Влияние биопрепарата метаболит на биологическую активность чернозема выщелоченного, устойчивость и продуктивность сельскохозяйственных растений в условиях нефтяного загрязнения
на правах рукописи
БАГАУТДИНОВА ГУЛЬНАЗ ГАЛИМОВНА
ВЛИЯНИЕ БИОПРЕПАРАТА «МЕТАБОЛИТ» НА
БИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМА
ВЫЩЕЛОЧЕННОГО, УСТОЙЧИВОСТЬ И ПРОДУКТИВНОСТЬ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ
НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Специальность 03.02.08 – Экология (биологические наук
и)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук Уфа – 2011
Работа выполнена на кафедре экологии Башкирского государственного университета доктор биологических наук, профессор
Научный руководитель:
Киреева Наиля Ахняфовна доктор биологических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Хазиев Фангат Хаматович доктор биологических наук, профессор Саксонов Сергей Владимирович Южный федеральный университет
Ведущая организация:
(г.Ростов-на-Дону)
Защита состоится 9 декабря 2011 года в 14 часов на заседании Объ единенного диссертационного совета ДМ 002.136.01 при Учреждении Рос сийской академии наук Институте биологии Уфимского научного центра Российской академии наук по адресу: 450054, г.Уфа, пр. Октября, д. 69, тел.:
235-53-62, e-mail: [email protected].
С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Уфимского научно го центра Российской академии наук и на официальном сайте http://ib.anrb.ru/sovet.html
Автореферат разослан « » ноября 2011г.
Ученый секретарь Объединенного Р.В Уразгильдин диссертационного совета, кандидат биологических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В последнее время проблемам экологизации агро производства уделяется большое внимание, т.к. во всем мире возрос интерес к производству экологически безопасной и чистой растительной продукции, не содержащей тяжелых металлов, радионуклидов, пестицидов, микотокси нов и других токсических поллютантов.
Одной из технологий экологизации земледелия является применение микробных препаратов. Новые биопрепараты, созданные на основе живых микроорганизмов или их метаболитов, обладают ростстимулирующими свойствами, имеют антистрессовую и иммуномодулирующую активность, в том числе повышают устойчивость растений к фитопатогенной инфекции, влиянию других негативных антропогенных факторов (Гельцер, 1990;
Ba shan, 1998;
Логинов, 2005;
Мелентьев, 2007;
Белимов и др., 2010). Обработка растений биологическими препаратами на основе штаммов симбиотических микроорганизмов, обладающих комплексом свойств, способствующих по вышению микробного разнообразия ризосферы, является перспективным способом повышения урожайности сельскохозяйственных культур (Тихоно вич, Круглов, 2005).
Кроме того, ризосферные микроорганизмы или их метаболиты, являю щиеся основой биопрепаратов, способны повышать устойчивость сельско хозяйственных растений к влиянию таких антропогенных факторов, как тя желые металлы (Белимов, 2008;
Шабаев, Мальцева, 2010), засоление (Sara vanakumar et al, 2007;
Egamberdieva, 2009) и др.
Однако в литературе отсутствуют данные об эффективности примене ния микроорганизмов–симбионтов или их метаболитов при выращивании сельскохозяйственных растений на нефтезагрязненных почвах. Показано, что эктомикоризные и бактериальные ассоциации ускоряют деградацию в почве некоторых ксенобиотиков (Meharg, Cairney, 2000).
Цель данной работы – оценка влияния биопрепарата «Метаболит», по лученного на основе ассоциативных микромицетов облепихи, относящихся к числу грибов-ассоциантов Scopulariopsis acremonium, на биологическую активность чернозема выщелоченного и продуктивность сельскохозяй ственных культур, а также его стресспротекторного и детоксицирующего эффекта в условиях нефтяного загрязнения.
Задачи исследований 1. Установить закономерности воздействия нефтяного загрязнения на биологические свойства чернозема выщелоченного под посевами сахарной свеклы и яровой пшеницы: численность и активность микроорганизмов, структуру почвенных микоценозов, фитотоксичность, ферментативную ак тивность и физиолого-биохимическое состояние и продуктивность расте ний.
2. Исследовать влияние биопрепарата «Метаболит» на микробиологи ческие и ферментативные процессы в черноземе выщелоченном под посе вами сахарной свеклы и яровой пшеницы и оценить эффективность его применения для нормализации фитосанитарного состояния посевов в усло виях нефтяного загрязнения.
3. Изучить антистрессовый эффект биопрепарата «Метаболит» для растений сахарной свеклы и яровой пшеницы в условиях нефтяного загряз нения.
4. Оценить возможность использования биопрепарата «Метаболит»
для ускорения разложения нефти под посевами растений.
Научная новизна. Впервые показано, что использование биопрепарата «Метаболит», представляющего собой биологически активные вещества гриба-ассоцианта, выделенного из корней облепихи, для обработки семян растений сахарной свеклы, является эффективным приемом, оказывающим стимулирующее действие на биологическую активность чернозема выщело ченного, микотрофность корней, урожайность и продуктивность растений.
Обработка семян и растений биопрепаратом «Метаболит» снижает числен ность и видовое разнообразие фитопатогенных микромицетов в ризосфере сахарной свеклы и яровой пшеницы.
