A model bioassay for influence of heavy metal salts toxicity on the viability of nodule-forming bacteria Rhizobium meliloti

Cover Page

Abstract


The study consists of a bioassay of a medium experimentally contaminated with heavy metals using Rhizobium meliloti microorganisms as a test object. In vitro, the viability reaction of clover and alfalfa nodule bacteria to lead, cadmium, copper and zinc was established. The effect of the studied metals on the number of colonies depends on the concentration of the chemical element, physiological action of the microelement and biological characteristics of the strains used. The studies performed have determined a direct relationship of reducing the growth in the rhizobia colonies number of clover and alfalfa with an increase in the concentration of salts of heavy metals. Inhibition of the colonies number had a high regularity when the environment was contaminated with lead, copper and cadmium at a concentration of 0,3%; with a subsequent increase, complete death of microorganisms was observed. With the introduction of zinc into the nutrient medium in small concentrations, a positive resistance tendency of the clover and alfalfa bacteria was observed: thus, at 0,01-0,1% of the zinc salt content, the number of grown colonies was above the control level and amounted to 714-987 pcs. at the control value of 578 pcs. In an environment with a concentration of zinc 0,5%, a significant decrease in the growth of clover rhizobia was noted up to 65 pieces of colonies. At the same time, in the alfalfa rhizobia colonies in these concentrations a lower degree of survival was observed and the environment of zinc 0,3% became critical.

