Биологические науки / 6. Микробиология

Лаврентьєва К.В., аспірант, Харченко П.І., студент, Черевач Н.В., к.б.н., доцент, Вінніков А.І., д.б.н., професор

Дніпропетровський національний університет

 

ФАКТОРИ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА МОБІЛІЗАЦІЮ МАЛОРОЗЧИННИХ ФОСФАТІВ ГРУНТОВИМИ БАКТЕРІЯМИ

 

Фосфор – необхідний елемент живлення рослин. Він поглинається ними у вигляді вищого окислу РО43- і не змінюється, включаючись в органічні сполуки. У рослинних тканинах концентрація фосфору становить 0,2-1,3 % від сухої маси рослини. В орному шарі ґрунту запаси фосфору відносно невеликі – 2,3 - 4,4 т/га (у перерахуванні на Р2O5). Від цієї кількості 2/3 складають солі ортофосфорної кислоти, а 1/3 – органічні фосфоровмісні сполуки (органічні залишки, гумус, фітат та ін.). Фітати становлять половину органічного фосфору ґрунту. Більша частина фосфорних сполук малорозчинна в ґрунті. Це, з одного боку, знижує інтенсивність процесу вимивання фосфору із ґрунту, а з іншого – обмежує можливості використання його рослинами.

Основне природне джерело надходження фосфору в орний шар – вивітрювання ґрунтоутворюючої породи, де він знаходиться головним чином у вигляді апатитів 3Ca3(PO4)2·CaF2 та ін. Трьохзаміщені фосфорні солі кальцію та магнію і солі полуторних оксидів заліза й алюмінію (FeРО4, АlРО4 у кислих ґрунтах) є слаборозчинними та малодоступними для рослин. Двозаміщені та особливо однозаміщені солі кальцію та магнію, тим більше солі одновалентних катіонів і вільна ортофосфорна кислота є розчинними у воді й використовуються рослинами в якості головного джерела фосфору в ґрунтовому розчині. Рослини здатні поглинати і деякі органічні форми фосфору (фосфати цукрів, фітин). Концентрація фосфору в ґрунтовому розчині невелика (0,1-1 мг/л) [10].

Фосфор органічних залишків і гумусу мінералізуються ґрунтовими мікроорганізмами і більша його частина перетворюється в малорозчинні солі. Рослини отримують із них фосфор завдяки виділенню коренями органічних кислот, які хелатують двовалентні катіони і підкисляють ризосферу, сприяючи переходу Н2РО4- → HPO42- → РО43-. Деякі сільськогосподарські культури добре засвоюють важкорозчинні фосфати (люпин, гречка, горох). Ця здатність у рослин збільшується з віком.

Певне число бактеріальних штамів можуть позитивно впливати на ріст рослин. Здебільшого вони асоційовані з рослинною ризосферою. Фосфатмобілізуючі бактерії здатні переводити в доступну рослинам форму трикальційфосфат, дикальційфосфат, гідроксиапатит, кам’яний фосфат. Фосфатмобілізацію можуть проводити бактерії таких родів: Alcaligenes, Acinetobacter, Arthrobacter, Azospirillum, Bacillus, Burkholderia, Enterobacter, Erwinia, Flavobacterium, Paenibacillus, Pseudomonas, Rhizobium, Serratia тощо [1, 2, 8, 9, 10].

На процеси фосфатмобілізації в ґрунті впливають різноманітні фактори. Тому дуже цікавим і необхідним є вивчення дії різних факторів (джерело вуглецю та азоту, аерація, температура, засоленість ґрунту та ін.), які можуть впливати на ріст мікроорганізмів та на процес розчинення ними фосфатів. Це дозволить покращити живлення рослин, активізувати їх ріст і розвиток, значно підвищити врожайність. Застосування процесу фосфатмобілізації і вивчення факторів його регуляції є актуальними завданнями сільськогосподарського виробництва.

У процесі життєдіяльності бактерії можуть використовувати декілька механізмів трансформації фосфору. Розчинення мінеральних фосфатів в результаті синтезу органічних кислот використовують більшість ґрунтових бактерій. Насамперед, бактерії можуть продукувати глюконову (штами Pseudomonas sp., Erwinia herbicola, Pseudomonas cepacia, Burkholderia cepacia); 2-кетоглюконову (штами Rhizobium leguminosarum, Rhizobium meliloti, Bacillus firmus) кислоти. Бактерії роду Bacillus синтезують суміш молочної, ізовалеріанової, ізобутилової та оцтової кислот. Окремі представники ґрунтової мікрофлори утворюють гліколеву, щавелевооцтову, малонову та сукцинілову кислоти. Іншим механізмом фосфатмобілізації є ферментативне дефосфорилювання органічних сполук фосфору при участі ферментів – фосфатаз. Окремі мікроорганізми здатні виділяти сірководень, азотну, карбонову та інші неорганічні кислоти. Так, нітрифікуючі бактерії, окисляючи амоній, утворюють азотну кислоту; сіркобактерії, окисляючи сірководень і сірку, утворюють сірчану кислоту, а інші мікроорганізми в процесах дихання виділяють вуглекислий газ, що переходить у вуглекислоту. Всі ці кислоти взаємодіють із Ca3(PO4)2 і утворюють дифосфат і монофосфат кальцію, доступні рослинам:

Са3(РО4)2 + 4НNO3 = Са(Н2РO4)2+2Са(NO3)2;

Са3 (РO4)2 + 2H2SO4 = Ca(H2PO4)2+2CaSO4;

Са3(РO4)2 + 2СO2 + 2Н2O = 2СаНРO4 + Са(НСО3)2.

Дані механізми складаються з декількох послідовних метаболічних реакцій, результатом яких є звільнення доступного фосфору у вигляді мінеральних легкорозчинних солей фосфорної кислоти до ґрунтового розчину, які поглинаються коренями рослин. У більшості бактерій у природних умовах ці механізми проходять одночасно [1, 2, 4, 5, 6].

Значний відсоток фосфору в ґрунті перебуває у вигляді трикальцієвих фосфатів і інших важкорозчинних солей фосфору. Процес розчинення трикальційфосфату мікроорганізмами не є специфічним. Мікроорганізми в цьому процесі беруть участь побічно[1, 2, 3, 7].

Фосфорні сполуки, що перебувають у ґрунті і потрапляють до нього разом з добривами, вступають у взаємодію із ґрунтовими катіонами, колоїдами, живими організмами. Кальцій ґрунту енергійно зв'язує фосфорну кислоту, утворюючи малорозчинні у воді сполуки. Д. Н. Прянишніков вказував на велике значення ґрунтових катіонів, зокрема  кальцію і натрію у динаміці фосфору  в ґрунті [2, 3]. Кальцій, внесений у карбонатний ґрунт у вигляді вуглекислої солі, різко знижує розчинність фосфатів. Про негативний вплив кальцію на розчинність ґрунтових фосфатів повідомляють також Bartolomew, Wіld, Окружко зі співавторами [5, 10]. Іони натрію сприяють розчиненню трикальцієвого фосфату. Здатність моновалентних катіонів переводити до розчину невеликі кількості фосфору важкорозчинних сполук послужило підставою для рекомендації спільного внесення в ґрунт фосфоритного борошна і калійних солей. Але в умовах польового досліду даний прийом не виправдав себе.

Під дією мінеральних і багатьох органічних кислот розчинність трикальцієвого фосфату прямо пропорційна зниженню значення рН.

Вплив вуглекислого кальцію на розчинність трикальцієвого фосфату досліджував Бард. Він вивчав контактну рівновагу в суміші чистих препаратів солей в умовах, наближених до складу, в 100 г ґрунту 5 г СаСО3 і 242 мг РO4 у вигляді Са3(РO4)2. Під контактною рівновагою він розумів те співвідношення іонів, що створюється при змішуванні 2 г сухого ґрунту з 100 мл розчину НСl (з бажаним рН) протягом 2 хвилин, враховуючи фільтрування (умовність даного поняття визнає сам автор). У суміші із препаратом Са3(РO4)2 при обробці соляною кислотою швидко знижувався рН, у той час як у препаратах СаСО3 і суміші СаСО3 із Са3(РО4)2 кислотність знижувалася повільніше. У водному розчині препарату Са3(РО4)2 кількість розчинного фосфату була вищою, ніж у такому ж розчині, що містив суміш трикальцієвого фосфату та СаСО3. При подальшому додаванні кислоти ця тенденція зберігалася. Отже, іон кальцію припиняє розчинність Ca3(PO4)2 [6, 7 , 8].

Агрохіміками встановлено, що Р2О5 краще поглинається рослинами в присутності (NH4)2SО4. При інтенсивному поглинанні рослиною азоту сірчанокислого амонію, вона звільняє аніон SО42-, що розчиняє фосфат кальцію. Перотті встановив, що найбільша кількість фосфат-іонів звільнялася з трикальційфосфату, коли мікроорганізми вирощували на середовищі із сульфатом амонію в якості джерела азоту. Джерелом вуглецю в його дослідах виступала сахароза. Той факт, що на середовищі із сірчанокислим амонієм при одночасному споживанні азоту й звільненні SО42-, ступінь мобілізації фосфатів різний, свідчить про мінімальну участь фізіологічної кислотності сірчанокислого амонію в утворенні рухливого фосфору бактеріями на середовищах із цукрами, що легко окисляються. Значну участь тут приймають органічні кислоти біологічного походження.