Показано положительное влияние биопрепарата «Метаболит» на биоло гическую активность чернозема выщелоченного, продуктивность яровой пшеницы и сахарной свеклы в условиях нефтяного загрязнения. Примене ние биопрепарата способствует нормализации численности микроорганиз мов и ферментативной активности в ризосфере сахарной свеклы на нефтеза грязненных почвах. Получены новые данные по детоксицирующему и стресспротекторному действию биопрепарата «Метаболит» при воздействии нефти на растения сахарной свеклы и яровой пшеницы.
Практическая значимость диссертации заключается в решении одной из задач прикладной экологии – сохранении и повышении плодородия почв и регуляции продукционных процессов, обеспечивающих получение высо ких урожаев за счет использования микробного препарата в условиях нефтяного загрязнения.
Полученные результаты исследований могут быть использованы при выборе методов активации микробоценозов почвы и повышения урожайно сти сельскохозяйственных культур. Биопрепарат «Метаболит» был предло жен для внедрения в практику восстановления плодородия нефтезагрязнен ных почв. Результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе в рамках дисциплин «Рекультивация нарушенных земель», «Био логия почв», «Экология почв» и др.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Биологическая активность выщелоченного чернозема и урожай ность сахарной свеклы и яровой пшеницы возрастают при обработке семян и растений биопрепаратом «Метаболит», а численность фитопатогенных форм микромицетов снижается.
2. Применение «Метаболита» для обработки семян и посевов сахарной свеклы и яровой пшеницы восстанавливает структуру микробного комплек са ризосферы растений и способствует нормализации физиолого- биохими ческих показателей в условиях нефтяного загрязнения почвы.
Личное участие автора. Автор провела аналитический обзор литера туры, принимала непосредственное участие в закладке лабораторных и по левых опытов, обработке полученных экспериментальных данных, анализе и обобщении результатов исследований.
Обоснованность выводов и достоверность результатов работы обес печены большим объемом лабораторных и полевых экспериментов с при менением современных методов. Результаты обработаны математически.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион ной работы были представлены на Международных и Всероссийских конфе ренциях: «Студент и аграрная наука» (Уфа, 2008), «Инновационные подхо ды к естественно- научным исследованиям и образованию» (Казань, 2009), «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (Ки ров, 2009), «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2009), «Приро доохранные биотехнологии в XXI веке» (Казань, 2010), «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России» (Самара, 2010), «Проблемы и перспективы изучения естественных и антропогенных экоси стем Урала и прилегающих регионов» (Стерлитамак, 2010), «Адаптация биологических систем к естественным и экстремальным факторам среды»
(Челябинск, 2010), «Актуальные аспекты современной микробиологии»
(Москва, 2010), «Современные проблемы экологии» (Москва, 2010), «Без опасность жизнедеятельности: проблемы и пути их решения» (Уфа, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего источника, в том числе 161 на иностранных языках, и приложения. Работа изложена на 217 страницах машинописного текста, иллюстрирована 24 ри сунками и содержит 24 таблицы и 12 таблиц в приложении.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность и призна тельность за неоценимую помощь и поддержку моему научному руководи телю проф. д.б.н. Киреевой Н.А., а также д.с.-х. наук Нурмухаметову Н.М., к.б.н. Башировой Р.М., д.б.н. Новоселовой Е.И., к.б.н. Григориади А.С. за активное участие в обсуждении результатов, и всем коллегам и соавторам публикаций.
Глава 1. Микробные биопрепараты для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур и восстановления биологической активности нефтезагрязненных почв (обзор литературы) Приведен обзор литературы о влиянии микробных биопрепаратов для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур и восстановле ния биологической активности нефтезагрязненных почв. Выявлена возмож ность применения почвенных микроорганизмов и биопрепаратов на их ос нове для повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. Рас смотрены биологическая активность почв, рост и развитие растений при нефтяном загрязнении и биопрепараты для рекультивации нефтезагрязнен ных почв. На основе критического анализа данных литературы определена методология и основные направления исследований.
Глава 2. Объекты и методы исследований Исследования проводили в Кармаскалинском районе республики Баш кортостан в полевом зернопаропропашном севообороте опытного поля КФХ «Артемида». Закладку и проведение опытов осуществляли по общепринятой методике (Доспехов, 1985). Почва выщелоченный чернозем (гумус- 8,7%;
рНН2О – 6,1;
Nобщ- 2510 мг/кг). Опыты проводили на площадках размером 25м2 в 4-х кратной повторности. В качестве объектов исследования исполь зовали семена и растения сахарной свеклы (Beta vulgaris L, var.
saccaharifera., сорт Милан) и яровой пшеницы (Triticum aestivum L., сорт Жница). Семена перед посевом обрабатывали 0,001% раствором биопрепа рата «Метаболит», который представляет собой природный экстракт биоло гически активных веществ, микромицета-ассоцианта, Scopulariopsis acremo nium (Delacr.) Vuill., выделенного из корней трехлетней культуры облепихи (Hippophae rhamnoides). В контрольных вариантах опыта семена замачивали в дистиллированной воде. Через 60 суток после всходов растений сахарной свеклы и 45 суток яровой пшеницы часть опытных делянок (модельные опыты) искусственно загрязняли нефтью в концентрации 6,1/100г и затем проводили дополнительное опрыскивание биопрепаратом. Варианты опы тов: 1.Контроль (без биопрепарата и нефтяного загрязнения, фоновая поч ва);
2.Обработка семян и растений биопрепаратом;
3. Загрязненный нефтью чернозем;
4. Обработка семян и растений биопрепаратом+ загрязнение чер нозема нефтью. Агротехника выращивания сельскохозяйственных культур – общепринятая для данного региона.
