И А Рыктор, Ю Н Зубкова, А В Бутюгин - Влияние буроугольных гуминовых удобрений на снижение стрессовой реакции у растений festuca pratensis huds - страница 1

Страницы:
1  2 

ВІСНИК ДОНЕЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ, Сер. А: Природничі науки, 2011, № 1

УДК 631.811.98:504.43

ВЛИЯНИЕ БУРОУГОЛЬНЫХ ГУМИНОВЫХ УДОБРЕНИЙ НА СНИЖЕНИЕ СТРЕССОВОЙ РЕАКЦИИ У РАСТЕНИЙ FESTUCA PRATENSIS HUDS.

И. А. Рыктор, Ю. Н. Зубкова, А. В. Бутюгин

Изучены адаптивне реакции овсяницы луговой в зависимости от состава грунтосмесей породы Авдеевского коксохимического завода, породы террикона и буроугольных органо-минеральных удобрений. Установлено сущест­вование корреляционных связей изменения активности форм пероксидазы, содержания и соотношений фотосинте­тических пигментов и прироста массы овсяницы в зависимости от состава грунтосмеси. Установлено, что буро-угольные гуминовые органо-минеральные удобрения являются эффективными стимуляторами-адаптогенами при рекультивации промышленных отвалов.

Ключевые слова: адаптация, овсяница, пероксидаза, фотосинтетические пигменты, буроугольные удобрения, породы углеобогащения, рекультивация.

Введение. Проблема рекультивации техногенных ландшафтов особенно актуальна в Донбассе в силу интенсивности антропогенно-техногенной нагрузки и почвенно-климатических особенностей ре­гиона с частыми засушливо-суховейными явлениями и неравномерным распределением осадков на про­тяжении года с большими колебаниями их по годам [1, 2]. Одной из значимых проблем является рекуль­тивация золошлаковых отвалов коксохимического производства и шахтных терриконов. Золошлаковые отвалы создают серьезные экологические проблемы, являясь сильнокислыми породами, содержащими тяжелые металлы и другие ксенобиотики и полютанты в концентрациях, превышающих предельно до­пустимые на несколько порядков. Отвалы шахтных пород также являются давней экологической про­блемой Донбасса. Одним из наиболее экологичных и действенных способов восстановления техноген­ных ландшафтов, снижения негативного влияния на среду и человека является фиторекультивация.

При фиторекультивации породных отвалов углеобогащения и шахтных терриконов растения под­вергаются ряду стрессовых факторов: повышенная кислотность среды произрастания, токсическое воз­действие ксенобиотиков, промышленных полютантов, несбалансированность макро-, мезо- и микроэле­ментного питания, недостаточное и неравномерное увлажнение, перепады температур.

В связи с этим актуальным научно-практическим направлением является повышение адаптацион­ных способностей растений. В НИО Донецкого национального университета ранее были проведены ис­следования, направленные на поиск и разработку методик быстрой и надежной оценки эффективности действия в стрессовых условиях новых гуматсодержащих препаратов, зарекомендовавших себя как эф­фективные и экологичные стимуляторы-адаптогены [3-5]. Проведен отбор растительных культур как тестовых объектов, а также выбор информативных биологических и биохимических показателей этих культур. Исследования опирались на научный опыт авторов разных школ [6-10], которыми было уста­новлено, что совокупность симптомов, проявляемых растениями разных видов в ответ на действие раз­личных стрессовых факторов биогенной и абиогенной природы, качественно сходна. Подтверждено так­же, что любые неблагоприятные факторы вызывают нарушение единых ключевых процессов метабо­лизма, в первую очередь - энергетических и синтетических (синтез белков-ферментов, нуклеиновых ки­слот, иных жизненно важных метаболитов). В связи с этим, в условиях действия стрессора сохранение жизнеспособности организма происходит путем повышения неспецифической сопротивляемости в ре­зультате проявления адаптационного синдрома как защитной реакции организма в состоянии стресса. Полученные экспериментальные данные являются основой для создания системы мероприятий экологи­ческой корректировки продуктивности агроэкосистем и рекультивации грунтов.

В настоящее время в НИО Донецкого национального университета решаются научно-практичекие задачи по использованию травянистых культур, таких как овсяница луговая (Festuca pratensis Huds.) и донник желтый Melilotus officinalis (L.) Pall. для фиторекультивации золошлаковых отвалов Авдеевского коксохимического завода (АКХЗ), а также задачи по созданию оптимальных условий произрастания данных растений путем снижения кислотности породы отвалов АКХЗ и подбора состава грунтосмеси при внесении пород террикона и буроугольных удобрений. Технологическое решение направлено на снижение уровня действия стрессовых факторов среды и повышение адаптивных возможностей расте­ний [11].

