UDK 631.461.5 Азотфиксирующие бактерии
The research was conducted to assess the effect of biofertilizers on productivity and microbiocenosis of buckwheat. The experiment was conducted in 2023 in a greenhouse in the Republic of Tatarstan on buckwheat of the Nikolskaya variety. The experimental scheme included the following options: without plants (control 1); without fertilizers (control 2); N60P60K60; zeolite from the Tatar-Shatrashan deposit (particle size 0.04 mm) 1 t/ha; soaking seeds in a suspension of a consortium of microorganisms at the rate of 1 l/t per day. preparation; soaking of seeds in suspension of the biological preparation Azolene (Azotobacter vinelandii IB-4) at the rate of 1 l/t of the preparation; consortium of microorganisms + zeolite; Azolene + zeolite. The consortium of microorganisms included strains of nitrogen-fixing (Azotobacter chroococcum and Pseudomonas brassicacearum) and phosphate-mobilizing (Sphingobacterium multivorum and Achromobacter xylosoxidans) rhizobacteria isolated from the soil of Tatarstan, identified and deposited in a 1:1 ratio by suspension weight (bacterial suspension density up to 8,109 CFU/cm3). Buckwheat yields in the variants with zeolite and mineral fertilizer were 1.3 and 1.8 times higher than in the control, respectively. The maximum weight of fruits in the experiment was noted in variants with a consortium of microorganisms in pure form and together with zeolite - 2.5 and 2.9 times higher than in the control. Biofertilizers, NPK and zeolite can be arranged in the following order according to their effectiveness: consortium of microorganisms > consortium of microorganisms + zeolite > NPK > zeolite. The use of Azolene did not lead to an increase in buckwheat yield compared to the control. During the growing season, in variants with a consortium of microorganisms, not only the best representation of agronomically significant microorganisms (ammonifiers, diazotrophs, phosphate mobilizers, actinobacteria) was noted, but also a high respiratory activity of the soil microbiota. A consortium based on autochthonous nitrogen-fixing and phosphate-mobilizing bacteria can serve as the basis for the creation of an integrated biofertilizer for a wide range of crops.
autochthonous bacteria, zeolite, complex fertilizers, buckwheat (Fagopyrum esculentum), yield, microbial cenosis.
Гречиха для многих стран мира служит стратегически важным крупяным сельскохозяйственным растением [1, 2]. Будучи стойкой к сорнякам и вредителям, для повышения урожайности гречиха, как и многие другие культуры, нуждается в качественной обработке семян. Много интересных и перспективных данных представлено в научной литературе по повышению продуктивности гречихи. Значимость применения биопрепаратов представлена в статье З. М. Алещенковой с соавторами (2015), в которой авторы считают перспективными азотфиксирующий Raoultella oxytoca 15MS и фосфатмобилизующий Serratia plymuthica 35MS штаммы в качестве основы комплексного биоудобрения [3]. Разработаны регуляторы роста нового поколения, способствующие уменьшению кратности обработки посевов фунгицидами в период вегетации и снижающие норму их расхода на 25…50 %. Повышая продуктивность культуры, регуляторы роста усиливают устойчивость растительного организма к абиотическим и биотическим факторам внешней среды [4]. Использование в качестве компонента комплексных удобрений цеолита может стать доступным и дешевым способом восстановления плодородия почв [5].
Для любой почвенной экосистемы важно знать особенности структуры и функций ее микробного сообщества, влияющего на урожайность и состояние компонентов трофической цепи почва – микроорганизмы – растения. Именно микроорганизмы дают обширную информацию для решения проблемы, связанной с производством экологически безопасных продуктов [6, 7, 8]. В связи с тем, что микрофлора почвы и ризосферы не стабильна, а ее численность меняется в зависимости от фазы онтогенеза растения, необходим учет агрономически значимых групп в ризосфере гречихи [9].
Цель исследований – оценка влияния биоудобрений на продуктивность и микробиоценоз гречихи для повышения почвенного плодородия.
Условия, материалы и методы. Опыт был заложен в 2023 г. в вегетационном домике, расположенном на территории лаборатории молекулярно-генетических и микробиологических методов ФИЦ КазНЦ РАН, Республика Татарстан (РТ), г. Казань). Период вегетации 2023 г. характеризовался жаркой погодой с минимумом осадков (табл. 1).
Таблица 1 – Погодные условия периода вегетации 2023 г.
|
Месяц |
Среднемесячная температура, ˚С |
Отклонение от нормы, ˚С |
Осадки, мм |
% от нормы |
|
Май |
16,3 |
+2,3 |
39 |
103 |
|
Июнь |
16,6 |
-1,7 |
9 |
16 |
|
Июль |
21,8 |
+1,3 |
57 |
92 |
|
Август |
20,5 |
+2,3 |
21 |
39 |
|
Сентябрь |
15,5 |
+3,2 |
10 |
19 |
Схема вегетационного опыта включала следующие варианты: без растений (контроль 1); без удобрений (контроль 2); N60Р60K60; цеолит в дозе 1 т/га; замачивание семян в суспензии консорциума микроорганизмов (КМ); замачивание семян в суспензии препарата Азолен; замачивание семян в суспензии КМ + цеолит; замачивание семян в суспензии препарата Азолен + цеолит. Опыт был заложен на серой лесной среднесуглинистой почве со следующей характеристикой: гумус – 3,11 %, рН сол. – 5,5; S по – 20,2 мг-экв./100 г; N щел. – 77 мг/кг; подвижные Р2О5 – 238 мг/кг и К2О – 180 мг/кг (по Кирсанову, ГОСТ Р 54650-2011).
Использовали следующие микробиологические средства: консорциум, выделенных из почв Татарстана, идентифицированных и депонированных штаммов азотфиксирующих (Azotobacter chroococcum и Pseudomonas brassicacearum), и фосфатмобилизующих (Sphingobacterium multivorum и Achromobacter xylosoxidans) ризобактерий в соотношении 1:1 по массе суспензии (плотность бактериальной суспензии ‒ до 8,0·109 КОЕ/см3); жидкий биопрепарат Азолен, Ж (на основе Azotobacter vinelandii ИБ-4) производства Россельхозцентра Республики Татарстан (РТ). В варианте с цеолитом применяли минерал Татарско-Шатрашанского месторождения РТ с размером частиц 0,04 мм.
Растительный объект – гречиха сорта Никольская.
Минеральное удобрение азофоску вносили при набивке сосудов Вагнера (объем 5 л). Почвенные образцы из ризосферы растений отбирали в фазы бутонизации и созревания гречихи, в которые определяли количество ризосферной микрофлоры (аммонифицирующих, азотфиксирующих, фосфатмобилизующих и кислотоустойчивых бактерий, актинобактерий, микромицетов) и респираторную активность почвы [10]. Для количественной характеристики ризосферного эффекта использовали соотношение R/S, где R – количество микроорганизмов в ризосфере, а S – во внеризосферной почве [11]. Урожайность гречихи (массу плодов на сосуд) учитывали в фазе созревания.
Статистическую обработка результатов осуществляли с использованием электронных таблиц Excel и программы Origin 4.1. Достоверность различий полученных результатов между вариантами оценивали с использованием коэффициента Стьюдента (р<0,05).
Результаты и обсуждение. Урожайность плодов гречихи практически во всех вариантах опыта значительно превосходила контрольный (табл. 2). Так, при использовании цеолита и минеральных удобрений она была выше в 1,28 и 1,82 раз соответственно.
Биоудобрения, NPK и цеолит по эффективности действия можно расположить в следующий ряд: КМ > КМ + цеолит > NРK > цеолит. Только применение Азолена не привело к повышению урожайности, по сравнению с вариантом без удобрений, в то время как при использовании комбинации Азолен + цеолит она была выше, чем в контроле, на 3,5 %.
Следует выделить два варианта – КМ + цеолит и КМ, в которых масса урожая выше контроля в 2,5 и 2,9 раза соответственно.