Оценку биологической активности чернозема по микробиологическим и ферментативным показателям проводили под растениями (эдафосфера) и в ризосфере растений.
Агрохимические и физико-химические свойства определяли общепри нятыми методами согласно руководствам (Аринушкина, 1970;
Практикум…, 2001). Каталазную активность определяли газометрическим методом, ак тивность дегидрогеназы, полифенолоксидазы и пероксидазы - колориметри ческим методом, целлюлазы - аппликационным методом, липазы – титро метрическим методом (Хазиев, 2005).
Учет численности микроорганизмов в ризосфере и эдафосфере прово дился общепринятыми методами посева на агаризованных питательных сре дах. Идентификация культур бактерий производилась, по определителям Берджи (Определитель…, 1997) и пособию для идентификации бактерий (Добровольская и др., 1989). Для идентификации видов микромицетов ис пользовались принятые в микологии определители (Raper, Fennel, 1965;
Raper, Thom, 1968;
Билай, Курбацкая, 1990;
Литвинов, 1967;
Watanabe, 2000). Видовые названия грибов уточнялись по пополняемым спискам опубликованных видов в базе данных «Index fungorum»
(www.indexfungorum.org).
Микроскопические исследования корневой системы растений проводи лись на люминесцентном микроскопе марки ЛОМО Микромед-2 (Россия), степень микотрофности корней рассчитывали методом Травло (Методы ис следования…, 1992).
Содержание сырого протеина в зерне, аскорбиновой кислоты и рибо флавина в листьях, активность пероксидазы и полифенолоксидазы в листьях и корешках растений определяли по методам, описанным в (Лаборатор ный…, 2004). Содержание сахаров в корнеплодах определяли по методу, описанному в (Исмагилов и др., 2010). Содержание бенз(а)пирена – спек трофлуориметрическим способом (Трубникова и др., 2006).
Пигменты листьев растений экстрагировали метанолом и снимали спек тры поглощения на приборе UV- 2401 PC Shimadzu. Содержание остаточ ных нефтепродуктов в почве определяли горячей экстракцией метиленхло ридом (McGill, Rowell, 1980).Пигменты листьев растений экстрагировали метанолом и спектры поглощения снимались на приборе UV- 2401 PC Shi madzu. Тяжелые металлы в растительном сырье и почве определялись на атомно-абсорбционном спектрометре АА-6200 Shimadzu (Методика количе ственного…, 2005). Содержание остаточных нефтепродуктов в почве опре деляли горячей экстракцией метиленхлоридом (McGill, Rowell, 1980).
Экономическая эффективность рассчитывалась сравнительно математическим методом по прямым затратам.
Математическая обработка материала проводилась с помощью пакета компьютерных программ Statistica V 6.0 и Microsoft Office 2000 для Win dows.
Глава 3. Влияние обработки семян и растений сахарной свеклы биопрепаратом «Метаболит» на биологическую активность чернозема выщелоченного, физиологические показатели роста и продуктивность растений и устойчивость в условиях нефтяного загрязнения Первичным результатом воздействия нефти на почву является ухудше ние ее физико-химических свойств, сопровождающееся снижением степени аэробности среды обитания растений, вызванное негативным влиянием пол лютанта на водно-воздушные свойства почвы. Подтверждением вышеска занному является модификация активности оксидоредуктаз в ризосфере и эдафосфере опытных растений, связанная с изменениями в численности и активности микроорганизмов почвы.
Обработка семян сахарной свеклы, а затем дополнительное опрыскива ние посевов биопрепаратом, активизировало оксидоредуктазы в фоновой почве. Под посевами сахарной свеклы дегидрогеназная активность повыша лась вследствие стимуляции метаболитами ассоциативного гриба процессов анаэробного дегидрирования в почве. В нефтезагрязненной почве, как в ри зосфере так и под посевами, активность этого фермента при внесении био препарата была выше, чем в фоновой почве, что свидетельствует об интен сификации процессов распада углеводородов. При загрязнении чернозема нефтью активность каталазы в ризосфере снизилась (табл.1). Низкая актив ность каталазы сохранилась и в нефтезагрязненной почве с внесением био препарата, однако, в под посевами растений она была выше, чем в почве с внесением биопрепарата.
Таблица Ферментативная активность нефтезагрязненного чернозема при обработке растений сахарной свеклы биопрепаратом (130сут) Показатели Варианты опытов Контроль «Мета- Нефть Нефть+ «Ме болит» таболит»
Ризосфера Каталаза, мл О2/ г 3.3±0.2 4.0±0.2 2.5±0.1 2.7±0. Дегидрогеназа, мг 1.2±0.02 1.8±0.05 1.3±0.05 2.0±0. формазана /10г Пероксидаза, мг бен- 0.27±0.01 0.33±0.01 0.40±0.02 0.35±0. зохинона /1г Полифенолоксидаза, 0.15±0.01 0.3±0.01 0.2±0.01 0.18±0. мг бензохинона /1г Км 0.5 0.9 0.5 0. Под посевами Каталаза, мл О2/ г 3.4±0.1 3.6±0.1 2.7±0.1 4.0±0. Дегидрогеназа, мг 1.3±0.05 1.8±0.09 1.4±0.07 2.6±0. формазана /10г Пероксидаза, мг бен- 0.58±0.02 0.72±0.03 0,45±0.02 0.67±0. зохинона /1г Полифенолоксидаза, 0.34±0.01 0.45±0.02 0.28±0.01 0.4±0. мг бензохинона /1г Км 0.6 0.6 0.6 0. Под влиянием биопрепарата, наблюдалось незначительное повышение активности пероксидазы в нефтезагрязненном чернозме (табл.1). Актив ность полифенолоксидазы – другой оксидоредуктазы, участвующей в про цессах гумификации – также повышалась при обработке биопрепаратом во всех вариантах опыта в сравнении с фоновыми показателями. Величина ко эффициента гумификации (Кг, выражающая отношение активности полифе нолоксидазы к активности пероксидазы) под посевами растений сахарной свеклы не менялась в почве опытных вариантов в сравнении с фоновой.
