Поиск, выделение и скрининг калий растворяющих фосформобилизующих бактерий из засоленных почв

Ключевые слова: калий растворяющие бактерии, фосформобилизующие бактерии, засоленные почвы.

Засоление — важный фактор, лимитирующий продуктивность сельскохозяйственных культур, который оказывает глубокое воздействие на все стороны жизнедеятельности растений. Существует взаимосвязь между засоленностью и минеральным питанием растений — засоленность ограничивает усвоение и накопление фосфатов в культурах. На засоленных почвах нарушаются микробиологические процессы круговорота основных биогенных и др. макро-микроэлементов. Большинство полезных микроорганизмов оказываются чувствительными к комплексу стрессоров, а чаще более устойчивыми к ним оказываются вредные микроорганизмы, в том числе фитопатогенные грибы, вызывающие различные заболевания сельхоз культур. Нарушение микробиологических процессов в засоленных почвах приводит к нарушениям в системе почва-микроорганизмы-растение. Надо учесть также, что на засоленных почвах большая концентрация натрия препятствует накоплению других катионов, в том числе и таких необходимых для жизни растения, как калий и кальций, которые ответственны за засухоустойчивость, морозостойкость, устойчивость к заболеваниям, регуляцию процессов обмена веществ, водный и физиологический баланс клеток и растения в целом.

Фосфор (Р) является основным, после азота, питательным элементом лимитирующий рост, и в отличие от азота, не имеет большого атмосферного источник, который может быть биологически доступен. Развитие корня, стебля и прочность ствола, цветение и формирование семян, созревание и продуктивность, фиксация азота у бобовых, качество урожая и устойчивость растений к заболеваниям — все эти свойства связаны с фосфорным питанием. Большое количество фосфора, применяемого как удобрение превращается в неподвижную форму посредством осаждения при взаимодействии с высоко реактивными Al³⁺ и Fe³⁺ в кислых, и с Ca²⁺ в кальцированных или нормальных почвах [1–3]. Для повышения усвояемости фосфора растениями, регулярно используются большие количества удобрений. Но после внесений, большая часть фосфорных удобрений, быстро трансформируются в нерастворимую форму, так как, эффективность и усвояемость от фосфорных удобрений в мировом масштабе примерно 10–25 %, и концентрация доступного фосфора в почвах очень низкая. Это требует новых внесений фосфорных удобрений и, таким образом, происходит накопление в почве больших количеств нерастворимых и не усвояемых растениями соединений фосфора, что приводит к «зафосфачиванию» почв. Однако известны микроорганизмы, способные растворять нерастворимые в воде и недоступные растениям формы почвенных фосфатных соединений посредством продуцирования органических кислот, фенольных соединений, протонов и сидерефоров [4].

После фосфора (P) калий (K) является самым важным питательным веществом, которое играет ключевую роль в росте, метаболизме и развитии растений. В дополнение к увеличению устойчивости растений к болезням, вредителям и абиотическим стрессам, Калий необходим для активирования более 80 различных ферментов, ответственных за растительные и животные процессы. Например, таких как энергетический метаболизм, синтез крахмала, восстановление нитратов, фотосинтез и деградация сахара [5–7]. Было доказано, что микробное почвенное сообщество способно влиять на плодородие почв через почвенные процессы, а именно. разложение, минерализация и хранение питательных веществ [8].

Известно, что некоторые полезные почвенные микроорганизмы, такие как широкий спектр сапрофитных бактерий, штаммов микромицетов и актиномицетов, могут растворять нерастворимый почвенный калий различными механизмами. Некоторые из этих механизмов включают выделение неорганических и органических кислот, ацидолиз, полисахариды, комплексолиз, хелатирование, полисахариды и обменные реакции.

Штаммы силикатных бактерий, разрушая в почве некоторые минералы, способствуют образованию значительных количеств растворимого и доступного растениям калия и кремния. Засоленные почвы богаты валовыми формами калия и кремния. Кремний образует кремнеземистые присыпки или черную соль, которая очень ядовита для почвенных микроорганизмов и растений. Однако присутствие в почве доступных форм кремния очень важно для растений, поскольку он усиливает усвояемость фосфора, калия, магния, влияя на рост и обменные процессы растения, увеличивает рост корней, создаёт условия для расширения зоны питания, усиления засухоустойчивости, повышает устойчивость к морозам, радиации, токсическим веществам, повреждениям вредителями. Почвенный калий в форме калийалюмосиликатов, составляющий 98–99 % от его валового содержания, трудно доступен для питания растений, однако его доступность может быть существенно повышена за счет микробной мобилизации. Так как использование калийных удобрений оказывает вредное воздействие на окружающую среду, необходимо найти альтернативный коренной источник калия и поддерживать уровень калия в почвах для устойчивого производства сельскохозяйственных культур [9–12].

В настоящее время в связи с возрастающим антропогенным воздействием на почву и, как следствие, ухудшением экологической ситуации большое значение приобрела разработка биотехнологических методов оптимизации роста сельскохозяйственных растений, в том числе разработка и внедрение высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, использование которых является экологически безопасным.

Таким образом, выделение изучение эффективных бактериальных штаммов, способных растворять калийсодержащие соединения, мобилизовать почвенные труднодоступные фосфаты помогут сохранить почвенные ресурсы и избежать неблагоприятного воздействия на окружающую среду, вызванных интенсивным применением калийных и фосфорных минеральных удобрений.

