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

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.

 

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.

 

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.

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

Author for correspondence.
Email: n_a_s_t_y_a86@mail.ru

postgraduate student, assistant of Technosphere Safety Department

Russian Federation, Tyumen

Anatoly Yuryevich Pershakov

Northern Trans-Urals State Agricultural University

Email: pershakov.93@mail.ru

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

Russian Federation, Tyumen

Dmitry Ivanovich Yeremin

Northern Trans-Urals State Agricultural University

Email: soil-tyumen@yandex.ru

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

Russian Federation, Tyumen

References

Supplementary files