CC BY
24
Лебедева Надежда Сергеевна, аспирантка, научный сотрудник
Ченикалова Елена Владимировна, доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник
ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр»
Россия, 356241, Ставропольский край, Шпаковский район, г. Михайловск, ул. Никонова, 49
E-mail: n.lebedeva@fnac.center; entomolsgau@mail.ru
Impact of weather factors on seed productivity of new alfalfa varieties and the problems of its pollination
Lebedeva Nadezhda Sergeevna, postgraduate, researcher
Chenikalova Elena Vladimirovna, Doctor of Biologу, Professor, Chief Researcher
North-Caucasian Federal Research Agrarian Center
49, Nikonov St., Mikhaylovsk, Shpakov district, Stavropol krai, 356241, Russia E-mail: n.lebedeva@fnac.center; entomolsgau@mail.ru
The article examines the influence of weather factors in 2016 - 2019. on the seed productivity of new varieties of alfalfa in the Central Ciscaucasia, the problem of alfalfa pollination and the importance of natural pollinators - single bees. The authors describe new varieties of alfalfa, created in the Federal State Budgetary Scientific Institution «North Caucasus Federal Research Center», cultivated in the region and recommended for all soil and climatic zones of the Stavropol Territory. The main characteristics of these varieties are given. The influence of deviations of weather and climatic factors - temperature and precipitation - from long-term values on the seed productivity of varieties is analyzed. It was shown that in dry years, the seed productivity of varieties of both yellow and blue alfalfa decreases. The comparative density of honey bees and natural pollinators in 2020 on the studied alfalfa varieties is given. The species composition of the main pollinators of alfalfa in the Central Ciscaucasia, which is 8 species, is indicated. It is noted that the specialized pollinator of alfalfa leaf-cutting bee Megachilerotundata F. lives in the conditions of the research zone and does not need introduction. To attract it, it would be advisable to establish artificial nesting sites previously produced in the country. The influence of weather on the efficiency of pollination of alfalfa by single bees is also described, their participation in the process of pollination and the formation of the yield of alfalfa seeds, measures are proposed to attract pollinators to sowing seed alfalfa - wide-row sowing, placement of seed plots near nesting stations of bees in the soil. It is necessary to preserve and enrich the agricultural landscapes with flowering vegetation, to reconstruct the forb steppe ecosystems, developed by the Federal Research Center of the Russian Federation by the agrosteppes method, and to expand the application of the method in the region.
Key words: alfalfa, seed productivity, Central Ciscaucasia, pollinators, single bees.
DOI 10.37670/2073-0853-2020-85-5-74-79
-♦-
УДК 633.31:631.559:631.811.982:58.071
Влияние предпосевной обработки семян люцерны посевной препаратом Елена на повышение её устойчивости к загрязнению почвы нефтепродуктами
Ю.М. Сотникова1, ст. преподаватель; А.С. Григориади1, канд. биол. наук;
Р.Р. Хисамов2, д-р биол. наук, профессор; Р.Г. Фархутдинов1, д-р биол. наук, профессор
1 ФГБОУ ВО Башкирский ГУ
2 ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ
Целью исследования является определение эффективности предпосевной обработки семян люцерны посевной препаратом Елена на повышение устойчивости к загрязнению почвы нефтепродуктами. Было установлено, что под действием предпосевной обработки семян препаратом Елена улучшалась всхожесть семян на нефтезагрязнённых почвах. По данным теста на фитотоксичность, растение Medicago sativa L. оказалось устойчивым к действию нефтяного загрязнения почвы. В большей степени токсическое действие нефти проявилось в снижении длины и веса корней люцерны посевной. Показано, что нефтяное загрязнение почвы приводило к снижению активности каталазы и содержания хлорофилла а и b и увеличению содержания каротиноидов в листьях растения-фиторемедианта. Обработка семян препаратом Елена оказала ростостимулирующее действие, проявившееся в увеличении длины растений и их биомассы. Было отмечено, что использование биопрепарата привело к увеличению в листьях хлорофилла а и b в 2,5 раза, каротиноидов - в 3 - 5 раз по сравнению с растениями, произрастающими в загрязнённой почве,
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 ■ № 5 (85)
в зависимости от концентрации поллютанта. В целом при загрязнении почвы нефтью в концентрации 6 % биопрепарат Елена оказал положительное влияние на морфологические и биохимические показатели растения Medicago sativa L.
Ключевые слова: люцерна посевная, нефтезагрязнённая почва, биорекультивация, препарат Елена, содержание пигментов, активность каталазы.
Нефть и нефтепродукты являются одним из опасных загрязнителей, в том числе из-за много-компонентности и разнонаправленного действия на окружающую среду. Проникновение нефтяных углеводородов в почву вызывает изменение всех основных её характеристик, что ведёт к потере плодородия и отчуждению её из землепользования, к нарушению жизнедеятельности почвенных организмов, а также к загрязнению грунтовых вод [1].
Естественным путём разложение полициклических углеводородов в почве длится многие годы. До 40 % лёгких фракций нефти с поверхности почв испаряются и выносятся с жидким поверхностным стоком [2]. Тяжёлые углеводороды оседают в верхних горизонтах почв, изменяя их водно-физические свойства и выделяя токсичные вещества в глубь почвенного профиля, достигая уровня грунтовых вод [3]. В загрязнённых почвах наблюдается утрата поглощающей способности, связанной с обволакиванием почвенных коллоидов нефтяной плёнкой [4], что приводит к полной депрессии функциональной активности флоры, фауны и большинства микроорганизмов. Восстановление микробиологической и биохимической активности почв зависит от кратности галогенеза и не происходит полностью даже через 10 - 25 лет [5, 6], в связи с чем загрязнённые территории нуждаются в проведении рекультивационных работ.
Под рекультивацией понимается комплекс работ, направленный на восстановление продуктивности и народнохозяйственной ценности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды в соответствии с интересами общества (ГОСТ 17.5.1.01 - 83) [7].
Наиболее успешными биологическими методами рекультивации нефтезагрязнённых почв считаются внесение биопрепаратов на основе аборигенных микроорганизмов или коллекционных штаммов, а также фиторемедиация (применение растений, их способности поглощать и накапливать загрязнения в своих частях, активизировать деятельность почвенных микроорганизмов в борьбе с загрязнениями, обеспечивая их необходимыми питательными элементами) [8].
Целью данной работы являлась оценка эффективности предпосевной обработки семян люцерны посевной биопрепаратом Елена на рост и физиолого-биохимические параметры растения, используемого в качестве фиторемедианта для восстановления нефтезагрязнённых земель сельскохозяйственного назначения.
Материал и методы исследования. Полевые исследования проводились на серой лесной по-
чве в Бирском районе Республики Башкортостан. Почва опытных участков со следующей агрохимической характеристикой пахотного слоя: содержание гумуса - среднее, подвижного фосфора и калия - высокое, обменная кислотность почвы - слабокислая.
Погодные условия характеризовались относительно неодинаковым температурным режимом и количеством осадков, изменяющимся по периодам вегетации.
Для проведения данного исследования использовали следующие материалы: семена растений-фиторемедманта люцерны посевной (Medicago sativa L.); биопрепарат Елена (основу которого составляет штамм бактерий Pseudomonas aureofaciens, ИБ 51 титр 2 - 3 • 109 КОЕ/мл, производитель - ООО «Биомедхим»).
В качестве загрязнителя выступала товарная нефть в концентрации 1, 3 и 6 % от массы сухой почвы. Через месяц после загрязнения производился посев семян люцерны, обработанных биопрепаратом Елена. Заделка семян осуществлялась на глубину 1,5 - 2,0 см. Норма высева семян составляла 10 - 12 кг. Отбор проб проводился через 30 сут. после посадки растений. В качестве контроля выступали растения, выращенные на незагрязнённой почве без предпосевной обработки.
Предпосевную обработку семян проводили в день посева, норма расхода рабочей жидкости составляла 1 литр на 1 тонну. При закладке полевых опытов использованы методы, приводимые Б.А. Доспеховым [9].
Фитотоксичность почвы, загрязнённой нефтью в разных концентрациях (1 - 4 %), определялась по всхожести семян и длине проростков. Фито-токсический эффект ФЭ (%) рассчитывали по формуле:
ФЭ = M,
к
MK - MX
100
где Мк - масса контрольного растения;
Мх - масса растений, выращенных на фито-токсичной среде.
Содержание хлорофиллов а и Ь в вытяжке определяли в ацетоновом экстракте по формуле Вернона, для определения концентрации кароти-ноидов в суммарной вытяжке пигментов использовали формулу Веттштейна [10]. Определение активности каталазы проводили газометрическим методом [11].