Цікавим є також вплив солей органічних кислот. На середовищах із солями моновалентних катіонів лимонної кислоти мікроорганізми в лужних умовах здатні перевести до розчину з важкорозчинним мінеральним фосфатом невелику кількість фосфору. [8]

Аналогічні досліди були проведені із солями лужних металів бурштинової кислоти й відзначено, що в цих умовах бактерії розвиваються значно слабше, ніж на середовищах із цитратами. Аналіз результатів дослідів з вивчення причин розчинення фосфатів кальцію бактеріями в лужних умовах середовища дозволяє зробити висновок, що на звільнення фосфору з фосфориту в рухливий стан значно впливає характер катіона органічної кислоти. На середовищі з натрієвими й калієвими солями лимонної кислоти при вирощуванні бактерій спостерігалося деяке розчинення фосфориту, у той час як на середовищі з кальцієвими, і магнієвими солями кількість водорозчинного фосфору в контролі й досліді практично не змінювалася. Якщо зіставити кількість фосфору, що перейшов до розчину внаслідок підкислення середовища й впливу моновалентних катіонів, то можна зробити висновок, що процес мобілізації фосфатів кальцію в лужних умовах є незначним в порівнянні з дією кислот [1, 2, 3].

На фосфатмобілізацію впливають також і інші фізико-хімічні фактори.

Дослідження показали, що розчинення фосфориту залежить від концентрації фосфату в поживному середовищі, розмірів часток фосфориту, зниження рН, синтезу кислот і культури мікроорганізмів. 

Отримані дані вказують на те, що чим нижче кількість «придатного» фосфату, тим вище вихід Р2О5 з нерозчинного джерела фосфату. Подібні результати були отримані також іншими дослідниками. [8]

У дослідженні Venkaterswarlu  максимальне розчинення спостерігалося при внесенні часток фосфориту, розміром, менше 0,2 мм, що підтверджується й у роботах Ghosh і Banіc [2, 5]. Менші частки фосфориту краще підходять для «мікробної атаки». При збільшенні розміру часток, збільшується площа поверхні часток фосфату, що забезпечує кращий контакт і сприяє максимальному розчиненню фосфориту. Бактерії формують біоплівки на поверхні часток, утворюючи унікальні фізико-хімічні комплекси. У результаті ряд біокаталітичних перетворень приведе до посилення й інтенсифікації процесу розчинення фосфату.

рН середовища – один з найважливіших факторів, який визначає поглинання неорганічних мінеральних речовин рослинами.

Дуже висока кислотність знижує виживання бактерій в ґрунті, погіршує їх фіксацію на рослинному насінні, прикріплення до кореневих волосків; при цьому також інгібується розвиток самої рослини. Такі ефекти, вважають вчені, можуть бути пов’язані не тільки з дією іонів водню, але і з підвищенням токсичної дії алюмінію та марганцю, а також  із деяким зниженням доступності фосфору. Деякі фосфатмобілізуючі бактерії дуже чутливі до низьких значень рН, наприклад, багато штамів Rhizobium не можуть рости при рН < 5,0 і лише деякі штами R. tropici, R. loti, Bradyrhizobium витримують рН < 4,5. Причини різниці штамів у відношенні до кислотності можуть бути пов’язані з підтриманням рН цитоплазми, проникненістю мембран, метаболізмом кальцію. У деяких фосфатмобілізуючих бактерій виявлені білки кислотного шоку та двокомпонентна система передачі сигналів, які реагують на рН [3].

Температура ґрунту впливає на ріст та виживання фосфатмобілізуючих бактерій, їх взаємодію з рослинами. Бактерії здатні виживати при відносно низьких температурах, їх ріст та метаболічна активність звичайно знижуються при температурі нижче оптимальної. В помірних широтах вони звичайно виживають при 4°С, однак при цьому зовсім не спостерігається їх ріст. Ті бактерії, які пристосувались до низьких температур – наприклад, фосфатмобілізатори арктичних районів Канади, активно ростуть при 5°С. Висока температура викликає загибель мікроорганізмів. Проте діапазон критичних високих температур широко варіює. Так, бактерії ґрунтів Нігерії виживають при достатньо високих температурах. Дія високих температур на мікроорганізми значно залежить також від вологості ґрунту та його рН.

Зараз одним з напрямків використання біотехнологій у землеробстві є застосування біологічних препаратів на основі мікроорганізмів, які поліпшують фосфорне живлення рослин. Насамперед ведеться впровадження біотехнологій з використанням мікроорганізмів, які забезпечують підвищення врожаїв шляхом регуляції надходження в рослини поживних речовин. Високий рівень забезпечення фосфором особливо необхідний сучасним інтенсивним сортам культурних рослин, у яких у результаті селекції посилена здатність до споживання цих елементів харчування. Сьогодні потреба таких сортів у живленні забезпечується за рахунок внесення високих доз мінеральних добрив. За допомогою фосфатмобілізуючих мікроорганізмів, отриманих  шляхом селекції, можна постачати рослині необхідну кількістю азоту й фосфору із природних ресурсів цих елементів у ґрунті, причому таких ресурсів, якими сама рослина скористатися не може. Фосфору в ґрунті сільськогосподарських угідь чорноземної зони достатньо. Багаторічне застосування мінеральних фосфорних добрив надзвичайно збільшило кількість цього елемента в ґрунті, тому що коефіцієнт засвоєння фосфору з мінеральних добрив рослинами в найкращому разі становить 10- 15%. Основна частина неспожитого фосфору закріплюється в ґрунті. Фосфор закріплений у ґрунті у вигляді водонерозчинних сполук і, отже, для рослин недоступний. Дефіцит фосфору незабаром   стане першочерговою проблемою у світовому землеробстві, тому що запаси цього елемента на планеті, на відміну від азоту, обмежені.

Тому на основі фосфатмобілізуючих бактерій створюються біологічні препарати. Дійсно, на основі високоефективних і конкурентоздатних штамів фосфатмобілізуючих бактерій і ендомікоризних грибів, виділених із ґрунту, створюються біопрепарати для поліпшення фосфорного живлення рослин. Якщо в ґрунті є дефіцит доступного для рослин фосфору, то інокуляція біопрепаратами на основі ендомікоризних грибів, фосфат мобілізуючих бактерій забезпечує цим елементом живлення практично всі сільськогосподарські культури у кількості, що відповідає внесенню на гектар 40 - 50 кг діючої речовини, що втримується в 120 - 150 кг мінеральних фосфорних добрив [10].

Однак, ефективне використання фосфатмобілізуючих бактерій неможливе без вивчення всіх факторів, які впливають на процеси фосфатмобілізації. І на основі вивченого можна селекціонувати потрібні конкурентоздатні штами бактерій залежно від грунтово-кліматичних умов регіону, в якому їх будуть застосовувати; регулювати дані процеси перетворення фосфору у ґрунті; раціонально застосовувати біодобрива; розумно формувати їх бактеріальний склад тощо. 

 

Література

1.     Vessey J. K. Plant growth promoting rhizobacteria as biofertilizer // Plant and soil. – 2003. – Vol. 255. – P. 571-586.

2.     Machi Sueo. Phosphate solubilizers. // Japan FNCA Biofertilizer Project Group. Xelo library. – 2006. – P. 103-110.

3.      Спайнк Г. Rhizobiaceae – Молекулярная биология бактерий, взаимодействующих с растениями. – С.-П.: Kluwer Academic Publishes, 2002. – 567 с.

4.     Hesham M. A., El-Komy. Coimmobilization of Azospirillum lipoferum and Bacillus megaterium for Successful Phosphorus and Nitrogen Nutrition of Wheat Plants // Food Technol. Biotechnol. – 2005 – P. 19-27.

5.     Didiek H., Goenadi L. Bioactivation of Poorly Soluble Phosphate Rocks with a Phosphorus-Solubilizing Fungus // Soil Sci. Soc. Am. – 2000. – P. 927-932.

6.     Cristofaro A. Adsorption of Phosphate and Tartrate on Hydroxy Aluminum–Oxalate Precipitates // Soil Sci. Soc. Am. – 2000. – P. 1347-1355.

7.     Noriharu A. E. Phosphorus (P) solubilizing ability from sparingly soluble P forms on the root surface of groundnut // OTANI Takashi – 1998. – P. 197-204.

8.     Grover R. Rock phosphate and phosphate solubilizing microbes as a source of nutrients for crops // Dissertation – Patiala, 2003. – P. 1-51.

9.     Souchie E. L. Phosphate solubilization and synergism between P-solubilizing and arbuscular mycorrhizal fungi // Pesq. agropec. - 2006. – P. 1405-1411.

10. Полевой В. В. Физиология растений. – М.: Высшая школа. – 1989. – 464 с.