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

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 | DOI: 10.17072/1994-9952-2018-4-385-392

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

Статья научная