Агрохимия, 2019, № 1, стр. 71-77

ВВЕДЕНИЕ

Долгое время в научном мире считалось, что кремний не играет заметной роли в жизнедеятельности живых организмов в виду распространенных представлений о его биологической инертности. С 1960-х гг. стали появляться сведения о важной роли кремния в биологических системах. Существенный вклад в понимание биологической и физиологической активности соединений кремния в живой природе внес М.Г. Воронков – создатель новой отрасти науки – биокремнийорганической химии [1–3].

В настоящее время известно, что кремний непременно входит в химический состав всех растений [2, 4, 5]. Наибольшее количество его находится в растениях степных, полупустынных, пустынных и горных регионов с наименее благоприятными условиями существования, что характеризует кремний как элемент-адаптер для растений [3, 6]. Особенно высоким содержанием кремнезема (>50%) отличаются хвощи, папоротники и злаки. Представители богатых кремнием растений встречаются и среди многих других семейств, в основном тропической флоры, за счет большого содержания кремния в тканях тропических деревьев они практически не повреждаются насекомыми.

К настоящему времени собрано огромное количество экспериментальных данных, свидетельствующих о необходимости кремния растениям [5]. Добавление в почву или к водной культуре кремнекислоты стимулирует фотосинтетическую активность растений риса, его рост, колошение, созревание [1]. Ростстимулирующее действие кремния на растения используют на практике: кремневые удобрения применяют для повышения урожайности культурных растений [7–9]. Кроме того, при совместном применении некоторых элементов питания с кремнекислотой их эффективность значительно повышается, например, эффективность бора, так необходимого для развития бобовых растений [1].

Кремнийорганические соединения проявляют биологическую активность. Они стимулируют биосинтез белка и нуклеиновых кислот, регулируют активность ферментов и гормонов, оказывают защитное действие при гипер- и гипотермии, кислородном голодании и радиационном загрязнении [3]. Особое значение этот элемент имеет для кремнийконцентрирующих растений, к которым принадлежат важнейшие сельскохозяйственные культуры – зерновые. Кремний также укрепляет стебли растений. Существенную роль кремний играет в защите растений от грибных и других заболеваний, а также от вредителей [3]. Внесение в почву кремниевых удобрений обеспечивает поглощение растениями фосфора из обычно трудноусвояемых фосфатов, что связывают с деятельностью силикатных бактерий [2, 3, 7].

Есть сведения, что кремний снижает токсичность ряда элементов. Сравнительно невысокие концентрации марганца токсичны для растений и вызывают появление на листьях коричневых пятен. Соединения кремния подавляют поглощение марганца растениями, при этом устраняя его токсический эффект и увеличивая урожай растений. Аналогичным образом кремнезем способствует снижению токсичности соединений железа, подавляя их ассимиляцию растениями в результате увеличения окисляющей способности корней [10]. Участие кремнезема в питании растений устраняет токсическое действие фенола и фтористоводородной кислоты на сельскохозяйственные культуры, мышьяка – на рис и магния – на табак. Применение силикатов подавляет поглощение таких токсичных для растений, животных и человека металлов, как алюминий, кадмий, медь, стронций-90, устраняет вредное влияние засоленности [11, 12].

Восстановить содержание доступных для растений форм кремния в почве могут микроорганизмы, в частности, “силикатные бактерии” [4]. Ранее было показано, что исследованный штамм бактерий Bacillus mucilaginosus способен мобилизовать кремний и фосфор из такого объекта литосферы, как фосфоритная руда [13]. Способность микроорганизмов извлекать биогенные элементы из минералов и почвы позволяет использовать бациллы как бактериальные удобрения в системе биологического земледелия, повышающие микробиологическую активность почвы и урожайность растений [13–15].

Тяжелые металлы (ТМ) нарушают комплекс процессов в растении и индуцируют множество специфических и неспецифических реакций. Тогда как микроорганизмы, обладающие полезными для растений свойствами, могут оказывать в стрессовой ситуации позитивный аддитивный или синергический эффект, стимулировать рост и регулировать поступление ТМ в растения из загрязненных почв [16–18].

Цель работы – изучение влияния силикатных ризобактерий Bacillus mucilaginosus var. siliceus на ростовые характеристики растений пшеницы и овса, а также биосорбцию и биодоступность кремния на техногенно-загрязненных почвах.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Проведены эксперименты по влиянию ризосферных силикатных бактерий Bacillus megaterium var. siliceus, входящих в состав биопрепарата кремнебактерин, на изменения морфологических параметров роста злаковых культур пшеницы (Triticum aestivum L.) и овса (Avena sativa L.), выращенных в условиях техногенных почв разного уровня загрязнения ТМ.

Исследованный штамм ризосферных бактерий Bacillus mucilaginosus var. siliceus (№ ВКМ В-1574) находится в коллекции НИЦ “Планта” Томского госуниверситета и сдан на хранение в криохранилище “LICONIC” НИИ сельскохозяйственной микробиологии [13].

Биопрепарат кремнебактерин – это жидкий концентрат чистой культуры почвенных силикатных бактерий Bacillus megaterium, которые выделяют фермент силиказу и поставляют кремний и другие макро- и микроэлементы из природных силикатов в ризосферу растений. Он является нетоксичным, безопасным для человека и животных стимулятором роста растений и оказывает ряд других позитивных влияний на растения [13].

Биопрепарат разработан в Томском госуниверситете и предложен для апробации в агроклиматических условиях Южного Прибайкалья на базе Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН [13].

Вегетационные эксперименты проводили в условиях фитотрона СИФИБР СО РАН (Центр коллективного пользования “Фитотрон” г. Иркутск). Растения пшеницы и овса выращивали на почвах, отобранных из техногенной зоны г. Свирска Иркутской обл., расположенного на берегу р. Ангары (Южное Прибайкалье) на различном удалении от основного источника загрязнения – бывшего Ангарского металлургического завода (АМЗ) по производству мышьяка, расположенного в черте города.

По результатам эколого-геохимических исследований, проведенных ранее в этом городе, были выявлены участки интенсивного загрязнения мышьяком и ТМ различных природных объектов (почвы, растений, животных) в концентрациях, превышающих санитарные нормы [19, 20]. Основными загрязнителями исследованных почв на территории бывшего АМЗ были мышьяк, свинец и кадмий, а также ряд других ТМ, значительно превышающих ПДК [17].

Для эксперимента почва была отобрана на участке 1, расположенном в 500 м от источника загрязнения (окультуренная почва) и на участке 2, максимально загрязненном ТМ, в 10 м от отвалов бывшего АМЗ. Более детальная характеристика почв дана в работе [17].

Растения пшеницы и овса выращивали в сосудах, которые вмещали 5 кг почвы. Каждая проба почв была разделена на исходную (контроль) и обработанную силикатными бактериями B. mucilaginosus (опыт), на которых выращивали растения в одинаковых условиях. Рабочий раствор бактерий вносили в почву поливом во время посадки в количестве 30 мл/кг почвы. Титр бактерий в рабочем растворе КОЕ = 10⁶ кл./мл. Сосуды поливали водой по весу, в равной степени контрольный и опытный варианты. Растения не достигли зрелого состояния, т.к. на максимально загрязненных техногенных почвах после 25 сут роста они начали высыхать и гибнуть.

Распределение Si изучено в растениях, выращенных на почвах участков 1 и 2, контрастно отличавшихся по содержанию ТМ и мышьяка. Рассчитаны коэффициенты биологического накопления (К_б) кремния в растениях по формуле С_Si растения : С_Si почвы (отношение содержания элемента в растении к его содержанию в почве в вытяжках ЭДТА). Хелатные формы микроэлементов играют большую роль в метаболических процессах растений. Эти формы инициируют поступление элементов питания в корни растений и определяют их взаимодействие с ризосферными бактериями [21]. Поэтому в данной работе взяли за основу содержание кремния в почве в вытяжке ЭДТА в виде хелатных соединений. Расчет коэффициентов биологического накопления кремния в растениях произведен относительно его концентрации в почвенных вытяжках ЭДТА.

Анализ почв и растений производили в центре коллективного пользования “Изотопно-геохимических исследований” Института геохимии СО РАН. Из почв, на которых выросли растения, проведена экстракция Si с помощью ЭДТА. Для определения массовой доли Si в пробах сухой почвы и в вытяжках ЭДТА использовали метод атомной абсорбции. Предварительно почву высушивали, просеивали через сито 1 мм и растирали до состояния пудры. Измерения проводили на атомно-абсорбционных спектрометрах модели 403 и 503 фирмы “Perkin-Elmer” (США). Ошибка определения не превышала 5–20%.

Растения высушивали до воздушно-сухого состояния, корни предварительно промывали в проточной воде. Определение химического состава растений выполняли методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой ICP-MS. Использован чувствительный ICP-MS прибор с магнитным сектором ELEMENT 2 (“Finnigan MAT”, Germany), обладающий двойной фокусировкой и возможностью регистрации сигнала в различных разрешениях. Ошибка определения не превышала 5–10%. Для контроля правильности результатов анализа использовали стандартные образцы состава (лист березы ЛБ-1, ГСО 8923-2007, элодея канадская ЭК-1, ГСО 8921-2007, травосмесь Тр-1, ГСО 8922-2007), для контроля почв – образцы ССК-1 (серозем карбонатный), СДПС-2 (техногенная почва). Для статистической обработки стабильности результатов анализа использовали расчет стандартного отклонения SD 3-х аналитических измерений на основе программного обеспечения спектрометра “Thermo SPEC” (версия 4.1).

Эксперименты по наблюдению за ростом растений выполнены в 3-х биологических повторностях. В таблицах приведены средние и их стандартные ошибки.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Показано, что на техногенной почве в первые сутки ростовые параметры растений не отличались от контрольных. Через 10–15 сут роста они снижались у пшеницы и у овса в среднем на 10%. К концу экспозиции рост пшеницы на загрязненной почве тормозился на 20, овса – на 30% (табл. 1). Кроме этого, к концу экспозиции наблюдали пожелтение и усыхание нижних листьев во всех вариантах (5–10%), но более существенно – на почве техногенного участка без инокуляции (до 80%).

Инокуляция почвы бактериями давала увеличение роста растений пшеницы и овса на 8–16% во все периоды экспозиции в вариантах с окультуренной почвой и до 10% – растений пшеницы в вариантах с техногенной почвой. Ростовые параметры растений овса на загрязненной почве при инокуляции практически не менялись, рост растений несколько тормозился.

Обнаружено, что в техногенной почве Si накапливалось больше, чем в окультуренной: в 9 раз – в ризосфере пшеницы и в 6 раз – овса (табл. 2). Инокуляция повлияла по-разному на содержание кремния в ризосфере злаков: в окультуренной почве содержание Si увеличилось в обоих вариантах, в загрязненной почве под пшеницей его содержание снизилось в 2.6 раза, в ризосфере овса – возросло в 1.7 раза.

Содержание Si в растениях было существенно меньше при выращивании их на техногенной почве (у пшеницы в 3.7–4.6 раза; у овса в 2.0–2.3 раза) по сравнению с окультуренной (табл. 3). Вероятно, происходило связывание элемента в почве в условиях высокой его концентрации, в частности, в виде хелатов, и ограничение его поступления в растения. Это могло быть также обусловлено межэлементным взаимодействием Si с ТМ, присутствовавшим в высоком количестве в почве [21].

При воздействии ризобактерий содержание кремния в обеих культурах возросло во всех вариантах и, особенно, на техногенной почве. Соотношение содержания Si в растениях на окультуренной : техногенной почве при инокуляции снизилось до 2.5 у пшеницы и до 1.5 у овса. При этом обнаружено, что накопление Si в органах растений было больше в корнях, чем в надземной части обоих видов растений. Ранее было показано, что ризобактерии способствовали адсорбции токсикантов, связывая ТМ в ризосфере техногенно-загрязненной почвы и снижая их поступление в растение, но при этом не препятствовали поступлению основных элементов питания, в частности, P, К, S в растения [17, 18], что согласовалось с полученными результатами.

Таким образом, показано, что инокуляция почвы силикатными бактериями приводила к накоплению в растениях кремния, что, очевидно, способствовало укреплению стебля и листьев, и, как отмечено в литературе, обусловливало повышение устойчивости растения к полеганию и различным внешним воздействиям [3, 16].

При сопоставлении коэффициентов бионакопления кремния между растениями пшеницы и овса выяснилось, что величины К_б этих злаков были практически равными при выращивании растений на окультуренной почве (табл. 4). Однако на техногенной почве К_б пшеницы был меньше, чем у овса в 1.8 раза для надземных органов и в 3 раза – для корней.

При инокуляции ризобактериями особенно на техногенной почве К_б пшеницы существенно вырос: в 4.6 раза для стеблей и в 5.2 раза – для корней, а также был в 2 и более раза больше, чем у овса для вариантов почв. Возможно, пшеница более восприимчива к влиянию бактерий, и при бактеризации в растениях пшеницы аккумуляция кремния происходила гораздо интенсивнее, особенно на загрязненной почве.

