Эффекты лигногумата на фитотоксичность фосфорсодержащих соединений (модельные опыты)

Проблема техногенного загрязнения соединениями фосфора становится актуальной для многих регионов. В ходе хозяйственной деятельности в окружающую среду поступают фосфорсодержащие соединения, представляющие опасность для живых систем. В Кировской области с 2006 по 2015 гг.

функционировал объект по уничтожению фосфорсодержащих отравляющих веществ (зарин, зоман, Vx газы). Продуктами разрушения фосфорсодержащих веществ являются органические и неорганические соединения фосфора. К числу таких веществ относится фосфорорганический ксенобиотик – метилфосфоновая кислота, которая устойчива к разложению в окружающей среде. Метилфосфоновая кислота оказывает токсическое действие на фототрофные организмы, вызывает нарушение дыхания и водного обмена, индуцирует окислительный стресс в растительных клетках, угнетает рост и развитие растений [8; 9]. Специфическим фосфорсодержащим поллютантом является пирофосфат натрия. Известно, что пирофосфат натрия вызывает нарушение жизнедеятельности растений [1; 12]. Метилфосфоновая кислота и пирофосфат натрия влияют на почвенную альгофлору [5], метилфосфоновая кислота влияет на структуру почвенных актиномицетов [14]. В условиях химического загрязнения природных сред перспективным является направление повышения устойчивости растений за счет привнесения в почву биологически активных веществ, обладающих фитопротекторным действием, к их числу относятся гуминовые препараты.

Лигногумат – высокоэффективное гуминовое удобрение с микроэлементами в хелатной форме, зарегистрирован в России с 1999 г. Лигногумат является продуктом окислительно-гидролитической деструкции лигносульфонатов (продукты переработки древесины). Содержание гуминовых кислот в лигногумате составляет более 60% от органического вещества (по углероду), а содержание кислоторастворимой фракции (фульвокислот, многоосновных органических кислот и других органических веществ) достигает 40%. По химическому составу и строению лигногумат наиболее близок к почвенным гуминовым кислотам [7].

Лигногумат хорошо растворим в воде, легко доступен для растений и проявляет высокую биологическую активность даже в небольших количествах [2]. Его применяют для повышения урожайности и качества сельскохозяйственной продукции, усиления иммунитета растений, снятия стресса при некорневых обработках пестицидами и т. д. Добавка лигногумата в почвы с полиметаллическим загрязнением приводит к снижению содержания подвижных форм тяжелых металлов и нивелирует их токсичность [11]. Лигногумат снижает токсическое действие мышьякового загрязнения на тест-объекты [13].

Целью работы было изучить влияние Лигногумата на фитотоксичность фосфорсодержащих соединений на примере метилфосфоновой кислоты и пирофосфата натрия и их смесей.

Материалы и методы

В опытах использовали яровой ячмень ( Hordeum distichum L.) сорта Новичок. Изучали влияние фосфорсодержащих соединений: метилфосфоновой кислоты (МФК), пирофосфата натрия (ПФН), их смеси и Лигногумата (ЛГ) на прорастание и всхожесть семян, рост и накопление биомассы проростками ячменя. Энергию прорастания семян определяли на третьи сутки опыта. Всхожесть семян оценивали на 7 сутки. Показатели линейного роста (длина листа, длина корня) и биомассы проростков оценивали на 8 сутки. Для измерений отбирали по 60 проростков каждого варианта опыта. Растения разделяли на органы (побег, корень), определяли сырую биомассу, высушивали образцы до воздушно-сухого состояния и измеряли сухую биомассу, рассчитывали содержание сухого вещества в растительных тканях. Оценивали токсичность фосфорсодержащих соединений по величине фитотоксического эффекта (эффект торможения), который рассчитывали по формуле:

Em = -к---оп -100%, т     Lк где Еm – эффект торможения, %; Lon – средняя длина корней в опыте; Lк – средняя длина корней в контроле [13].

Эффект торможения считается доказанным, если его значение составляет 20% и более.