Целью предлагаемой работы является изучение влияния состава грунтосмесей породы Авдеевско-го коксохимического завода и породы террикона, а также внесенных буроугольных органо-минеральных удобрений на биологические и биохимические показатели овсяницы луговой (Festuca pratensis Huds.) для оценки адаптивных реакций растений и выбора оптимальных составов грунтосмесей для фиторекульти-вации указанных породных отвалов.

Объекты и методы. В качестве объектов исследований были использованы: 1) гуминовый препа­рат - бурогумофоска (БГФ-1А - органо-минеральное удобрение на основе остаточного бурого угля - от­хода производства гуматов аммония, с содержанием аммонийного азота 2%, оксида фосфора (V) 16%, оксида калия 14%) [12]; 2) породы отвала углеобогащения Авдеевского коксохимического завода (АКХЗ) и шахтного террикона, а также их смеси. Добавка гуминового препарата (БГФ-1 А) составляла 2 г на 1 кг грунтосмеси. Порода углеобогащения АКХЗ имеет кислое значение рН (3,0-3,6). При таком зна­чении рН рост и развитие растений невозможны. Поэтому была проведена предварительная нейтрализа­ция данной породы мелом (до рН 5,5). В табл. 1,2 приведены характеристики пород и содержание пита­тельных элементов и микроэлементов в породе углеобогащения АКХЗ [11].

Таблица 1

Характеристика пород отвала АКХЗ и террикона

Показатели

Исходная порода АКХЗ

Нейтрализованная порода АКХЗ

Порода террикона

Влажность, %

6,1

6,7

9,9

Зольность,%

76,7%

-

89,3

рН водной вытяжки

3,0-3,6

5,5

5,6

Таблица 2

Содержание питательных элементов и микроэлементов в породе углеобогащения АКХЗ

Наименование образца

мг/кг породы

мг/кг породы

 

по Чирикову

 

 

азо т             ,     , „ фосфор калий

марганец цинк

№1(кислая)

168              24 38

23 3,02

№2 (нейтр)

189              23 52

15 1,84

Растительный объект: овсяница луговая (Festuca pratensis Huds) [13], многолетний рыхлокустовой злак, достигающий высоты 30-100 см, образующий при разрастании мощный рыхлый куст. Овсяница луговая имеет мощную мочковатую корневую систему, нередко проникающую на глубину свыше 1,5 м. Однако основная масса корней расположена в верхнем слое почвы и хорошо расчленяет ее на мелкие комочки. Растение умеренно теневыносливое, морозостойкое, под снежным покровом хорошо выдержи­вает зимние холода и поздние заморозки, подо льдом гибнет, хорошо переносит затопление талыми во­дами, в условиях засухи слабо кустится. Удовлетворительно засухоустойчивое. Устойчивое к заболева­ниям. К почвам нетребовательное. Таким образом, данный растительный объект по биологическим ха­рактеристиками пригоден для использования в фиторекультивации.

Исследования проводили с помощью вегетационного метода в соответствии со стандартной мето­дикой [14]. Использованы композиционные составы с различными соотношениями породы Авдеевского коксохимического завода и породы террикона без удобрений и с органоминеральным удобрением БГФ-1А. Семена высаживали в емкости с грунтосмесями в трехкратной повторности. Выращивали растения в лабораторной теплице при искусственном освещении люминесцентными лампами (900ЛК) с фотопе­риодом 12 ч в течение 60 суток.

Влияние состава грунтосмеси и удобрения оценивали по сумме показателей: накоплению сырой и сухой зеленой массы и массы корней, содержанию пигментов (хлорофилл a, b и их сумма, а также сумма каротиноидов и ксантофилов), ферментативной активности цитоплазматической и ионосвязанной пе-роксидазы в тканевых экстрактах из листьев растений.

Содержание фотосинтетических пигментов (хлорофилл a, b и их сумма, а также сумма каротинои-дов и ксантофилов) определяли фотоколориметрическим методом на КФК-3 по общепринятой методике, с использованием в качестве экстрагента ацетона [15].

