0,5 0,5

Примечание. Исходная концентрация органического вещества 1 мг/мл.

АГРОЭКОЛОГИЯ

Осаждения органических веществ и метаболитов микроорганизмов в контроле (без добавления свинца или кадмия) не наблюдалось. Степень связывания свинца и кадмия с гумусовыми кислотами чернозема выщелоченного и дерновоподзолистой почвы и метаболитами микроорганизмов заметно отличалась. Коагулирующее действие металла зависело и от его связи с различными анионами (табл. 1, 2).

Свинец. Растворы, где к органическому веществу почв и метаболитов микроорганизмов добавляли азотнокислый свинец, сразу мутнели до молочно-белого цвета при рН 7. Эти коллоидные осадки сохранялись в течение суток. Затем произошло расслоение на две части: осадок и верхнюю прозрачную жидкость. Этот осадок не взбалтывается и не поднимается при взбалтывании, что характерно для комплексообразующих соединений хелатного типа. Полная коагуляция соединений свинца обнаружена при слабокислой реакции среды (рН 5), где органическое вещество находилось в форме гуминовой кислоты, выделенной из чернозема выщелоченно-

го, или меланиноподобных пигментов, полученных при выращивании микроорганизмов на среде с полифенолами. Это свидетельствует о высокой конденсиро-ванности ароматических ядер пигментов.

Следует отметить, что пигменты микроорганизмов, образуемые на монофенолах (тирозин), и такие метаболиты микроорганизмов, как глюкоза и лимонная кислота, обладают большей коагулирующей способностью при взаимодействии со свинцом в кислой среде, чем слизи микроорганизмов. Высокая способность слизей к комплексообразованию хорошо проявляется в нейтральных средах, где они связывают больше свинца, чем пигменты и гумусовые кислоты почв.

Видимо, в нейтральных почвах слизеобразующие микроорганизмы будут играть большую экологическую роль в связывании и осаждении свинца из его растворимых соединений, чем в кислых.

Количество свинца, связываемого при образовании металлоорганических комплексов, зависит не только от рН, но и соотношения органического вещества к металлу (табл. 3).

Таблица 3

Взаимодействие свинца с гумусовыми кислотами и метаболитами целлюлозных бактерий

Весовые соотношения органического вещества к металлу Органическое вещество Длительность опыта, сут. Полнота осаждения

5,0:1 Гуминовая кислота чернозема 9 Нет

2,5:1 " 9 "

1,66:1 " 9 "

1,25:1 " 5 Полное

1,0:1 " 1 "

5,0:1 Гуминовая кислота дерново-подзолистой почвы 9 Нет

2,5:1 " 9 "

1,66:1 " 9 "

1,25:1 " 3 "

1,0:1 " 1 Полное

5,0:1 Пигмент 8-й культуры меланиноподобный 15 Нет

2,5:1 " 15 "

1,66:1 " 15 "

1,25:1 " 15 Полное

1,0:1 " 1 "

5,0:1 Пигмент 4-й культуры меланиноподобный 9 Нет

2,5:1 " 9 "

1,66:1 " 9 "

1,25:1 " 3 Полное

1,0:1 " 1 "

Известна высокая комплексообразующая способность гуминовых кислот при высоких значениях рН. Такая же способность нами выявлена у различных метаболитов микроорганизмов. При кислой реакции среды в азотнокислой форме осаждается метаболитами микроорганизмов значительно быстрее, чем в уксуснокислой форме (соответственно, через 2 и 616 сут.). Это означает, что свинец в азотнокислой форме связывается органическим веществом почв быстрее, чем свинец органоминеральных соединений.

В связи с этим можно предположить, что свинец, попадая в кислую почву в виде органоминеральных соединений, может сохранить свою токсичность более длительное время, чем в составе минеральных.

Степень детоксикации и осаждения свинца изменялась в зависимости от содержания испытуемого органического вещества и металла (табл. 3). При отношении от 1,7 до 5 ни с гуминовыми кислотами дерново-подзолистых почв и черноземов, ни с пигментами образование комплексных соединений не наблюдалось. Полное осаждение свинца наблюдалось только при соотношении органического вещества и металла от 1 до 1,25.

Процесс детоксикации свинца метаболитами целлюлозолитических бактерий зависит от формы соединений металла. При кислой реакции среды свинец азотнокислый осаждается гумусовыми кислотами быстрее, чем свинец уксуснокислый. Это, возможно, связано с анионным эффектом. Видимо, свинец уксуснокислый будет оказывать более длительное токсическое действие на биоту, чем азотнокислый. В нейтральных почвах в детоксикации свинца более велика роль метаболитов почвенных микроорганизмов, особенно слизеобразующих целлюлозолитических.

Кадмий. Осаждение кадмия из различных соединений при взаимодействии с органическим веществом почв или метаболитами микроорганизмов осуществляется иначе, чем свинца. Кадмийорганические комплексы при нейтральной реакции среды образуются очень активно (через 1-2 сут.). Метаболиты микроорганизмов (за исключением пигментов) взаимодействуют с кадмием в его различных соедине-

ния, как гумусовые кислоты почв (табл. 2).

Осаждение комплексов кадмия при кислой реакции среды происходит крайне медленно как органическим веществом почв, так и метаболитами микроорганизмов и только через 11-22 сут. Видимо, токсические свойства кадмия будут проявляться в кислых почвах более длительный промежуток времени, чем токсичность соединений свинца.

Выводы

1. Экологическая функция метаболитов целлюлозолитических бактерий в детоксикации свинца и кадмия неодинакова. Способность образовывать нерастворимые органоминеральные комплексы проявляется более ярко со свинцом, чем с кадмием.

2. Интенсивность связывания тяжелых металлов больше зависит от реакции почвенной среды и соотношения «органическое вещество (гумусовые кислоты или метаболиты) — металл», чем от формы соединений металла в среде.

3. Экологическая функция детоксикации свинца в кислых почвах связана больше с пигментами целлюлозолитических бактерий, а в нейтральных почвах — с их экзополисахаридными слизями.

Библиографический список

1. Возняковская Ю.М. Микрофлора растений и урожай / Ю.М. Возняковская.

— Л., 1969. — 239 с.

2. Имшенецкий А.А. Разложение целлюлозы бактериями / А.А. Имшенецкий // Природа. — 1944. — № 2. — С. 36-40.

3. Наплекова Н.Н. Аэробное разложение целлюлозы микроорганизмами в почвах Западной Сибири / Н.Н. Наплекова. — Новосибирск: Наука, 1974. — 250 с.

4. Наплекова Н.Н. Биоиндикация загрязнения почв свинцом и кадмием по микробным ценозам / Н.Н. Наплекова, М.Д. Степанова. — Новосибирск, 2000. — 123 с.

5. Davis R.J. Preporation of purtified polysaccharides from Rhizobium / R.J. Davis, C.E. Clapp // Appl. Microbe. — 1961. — Vol. 1. — P. 68.

+ + +

Вестник Алтайского государственного аграрного университета № 3 (65), 2010

З5