Российская сельскохозяйственная наука, 2023, № 2

УДК 546.74: 581.192: 631.484

DOI: 10.31857/S250026272302014X, EDN: AQKXLM

ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ СОЕДИНЕНИЙ НИКЕЛЯ В ПОЧВЕ И ЕГО НАКОПЛЕНИЕ

В РАСТЕНИЯХ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ РОСТСТИМУЛИРУЮЩИХ РИЗОСФЕРНЫХ БАКТЕРИЙ

НА ЗАГРЯЗНЕННОЙ ТЯЖЕЛЫМ МЕТАЛЛОМ ПОЧВЕ

В.П. Шабаев¹, доктор биологических наук, В.Е. Остроумов¹, старший научный сотрудник,

И.О. Плеханова², доктор биологических наук, В.О. Куликов², аспирант,

М.П.Волокитин³, кандидат сельскохозяйственных наук

¹Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН,

142290, Пущино, Московская обл., ул. Институтская, 2

E-mail: vpsh@rambler.ru

²Факультет почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова,

119991, Москва, Ленинские горы, 1

³ Институт фундаментальных проблем биологии РАН,

142290, Пущино, Московская обл., ул. Институтская, 2

В вегетационном опыте изучено влияние бактерий рода Pseudomonas на фракционный состав соединений

никеля в искусственно загрязненной агросерой почве и урожай яровой пшеницы. Схема опыта включала сле-

дующие варианты: без внесения никеля и бактерий; внесение никеля без бактерий; внесение никеля и 20-го

штамма бактерии P. fluorescens; внесение никеля и 21-го штамма бактерии P. fluorescens; внесение никеля и

23-го штамма бактерии P. putida 23.. Растения выращивали до фазы выхода в трубку при загрязнении почвы

NiCl₂·6H₂O в дозе 300 мг Ni/кг на фоне внесения NPK удобрений. Распределение никеля в почве определяли во

фракциях, выделенных методом последовательных селективных экстракций. Содержание никеля в расте-

ниях после озоления в смеси HNO₃:HClO₄(2:1) и в почвенных фракциях устанавливали методом эмиссион-

но-оптической спектрометрии индуктивно-связанной плазмы. Бактерии увеличивали содержания никеля в

обменной и специфически сорбированной фракциях, в меньшей мере во фракциях, связанных с органическим

веществом и с железистыми минералами, и уменьшали содержание металла в остаточной фракции. Приме-

нение бактерий повысило устойчивость растений к повышенной концентрации никеля и увеличило урожай,

значительно снижая фитотоксичность тяжелого металла. Бактерии повышали вынос никеля из почвы

надземными органами растений, главным образом вследствие увеличения урожая, без изменений или увели-

чения содержание металла в растениях. Тем самым, бактерии усиливали фитоэкстракцию - очистку почвы

от тяжелого металла. Вынос никеля растениями возрастал вследствие увеличения его биодоступности, в

основном благодаря обменной и специфически сорбированной фракциям.

FRACTIONAL COMPOSITION OF NICKEL COMPOUNDS IN SOIL AND ITS ACCUMULATION IN PLANTS

IN APPLICATION OF GROWTH PROMOTING RHIZOSPHERE BACTERIA

ON HEAVY METAL-CONTAMINATED SOIL

V.P. Shabayev¹, V.E. Ostroumov¹, I.O. Plekhanova², V.O. Kulikov², M.P. Volokitin³

¹Institute of Physicochemical and Biological Problems in Soil Science, Russian Academy of Sciences,

142290, Pushchino, Moskovskaya obl., ul. Institutskaya 2

E-mail: vpsh@rambler.ru

² Soil Science Department Moscow State University,

119991, Moskva, Leninskie gory, 1

³Institute Basic Biological Problems, Russian Academy of Sciences,

142290, Pushchino, Moskovskaya obl., ul. Institutskaya 2

Impact of genus Pseudomonas bacteria on fractional composition of nickel compounds in artificially contaminated agro-gray soil

and yield of spring wheat was studied in pot experiment. Plants were grown up to booting stage with NiCl₂·6H₂O contamination at

a rate of 300 Ni/kg of soil against background of NPK fertilization. Distribution of nickel in soil fractions isolated by the method of

successive selective extractions has been established. Nickel content in plants after combustion in mixture of HNO₃:HClO₄(2:1)and

in soil fractions was determined by inductively coupled plasma emission-optical spectrometry. Application of bacteria increased plant

resistance to elevated nickel concentration and increased yield, significantly reducing heavy metal phytotoxicity. Bacteria increased

nickel content in exchangeable and specifically sorbed fractions and, to a lesser extent, in fractions associated with organic matter

and ferruginous minerals, and reduced metal content in residual fraction. Bacteria increased nickel uptake from soil by plant shoots

due to increase in yield, without changes or increase in plant metal content. Thus, bacteria increased phytoextraction - cleaning soil

from heavy metal. Nickel uptake by plants was increased due to increase in its bioavailability, mainly in exchangeable and specifically

sorbed fractions.

Ключевые слова: бактерии Pseudomonas, яровая пшеница

Key words: bacteria Pseudomonas, spring wheat (Triticum aesti-

(Triticum aestivum L.), агросерая почва, NiCl₂·6H₂0, фракции Ni

vum L.), agro-gray soil, NiCl2·6H20, Ni fractions

В последние годы исследователи много внима-

сельскохозяйственных культур [1, 2], а также для ре-

ния уделяют изучению стимулирующих рост рас-

медиации загрязненных тяжелыми металлами (ТМ)

тений ризосферных бактерий (plant growth-promoting

почв [3, 4, 5], включая никель (Ni) [6]. Представители

rhizobacteria, PGPR) для повышения продуктивности

PGPR рода Pseudomonas привлекают особое внимание

Российская сельскохозяйственная наука, 2023, № 2

благодаря широкой распространенности и присущим

фосфорнокислого калия и сернокислого калия, все соли

им полезным для растений свойствам [7, 8]. Созданы

были квалификации не ниже «хч» (Реахим, Россия).

биопрепараты на основе бактерий рода Pseudomonas,

Влажность почвы в сосудах в течение вегетации рас-

позволяющие увеличить урожаи и минимизировать

тений поддерживали поливами на уровне не ниже 60 %

применение агрохимикатов [9]. Использование PGPR

полной полевой влагоемкости.

рода Pseudomonas существенно уменьшало фитотоксич-

Вегетативную массу (листья и стебли) после среза-

ность Ni и повышало устойчивость различных растений

ния растений высушивали при 70 ^oС и озоляли (0,5 г)

к токсическому действию ТМ [6, 10, 11]. В литературе

в смеси концентрированных кислот HNO₃:HClO₄ (2:1).

имеются многочисленные данные, свидетельствующие о

Соединения Ni в почве фракционировали методом по-

значительной стимуляции роста растений под влиянием

следовательных селективных экстракций [13]. Выделяли

PGPR, однако исследований, направленных на изучение

следующие фракции Ni: водорастворимую, обменную

растительных и в особенности почвенных механизмов

(экстрагент - Са(NO₃)₂) специфически сорбированную,

ремедиации загрязненных ТМ почв, в том числе Ni, под

связанную с карбонатами (CH₃COOH), связанную с

влиянием этих бактерий, проведено недостаточно.

органическим веществом (K₄P₂O₇) и связанную с желе-

Цель исследований - изучение влияния внесения

зистыми минералами (реактив Тамма). Содержание Ni

PGPR рода Pseudomonas на фракционный состав соеди-

в остаточной фракции, прочно связанной с глинистыми

нений Ni в почве, урожай яровой пшеницы и накопление

минералами, определяли по разности между внесенным

в растениях Ni при выращивании на агросерой почве,

в почву количеством ТМ и его суммой во фракциях,

загрязненной ТМ.

выделенных перечисленными экстрагентами. Содер-

Методика. Эксперименты проводили при выращи-

жание Ni в почвенных фракциях и в растениях опреде-

вании растений сорта яровой пшеницы (T. aestivum L.)

ляли методом эмиссионно-оптической спектроскопии

Злата (Московский НИИСХ «Немчиновка») в вегетаци-

индуктивно-связанной плазмы на спектрометре ICP

онном опыте при искусственном загрязнении агросерой

OES Optima 5300 DV (Perkin Elmer, США). Используя

почвы (Luvisol) юга Московской области водорас-

функцию F.TEST статистического пакета MS Excel

творимым соединением Ni. Использовали пахотную,

2010, оценивали уровень значимости различий между

среднесуглинистую агросерую почву (слой 0…20 см).

контролем и опытными данными, который всегда был

В сосудах диаметром 10 см и высотой 11 см, содержа-

не ниже 95 %. Статистические ошибки определений не

щих 800 г почвы, выращивали по 10 растений в течение

превышали 15 %.

26 дней до фазы трубкования при внесении 300 мг

Результаты и обсуждение. Анализ распределения

Ni/кг почвы, что в 7,5 раз превышает ориентировочно

соединений Ni в загрязненной почве показал его при-

допустимую концентрацию (ОДК) для аналогичных

сутствие во всех выделенных фракциях (табл. 1). Вне

почв. Схема опыта включала следующие варианты:

зависимости от применения бактерий в водораство-

без внесения никеля и бактерий - контроль; внесение

римой фракции содержалось около 3 % от внесенного

никеля без бактерий; внесение никеля и 20-го штамма

количества Ni. Основная его часть была сосредоточена

бактерии P. fluorescens; внесение никеля и 21-го штамма

в остаточной фракции, связанной с глинистыми минера-

бактерии P. fluorescens; внесение никеля и 23-го штамма

лами, составляя по вариантам 44…57 % от внесенного

бактерии P. putida. Использованные микроорганизмы

количества. В модельном эксперименте при внесении

стимулировали рост и повышали урожай зерновых,

NiNО₃ в дерново-подзолистую почву и чернозем Ni был

бобовых, корнеплодных культур и ярового рапса [12].

представлен во всех фракциях, выделенных использу-

Семена перед посевом стерилизовали 10%-ным раство-

емым методом, что объясняется достаточно высоким

ром гипохлорита натрия, затем промывали стерильной

сродством этого элемента ко всем основным почвенным

водой. При посеве их раскладывали на почве и иноку-

компонентам, вне зависимости от типа почв [14]. Фрак-

лировали водными суспензиями чистых культур бакте-

ционный состав Ni в почвах отличался значительным

рий в водопроводной воде из расчета 10⁶ на растение

преобладанием остаточной фракции над подвижными

(10 мл суспензии на сосуд) и засыпали 3 см слоем почвы.

[14, 15]. Остаточный Ni был преобладающей фракцией

В варианте без использования бактерий применяли ана-

в аллювиальных почвах и достигал 64 % от валового

логичным образом автоклавированные бактериальные

содержания ТМ [16].

суспензии. В почву за 10 дней до посева семян, вносили

Внесение бактерий оказывало существенное влияние

NiCl₂·6H₂O в виде раствора, на фоне внесения NPK

на распределение Ni в почве, за исключением водорас-

солей из расчета по 100 мг каждого элемента на 1 кг

творимой фракции. Под воздействием бактерий после

почвы в виде азотнокислого аммония, двухзамещенного

проведения учета урожая было обнаружено максималь-

Табл. 1. Фракционный состав соединений Ni в почве

Фракции Ni в почве*

связанная

специфиче-

Вариант

водораство-

с глинистыми

обменная

ски сорби-

с органическим

с железистыми

римая

минералами

рованная

веществом

минералами

(остаточная)

171

Ni без внесения бактерий

3,0

10,7

8,3

12,7

57,0

131

Ni + P. fluorescens 20

3,0

18,7

12,0

9,3

13,3

43,7

Ni + P. fluorescens 21

3,3

23,7

13,3

10,7

16,3

32,7

138

Ni + P. putida 23

3,7

16,7

9,7

10,3

13,7

46,0

*в числителе - мг/кг почвы, в знаменателе - % от внесенного количества.

Российская сельскохозяйственная наука, 2023, № 2

ное в опыте увеличение содержания ТМ в обменной

P. fluorescens 21 и P. putida 23, формировали на 44…47 %

фракции и в специфически сорбированной или свя-

бóльшую вегетативную массу.

