Ученые создали биопрепараты на основе биочара и устойчивых к стрессу бактерий

13:15, 25 августа 2023

Они помогают растениям выживать в засуху и на загрязненных металлом почвах

Исследования по созданию биопрепарата проводятся под руководством Адарша Кумара. Фото из личного архива Адарша Кумара.

Биологи УрФУ совместно с коллегами из Индии создали два биопрепарата на основе биочара и ризобактерий (Plant Growth Promoting, PGP), стимулирующих рост растений. Биопрепараты повышают продуктивность сельскохозяйственных культур, особенно при дефиците воды, помогают им выживать в загрязненных металлами (в частности, кадмием) почвах. Модельные эксперименты по тестированию новых биопрепаратов на культурных растениях описаны в статье в журнале Plants. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 21-76-00011).

«Для изготовления биочара в качестве сырья мы использовали стебли амаранта, которые часто остаются в виде невостребованных отходов, однако являются потенциальным источником гемицеллюлозы (до 16 %) и целлюлозы (до 25 %). Также особенность биопрепаратов заключается в добавлении PGP-ризобактерий — штаммы Serratia sp. FV43b и Pseudomonas sp. ASe42b. Мы выделили их на участках, подверженных сильному полиметаллическому загрязнению. Отобранные штаммы не только обладают способностью к синтезу гормонов роста (ауксинов), продукции сидерофоров и солюбилизации недоступных форм фосфатов, но и способны выдерживать высокие концентрации кадмия и других тяжелых металлов, а также устойчивы к засухе», — рассказывает руководитель проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории биотехнологий поддержания и восстановления компонентов природных и трансформированных биосистем УрФУ Адарш Кумар.

Ученые полагают, новый биопрепарат будет полезен для регионов стран с хорошо развитой металлургической промышленностью, расположенных в полуаридных и аридных (засушливых) зонах. Например, с максимальной эффективностью биочар можно использовать как в России, так и в Индии, Китае и других странах.

Кадмий — один из самых токсичных тяжелых металлов. Загрязняет наземные и водные экосистемы, куда он попадает при добыче полезных ископаемых, в результате деятельности промышленных предприятий, использования удобрений и пестицидов. Ионы кадмия из почвы накапливаются в растениях и затем поступают в организм человека и животных. Кадмий может замещать цинк и некоторые другие эссенциальные микроэлементы, нарушая работу ключевых ферментов метаболизма.

«Проблема загрязнения кадмием сельскохозяйственных почв особенно остро стоит в районах интенсивного земледелия и высокого спроса на продукты питания. Он может быстро накапливаться в почве и воде и со временем загрязнять продовольственные культуры, создавая серьезную угрозу для здоровья потребителей», — добавляет Адарш Кумар.

Биочар (или биоуголь) ученые самостоятельно изготовили в процессе торрефикации или «мягкого» пиролиза — нагревом растительной биомассы в специально созданной печи без доступа воздуха при температуре 470°С в течение 160 минут. В мелкоизмельченный стерильный биочар добавили «чистые» культуры PGPR и полученные биопрепараты (концентрация внесения в почву — 2,5 % по объему), протестировали на рапсе в нормальных условиях и при стрессе. Опыты, проведенные in vitro и в горшечных культурах, по влиянию засухи и повышенной концентрации кадмия, показали достаточно высокую эффективность полученных биопрепаратов по сравнению с контрольной почвой и отдельным внесением биочара (без добавления бактерий).

«Биопрепараты не только повышали всхожесть семян, стимулировали рост и улучшали физиологические характеристики рапса, но и препятствовали аккумуляции ионов кадмия в надземной биомассе, стабилизируя их в корнях. Как показали эксперименты, наибольшей эффективностью обладал биопрепарат на основе штамма Pseudomonas sp. ASe42b, добавление которого в почву стимулировало увеличение сырой и сухой биомассы рапса более чем в два раза. Это означает, что мы получили лучший биопрепарат, улучшающий рост и повышающий устойчивость культурных растений — по крайней мере рапса — к засухе и действию кадмия», — поясняет соавтор статьи, заведующая лабораторией биотехнологий поддержания и восстановления компонентов природных и трансформированных биосистем УрФУ Мария Малёва.

Создание таких биопрепаратов позволит решить сразу несколько проблем, уверены биологи: утилизация растительных отходов при производстве биочара и фитостабилизация кадмия на загрязненных сельскохозяйственных территориях для получения чистой надземной растительной биомассы. В перспективе она может быть использована для получения биотоплива, что может помочь в снижении загрязнения окружающей среды и стимулировать экономику России.

Справка

PGP-ризобактерии или PGPR — полезные микроорганизмы, которые колонизируют корни растений и способствуют их росту с помощью различных механизмов, включая синтез фитогормонов. PGPR играют важную роль в поддержании устойчивости растений к биотическим (патогенным бактериальным и грибковым атакам) и абиотическим (засуха, засоление, тяжелые металлы и пр.) стрессам. Проблема заключается в том, что на сильно загрязненных почвах выживаемость этих бактерий обычно снижается; к тому же для наиболее эффективного проявления их PGP-свойств требуется подходящий «носитель», к примеру, биочар.

Амарант хвостатый (Amaranthus caudatus L.) — однолетнее быстрорастущее растение с высокой продукцией биомассы. В пищу используют семена (а также полученную из них муку), масло и свежую зелень. Содержит большое количество качественного белка и аминокислот (в том числе незаменимую аминокислоту лизин), а также большое количество биологически активных веществ. Стебли амаранта остаются невостребованными, однако ученые УрФУ предлагают их использовать в качестве источника целлюлозы при производстве биочара и в перспективе для получения биотоплива.

Рапс (Brassica napus L.) — одна из основных масличных культур технического назначения, активно используемая по всему миру. Рапсовое масло применяют для приготовления биодизеля, а масло отдельных сортов — в пищевой промышленности.

Сергей Лукьянченко