Загрязнение чернозема выщелоченного нефтью через 60 сут после появ ления всходов растений сахарной свеклы значительно снижало численность основных эколого-физиологических групп микроорганизмов под посевами этой культуры. Обработка биопрепаратом способствовала восстановлению численности микроорганизмов как в ризосфере, так и эдафосфере, что сви детельствует об интенсификации процессов круговорота азот- и углеродсо держащих соединений и улучшении питания растений под влиянием экзо метаболитов гриба в условиях нефтяного загрязнения.
Применение биопрепарата для обработки растений способствовало уве личению валовой численности углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) на порядок, что, в свою очередь, ускоряет процессы разложения нефтяных углеводородов.
Эндомикоризные грибы широко распространены в корнях большинства растений, в том числе основных сельскохозяйственных культур, к которым относится сахарная свекла. Они не только стимулируют корневое питание растений, но и улучшают фотосинтез, повышают устойчивость к стрессам, а также корневым гнилям и другим болезням.
Из результатов, приведенных в таблице 2, видно, что обработка расте ний сахарной свеклы биопрепаратом оказала благоприятное действие. Ча стота встречаемости микоризной инфекции и интенсивность микоризации коры корня в фоновом варианте опыта (без обработки препаратом и без загрязнения нефтью) составляла небольшой процент. При обработке био препаратом растений сахарной свеклы эти показатели увеличились более, чем в два раза. Загрязнение нефтью привело к исчезновению микоризной инфекции, в чем проявилось отрицательное действие нефтяных углеводоро дов. Обработка биопрепаратом посевов сахарной свеклы в нефтезагрязнен ной почве способствовала восстановлению частоты встречаемости микориз ной инфекции. Процент микоризации коры корня превзошел значения уров ня фонового варианта. Можно отметить положительный эффект применения биопрепарата под посевами сахарной свеклы в нефтезагрязненной почве.
В ризосфере сахарной свеклы, выращенной на черноземе, загрязненном нефтью наблюдалось увеличение видового разнообразия микроскопических грибов. Список микромицетов, выделенных из загрязненного чернозема, увеличился за счет появления новых, ранее не обнаруженных в данной поч ве представителей, по-видимому, участвующих в утилизации нефти или просто устойчивых к данному типу загрязнения. Это виды P. glabrum, P.
restriculosum, P. steckii, P. godlewskii, P. velutinum, F. merismoides, Chryso sporum sp. Увеличение видового состава комплекса микромицетов в ризо сфере сахарной свеклы при загрязнении нефтью происходило, в основном, за счет редких и случайных видов, которые играют важную функциональ ную роль в процессах почвообразования (Билай и др., 1984).
Таблица Частота встречаемости микоризной инфекции и интенсивность микоризации коры корня сахарной свеклы при обработке биопрепаратом (%) Вариант опыта Частота встречаемости ми- Интенсивность микориза коризной инфекции (F%) ции коры корня (M%) Контроль 31,90 11, Контроль+ «Ме- 78,00 32, таболит»
Нефть 0 Нефть+ «Мета- 36,00 24, болит»
При загрязнении почвы нефтью под посевами сахарной свеклы проис ходило значительное увеличение численности микромицетов (рис.1). Ана логичные данные получены и другими авторами, показавшими стимулиру ющее действие нефтяных углеводородов на рост численности микроскопи ческих грибов в разных типах почв (Киреева и др., 2005;
Хабибуллина, 2009).
Б Контроль А х 10 КОЕ/г x104 КОЕ/г 200 Нефть 100 Нефть+ 45 90 130 "Метаболит" 45 90 130 Сут Сут Рис.1. Численность микромицетов в ризосфере (А) и эдафосфере (Б) сахарной свеклы при загрязнении нефтью и обработке семян и растений биопрепаратом Обработка семян и растений сахарной свеклы биопрепаратом способ ствовала снижению фитотоксичности загрязненного чернозема за счет уменьшения видового разнообразия микромицетов-фитопатогенов в ризо сфере, что, в конечном счете, повышало устойчивость растений к условиям нефтяного стресса.
В почве, загрязненной нефтью, урожайность корнеплодов была ниже в сравнении с фоновым вариантом опыта (табл. 3). При этом снизилось также и содержание сахара в них. Обработка «Метаболитом» растений, произрас тающих на нефтезагрязненной почве, так же способствовала росту листьев, увеличению количества проводящих пучков и, в конечном счете, восстанов лению сахаристости и урожайности корнеплодов. В этом проявилось стрес спротекторное действие биопрепарата, полученного на основе экзометабо литов ассоциативного микромицета.
Внесение нефти в чернозем вызывало угнетение процессов фотосинтеза в листьях свеклы, в первую очередь хлорофилла а (рис.2). Не исключено, что основной причиной снижения содержания хлорофилла в листьях явля лось токсическое действие серы и ухудшение воздушного режима почвы.
Таблица Урожайность корнеплодов и сахаристость при обработке семян и растений биопрепаратом «Метаболит» и загрязнении чернозема нефтью Варианты Урожай- %к Сахарис- %к Выход %к опытов ность контро- тость, % контро- сахара, контро корне- лю лю т/га лю плодов, т/га 2007г Контроль 34.0±1.7 - 16.0±0.8 - 5.4±0.22 «Метаболит» 36.0±1.7 106±5.1 16.5±0.8 103±5.0 6.1±0.3 113±5. 2008г Контроль 35.0±0.7 - 16.8±0.8 - 5.9±0.2 «Метаболит» 36.2±0.7 103±5.0 17.3±0.7 103±5.0 6.3±0.3 106±5. 2009г Контроль 34.0±1.7 - 16.0±0.8 - 5.4±0.2 «Метаболит» 37.0±1.8 109±5.1 17.1±0.8 109±5.1 6.3±0.3 106±5. Нефть 32.0±1.6 94±4.3 15.2±0.6 95±4.2 4.9±0.2 91±4. Нефть+ 36.3±1.5 103±5.0 16.2±0.6 101±5.0 5.9±0.2 109±5. «Метаболит»
2010г Контроль 19.0±1.6 - 15.5±0.7 - 5.0±0.2 «Метаболит» 20.8±1.5 109±5.1 16.7±0.7 108±5.0 5.6±0.2 112±5. Нефть 17.0±1.4 89±4.5 14.8±0.7 95.5±4.5 4.5±0.2 90±4. Нефть+ 18.5±1.5 97±5.0 16.2±0.6 105±5.0 5.5±0.2 110±5. «Метаболит»
Критерием эффективности детоксицирующей активности биопрепарата служило повышение содержания хлорофилла в листьях сахарной свеклы, поскольку рост растения и его биологическая продуктивность – результат фотосинтетической деятельности листьев.
При загрязнении почвы нефтью увеличилось содержание аскорбиновой кислоты как в листьях, так и в корнеплодах, что свидетельствует об интен сификации окислительно-восстановительных процессов и нейтрализации растениями поллютантов. При обработке биопрепаратом эта тенденция под держки растения в неблагоприятных экологических условиях сохранилась.
Под растениями сахарной свеклы происходило ускорение снижения со держания остаточных углеводородов в черноземе. Детоксицирующий эф фект проявился в том, что при обработке семян и растений биопрепаратом «Метаболит» этот процесс ускорялся почти в 2 раза.
При загрязнении почвы нефтью происходило накопление бенз(а)пирена (БП) как в корнеплодах, так и листьях сахарной свеклы, однако эти значения не превышали региональных фоновых показателей. Обработка семян и рас тений сахарной свеклы биопрепаратом «Метаболит» способствовала уменьшению аккумуляции тяжелых металлов в листьях и корнеплодах.
Рис.2. Спектральные характеристики экстрактов пигментов листьев сахарной свеклы при совместном действии нефти и метаболи та. 1. Контроль (без биопрепаратов и нефтяного загрязнения, фоновая почва);
2. Обработка семян и растений сахарной свеклы биопрепаратом;
3. Загрязнен ная нефтью почва;
4. Обработка семян и растений биопрепаратом + загрязне ние почвы нефтью.
Расчеты экономической эффективности показали, что применение био препарата «Метаболит» для обработки семян и растений сахарной свеклы за 2007- 2010 гг. экономически выгодно (условная прибыль составила 2163, руб/га).
Глава 4. Влияние обработки семян и растений яровой пшеницы биопрепаратом «Метаболит» на биологическую активность чернозема выщелоченного, физиологические показатели роста и продуктивность растений, и устойчивость в условиях нефтяного загрязнения Загрязнение нефтью почвы вызвало существенное изменение структуры микробоценозов в ризосфере и под посевами яровой пшеницы (табл. 4). Об работка семян и посевов яровой пшеницы биопрепаратом «Метаболит» спо Таблица Численность микроорганизмов в ризосфере и под посевами при обработке растений яровой пшеницы биопрепаратом и загрязнении нефтью Группы микро- Фазы Варианты опытов организмов развития Кон- «Метабо- Нефть Нефть+ «Ме растений троль лит» таболит»
ризосфера Целлюлозораз- 0.5±0.02 0.8±0. 1 - рушающие, 1.2±0.06 2.2±0. 2 - 104 КОЕ/г 9.5±0.4 17±0.84 0.05±0.02 1.0±0. 6.6±0.3 12±0.5 0.1±0.005 3.0±0. Общая числен- 3.1±0. 1 36±1.8 - ность гетеро- 88±4. 2 101±5.0 - трофов,106 1200±60 45000±2230 9500± 3 14000± КОЕ/г 405±20 12000±580 13200±600 22000± Актинобакте- 0.9±0. 1 7.6±0.4 - рии,106 КОЕ/г 14.4±0. 2 16.0±0.78 - 70.1±3.5 12.0±0.6 32±1. 3 95±4. 26±1.1 50±2.2 10±0.5 21±1. Бациллы, 104 2.1±0.1 4.8±0. 1 - КОЕ/г 10.6±0.5 22±1. 2 - 68±3.0 95±4.1 170±8. 3 41±2. 20±1.0 41±2.0 72±3.0 135±6. под посевами растений Целлюлозораз- 2.4±0.1 4.2±0. 1 - рушаю- 10.0±0.5 24.6±1. 2 - щие,104КОЕ/г 27±1.3 52±2.1 2±0. 0.01±0. 14±0.6 33±1.4 0.02±0.001 1±0. Общая числен- 5.4±0.2 12.2±6. 1 - ность гетеро- 64±3.0 160±7. 2 - трофов,105 800±40 1200±60 900±40 1500± КОЕ/г 280±14 600±30 700±30 2200± Актинобакте- 0.7±0.03 1.8±0. 1 - рии, 105 КОЕ/г 11±0.5 25±1. 2 - 85.3±4.0 130±6.1 32±1.2 47±2. 38.1±1.5 71±3.0 12±0.5 30± Бациллы, 103 3.8±0.1 5.6±0. 1 - КОЕ/г 16.1±0.8 20.8±0. 2 - 52±2.0 120±5.9 48±2.0 140±7. 38±1.5 70±3.3 35±1.5 110±5. Примечание: 1 - 10 суток;
2 - 20 суток;
3 - фаза колошения;
4 - сбор урожая.
