Статья: Свойства фосфатмобилизующих бактерий и их влияние на урожайность зерновых культур на дерново-подзолистых супесчаных почвах

120

Почвоведение и агрохимия №2(47) 2011

120

УДК 631.461.73:631.559:631.445.2

СВОЙСТВА ФОСФАТМОБИЛИЗУЮЩИХ БАКТЕРИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА УРОЖАЙНОСТЬ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР НА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ СУПЕСЧАНЫХ ПОЧВАХ

Н.А. Михайловская

О. Миканова

Фосфор - один из основных элементов питания растений, регулирующих формирование урожая и его качество [1, 2]. В связи с тем, что запасы фосфатного сырья ограничены, а производство фосфорных удобрений требует высоких экономических затрат, возникает необходимость поисков дополнительных источников фосфатного питания. Одним из альтернативных способов улучшения фосфатного питания растений является мобилизация труднодоступных минеральных форм фосфора за счет деятельности ризосферных микроорганизмов [3-9]. Разработка и внедрение современных достижений сельскохозяйственной биотехнологии может обеспечить экологическую безопасность и экономию ресурсов.

В странах с развитым сельским хозяйством активно проводятся исследования по микробной фосфатмобилизации, что свидетельствует об актуальности и перспективности этого направления. Разрабатываются микробные инокулянты для улучшения фосфатного питания сельскохозяйственных культур [10, 11]. К настоящему времени наиболее изучена фосфатрастворяющая активность клубеньковых бактерий [12-15].

В Институте почвоведения и агрохимии также проводятся исследования по этой проблеме. Фосфатмобилизующие бактерии выделены из ризоплана и ризосферы злаковых культур, изучаются их свойства и эффективность.

Одной из актуальных задач в рамках проблемы оптимизации фосфатного питания растений является эффективное использование остаточных количеств фосфатов, накапливающихся в почве при внесении фосфорных удобрений [1]. Источником накопления фосфатов в почве является относительно невысокая эффективность использования фосфорных удобрений. Известно, что коэффициент использования фосфорных удобрений не превышает 25 % [1]. Большая часть этих фосфатов представлена нерастворимыми трехкальциевыми фосфатами, недоступными для питания растений. Внесенный в почву суперфосфат достаточно быстро переходит в длительно сохраняющийся в почве трехкальциевый фосфат, который не может быть непосредственно использован растениями [2].

Цель исследований - изучить потенциальную активность фосфатмобилизации и стимуляции роста изолятов фосфатмобилизующих бактерий в лабораторных экспериментах, а также их влияние на урожайность яровой пшеницы в полевых экспериментах на дерново-подзолистых супесчаных почвах.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами исследований служили фосфатмобилизующие бактерии, изолированные нами из ризоплана и ризосферы злаковых культур. Для оценки потенциальной активности фосфатмобилизации у изолятов бактерий и их способности стимулировать рост растений проведены лабораторные эксперименты.

Лабораторные эксперименты по изучению действия фосфатмобилизующих бактерий на проростки пшеницы. В лабораторном эксперименте изучено действие фосфатмобилизующих бактерий на развитие проростков пшеницы. Семена были предварительно простерилизованы, отмыты стерильной водопроводной водой и проращены. В стерильных условиях проростки (10 шт.) помещали на бумажные фильтры в чашки Петри, увлажняли водой (3 мл) и инокулировали 3-х суточными культурами фосфатмобилизующих бактерий (1 мл). В контрольные чашки добавляли стерильную воду (4 мл) [18].

Количественная оценка активности фосфатмобилизации у ризобактерий. В стерильных условиях жидкую питательную среду, не содержащую растворимого фосфора, инокулировали фосфатмобилизующими бактериями. После инкубации в термостате при 28°С в течение 7 дней при постоянном перемешивании (на качалке) суспензию центрифугировали, супернатант фильтровали, в фильтрате определяли содержание подвижного фосфора [7, 16]. Состав питательной среды (г/л): глюкоза 10,0 г, аспарагин 1,0 г, К2SO4, MgSO4 x 7H2O 0,4 г, дрожжевой автолизат 0,2 г. В качестве единственного источника фосфора использовали Са3(РО4)2.

В конце эксперимента проведен контроль рн среды.

Эффективность фосфатмобилизующих бактерий на посевах озимого тритикале в зависимости от обеспеченности дерново-подзолистой рыхлосупесчаной почвы подвижным фосфором. Исследования проведены в многолетнем стационарном опыте (СПК «Хотляны» Узденского района) на дерново-подзолистой рыхлосупесчаной почве с мощной прослойкой песка (60-80 см) на контакте с размытой мореной. Агрохимические свойства почвы близки к оптимальным: pH (KCl) 6,0-6,2, содержание подвижного калия (по Кирсанову) 300-350 мг/кг, гумус 2,64-2,71 %, обменный кальций (CaO) 800-850 мг/кг, обменный магний (MgO) 140-150 мг/кг. В эксперименте созданы четыре уровня обеспеченности почвы подвижными формами фосфора. В годы исследований содержание подвижного фосфора составило: первый уровень - 207, второй - 244, третий - 286 и четвертый - 394 мг/кг Р2О5. на каждом уровне насыщения фосфором изучают 5 вариантов внесения фосфорных удобрений в четырех повторениях: контроль (без удобрений), NК - фон, фон + Р1, фон + Р2, фон + Р3.

Чередование культур в севообороте: кукуруза, яровая пшеница, однолетние травы на зеленую массу, озимая рожь, яровая пшеница, горох, озимое тритикале, горох, озимое тритикале. Под кукурузу внесен навоз - 60 т/га. Дозы азотных удобрений дифференцируются в зависимости от возделываемой культуры. Общая площадь делянок - 45 м2. Жидкий препарат фосфатмобилизующих бактерий внесен весной путем некорневой обработки посевов. Титр жизнеспособных клеток - 1,8х108 КОе/мл.

Эффективность фосфатмобилизующих бактерий на посевах яровой пшеницы в зависимости от обеспеченности дерново-подзолистой связносупесчаной почвы подвижным фосфором. Исследования проведены в стационарном полевом опыте на дерново-подзолистой связносупесчаной почве, подстилаемой с глубины 0,7 м моренным суглинком (КСУП «Стреличево» Хойникского района Гомельской области). В эксперименте созданы четыре уровня обеспеченности почвы подвижными формами фосфора, в период исследований (2002, 2004 гг.) содержание подвижного фосфора (Р2О5) составило: 200, 400, 600, 800 мг/кг. на каждом уровне насыщения подвижным фосфором изучены следующие варианты удобрения в четырех повторениях: N60K90 и N60P30K90.

Агрохимическая характеристика пахотного слоя почвы: pHKCl - 6,2, содержание гумуса - 2,0 %. Содержание подвижного калия - 194 мг/кг, обменных форм СаО и МgО - 1207 и 435 мг/кг почвы соответственно.

Минеральные удобрения вносили в формах аммиачной селитры, аммонизированного суперфосфата и хлористого калия. Для бактеризации посевов яровой пшеницы сорта Банти использовали торфяной препарат (108-109 КОе/г), который вносили в виде водной суспензии в фазе всходы - начало кущения (из расчета на 1 га: 1 кг Калипланта + 150-200 л воды).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Лабораторные эксперименты по изучению действия фосфатмобилизующих бактерий на проростки пшеницы. В лабораторном эксперименте было показано, что проростки пшеницы, инокулированные фосфатмобилизующими бактериями, отличались более развитой корневой системой, большей опушенностью корневыми волосками, что свидетельствует об улучшении развитии зоны всасывания. У инокулированных проростов корешки утолщены, более развит колеоптиль по сравнению с вариантами без инокуляции. Фотографии 7-суточных проростков представлены на рис. 1-2.

Эксперимент показал, что за счет стимуляции развития корней фосфатмобилизующие бактерии повышают адаптивные возможности инокулированных растений. Стимуляция развития корневой системы на ранних стадиях развития растений способствует улучшению минерального и водного питания, определяя положительное влияние бактеризации на урожай.

