Снижение фитотоксичности кадмия с использованием Rhodococcus-биосурфактантов

Тищенко Артм Валерьевич; Литвиненко Людмила Викторовна; Ившина Ирина Борисовна; Tishchenko Artyom Valerevich; Litvinenko Lyudmila Viktorovna; Ivshina Irina Borisivna

doi:10.17072/1994-9952-2018-4-385-392

Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Биологические науки в целом \ Микробиология \ Прикладная микробиология

Снижение фитотоксичности кадмия с использованием Rhodococcus-биосурфактантов

Автор: Тищенко Артм Валерьевич, Литвиненко Людмила Викторовна, Ившина Ирина Борисовна

Журнал: Вестник Пермского университета. Серия: Биология @vestnik-psu-bio

Рубрика: Микробиология

Статья в выпуске: 4, 2018 года.

Бесплатный доступ

Изучено влияние кадмия на прорастание семян сельскохозяйственных растений: вики полевой (Vicia sativa L.), горчицы белой (Sinapis alba L.) и овса посевного (Avena sativa L.) в присутствии Rhodoccocus-биосурфактантов. Биосурфактанты способствуют ослаблению негативного воздействия кадмия за счёт их десорбции от компонентов почвы с последующим образованием стабильных комплексов «биосурфактант-металл», а также стимулируют рост корневой системы растений. Кадмий в концентрации 50 ПДК и выше оказывает выраженное угнетающее действие на прорастание семян. Обработка семян и их прорастание в присутствии биосурфактантов способствуют значительному (от 1.2 до 8.7 раз) увеличению всхожести, энергии прорастания и жизнеспособности проростков в условиях загрязнения среды солями кадмия. Разработан экологически безопасный способ снижения токсического действия кадмия на рост сельскохозяйственных культур растений: Avena sativa L., Sinapis alba L. и Vicia sativa L. в присутствии Rhodococcus-биосурфактантов.

Еще

Rhodococcus-биосурфактанты, тяжелые металлы, фитотоксичность

Короткий адрес: https://sciup.org/147227046

IDR: 147227046 | УДК: 579.66+58.04+58.02 | DOI: 10.17072/1994-9952-2018-4-385-392

Decrease of phytotoxicity of cadmium assissted with Rhodococcus-biosurfactants

The effect of cadmium on the germination of seeds of agricultural plants common vetch (Vicia sativa L.), white mustard (Sinapis alba L.) and oats (Avena sativa L.) in the presence of Rhodoccocus-biosurfactants was studied. Cadmium in concentrations from 50 MPC and above had a pronounced inhibitory effect on the germination of seeds. It has been found that pretreatment of seeds and their germination in the presence of biosurfactants contributed to a significant (up to 8.7 times) increase in germination, germinative energy and viability of Avena sativa L., Sinapis alba L. and Vicia sativa L. An ecologically safe method has been developed for reducing the toxic effect of copper on the growth of plant crops: Avena sativa L., Sinapis alba L. and Vicia sativa L. in the presence of Rhodococcus biosurfactants.

Еще

Текст научной статьи Снижение фитотоксичности кадмия с использованием Rhodococcus-биосурфактантов

Выбросы промышленных предприятий существенно увеличивают загрязнение окружающей природной среды (в том числе земель сельскохозяйственного назначения) тяжелыми металлами (ТМ). Токсическое действие ТМ заключается в их аккумулирующем эффекте и нарушении метаболических процессов живых организмов [Яблокова, Стародумов, Лазарев, 2011; Воднянцкий, 2012].

Одним из наиболее токсичных металлов является кадмий, который относится к первому классу опасности. Ежегодно в окружающую среду попа-

дает около 25 000 т кадмия. Он присутствует в цинковых рудах и в качестве побочного продукта образуется при добыче цинка. Кадмий по механизму воздействия на организм аналогичен ртути. Водорастворимые соединения кадмия после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень и почки, подавляют работу ферментативных систем, нарушают фосфорно-кальциевый обмен и синтез ДНК [Ульяненко и др., 2010; Коротченко, Львова, 2015; Слабко, Лопатина, 2016]. Накопление кадмия высшими растениями приводит к ингибированию их роста, укорачиванию побегов, подавлению процесса корнеобра-

зования, снижению тургорного давления, а также к снижению содержания каротиноидов и хлорофилла [Аветисян, Колесников, Аветисян, 2017].

В настоящее время актуален поиск экологически безопасных способов снижения токсического действия ТМ на рост и развитие сельскохозяйственных культур растений. Перспективными соединениями, способствующими увеличению устойчивости растений к ТМ, являются экологически безопасные Rhodococcus -биосурфактанты. Ранее нами было показано влияние Rhodococcus -биосурфактантов на снижение фитотоксичности свинца [Литвиненко, Тищенко, 2017].

Цель настоящего исследования – оценка влияния Rhodococcus -биосурфактантов на фитотоксичность кадмия.

Материал и методы исследования

Материал

В работе использовали семена овса посевного (Avena sativa L.), горчицы белой (Sinapis alba L.) и вики полевой (Vicia sativa L.), которые проращивали в водном растворе кадмия уксуснокислого 2-водного, а также штамм актинобактерий Rhodo-coccus ruber ИЭГМ 231 – активный продуцент биосурфактантов из Региональной профилированной коллекции алкнотрофных микроорганизмов (акроним коллекции ИЭГМ, номер 768 во Всемирной федерации коллекций культур http://www. .

Методы исследования

Растворы соли кадмия (Cd(CH 3 COO) 2 х 2H 2 O) вносили в количестве 1, 10, 50, 100 и 200 предельно-допустимых концентраций (ПДК), что состави-ляло по Cd – 0.01, 0.1, 0.5, 1.0 и 2.0 мг/кг почвы с учетом фона (кларка), соответственно. Дозы кадмия определяли по содержанию элемента в химически чистой соли. Содержание металла рассчитывали на основании атомных масс. Уровень фитотоксичности определяли в соответствии с Методическими рекомендациями МР 2.1.7.2297-07 «Обоснование класса опасности отходов производства и потребления по фитотоксичности (Фитотест)» [МР 2.1.7.2297-07, 2007].

Исследования проводили на базе учебного ботанического сада Пермского государственного национального исследовательского университета. Условия проращивания: подсветка белыми люминесцентными лампами, спектр которых максимально приближен к дневному свету; температура 23–25°С; рН 6.3–6.5.

Для получения сурфактантов бактериальные клетки выращивали в минеральной среде “Rhodococcus Surfactant” (г/л): Na 2 HPO 4 – 2.0; KH 2 PO 4 – 2.0; KNO 3 – 1.0; (NH 4 ) 2 SO 4 – 2.0; NaCl –

1.0; MgSO 4 x7H 2 O – 0.2; CaCl 2 x2H 2 O – 0.02; FeCl 3 x7H 2 O – 0.01 [Ivshina et al., 1998] в течение 7 сут. (160 об/мин, 28˚С). В качестве источника углерода использовали н -додекан (С 12 ) и н -гексадекан (С 16 ) в концентрации 3 об.%. Неочищенные Rhodococcus -биосурфактантные комплексы гликолипидной природы, продуцируемые родо-кокками при росте на жидких углеводородах, получали методом [Kuyukina et al., 2001]. Для этого 5–7-суточную бактериальную культуру, выращенную в среде RS, отстаивали в делительной воронке, после чего сливали нижний прозрачный водный слой. Оставшуюся однородную гидрофобную маслянистую массу подвергали ультразвуковому озвучиванию (30 мин.) в условиях обязательного охлаждения. Для разграничения биосурфактантов (БС), полученных при росте родококков на н -алканах C 12 и C 16 , использовали обозначения: Rhodococcus -биосурфактанты С 12 / БС С 12 и Rhodococcus -биосурфактанты С 16 / БС С 16 , соответственно.

Эксперименты по проращиванию семян проводили в трёхкратной повторности. В чашку Петри помещали по 25 сухих здоровых семян и добавляли 5 мл эмульсии Rhodococcus -биосурфактантов и ацетата кадмия в разных концентрациях. В качестве контроля использовали: (1) дистиллированную воду; (2) водные растворы биосурфактантов в концентрациях 2.0, 4.0 и 8.0 г/л; (3) водные растворы ацетата кадмия. Энергию прорастания определяли на третьи сутки, всхожесть и длину проростков – на седьмые сутки эксперимента.

Статистическую обработку полученных результатов проводили с вычислением среднего арифметического, стандартной ошибки, среднеквадратичного отклонения и доверительного интервала с помощью пакета компьютерных программ Microsoft Excel 2007 (Microsoft Inc., 2007).

Результаты и их обсуждение

Выявлена прямая зависимость влияния обработки семян Rhodococcus -биосурфактантами на снижение (до 8.7 раз) фитотоксичности кадмия. Энергия прорастания семян всех использованных в работе видов растений в присутствии биосурфактантов до 8.5 раз выше, по сравнению с таковой в условиях загрязнения кадмием (табл. 1).

По нашим данным, Rhodococcus-биосурфактанты стимулируют всхожесть семян сельскохозяйственных растений. Как видно из рис. 1–3, всхожесть семян в условиях загрязнения кадмием после обработки их биосурфактантами до 5 раз превышает таковую без обработки. Внесение кадмия в концентрации 100 ПДК привело к снижению всхожести семян горчицы, тогда как после обработки их биосурфактантами до 48% семян прорастало в присутствии данного уровня загрязнения среды кадмием.

Таблица 1

Влияние кадмия на энергию прорастания (%) семян в присутствии Rhodococcus -биосурфактантов

Вариант эксперимента	Овёс посевной		Горчица белая		Вика полевая
Вариант эксперимента	БС С 12	БС С 16	БС С 12	БС С 16	БС С 12	БС С 16
Контроль	90		75		68
Cd²⁺1 ПДК	85		62		14
Cd²⁺10 ПДК	57		45		8
Cd²⁺ 50 ПДК	26		26		8
Cd²⁺ 100 ПДК	14		0		4
Cd²⁺200 ПДК	9		0		0
БС 2 г/л	92	91	74	82	87	74
БС 4 г/л	94	92	82	83	90	70
БС 8 г/л	89	96	91	78	84	69
1 ПДК / 2 г/л	92	88	74	77	67	62
1 ПДК / 4 г/л	89	93	78	87	75	76
1 ПДК / 8 г/л	84	86	62	79	68	65
10 ПДК / 2 г/л	70	71	70	78	50	51
10 ПДК / 4 г/л	75	76	72	72	59	53
10 ПДК / 8 г/л	65	67	66	74	50	50
50 ПДК / 2 г/л	36	42	48	45	30	32
50 ПДК / 4 г/л	62	47	50	44	35	34
50 ПДК / 8 г/л	54	43	44	40	29	30
100 ПДК / 2 г/л	46	44	35	30	18	20
100 ПДК / 4 г/л	48	34	38	34	24	28
100 ПДК / 8 г/л	32	29	34	32	20	16
200 ПДК / 2 г/л	30	25	0	0	0	0
200 ПДК / 4 г/л	36	27	0	0	0	0
200 ПДК / 8 г/л	35	24	0	0	0	0

Примечание. В графе “Вариант эксперимента” представлены использованные в работе растворы в виде концентраций кадмия, ПДК / Rhodococcus -биосурфактантов, г/л.

А – БС С 12 , B – БС С 16 , Вода – контроль; 1, 10, 50, 100, 200 – кадмий в концентрации 1, 10, 50, 100, 200 ПДК;

1/2, 1/4, 1/8 – концентрация биосурфактантов, г/л. *Статистически достоверно (р < 0.05) от Rhodococcus -биосурфактантов

Рис. 1 . Влияние кадмия на всхожесть семян Avena sativa L. в присутствии биосурфактантов:

Концентрация кадмия. ПДК / бносурфактанта. г/л

Рис. 2 . Влияние кадмия на всхожесть семян Sinapis alba L. в присутствии биосурфактантов:

А – БС С 12 , B – БС С 16 , Вода – контроль; 1, 10, 50, 100 – кадмий в концентрации 1, 10, 50, 100 ПДК; 1/2, 1/4, 1/8 – концентрация биосурфактантов, г/л. *Статистически достоверно (р < 0.05) от Rhodococcus -биосурфактантов

Рис. 3 . Влияние кадмия на всхожесть семян Vicia sativa L. в присутствии биосурфактантов:

Влияние Rhodococcus -биосурфактантов С 12 на длину побегов и корней проростков семян растений в условиях загрязнения кадмием представлены в табл. 2. Наиболее интенсивное прорастание корней и побегов выявлены у семян овса посевного. Следует отметить ингибирование прорастания корней у вики полевой в присутствии ионов кадмия. Данная закономерность выявлена при всех

использованных в работе концентрациях кадмия. Тогда как обработка семян вики полевой биосурфактантами С 12 стимулировала рост корневой системы в условиях загрязнения кадмием до 50 ПДК. Предварительная обработка семян биосурфактантами С 12 в 1.2–2.5 раз стимулировала рост проростков в условиях загрязнения кадмием по сравнению с таковым без обработки.

Таблица 2

Влияние кадмия на длину побегов и корней (мм) проростков овса, горчицы и вики в присутствии Rhodococcus -биосурфактантов С12

Вариант эксперимента	Овёс посевной		Горчица белая		Вика полевая
Вариант эксперимента	Длина побега	Длина корня	Длина побега	Длина корня	Длина побега	Длина корня
Контроль	14.0±8.5	28.8±11.7	25.3±7.4	27.4±18.1	12.1±6.7	13.0±3.5
Cd²⁺1 ПДК	41.2±2.8	28.7±10.5	30.8±4.1	20.3±13.6	7.2±2.5	–
Cd²⁺10 ПДК	46.5±10.6	14.4±6.2	16.2±6.7	–	6.0±1.5	–
Cd²⁺ 50 ПДК	26.6±7.1	8.1±4.2	10.8±5.2	–	7.5±2.1	–
Cd²⁺ 100 ПДК	23.6±9.1	6.8±4.6	5.1±1.4	–	6.5±2.7	–
Cd²⁺200 ПДК	12.8±5.6	3.0±0.9	–	–	–	–
БС 2 г/л	55.7±14.4	48.4±9.5	33.2±4.7	31.7±3.0	30.8±2.6	18.2±3.0
БС 4 г/л	67.4±5.7	53.0±6.1	39.7±6.7	37.0±3.8	32.5±1.8	19.3±3.4
БС 8 г/л	45.1±5.2	35.1±3.2	24.6±5.0	26.2±8.0	27.0±2.0	12.3±3.4
1 ПДК / 2 г/л	63.3±7.2	40.3±5.9	40.3±3.4	37.1±7.0	17.5±3.3	10.2±0.5
1 ПДК / 4 г/л	76.9±18.8	43.7±4.8	37.0±4.2	22.5±5.7	17.9±3.1	8.6±0.4
1 ПДК / 8 г/л	78.3±29.1	34.1±3.5	28.4±5.3	24.1±6.4	12.9±4.5	9.3±1.5
10 ПДК / 2 г/л	77.3±4.5	26.8±2.5	26.8±4.3	5.7±1.5	12.0±2.5	5.1±0.5
10 ПДК / 4 г/л	86.4±16.1	23.1±3.4	23.1±5.1	8.3±5.5	14.2±4.8	3.4±0.8
10 ПДК / 8 г/л	62.0±10.8	22.7±4.4	26.8±5.6	8.6±3.3	11.8±1.6	6.5±1.1
50 ПДК / 2 г/л	55.0±8.9	15.3±5.0	17.8±3.1	4.6±0.4	12.0±1.4	4.4±0.6
50 ПДК / 4 г/л	58.0±7.3	18.6±5.1	15.6±1.9	5.6±1.2	13.6±2.6	4.6±1.2
50 ПДК / 8 г/л	77.8±2.7	10.1±4.4	15.4±1.5	5.0±0	11.0±1.2	5.7±0.8
100 ПДК / 2 г/л	38.3±3.5	15.8±3.1	10.1±2.5	–	12.2±1.3	–
100 ПДК / 4 г/л	48.7±4.5	15.0±2.4	12.3±1.6	–	10.0±0.5	–
100 ПДК / 8 г/л	42.1±4.0	13.4±2.1	7.3±1.8	–	7.5±2.1	–
200 ПДК / 2 г/л	27.3±3.8	9.4±2.8	–	–	–	–
200 ПДК / 4 г/л	31.3±5.1	14.2±1.8	–	–	–	–
200 ПДК / 8 г/л	31.6±4.5	8.0±7.1	–	–	–	–

Примечание. В графе “Вариант эксперимента” представлены использованные в работе растворы в виде концентраций кадмия, ПДК / Rhodococcus -биосурфактантов, г/л. Угнетение роста корней и побегов показано символом “–“.

Как видно из табл. 3, Rhodococcus -биосурфак- развивались до 2.5 раз более эффективно. Данные танты С 16 стимулируют рост побегов и корней биосурфактанты стимулировали рост корней пропроростков в условиях загрязнения кадмием. По- ростков горчицы в условиях загрязнения кадмием сле обработки семян биосурфактантами растения даже в концентрации 100 ПДК.

Таблица 3

Влияние кадмия на длину побегов и корней (мм) проростков овса, горчицы и вики в присутствии Rhodococcus -биосурфактантов С16

Вариант эксперимента	Овёс посевной		Горчица белая		Вика полевая
Вариант эксперимента	Длина побега	Длина корня	Длина побега	Длина корня	Длина побега	Длина корня
БС 2 г/л	59.5±6.0	61.8±1.3	40.5±4.1	43.6±16.3	10.2±0.8	9.4±1.5
БС 4 г/л	33.5±3.5	33.9±3.6	27.9±8.7	33.8±20.1	14.8±1.7	11.3±1.9
БС 8 г/л	41.9±9.3	45.3±8.3	20.5±7.4	60.2±9.7	16.8±1.7	13.6±2.5
1 ПДК / 2 г/л	50.3±3.9	33.1±4.2	34.1±3.4	30.9±1.9	23.3±11.2	–
1 ПДК / 4 г/л	66.8±9.7	46.4±1.8	35.4±1.7	47.6±4.9	10.8±2.9	–
1 ПДК / 8 г/л	76.5±9.8	40.8±4.2	29.9±1.4	42.3±4.3	–	–
10 ПДК / 2 г/л	56.4±5.2	24.9±3.4	22.6±2.6	11.1±6.4	1.7±1.7	–
10 ПДК / 4 г/л	79.1±9.4	19.0±4.3	27.8±2.3	14.3±5.4	–	–
10 ПДК / 8 г/л	67.5±3.0	29.9±4.1	19.5±4.9	15.4±1.9	4.0±0	–
50 ПДК / 2 г/л	67.9±4.3	14.9±2.8	18.5±2.5	9.1±1.6	6.5±0.7	–
50 ПДК / 4 г/л	53.9±8.5	15.0±3.2	21.4±1.8	10.4±0.9	–	–
50 ПДК / 8 г/л	53.5±8.9	16.7±1.8	19.7±2.1	8.6±1.2	–	–

Окончание табл. 3

Вариант эксперимента	Овёс посевной		Горчица белая		Вика полевая
Вариант эксперимента	Длина побега	Длина корня	Длина побега	Длина корня	Длина побега	Длина корня
100 ПДК / 2 г/л	38.1±3.2	19.4±2.3	15.6±2.4	3.7±0.6	–	–
100 ПДК / 4 г/л	44.5±6.3	10.5±2.3	16.2±1.8	5.9±1.3	–	–
100 ПДК / 8 г/л	32.0±4.8	7.2±1.6	10.3±2.5	4.4±1.5	–	–
200 ПДК / 2 г/л	32.3±2.5	10.1±1.2	–	–	–	–
200 ПДК / 4 г/л	23.4±2.3	12.0±0.9	–	–	–	–
200 ПДК / 8 г/л	21.1±1.5	8.4±1.9	–	–	–	–

Заключение

В результате проведенных исследований установлено, что наиболее устойчивым растением к действию ионов Cd²⁺ является овес посевной, менее устойчивым – вика полевая. По степени устойчивости семян к ионам Cd²⁺ растения могут быть распределены в следующий ряд: Avena sativa L. > Sinapis alba L. > Vicia sativa L. Выявлено значительное снижение фитотоксичности кадмия после обработки семян Rhodococcus -биосурфактантами. После предварительной обработки семян Rhodococcus -биосурфактантами всхожесть и энергия прорастания семян исследованных растений возрастает до 8.7 раз и до 4.7 раз увеличивается интенсивность роста корней и побегов проростков семян исследуемых растений в условиях загрязнения среды кадмием. Известно [Костина, Куюкина, Ившина, 2010], что функциональная активность Rhodococcus -биосурфактантов С 12 выше в условиях низких (до 15 ° С) температур, так как Rhodococcus -биосурфактанты С 16 при температуре окружающей среды застывают. Поскольку температура прорастания семян многих сельскохозяйственных растений варьирует от 2 до 5 ° С, для проращивания семян в условиях низких (> 15 ° С) температур целесообразно использовать обработку семян Rhodococcus -биосурфактантами С 12 , тогда как при температуре окружающей среды выше 15 ° С -применять Rhodococcus -биосурфактанты С 16 . Таким образом, обработку семян биосурфактантами (2.0–4.0 г/л) можно использовать в качестве экологически безопасного способа снижения токсического действия кадмия на рост сельскохозяйственных культур растений, а также для улучшения кондиционных свойств семян.

Работа выполнена в рамках Комплексной программы фундаментальных исследований УрО РАН (номер 18-4-8-21) и Госзадания (номер госрегист-рации темы: 01201353247).

Список литературы Снижение фитотоксичности кадмия с использованием Rhodococcus-биосурфактантов

Аветисян А.А., Колесников В.А., Аветисян А.Т. Содержание тяжелых металлов (свинец и кадмий) в почвах и растениях нетрадиционных кормовых культур и их эколого-токсикологическая оценка в лесостепи Восточной Сибири//Вестник КрасГАУ. 2017. № 6. С. 17-27.
Воднянцкий Ю.Н. Нормативы содержания тяжелых металлов и металлоидов в почвах//Почвоведение. 2012. № 3. С. 368-375.
Коротченко И.С., Львова В.А. Миграция кадмия и никеля в растениях-фиторемедиантах//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 11, ч. 2. С. 251-254.
Костина Л.В., Куюкина М.С., Ившина И.Б. Биосорбция, аккумуляция и способы извлечения тяжелых металлов. LAP Lambert Academic Publ., 2010. 254 c.
Литвиненко Л.В., Тищенко А.В. Влияние Rhodococcws-биосурфактантов на фитотоксичность ионов свинца//Вестник Пермского Университета. Сер. Биология. 2017. Вып. 1. С. 80-87.
МР 2.1.7.2297-07. Обоснование класса опасности отходов производства и потребления по фитотоксичности. 2007. URL: http://www.ohranatruda.ru/ot_biblio/normnorm/data_normativ/52/52957/.
Слабко Ю.И., Лопатина А.А. Аккумуляция кадмия в почве и растениях сои под влиянием минеральных удобрений//Вестник КрасГАУ. 2016. № 2. С. 19-24.
Ульяненко Л.Н. и др. Влияние загрязнения почв кадмием на его накопления растениями ячменя в онтогенезе//Агрохимия. 2010. № 3. С. 70-74.
Яблокова И.С., Стародумов В.Л., Лазарев О.А. Опасность поступления свинца и кадмия с пищевыми продуктами в организм детей//Вестник Ивановской медицинской академии. 2011. Т. 16, № 1. С. 30-33.
Ivshina I.B. et al. Oil desorption from mineral and organic materials using biosurfactant complexes produced by Rhodococcus species//World Journal of Microbiology and Biotechnology. 1998. Vol. 14. P. 711-717.
Kuyukina M.S. et al. Recovery of Rhodococcus biosurfactants using methyl-tertiary butyl ether extraction//Journal Microbiology Method. 2001. Vol. 46. P. 149-156.

Еще