собствовала активизации микробиологических процессов в ризосфере рас тений пшеницы при нефтяном загрязнении чернозема. Численность основ ных эколого-трофических групп микроорганизмов в ризосфере и под посе вами яровой пшеницы при обработке биопрепаратом восстанавливалась и превосходила фоновые значения. Численность УОМ – основных деструкто ров нефти – в ризосфере растений пшеницы при обработке семян и растений в условиях занефтенности почв возрастала, в основном в 1,5 – 2 раза, то есть не так значительно, как численность других групп микроорганизмов (табл.5).
Таблица Численность УОМ в ризосфере яровой пшеницы, выращенной на нефтезагрязненной почве и при рекультивации (КОЕ/г почвы) Варианты Фаза роста пшеницы Фаза колошения Сбор урожая без обработки «Метаболитом»
(5,0±0,2)103 (2.0±0.1) Контроль (5±0.2) Нефть (12±0,3) Обработка «Метаболитом»
(9,0±0,4)103 (10±0.5) Контроль (50±2.2) Нефть (80±3,3) В таблице 6 представлены виды грибов, выделенные из ризосферы пше ницы в фазу колошения. Нефтяное загрязнение меняло соотношения встре чаемости грибов в течение всего периода наблюдения. В ризосфере пшени цы преобладали представители двух родов Aspergillus и Penicillium, встреча лись виды родов Fusarium, Chaetomium, Mucor, Trichoderma, Paecilomyces, Humicola, Rhizopus, Verticillium. Видовое разнообразие микромицетов в ри зосфере растений пшеницы в ходе сукцессии снижалось. В первый период после постановки опыта в ризосфере пшеницы присутствовали многочис ленные случайные и редкие виды (A. nidulans, Cladosporium sp., A.sydowii и др.).
Видами, чувствительными к воздействию нефти в почве в ризосфере пшеницы, можно считать грибы Chaetomium sp., Paecilomyces sp., Tricho derma viride, Rhizopus sp. и представителей рода Penicillium: lanosum, mar tensii, restrictum, simplicissimum. Большое количество видов грибов, по нашему мнению, можно отнести к устойчивым видам: Aspergillus fumigates, A.niger, A.oryzae, A.terreus, F.culmorum, F.oxysporum, Penicillium canescens, Verticillium sp. В ризосфере пшеницы, загрязненной нефтью, возраcтало от носительное содержание представителей родов Fusarium и Verticillium. По следние, очевидно, попали в почву с семенами растений и получили воз можность для благоприятного развития при нефтяном стрессе и ослаблен ности растений в связи с этими условиями.
Загрязнение чернозема нефтью отрицательно сказалась на росте и раз витии растений как в фазу кущения, так и в фазу колошения (табл. 7). Обра ботка семян и посевов яровой пшеницы биопрепаратом оказала антистрес совый эффект для растений.
Таблица Структура комплекса микромицетов ризосферы растений пшеницы (фаза колошения), выращенных на нефтезагрязненной почве (частота встречаемости, %) Виды Контроль Нефть Alternaria elegans E.G.Simmons et J.C.David - Aspergillus caespitosus, Raper et Thom. - A.fumigatus Fresen. 60 A.niger Tiegh. 30 A. flavus var. oryzae (Ahlb.) Kurtzman, M.J. Smiley, Rob- 20 nett & Wicklow A.restrictus G.Sm. 15 A.terreus Thom. 25 A.ustus (Bainier) Thom et Church - A.wentii Wehmer - Chaetomium sp. 5 Fusarium culmorum (W.G.Sm.) Sacc. 38 F.oxysporum Schltdl.:Fr. 80 Fusarium sp. Henn. 33 Humicola sp. Siddique 33 Mucor sp. Oudem. 33 Paecilomyces sp. Udagawa & Shoji Suzuki 33 Penicillium verrucosum Dierckx 75 P.casei Staub 33 P.lanosum Westling 33 P. aurantiogriseum Dierckx 33 P.restrictum Gilman and Abbott 10 P.roqueforti Thom 33 P.simplicissimum (Oudem.) Thom 33 P.verrucosum Dierckx 60 Rhizopus sp. 33 Trichoderma viride Pers.: Fr. 33 Verticillium sp. 33 Известно, что фотосинтетический аппарат высших растений обладает широким диапазоном приспособительных реакций к тем условиям среды, в которых они формируются (Васильева и др., 2003). Растения яровой пшени цы, выращенные на загрязненном нефтью черноземе, характеризовались более низким содержанием хлорофилла в листьях. Обработка семян и рас тений биопрепаратом не влияло на оптические характеристики пигментов листьев яровой пшеницы.