Цитоплазматическую и ионосвязанную пероксидазу (КФ.1.11.17.; донор:Н2О2-оксидоредуктаза) извлекали из гомогенизированной растительной ткани постадийным экстрагированием цитратно-фосфатным буфером (ЦФБ) с рН 4,8. Для извлечения цитоплазматической пероксидазы использовали ЦФБ с низкой ионной силой (0,05 М), для ионосвязанной пероксидазы использовали ЦФБ с высокой ионной силой (0,2 М ЦФБ с 1М хлористым калием). Экстрагирование проводили по общепринятой ме­тодике [16]. Активность цитоплазматической и ионосвязанной пероксидазы в грубых тканевых экстрак­тах из растений определяли фотоколориметрическим методом на КФК-3 с использованием в качестве субстрата 3,3\5,5Ч- тетраметилбензидина. За основу взята методика, применяемая в микроанализе [17], которую мы модифицировали с учетом специфики наших исследований.

Для расчета удельной активности пероксидазы определяли содержание белка в анализируемых тканевых экстрактах из растений, проявляющих пероксидазную активность. Содержание белка опреде­ляли по методу Бредфорда [18] с Cummassi Briliant Blue - 250 фирмы Serva на КФК-3 при Л = 595 нм.

Статистическую обработку результатов проводили методом дисперсионного двухфакторного ана­лиза для равномерных комплексов с помощью статистического пакета STATISTICA 7, сравнение сред­них - с учетом НСР [14, 19].

Результаты и их обсуждение. Вегетационный опыт №1 по влиянию состава грунтосмеси и внесе­ния буроугольных удобрений на накопление массы, активность пероксидазы и состояние пигментной системы овсяницы луговой (Festuca pratensis Huds.) проводили в декабре-январе 2009 года по схеме, представленной в табл. 3. Температурные условия вегетационного опыта: +17-19 оС.

Таблица 3

Схема вегетационного опыта по изучению влияния состава грунтосмеси на биологические показатели овсяницы

Вариант

Содержание породы АКХЗ, %

Содержание терриконита, %

Внесение буроугольного удобрения

1

95

5

Без внесения

2

95

5

БГФ-1А

3

75

25

Без внесения

4

75

25

БГФ-1А

В результате проведенных исследований установлено влияние как породного состава грунтосме-си, так и внесения удобрения на накопление массы шестидесятидневных растений овсяницы (табл. 4).

Таблица 4

Влияние состава грунтосмеси и буроугольных удобрений на биометрические показатели овсяницы

Содержание породы АКХЗ, %

Внесение буроугольных удобрений

Сырая зеленая масса, г

Сухая масса корней, г

95

Нет

11,75

0,62

95

БГФ-1А

18,80

0,40

75

Нет

11,16

0,67

75

БГФ-1А

20,56

0,20

При внесении буроугольных удобрений наблюдается увеличение сырой зеленой массы и сниже­ние сухой массы корней (табл. 4). Но на более низком фоне содержания породы АКХЗ наблюдаются из­менения в большей степени. Так на фоне 95 % содержания породы АКХЗ происходит увеличение зеле­ной массы на 60 % и снижение массы корней на 36 %, а на фоне 75 % породы в составе грунтосмеси эти показатели составляют 84 % и 70 % соответственно. Такой характер влияния удобрений на накопление зеленой массы и массы корней можно объяснить действием дополнительного внесения элементов мине­рального питания растений NPK, что способствует интенсификации синтетических процессов и снижает необходимость увеличения массы корневой системы в связи с большей доступностью минерального пи­тания. Более высокая чувствительность к действию БГФ-1 А при 75%-м содержании породы по сравне­нию с 95%-м, очевидно, связана, в первую очередь, с улучшением структурных, физико-химических свойств грунтосмеси (грунтосмесь с 75%-м содержанием породы АКХЗ более рыхлая), что обеспечивает лучшую аэрацию корней; во-вторых, со снижением токсического действия тяжелых металлов и иных токсикантов за счет перевода их в трудноусвояемые для растений формы путем химической модифика­ции и физико-химических взаимодействий химических агентов двух разных пород в грунтосмеси. В ре­зультате снижается сила воздействия факторов стресса при 75%-м содержании породы АКХЗ и 25%-м содержании терриконита.

Снижение содержания породы без внесения буроугольных удобрений вызвало снижение нараста­ния зеленой массы на 5 % и увеличение на 7 % массы корней. Эти различия, по нашему мнению, скорее обусловлены действием сторонних, а не исследуемых факторов (например, вариабельность семян по всхожести и др.). Но на фоне БГФ-1А наоборот, наблюдается увеличение зеленой массы на 9 % и значи­тельное снижение массы корневой системы - на 50 % при снижении содержания породы АКХЗ с 95% до 75% в грунтосмеси. Это говорит о том, что лимитирующим фактором роста овсяницы на грунтосмесях порода АКХЗ+терриконит является содержание основных элементов питания NPK. Содержание в ней­трализованной породе АКХЗ азота, фосфора, калия (табл. 2) более низкое, чем в бедных почвах [20]. При внесении легкодоступных NPK с буроугольным удобрением фактор дефицита питания снимается и ли­митирующим становится фактор избытка содержания тяжелых металлов и других токсикантов, который уменьшается при снижении концентрации породы с 95 до 75 процентов. Баланс микро- и макроэлемент-ного питания при этом оптимизируется, что снимает необходимость для растения увеличения массы корня и способствует стимуляции прироста зеленой массы растений.