занной с карбонатами фракции, относительно контро-

Внесение бактерии P. fluorescens 20 не оказало влия-

ля, соответственно в 1,6…2,2 и в 1,2…1,6 раза. Доля

ния на содержание Ni в вегетативной массе. В варианте

Ni в обменной фракции возросла с 11 до 17…24%,

с P. fluorescens 21 величина этого показателя возросла

в специфически сорбированной - с 8 до 13 %. Эти

на 28 %, с P. putida 23 - на 49 %. При загрязнении по-

закономерности были выражены в наибольшей сте-

чвы установлено значительное увеличение выноса Ni

пени при внесении P. fluorescens 21. Под влиянием

(в мкг/сосуд) вегетативной массой. Использование бак-

этой бактерии также больше всего (в 1,3 раза) повы-

терий способствовало дальнейшему его росту в 1,7…2,3

силось содержание Ni во фракциях, связанных с ор-

раза, по сравнению с вариантом с загрязнением Ni без

ганическим веществом и с железистыми минералами.

бактерий, в наибольшей степени - при инокуляции

В вариантах с P. fluorescens 20 и P. putida 23 величи-

P. putida  23. Под влиянием бактерии P. fluorescens

ны этих показателей не изменились или изменились

20 вынос Ni повысился вследствие увеличения массы

несущественно. При внесении всех бактерий доля Ni

вегетативных органов, без существенных изменений

во фракциях, связанных с органическим веществом

содержания ТМ. При применении P. fluorescens 21 и

и железистыми минералами, увеличилась менее зна-

P. putida 23 накопление Ni возрастало вследствие повы-

чительно, соответственно с 8 до 11% и с 13 до 16 %

шения как массы растений, так и содержания в них Ni.

от внесенного количества. Доля ТМ в остаточной фрак-

Увеличение урожайности и выноса Ni из загрязненной

ции уменьшилась с 57 % в контроле до 33…46 % при

почвы вегетативными органами растений в фазе выхо-

использовании бактерий. В варианте с P. fluorescens

да в трубку при внесении бактерий свидетельствует о

21 обнаружено минимальное в опыте содержание Ni

том, что, с одной стороны, их использование повышает

в остаточной фракции вследствие наибольшего на-

устойчивость растений к токсическому действию Ni,

хождения ТМ в подвижных фракциях, за исключени-

с другой - усиливает фитоэкстракцию ТМ и, следова-

ем водорастворимой. В вариантах с P. fluorescens 20 и

тельно, способствует ремедиации загрязненной почвы.

P. putida 23 в остаточной фракции содержалось

Ранее было установлено, что эффективность фитореме-

44…46 % Ni. Уменьшение доли Ni в остаточной фрак-

диации в условиях загрязнения ТМ можно усилить ис-

ции при ее увеличении в обменной и в меньшей степени

пользованием стимулирующих рост растений бактерий,

в специфически сорбированной фракции с ростом ко-

которые увеличивают растворимость и биодоступность

личества внесенного NiNO₃ в почву отмечали и ранее

ТМ вследствие образования сидерофоров, органических

[14]. Повышение содержания Ni в составе относительно

кислот и других соединений [19]. Бόльшее накопление

подвижных обменной и специфически сорбированной

Ni в растениях при внесении бактерий, а, следовательно,

фракций при внесении исследуемых бактерий рода

усиление фитоэкстракции, вероятно, было обусловлено

Pseudomonas, вероятно, можно объяснить продуциро-

увеличением биодоступности ТМ вследствие увели-

ванием бактериальных сидерофоров, которые образуют

чения его содержания в подвижных, прежде всего,

растворимые комплексы с Ni [17]. Бактериальные си-

в обменной и специфически сорбированной фракциях.

дерофоры оказывают влияние на подвижность в почве

Количество Ni в обменной форме оказывало наиболь-

и биодоступность металлов [18].

шее влияние на содержание ТМ в растениях люпина

При загрязнении почвы Ni установлено существенное

и овса [20].

ингибирование роста яровой пшеницы в фазе трубко-

Выводы. Внесение PGPR рода Pseudomonas усилило

вания (табл. 2). Это выражалось в уменьшении более

ремедиацию загрязненной Ni почвы. Внесение бакте-

чем вдвое массы вегетативных органов (суммы листьев

рий повысило устойчивость растений яровой пшеницы

и стеблей), относительно варианта без загрязнения ТМ

к повышенным концентрациям Ni и увеличило массу

и бактериальных инокуляций. Использование всех бак-

растений, значительно уменьшая фитоксичность ТМ.

терий уменьшало токсическое действие ТМ на растения

Применение бактерий повысило вынос никеля надзем-

и стимулировало их рост в загрязненных условиях. При

ными органами растений из почвы, тем самым, усилило

внесении P. fluorescens 20 вегетативная масса растений,

фитоэкстракцию - очистку почвы от ТМ. Применение

подвергнутых Ni стрессу, была более чем в полтора раза

бактерий увеличило содержание Ni в почве в обменной

выше, чем в варианте с загрязнением ТМ без бактериаль-

и специфически сорбированной фракциях, в меньшей

ных инокуляций. При этом растения, инокулированные

мере во фракциях, связанных с органическим веществом

и с железистыми минералами, и уменьшило содержание

металла в остаточной фракции. Повышение накопления

Табл. 2. Урожай яровой пшеницы

Ni растениями при внесении бактерий соответствовало

и вынос Ni растениями

увеличению подвижности металла в почве, в основном

его содержания в составе обменной и специфически

Содержание Ni

Вынос Ni

Вегетативная

сорбированной фракций.

Вариант

в растениях,

растениями,

масса, г/сосуд

мг/кг

мкг/cосуд

Литература

Без внесения

1. Plant growth-promoting rhizobacteria: context,

Ni и бактерий -

2,44

mechanisms of action, and roadmap to commercialization

контроль

of biostimulants for sustainable agriculture. Review

Ni без внесения

1,20

254

305

article / R. Backer, J.S. Roken, G. Ilangumaran, et al. //

бактерий

Front. Plant Sci., 23 October. 2018. URL: http://www.

Ni + P.

2,00

265

530

mdpi.com/2223-7747/12/3/629 (дата обращения:

fluorescens 20

20.02.2023). doi: 10.3389/fpls.2018.01473.

Ni + P.

1,73

325

562

2. Plant growth promoting rhizobacteria (PGPR): Current

fluorescens 21

and future prospects for development of sustainable

Ni + P. putida 23

1,76

395

695

agriculture / G. Gupta, S.S. Parihar, N.K. Ahirwar, et

НСР₀₅

0,37

al. // Journal of Microbial and Biochemical Technology.

Российская сельскохозяйственная наука, 2023, № 2

2015. Vol. 7. No. 2. P. 96-102. doi: 10.4172/1948-

M. Rajkumar, Y. Luo, et al. // Journal of Hazardous

5948.1000188

Materials. 2011. Vol. 195. P. 230-237. doi: 10.1016/j.

Review paper: Plant growth promoting microorganisms

jhazmat.2011.08.034

helping in sustainable agriculture: current perspectives

12. Шабаев В.П. Микробиологическая азотфиксация и

/ D. Mitra, S. Anđjelković, P. Panneerselvam, et al.

рост растений при внесении ризосферных микро-

// International Journal of Agricultural Sciences and

организмов и минеральных удобрений // Почвенные

Veterinary Medicine. 2019. Vol. 7. No. 2. P. 50-74.

процессы и пространственно-временная организация

Phytoremediation of heavy metals contaminated soil

почв. М.: Наука, 2006. С. 195-211.

using plant growth promoting rhizobacteria (PGPR): A

13. Теория и практика химического анализа почв / Под

current perspective / A. Handsa, V. Kumar, A. Anshumali,

ред. Л.А. Воробьевой. М.: ГЕОС, 2006. 400 c.

et al. // Recent Research in Science and Technology.

14. Ладонин Д.В. Формы соединений тяжелых металлов

2014. Vol. 6. No. 1. P. 131-134.

в техногенно-загрязненных почвах. М.: Издатель-

Microbes for Sustainable Development and

ство Московского университета, 2019. 312 с.

Bioremediation / Eds Chandra R., Sobti R.C. Boca Raton:

15. Ладонин Д.В., Карпухин М.М. Фракционный состав

CRC Press. 2020. 386 p. doi: 10.1201/9780429275876

соединений никеля, меди, цинка и свинца, загрязнен-

Ризосферные бактерии рода Pseudomonas в со-

ных оксидами и растворимыми солями металлов //

временных агробиотехнологиях / Т.О. Анохина, Т.В.

Почвоведение. 2011. № 8. С. 953-965.

Сиунова, О.И. Сизова и др. // Агрохимия. 2018. № 10.

16. Chemical fractions and bioavailability of nickel in

С. 54-66. doi: 10.1134/S0002188118100034.

alluvial soils / M. Barman, S.P. Datta, R.K. Rattan, et

Dorjey S., Dolkar D., Sharma R. Plant growth promoting

al. // Plant, Soil and Environment. 2015. Vol. 61. No. 1.

rhizobacteria Pseudomonas: A review // International

P. 17-22. doi: 10.17221/613/2014-PSE.

Journal of Current Microbiology and Applied Sciences.

17. Zawadzka A.M., Paszczynski A.J., Crawford R.L.

2017. Vol. 6. No. 7. P. 1335-1344. doi: 10.20546/

Transformations of toxic metals and metalloids by

ijcmas.2017.607.160.

Pseudomonas stutzeri strain KC and its siderophore

Pattnaik S., Mohapatra B., Gupta A. Plant growth-

pyridine-2,6-bis (thiocarboxylic acid) // Advances

promoting microbe mediated uptake of essential nutrients

in Applied Bioremediation (Soil Biology 17) / Eds.

(Fe, P, K) for crop stress management: microbe-

Singh A., Kuhad R.C., Ward O.P. Berlin; Heidelberg:

soil-plant continuum. Review article // Frontiers in

Springer-Verlag, 2009. P. 221-238. doi: 10.1007/978-

Agronomy. Vol. 09. August. 2021. URL: https://www.

3-540-89621-0_12.

frontiersin.org/articles/10.3389/fagro.2021.689972/

18. Mishra J., Singh R., Arora N. K. Alleviation of heavy metal

full (дата обращения 12.10.2022). doi: 10.3389/

stress in plants and remediation of soil by rhizosphere

fagro.2021.689972.

microorganisms // Frontiers in Microbiology. 2017. Vol.

Novel bioformulations developed from Pseudomonas

8. URL: http://www.frontiersin.org/articles/10.3389/

putida BSP9 and its biosurfactant for growth promotion

fmicb.2017.01706/full. (дата обращения: 15.11.2022).

of Brassica juncea (L.) / I. Mishra, T. Fatima, D.

doi: 10.3389/fmicb.2017.01706.

Egamberdieva, et al. // Plants. 2020. Vol. 9. No. 10. 1349.

19. Phytoremediation of heavy metals assisted by plant

https:/www.mdpi.com/2223-7747/9/10/1349 (дата об-

growth promoting (PGP) bacteria: A review / A. Ullah,

ращения: 22.02.2023). doi: 10.3390/plants9101349.

S. Heng, M.F.H. Munis, et al. // Environmental and

10. Ma Y., Rajkumar M., Freitas H. Isolation and

Experimental Botany. 2015. Vol. 117. P. 28-40. doi: 10.

characterization of Ni mobilizing PGPB from serpentine

1016/j.envexpbot.2015.05.001.

soils and their potential in promoting plant growth and

20. Jakubus M., Graczyk M. Availability of nickel in soil

Ni accumulation by Brassica spp. // Chemosphere.

evaluated by various chemical extractants and plant

2009. Vol. 75. No. 6. P. 719-725. doi: 10. 1016/j.

accumulation // Agronomy. 2020. Vol. 10. No. 11. 1805.

chemosphere.2009.01.056

URL: http://www.mdpi.com/2073.4395/10/11/1805.

11. Inoculation of endophytic bacteria on host and non-host

(дата обращения: 20.02.2023). doi: 10.3390/

plants-effects on plant growth and Ni uptake / Y. Ma,

agronomy10111805.

Поступила в редакцию 03.10.2022

После доработки 23.02.2023

Принята к публикации 09.03.2023