Основываясь на вышеуказанном, целью настоящего исследования были поиск, выделение и скрининг бактериальных штаммов из засоленных почв обладающих одновременно калий растворяющими и фосформобилизующими свойствами.

Выделение бактериальных культур из засоленных почв проводили на мясо-пептонном агаре по общепринятым в микробиологии методам [13]. Качественный тест на калий растворяющую способность бактериальных культур проводили путем их высева параллельно на 2 твердые агаризованные среды Г. А. Зака и А-27 с алюмосиликатом, также питательные среды использовали с добавлением в качестве индикатора на кислотообразование бромкрезолового пурпурного [14]. Качественный тест на фосфор мобилизующую активность проводили путем высева на среду Пиковской с трикальцийфосфатом, с добавлением индикатора бромкрезолового пурпурного.

Результаты проведенных исследований показали, что все выделенные культуры показали зону растворения алюмосиликата, за исключением культуры К9. Однако не все культуры обладали фосфомобилизующей активностью, культуры К2, К5 и К9 не обладали этой активностью (Таб. 1).

Таблица 1

Калий растворяющая ифосформобилизующая способность бактериальных культур (качественный тест)

По данным таблицы 1, наиболее активными калий растворяющими фосформобилизующими бактериальными культурами, которые проявляли свою активность параллельно на всех изученных питательных средах являются культуры — К7 и К8, а культура К4 не проявила калий растворяющую активность на питательной среде А-27 без индикатора, когда как на других питательных средах показала высокую активность.

Таким образом, в результате скрининга по качественному тесту на калий растворяющую и фосформобилизующую активности из 9 выделенных бактериальных культур для дальнейших исследований были отобраны 3 штамма — К4, К7 и К8. Отобранные калий растворяющие фосформобилизующие штаммы бактерий являются потенциальной основой нового бактериального удобрения для улучшения фосфорного и калийного питания сельскохозяйственных растений на засоленных почвах. Улучшение минерального питания растений способствует увеличению урожайности и улучшению качества сельхоз продукции.

Литература:

1. Ezawa T., Smith S. E., Smith F. A. P metabolism and transport in AM fungi // Plant Soil, 2002. — vol.244. — pp. 221–230.
2. Gyaneshwar, P., G. N. Kumar, L. J. Parekh and P. S. Poole. Role of soil microorganisms in improving P nutrition of plants. // Plant Soil, 2002. — vol.245. — pp. 83–93.
3. Hao, X., C. M. Cho, G. J. Racz and C. Chang. Chemical retardation of phosphate diffusion in an acid soil as affected by liming // Nutr., Cycl., Agroecosys., 2002. — vol.64. — pp. 213–224.
4. Surange, S., A. G. Wollum, N. Kumar and C. S. Nautiyal. Characterization of Rhizobium from root nodules of leguminous trees growing in alkaline soils. // Can. J. Microbiol., 1995. — vol.43. — pp. 891–894.
5. Almeida, H.J., Pancelli, M.A., Prado, R.M., Caval- cante, V.S., Cruz, F.J. R. Effect of potassium on nutritional status and productivity of peanuts in succession with sugar cane // J. Soil Sci. Plant Nutr., 2015. — 15, 1–10.
6. Gallegos-Cedillo, V.M., Urrestarazu, M., Álvaro,J. E. Influence of salinity on transport of Nitrates and Potassium by means of the xylem sap content between roots and shoots in young tomato plants // J. Soil Sci. Plant Nutr., 2016. — 16 (4), 991–998
7. Yang, B.M., Yao, L.X., Li, G.L., He, Z.H., Zhou, C. M. Dynamic changes of nutrition in litchi foliar and effects of potassium-nitrogen fertilization ratio // J. Soil Sci. Plant Nutr., 2015. 15, 98–110.
8. Parmar, P., Sindhu, S. S. Potassium solubiliza- tion by rhizosphere bacteria: influence of nutri- tional and environmental conditions // J. Microbiol. Res., 2013. — 3, 25–31.
9. Meena, V.S., Maurya, B.R., Verma, J.P., Aeron, A., Kumar, A., Kim, K., Bajpai, V. K. Potas- sium solubilizing rhizobacteria (KSR): Isolation, identification, and K-release dynamics from waste mica //Ecol. Eng., 2015. — 81, 340–347.
10. Saha, M., Maurya, B.R., Meena, V.S., Bahadur, I., Kumar, A. Identification and characteriza- tion of potassium solubilizing bacteria (KSB) from Indo-Gangetic Plains of India // Biocatal. Agri. Biotechnol., 2016. — 7, 202–209.
11. Archana, D., Nandish, M., Savalagi, V., Alagawadi, Characterization of potassium solubilizing bacteria (KSB) from rhizosphere soil. // BIOIN- FOLET-A Quarterly J. Life Sci., 2013. — 10, 248–257.
12. Н. А. Михайловская, А. Ф. Черныш, С. А. Касьянчик. Влияние бактериального удобрения Калиплант на урожайность и качество яровой пшеницы на эродированных почвах // Весці нацыянальнай акадэміі навук Беларусі серия аграрных навук2010. — 2, С. 51–58.
13. Большой практикум по микробиологии. Под ред. Г. Л. Селибера, Москва, 1965. 330 с.
14. Звягинцев Д. Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. Москва, 1991. 365 с.