Влияние состава грунтосмеси и буроугольных удобрений на пероксидазную активность овсяницы представлено в табл. 5.

Таблица 5

Влияние состава грунтосмеси и буроугольных удобрений на пероксидазную активность овсяницы

Содержание породы АКХЗ, %

Внесение буро­угольных удоб­рений

Удельная активность пероксидазы, нкат/мг белка препарата

Отношение активности

цитоплазматической пероксидазы к ионосвя-занной

 

 

цитоплазма-тической

ионосвя-занной

совокупной

 

95

Нет

29,84

9,82

39,66

3,04

95

БГФ-1А

20,57

6,98

27,55

2,95

75

Нет

24,12

7,97

32,08

3,03

75

БГФ-1А

17,15

5,87

23,02

2,92

НСР0.5

 

0,80

0,25

1,01

0,06

При внесении буроугольных удобрений наблюдается снижение пероксидазной активности. Сово­купная удельная активность фермента снижается на 31% при содержании в грунтосмеси 95% породы АКХЗ, и на 28% при содержании 75% породы. Однако степень снижения активности цитоплазматиче-ской пероксидазы (на 31 % при 95%-м содержании породы и на 29 % при 75%-м) выше, чем ионосвязан-ной (на 29 % и на 26 % соответственно).

Средние значения снижения пероксидазной активности при внесении БГФ1 А (в процентах от ва­риантов без удобрения) по видовому фактору фермента отличаются достоверно на уровне 95 % в соот­ветствии с тестом однородности групп LSD Фишера и составляют 30,0 % для цитоплазматической пе-роксидазы и 27,6 % для ионосвязанной. Это говорит о том, что цитоплазматическая пероксидаза более чувствительна к внесению буроугольных удобрений, чем ионосвязанная. И поэтому наблюдается уменьшение соотношения активностей цитоплазматической и ионосвязанной пероксидазы (на 3 % при 95%-м и на 3,5 % при 75%-м содержании породы). LSD тест Фишера на однородность групп величины отношения цитоплазматической и ионосвязанной пероксидазной активности на 95%-м уровне достовер­ности говорит о снижении показателя при внесении БГФ-1 А. Так, среднее значение величины отношения активностей форм пероксидаз на вариантах без удобрения составляет 3,03 относительные единицы, а на вариантах с БГФ-1 А - 2,94.

Понижение пероксидазной активности однозначно является индикатором снижения уровня «стрессовости» условий жизни при внесении удобрения. Уменьшение доли цитоплазматической перок-сидазной активности также является показателем оптимизации условий произрастания овсяницы. Мень­шая чувствительность этой формы фермента к внесению удобрения при более низком содержании поро­ды АКХЗ и, соответственно, более высоком содержании терриконита в грунтосмеси объясняется сниже­нием степени действия стрессовых факторов. На основании визуальной оценки установлено, что увели­чение в грунтосмеси доли терриконита до 25% повышает рыхлость грунта, таким образом улучшается аэрация ризосферы. И, как уже говорили выше, также снижается токсическое действие тяжелых метал­лов и иных агрессивных компонентов исходных золошлаков АКХЗ. С другой стороны, общеизвестно, что в терриконовых породах содержатся не только токсические, но и потенциально ценные химические элементы. Выполненные исследования [2, 21] химического состава ряда породных отвалов шахт Донец­кого региона дают представления о химическом составе терриконов. В 1 т породы терриконов Донбасса содержится (в кг): углерода - 16-62; азота - 0,2-12,1; фосфора - 0,4-9; калия - 4,7-37; кальция - 4,8-11,4; меди - 0,5-20; серы - 0,1-85; цинка - 0,1-20; молибдена - до 1; галлия - до 5; кремния - 35,7-740; алюми­ния - 54-43; титана - 2,0-21,4; никеля - 0,1-2; кобальта - 0,1- 0,3; бария - 0,3-8; бериллия - 0,5-1; скандия - до 0,3; свинца - до 0,3; олова - до 0,3; хрома - 0,2-3; ванадия - 0,4-1; циркония - 0,1-3; стронция - 0,1­6; магния - 2-22,4; иттрия - 0,1-1; лантана - 0,1-0,5; железа - 14,5-156,8; натрия - 4-95 и др.

Снижение содержания породы АКХЗ в составе грунтосмеси также уменьшает активность цито-плазматической и ионосвязанной пероксидазы (на 19 % при отсутствии БГФ-1 А и на 16 % на фоне вне­сения удобрения). Меньшая чувствительность фермента к доле породы в составе грунтосмеси на удоб­ренном фоне, по-видимому, также связана с уменьшением степени стрессовости и оптимизацией мине­рального питания растений. При этом соотношение активностей форм фермента, не зависимо от фона внесения удобрения, практически не изменяется. То есть, снижение содержания породы в составе грун-тосмеси от 95 % до 75 % при умеренных температурах выращивания овсяницы, является оптимизирую­щим фактором, но, не влияет на соотношение активностей форм пероксидазы, в отличие от внесения БГФ-1 А. Следовательно, уменьшение доли цитоплазматической и увеличение доли ионосвязанной пе-роксидазной активности является следствием воздействия иного фактора, а именно, буроугольного удоб­рения, которое является источником оптимизации макроминерального питания и действия других актив­ных компонентов именно БГФ-1 А.

Влияние состава грунтосмеси и буроугольных удобрений на пигментный состав овсяницы пред­ставлены в табл. 6.

Таблица 6

Влияние состава грунтосмеси и буроугольных удобрений на пигментный состав овсяницы

Содержание породы АКХЗ, %

Внесение бу-роугольных удобрений

Суммарный хлорофилл

Хлорофилл а

Хлорофилл b

Суммарные каротиноиды

Отношение хлорофиллов

Отношение: Хлорофилл а /Каротиноиды

Отношение: Хлорофилл b /Каротиноиды

95

Нет

3,61

1,64

1,24

0,18

1,32

8,94

6,77

 

БГФ-1А

2,76

1,18

0,95

0,10

1,24

11,39

9,21

75

Нет

3,06

1,32

1,07

0,12

1,23

10,81

8,78

 

БГФ-1А

3,08

1,29

1,08

0,13

1,20

10,34

8,64

НСРо,5

 

0,22

0,11

0,07

0,03

0,05

1,73

1,69

Примечание: содержание пигментов в мг/г сырой массы.

Установлено влияние состава грунтосмеси на содержание пигментов в растениях овсяницы. Мак­симальные показатели по содержанию как хлорофилла, так и каротиноидов соответствуют варианту грунтосмеси с 95 % -ным содержанием породы коксохима без удобрений (различия статистически дос­товерны на 95% уровне достоверности). То есть, в максимально стрессовых условиях жизни раститель­ный организм максимально реализует потенциальные генетически заложенные функциональные воз­можности фотосинтетической системы. Увеличение содержания пигментов является одной из неспеци­фических реакций адаптации в условиях действия стрессовых факторов в данном опыте: неблагоприят­ных для произрастания растений структурных свойств грунтосмеси и токсического воздействия тяже­лых металлов. Снижение содержания породы АКХЗ в составе грунтовой смеси до 75% вызывает уменьшение содержания фотосинтетических пигментов достоверно на 95 %-м уровне достоверности. Этот факт обусловлен улучшением условий жизни для растения за счет лучшей аэрации и обменных процессов в корневой системе, вследствие улучшения структурных свойств грунтосмеси и снижения токсического воздействия химических агентов. Аналогичные результаты исследований фотосинтетиче­ской системы получены авторами [22] на пшенице при выращивании на почвах с разным содержанием тяжелых металлов. Увеличение содержания пигментов при максимальных в ряду изученных почвенных концентрациях тяжелых металлов авторы объясняют тем, что фотосинтетическая система является наи­более филогенетически древней и базисной для поддержания жизнеспособности и продуктивности рас­тений. Поэтому повышение метаболизма пигментов является одной из первых защитных реакций для выживания в стрессовых условиях. Авторами [22] также установлен нерегулярный колебательный ха­рактер взаимосвязи концентрации тяжелых металлов и содержания фотосинтетических пигментов в опытных растениях.

Исходя из вышесказанного, вполне закономерным результатом является снижение содержания фотосинтетических пигментов при внесении в грунтосмеси, содержащие 95% породы АКХЗ, буроуголь-ных минеральных удобрений, что оказывает мощный положительный эффект на трофические процессы в растениях.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

И А Рыктор, Ю Н Зубкова, А В Бутюгин - Влияние буроугольных гуминовых удобрений на снижение стрессовой реакции у растений festuca pratensis huds