Full Text

Введение В настоящее время, в связи с возрастающим поступлением тяжелых металлов в почвенный покров значительных территорий, особо актуально внедрение безопасных и высокоэффективных технологий рекультивации техногенно-загрязненных почв, включающих использование фитометодов, применение эффективных биопрепаратов, восстановление продуктивности нарушенных земель, мероприятия, регулирующие подвижность опасных веществ [1-4]. Следует отметить, что в данный момент нет четко установленных сведений о возможностях возделывания полевых культур в условиях преобразованных почв с использованием комплексного фито-биосорбционного модуля. Важным звеном, осуществляющим протекание наиболее значимых почвенных процессов, являются микроорганизмы. Они способствуют поддержанию почвенного плодородия, участвуют в круговороте биогенных элементов, положительно влияют на режим питания возделываемых культур, стимулируют у растений рост, развитие и устойчивость к стрессовым условиям, являются источником дополнительно накапливающегося «биологического» азота в почве за счет связывания молекулярного азота воздуха [5-13]. Способностью фиксировать молекулярный азот обладают клубеньковые бактерии - симбиотические азотфиксирующие микроорганизмы, с помощью которых осуществляется образование клубеньков и связывание соединений азота [14, с. 157-159]. Активность симбиоза клубеньковых бактерий с бобовыми растениями во многом зависит от внешних условий, в которых используется конкретный штамм микроорганизмов, а также от физиологических особенностей растений [15, с. 46-47]. Одной из актуальных проблем в экологических исследованиях по окультуриванию техногенно-загрязненных почв является изучение роли микроорганизмов, их поведения в антропогенно-преобразованных условиях и влияния на процессы трансформации веществ в агроэкосистеме. Ранее было показано влияние свинца, цинка, меди и кадмия на посевные качества семян фитомелиорантов донника и люцерны (энергию прорастания и лабораторную всхожесть) [16]. Проведение лабораторных исследований выращивания клубеньковых бактерий с использованием моделирования загрязненной тяжелыми металлами среды позволит установить возможность жизнеспособности ризобий в условиях токсического действия свинца, кадмия, цинка и меди, выявить влияние конкретного токсиканта, определить оптимальные и ингибирующие концентрации. Цель представленных исследований - оценить устойчивость азотфиксирующих бактерий Rhizobium meliloti к различным концентрациям свинца, кадмия, меди и цинка при моделировании загрязненных сред. В качестве объекта исследований были выбраны производственные штаммы азотфиксирующих ризобактерий Rhizobium meliloti. Материалы и методика исследования Бактерии выращивались в лабораторных условиях при температуре 26°C. Посев производили в чашки Петри из ризоторфина при десятикратном разбавлении на плотной питательной агаризованной среде, обогащенной солями тяжелых металлов, (г/л: горох - 50; вода - 1; агар - 20; сахароза - 10; К2НРО4 - 0,5; и количество соли, соответствующее изучаемому варианту). Для моделирования загрязненной тяжелыми металлами среды использовали легкорастворимые соли: нитрат свинца, сульфат меди, сульфат цинка и нитрат кадмия в концентрации 0,01%; 0,1%; 0,3%; 0,5%; 1%; 3%; 5%; 6%. Повторность опыта трехкратная. Контролем служили чашки Петри с питательной бобовой средой без солей тяжелых металлов. Подсчет колоний проводили на 4 сутки [17-21; 22, с. 164-176]. Результаты исследований и их обсуждение В ходе исследований установлена разная степень выживаемости клубеньковых бактерий по каждому отдельному загрязнителю. Бактерии донника и бактерий люцерны реагировали на токсичность среды не одинаково. Наглядно динамика жизнеспособности ризобий представлена на рисунке 1 и рисунке 2. В присутствии кадмия рост колоний ризобий донника был наименьшим и составил 71 шт. при концентрации 0,01% токсиканта и 43 шт. при концентрации 0,1% содержания, при этом в контрольном варианте количество колоний составило 578 шт. Численность колоний люцерны при данном химизме незначительно была выше относительно донника - 124 и 64 колонии в 0,01% и 0,1% концентрации, соответственно, при значениях контрольного варианта - 540 шт. Полное угнетение ризобий отмечалось при 0,3% и выше содержании кадмия в питательной среде. Снижение числа клубеньковых микроорганизмов наблюдалось и при загрязнении среды свинцом. Так, количество колоний бактерий донника составило 259 шт., люцерны 180 шт. - в 0,01% концентрации соли; 213 шт. и 155 шт. соответственно - в 0,1% концентрации, что ниже контрольных показателей в 2,2-3,4 раза. При более высоких изучаемых в опыте концентрациях колонии симбионтов не развивались. При добавлении в питательную среду соли сульфата меди угнетение бактерий прослеживалась в концентрации 0,01% - количество колоний ризобий донника здесь составляло 344 шт., люцерны 452 шт., при 0,1% содержании данной соли число ризобий было 121 и 147 шт. соответственно. Концентрация 0,3% и выше являлась ингибирующей, колонии бактерий здесь не выживали. Рисунок 1 - Численность колоний клубеньковых бактерий донника желтого в загрязненной тяжелыми металлами среде, шт. Рисунок 2 - Численность колоний клубеньковых бактерий люцерны посевной в загрязненной тяжелыми металлами среде, шт. Положительная динамика роста колоний клубеньковых микроорганизмов наблюдалась при внесении в модельную среду цинка. Концентрация элемента 0,01% стимулировала численность ризобий донника и люцерны в 1,7 раза по сравнению с контрольным вариантом и составила 987 шт. - штамм донника и 948 шт. - штамм люцерны при 578 и 540 шт., соответственно, на контроле. Содержание 0,1% цинка в среде также оказывало благоприятное воздействие на рост бактерий: 714 шт. у донника и 687 шт. у люцерны. При 0,3% загрязнении количество колоний оставалось практически на уровне контроля 491 шт. у штамма донника и заметно снизилось до 152 шт. у штамма люцерны. В 0,5% среде цинка прослеживалось сильное угнетение ризобий донника, их число составило здесь 65 шт. колоний. Таким образом, оценив влияние токсичности среды, загрязненной тяжелыми металлами, на жизнеспособность клубеньковых бактерий донника и люцерны, можно выделить следующие закономерности: штаммы бактерий донника и штаммы бактерий люцерны не одинаково реагируют на токсичность тяжелых металлов. Жизнеспособность ризобий донника выше на средах, загрязненных свинцом и цинком, у ризобий люцерны - медью и кадмием. Летальная концентрация питательной среды при загрязнении свинцом, медью и кадмием установлена на уровне 0,3% и выше. Цинк оказывал наименьшее ингибирующее действие на выживаемость симбионтов: при выращивании в среде с 0,01-0,1% содержанием отмечено стимулирование роста колоний донника и люцерны выше контрольного варианта. Последующее увеличение концентрации соли цинка приводит к заметному угнетению жизнеспособности исследуемых штаммов.

