Библиографическое описание:

Ахмеджанов Г., Косымова У., Бекнозарова З. Ф., Ахмеджонов Д. Г. Биотехнология в сельском хозяйстве // Молодой ученый. — 2015. — №6. — С. 339-342.

В данной статье приводятся применения фосфора и некоторых микроорганизмов, в частности почвенных фосфатрастворяющих штаммов грибов в сельском хозяйстве.

 

Известно, что в настоящее время интенсивно разрабатываются принципы и методы биологизации земледелия. Они должны быть научно обоснованы с точки зрения экологической безопасности. Этот подход основывается на широком внедрении биотехнологий с минимальным использованием средств химизации.

Известно, что широкое применение химизации привело к росту нагрузки на полей и на агроландшафты. Использование азотных и фосфорных удобрений привело к ухудшению естественного потенциала и плодородия почв. В почве накопилось много нерастворимые соединения, так называемые балласты. В первую очередь это относится к фосфорсодержащим соединениям.

Фосфор играет важную роль в общем метаболизме растительной и животной клетки, входя в состав различных соединений, выполняющих не только роль структурных элементов, но и определенные функции. Важное значение соединений типа НАД (никотинамидадениндинуклеотид), НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), ДНК, РНК и других, содержащих фосфор, подчеркивает необходимость обеспечения растений этим элементом [1]. Фосфор кроме этого оказывает основное определяющее влияние на многие биохимические процессы в растениях и фотосинтез... При его недостатке в растениях тормозится синтез белков и углеводов, происходит задержка роста и созревания, урожай резко снижается. Улучшение фосфатного режима почв и фосфорного питания растений крайне необходимо еще в связи с тем, что при фосфорном голодании заметно снижается эффективность всех других питательных элементов — тормозится поглощение азота, калия, вносимого с удобрениями, а также макро- и микроэлементов корнями растений и передвижение их в надземные органы. Растения используют фосфорные соединения главным образом в виде анионов H2PO4- и HPO42- из солей ортофосфорной кислоты (Н3РО4), а также из солей полифосфорных кислот (после их гидролиза). Отсюда вытекает важное обстоятельство: для того чтобы обеспечить успешный рост и развитие культурных растений, необходима, довести фосфор до вышеперечисленных ионов в почвенном растворе. Однако свыше 80 % вносимого фосфора, в результате химических реакций в почве, закрепляется в составе нерастворимых соединений. Этот процесс, так называемый «ретроградация» фосфора приводит к снижению коэффициента использования вносимых минеральных удобрений. Ситуация усугубляется обширным применением комплексных удобрений, до 15–20 %, содержащих помимо фосфора азот и калий, что влечет накопление и избыток одних при недостатке других элементов [2]. Такой дисбаланс отражается как на качестве производимой сельскохозяйственной продукции, так и на урожае в целом.

Таким образом, с удобрением фосфор вносится значительно больше, чем выносится растениями с урожаем, что приводит к «зафосфачиванию» почвы при фосфорном голодании выращиваемых сельскохозяйственных культур. В частности, на карбонатных сероземах Узбекистана часто именно недостаток усвояемого фосфора является главным лимитирующим фактором для устойчивого развития и повышения урожайности культурных растений. Поэтому в настоящее время всевозрастающий дефицит фосфора становится проблемой государственного масштаба, на решение которой должны быть направлены усилия специалистов.

Одним из путей решения этой проблемы может стать применение почвенных микроорганизмов, в частности грибов, способных к растворению труднодоступных почвенных фосфатов.

Микроорганизмы, мобилизующие минеральные и органофосфаты, выделяются из разных природных объектов: почвы, поверхности корней растений, фосфоритной руды и др. В общем составе почвенной микрофлоры количество микроорганизмов, способных растворять природные фосфаты, составляет от 1 до 35 % [3]. К фосфатрастворяющим микроорганизмам можно отнести азотобактерии, алюмосиликатные и тионовые бактерии, бациллы (Bac. cereus, Bac. polymyxa, Bac. megaterium, Bac. Subtilis), неспоровые бактерии (Pseudomonas fluorescens, Ps. striata) и др. Особую роль в растворении фосфатов играют почвенные грибы, относящиеся к таким родам как Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Trichoderma и другие. Они относятся к различным таксономическим группам и во многих почвах благодаря своей многочисленности могут существенно влиять на процесс мобилизации фосфатов.

При поиске эффективных культур грибов необходимо использовать и отбирать местные (эндемичные) штаммы из ризосферы растений, под которые планируется интродукция, учитывая технологию выращивания сельскохозяйственной продукции, а также почвенные и климатические условия Узбекистана. Почвенными можно считать грибы, которые постоянно и закономерно выделяются как из почвы, так и из различных субстратов, находящихся в ней (опавших листьев, подстилки, корней и семян растений, других растительных остатков и животных субстратов).

Почвенные грибы не являются единой таксономической группой и представлены самыми разнообразными в систематическом отношении формами. Они не представляют собой также единой экологической группы, так как включают разные эколого-трофические формы: сапротрофы, патогены растений, микоризообразователи, грибы — хищники. Их объединяет только общее местообитание в широком смысле — почва. Однако основную массу почвенных грибов все же составляет группа сапрофитов, т. е. организмов, осуществляющих разложение отмерших органических субстратов, которые могут быть выделены как непосредственно из почвы, так и из различных животных и растительных остатков.

Несмотря на большое таксономическое разнообразие почвообитающих сапрофитных грибов и их функций (в настоящее время к почвенным грибам можно отнести до 3000 видов), они представляют собой единое звено в трофической цепи любой экосистемы, в состав которой входит почва, осуществляя в ней функцию организмов — редуцентов. Их основная роль проявляется в разложении органического вещества в разных его формах, в результате чего происходит новообразование различных соединений, поступающих в почву и вовлекаемых непосредственно в дальнейший обмен, таких как разнообразные органические кислоты, физиологически активные вещества, высокомолекулярные полимерные соединения, часть из которых свойственна метаболизму только грибов. Основными факторами, определяющими состав комплекса грибов в почве, является характер субстрата (органическое вещество почвы, растительные и животные остатки) и конкурентоспособность популяции каждого вида за захват этого субстрата. Наличие сходного субстрата и его составляющих (сахаров, гемицеллюлоз, пектина, целлюлозы и т. д.) в растительных остатках, а, следовательно, и в почвах любого биогеоценоза определяет весь набор трофических групп грибов в каждой почве.

В целях изучения эффективности фосфатрастворяющих штаммов грибов из ризосферы хлопчатника, необходимо решать задачи, как выделение чистых культур грибов, определение их систематической принадлежности, получение на их основе препаратов, способствующих мобилизации почвенных фосфатов и повышению коэффициента полезного действия вносимых фосфорных удобрений и т. д.

Нами были изучены эффективности грибов методами меченых соединений фосфором — 32, для чего предлагается следующие методы исследований.

1.            Получение меченого радиоактивным ФОСФОРОМ — 32 трикальцийфосфата Са3(РО4)2

Для того чтобы исследовать поведение фосфора в почве необходимо получить те нерастворимые соединения (содержащие радиоактивную метку — фосфор-32), в которые он превращается при внесении в виде удобрений, то есть как бы создать модель протекающих на практике процессов. Поэтому перед нами стояла задача смоделировать эти процессы, происходящие в природных условиях и исследовать их. Не имеет существенной разницы, в каких именно формах закрепляется фосфор в виде нерастворимых соединений при внесении в почву, главное нужно было получить их для исследований, пометив радиоактивной меткой и чтобы они не вымывались водой из почвы, с тем чтобы в последующем отыскать способы высвобождения этого фосфора с помощью микроорганизмов [4]. Учитывая относительно короткий период полураспада радиоактивного фосфора Р-32 (14,5 дней) и с целью согласования по времени начало и конец очередного эксперимента требуется каждый раз готовить новую порцию радиоактивного трикальцийфосфата Са3(РО4)2, содержащего фосфор-32. В экспериментах использовали меченую изотопом Р-32 ортофосфорную кислоту (H3P32O4), производимую в ИЯФ АН РУ в объединении «Радиопрепарат». Для получения радиоактивного трикальцийфосфата Са332О4)2 к ортофосфорной кислоте в количестве 10 мл добавили 100 мКи меченной Р-32 Н3Р32О4 и тщательно размешали. Таким образом, получали изотопное разбавление исходной ортофосфорной кислоты. В эту смесь, после нагревания на водяной бане до 700С, осторожно добавляли по 1 мл известкового молока (насыщенный водный раствор гидроокиси кальция Ca(OH)2 (гашёной извести). 1 л известковой воды при 20°С содержит около 1,2 г CaO) до нейтральной реакции рН раствора. Выпавший осадок тщательно промывали бидистиллированной водой, чтобы освободиться от не связавшейся метки и полученный осадок сушили (Рис.1.). Полученный таким образом радиоактивный трикальцийфосфат Са3(РО4)2 затем использовался в экспериментах по сравнительному анализу выделенных из ризосферы новых штаммов грибов на способность разлагать данное нерастворимое в воде соединение фосфора.