Таблица 2 – Урожайность гречихи в фазе созревания в зависимости от использования удобрений, биопрепаратов и цеолита
|
Вариант |
Урожайность плодов, г/сосуд |
Прибавка к контролю, % |
|
Без удобрений (контроль) |
8,11 |
- |
|
NРK |
14,80 |
+82,49 |
|
Цеолит |
10,40 |
+28,24 |
|
КМ |
23,44 |
+189,02 |
|
Азолен, Ж |
8,01 |
-1,23 |
|
КМ + цеолит |
20,14 |
+148,34 |
|
Азолен, Ж + цеолит |
8,39 |
+3,5 |
|
НСР0,95 |
0,21 |
|
Для любой почвенной экосистемы важно знать особенности структуры и функций ее микробного сообщества, влияющего на урожайность, и состояние компонентов трофической цепи почва – микроорганизмы – растения. Именно они дают обширную информацию для решения проблемы, связанной с производством экологически безопасных продуктов.
|
|
|
|
а |
б |
|
|
|
|
в |
г |
|
|
|
|
д |
е |
|
|
|
|
ж |
|
Рис. 1 – Численность ризобактерий гречихи в зависимости от использованных удобрений (106 КОЕ/г): 1 – контроль 1; 2 – контроль 2; 3 – NРK; 4 – цеолит; 5 – КМ; 6 – Азолен; 7 – цеолит + КМ; 8 – цеолит + Азолен;
а – аммонификаторы, б – диазотрофы, в – фосфатмобилизующие, г – актинобактерии д – бактерии – минерализаторы, е – кислотоустойчивые бактерии, ж – денитрификаторы;
черный столбик – фаза бутонизации, серый столбик – фаза созревания гречихи.
Количество аммонифицирующих микроорганизмов в большинстве вариантов выше в фазе бутонизации. Только при использовании консорциума их численность возрастает к периоду созревания гречихи, что косвенно подтверждает способность автохтонных бактерий, составляющих основу консорциума, выдерживать засуху. Подтверждением этому служат и ранее проведенные исследования [12, 13].
В контрольных вариантах отмечено ожидаемо низкое количество аммонифицирующих микроорганизмов в обе фазы. В варианте КМ + цеолит отмечена самая высокая представленность аммонификаторов во время бутонизации и достаточно хорошая – в фазе созревания исследуемой культуры.
Практически во всех вариантах азотфиксаторов больше во время созревания. Исключение составляют два варианта – цеолит и Азолен + цеолит. Минимальное в опыте количество диазотрофов в фазе бутонизации отмечено в контроле без растений и с NPK, а максимальное – с цеолитом и консорциумом микроорганизмов.
Во время созревания лидером по присутствию азотфиксаторов становится вариант КМ + цеолит. В варианте с одним консорциумом микроорганизмов численность их высока, но несколько ниже, чем в варианте КМ + цеолит. Низкое присутствие диазотрофов во время всей вегетации отмечено в пяти вариантах: в обоих контрольных, а также в вариантах с NPK, Азоленом, Азоленом с цеолитом. Разброс значений ризосферного эффекта R/S (изменение состава сообщества микроорганизмов под действием корневой экссудации растений) у азотфиксаторов в обе фазы онтогенеза составляет от 0,2 до 3,7.
Следовательно, во время вегетации гречихи в вариантах с консорциумом микроорганизмов отмечена лучшая представленность агрономически важной группы бактерий – диазотрофов. Эти микроорганизмы не только способны фиксировать молекулярный азот, но и обогащать им почву.
Очень важно для почвенного плодородия и хорошего роста сельскохозяйственных культур присутствие фосфатмобилизующих микроорганизмов. Минимальное в опыте их количество отмечено в большинстве вариантов, кроме двух, где использован консорциум микроорганизмов (КМ и КМ + цеолит). Только в них численность фосфатмобилизаторов существенно превышает таковую в остальных вариантах. Например, по сравнению с контролем без удобрений, количество этих микроорганизмов в фазе бутонизации выше в 16,2 раза, в конце вегетации – в 15,3 раза. Объяснением такого их высокого присутствия только в двух вариантах выступает, по-видимому, хорошая адаптация составляющих основу консорциума бактерий Sphingobacterium multivorum и Achromobacter xylosoxidans с высокой способностью утилизирорвать фосфаты в новой для них экологической нише.
В онтогенезе гречихи четко прослеживается тенденция увеличения актинобактерий в вариантах с консорциумом микроорганизмов. Достаточно много представителей этой группы микроорганизмов и в варианте Азолен + цеолит. Обычно актинобактерии в большем количестве представлены в конце сезона. Полученные нами данные подтверждают это. Максимальное в опыте соотношение R/S у актинобактерий отмечено в фазе цветения – 19,5, в конце вегетации оно было равно 4,5. И по присутствию этих микроорганизмов в ризосфере гречихи лидируют варианты с консорциумом микроорганизмов.
Для более полной информации о состоянии почвы необходимо знать численность бактерий, использующих минеральные формы азота. Во всех вариантах кроме контроля без удобрений их больше в фазе бутонизации. При этом самое высокое количество в этот период отмечено в варианте КМ + цеолит, затем идут варианты с использованием КМ, цеолита и NPK. В конце вегетации их больше в двух вариантах – КМ и КМ + цеолит. Самый высокий в опыте ризосферный эффект у минерализаторов был отмечен в начале вегетации 6,4, а к концу сезона снижался до 2,9.
Кислотоустойчивые бактерии, которые считают одним из маркеров способности почвенной микрофлоры выдерживать стресс, максимально присутствуют в вариантах с КМ, Азоленом, КМ + цеолит. Только в трех вариантах (Азолен, КМ + цеолит и Азолен + цеолит) этих бактерий был больше в конце вегетации. Максимальное соотношение R/S у них сопоставимо – 6,7 (фаза бутонизации) и 6,8 (фаза созревания). В пользу присутствия этой группы именно в вариантах с консорциумом микроорганизмов свидетельствует то, что бактерии, составляющие его основу, могут развиваться в широком диапазоне рН.
Присутствие денитрификаторов во всех вариантах (исключение – контроль 1) существенно выше в фазе бутонизации. Из-за высокой температуры воздуха в июле и августе численность этих микроорганизмов резко уменьшается к концу вегетации гречихи, что выступает положительным фактом.
Почвенные микромицеты представляют группу микроорганизмов, универсальную по своему значению для формирования плодородия почвы. Количество почвенных грибов варьирует в фазе бутонизации от 10000 до 120000, а во время созревания – от 60000 до 130000 (рис. 2). В первой изучаемой фазе их практически нет только в варианте КМ + цеолит, численность микромицетов минимальна в контроле без растений и при использовании КМ. Ризосферный эффект у микромицетов в начале вегетации достигает 3,0, в конце сезона – 1,6.
Во время созревания количество микромицетов заметно увеличивается. Исключением выступает вариант с цеолитом, в котором в первой фазе выявлена максимальная в опыте величина этого показателя, и она остается практически такой же до конца вегетации.
Рис. 2 – Количество микромицетов в ризосфере гречихи в зависимости от использованных удобрений (103 КОЕ/г): 1 – контроль 1; 2 – контроль 2; 3 – NРK; 4 – цеолит; 5 – КМ; 6 – Азолен; 7 – цеолит + КМ; 8 – цеолит + Азолен; фаза онтогенеза: I – бутонизация, II – созревание.
Насколько активно протекают окислительно-восстановительные процессы и полноценно функционируют микроорганизмы позволяет оценить показатель, называемый «дыханием» почвы (рис. 3).
Рис. 3 – Респираторная активность почвенной микрофлоры (мг СО2/100 г×24 ч) при выращивании гречихи: 1 – контроль 1; 2 – контроль 2; 3 – NРK; 4 – цеолит; 5 – КМ; 6 – Азолен; 7 – цеолит + КМ; 8 – цеолит + Азолен.
Максимальное количество СО2 выделяется из почвы в фазе бутонизации – в период интенсивного роста гречихи. Наибольшая респираторная активность отмечена в двух вариантах – КМ и КМ + цеолит. Во время созревания интенсивность «дыхания» снижается, по-видимому, из-за жаркого лета. Однако в вышеперечисленных вариантах даже в этой фазе биологическая активность остается самой высокой.