Статистическая обработка данных осуществлялась с применением пакетов прикладных программ Statistica10.0 и электронных таблиц
Excel. В нашем исследовании использовали непараметрический ^-критерий Манна - Уитни для независимых выборок.
Результаты исследования. Всхожесть семян в модельном опыте в незагрязнённой почве составляла 85 %, что говорит об относительно хорошем качестве посевного материала, который целесообразно использовать для масштабных работ по фиторемедиации. Ингибирующий эффект в отношении прорастания семян был отмечен в случае загрязнения почвы нефтью даже в незначительных концентрациях (3 - 4 %), что обусловлено его токсичностью и высоким содержанием тяжёлых фракций (рис. 1 А). Влияние загрязнения почвы товарной нефтью привело к снижению длины проростков на 20 % при дозе
90 80 70
чр £ 60
1 50 S 40
CQ
30 20 10
45 40
I _
нефть, 1 % нефть, 2 % нефть, 3 % А
нефть, 4 %
35 30
25 20
15 10
контроль нефть, 1 % нефть, 2 % нефть, 3 % нефть, 4 % Б
Рис. 1 - Всхожесть семян (А) и длина проростков (Б) люцерны посевной в опыте на фитотоксичность почвы, загрязнённой нефтью
1 % по сравнению с контролем и на 40 % при высокой концентрации, используемой в эксперименте. Средняя длина проростков люцерны в опыте на фитотоксичность снижалась не более чем на 25 % по сравнению с контролем (рис. 1 Б). При загрязнении нефтью уровень фитотоксич-ности не превышал 40 - 45 %.
В полевых условиях влияние нефти на длину побегов оказалось незначительным. Для концентраций 1 и 6 % отличия не были достоверными, при содержании нефти в почве в дозе 3 % длина побегов снижалась на 33 %. Использование препарата Елена дало положительный результат. При концентрации загрязнителя 1 - 3 % длина растений не отличалась от контрольных, а при максимальной степени загрязнения была доступной для применения фиторемедиации (6 %), параметр был выше на 31 % по сравнению с контрольными растениями.
Аналогичное влияние нефтяное загрязнение оказало и на длину корневой системы растений люцерны посевной. Минимальное значение отмечалось при 3%-ном загрязнении почвы. Использование препарата Елена стимулировало рост корневой системы (табл. 1). При минимальном загрязнении почвы показатель в 1,5 превышал контрольные значения. По сравнению с образцами, произрастающими в сильнозагрязнённой почве, длина корней увеличилась на 30 %, при среднем уровне загрязнения - в 1,8 раза. Именно использование препарата Елена приводило не только к увеличению длины, но и к увеличению количества корней. В зависимости от степени загрязнения почвы прирост массы корней составлял от 30 до 50 %. Также были определены такие дополнительные параметры, как ширина листьев, количество корней и масса надземной и подземной частей растений. Использование препарата Елена не привело к возникновению существенных отличий между растениями, произрастающими в загрязнённой и контрольной почве. Это может быть связано с тем, что такая низкая концентрация не даёт токсического эффекта и растение успешно адаптируется к стрессу.
При оценке содержания пигментов в листьях растений люцерны в условиях нефтяного загряз-
1. Морфометрические данные растений люцерны посевной, произрастающих в нефтезагрязнённой почве и при биоремедиации
0
5
0
Параметр Нефть, 1 % Нефть, 3 % Нефть, 6 %
Нефть, 1 % + Елена Нефть, 3 % + Елена Нефть, 6 % + Елена
Ширина листьев, см 0,5 ± 0,03 0,76 ± 0,04 0,73 ± 0,04 0,63 ± 0,03 0,83 ± 0,04 0,66 ± 0,03
Количество корней, шт. 37 ± 2 54 ± 3 75 ± 4 113 ± 6 47 ± 2 62 ± 3
Масса надземной части, г 0,5 ± 0,03 0,74 ± 0,03 6,97 ± 0,34 11,67 ± 0,58 0,58 ± 0,03 4,14 ± 0,21
Масса корневой системы, г 0,53 ± 0,02 0,5 ± 0,02 1,83 ± 0,09 1,43 ± 0,07 0,42 ± 0,02 1,13 ± 0,07
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 ■ № 5 (85)
нения и рекультивации было выявлено, что нефть отрицательно влияет на содержание хлорофилла а, однако зависимости от концентрации загрязнения отмечено не было. Обработка препаратом Елена привела к увеличению показателя в 2 - 2,4 раза в зависимости от процентного содержания нефти в почве. При максимальной дозе загрязнителя показатель увеличивался на 30 % по сравнению с растениями, произрастающими в условиях загрязнения (рис. 2).