Рис. 1. Влияние изолята Р-7 на развитие проростков пшеницы

Рис. 2. Влияние изолята P-28 на развитие проростков пшеницы

Лабораторные эксперименты по количественной оценке фосфатмобилизующей активности бактерий в жидких культурах. В исследованиях, проведенных нами ранее [17], была установлена потенциальная способность ряда изолятов фосфатмобилизующих бактерий к растворению ортофосфата кальция, которую определяли по времени появления и величине зон просветления питательной среды с Са3(РО4)2, что позволило получить качественные характеристики активности. В настоящей работе приводятся экспериментальные данные по количественной оценке фосфатмобилизующей активности ризобактерий с использованием современной методики культивирования в жидкой среде, содержащей ортофосфат кальция [7, 16]. В ходе экспериментов поддерживали оптимальные условия для жизнедеятельности бактерий (термостатирование при 28°С в течение 7 суток), что позволило получить характеристики потенциальной активности мобилизации фосфора из трикальцийфосфата.

Установлено, что активность фосфатмобилизации коллекционных штаммов варьировала в достаточно широких пределах 65-620 мг/л фосфора (табл. 1). наиболее высокая потенциальная способность к фосфатмобилизаци, на уровне 500-600 мг/л фосфора, отмечена у двух изолятов - Р-25 (620 мг/л фосфора) и Р-12 (505 мг/л фосфора). Высокий уровень активности, превышающий 300 мг/мл фосфора, отмечен у изолятов Р-2 (370 мг/л фосфора) и Р-15 (406 мг/л фосфора). Изоляты Р-16 (257 мг/ л фосфора) и Р-10 (288 мг/л фосфора) характеризовались средним уровнем активности, превышающим 200 мг/мл фосфора. Далее в убывающем порядке - изоляты Р-48, Р-61 и Р-91, проявляющие активность выше 100 мг/л фосфора. Активность остальных исследованных изолятов была ниже 100 мг/л фосфора (табл. 1). фосфатмобилизация бактерия яровой пшеница

В большинстве случаев высокая активность мобилизации фосфора была связана со значительным снижением величины рн среды, что свидетельствует об образовании кислых метаболитов, способных к растворению Са3(РО4)2. Для изолятов, характеризующихся высокой активностью фосфатмобилизации, отмечено и наиболее значительное подкисление среды: для изолята Р-25 - до 3,13, для изолятов Р-12 и Р-15 - до 3,94 и 4,23 соответственно (табл. 1).

Отмечено, что при культивировании изолята Р-16, характеризующегося средним уровнем активности, рн среды снизился максимально - до 2,67. В то же время для изолята Р-91, который по активности сравним с Р-61, не отмечено подкисления среды в процессе эксперимента (табл. 1). наблюдаемые различия могут указывать на наличие других специфических механизмов фосфатмобилизации у ризобактерий разной таксономической принадлежности.

Таблица 1 Фосфатмобилизующая активность ризобактерий (лабораторный эксперимент, 2011 г.)

Механизмы процессов растворения фосфатов под влиянием микроорганизмов остаются дискуссионными до настоящего времени. Большинство исследователей связывает этот процесс со способностью микроорганизмов продуцировать кислые метаболиты [3, 4, 8, 9, 12, 13]. Однако известно, что обычные аммонифицирующие бактерии активно переводят фосфор в раствор и при этом не подкисляют, а подщелачивают питательные среды [4, 5]. Анализ литературных данных позволяет предполагать разные биохимические пути фосфатмобилизации, так как при близких показателях интенсивности мобилизации фосфатов существенно различается рн среды [19].

К настоящему времени факт увеличения подвижности минеральных фосфатов под влиянием микроорганизмов не вызывает сомнения. Многие микроорганизмы способны растворять минеральные фосфаты, в том числе бактерии [5, 10, 12-15] и микоризные грибы [11]. Подкисление питательной среды не является обязательным условием для растворения трехкальциевого фосфата. Повышение растворимости минеральных фосфатов может быть связано как с увеличением кислотности среды, так и с биологическим поглощением и последующей минерализацией бактериальной плазмы с выделением фосфора в усвояемой форме.

Таким образом, эксперимент позволил определить наиболее активные по способности к фосфатмобилизации изоляты ризосферных бактерий, которые целесообразно испытать в полевых опытах в качестве действующей основы бактериальных удобрений.