Таблица Влияние обработки биопрепаратом на рост и развитие яровой пшеницы на черноземе выщелоченном, загрязненном нефтью (фаза кущения) Варианты Показатели опыта Высота Количество Количество Средняя длина растений, листьев, шт придаточных придаточных см корней, шт корней, см Контроль 16,9±0,34 4,13±0,06 3,10±0,04 3,04±0, 20,5±0,21 4,83±0,09 3,33±0,03 2,98±0, Нефть 10,4±0,98 2,55±0,09 2,10±0,015 2,40±0, 12,6±0,87 2,93±0,08 2,20±0,08 2,48±0, НСР0,95 1,56 0,32 0,24 0, Примечание: 1 – без обработки;
2 – с внесением «Метаболита»;
в табли цах приведены НСР для вариантов опытов для соответствующего признака.
При загрязнении почвы нефтью отмечен достоверный рост содержания аскорбиновой кислоты, что свидетельствует об участии аскорбиновой кис лоты в механизмах адаптации растений к условиям техногенеза.
При обработке семян растений пшеницы биопрепаратом Метаболит, со держание аскорбиновой кислоты в листьях пшеницы, выращенных на фоно вых почвах, увеличилось независимо от фазы развития растений (рис.3).
Содержание аскорбиновой кислоты, мг/% Контроль "Метаболит" 0 Нефть 10 сут 20 сут фаза колошения Нефть + "Метаболит" Рис.3. Содержание аскорбиновой кислоты в листьях растений яровой пшеницы В листьях растений пшеницы в фазе колошения содержание окисленной формы рибофлавина было меньше и при загрязнении почвы нефтью значе ния этого показателя увеличивались в 1,5 – 2 раза. При обработке семян и растений пшеницы биопрепаратом «Метаболит» рост и развитие растений пшеницы, происходили более интенсивно, чем в нефтезагрязненных почвах.
В листьях растений пшеницы, выращенных на незагрязненных почвах, об работанных биопрепаратом, содержание обоих форм рибофлавина превы шало таковой показатель у растений, выращенных на незагрязненном черно земе без обработки семян и растений.
Под действием нефти происходило достоверное увеличение активности пероксидаз в листьях растений яровой пшеницы 1,5 раза. В листьях пшени цы, обработанной биопрепаратом и выращенной на нефтезагрязненном чер ноземе, активность пероксидаз сохранялась высокой. Обработка биопрепа ратом «Метаболит» семян и посевов яровой пшеницы повышала активность и полифенолоксидаз в листьях.
Загрязнение нефтью способно значительно снизить урожайность пше ницы. При сравнении урожайности яровой пшеницы в условиях нефтяного загрязнения и при обработке биопрепаратом «Метаболит» образцов выявле но достоверное увеличение урожайности яровой пшеницы (р=0,95) под воз действием экзометаболитов ассоциативного гриба. Однако снижение уро жайности яровой пшеницы при загрязнении чернозема нефтью было настолько велико, что его полного восстановления под действием биопрепа рата «Метаболит» не происходило.
Под растениями яровой пшеницы содержание остаточных нефтепродук тов к концу вегетации снизилось почти в 2 раза, в то время как в почве без растений на 15%. Обработка семян и растений яровой пшеницы биопрепа ратом еще более ускорило процесс деструкции поллютанта, что свидетель ствует о детоксицирующей способности экзометаболитов гриба-ассоцианта (рис. 4).
г/100г начальная концентрация под посевами яровой пшеницы под посевами яровой пшеницы, обработанными биопрепаратом в почве без растений Рис. 4. Содержание остаточных нефтепродуктов в черноземе под посевами яровой пшеницы На черноземе, загрязненном нефтью, содержание БП в растениях яровой пшеницы достигало 197,1 нг/г, что почти в 3 раза превышало фоновые зна чения. Растения яровой пшеницы, выращенные из семян, обработанных биопрепаратом, содержали значительно меньшее количество БП (102 нг/г).
Это, очевидно, связано с тем, что экзометаболиты ассоциативного гриба стимулируют развитие в ризосфере яровой пшеницы микроорганизмов деструкторов БП.
Расчеты экономической эффективности показали, что применение био препарата «Метаболит» для обработки семян и растений яровой пшеницы экономически выгодно (условная прибыль составила 1117,05 руб/га) РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ В условиях южной лесостепи Республики Башкортостан для повышения биологической активности почвы, активизации микробиологических про цессов, а также повышения урожайности сахарной свеклы и яровой пшени цы, предшественниками которых являются озимая рожь и сахарная свекла с высоким агрофоном, рекомендуется применять для предпосевной обработки семян и посевов 0,001% раствор биопрепарата «Метаболит».
Для выращивания сельскохозяйственных культур при загрязнении поч вы нефтью целесообразно проводить обработку посевов 0,001% раствором биопрепарата «Метаболит».
ВЫВОДЫ 1. Загрязнение чернозема выщелоченного нефтью угнетает микробиоло гические и ферментативные процессы под посевами, тормозит рост и разви тие, значительно снижает продуктивность сахарной свеклы и яровой пше ницы.
2. Предпосевная обработка семян сахарной свеклы и яровой пшеницы биопрепаратом «Метаболит», полученным на основе микромицета ассоцианта облепихи Scopulariopsis acremonium, активизирует микробиоло гические и окислительно-восстановительные процессы, стимулирует интен сивность микоризации корней. Экзометаболиты ассоциативного микро мицета, входящие в состав биопрепарата, обладают фунгицидным действи ем, что способствует снижению численности и видового разнообразия мик роскопических грибов-фитопатогенов, и фитотоксичности чернозема и улучшению фитосанитарного состояния посевов.
3. Биопрепарат «Метаболит» обладает антистрессовым эффектом для сахарной свеклы и яровой пшеницы, что проявляется в торможении процес сов высыхания листьев и сохранении ассимиляционной поверхности в усло виях нефтяного загрязнения. Обработка семян активизирует защитные ме ханизмы, увеличивая содержание фотосинтезирующих пигментов и аскор биновой кислоты. Протекторное действие биопрепарата в условиях нефтя ного загрязнения способствует сохранению габитуса растений, и увеличе нию продуктивности сахарной свеклы на 10-11,5%, а яровой пшеницы на 16,5-17%.
4. Биопрепарат «Метаболит» оказывает детоксицирующий эффект, что проявляется в увеличении на один-два порядка численности УОМ, ответ ственных за деградации углеводородов под посевами. К концу вегетацион ного сезона под посевами сахарной свеклы процесс разложения углеводоро дов ускорился в 2 раза, а яровой пшеницы в 1,5.
Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Багаутдинова Г.Г., Нурмухаметов Н.М., Киреева Н.А. Биологиче ская активность почв и продуктивность сахарной свеклы при обработке биопрепаратом // Вестник Оренбургского государственного университета.
2009. №6. С. 540-542.
2. Багаутдинова Г.Г., Нурмухаметов Н.М., Киреева Н.А., Новосело ва Е.И. Использование биопрепарата Метаболит для восстановления биоло гической активности нефтезагрязненного чернозема // Вестник Оренбург ского государственного университета. 2009. № 10. С. 528-529.
3. Киреева Н.А., Водопьянов В.В., Григориади А.С., Новоселова Е.И., Багаутдинова Г.Г., Лобастова Е.Ю. Эффективность применения биопрепа ратов для восстановления плодородия техногенно-загрязненных почв // Из вестия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т.12.
№1(4). С. 1023-1026.
4. Киреева Н.А., Багаутдинова Г.Г., Нурмухаметов Н.М. Урожай ность яровой пшеницы и биологическая активность чернозема выщелочен ного при обработке биопрепаратом // Проблемы агрохимии и экологии.
2011.№1. С. 28-32.
5. Киреева Н.А., Баширова Р.М., Багаутдинова Г.Г., Гуськова Н.С.
Детоксицирующий и стресспротекторный эффект биопрепарата Метаболит при загрязнении нефтью посевов сахарной свеклы // Агрохимия. 2011. №6.
С. 55-60.
6. Зинатуллина Г.Г. Влияние Метаболита и микроэлемента меди на интенсивность разложения клетчатки под сахарной свеклой // Студент и аграрная наука. Матер. II Всеросс. студенческой конф. Уфа: БГАУ. 2008. Ч.
I. С. 28.
7. Киреева Н.А., Багаутдинова Г.Г., Новоселова Е.И. Оценка эффек тивности восстановления плодородия нефтезагрязненного чернозема по по казателям биологической активности // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития. Матер. Всеросс. научно-практич. конф. Ки ров. 2009. Выпуск VII. Часть 2. С. 8-10.
8. Нурмухаметов Н.М., Киреева Н.А., Багаутдинова Г.Г. Изучение возможности использования метаболитов эндомикоризных грибов как эко логически чистого метода повышения продуктивности сельскохозяйствен ных культур // Башкирский экологический вестник. 2010. №1. С. 43-45.
9. Багаутдинова Г.Г., Киреева Н.А., Новоселова Е.И. Влияние эколо гически безопасного биопрепарата на биологическую активность и продук тивность нефтезагрязненных почв // Природоохранные биотехнологии в XXI веке. Сборник науч. трудов. Казань: ТГГПУ. 2010. С. 58-61.
10. Багаутдинова Г.Г., Киреева Н.А. Применение биопрепарата Мета болит для восстановления продуктивности нефтезагрязненной почвы // Про блемы и перспективы изучения естественных экосистем Урала и прилегаю щих регионов. Матер. Всеросс. конф. Стерлитамак. 2010. С. 146-150.
11. Киреева Н.А., Багаутдинова Г.Г., Баширова Р.М. Применение биопрепаратов для адаптации растений к условиям нефтяного загрязнения // Адаптация биологических систем к естественным и экстремальным факто рам среды. Матер. III Междун. конф. Челябинск. 2010. С. 74-76.
12. Багаутдинова Г.Г. Биопрепараты на основе микромицетов- сим бионтов для активизации микробиологических процессов и повышения про дуктивности сельскохозяйственных растений// Актуальные аспекты совре менной микробиологии. Тезисы докл. VI Молодежной школы -конференция с международным участием. Москва. 2010. С. 126-127.
13. Киреева Н.А., Григориади А.С., Багаутдинова Г.Г., Гареева А.Р.
Микробные биопрепараты для восстановления плодородия почв // Совре менные проблемы экологии. Сборник. матер. Междун. н-практич. конф.
Москва. 2010. С. 39-42.
14. Киреева Н.А., Багаутдинова Г.Г., Лобастова Е.Ю., Григориа ди А.С. Микробные препараты в земледелии и улучшении состояния окру жающей среды //Безопасность жизнедеятельности: современные проблемы и пути их решения. Сборник материалов II Междунар. научно-практ. конф. Уфа: Изд-во "Здравоохранение Башкортостана". 2011. С. 158-163.