2.            Исследование влияния рН среды на растворимость трикальцийфосфата Са3(РО4)2 в воде

Концентрация ионов водорода (рН) оказывает очень сильное влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Иногда микроорганизмы не развиваются только из-за того, что в среде создается неблагоприятное для их развития рН. Для каждого микроорганизма существуют оптимальные, минимальные и максимальные значения рН окружающей среды. Однако считают, что все микроорганизмы, даже растущие при экстремальных значениях рН, располагают определенными механизмами для поддержания внутриклеточного рН на уровне, близком к нормальным физиологическим величинам. В почве есть микроорганизмы, имеющие либо узкий, либо широкий диапазон рН, в котором возможно их развитие: одним нужна нейтральная, другим — кислая, а третьим — щелочная среда. Хотя это может показаться на первый взгляд странным, но из каждого типа почвы вне зависимости от ее рН выделяются все группы микроорганизмов, резко отличающиеся по их отношению к кислотности [3]. Это связано с существованием в каждой почве различных микро- и мезозон, резко отличающихся по кислотности. Следует отметить, что рН водной или солевой вытяжки из почвы дает возможность судить только об усредненном значении рН. Эта величина, естественно, не может характеризовать условия существования в отдельных микрозонах. В зонах с повышенным выделением СО2, например, на поверхности корней, будут создаваться зоны с более низкими значениями рН. При внесении в кислые почвы вокруг гранул удобрения будут создаваться особые микрозоны с нейтральной реакцией. В кислой почве вблизи разлагающегося белка может создаваться щелочная среда. В щелочных почвах в результате локального развития процессов нитрификации могут возникать микрозоны с кислой реакцией среды. Особое значение рН создается на поверхности почвенных частиц. Здесь создается большая концентрация ионов водорода из-за его адсорбции на отрицательно заряженных поверхностях.

Полученный нами для экспериментальных целей трикальцийфосфат обладает, как любое другое соединение, рядом свойств. Одним из важных для нас параметров является его растворимость в воде в зависимости от рН среды. Известно, что многие растения и микроорганизмы, обитающие в почве, добывают фосфор из нерастворимых в воде фосфатов путем выделения в среду различных органических кислот. Подкисляя среду, они, тем самым, вызывают растворение фосфатов, которые трансформируются в более доступные для усвоения формы в виде растворимых в воде фосфат — ионов. Для того чтобы смоделировать этот процесс был использован синтезированный трикальцийфосфат, содержащий в своем составе радиоактивную метку Р-32. Навески этого вещества (по 0,3 грамма) поместили на дно химических стаканов емкостью по 50 мл, затем осторожно заливали 10 мл раствора 0,2М триацетатного буфера с разными значениями рН и оставили при комнатной температуре на одни сутки. После этого из каждого стакана отбирали пробу в количестве 1 мл для измерения радиоактивности на счетчике ГСУ-1. Анализ результатов измерений (таблица 3) показывает, что растворение трикальцийфосфата в водной среде начинается при рН=6.5, возрастая дальше по нелинейной пропорции.

Таблица 1

Растворимость Са3(РО4)2 в воде при изменении рН среды

РН

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

Cpm

54

57

168

291

513

1132

2859

5945

8917

11452

 

Эти данные показывают также, что для того, чтобы получать фосфор из фосфатов микроорганизмы должны существенно подкислять окружающую среду, поскольку почва обладает большой буферной емкостью и если в ней имеется какой-то пул фосфатов, требуется сделать почвенный раствор вокруг этих микрочастичек почвы кислой до значения рН=6.5 и ниже.

ВЫВОДЫ

1.      Получен меченный радиоактивным фосфором-32 трикальцийфосфат Са3(РО4)2 для исследовательских целей. Это послужило основой для разработки модельной системы с целью изучения поведения фосфора и метода для количественной оценки способности выделенных штаммов почвенных грибов разлагать труднодоступные соединения фосфора.

2.      Проведены исследования влияния рН среды на растворимость трикальцийфосфата Са3(РО4)2 в воде. На модельной системе показано, что для того, чтобы извлекать фосфор из нерастворимых соединений в почве грибы должны окислять среду до рН=6,5.

 

Литература:

 

1.                 Газиходжаева М. А. Главнейшие виды почвенных грибов в ризосфере хлопчатника, люцерны и кукурузы. ДАН УзССР, № 4. Ташкент, 1970.

2.                 Звягинцев Д. Г. Почва и микроорганизмы., Москва.,1990., Изд-во МГУ

3.                 Мухамеджанов М. В., Теслинова Н. А. Микроорганизмы и повышение плодородия орошаемых сероземов. Ташкент.,1990г. Изд-во «Фан».

4.                 Джуманиязова Г. И., Таджиев А. Ю., Тахтобин К. С., Тиллаев Т. С. Растворение трикальцийфосфата фосформобилизующими ризобактериями. Узбекский биологический журнал, 2006; 1, 2. стр.18–22.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle