CC BY
12
УДК 631.416.8 Аспирант Е.М. НАУМОВ
(СПбГАУ, [email protected]) Канд. биол. наук. М.А. ЕФРЕМОВА
(СПбГАУ, [email protected])
ВЛИЯНИЕ МИКРОБИОПРЕПАРАТА МИЗОРИН НА НАКОПЛЕНИЕ As ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЕЙ ИЗ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ
Мышьяк, микробиопрепарат, Мизорин, дерново-подзолистая почва, яровая пшеница
Современное значение фонового содержания опасного металлоида мышьяка в почвах мира составляет 5 мг As/кг [1], что в 2,5 раза превышает величину его ПДК в почвах. Подвижность этого элемента в почве зависит от деятельности микроорганизмов. Многие из бактерий используют As в процессах дыхания в качестве акцептора электронов, тем самым понижая степень окисления As от +5 до +3 [2]. Некоторые группы микроорганизмов растворяют слабо окристаллизованные гидроксиды железа в почве, что ведет к высвобождению сорбированного на них мышьяка. Микробиологический фактор может быть причиной увеличения содержания в подвижной фазе почвы анионов-конкурентов (фосфатов, растворенного органического вещества), способствующих переходу Asиз твердой фазы в почвенный раствор. Перечисленные процессы изменяют равновесие, установившееся между формами соединений мышьяка в почве, при использовании микробиопрепаратов целевого назначения. По данным [3], эффект от воздействия микроорганизмов зависит от степени загрязнения почвы металлоидом.
В настоящий период микробиопрепараты активно используются в растениеводстве для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур при снижении норм внесения минеральных удобрений и средств защиты растений. Биопрепараты, приготовленные на основе ризосферных бактерий, усиливают толерантность растений к неблагоприятным факторам окружающей среды. К таким препаратам относится Мизорин, в одном грамме которого содержится от 2 до 4 млрд. бактерий АнкгоЬаМвг mysorens, ассоциативных азотфиксаторов. По данным [4], использование препарата при выращивании ряда полевых культур увеличивает выход хозяйственно полезной биомассы на 1030%, урожайность пшеницы возрастает в среднем на 15%.
Целью нашей работы явилось исследование влияния Мизорина на накопление мышьяка яровой пшеницей сорта Ленинградская 6 из дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы.
Поведение As в системе почва-растение сильно зависит от физико-химических свойств почвы. Как правило, рН почвы оказывает влияние на концентрацию его подвижных соединений [5]. Обычно сорбция мышьяка уменьшается с повышением рН. Это можно объяснить образованием отрицательных зарядов на адсорбирующей поверхности минералов при более высоком рН, а также отрицательным зарядом оксианионов As (арсенатов или арсенитов).
Наличие аморфных оксидов Fe и А1 усиливает удержание As в почве. Взаимодействие этих почвенных компонентов с As протекает по механизму специфического внутрисферного комплексообразования. Комплексные соединения с оксианионами мышьяка образует также органическое вещество почвы, которое в первую очередь состоит из гуминовых и фульвокислот. Адсорбция As гуминовыми кислотами высока в диапазоне рН = 5-7 [5]. В кислой среде гуминовые кислоты могут внести больший вклад в удержание As, чем оксиды металлов. Причем главными удерживающими центрами являются аминогруппы. Фульвокислоты могут образовывать с As комплексные соединения, растворимые в почвенной среде.
Доступность мышьяка растениям из почвы в большой степени зависит от содержания в почве фосфора, химического аналога мышьяка [5, 6]. As и Р - химические элементы V группы главной подгруппы периодической системы Менделеева, имеют сходные атомные радиусы (0,139 и 0,128 нм), близкие потенциалы ионизации (10,48 и 9,81 В). Оба элемента образуют оксианионы в степени окисления +5. Фосфаты стабильны в широком диапазоне рН и окислительно-восстановительного потенциала, а As в восстановительных условиях существует в степени окисления +3 и легко образует связи с серой. Фосфаты и арсенаты подвержены сходным типам взаимодействия с компонентами почвы в первую очередь путем внутреннего комплексообразования. Таким образом, фосфаты способны жестко конкурировать с оксианионами мышьяка за места сорбции на поверхности твердой фазы почвы и при переходе из почвы в растения.
Почва опыта имела следующие агрохимические характеристики: содержание органического вещества - 1,71%, рНка - 5,2, гидролитическая кислотность - 1,75 м-экв/100 г почвы, содержание подвижного фосфора - 36,2 мг/кг, подвижного калия -15,8 мг/кг. Содержание органического вещества было определено по методу Тюрина в модификации ЦИНАО, обменная кислотность -потенциометрически (ГОСТ 26423-85), гидролитическая кислотность - по методу Каппена (ГОСТ 26212-91); содержание подвижных соединений фосфора и калия - по методу Кирсанова (ГОСТ Р 54650-2011) в модификации ЦИНАО.
При подготовке к опыту почва была хорошо перемешана, поэтому её характеристики можно считать не меняющимися по вариантам и повторностям опыта, следовательно, не влияющими на величину накопления As растениями.
Сельскохозяйственные культуры заметно различаются по своей способности накапливать химические элементы из почвы. Наиболее активно накапливают As зерновые культуры [6]. В нашем опыте исследовалась динамика накопления элемента из почвы яровой пшеницей. Растения пшеницы выращивали в пластиковых сосудах Кирсанова в вегетационном домике. Масса почвы в сосуде -5 кг. Опыт состоял из двух вариантов. В первом варианте в почву, предварительно загрязненную мышьяком на уровне 1 ОДК (5 мг As/кг почвы), были внесены минеральные удобрения в рекомендованных для вегетационного эксперимента дозах (нитроаммофоска, N0,^0,1^,1). Удобрения и раствор мышьяксодержащей соли №2НА80з были тщательно перемешаны с почвой всех сосудов. Этот вариант был контролем для второго, в котором кроме минеральных удобрений для выращивания растений был использован микробиопрепарат Мизорин. Препарат применяли в виде водного раствора посредством инокуляции семян, которая проводилась в день посева с заделкой семян на глубину 1,0-1,5 см. Перед посевом пшеница была замочена в воде в течение 24 ч. В каждый сосуд было высеяно по 30 растений, а после прорастания оставлено по 25 растений.
Мышьяк в малых количествах может быть полезен для растений, в больших - вреден [6]. Негативное действие мышьяка проявляется в подавлении роста растений, снижении урожая, слабом развитии корневой системы, плазмолизе корней, увядании листьев, отмирании верхушек листьев, снижении транспирации и поступления воды в растения. Для того чтобы ограничить фитотоксичное действие As, почва опыта была искусственно загрязнена этим элементом на уровне 1 ОДК. Значение показателя ориентировочно-допустимой концентрации элемента в почве учитывает её свойства и не связано с угнетением жизнедеятельности растений.
В течение вегетационного периода было сделано 9 отборов растительных проб для определения содержания в них мышьяка и установления динамики роста пшеницы. Временные точки отбора соответствовали следующим возрастам растений от момента всходов: 10, 15, 21, 25, 30, 35, 45, 56, 65 суток.
В опыте определяли абсолютно сухую надземную массу растений (табл.). Биомасса пшеницы в контрольном варианте и в варианте с применением микробиопрепарата отличалась несущественно.
Концентрация As в растениях пшеницы была измерена на атомно-абсорбционном спектрометре АА-7000G «SЫmadzu» с электротермической атомизацией. Пробоподготовка состояла в измельчении растений на лабораторной мельнице и проведении их мокрого озоления в смеси кислот :ЖЮ4= 3:1.
Т а б л и ц а. Динамика биомассы яровой пшеницы
Возраст растений, сут. Фаза вегетации Варианты
№К NPK+Mизорин
10 Всходы 0,92±0,23 0,96±0,20
15 Кущение 2,52±0,31 2,41±0,19
21 4,64±0,13 3,85±1,15
25 7,17±1,40 6,57±1,20
30 Выход в трубку 10,62±1,51 9,90±1,90
35 13,14±1,17 13,47±0,96
45 17,0±0,68 14,06±1,31
56 Колошение 16,07±4,79 17,86±1,10
65 Молочная спелость 23,66±1,43 23,22±4,97
В контроле и в варианте с Мизорином концентрация As в пшенице увеличивалась на протяжении первых 25 суток роста (рис. 1), достигая максимума к началу фазы выхода в трубку, затем концентрация снижалась, достигая минимальных значений к 65 суткам роста. Более ранние исследования показали наличие временного максимума в накоплении калия, кадмия и других элементов яровой пшеницей также на рубеже двух фенологических фаз её роста - стадии кущения и стадии выхода в трубку [7].
В период от начала роста до фазы колошения использование биопрепарата способствовало снижению общего уровня содержания токсиканта в растениях по сравнению с контролем, после 45 суток роста концентрации As в обоих вариантах были статистически неразличимы. Можно предположить, что через 48 суток после внесения Мизорина в почву (с учетом времени прорастания растений) популяция бактерий Лг(кгоЬас(ег mysorens ослабла или перестала существовать в результате каких-либо неблагоприятных для микроорганизмов факторов. В период своей активной жизнедеятельности бактерии, очевидно, снижали подвижность мышьяка в почве и доступность элемента для растений. Эти результаты хорошо согласуются с выводами, полученными в экспериментах с ризосферными бактериями, поставленными в условиях техногенно-загрязненных экосистем [3].
и и
и <
к к а й а н К <и
а х
о «
1,4-
1,2-
1,0-
0,8-
0,6-
0,4-
0,2-
0,0
/
У
■ мизорин
■ контроль
+-----1
-"1—
10
20
30
—I—
40
50
60
70
Возраст растений, сутки Рис. 1. Динамика концентрации As в растениях пшеницы
Фотоколориметрическим методом в растительных образцах была определена концентрация фосфора. Содержание элемента в растениях контрольного варианта было несколько выше, чем в варианте с применением Мизорина (рис. 2), вероятно, происходила иммобилизация фосфора из почвы микроорганизмами препарата. Однако статистическая обработка не показала существенных различий между вариантами опыта по этому признаку.
Максимальное количество фосфора растения пшеницы накапливали на рубеже 15 суток от начала всходов, что соответствовало началу фазы кущения. Далее концентрация макроэлемента в пшенице снижалась в течение вегетационного периода в 2,6-3,7 раза.
Максимумы накопления мышьяка и фосфора растениями несколько расходились во времени. Можно предположить, что интенсивный поток фосфора в корневую систему растений в начальные фазы роста сдерживал поглощение растениями его химического аналога, мышьяка. Так как механизмы перехода элементов-аналогов из почвы в растения подобны, то между химическими элементами должна возникать конкуренция хотя бы за места первичной сорбции на поверхности корневой системы растений.
мизорин
1,4-
- -А- -контроль
!
1
10 20 30 40 50 60 70
Возраст растений, сутки
Рис. 2. Динамика содержания фосфора в растениях пшеницы
Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы.
1. Применение микробиопрепарата Мизорин не способствовало увеличению массы надземной части растений пшеницы по сравнению с контролем.
2. Концентрация фосфора в растениях существенно не различалась в контрольном варианте и в варианте с использованием Мизорина.
3. Под действием Мизорина концентрация As в зеленой массе пшеницы была ниже, чем в контроле в течение первых 50 суток роста растений, что, по-видимому, объясняется иммобилизацией As из почвы микроорганизмами препарата. Таким образом, микробиопрепарат Мизорин может быть рекомендован для выращивания яровой пшеницы на дерново-подзолистой почве, загрязненной мышьяком, с целью снижения степени загрязнения растениеводческой продукции.
1. Mandai B.K.,Suzuki K.T. Arsenic around the world: a review // Talanta. 2002. V. 58. P. 201-235.
2. Водяницкий Ю.Н. Превращения мышьяка в загрязненных почвах // Агрохимия. - 2013. - № 4. - С. 87-96.
3. Белоголова Г.А., Соколова М.Г., Гордеева О.Н. Влияние ризосферных бактерий на миграцию и биодоступность тяжелых металлов, мышьяка и фосфора в техногенно-загрязненных экосистемах // Агрохимия. - 2013. - № 6. - С. 69-77.
4. Кожемяков А.П., Хотянович А.В. Перспективы применения биопрепаратов ассоциативных азотфиксирующих микроорганизмов в сельском хозяйстве // Бюллетень ВИУА (М.). - 1997. - № 110. - С.
5. Саркар Д., Датта Р. Концентрация и биодоступность мышьяка в почвах с разными свойствами: исследование почв во Флориде./ Микроэлементы в окружающей среде: биогеохимия, биотехнология и биоремедиация»; Под ред. М.Н.В. Прасада, К.С. Саджвана, Р. Найду. - М.: ФИЗМАТЛИТ, - 2009. - С. 104-122.
6. Химия тяжелых металлов, мышьяка и молибдена в почвах / Под ред. Н.Г. Зырина, Л.К. Садовниковой. -М.: Изд. МГУ, - 1985. -208 с.
7. Ефремова М.А., Сладкова Н.А., Вяльшина А.С. Динамика накопления кадмия и калия растениями пшеницы на дерново-подзолистой и торфяной низинной почвах // Агрохимия. - 2013. - № 11.- С. 86-96.
Л и т е р а т у р а
4-5.