Выводы. Максимальная в опыте масса (урожайность) плодов гречихи отмечена в двух вариантах с консорциумом микроорганизмов. При его использовании в чистом виде урожайность была выше, чем в контроле, в 2,5 раза, а в сочетании с цеолитом – в 2,9 раза. Биоудобрения, NPK и цеолит по эффективности действия можно расположить в следующий ряд: КМ > КМ + цеолит > NРK > цеолит. Во время вегетации гречихи в вариантах с консорциумом микроорганизмов отмечена не только лучшая представленность таких агрономически значимых микроорганизмов, как аммонификаторы, диазотрофы, фосфатмобилизаторы, актинобактерии, но и самая высокая в опыте респираторная активность почвенной микробиоты. Консорциум на основе автохтонных азотфиксирующих и фосфатмобилизующих бактерий перспективен в качестве основы комплексного биоудобрения для широкого спектра сельскохозяйственных культур.
1. Seraya TM, Belyavskaya YuA, Bogatureva EN. [Efficiency of buckwheat cultivation under various farming systems]. Pochvovedenie i agrokhimiya. 2017; 2 (59). 151-160 p.
2. Anokhina TA, Tsuganov AR, Polkhovskaya IV. [Prospects for increasing buckwheat production by optimizing mineral nutrition, taking into account the plant morphotype]. Vestnik Belorusskoy gosudarstvennoy selskokhozyaystvennoy akademii. 2020; 3. 135-138 p.
3. Aleshchenkova ZM, Safronova GV, Melnikov NV. [Nitrogen-fixing and phosphate-mobilizing bacteria for stimulating of agricultural crops growth]. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2015; 20 (1). 82-86 p.
4. Mishina OS, Belopukhov SL, Yushchenko YuA. [Application of bioregulators in intensive agricultural technologies for growing buckwheat]. Izvestiya vuzov. Prikladnaya khimiya i biotekhnologiya. 2016; Vol.6. 3(18). 72-80 p.
5. Degtyareva IA, Prishchepenko EA, Rakhmanova GF. [Evaluation of new generation fertilizers effect on the microbial cenosis of spring rape]. Agrokhimicheskiy vestnik. 2022; 5. 65-69 p.
6. Timofeeva AM, Galyamova MR, Sedykh SE. [Biological activity of soil bacteria that stimulate plant growth: nitrogen fixation, phosphate solubilization, siderophores synthesis. Prospects for the development of microbial consortia]. Agrokhimiya. 2024; 5. 85-95 p.
7. Khakimova LR, Chubukova OV, Akimova ES, Vershinina ZR. [Promising strains of phosphate-mobilizing rhizobacteria resistant to glyphosate and nickel]. Agrokhimiya. 2024; 12. 81-88 p.
8. Garipova SR, Pusenkova LI, Sidorova LV. [Evaluation of enzymatic and microbiological activity of soil of the rhizosphere of Solanum tuberosum L. under the influence of tuber treatment with endophytic bacteria Bacillus subtilis in the conditions of the Urals]. Agrokhimiya. 2024; 12. 54-63 p.
9. Philippot L, Chenu C, Kappler A. The interplay between microbial communities and soil properties. Nat Rev Microbiol. 2024; Vol.22. 226-239 p.
10. Dloem J, Hopkins DW, Benedetti A. Microbiological methods for assessing soil quality. CABI Publishing. 2006; 307 p.
11. Barber SA. [Microorganisms in rhizosphere and absorption of nutrients in the soil]. Moscow: Agropromizdat. 1988; 145 p.
12. Degtyareva IA, Motina TYu, Davletshina AYa. [The effect of soil moisture on the viability of microorganisms included in the complex biofertilizer]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2015; Vol.18. 12. 201-203 p.
13. Utkin AA, Noda IB. [Fertility and ecotoxicological state of light gray forest soils of Ivanovo region]. Agrokhimiya. 2024; 5. 71-78 p.
