Биологические особенности азотфиксирующих цианобактерий в экстремальных условиях

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мире ежегодное сокращение количества площадей, пригодных для посевов сельскохозяйственных культур, требует внедрение интенсивных биологических методов, применение которых позволит повысить плодородие почв и снизить себестоимость сельскохозяйственной продукции. В связи с этим, цианобактерии, обладающие большим набором биологически-ценных свойств, играющие ключевую роль в глобальном цикле азота и поддержании устойчивой экосистемы в экстремальных условиях, могут быть вовлечены в сферу мероприятий по улучшению плодородия почв и повышению производительности сельскохозяйственной продукции. В связи с этим, выделение солеустойчивых активных азотфиксирующих и фитогормонпродуцирующих местных штаммов цианобактерий в экстремальных условиях, создание на их основе биопрепаратов, повышающих урожайность культур, является наиболее актуальной проблемой . Во всем мире интенсификация сельского хозяйства в экстремальных условиях основывается на создании инновационно-эффективных методов улучшения плодородия почв и урожайности культур за счет использования различных микроорганизмов. В последнее годы инновационные разработки определяют необходимость выделения активных штаммов цианобактерий -азотфиксаторов, продуцентов фитогормонов, деструкторов пестицидов в почве, скрининг эффективных штаммов, а также создания на их основе биопрепаратов. Это требует выделения активных штаммов цианобактерий, обладающих высокой азотфиксирующей активностью, способностью к продуцированию фитогормонов, эффективной биоремедиации почвы в экстремальных условиях, в частности, при высоких концентрациях пестицидов и сильном засолении, и выявление их биологических особенностей. В связи с этим, одной из важнейших задач является поиск и отбор местных штаммов солеустойчивых, азотфиксирующих цианобактерий, активных продуцентов фитогормонов, обладающих многофункциональными свойствами, оценка их роли в биовосстановлении почвы и определение эффективности их применения в повышении плодородия в экстремальных условиях. В настоящее время в сфере развития сельского хозяйства особое внимание уделяется улучшению плодородия почв, повышению производительности культур и качества сельскохозяйвенной продукции. В этом отношении достигнуты важные результаты по созданию и применению экологически чистых биопрепаратов на основе азотфиксирующих ризобактерий, фосформобилизующих бактерий и свободноживущих сине-зеленых водорослей, улучшающих химический состав почвы, стимулирующих рост, развитие и повышающих урожайность культур. В связи с этим, большую актуальность приобретает необходимость получения научно подтвержденных данных по влиянию местных штаммов цианобактерий на плодородие почв, улучшение их агрохимического состава и получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур в экстремальных условиях. В стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан одной из основополагающих задач является «...широкое привлечение в сельскохозяйственное производство современных ресурсосберегающих агротехнологий»1. Исходя из поставленых задач, исследования по выделению чистых культур местных штаммов цианобактерий, определению их солеустойчивости, оценке азотфиксирующей активности цианобактерий в условиях загрязнения тяжелыми металлами и пестицидами, созданию на основе отобранных культур новых эффективных биопрепаратов имеют важное как научно-практическое, так и экологическое значение. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в УП 4947 от 7 февраля 2017 года Президента Республики Узбекистан «О стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», в УП 2460 от 29 декабря 2015 года Президента Республики Узбекистан «О мерах по дальнейшему реформированию и развитию сельского хозяйства на период 2016-2020 годы», в приказе № 142 от 27 мая 2013 года Кабинета Министров Республики Узбекистан «О программе действий по охране окружающей среды Республики Узбекистан на 2013 - 2017 годы», а также другими нормативно-правовыми документами, принятыми в данной сфере. Целью исследования является определение перспектив применения местных штаммов солеустойчивых азотфиксирующих цианобактерий с многофункциональными свойствами в биовосстановлении и повышении плодородия почв в экстремальных условиях. Научная новизна исследования заключается в следующем: впервые выявлена многофункциональность местных штаммов цианобактерий, выделенных из образцов засоленных и загрязненных пестицидами орошаемых почв Узбекистана и ризосферы хлопчатника, пшеницы, на основе изучения морфолого-культуральных и молекулярногенетических характеристик идентифицирована видовая принадлежность местных штаммов цианобактерий - Nostoc puriniforme 20, Nostoc linckia 4, Nostoc calcicola 25, Nostoc muscorum 14, Anabaena variabilis 18, Anabaena variabilis 21, Gloeothece rupestris 15, Synechococcus cedrorum 12; впервые обоснована способность местных штаммов цианобактерий расти, развиваться и активно фиксировать молекулярный азот при высоких концентрациях NaCl (800 мМ); установлено увеличение содержание гумуса, общего азота, калия, аммиачного азота и уменьшение содержание общего фосфора по отношению к контролю при интродукции в почву активных штаммов цианобактерий; впервые доказано резкое увеличение в клетках цианобактерий содержания глицина и пролина в ответ на солевой стресс, наличие одной формы ферментов альдегидоксидазы и ксантиндегидрогеназы; выявлено стимулирующее влияние культуральной жидкости цианобактерий на энергию прорастания, всхожесть и силу роста семян хлопчатника, а также высоту стебля и длину корня пшеницы; обосновано продуцирование индолил-3-уксусной кислоты (ИУК) цианобактериями вне зависимости от присутствия в культуральной среде L-триптофана; впервые доказана стабильная и высокая способность к деструкции линдана и полихлорированных бифенилов местными штаммами цианобактерий и их ассоциаций в условиях засоления. Выводы В результате исследований, проведенных в рамках докторской диссертационной работы «Биологические особенности азотфиксирующих цианобактерий в экстремальных условиях», представлены следующие выводы: 1. Впервые из образцов орашаемых почв с различной степенью засоления и загрязнения пестицидами Наманганской, Кашкадарьинской и Сырдарьинской областей Узбекистана и ризосферы растений выделены альгологически и бактериологически чистые местные штаммы цианобактерий - Nostoc puriniforme 20, Nostoc linckia 4, Nostoc calcicola 25, Nostoc muscorum 14, Anabaena variabilis 18, Anabaena variabilis 21, Gloeothece rupestris 15, Synechococcus cedrorum 12. 2. Подобраны оптимальные условия культивирования местных штаммов цианобактерий на среде BG-11O: температура 28-30°С, СО2 - 2%, освещенность - 3000 лк и pH среды 7,5, что дает возможность повысить накопление биомассы и азотфиксирующую активность культур. 3. Активные местные штаммы цианобактерий обладают значительной устойчивостью к высоким концентрациям хлорида натрия (800 мМ), что связано с увеличением содержания глицина и пролина в клетках цианобактерий, а также наличием одной формы альдегидоксидазы и ксантиндегидрогеназы. 4. Хлорид натрия в концентрации 200 мМ практически не подавляет азотфиксирующую активность цианобактерий, которая остается значительной при содержании в среде до 800 мМ NaCl. Выявлено, что при интродукции в почву активных солеустойчивых штаммов цианобактерий содержание гумуса увеличивается на 0,38 %, общего азота - на 0,8 %, аммиачного азота - на 0,003 мг/кг почвы, общего калия - 0,1 мг/кг почвы, а содержание общего фосфора уменьшается на 0,02 мг/кг почвы по отношению к контролю, что способствует улучшению химического состава и повышению плодородия почв в условиях засоления. 5. Установлено стимулирующее влияние цианобактерий N.pruniforme 20, N.calcicola 25, A.variabilis 21 и Gl.rupestris 15 на рост и развитие растений, которое определяется по положительному влиянию культуралной жидкости местных штаммов на энергию прорастания, всхожесть и силу роста семян хлопчатника, а также наземную и корневую системы пшеницы. 6. Стимулирующее влияние местных культур цианобактерий связано с продуцированием ими значительных количеств ИУК. Через 7 сут культивирования N.calcicola 25, Gl. rupestris 15 и Я. variabilis 21 содержание ИУК составляет от 13,65 до 19,00 мг/л. Добавление в среду культивирования триптофана в количестве 5 мг/мл увеличивает способность продуцирования ИУК от 30,45 до НО мг/л. 7. При концентрации 300 мМ NaCl продуцирование ИУК культурами Nostoc calcicola 25 и Anabaena variabilis 21 составляет от 12,2 до 14,5 мг/л. Присутствие триптофана на среде в концентрации 2,5 мг/мл способстует увеличению продуцирования ИУК более чем в 3 раза, что дает возможность использовать культуры для стимуляции роста и развития хлопчатника, пшеницы в засоленных почвах. 8. Впервые выявлена высокая деструктивная активность культур N. pruniforme 20, N. calcicola 25 и A. variabilis 21 полихлорированных бифенилов, что показывает возможность рекомендовать местные штаммы в качестве активных биодеструкторов пестицидов в почвах. 9. Деструктивная активность линдана культур Nostoc calcicola 25, N. pruniforme 20, Gl. rupestris 15 и Anabaena variabilis 21 и их ассоциации в почве в условиях 4% засоления составляет 99,3%. Это дает возможность рекомендовать использование активных штаммов цианобактерий и их ассоциаций для значительного снижения степени загрязнения линданом сильнозасоленных почв. 10. На основе культур Nostoc calcicola 25 и Anabaena variabilis 21, усиливающих рост и развитие растений и повышающих устойчивость к засолению, создан биопрепарат “CYANO-UZ”, обладающий биологической и экономической эффективностью. Биопрепарат с комплексным действием рекомендуется для усиления роста и развития, увеличения урожайности, устойчивости к засолению, повышения потенциальной азотфиксирующей активности и плодородия засоленных почв, а также активной деструкции пестицидов.