В первой серии опытов изучали влияние на семена и проростки ячменя ЛГ в концентрациях 0,2, 0,5 и 1 г/л. Для опытов использовали порошкообразный ЛГ (марка А). Во второй серии опытов оценивали воздействие на растения МФК в концентрации 0,01 моль/л и ЛГ. Известно, что МФК (0,01 моль/л) не оказывает летального действия на семена, но влияет на рост растений [4; 10]. Для разделения эффектов подкисления и действия МФК проростки выращивали в присутствии раствора МФК (рН = 2,5) и раствора МФК с добавлением цитратного буфера (рН = 5,7). В третьей серии опытов изучали действие на растения ПФН в концентрации 0,01 моль/л и ЛГ. При такой концентрации ПФН не оказывает влияния на жизнеспособность семян, но ингибирует всхожесть и рост ячменя [1]. В четвертой серии опытов было изучено действие смеси фосфорсодержащих веществ (МФК и ПФН) в концентрации 0,01 моль/л и ЛГ на растения ячменя. Контрольный вариант – дистиллированная вода. Статистическую обработку данных проводили с использованием статистического пакета Exсel (MS Office 2007). На ри- сунках и в таблицах представлены средние арифметические величины и стандартная ошибка. Достоверность различий между двумя средними оценивали с использованием t-критерия Стьюдента.

Результаты и обсуждение

Влияние Лигногумата. Лигногумат в изученных концентрациях (0,2, 0,5 и 1 г/л) не оказывал влияния на показатели всхожести семян и энергию прорастания семян. В опытных вариантах число взошедших семян было близко к контролю. Выявлено ростстимулирующее действие растворов ЛГ на проростки ячменя (табл. 1).

Таблица 1

Влияние Лигногумата на линейный рост проростков ячменя

Вариант	Контроль (вода)	Лигногумат, г/л
		0,2              1	0,5              \	1
Длина, см
Побег	5,12±0,51	5,74±0,58	6,14±0,63*	5,23±0,55
Корень	6,79±0,69	7,34±0,73	7,53±0,77	7,25±0,76
Побег/корень	0,75	0,78	0,82	0,72
Сырая биомасса проростка, мг
Побег	21,9±1,6	23,6±2,7	24,8±1,6*	22,8±1,7
Корень	60,2±5,4	66,3±6,7	74,4±6,9*	65,1±4,8

Примечание: *различия достоверны при р≤0,05.

В варианте с действием ЛГ в самой низкой концентрации (0,2 г/л) длина побегов и корней была больше, чем в контроле на 12 и 8% соответственно. Лигногумат в концентрации в 0,5 г/л в большей степени стимулировал рост побегов, о чем свидетельствует увеличение соотношения побег/корень, по сравнению с контрольными растениями. Лигногумат в самой высокой изучаемой концентрации (1 г/л) оказался менее эффективным, отмечали стимулирование роста только корневой системы, которая непосредственно контактировала с гуминовым препаратом.

Лигногумат в концентрации 0,5 г/л стимулировал накопление сырой биомассы проростками ячменя (табл. 1). Под влиянием ЛГ в концентрациях 0,2 и 1 г/л достоверных изменений в накоплении биомассы проростками ячменя не выявлено.

Воздействие Лигногумата на фитотоксичность МФК. Изучено действие ЛГ на всхожесть семян и рост проростков ячменя в условиях загрязнения среды выращивания фосфорорганическим поллютантом – МФК. Проростки выращивали в присутствии раствора МФК (рН = 2,5) и раствора МФК с добавлением цитратного буфера (рН = 5,7).

Метилфосфоновая кислота (0,01 моль/л) независимо от рН среды выращивания не оказывала влияния на энергию прорастания и всхожесть семян ячменя. Изученные показатели были близки к контролю. В вариантах с совместным действием МФК и ЛГ достоверных отличий от контроля по показателям всхожести и энергии прорастания семян не установлено.

Под влиянием МФК происходило угнетение роста проростков ячменя (рис. 1). Корневая система ячменя более чувствительна к действию МФК, по сравнению с надземной частью растений. Длина корней ячменя в вариантах с действием МФК без подщелачивания и с подщелачиванием была меньше, по сравнению с контролем, на 69 и 54% соответственно. Ингибирующее действие МФК на рост побега сильнее проявлялось в варианте без подщелачивания (рН = 2,5).

В присутствии ЛГ отмечали снижение фитотоксического эффекта МФК на показатели линейного роста проростков ячменя (рис. 1). В опытах с МФК наибольшее протекторное действие проявляла самая высокая концентрации ЛГ (1 г/л).

А

Рис. 1. Действие Лигногумата и метилфосфоновой кислоты (0,01моль/л) без буфера (А) и с буфером (Б) на показатели линейного роста 7-суточных проростков ячменя

Б

Метилфосфоновая кислота вызывала торможение накопления биомассы проростками ячменя (табл. 2). В большей степени угнетение накопления биомассы отмечали в варианте с действием МФК без добавления буфера (рН = 2,5), масса надземной и подземной частей растений составляла 60% от массы контрольных растений. Добавка ЛГ в среду выращивания приводила к снижению негативного действия МФК, что проявилось в росте накопления биомассы проростками ячменя по сравнению с вариантом с действием МФК. В большей степени протекторный эффект ЛГ проявлялся в вариантах с МФК с добавлением буфера, биомасса опытных растений была близка к контролю.

Снижение накопления биомассы растений может быть следствием нарушения водного режима растений. МФК без буфера (рН = 2,5) вызывала значительное снижение обеспеченности водой растительных тканей и повышение содержания сухого вещества (табл. 2). В большей степени нарушения водного режима проявились в корнях растений, по сравнению с надземными органами. Ранее нами было показано негативное влияние МФК на водный режим растений [8]. Известно, что МФК вызывает уменьшение диффузионной водной проницаемости клеток корней кукурузы, которое происходит за счет снижения численности водных каналов на мембранах [3]. Кроме того, под влиянием МФК происходит нарушение барьерной функции мембран [10]. Добавление ЛГ в среду выращивания (рН = 2,5) не уменьшало негативного действия МФК, содержание воды в растительных тканях было ниже по сравнению с контрольными растениями.

Эффекты Лигногумата на фитотоксичность ПФН. Пирофосфат натрия в изучаемой концентрации 0,01 моль/л не оказывал влияния на энергию прорастания семян ячменя, которую оценивали на третьи сутки опыта (рис. 2). С увеличением длительности инкубации семян на растворе эффект ПФН проявлялся в большей степени, отмечали достоверное снижение всхожести семян ячменя. Добавление ЛГ в среду выращивания оказывало положительное влияние на показатели прорастания и всхожести семян ячменя в присутствии ПФН. Значительную стимуляцию всхожести семян в условиях загрязнения ПФН проявляла самая высокая концентрация ЛГ (1 г/л).

Пирофосфат натрия ингибировал рост и накопление биомассы проростками ячменя (рис. 3). Корневая система растений отличалась большей чувствительностью к действию ПФН по сравнению с надземной частью растений. В варианте с ПФН длина корней составляла 42% от длины корней растений контрольного варианта.

Таблица 2

Влияние Лигногумата и метилфосфоновой кислоты (0,01 моль/л) на накопление биомассы проростками ячменя и содержание сухого вещества в растительных тканях

Вариант	МФК (рН = 2,5)		МФК + буфер (рН = 5,5)
	Сырая биомасса проростка, мг
	побег	корень	побег	корень
Контроль (вода)	58 ± 4	159 ± 18	71 ± 9	150 ± 12
МФК	34 ± 5*	98 ± 11*	63 ± 8	111 ± 10*
МФК + ЛГ 0,2 г/л	41 ± 10*	110 ± 18*	65 ± 8	135 ± 9*
МФК + ЛГ 0,5 г/л	40 ± 5*	105 ± 9*	66 ± 10	138 ± 8*
МФК + ЛГ 1 г/л	43 ± 5*	108 ± 9*	65 ± 7	139 ± 10
	Содержание сухого вещества, %
Контроль (вода)	9,7	18,6	9,4	16,9
МФК	12,7	31,7	11,1	18,6
МФК + ЛГ 0,2 г/л	12,0	29,1	10,6	15,7
МФК + ЛГ 0,5 г/л	11,5	30,3	10,6	16,2
МФК + ЛГ 1 г/л	12,1	28,1	10,5	17,8

Примечание: * различия с контролем достоверны при р ≤ 0,05.

■ Энергия прорастания ■ Всхожесть

Рис. 2. Влияние Лигногумата и пирофосфата натрия (0,01 моль/л) на энергию прорастания и всхожесть семян ячменя

Добавление ЛГ в среду выращивания не снижало токсического действия ПФН на проростки ячменя. Длина побегов и корней опытных растений составляла 40–50% от контрольных растений (рис. 3). В варианте с действием ПФН и ЛГ биомасса надземных органов и корней была меньше контроля на 20 и 80% соответственно (табл. 3). Присутствие в среде выращивания ПФН приводило к снижению содержания воды в растительных тканях и повышению доли сухого вещества, что свидетельствует о нарушении водного режима растений.

Рис. 3. Эффекты Лигногумата и пирофосфата натрия (0,01 моль/л) на показатели линейного роста проростков

Совместное действие ПФН, МФК и Лигногумата. В условиях химического загрязнения растения одновременно испытывают действие нескольких веществ. При совместном присутствии поллютанты могут вызывать изменение токсичности друг друга. Было изучено сочетанное действие фосфорсодержащих веществ – МФК и ПФН на семена и проростки ячменя.

Под влиянием смеси фосфорсодержащих веществ (МФК и ПФН) снижалась энергия прорастания и всхожесть семян ячменя (рис. 4). Лигногумат в концентрации 0,5 и 1 г/л нивелировал токсический эффект смеси фосфорсодержащих поллютантов на энергию прорастания и всхожесть семян.

Таблица 3

Влияние Лигногумата и пирофосфата натрия (0,01 моль/л) на накопление биомассы проростками ячменя и содержание сухого вещества в растительных тканях

Вариант	Сырая биомасса проростка, мг		Содержание сухого вещества, %
	лист	корень	лист	корень
Контроль (вода)	134±12	100±31	19	8
ПФН	111±9*	24±5*	28	12
ПФН + ЛГ 0,2 г/л	102±12*	19±4*	31	16
ПФН +ЛГ 0,5 г/л	104±6*	15±1*	29	21
ПФН + ЛГ 1 г/л	110±9*	17±3*	29	16

Примечание: *различия достоверны при р < 0,05.

■ Энергия прорастания ■ Всхожесть

5 100

a

I s 50

МФК+ПФН МФК+ПФН+ЛГ МФК+ПФН+ЛГ МФК+ПФН+ЛГ (0,2 г/л)          (0,5 г/л)           (1 г/л)

Рис. 4. Влияние Лигногумата и смеси метилфосфоновой кислоты (0,01 моль/л) и пирофосфата натрия (0,01 моль/л) на энергию прорастания и всхожесть семян ячменя

Выращивание ячменя в присутствии ПФН и МФК приводило к угнетению роста проростков (табл. 4). При этом корневая система оказалась более чувствительной к действию смеси поллютантов, отмечали увеличение отношения побег/корень по сравнению с контролем. В присутствии ЛГ ростин-гибирующий эффект на корни смеси фосфорсодержащих веществ снижался. Наиболее эффективна при этом была самая высокая концентрация ЛГ (1 г/л). Положительного действия ЛГ на рост побегов в присутствии фосфорсодержащих поллютантов не выявлено (табл. 4).

Таблица 4

Действие смеси метилфосфоновой кислоты (0,01 моль/л), пирофосфата натрия (0,01 моль/л) и Лигногумата на рост и накопление биомассы проростками ячменя

Вариант	Контроль (вода)	МФК + ПФН	МФК + ПФН + ЛГ 0,2 г/л	МФК + ПФН + ЛГ 0,5 г/л	МФК + ПФН + ЛГ 1 г/л
Длина, см
Побег	8,88 ± 0,91	7,99 ± 0,82*	8,28 ± 0,86*	7,84 ± 0,81*	8,17 ± 0,82*
Корень	8,86 ± 0,93	6,30 ± 0,64*	6,90 ± 0,69*	7,07 ± 0,69*	7,35 ± 0,77*
Побег/корень	1,0	1,27	1,20	1,11	1,11
Сырая биомасса проростка, мг
Побег	75,7 ± 6,5	80,8 ± 7,6	86,5 ± 9,4*	85,8 ± 8,7*	83,0 ± 8,1
Корень	149,0 ± 9,7	130,2 ± 10,3*	139,6 ± 11,3	138,6 ± 12,4	134,4 ± 14,0*
Содержание сухого вещества, %
Побег	9	10	10	10	10
Корень	13	17	16	17	17

Примечание: *различия достоверны при р < 0,05.

Фосфорсодержащие вещества вызывали снижение накопления биомассы корнями (табл. 4). Добавление ЛГ в среду выращивания ослабляло действие смеси МФК и ПФН, но полностью не снимало. Надземная биомасса опытных растений была выше, чем в контроле, что свидетельствует о большей устойчивости надземных органов к действию фосфорсодержащих соединений по сравнению с корнями. Негативного влияния смеси ПФН и МФК на водный режим растений не выявлено, содержание сухого вещества в тканях опытных растений было близко к контролю.

Эффект торможения. Для оценки фитотоксичности фосфорсодержащих препаратов и протекторного действия Лигногумата был рассчитан эффект торможения (рис. 5). Все тестируемые фосфорсодержащие соединения в большей степени вызывали торможение роста корней, чем побегов ячменя. Токсическое действие МФК (рН = 2,5) более выражено по сравнению с действием МФК с добавлением буфера (рН=5), эффект торможения равен 68,5. Добавка ЛГ в среду выращивания не снижала фитоток- сического эффекта МФК (рН = 2,5). Протекторное действие проявлял ЛГ в опытах с МФК с добавлением буфера (рН = 5), эффект торможения снижался с 54 до 44. Значительное токсическое действие оказывал ПФН, эффект торможения – 58, ЛГ не снижал ростингибирующего действия поллютанта.

Рис. 5. Значения эффекта торможения при действии фосфорсодержащих соединений (МФК 0,01 моль/л и ПФН 0,01 моль/л) и Лигногумата (г/л) на растения ячменя

По сравнению с действием индивидуальных веществ, сочетанное действие фосфорсодержащих соединений в меньшей степени вызывало торможение роста. Эффект торможения в варианте с действием МФК+ПФН составлял 29, в присутствии ЛГ токсический эффект смеси фосфорсодержащих токсикантов значительно снижался до уровня недоказанного эффекта (эффект торможения менее 20).

На основании расчета эффекта торможения в ряду МФК (рН = 2,5) – ПФН – МФК (рН = 5) – МФК+ПФК фитотоксичность фосфорсодержащих соединений снижается. Добавка ЛГ в среду выращивания была наиболее эффективна в опытах с веществами с низкой токсичностью: МФК (рН = 5) и смесь МФК+ПФН.

Выводы

• 1.    Лигногумат в изученных концентрациях (0,2, 0,5 и 1 г/л) не оказывал влияния на прорастание и всхожесть семян ячменя. Благоприятное действие гуминового препарата проявилось на этапе роста и развития проростка. В большей степени ростстимулирующий эффект на проростки оказывал ЛГ в концентрации 0,5 г/л.

• 2.    Добавка ЛГ в среду выращивания, содержащую МФК (0,01 моль/л), приводила к снижению фитотоксического действия МФК на показатели линейного роста проростков ячменя. В большей степени протекторное действие оказывал ЛГ в самой высокой концентрации 1 г/л. По показателю накопления биомассы проростками ячменя в условиях сильно кислой среды (МФК без буфера) ЛГ в меньшей степени проявлял протекторные свойства по сравнению с оптимальной для растений средой (МФК с добавлением буфера).

• 3.    Присутствие ЛГ в среде выращивания оказывало положительное влияние на показатели прорастания и всхожести семян ячменя, но не уменьшало ростингибирующего действия ПФН (0,01 моль/л).

• 4.    Совместное действие фосфорсодержащих веществ (МФК+ПФН) на проростки ячменя отличалось от влияния индивидуальных веществ. В присутствии смеси фосфорсодержащих веществ снижалась энергия прорастания и всхожесть семян ячменя. Лигногумат в концентрации 0,5 и 1 г/л нивелировал токсический эффект смеси фосфорсодержащих поллютантов на энергию прорастания и всхожесть семян. Присутствие смеси фосфорсодержащих веществ в среде выращивания негативно сказывалось на росте и накоплении биомассы корнями ячменя, добавка Лигногумата ослабляла действие поллютантов, но полностью не снимала.

• 5.    Испытуемые растворы фосфорсодержащих поллютантов с одинаковой концентрацией действующих веществ (0,01 моль/л) отличаются по токсическому действию на всхожесть семян и рост проростков. В ряду МФК (рН = 2,5) – ПФН – МФК (рН = 5) – МФК+ПФК фитотоксичность фосфорсодержащих веществ снижается. Добавка ЛГ в среду выращивания была наиболее эффективна в опытах с веществами с низкой токсичностью. Выявленные фитопротекторные эффекты Лигногумата могут быть использованы при разработке мероприятий по реабилитации сред, загрязненных фосфорсодержащими поллютантами.