Участие бактерий Р. Siderococcus в трансформации соединений железа в затопленных почвах

вости содержания достаточно вариабельный - от низкого до очень высокого.

На территориях с конкретными почвенно-климатическими условиями при усилении антропогенной деятельности формируется пространственная дифференциация содержания микроэлементов. Поэтому для организации сельскохозяйственного производства необходимо знать условия формирования микроэлементного статуса земельного участка в связи с основными свойствами почвы.

Подвижный никель в почвах пашни содержится в концентрациях 0,3-0,7 мг/кг, но в почвах северных районов независимо от типа его содержание значительно выше 1,0-1,6 мг/кг. Это может связано с более высокой кислотностью почвенного раствора и более низким содержанием органического вещества.

Таким образом, микроэлементный состав почв внутри почвенных округов юго-восточной окраины Западной Сибири по валовому содержанию характеризуется низкой изменчивостью по всем элементам, по подвижным формам элементов, уровень изменчи-

Литература

1. Трофимов С.С. Экология почв и почвенные ресурсы Кемеровской области. - Новосибирск: Изд-во «Наука» Сибирское отделение, 1975. - 299 с.

2. Орлов Д.С. Микроэлементы в почвах и живых организмах // Соросовский образовательный журнал, № 1, 1998. - С. 61-68.

3. Кабата-Пендиас, Кабата-Пендиас Х. микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. - 439 с.

4. Пейве Я.В. Биохимия почв. - М.: Госсельхозиздат, 1961. - 422 с.

5. Овчаренко М.М., Шильников И.А., Комарова Н.А. Приемы детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами // Агрохимический вестник, 2005, № 3. - С. 2-4.

6. Панасин В.И. Микроэлементы и урожай. - Калининград: ОГУП «Калининградское кн. изд-во», 2000. - 274 с.

7. Хохлова Т.И. Генетические и агрохимические особенности почв Кузнецкой лесостепи и закономерности распределения в них микроэлементов: автореф. дис... канд. биол. наук. - Томск, 1967. - 16 с.

8. Плохинский Н.А. Биометрия. Изд. 2-е. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - 370 с.

9. Ильин В.Б. Биогеохимия и агрохимия микроэлементов (Mn, Cu, Mo, B) в южной части Западной Сибири. - Новосибирск: «Наука» Сибирское отделение, 1973. - 390 с.

10. Флоринский М.А., Лунев М.И., Кузнецов А.В. и др. Методические указания по проведению комплексного агрохимического обследования почв сельскохозяйственных угодий. - М.: Центр научно-техн. информ., пропаганды и рекламы, 1994. - 96 с.

УДК 631.461:631.416.872

УЧАСТИЕ БАКТЕРИЙ Р. SIDEROCOCCUS В ТРАНСФОРМАЦИИ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА В ЗАТОПЛЕННЫХ ПОЧВАХ

А.А. Ванькова, к.б.н.

РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: mbiol@timacad.ru

В статье приведены результаты количественной оценки интенсивности окисления железа новыми штаммами бактерий р. Siderococcus, выделенными из затопленных почв рисовников Краснодарского края. Изучено влияние этого процесса на окислительно-восстановительное состояние среды. Установлена способность изученных штаммов к образованию железоорганических комплексов, повышающих подвижность и доступность растениям элементов питания.

Ключевые слова: почва, микроорганизмы, железо, трансформация.

Р. SIDEROCOCCUS ACTIVITY IN IRON COMPOUNDS TRANSFORMATION IN IRRIGATED SOILS

A.A. Van'kova

New strains of iron-oxidizing mycoplasmalike bacteria g. Siderococcus have been both isolated from paddy soils in Krasnodar region and identified. Bacterial iron oxidation intensity and influence on redox state of the environment were studied. It has been established the ability of bacteria to form iron-organic complexes, increasing mobility and availability of nutrients in plants.

Keywords: soil, microorganisms, iron, transformation.

Проблема трансформации переменновалентных элементов, в частности металлов, имеет большое значение для понимания геохимических закономерностей миграции элементов в земной коре, почве и водоемах, разработки биотехнологий оптимизации минерального питания растений и повышения их продуктивности [1, 2]. Основной

окислительно-восстановительной системой в рисовниках принято считать систему Fe2+-Fe3+ [3]. При постоянном чередовании окислительных и восстановительных условий трансформация железа осуществляется быстро и с ней прямо или косвенно связаны изменения направленности элементарных почвенных процессов, определяющих эволюцию почв рисовых полей.

Исследованиями отечественных и зарубежных ученых установлено, что мобилизация железа в почве под рисом, изменение его подвижности и доступности для растений - результат жизнедеятельности микроорганизмов [4, 5]. В настоящей работе изучены новые штаммы железоокисляющих бактерий р. 81йетососсш, выделенные из образцов лугово-черноземной почвы рисовых полей Краснодарского края, и их роль в трансформации железа в почве.

Железоокисляющую активность бактерий определяли по остаточному количеству закисного железа в питательной среде через 20 дней после инокуляции. Закисное железо определяли колориметрически с а-а-дипиридилом, рН и БИ -потенциометрически по общепринятым методикам, комплексообразующую способность - по изменению эффективной растворимости осадка труднорастворимой гидроокиси железа при разной концентрации бактерий -103 и 105 клеток/мл. Контроль - без инокуляции. Содержание железа в растворе определяли через 7 сут. на атомно-абсорбционном спектрофотометре Регкш Е1тег-503. При подготовке образцов для ИК спектроскопии штаммы выращивали на плотной питательной среде с различной концентрацией лимоннокислого железа(П) - 10 и 100 мг/л. Через 10 сут. биомассу смывали с поверхности среды и после очистки от агара центрифугированием высушивали при 90 °С до постоянного веса. Образцы для снятия ИК-спектров получали прессованием таблеток сухой биомассы бактерий с КВг.

Выделенные штаммы способны к окислению железа, которое откладывается на поверхности клеток в капсулах. Анализ закисного железа в среде через 20 дней культивирования микроорганизмов показывает, что окисление железа штаммами идет с различной интенсивностью (табл. 1). Наиболее активна культура 9, за указанный промежуток времени она окисляет около 8 мг/л закисной формы железа. Процесс окисления идет практически без изменения рН и окислительно -восстановительного потенциала (ЕК) в среде. Интегральной характеристикой напряженности окислительно-восстановительных процессов в среде с разными значениями рН и ЕК считается степень окисленности системы - гН2 [2]. Расчет этой величины показывает, что среда становится более окисленной при культивировании на ней штаммов 1, 2, 7-9.

Для оценки деятельности железобактерий в почве необходимо знать механизмы их взаимодействия с субстратом. Влияние железобактерий на состояние соединений железа в почве обусловлено выделением в окружающую их среду специфических продуктов обмена. На основании изучения морфологии и физиологии выделенных штаммов железобактерий можно предположить несколько вариантов их воздействия на субстрат, в результате которого происходит окисление железа и его отложение на поверхности клеток бактерий.

Большинство выделенных штаммов обладает каталазной активностью, поэтому отложение окислов железа на поверхности клеток может происходить в результате взаимодействия перекиси водорода, конечного или промежуточного продукта окисления органических веществ, с ионами железа в реакции сопряженного окисления с участием каталазы [6]. Гетеротрофный тип питания выделенных микроорганизмов позволяет также предположить их способность разлагать железоорганические соединения с последующим использованием органической части в метаболических процессах и отложением окисного железа в капсулах или на поверхности клеток.

При наличии на поверхности клеток соединений с отрицательным зарядом: мукополисахаридов, полисахаридов и фосфолипидов не исключена также физико-химическая адсорбция железа [7]. Поскольку большинство изученных штаммов имеет слизистую капсулу, присутствие на поверхности их клеток перечисленных выше органических соединений весьма вероятно. Кроме того, осаждение железа в виде гидроокиси на клетках возможно в связи с локальным повышением окислительно-восстановительного

потенциала или рН, вследствие выделения бактериями щелочных продуктов обмена, временного избытка ионов (Мп4+, 8042- N0^ и др.) или молекулярного кислорода. Весьма динамичное окислительно-восстановительное состояние поверхности клеток бактерий вполне допустимо, если принять во внимание отсутствие у большинства штаммов истиной клеточной стенки и учесть специфические условия их местообитания. Что касается взаимосвязи концентрации ионов и ОВ-потенциала, то они рассматривались нами для корневого чехла растений, развивающихся в условиях анаэробиоза и для почвенной системы [8].

1. Влияние железобактерий на содержание закисного железа, рН и ЕИ в питательной среде

№ штамма Содержание Fe2+ в среде рН ЕИ, мВ по ХСЭ гН2

мг/л % к контролю

Контроль 16,50 7,97 279 25,2

1 12,83 78 7,96 305 26,1

2 19,33 117 8,38 287 26,3

3 11,33 69 7,78 278 24,8

4 14,00 85 8,16 265 25,2

5 10,58 64 7,90 267 24,7

6 15,83 96 8,46 266 25,8

7 10,41 63 8,40 267 25,7

8 8,66 53 8,53 265 25,9

9 3,02 0,41 17,66

НСР

Одним из механизмов накопления железа изученными бактериями может быть процесс комплексообразования, который сводится к выделению в окружающую среду специфических

хелатообразующих соединений, своеобразных «переносчиков» железа к клетке. Комплексообразующая способность выделенных штаммов тем более вероятна, что процесс окисления ими железа практически происходит без изменения окислительно-восстановительного потенциала и кислотности среды.

В конечном итоге рассмотренные выше процессы приводят к миграции железа из среды к бактериальной клетке как к «центру осадкообразования» и локальному его накоплению. У одного организма вполне вероятно существование одновременно нескольких механизмов осаждения или накопления железа. Преобладание одного или совместное функционирование нескольких механизмов будет зависеть от конкретных условий среды обитания и физиологических особенностей вида бактерий.

Применение метода ИК-спектроскопии для анализа биомассы чистых культур железобактерий, выращенных при различных концентрациях железа (II) в питательных средах, позволяет в некоторой степени судить о возможном механизме связывания железа бактериальной клеткой. ИК-спектр в большинстве случаев служит «отпечатком пальцев» молекулы. Поглощение в ИК-области характерно для отдельных атомных группировок, при этом интенсивность поглощения прямо пропорциональна их концентрации. Таким образом, измеряя интенсивность поглощения можно количественно определить любой компонент в исследуемом образце. Сравнивая характеристичные пики ИК-спектров биомассы штамма, выращенного при концентрациях лимоннокислого железа (II) в средах 10 и 100 мг/л, можно предположить, в какие атомные группировки включается железо при поглощении его клеткой. Следует отметить, что интерпретация ИК-спектров биомассы бактерий затруднена из-за ее многокомпонентности. Однако, следуя порядку просмотра спектра по областям длин волн [9, 10], удается ориентировочно идентифицировать основные функциональные группы. Количественную оценку функциональных групп по ИК-спектрам сухой биомассы пяти штаммов железоокисляющих бактерий, проводили по соотношению интенсивностей пиков характерных частот и их изменению, что служит достаточно надежным критерием происходящих в микробной клетке перемен при поглощении железа.

Соотношение интенсивностей полос поглощения, обусловленных карбонильной и гидроксильной группами позволяет судить о степени окисленности системы. В том случае, если имеющееся в среде закисное железо окисляется за счет карбонильной группы, можно ожидать, что это соотношение будет уменьшаться при поглощении клетками железа, то есть в варианте с концентрацией лимоннокислого железа (II) в питательной среде - 100 мг/л. Данные показывают, что для штаммов 1, 4, 5 это не характерно. Окисление железа штаммами 2, 7 возможно за счет карбонильной

группы, поскольку наблюдается уменьшение соотношения интенсивностей соответствующих пиков.

Сопоставление интенсивностей полос поглощения, обусловленных карбоксильной группой и С-Н группировкой в составе метильных или метиленовых групп позволяет заключить, что доля связанных карбоксильных групп при поглощении железа клетками бактерий увеличивается. Исключение составляют штаммы 1 и 4. Аналогичная закономерность прослеживается у всех штаммов для соотношения пиков, характеризующих спиртовые и фенольные группы. При поглощении бактериями железа путем его физико-химической адсорбции на поверхности клеток можно предположить увеличение содержания в биомассе минеральных компонентов, идентифицируемое пиком при длине волны 1075 см [9, 10]. Полученные результаты показывает, что при большем потреблении железа микроорганизмами, интенсивность этого пика, характерного для колебаний С-О и ОН групп в основном падает. Вероятно, сорбция железа происходит именно за счет этих групп. Степень гидратированности биомассы снижается при поглощении бактериями железа.

Анализ ИК-спектров биомассы чистых культур железоокисляющих бактерий показал, что при поглощении железа клетками микроорганизмов доля свободных карбоксильных, спиртовых и фенольных функциональных групп сокращается, что свидетельствует об их возможной заблокированности катионом металла и позволяет предположить способность исследуемых штаммов к

комплексообразованию.

Для проверки гипотезы о возможной способности клеток железобактерий или их метаболитов вступать в реакции хелатизации с железом в модельном опыте была проведена оценка комплексообразующей способности бактерий по эффективной растворимости гидроокиси железа Fе(OН)3 при внесении их в раствор с исходной концентрацией 103 и 105 клеток бактерий в 1мл. Результаты показали, что железоокисляющие бактерии закономерно подщелачивают раствор, причем увеличение значений рН всеми штаммами коррелирует с повышением титра вносимых бактерий (табл. 2).

Отмечен рост окислительно-восстановительного потенциала в среде при внесении большинства изучаемых штаммов. Для штаммов 3 и 8 оно наблюдается уже при концентрации 103 клеток/мл, для штаммов 2, 4-7, 9 - лишь при большем титре микробных клеток. Для штамма 1 изменений ОВП в среде не зарегистрировано.

Увеличение эффективной растворимости гидроокиси железа в растворе наблюдается в присутствии штаммов 1, 2, 5 при исходной концентрации микроорганизмов 103 клеток/мл и для штаммов 1 и 4 при концентрации 105 клеток/мл. Штаммы 3 и 7 проявляют лишь тенденцию к увеличению содержания растворимого железа в среде. Штаммы 8 и 9 не влияют на растворимость гидроокиси железа. Расчет величины комплексообразующей способности (КСх) [5] железоокисляющих бактерий по отношению к железу показал, что штаммы 1, 2, 4, 5 такой способностью обладают.

2. Комплексообразующая способность железоокисляющих микоплазм

№ штамма 103 клеток/мл 105 клеток/мл

pH Eh, мВ Fe3+, мг/л КС pH Eh, мВ Fe3+, мг/л КС

Контроль 4,63 363 0,27 1,0 4,63 363 0,27 1,00

1 4,71 345 0,48 10,2 4,84 367 0,44 7,08

2 4,81 365 0,48 10,2 4,83 395 0,34 2,52

3 4,77 372 0,09 0,01 4,82 405 0,30 1,53

4 4,77 362 0,10 0,02 4,91 391 0,37 3,53

5 4,82 361 0,42 5,87 5,00 401 0,30 1,53

7 4,8 359 0,34 2,52 4,93 384 0,29 1,34

8 4,73 379 0,13 0,05 4,93 388 0,22 0,43

9 4,72 348 0,20 0,30 4,75 408 0,26 0,87

НСР 0,04 9 0,13 0,06 10 0,08

ОО 0,01 3 0,05 0,02 3 0,03

Способность бактерий образовывать комплексы с железом облегчает мобилизацию этого элемента из труднорастворимых природных соединений. В составе комплексных и внутрикомплексных (хелатных) соединений железо теряет свойства характерные для катиона: образование труднорастворимых фосфатов, осаждение в виде гидроокиси [11-16]. Благодаря хорошей растворимости, устойчивости и высокой подвижности в широких пределах рН, железоорганические комплексы имеют большое значение в выветривании, миграции элементов в почвенном профиле, снабжении растений микроэлементами и поливалентными катионами.

Таким образом, полученные результаты могут служить основой для разработки биотехнологии

регулирования подвижности поливалентных элементов в прикорневой зоне растений как способа повышения их продуктивности, т.к.:

1. Бактерии р. Siderococcus интенсивно окисляют железо, которое откладывается на поверхности их клеток в капсулах, и служат «центрами осадкообразования» этого элемента в почве.

2. Изученные штаммы железоокисляющих бактерий повышает эффективную растворимость гидроокиси железа, не вызывая при этом значительных изменений окислительно-восстановительного состояния окружающей среды.

3. Выявлена способность изученных бактерий к образованию комплексов с железом как одного из возможных механизмов окисления этого элемента.

Литература

1. Илялетдинов А.Н. Микробиологические превращения металлов. Алма-Ата: Наука, 1984, 268с.

2. Кутузова Р.С. Полиморфный микроорганизм, способный осаждать алюминий на клеточной поверхности // Сельскохозяйственная биология, 2011, № 3. - С. 102-107.

3. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: Изд-во МГУ, 1985. - 376 с.

4. Аристовская Т.В. Микробиология процессов почвообразования. - Л.: Наука, 1980. - 188 с.

5. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. - М.: Наука, 2003. - 348 с.

6. Пиневич А.В. Микробиология железа и марганца. - СПб: Изд-во СПбГУ, 2005. - 373 с.

7. Сидоренко О.Д., Сидибе Г., Савич В.И. Влияние монокультуры риса на биологическую активность лугово-черноземной почвы // Изв. АН СССР, сер. биол., 1990, № 3. - С. 470-473.

8. Brune A., Frenzel P., Cypionka H. Life at the oxic-anoxic interface: microbial activities and adaptations // FEMS Microbiol. Rev., 2000, vol. 24. - P. 691-710.

9. Дубинина Г.А. Биология железобактерий и их роль в образовании железомарганцевых руд. Дисс. д.б.н. - М., 1977. - 394 с.

10. Савич В.И., Ванькова А.А., Гущин В.П. Электрохимические и концентрационные поля в почве и их регулирование // Изв. ТСХА, 1989, вып. 2. - С. 63-71.

11. Кончиц В.А., Черников В.А. Применение ИК-спектроскопии для исследования органического вещества почв. - М.: МСХА, 1990. - 64 с.

12. Савич В.И., Трубицина Е.В., Муради Н.М. Комплексообразующая способность почвенного раствора и органического вещества почв // Изв. ТСХА, 1988, вып. 1. - С. 73-80.

13. Антипов-Каратаев И.Н., Цюрупа И.Г., Алферова В.А. Закономерности биохимического разложения альбита и мусковита // Миграция химических элементов при процессах выветривания. Кора выветривания. - М.,1966, вып. 7. -С. 53-89.

14. Кауричев И.С., Ноздрунова Е.М. Роль компонентов водорастворимого органического вещества растительных остатков в образовании подвижных железоорганических соединений // Почвоведение, 1961, № 10. - С. 10-18.

15. Плеханова И.О. Мобилизация железа и марганца бактериями в почвах под рисом. Автореф. дисс. к.б.н. - М., 1986. - 24 с.

16. Кононова М.М., Титова Н.А. Применение электрофореза на бумаге для фракционирования гумусовых веществ и изучения их комплексных соединений с железом // Почвоведение, 1961, № 11. - С. 81-88.