Почвоведение, 2022, № 9, стр. 1179-1186

ВВЕДЕНИЕ

Изучение загрязнения почв тяжелыми металлами (ТМ) имеет продолжительную историю и является актуальной задачей в настоящее время. Особенно опасно поступление ТМ в агроценозы с органическими и минеральными удобрениями, где они могут непосредственно поступать в организм человека и животных по пищевым цепям. Одним из таких источников являются осадки сточных вод (ОСВ), дозы которых до 1990 г. не нормировались и вызвали значительное загрязнение почв сельскохозяйственного назначения [1, 9–12].

Продолжительность пребывания ТМ в почвах может достигать сотен лет, что определяется свойствами как самих элементов, так и почв, способных прочно удерживать ТМ за счет механизмов обмена, адсорбции, комплексообразования или осаждения в зависимости от значений рН, гранулометрического и минералогического состава, а также состава и содержания органического вещества [5, 10, 11]. Продолжительная аккумуляция ТМ в почвах и возможность поступления их в природные воды и растения определяют необходимость развития и изучения новых методов их ремедиации [4, 19, 20, 22, 27].

В последние десятилетия широкое распространение получило применение биопрепаратов, разработанных на основе ризосферных бактерий группы Plant Growth Promoting Rhizobacteria для стимуляции роста растений. Показано, что такие биопрепараты, не только оказывают стимулирующее воздействие на многие виды сельскохозяйственных культур, но увеличивают их устойчивость к различным видам загрязнения почв, таким как тяжелые металлы, мышьяк, нефть, радионуклиды [13–15, 18, 19]. Их использование может быть эффективно для фиторемедиации загрязненных почв [6, 14, 16, 17, 19, 22, 23].

Экологические аспекты использования ризосферных бактерий особенно актуальны в настоящее время, когда антропогенное воздействие на почвы и растения привело к значительному увеличению площадей загрязненных земель и ухудшению качества растительной продукции. Одним из источников загрязнения почв сельскохозяйственного назначения являются ОСВ [1, 11, 12, 24].

До сих пор недостаточно исследованы процессы трансформации соединений, входящих в состав ОСВ, не ясны механизмы взаимодействия ТМ, поступающих в составе ОСВ с почвенными компонентами. Недостаточно изучено значение органического вещества, от состояния которого зависит судьба связанных с ним ТМ. Мало изучено взаимодействие органического вещества с ТМ в процессе длительной трансформации. В природных условиях происходит разложение органического вещества и, как следствие, переосаждение и реадсорбция ионов металлов с одних реакционных центров на другие. Для изучения эффективности действия мелиорантов часто используют методы последовательного фракционирования, которые позволяют выявить механизмы трансформации соединений ТМ и роль различных почвенных компонентов в этом процессе, их влияние на подвижность ТМ в почвах.

Последовательная экстракция соединений ТМ показывает их распределение по связи с основными почвенными компонентами – носителями ТМ [5, 7, 10]. Таких центров концентрирования выделено немного: карбонаты, фосфаты, гумусовые вещества, (гидр)оксиды железа и марганца, глинистые минералы. Метод последовательного экстрагирования широко применяется отечественными [2, 5, 7, 8] и зарубежными исследователями [21, 26] для решения теоретических и прикладных задач почвоведения.

Цель работы – изучение влияния ризосферных бактерий на фракционный состав соединений ТМ в почвах, загрязненных в результате применения ОСВ, а также накопления их растениями пшеницы в условиях вегетационного опыта.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследование проводили на старопахотной дерново-подзолистой супесчаной почве Балашихинского района Московской области (слой 0–20 см). Источником загрязнения почв были ОСВ Люберецкой станции аэрации, которые вносили в качестве органических удобрений до 1990 г. Изначально почвы использовали для выращивания овощных культур и кормовых трав, они отличались высоким содержанием гумуса, нейтральной реакцией среды, были высоко обеспечены основными элементами питания растений (N, P, K) [11, 12]. С 2012 г. почвы находятся в состоянии залежи.

Для изучения влияния ризосферных бактерий на фракционный состав соединений ТМ в почвах был поставлен вегетационный опыт. Из пахотного горизонта одного из полей были отобраны образцы почв с пробных площадок размером 10 м². Почвенные образцы усредняли, высушивали, просеивали и оставляли в сосудах, наполненных 800 г почвы, увлажненной до 60% от полной влагоемкости, на прединкубацию на 10 сут при 22°С.

