Влияние глифосата на поглощение Cu(II) растениями люцерны, инокулированными Enterobacter cloacae complex
Авторы:
Название:
Влияние глифосата на поглощение Cu(II) растениями люцерны, инокулированными Enterobacter cloacae complex
Страницы:
247-250
В данной работе исследовали процесс поглощения меди Cu(II) и её комплексов с глифосатом (Гл) [Гл-Cu(II)] растениями люцерны посевной (Medicago sativa Lam.). Другая задача заключалась в определении протекторной роли ризосферного, деградирующего Гл штамма E. cloacae complex K7 по отношению к растениям, и его влияния на биодоступность поллютантов. Показано, что Гл значительно повышал поглощение Cu(II) растениями. Концентрация металла в составе комплекса (мкг/мг сухой биомассы) была выше на 50%, чем в вариантах с нехелатированной Cu(II). Инокуляция штаммом К7 не привела к статистически достоверному изменению показателя сырой массы растений, кроме варианта с [Гл-Cu(II)]. Сырая масса бактеризованного растения была в 1,5 раза больше, чем не инокулированного. Не зарегистрировано изменение сухой массы растений в ответ на инокуляцию, но установлено повышение степени поглощения металла. В случае присутствия в среде культивирования только меди Cu(II) бактеризованные растения накапливали ее больше, чем не обработанные бактериями: в 1,3 раза при 0,5 мМ и в 2 раза при 1 мМ. Инокуляция не влияла на количество поглощённой Cu(II) в составе комплексов. Наши данные важны для прогнозирования транспорта поллютантов в сельскохозяйственных культурах.
Исследуя процессы биодеградации и биоремедиации токсичных абиогенных загрязнений, необходимо понимать совокупность физико-химических взаимодействий, которые происходят между поллютантами и другими компонентами в объектах окружающей среды. Процессы сорбции и комплексообразования значительно влияют на транспорт, транслокацию, биодоступность и, как следствие, на токсичность и персистентность загрязнений. Данная работа посвящена оценке токсичности и биодоступности меди Cu(II), а также комплексных соединений [Гл -Сu(II)], образованных глифосатом (Гл) и катионами меди Cu(II) по отношению к растениям и растительно-бактериальным ассоциациям. Молекула Гл содержит три полярные функциональные группы (фосфонатную, карбоксильную и аминогруппы), имеющие разную степень протонирования в зависимости от значений рН [Sheals et al., 2001]. По сравнению с другими гербицидами Гл относят к сильно хелатируемым агентам, способным связываться с микро- и макроэлементами, и влиять на биодоступность последних [Mertens et al., 2018]. Ряд работ демонстрируют, что связывание гербицидом металлов приводит к нарушению полноценного минерального питания растений, и опосредованно негативно влияет на процессы растительно-микробных взаимодействий [Eker et al.,2006; Cakmak et al.,2009; Serra et al., 2011; Mertens et al., 2018]. С другой стороны, показано, что присутствие хелатирующих агентов в почве повышает мобильность металлов, и соответственно индуцирует их аккумуляцию растениями [Nowack et al., 2006]. При определённых условиях в прикорневой зоне растений хелаты микробного метаболизма, такие как сидерофоры и органические кислоты, могут конкурировать с Гл за сайты связывания с последующей ремобилизацией металла из Гл-металлического комплекса. Эти свойства природных хелаторов легли в основу фиторемедиации металл-загрязнённых почв [Evangelou et al., 2007]. Необходимо отметить, что ризосферным бактериальным сообществам отводят ключевую роль в процессах биоминерализации и биотрансформации различных классов абиогенных химических соединений [Gadd, 2010]. Кроме того, ризобактерии способствуют увеличению площади корневой поверхности, повышая количество поглощаемых химических веществ [Sessitsch et al.,2013].
В данном исследовании мы попытались выяснить какова способность растений люцерны поглощать комплексные загрязнения, добавленные в среду культивирования в виде [Гл - Сu(II)] комплекса, какова токсичность комплексных соединений, и влияет ли инокуляция ризосферными бактериями - деструкторами Гл [Kryuchkova et al., 2014] на степень поглощения как катионов Cu(II) отдельно, так и в составе комплекса.
Для 30 суточных растений регистрировали показатели накопления сырой и сухой массы, количество боковых корней. Концентрацию поглощённого растениями металла оценивали методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС). Полученные данные обрабатывались с применением двухфакторного дисперсионного анализа в модуле Factorial ANOVA программы STATISTICA 6, учитывающего как влияние на исследуемый параметр каждого из факторов (загрязнитель, инокуляция) отдельно, так и их совместное действие.
Наибольшее статистически достоверное ингибирующее влияние на показатель сырой биомассы не инокулированных растений оказало комплексное загрязнение (p=0,0001). Средняя сырая масса растения, выращенного на [Гл - Сu(II)] была в 2,25 раза меньше, чем в контроле (без загрязнений) (рис.1). Инокуляция штаммом К7 не привела к достоверному изменению показателей массы растения (по сырому весу) как в чистом контроле, так и в вариантах с медью (p=0,231). Однако аннулировала токсический эффект в вариантах с комплексами. Масса бактеризованного растения была в 1,5 раза больше, чем не обработанного бактериями (рис.1).
Рис. 1. Влияние загрязнений и инокуляции E. cloacae complex K7 на накопление сырой биомассы растений. Доверительные интервалы представлены для 5% уровня значимости.
Fig.1. Effect of pollution and of E. cloacae complex K7 inoculation on fresh weight of plants. Confidence intervals are presented for 5% significance level.
Анализ сухой массы растительных образцов показал, что значительным токсическим эффектом, обладали все исследуемые варианты загрязнений как у неинокулированных (p=0,000), так и у бактеризованных растений (p=0,0254). Наибольшее ингибирование накопления сухой биомассы в 1,7 раза у неинокулированных растений также показано для комплексов (рис.2).
Рис. 2. Влияние загрязнений и инокуляции E. cloacae complex K7 на накопление сухой биомассы растений. Доверительные интервалы представлены для 5% уровня значимости.
Fig.2. Effect of pollution and of E. cloacae complex K7 inoculation on dry weight of plants. Confidence intervals are presented for 5% significance level.
Нам не удалось зафиксировать положительного влияния от инокуляции на показатели сухой биомассы (p=0,1287). Однако, у инокулированных растений наблюдался более высокий процент приживаемости проростков и более интенсивное развитие боковых корней, что свидетельствует об увеличении корневой поверхности и может быть причиной увеличения интенсивности поглощения загрязнителей. Исключением были растения, выращенные на комплексах, у которых не зафиксировано наличия боковых корней.
Результаты ААС, отражающие количество Cu(II), поглощённой растениями, представлены на (рис. 3). В случае присутствия в среде культивирования только меди бактеризованные растения накапливали ее больше, чем не обработанные бактериями: в 1,3 ± 0,2 раза при 0,5 мМ и в 2 - при 1 мМ. Очевидно, это объясняет, почему инокуляция E. cloacae complex K7 не привела к отчётливому стимулированию прироста биомассы. Установлено, что хелатирование меди Гл не нарушает транслокацию металла из среды культивирования в растения, как это было показано для катионов (Ca2+, Mn2+, Mg2+ и Fe2+) [Cakmak et al., 2009]. В случае с [Гл - Сu(II)] комплексами количество поглощённого металла было в 2,25 раза выше по сравнению с чистой Cu(II) в концентрации 1мМ у неинокулированных растений.
Рис. 3. Влияние инокуляции E. cloacae complex K7 на поглощение Cu(II) растениями, выращенными с различными концентрациями загрязнений.
Fig.3. Effect of E. cloacae complex K7 inoculation on uptake of Cu(II) by plants cultivated in different concentrations of pollutants.
Полученные результаты согласуются с работами [Cakmak et al., 2009; Eker et al., 2006], в которых показано, что обработка растений глифосатом приводит к значительному повышению концентрации Cu(II) по сравнению с необработанными. Количество поглощённого металла в наших исследованиях не зависело от бактеризации. Концентрация нехелатированной Сu(II) и меди в составе [Гл - Сu(II)] у инокулированных растений достоверно не отличалась между собой (Рис. 3). Наибольшее количество поглощённой Cu(II)/мг сухой биомассы было зарегистрировано в варианте с несвязанным металлом в концентрации 0,5мМ, очевидно из-за более низкого уровня токсичности.
Таким образом, впервые проведена оценка токсичности и биодоступности [Гл - Сu(II)] комплексов по отношению к растениям в долгосрочном эксперименте. В доступных нам публикациях подобные работы проводили либо в течение 24 часов на гидропонике, либо, обрабатывая комплексами уже взрослые растения [Sundaram and Sundaram, 1997; Cakmak et al., 2009]. Более длительное воздействие загрязнителей на растения позволило нам объективно оценить их уровень токсичности. Показано, что исследуемый [Гл - Сu(II)] комплекс обладает высокой биодоступностью по отношению к растениям, хелатированная медь накапливается в 2 раза больше, чем свободная. Это важно учитывать при выращивании хозяйственно-полезных культур и создании технологий очистки объектов окружающей среды от сложных поллютантов. Штамм E. cloacae complex K7 оказывал положительное влияние на приживаемость и развитие боковых корней проростков M. sativa Lam., и как следствие на фитоэкстракцию катионов меди, однако не влиял на количество поглощённых растениями комплексов.
В данном исследовании мы попытались выяснить какова способность растений люцерны поглощать комплексные загрязнения, добавленные в среду культивирования в виде [Гл - Сu(II)] комплекса, какова токсичность комплексных соединений, и влияет ли инокуляция ризосферными бактериями - деструкторами Гл [Kryuchkova et al., 2014] на степень поглощения как катионов Cu(II) отдельно, так и в составе комплекса.
Для 30 суточных растений регистрировали показатели накопления сырой и сухой массы, количество боковых корней. Концентрацию поглощённого растениями металла оценивали методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС). Полученные данные обрабатывались с применением двухфакторного дисперсионного анализа в модуле Factorial ANOVA программы STATISTICA 6, учитывающего как влияние на исследуемый параметр каждого из факторов (загрязнитель, инокуляция) отдельно, так и их совместное действие.
Наибольшее статистически достоверное ингибирующее влияние на показатель сырой биомассы не инокулированных растений оказало комплексное загрязнение (p=0,0001). Средняя сырая масса растения, выращенного на [Гл - Сu(II)] была в 2,25 раза меньше, чем в контроле (без загрязнений) (рис.1). Инокуляция штаммом К7 не привела к достоверному изменению показателей массы растения (по сырому весу) как в чистом контроле, так и в вариантах с медью (p=0,231). Однако аннулировала токсический эффект в вариантах с комплексами. Масса бактеризованного растения была в 1,5 раза больше, чем не обработанного бактериями (рис.1).
Рис. 1. Влияние загрязнений и инокуляции E. cloacae complex K7 на накопление сырой биомассы растений. Доверительные интервалы представлены для 5% уровня значимости.
Fig.1. Effect of pollution and of E. cloacae complex K7 inoculation on fresh weight of plants. Confidence intervals are presented for 5% significance level.
Анализ сухой массы растительных образцов показал, что значительным токсическим эффектом, обладали все исследуемые варианты загрязнений как у неинокулированных (p=0,000), так и у бактеризованных растений (p=0,0254). Наибольшее ингибирование накопления сухой биомассы в 1,7 раза у неинокулированных растений также показано для комплексов (рис.2).
Рис. 2. Влияние загрязнений и инокуляции E. cloacae complex K7 на накопление сухой биомассы растений. Доверительные интервалы представлены для 5% уровня значимости.
Fig.2. Effect of pollution and of E. cloacae complex K7 inoculation on dry weight of plants. Confidence intervals are presented for 5% significance level.
Нам не удалось зафиксировать положительного влияния от инокуляции на показатели сухой биомассы (p=0,1287). Однако, у инокулированных растений наблюдался более высокий процент приживаемости проростков и более интенсивное развитие боковых корней, что свидетельствует об увеличении корневой поверхности и может быть причиной увеличения интенсивности поглощения загрязнителей. Исключением были растения, выращенные на комплексах, у которых не зафиксировано наличия боковых корней.
Результаты ААС, отражающие количество Cu(II), поглощённой растениями, представлены на (рис. 3). В случае присутствия в среде культивирования только меди бактеризованные растения накапливали ее больше, чем не обработанные бактериями: в 1,3 ± 0,2 раза при 0,5 мМ и в 2 - при 1 мМ. Очевидно, это объясняет, почему инокуляция E. cloacae complex K7 не привела к отчётливому стимулированию прироста биомассы. Установлено, что хелатирование меди Гл не нарушает транслокацию металла из среды культивирования в растения, как это было показано для катионов (Ca2+, Mn2+, Mg2+ и Fe2+) [Cakmak et al., 2009]. В случае с [Гл - Сu(II)] комплексами количество поглощённого металла было в 2,25 раза выше по сравнению с чистой Cu(II) в концентрации 1мМ у неинокулированных растений.
Рис. 3. Влияние инокуляции E. cloacae complex K7 на поглощение Cu(II) растениями, выращенными с различными концентрациями загрязнений.
Fig.3. Effect of E. cloacae complex K7 inoculation on uptake of Cu(II) by plants cultivated in different concentrations of pollutants.
