CC BY
45
УДК 57.085.23
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ
DOI: 10.24411/2587-6740-2019-15080
ИЗУЧЕНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД ХВОЙНЫХ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
И.С. Вышегородцева1, Н.Е. Носкова2
1ФГБОУ ВО «Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Красноярск 2ФГБОУ ВО Красноярский государственный аграрный университет, г. Красноярск, Россия
Большинство биотехнологических лабораторий, занимающихся культивированием эмбриональных масс хвойных растений, уничтожает отработанные кондиционированные среды. Но эти среды содержат как не использованные каллусами вещества, так и продукты их метаболизма — аминокислоты, факторы роста, органические кислоты и др. Цель статьи — показать возможность использования отходов кондиционированных сред (ОКС) в качестве добавки к грунту для выращивания растений для культивирования эмбриогенной ткани хвойных пород. Объектом исследования послужили отходы культуральных сред, кондиционированных эмбриогенными массами сосны обыкновенной и кедрового стланика. В качестве тест-объекта для исследования влияния ОКС на рост и развитие растений был выбран салат листовой (Lactuca sativa L.). В ходе эксперимента исследовали влияние ОКС на всхожесть семян, ростовые характеристики проростков и подросших растений, накопление надземной биомассы растений и на агрохимические показатели используемого почвенного грунта. Исследования показали, что внесение ОКС в концентрации 1 г/дм2 в почву при выращивании салата обеспечило прирост длины вегетативных органов растений и их биомассы в 1,5-2 раза. Это открывает возможность как для получения нового средства для увеличения урожайности растений, так и удешевления технологии культивирования эмбриональной массы хвойных.
Ключевые слова: отходы питательных сред, технологии соматического эмбриогенеза хвойных, латук посевной (салат листовой), гумус, содержание химических элементов в почве.
Введение
В растениеводстве широко используют биостимуляторы, содержащие биологически активные вещества и способные повышать урожайность растений. Созданные на их основе препараты улучшают плодородие почвы, являются альтернативой химически синтезированным веществам, могут быть частью системы повышения качества растительной продукции [1].
Для культивирования эмбриогенных масс хвойных используются питательные среды, в состав которых входят макро- и микроэлементы, витамины, сахара, аминокислоты, регуляторы роста. Среды — жидкие или твердые, с добавлением желирующих агентов (агар, де^эп, рЬ^оде! и др.), представляющих природные полисахариды разной степени очистки.
Экспозиция культур эмбриогенных масс сибирских хвойных (сосна обыкновенная, сосна сибирская, кедровый стланик) на средах для пролиферации составляет 14-21 сутки. За это время состав культуральной среды очень меняется. В то же время культивируемая ткань в процессе роста и развития экскретирует в среды продукты метаболизма — аминокислоты, ростовые вещества, органические кислоты, полипептиды, полисахариды, белки, ферменты, вторичные метаболиты, витамины, арабиногалактаны, гликозилированные полипептиды, углеводы и др. Таким образом, среды, оставшиеся после культивирования эмбриогенных масс, богаты биологически активными веществами и могут быть использованы для других нужд. Среды, кондиционированные соединениями с высокой биологической активностью, используют при одновременном культивировании (ткани-няньки) или после экскретирующих культур для индуцирования деления клеток и усиления роста, в том числе другого вида культур [2].
Исследование влияния отходов кондиционированных сред (ОКС) на рост и развитие растений перспективно для получения новых препаратов для выращивания и повышения эко-
номической эффективности культивирования клеток тканей и органов растений, в том числе технологии соматического эмбриогенеза. Цель работы — изучение использования ОКС для культивирования эмбриогенной ткани хвойных в качестве добавки к грунту для выращивания сельскохозяйственных растений. Было исследовано влияние ОКС на изменение длины органов и биомассы растений как на стадии проростков, так и в период товарной зрелости, и на содержание химических элементов в грунте.
Объект и методы
Объектом исследования послужили отходы культуральных сред, кондиционированных эмбриогенными массами сосны обыкновенной и кедрового стланика. Стандартную питательную среду Litvae [3], содержащую половинный состав макроэлементов и полный состав микроэлементов и витаминов, дополненную ино-зитолом (100 мг/л), L-глютамином (500 мг/л), гидролизатом казеина (1000 мг/л), сахарозой (30 г/л), с добавлением регуляторов роста ауксина, 2,4 D (2 мг/л для сосны обыкновенной и для сосны сибирской, и 3 мг/л для кедрового стланика) и 6-БАП (0,5 мг/л), жидкую или агари-зованную гелритом (4 г/л), использовали для пролиферации эмбриогенных масс хвойных, полученных в лаборатории биотехнологии сельскохозяйственных и лесных культур Красноярского ГАУ. Отходы сред после культивирования эмбриогенных масс каждого вида (экспозиция 1,5-2 недели) собирали отдельно и использовали в жидком виде или высушивали и измельчали на электрической мельнице до порошкообразного состояния.
В качестве тест-объекта для исследования влияния ОКС на рост и развитие растений использовали салат листовой (латук посевной Lactuca sativa L.). Это ценное овощное растение содержит витамины С, каротин, В1, В2, В6, Е, К, РР, фолиевую кислоту, минеральные соли. В нем много таких микроэлементов, как марганец, ко-
бальт, медь, йод, цинк и благоприятное для человека соотношением калия и натрия [4]. Для проведения эксперимента был выбран сорт салата Изумрудное кружево (раннеспелый сорт с декоративными листьями), который образует мощную розетку листьев высотой до 25 см. Этот сорт холодостоек, свето- и влаголюбив, пригоден для выращивания в открытом грунте, в пленочных укрытиях; на гидропонике [5].
В ходе эксперимента исследовали влияние ОКС на всхожесть семян, ростовые характеристики проростков и товарных растений (длина и масса побегов и корешков), накопление надземной биомассы растений, а также на агрохимические показатели используемого почвенного грунта.
Для этого семена в трех вариантах проращивали методом рулонных культур: 1) контроль — отстоянная водопроводная вода; 2) в разведении ОКС 1 г/л дистиллированной воды; 3) в разведении ОКС 2 г/л дистиллированной воды. Длину побегов и корешков проростков измеряли на 7 сутки.
Для изучения влияния ОКС на ростовые характеристики товарных растений салат выращивали в вегетационных сосудах. В качестве субстрата использовали почвогрунт универсальный (ТУ 9291-006-41082808-2004) — грунт для выращивания овощных и цветочных культур на основе торфо-песчаных смесей. У грунта высокая степень разложения (>45%), повышенное содержание питательных элементов, слабокислая реакцией среды (рН 5,5). Измельченную высушенную ОКС вносили в разных вариантах: за сутки до посева и после появления всходов в концентрациях 1 и 2 г на 1 дм2 грунта. Посев проводили по стандартной технологии [6]. Длину побега и корня, массу наземной части измеряли через 40 дней после посева. Для контроля использовали растения, выращенные на почво-грунте без добавления ОКС.
Для изучения влияния ОКС на агрохимические показатели субстрата определяли содер-
- 31
МЕЖДУНАРОДНЫЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ № 5 (371) / 2019
ш
SCIENTIFIC SUPPORT AND MANAGEMENT OF AGRARIAN AND INDUSTRIAL COMPLEX
жание гумуса, макро- и микроэлементов в по-чвогрунте до посева и после сбора урожая в вариантах с добавлением и без добавления ОКС.
Исследовали воздействие ОКС на почву, подвергавшуюся обработке агрохимикатами (удобрениями и пестицидами). Образцы почвы были взяты в Сухобузимском районе, пос. Борск (учхоз Красноярского ГАУ). Определение агрохимических показателей проводили до и через 40 суток после внесения ОКС в количестве 1 и 2 г на 1 дм2 грунта. Растения на образцах почвы в период опыта не выращивались. Измерение агрохимических показателей проводили в научно-исследовательском испытательном центре Красноярского ГАУ по контролю качества сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов.
Результаты исследования
и их обсуждение
В эксперименте всхожесть семян в контроле составила 56%, хотя их средняя всхожесть близка к 100% [7]. При обработке семян ОКС в концентрации 1 г/л всхожесть увеличилась до 78%, в концентрации 2 г/л — до 60%. Вероятно, качество семян снизилось при хранении производителем или в торговой сети. Увеличение всхожести при проращивании с ОКС говорит о мобилизационном воздействии добавки на внутренние ресурсы семян [8]. Показатели роста всходов с ОКС увеличились в 1,2-1,5 раза. Предположительно, вещества в ОКС стимулируют рост всходов.
В результате вегетационного опыта замечено увеличение длины листьев салата от 20 см в контроле до 30 см (в 1,5 раза) в опыте, и массы надземной части растений от 35 г в контроле до 60 г в опыте (в 2 раза).
Наибольшей длина листьев оказалась в результате внесения ОКС после всходов в количестве 1 г/дм2 грунта, наименьшая — при внесении ОКС до посева. При этом длина корня достоверно не изменялась. Наибольшая масса наблюдалась при внесении ОКС после всходов в количестве 1 г/дм2 грунта, наименьшая — при внесении ОКС до посева семян в концентрации 2 г/дм2.
Увеличение прироста длины и массы салата в случае внесения ОКС после всходов позволяет предположить, что питательные вещества, содержащиеся в ОКС, оказываются в распоряжении всходов тогда, когда запасные вещества семени израсходованы, а корневая сеть недостаточно развита. Возможно, внесение ОКС в грунт оказывает стимулирующее воздействие на рост надземной части растений салата, но сдерживает рост корневой части [9].
ОКС, полученные при культивировании эм-бриогенных культур хвойных, можно использовать как добавку к субстрату для стимуляции развития растений салата и увеличения его биомассы. Внесение 1 г/дм2 ОКС в грунт после всходов является оптимальным. В дальнейшем необходимо провести испытания для разработки регламента применения ОКС как на салате, так и на других культурах. Агрохимические свойства почвенных грунтов, использованных для опытов, изменялись под воздействием препарата.
Обеспечение растений необходимыми элементами питания является неотъемлемой частью агротехники выращивания сельскохозяйственных культур. Азот, фосфор и калий поглощаются растениями более интенсивно по сравнению с другими элементами. Плодородие почвы восстанавливается за счет естественных процессов мобилизации питательных веществ,
перехода недоступных форм элементов питания в доступные, минерализации гумуса под влиянием биологических, физических и химических процессов [10].
В почвогрунте содержание гумуса снижалось после сбора урожая. Причем в грунте с добавкой ОКС содержание гумуса было ниже, чем без добавки. Возможно, это говорит об активизации почвенных микроорганизмов за счет веществ ОКС [6]. При этом общее содержание основных элементов питания (калий, азот и фосфор) не изменялось за период опыта.
Увеличение содержания в почве органического вещества приводит к росту биомассы и биологической активности микроорганизмов. Примененные различные виды органических и минеральных удобрений вызывали изменения в структуре микробного ценоза чернозема выщелоченного [11]. Содержание обменного фосфора и калия, нитратного азота после сбора урожая было ниже, чем до начала культивации. Однако разница значений концентрации обменных элементов после сбора урожая между вариантами с внесением ОКС и без внесения незначительна. Для сравнения провели эксперимент с влиянием ОКС на агрохимические показатели почвы, подвергавшейся обработке агрохимика-тами (удобрениями и пестицидами). Почва взята в Сухобузимском районе, пос. Борск (учхоз Красноярского ГАУ).
В отличие от почвогрунта в природной почве концентрация гумуса после внесения препарата не изменилась (табл. 1), так как не было растений -основных его потребителей. Можно пред-
положить, что внесенный препарат не влияет на процессы гумификации во взятых образцах, либо концентрация препарата недостаточна.
Содержание азота и фосфора в почве также не изменялось, но величина общего калия снизилась почти в 2 раза, что может объясняться его переходом из валовой в подвижную форму за счет деятельности бактерий. При этом наблюдалось увеличение концентрации подвижных форм фосфора и азота. Обменный фосфор после применения препарата увеличился почти в 2 раза, нитратный азот — почти в 10 раз, калий возрос от 21 до 27 мг/100 г почвы.
Можно предположить, что органические нерастворимые соединения фосфора под действием аэробных бактерий превратились в растворимые соли фосфорной кислоты. Также на трансформацию фосфора могли воздействовать внеклеточные ферменты [12]. В опытах с компостом из твердых бытовых отходов (ТБО) концентрация Р2О5 увеличивалась до 60% по сравнению с контролем [13].
Были измерены валовые содержания мышьяка, ртути и свинца (табл. 2). В исследуемом препарате они отсутствуют. Тем интереснее отметить увеличение концентрации мышьяка в почвогрунте, возможно за счет аккумуляции элемента в корнях культивируемого растения, попавших в пробу [13], и снижение его в почве (учхоз), которое можно объяснить сорбцией арсенит-ионов почвенным поглощающим комплексом (ППК), обладающим физической природой [14]. Во всех вариантах содержание мышьяка превышало ПДК. Возникает вопрос о качестве
Таблица 1
Агрохимические показатели почвогрунта и почвы с поля учхоза Красноярского ГАУ в зависимости от наличия и концентрации ОКС
Варианты опыта Гумус, % Фосфор, % Калий, % Азот, % Фосфор обменный, мг/100 г Калий обменный, мг/100 г Азот нитратный, мг/100 г
1 13,1 0,20 0,l9 0,20 43,0 105,1 71,2
г 12,2 0,19 0,l9 0,21 40,6 96,7 61,6
3 11,8 0,18 0,l9 0,22 38,1 95,4 58,6
4 11,9 0,18 0,l9 0,21 39,7 98,2 61,9
5 4,l 0,13 1,33 0,3l 7,07 21,12 1,83
б 4,9 0,0l 0,l3 0,3б 12,35 27,04 10,6
l 4,б 0,13 0,9l 0,3l 11,07 24,56 6,84
Примечание: Варианты опыта: 1. Агрохимические показатели почвогрунта до начала опыта; 2. Агрохимические показатели почвогрунта после выращивания растений без внесения ОКС; 3. Агрохимические показатели почвогрунта после выращивания растений с внесением ОКС 1 г/дм2; 4. Агрохимические показатели почвогрунта после выращивания растений с внесением ОКС 2 г/дм2; 5. Агрохимические показатели почвы (учхоз) до начала опыта без внесения ОКС; 6. Агрохимические показатели почвы (учхоз) после опыта с внесением ОКС 1 г/дм2; 7. Агрохимические показатели почвы (учхоз) после опыта с внесением ОКС2 г/дм2.
Таблица 2
Содержание мышьяка, ртути и свинца в почвогрунте и почве с поля учхоза Красноярского ГАУ в зависимости от наличия и концентрации ОКС
№ пробы Мышьяк, мг/кг Ртуть, мг/кг Свинец, мг/кг
1 2,145 0,059 l2,4l4
2 2,46 0,059 13,333
3 2,491 0,059 13,523
4 2,458 0,059 13,545
5 6,515 0,027 11,832
б 5,045 0,011 12,512
l 5,212 0,011 11,241
ПДК [15] 2,0 (т/л) 2,1 (т/л) 32,0 (о/с)
Примечание: Варианты опыта — см. таблицу 1; лимитирующий показатель вредности: т/л — транслокационный; о/с — общесанитарный.
INTERNATIONAL AGRICULTURAL JOURNAL № S (371) / 2O19
www.mshj.ru
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ
Таблица 3
Содержание микроэлементов в почвогрунте и почве с поля учхоза Красноярского ГАУ в зависимости от наличия и концентрации ОКС
ш
№ пробы Кадмий, мг/кг Кобальт, мг/кг Хром, мг/кг Медь, мг/кг Марганец, мг/кг Никель, мг/г Цинк, мг/кг
1 0,215 3,073 9,899 6,032 281,9 5,599 63,73
2 0,208 3,344 9,522 6,293 304 6,522 61,28
3 0,21 3,425 8,716 6,707 296,9 6,895 60,66
4 0,209 3,303 8,948 6,621 295 6,232 61,4
5 0,168 11,558 17,508 16,102 461,1 30,383 58,41
6 0,086 9,831 17,692 21,29 499,4 30,61 52,73
7 0,099 10,471 19,625 19,385 479,5 32,783 52,41
ПДК [15] 1,0 (о/с) 5,0 (о/с) 6,0 (о/с) 3,0 (о/с) 1500,0 (о/с) 4,0 (о/с) 23,0 (т/л)
Примечание: см. таблицу 2.
предпродажной проверки почвогрунта и безопасности выращиваемой продукции. Концентрации ртути и свинца в опытах не изменялись и не превышали ПДК.
Из подвижных форм микроэлементов были получены результаты по кадмию, кобальту, хрому, меди, марганцу, никелю, цинку (табл. 3). Из них в препарате присутствовали марганец, цинк, медь и кобальт.
При изучении агрохимических показателей как почвогрунта, так и почвы, взятой в учхозе, отмечены элементы, количество которых превышает ПДК. В почвогрунте — это медь, никель, цинк, хром, содержание которых превышало ПДК в 2-3 раза; в почве из учхоза — это кобальт, хром, цинк, значения ПДК которых превышали в 2-3 раза и медь, и никель, увеличившиеся в 6-7 раз, что наблюдалось при активной работе эндофитных грибов [16].
Выводы
Полученные результаты свидетельствуют о химическом загрязнении почвы из учхоза и по-чвогрунта, предлагаемого торговой сетью. Поэтому изучение возможностей ОКС по очищению почвы от загрязнения важно.
Проведенные нами исследования показали, что при внесении ОКС в почвогрунт снижение концентрации наблюдалось только у хрома в незначительном количестве. У остальных элементов концентрация либо не изменялась, либо увеличивалась. В почве из учхоза снижение концентрации отмечено только у цинка. У других элементов, как и в почвогрунте, изменение концентрации либо не происходило, либо наблюдалось незначительное увеличение.
На колебание содержания микроэлементов в почвогрунте и почве до и после внесения препарата могут оказывать влияние процессы
микробиологической адсорбции [4, 17]. Переработка ОКС почвенным микробиологическим сообществом в первый месяц после внесения добавки, то есть на начальном этапе ее действия, способствует скорее увеличению концентрации химических элементов, чем ее снижению. Причем эта тенденция наблюдается как в грунте, на котором выращивали растения, так и в почве, где ОКС вносилась без культивации растений.
Предположение, что использование отходов кондиционированных культуральных сред, применяемых в пролиферации эмбриональной массы хвойных, возможно для очищения почвы от содержания загрязняющих компонентов, не подтверждено. Можно допустить, что снижение содержания металлов в почве можно обнаружить при более длительном экспонировании.
Литература
1. Жирнова Д.Ф. Применение биостимуляторов для повышения качества зеленой массы листового салата // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2014. № 4. С. 166-170.
2. Калинин Ф.Л., Сариацкая В.В., Полищук В.Е. Методы культуры тканей в физиологии и биохимии растений. Киев: Наукова думка, 1980. 488 с.
3. Pullman G.S., Bucalo K. Pine somatic embryogenesis: analyses of seed tissue and medium to improve protocol development. New Forests. 2014. Vol. 45. Pp. 353-377. DOI: 10.1007/s11056-014-9407-y.
4. Плотникова Т.В., Позняковский В.М., Ларина Т.В. Елисеева Л.Г. Экспертиза свежих плодов и овощей. Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2001. 317 с. С. 90-94.
5. Кузнецова Т.А., Колпаков Н.А. Влияние способов выращивания на биохимический состав салата // Вестник Алтайского государственного университета. 2009. № 5. С. 11-14.
6. Кожевин П.А. Микробные популяции в природе. М: Изд-во Московского государственного университета, 1989. 175с.
7. Осипова Г.С., Кондратьев В.М. Агробиологическая оценка сортов салата при выращивании в весеннем обороте в пленочных теплицах Ленинградской области // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2014. № 34. С. 15-20.
8. Демиденко Г.А., Жирнова Д.Ф. Эффективность биостимуляторов при выращивании петрушки и укропа на разных почвогрунтах // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2015. № 5. С. 108-113.
9. Демченко Н.П., Калимова И.Б., Демченко К.Н. Восстановление роста и пролиферации клеток в корнях пшеницы после их ингибирования сульфатом никеля // Физиология растений. 2013. Т. 60. № 5. С. 678-690.
10. Вильдфлуш И.Р., Кукреш С.П., Ионас В.А. Агрохимия. Минск: Ураджай, 2001. 488 с.
11. Коржов С.И., Трофимова Т.А. Приемы воспроизводства органического вещества черноземов // Модели и технологии природообустройства (региональный аспект). 2017. № 2 (5). С. 91-97.
12. Тейт Р. Органическое вещество почвы. М.: Мир, 1991. 400 с.
13. Витковская С.Е. Твердые бытовые отходы: антропогенное звено биологического круговорота. СПб.: АФИ, 2011. 132 с.
14. Шумилова М.А., Петров В.Г. Адсорбционные модели для описания равновесия в системе арсенит-ион — почва // Теоретическая и прикладная экология. 2017. № 4. С. 32-38.
15. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. М., 2017.
16. Узбеков И.С., Хайбуллин М.М., Нурмухаметов Н.М. Метаболиты эндофитных грибов и микроэлемент медь как способы повышения биологической активности почвы и урожайности яровой пшеницы // Научное обеспечение устойчивого функционирования и развития АПК: материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием в рамках XIX Международной специализированной выставки «Агро-Комплекс-2009», 2009. С. 240-243.
17. Переломов Л.В., Переломова И.В., Пинский Д.Л. Молекулярные механизмы взаимодействия между микроэлементами и микроорганизмами в биокосных системах (биосорбция и биоаккумуляция) // Агрохимия. 2013. № 3. С. 80-94.
Об авторах:
Вышегородцева Инесса Сергеевна, кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры биологии и экологии, [email protected] Носкова Наталья Евгеньевна, кандидат биологических наук, доцент, руководитель учебно-научной инновационной лаборатории биотехнологии сельскохозяйственных и лесных культур, [email protected]
THE STUDY OF WASTE NUTRIENT MEDIA CONIFEROUS, WHICH HAVE BEEN USING IN CROP PRODUCTION
I.S. Vishegorodtseva1, N.E. Noscova2
'Krasnoyarsk state medical university named after prof. V.F. Voino-Yasenetsky of the Ministry of healthcare of the Russian Federation, Krasnoyarsk Krasnoyarsk state agrarian university, Krasnoyarsk, Russia
Most biotechnological laboratories, which cultivate embryo masses of conifers, destroy the utilized Conditional mediums. These mediums contain not only substances which are used by calluses but also their metabolism products such as amino acids, growth factors, organic acids, and others. The purpose of the research is to show the possibility of conditional mediums waste products (CMWP) usage as an addition to the soil for cultivating of conifer fetal tissues. The object of the study was the waste
МЕЖДУНАРОДНЫЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ №5 (371)/2019