About the authors

Anastasia Olegovna Oznobikhina

Industrial University of Tyumen


postgraduate student, assistant of Technosphere Safety Department

Anatoly Yuryevich Pershakov

Northern Trans-Urals State Agricultural University


postgraduate student of Production Technology, Storage and Processing Crop Production Department

Dmitry Ivanovich Yeremin

Northern Trans-Urals State Agricultural University


doctor of biological sciences, professor of Soil Science and Agrochemistry Department

References

  1. Скипин Л.Н., Храмцов Н.В., Петухова В.С. Подбор штаммов клубеньковых бактерий для рекультивации засоленных почв, грунтов и буровых шламов // Аграрный вестник Урала. 2014. № 7 (125). С. 81-83.
  2. Синдирева А.В., Майданюк Г.А. Экологическая оценка действия свинца в системе «почва - растение - животное» и разработка научно обоснованных приемов его детоксикации // Вестник КрасГАУ. 2018. № 6. С. 244-249.
  3. Ерёмин Д.И., Попова О.Н. Формирование почвенной микрофлоры в антропогенно-преобразованных почвах // Вестник ГАУ СЗ. 2015. № 4 (31). С. 7-12.
  4. Ерёмин Д.И., Попова О.Н. Агроэкологическая характеристика микромицетов, обитающих в почве // Вестник ГАУ СЗ. 2016. № 1 (32). С. 12-18.
  5. Зенова Г.М., Степанов А.Л., Лихачева А.А., Манучарова Н.А. Практикум по биологии почв: учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 2002. 120 с.
  6. Лактионов Ю.В., Попова Т.А., Кожемяков А.П. Биопрепарат под бобовую культуру жидкой формы на основе клубеньковых бактерий патент на изобретение RUS 2514217 29.11.2012.
  7. Тихонович И.А., Завалин А.А., Благовещенская Г.Г., Кожемяков А.П. Использование биопрепаратов - дополнительный источник элементов питания растений // Плодородие. 2011. № 3 (60). С. 9-13.
  8. Артемьев Е.Г., Ерёмин Д.И. Роль азотфиксации в формировании гороха в условиях северной лесостепи Тюменской области // Вестник КрасГАУ. 2009. № 3. С. 60-66.
  9. Скипин Л.Н., Гузеева С.А., Петухова В.С. Активизация симбиотического аппарата бобовых трав при освоении солонцов // Вестник КрасГАУ. 2013. № 10 (85). С. 85-90.
  10. Скипин Л.Н., Петухова В.С., Богданова О.Г., Митриковский А.Я. Активность клубеньковых бактерий в условиях засоления буровых шламов // Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири: сборник материалов междунар. науч.-практ. конф. В 3-х т. Т. II. Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 2014. С. 196-202.
  11. Скипин Л.Н., Петухова В.С., Перфильев Н.В., Храмцов Н.В. Параметры жизнедеятельности клубеньковых бактерий при изменении эдафических факторов // Вестник КрасГАУ. 2014. № 6 (93). С. 103-108.
  12. Лактионов Ю.В., Кожемяков А.П., Елисеев В.В. Роль клубеньковых бактерий в возделывании бобовых культур // Агро-Информ. 2014. № 2 (184). С. 34-36.
  13. Завалин А.А., Кожемяков А.П. Новые технологии производства и применения биопрепаратов комплексного действия. СПб.: Химиздат, 2010. 60 с.
  14. Емцев В.Т. Рубежи биотехнологии. М.: Агропромиздат, 1986. 157 с.
  15. Доросинский Л.М. Клубеньковые бактерии и нитрагин. Л.: Колос, 1970. 184 с.
  16. Ознобихина А.О. Границы всхожести семян фитомелиорантов в присутствии токсичных концентраций тяжелых металлов // Самарский научный вестник. 2019. Т. 8, № 1 (26). С. 82-86.
  17. Кожемяков А.П., Тимофеева С.В., Попова Т.А. Разработка и перспективы использования биопрепаратов комплексного действия // Защита и карантин растений. 2008. № 2. С. 42-43.
  18. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии: учебное пособие. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. 224 с.
  19. Разумовская З.Г., Чижик Р.Я., Громов Б.В. Лабораторные занятия по почвенной микробиологии. Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1960. 179 с.
  20. Посыпанов Г.С. Методы изучения биологической фиксации азота воздуха: справочное пособие. М.: Агропромиздат, 1991. 299 с.
  21. Аристовская Т.В., Владимирская М.Е., Голлербах М.М. Большой практикум по микробиологии. М.: Высш. шк., 1962. 487 с.
  22. Скипин Л.Н. Солонцы Сибири: экологические аспекты освоения. Ялуторовск: Тюм. издат. дом, 2000. 260 с.

Statistics

Views

Abstract - 23

PDF (Russian) - 8

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Oznobikhina A.O., Pershakov A.Y., Yeremin D.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies