EFFECTS OF LIGNOHUMATE ON THE PHYTOTOXICITY OF PHOSPHORUS-CONTAINING COMPOUNDS (MODEL EXPERIMENTS)

Full Text

Введение 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 неорганиче-ские соединения фосфора. К числу таких веществ относится фосфорорганический ксенобиотик - ме-тилфосфоновая 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. Из-вестно, что пирофосфат натрия вызывает нарушение жизнедеятельности растений [1; 12]. Метилфос-фоновая кислота и пирофосфат натрия влияют на почвенную альгофлору [5], метилфосфоновая кис-лота влияет на структуру почвенных актиномицетов [14]. В условиях химического загрязнения при-родных сред перспективным является направление повышения устойчивости растений за счет при-внесения 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 кислото-растворимой фракции (фульвокислот, многоосновных органических кислот и других органических веществ) достигает 40%. По химическому составу и строению лигногумат наиболее близок к почвен-ным гуминовым кислотам [7]. Лигногумат хорошо растворим в воде, легко доступен для растений и проявляет высокую био-логическую активность даже в небольших количествах [2]. Его применяют для повышения урожай-ности 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 со-единений 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 пророст-ками ячменя. Энергию прорастания семян определяли на третьи сутки опыта. Всхожесть семян оце-нивали 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 воздуш-но-сухого состояния и измеряли сухую биомассу, рассчитывали содержание сухого вещества в расти-тельных тканях. Оценивали токсичность фосфорсодержащих соединений по величине фитотоксиче-ского эффекта (эффект торможения), который рассчитывали по формуле: , 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 опы-тов 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 во-да. Статистическую обработку данных проводили с использованием статистического пакета Exсel (MS Office 2007). На рисунках и в таблицах представлены средние арифметические величины и стан-дартная 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 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 по-бег/корень, по сравнению с контрольными растениями. Лигногумат в самой высокой изучаемой кон-центрации (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 накопле-нии 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 поллю-тантом - 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 по-казателям всхожести и энергии прорастания семян не установлено. Под влиянием МФК происходило угнетение роста проростков ячменя (рис. 1). Корневая систе-ма 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 мень-ше, 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 линей-ного роста проростков ячменя (рис. 1). В опытах с МФК наибольшее протекторное действие проявля-ла самая высокая концентрации ЛГ (1 г/л). А Б 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 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 расти-тельных 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 вызы-вает уменьшение диффузионной водной проницаемости клеток корней кукурузы, которое происхо-дит 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 концен-трации 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. До-бавление 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 расте-ний 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. 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 кон-троля 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 свиде-тельствует 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 расте-ния одновременно испытывают действие нескольких веществ. При совместном присутствии поллю-танты могут вызывать изменение токсичности друг друга. Было изучено сочетанное действие фос-форсодержащих веществ - МФК и ПФН на семена и проростки ячменя. Под влиянием смеси фосфорсодержащих веществ (МФК и ПФН) снижалась энергия прораста-ния и всхожесть семян ячменя (рис. 4). Лигногумат в концентрации 0,5 и 1 г/л нивелировал токсиче-ский 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. 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 сни-мало. 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, содер-жание сухого вещества в тканях опытных растений было близко к контролю. Эффект торможения. Для оценки фитотоксичности фосфорсодержащих препаратов и протек-торного действия Лигногумата был рассчитан эффект торможения (рис. 5). Все тестируемые фосфор-содержащие 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 добавлени-ем буфера (рН=5), эффект торможения равен 68,5. Добавка ЛГ в среду выращивания не снижала фи-тотоксического эффекта МФК (рН = 2,5). Протекторное действие проявлял ЛГ в опытах с МФК с до-бавлением буфера (рН = 5), эффект торможения снижался с 54 до 44. Значительное токсическое дей-ствие оказывал ПФН, эффект торможения - 58, ЛГ не снижал ростингибирующего действия поллю-танта. 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 дей-ствием 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 выра-щивания 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 прораста-ние 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 сте-пени 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 отли-чалось от влияния индивидуальных веществ. В присутствии смеси фосфорсодержащих веществ сни-жалась энергия прорастания и всхожесть семян ячменя. Лигногумат в концентрации 0,5 и 1 г/л ниве-лировал 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 дей-ствие поллютантов, но полностью не снимала. 5. Испытуемые растворы фосфорсодержащих поллютантов с одинаковой концентрацией дей-ствующих 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 фосфор-содержащих веществ снижается. Добавка ЛГ в среду выращивания была наиболее эффективна в опы-тах с веществами с низкой токсичностью. Выявленные фитопротекторные эффекты Лигногумата мо-гут быть использованы при разработке мероприятий по реабилитации сред, загрязненных фосфорсо-держащими поллютантами.

About the authors

S. Yu. Ogorodnikova

Institute of Biology, Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Ph.D.

References

Supplementary files