При сопоставлении коэффициентов бионакопления кремния в исследованных злаковых растениях, выращенных на почвах разной степени загрязненности ТМ показано, что величины К_б были существенно меньше в условиях техногенно-загрязненной почвы: более чем в 30 раз – пшеницы и более чем в 10 раз – овса (табл. 5). Инокуляция кремнебактериями уменьшала этот разрыв до 6–8 раз, т.е. бактеризация способствовала биосорбции кремния в растениях, повышая бионакопление Si особенно в растениях пшеницы, что может способствовать увеличению устойчивости растений в условиях техногенного загрязнения ТМ [3, 16].

Биохимические аспекты метаболизма кремния до сих пор не изучены. Полагают, что в силикатных бактериях есть ферменты силиказы, ответственные за разрушение связей Si-O в кристаллических решетках глинистых минералов, а также связей Si-C в кремнийорганических соединениях. Однако в чистом виде эти ферменты не выделены. В клетках бактерий кремний конкурирует с фосфором. Фосфор может постепенно замещаться кремнием. В растительных тканях Si входит в состав полиуронидов – пектинов, в которых он выполняет роль “сшивающего” элемента [4], что делает его важным элементом в процессах питания и роста растений.

Таким образом, как показано нами и отмечено в литературе, микроорганизмы могут способствовать связыванию элементов в почве, как токсикантов, так и биогенных элементов, образуя слабо подвижные органические соединения с металлами [22] или металлорганические комплексы в виде хелатов [23] и внутрикомплексных соединений, тем самым уменьшая или увеличивая подвижность элементов, что определяется свойствами и концентрацией металлов [21]. Причем в природных условиях (без экзогенного внесения микробного инокулянта в почву) немаловажную роль биосорбентов играют, вероятно, аборигенные виды почвенных бактерий, помогая растению регулировать процессы транслокации металлов в системе почва–растение–микроорганизмы. Инокуляция почвы специально отобранными штаммами микроорганизмов, используемых в бактериальных препаратах как биоудобрения, способствует улучшению этих процессов, восстанавливая природное равновесие в условиях техногенно-нарушенных почв.

Итак, изученное влияние бактерий B. mucilaginosus var. siliceus на показатели роста зерновых культур и транслокацию кремния на техногенно-загрязненных ТМ почвах позволяет предложить их для дальнейшего исследования и применения в агропроизводстве на урбаноземах, поскольку данный штамм не только продуцирует активные метаболиты, включая фитогормоны, благоприятно влияя на почвенную микрофлору и растения [24], но и обладает геохимической активностью в мобилизации резервов биогенных элементов неорганической природы [13, 17], в частности, кремния. Кремний, в свою очередь, может способствовать повышению устойчивости растений к различным негативным воздействиям, биотической и абиотической природы, в том числе, таким как техногенное загрязнение почв.

ВЫВОДЫ

1. Показано, что в техногенно загрязненной тяжелыми металлами (ТМ) почве кремния накапливалось значительно больше, чем в окультуренной почве, как в ризосфере пшеницы, так и овса.

2. Техногенное загрязнение негативно влияло на растения, замедляя их ростовые процессы и существенно снижая содержание биогенного элемента кремния как в надземных органах, так и в корнях растений, очевидно, за счет буферности почвы и связывания элемента при высокой концентрации его в почве.

3. Силикатные ризосферные бактерии B. mucilaginosus var. siliceous приводили к стабилизации ростовых процессов, повышая транслокацию кремния в ткани злаковых растений, что вероятно, усиливало их адаптогенные свойства, за счет укрепления клеточных стенок стеблей, листьев и корней. При этом эти бактерии защищали растение и от избытка ТМ в условиях загрязнения, связывая их в почве.

4. Коэффициенты бионакопления кремния исследованных злаковых культур были значительно снижены в условиях техногенно-загрязненной почвы и более существенно – пшеницы, чем овса.

5. Инокуляция кремнебактериями почв способствовала аккумуляции кремния в растениях пшеницы в 2 раза интенсивнее, чем овса. Это свидетельствовало о том, что пшеница более восприимчива как к негативному воздействию техногенного загрязнения, так и к позитивному влиянию силикатных ризобактерий.