Полученные результаты согласуются с работами [Cakmak et al., 2009; Eker et al., 2006], в которых показано, что обработка растений глифосатом приводит к значительному повышению концентрации Cu(II) по сравнению с необработанными. Количество поглощённого металла в наших исследованиях не зависело от бактеризации. Концентрация нехелатированной Сu(II) и меди в составе [Гл - Сu(II)] у инокулированных растений достоверно не отличалась между собой (Рис. 3). Наибольшее количество поглощённой Cu(II)/мг сухой биомассы было зарегистрировано в варианте с несвязанным металлом в концентрации 0,5мМ, очевидно из-за более низкого уровня токсичности.
Таким образом, впервые проведена оценка токсичности и биодоступности [Гл - Сu(II)] комплексов по отношению к растениям в долгосрочном эксперименте. В доступных нам публикациях подобные работы проводили либо в течение 24 часов на гидропонике, либо, обрабатывая комплексами уже взрослые растения [Sundaram and Sundaram, 1997; Cakmak et al., 2009]. Более длительное воздействие загрязнителей на растения позволило нам объективно оценить их уровень токсичности. Показано, что исследуемый [Гл - Сu(II)] комплекс обладает высокой биодоступностью по отношению к растениям, хелатированная медь накапливается в 2 раза больше, чем свободная. Это важно учитывать при выращивании хозяйственно-полезных культур и создании технологий очистки объектов окружающей среды от сложных поллютантов. Штамм E. cloacae complex K7 оказывал положительное влияние на приживаемость и развитие боковых корней проростков M. sativa Lam., и как следствие на фитоэкстракцию катионов меди, однако не влиял на количество поглощённых растениями комплексов.
- Cakmak I., Yazici A., Tutus Y., Ozturk L. Glyphosate reduced seed and leaf concentrations of calcium, manganese, magnesium, and iron in non-glyphosate resistant soybean. Eur. J. Agron. 2009. V. 31(3). P. 114-119. DOI:10.1016/j.eja.2009.07.001
- Eker S., Ozturk L., Yazici A., Erenoglu B., Romheld V., Cakmak I. Foliar-applied glyphosate substantially reduced uptake and transport of iron and manganese in sunflower (Helianthus annuus L.) plants. J. Аgric. Food Chem. 2006. V. 54(26). P. 10019-10025. DOI:10.1021/jf0625196
- Evangelou M.W.H., Ebel M., Schaeffer A. Chelate assisted phytoextraction of heavy metals from soil. Effect, mechanism, toxicity, and fate of chelating agents. Chemosphere. 2007. V. 68(6). P. 989-1003. DOI:10.1016/j.chemosphere.2007.01.062
- Gadd G.M. Metals, minerals and microbes: geomicrobiology and bioremediation. Microbiology. 2010. V.156(3). P.609-643. DOI:10.1099/mic.0.037143-0
- Kryuchkova Y. V., Burygin G. L., Gogoleva N. E., Gogolev Y. V., Chernyshova M. P., Makarov O. E., Turkovskaya O. V Isolation and characterization of a glyphosate-degrading rhizosphere strain, Enterobacter cloacae K7. Microbiol. Res. 2014. V. 169(1). P. 99-105. DOI:10.1016/j.micres.2013.03.002
- Mertens M., Hoss S., Neumann G., Afzal J., Reichenbecher W. Glyphosate, a chelating agent - relevant for ecological risk assessment. Environ. Sci. Pollut. Res. 2018. V. 25(6). P. 5298-5317. DOI:10.1007/s11356-017-1080-1
- Nowack B., Schulin R., Robinson B. H. Critical assessment of chelant-enhanced metal phytoextraction. Environ. Sci. Technol. 2006. V. 40(17). P. 5225-5232. DOI:10.1021/es0604919
- Serra A. P. Glyphosate herbicide reduces nutritional efficiency of glyphosate-resistant soybean. Ciencia Rural. 2011. V. 41(1). P. 77-84. DOI:10.1590/S0103-84782011000100013
- Sessitsch A., Kuffner M., Kidd P., Vangronsveld J., Wenzel W.W., Fallmann K., Puschenreiter M. The role of plant-associated bacteria in the mobilization and phytoextraction of trace elements in contaminated soils. Soil Biol. Biochem. 2013. V. 60. P. 182-194. DOI:10.1016/j.soilbio.2013.01.012
- Sheals J., Persson P., Hedman B. IR and EXAFS spectroscopic studies of glyphosate protonation and copper (II) complexes of glyphosate in aqueous solution. Inorg. Сhem. 2001. V. 40(17). P. 4302-4309. DOI:10.1021/ic000849g
- Sundaram A., Sundaram K. M. S. Solubility products of six metal-glyphosate complexes in water and forestry soils, and their influence on glyphosate toxicity to plants. J. Environ. Sci. Health Part B. 1997. V. 32(4). P. 583-598. DOI:10.1080/03601239709373104