В почву перед посевом растений вносили азотное удобрение в виде азотнокислого аммония из расчета 100 мг N/кг почвы по 5 сосудов для каждого варианта. В контрольном варианте растения выращивали без инокуляции бактериями, в трех других при инокуляции бактериями P. fluorescens шт. 20, P. fluorescens шт. 21, P. putida шт. 23. При посеве семена пшеницы сорта Злата раскладывали на почве и инокулировали водными суспензиями чистых культур бактерий в водопроводной воде из расчета 10⁸ клеток на растение и засыпали тонким слоем почвы. В варианте без инокуляции вносили аналогичное количество автоклавированных бактериальных суспензий. Влажность почвы в сосудах поддерживали на уровне 60% от полной влагоемкости. Выращивали по 10 растений яровой пшеницы до фазы трубкования в течение 28 дней.

Содержание органического вещества в образцах почв определяли общепринятыми методами, рН – потенциометрически при соотношении почва : вода 1 : 5. Для подготовки к анализу растений использовали метод сухого озоления в муфельной печи при температуре 450°С, затем золу переносили в мерные колбы и доводили до метки раствором 1 М HNO₃. Все определения проводили в пятикратной повторности. Содержание ТМ измеряли методом ИСП-ОЭС на оптико-эмиссионном спектрометре Agilent 5110 (ФР.1.29.2006.02149).

Статистическую обработку полученных данных выполняли с использованием пакета программ MS Excel 2010.

Фракционный состав соединений ТМ определяли путем последовательного извлечения фракций из одной навески почвы по схеме, основанной на опыте отечественных ученых [7, 10] с некоторыми изменениями, касающимися стандартизации времени экстрагирования и центрифугирования. Соединения, связанные с органическим веществом, извлекали после взаимодействия с пероксидом водорода и нагревания, затем экстрагировали с помощью CH₃COONH₄ рН 4.8, вместо 1 М азотной кислоты, которая завышает долю ТМ в этой фракции. Ранее было показано, что результаты, полученные с использованием предложенной схемы фракционирования соединений ТМ, в значительной степени согласуются с теоретическими представлениями о химических свойствах элементов и их поведении в почвах [10]. Применение реактивов, принятых в агрохимии для оценки состояния металлов в почвах, позволяет рекомендовать предложенный метод фракционирования соединений при разработке стратегий ремедиации загрязненных почв (табл. 1).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Последние 10 лет почва находилась в условиях залежи. За это время изменились некоторые химические свойства: уменьшилось содержание органического вещества, Р, К и обменных катионов, но значения рН остались высокими (табл. 2). Значительно снизился и уровень загрязнения почв по сравнению с исходным [9, 11, 12], но основные ТМ, которые были характерны для ОСВ и почв, которые были удобрены – это Zn и Cd, все еще превышают допустимый уровень содержания (ОДК) для супесчаных почв, а содержание Cu достигает ОДК (табл. 3).

Под влиянием ризосферных бактерий изменилось содержание и соотношение форм соединений ТМ в почвах опыта. Основная часть соединений Cd в почвах, не инокулированных ризосферными бактериями, представлена обменными и подвижными – слабоспецифически сорбированными соединениями. В почвах, обработанных бактериями, увеличилось содержание подвижных и связанных с органическим веществом соединений Cd для вариантов, инокулированных бактериями P. fluorescens 21 и P. putida 23. Также отмечено увеличение содержания Zn, связанного с органическим веществом и соединениями Fe в почве, инокулированной бактериями P. putida 23 (рис. 1).

Рис. 1.

Влияние ризосферных бактерий на фракционный состав соединений Cu, Zn, Cd, Ni и Pb в дерново-подзолистых супесчаных почвах, % от валового содержания. Обозначение фракций: 1 – остаточная; 2 – связанная с окристаллизованными соединениями Fe, 3 – связанная с аморфными соединениями Fe; 4 – связанная с органическим веществом; 5 – специфически адсорбированная; 6 – обменная.

Для Cu и Ni установлено значительное увеличение содержания соединений этих элементов во фракции, связанной с органическим веществом и соединениями Fe при инокуляции бактериями P. fluorescens 20, P. putida 23 и, в меньшей степени, бактериями P. Fluorescens 21.

Значительная часть соединений Pb связана с оксидами и гидроксидами Fe, а также удерживается в остаточной фракции, что особенно характерно для контрольных вариантов почвы, без применения ризосферных бактерий. Часто Pb рассматривают как органофил, но его доля во фракции, связанной с органическим веществом, мала. Вероятно, после разрушения органического вещества перекисью водорода, происходит вторичное поглощение Pb железистой фракцией [3, 5, 10, 21]. Соединения Fe являются важнейшей сорбционной системой в почвах и благодаря высокому содержанию в почвах и способности к образованию полимолекулярных пленок на поверхности глинистых минералов взаимодействуют с ионами металлов путем вытеснения ионов H⁺, входящих в OH-группы. Значительная часть соединений Cu, Ni и Pb удерживается именно в этой фракции. Таким образом, представленный метод фракционирования позволяет выявить особенности каждого элемента в распределении по группам соединений.

После обработки почв ризосферными бактериями доля Pb в железистой фракции и связанной с органическим веществом увеличилась в большей степени для вариантов, инокулированных бактериями P. fluorescens 21 и P. putida 23.

Анализ растений показал сокращение поступления Cd в надземную часть растений пшеницы в вариантах, инокулированных ризосферными бактериями. Наибольший эффект уменьшения содержания Cd в вегетативной массе растений пшеницы был отмечен при инокуляции P. fluorescens 21 и, в меньшей степени, P. putida 23 (рис. 2).

Рис. 2.

Влияние ризосферных бактерий на содержание (мг/кг) Cd, Zn, Cu, Ni и Pb в корнях (1) и в вегетативной части (2) растений пшеницы.

Содержание Cd в корнях пшеницы было практически одинаковым во всех вариантах опыта, но следует отметить, в корнях его было больше, чем в вегетативной массе в 9 раз в не инокулированных бактериями вариантах. Максимальное значение этого соотношения наблюдали при инокуляции растений бактериями P. fluorescens 21, при этом содержание Cd в корнях было больше, чем в вегетативной части в 18 раз, а при инокуляции и P. putida 23 – в 12 раз. Такое распределение Cd в растениях пшеницы свидетельствует о значительной барьерной функции корневой системы при поглощении этого токсичного элемента. Надо отметить, что бактерии значительно увеличили это соотношение, а, следовательно и барьерную функцию корней.

Содержание Zn в вегетативной массе растений пшеницы также уменьшилось практически в 2 раза при инокуляции P. fluorescens 21 и на 30% в варианте с P. putida 23 по сравнению с контролем. Инокуляция бактериями P. fluorescens 21 и P. putida 23 вызвала уменьшение содержания Zn в корнях растений в среднем на 10%. Соотношение содержания Zn в надземной части и корнях растений пшеницы на контроле и в варианте с P. fluorescens 20 равно 1 : 3, при инокуляции P. fluorescens 21 – 1 : 5, а при инокуляции P. putida 23 – 1 : 4. Возможно, барьерные функции растений по отношению к биологически необходимому элементу – Zn выражены слабее.

Содержание Cu в корнях растений было максимальным на почвах без инокуляции бактериями. При инокуляции бактериями его содержание в корнях уменьшилось по сравнению с контролем на 10% при инокуляции P. fluorescens 20, а вегетативная часть растений содержала Cu на 10% больше. При инокуляции бактериями P. fluorescens 21 и P. putida 23 содержание Cu в корнях уменьшалось на 15 и 20% соответственно, а в вегетативной части уменьшилось на 40 и 30% соответственно. В результате изменилось соотношение содержания элемента в корнях и вегетативной массе растения – на контроле оно составляло 3.6, а при инокуляции бактериями P. fluorescens 21 – 5 (рис. 2). Следует отметить, что для Cu преобладание накопления в корнях было менее значительным и отмечалось только с бактериями P. fluorescens 21.

Содержание Pb и в корнях, и в вегетативной части растений уменьшалось во всех вариантах опыта, инокулированных ризосферными бактериями, на 10–15%. Соотношение содержания Pb в корнях и вегетативной массе растений было равно 10 на контроле и в варианте с P. fluorescens 20, и P. putida 23, а при инокуляции P. fluorescens 21 равнялось 14. Содержание Pb в исследованных почвах невысокое и ПДК Pb в биомассе растений не превышено, кроме того, этот элемент наиболее прочно удерживается в почве.

Содержание Ni в исследованной почве невысокое и ПДК в вегетативной массе пшеницы не превышено. При инокуляции растений ризосферными бактериями содержание этого элемента в корнях уменьшилось на 15–20%. В вегетативной части растений при инокуляции бактериями P. fluorescens 21 и P. putida 23 содержание Ni уменьшилось на 30%, а при инокуляции P. fluorescens 20 практически не изменилось.

Таким образом, для всех вариантов опыта наибольшее уменьшение содержания ТМ в вегетативной части растений вызывали бактерии P. fluorescens 21 – наименьшее – P. fluorescens 20, а бактерии P. putida 23 занимают промежуточное положение по активности уменьшения содержания ТМ в вегетативной массе пшеницы (рис. 2).

Наиболее существенным результатом было уменьшение содержания Cd и Zn в вегетативной массе растений пшеницы при инокуляции бактериями P. fluorescens 21 и P. putida 23, поскольку почвы характеризовались повышенным содержанием этих элементов, относящихся к первому классу опасности (табл. 2).

Результаты вегетационного опыта показали, что под влиянием ризосферных бактерий изменилось содержание и соотношение форм соединений ТМ в почве. Для Cd произошло увеличение доли наиболее подвижных обменных, слабо специфически адсорбированных и связанных с органическим веществом соединений. Несмотря на то, что эти фракции считаются доступными для растений, содержание Cd в надземной части растений пшеницы уменьшилось почти в 2 раза при инокуляции бактериями P. fluorescens 21. Возможно, уменьшение поступления Cd в растения вызвано связыванием ТМ в почве бактериальными экзометаболитами – сидерофорами в относительно стабильные органические соединения [18, 25], а также это может быть вызвано увеличением связывания металла в корнях инокулированных бактериями растений.

Для Cu и Ni преобладание этих элементов в корнях было менее значительным и отмечалось только в вариантах с бактериями P. fluorescens 21. Вероятно, для этих элементов ведущим механизмом, вызывающим уменьшение поступления ТМ в растениях, является образование прочных комплексных соединений с органическим веществом экзометаболитов бактерий, а также с оксидами и гидроксидами железа. Содержание этих элементов в исследованных почвах не является критическим, поэтому барьерные функции корней в отношении этих металлов выражены слабее, а их накопление в растениях не превышало ПДК.

Проведенные исследования показали, что применение исследованных стимулирующих рост растений ризосферных бактерий способствовало уменьшению поступления ТМ в растения (на примере яровой пшеницы) при их выращивании на почве, загрязненной ТМ. Положительное действие бактерий обусловлено усилением как растительных, так и почвенных механизмов, участвующих во взаимодействии ТМ в системе почва–растение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В условиях вегетационного эксперимента при выращивании растений яровой пшеницы на дерново-подзолистой почве, загрязненной в результате применения ОСВ, при внесении ризосферных бактерий рода Pseudomonas отмечено увеличение содержания слабоспецифически адсорбированных и связанных с органическим веществом соединений Cd, но значительное уменьшение содержания этого элемента в растениях пшеницы.

Отмечено увеличение содержания соединений Zn, Cu и Ni во фракциях, связанных с органическим веществом и соединениями железа, а также уменьшение накопления этих элементов в вегетативной части растений пшеницы. Для Pb отмечено значительное увеличение содержания во фракциях, связанных с оксидами и гидроксидами железа.

При внесении бактерий уменьшилось содержание Cd в надземной части растений пшеницы при инокуляции бактериями P. fluorescens 21 в 2 раза и для вариантов с P. putida 23 в 1.5 раза. Содержание Zn также уменьшилось в надземной части растений для вариантов с внесением бактерий P. fluorescens 21 в 1.8 раза, P. putida 23 в 1.4 раза.

При внесении бактерий изменилось соотношение элементов в корневой системе и надземной части растений. Максимальную разницу наблюдали для наиболее токсичного элемента – Cd, превышение содержания которого в корнях растений пшеницы над содержанием в надземной части растений составляло 1 : 9 без обработки бактериями и 1 : 18 – при инокуляции P. fluorescens 21 и 1 : 12 при инокуляции P. putida 23. Это свидетельствует об усилении барьерных функций корневой системы к загрязнению почв. Для Cu и Ni преобладание этих элементов в корнях было менее значительным.

Таким образом, соотношение содержания элементов в корнях и надземной части растений свидетельствует об усилении барьерной функции корневой системы растений и их устойчивости к загрязнению почв.

Применение ризосферных бактерий может быть рекомендовано для фиторемедиации загрязненных почв.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено частично при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова “Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды”, а также в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации “Почвенные информационные системы и оптимизация использования почвенных ресурсов” (номер ЦИТИС: 121040800147-0).