Подобные результаты были получены при оценке содержания хлорофилла Ь в листьях люцерны посевной. В случае применения препарата Елена было обнаружено, что с ростом концентрации поллютанта происходило большее увеличение изучаемого показателя. Было выявлено, что загрязнение нефтью в концентрациях до 3 % стимулировало выработку каротиноидов в листьях растений-фиторемедиантов в 2 - 3 раза. Однако дальнейшее повышение концентрации поллютанта в почве приводило к снижению темпов роста данного показателя. Таким образом, нефть как стресс-фактор, приводила к активации синтеза каротиноидов растениями, что подтверждено другими исследованиями [12, 13]. Использование биопрепаратов привело к увеличению данного показателя в листьях растений-фиторемедиантов в 3 - 5 раз. Однако влияние высоких концентраций загрязнителя оказывало ингибирующий эффект, и рост показателя характеризовался обратной зависимостью от концентрации нефти в почве. Было отмечено, что обработка препаратом Елена приводила к большему увеличению данного параметра, что показывает эффективность использования данного биопрепарата.
При изучении влияния препарата на активность каталазы установлено, что в незагрязнённой почве активность ферментов в листьях не изменялась, в корнях - снижалась (табл. 2).
В целом каталазная активность снижалась как в корнях, так и в побегах более чем в 2 раза. В побегах растений активность фермента не изменялась под влиянием 1 % нефтяного загрязнения. Существенное снижение показателя
было отмечено при содержании поллютанта в почве 6 %. Активность каталазы снижалась в 7 раз. Внесение препаратов при минимальной дозе загрязнителя в почву не оказало воздействия на активность фермента. При высоком содержании загрязнителя биопрепарат положительно повлиял на исследуемый фермент.
2. Активность каталазы у растений-фиторемедиантов в условиях нефтяного загрязнения и биоремедиации (моль Н2О2 / мин)
Вариант В побеге В корнях
Контроль 3,55 ± 0,21 0,4 ± 0,020
Нефть, 1 % 3,6 ± 0,23 0,1 ± 0,006
Нефть, 1 % + Елена 3,7 ± 0,22 0,2 ± 0,010
Нефть, 3 % 2,2 ± 0,13 0,1 ± 0,006
Нефть, 3 % + Елена 1,6 ± 0,09 0,1 ± 0,005
Нефть, 6 % 0,5 ± 0,04 0,3 ± 0,017
Нефть, 6 % + Елена 1,9 ± 0,11 0,1 ± 0,006
Выводы. Было показано, что растение Medicago sativa L. оказалось устойчивым к влиянию товарной нефти. При оценке негативного влияния нефтяного загрязнения на морфоме-трические показатели люцерны посевной было отмечено, что в большей степени токсическое действие нефти проявилось в снижении длины и количества корней из-за прямого контакта с растением. Нефтяное загрязнение приводило к снижению активности каталазы и содержания хлорофилла a и b, а также к увеличению содержания каротиноидов в листьях растения-фиторемедианта. Обработка семян препаратом Елена оказала ростостимулирующее действие, проявившееся в увеличении длины растений и их биомассы. Использование биопрепарата привело к увеличению содержания в листьях хлорофилла а и b в 2,5 раза, каротиноидов - в 3 - 5 раз по сравнению с растениями, произрастающими в загрязнённой почве в зависимости
2,5 2
^ 1,5 £ 1 0,5 0
нефть, 1 % нефть, 1 % + нефть, 3 % нефть, 3 % + нефть, 6 % нефть, 6 % + Елена Елена Елена
Ц Хлорофилл а
И Хлорофилл b
ЕЗ Каротиноиды
Рис. 2 - Содержание пигментов в листьях растений люцерны в условиях нефтяного загрязнения и с рекультивацией препаратом Елена
от концентрации поллютанта. В целом при загрязнении почвы нефтью в концентрации 6 % биопрепарат Елена положительно повлиял на морфологические и физиолого-биохимические показатели растения Medicago sativa L.
Литература
1. Салангинас Л.А. Изменение свойств почв под воздействием нефти и разработка системы мер по их реабилитации. Екатеринбург: Элита-Комплекс, 2003. 412 с.
2. Другов Ю.С., Родин А.А. Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов. Практическое руководство. СПб.: «Анатолия», 2000. 250 с.
3. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1998. 376 с.
4. Трофимов С.Я., Розанова М.С. Изменение свойств почв под влиянием нефтяного загязнения // Деградация и охрана почв. М., 2002. С. 356 - 373.
5. Артемьева Т.И., Жеребцов А.К., Борисович Т.М. Влияние загрязнения почвы нефтью и нефтепромысловыми сточными водами на комплекс почвенных животных // Восстановление нефтезагрязнённых почвенных экосистем. М.: Наука, 1988. С. 82 - 99.
6. Демидиенко О.Я., Демурджан В.М. Пути восстановления нефтезагрязнённых почв чернозёмной зоны Украины // Восстановление нефтезагрязнённых почвенных экосистем. М.: Наука, 1988. С. 197 - 206.
7. ГОСТ 17.5.1.01 - 83 Охрана природы (ССОП). Рекультивация земель. Термины и определения.
8. Вельков В. В. Биоремедиация: принципы, проблемы, подходы // Биотехнология. 1995. № 3 - 4. С. 20 - 27.
9. Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Большой практикум по фотосинтезу. М.: Издат. центр «Академия», 2003. 256 с.
10. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М.: Агро-промиздат, 1985. 351 с.
11. Практикум по физиологии растений / Н.Н. Третьяков, Т.В. Карнаухова, Л.А. Паничкин [и др.]. М.: Агропромиздат, 1990. 271 с.
12. Киреева Н.А., Митрофанова А.М., Кузяхметов Г.Г. Влияние загрязнения нефтью на фитотоксичность серой лесной почвы // Агрохимия. 2001. № 5. С. 64 - 69.
13. Изменение пигментного состава высших и хвойных растений на Самотлорском месторождении / Р.И. Шаяхметова, С.П. Мальгина, Т.М. Гут [и др.] // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2017. Т. 19. № 2 (2). С. 393 - 395.
Сотникова Юлия Михайловна, старший преподаватель Григориади Анна Сергеевна, кандидат биологических наук, доцент Фархутдинов Рашит Габдулхаевич, доктор биологических наук, профессор ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет» Россия, 450076, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32 E-mail: sotnikova-bashedu@mail.ru; nysha111@yandex.ru; frg2@mail.ru Хисамов Раиль Рауфович, доктор биологических наук, профессор ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет» Россия, 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34 E-mail: hisrail@mail.ru
Effect of pre-sowing treatment of alfalfa seeds
with the Yelena preparation on the increase of this crop
resistance to soil pollution with oil products
Sotnikova Julia Mikhailovna, Senior Lecturer
Grigoriadi Anna Sergeevna, Candidate of Biologу, Associate Professor Farkhutdinov Rashit Gabdulkhaevich, Doctor of Biologу, Professor Bashkir State University 32, Validy St., 450076, Ufa, Russia
E-mail: sotnikova-bashedu@mail.ru; nysha111@yandex.ru; frg2@mail.ru Khisamov Rail Raufovich, Doctor of Biologу, Professor Bashkir State Agrarian University
34, 50-let October St., Ufa, Republic of Bashkortostan, 450001, Russia E-mail: hisrail@mail.ru
The aim of the research is to determine the effectiveness of pre-sowing treatment of alfalfa seeds with the «Elena» sowing preparation to increase its resistance to soil pollution with oil products. It was found that under the influence of pre-sowing seed treatment with the Elena preparation, seed germination in oil-contaminated soils improved. It was found that according to the phytotoxicity test, the plant Medicago sativa L. was resistant to oil pollution of the soil. To a greater extent, the toxic effect of oil was manifested in a decrease in the length and weight of the roots. It was shown that oil pollution of the soil led to a decrease in catalase activity and the content of chlorophyll a and b and an increase in the content of carotenoids in the leaves of the plant-phytoremedient. Seed treatment with the Elena preparation had a growth-promoting effect, which manifested itself in an increase in the length of plants and their biomass. It was noted that the use of a biological product led to a 2.5-fold increase in chlorophyll a and b leaves, a 3 - 5-fold increase in carotenoids compared to plants growing in contaminated soil, depending on the pollutant concentration. In general, when soil was contaminated with oil at a concentration of 6 %, the biological product had a positive effect on the morphological and biochemical parameters of the plant Medicago sativa L.
Key words: sowing alfalfa, oil-contaminated soil, bioremediation, Elena preparation, pigment content, catalase activity.
-Ф-
