doi: 10.15389/agrobiology.2017.1.191rus
УДК 631.46:574.24:546.30-022.532
Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 14-36-00023).
ДЕЙСТВИЕ НАНОЧАСТИЦ Al2O3 НА ПОЧВЕННЫЙ МИКРОБИОЦЕНОЗ, СОСТОЯНИЕ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ И МИКРОФЛОРУ КИШЕЧНИКА КРАСНОГО КАЛИФОРНИЙСКОГО ЧЕРВЯ (Eisenia fоetida)
Е.В. ЯУШЕВА1, Е.А. СИЗОВА1, 2, И.А. ГАВРИШ2, С.В. ЛЕБЕДЕВ2,
Ф.Г. КАЮМОВ2
Обсуждение возможности применения наноматериалов в агротехнологиях ограничивается тем, что число работ по комплексной оценке биологических рисков при использовании наногербецидов и наноудобрений и изучению воздействия наноматериалов, в частности наночастиц (НЧ) металлов, на почвобионтов невелико. Мы сравнили влияние наночастиц Al2O3 на микрофлору почвы и кишечника красного калифорнийского червя(Eisenia fоetida), адаптационные способности этого почвобионта и особенности вермикомпостирования. Предварительный анализ биологической активности НЧ Al2O3 in vitro проводили в тесте ингибирования бактериальной биолюминесценции. Из особей используемого биоиндикаторного вида, имеющих одинаковую массу, сформировали пять групп (в каждой n = 10). При культивировании вI, II, III и IV группах в субстрат добавляли НЧ Al2O3 в дозах соответственно 50, 100, 300, 3000 мг/кг; V группа служила контролем (НЧ в почву не вносили). На 14-е сут определяли антиоксидантную активность каталазы (КТ), супероксиддисмутазы (СОД) и оценивали численность микрофлоры кишечника червей, а также численность микробов в почве. Для определения общей численности микроорганизмов проводили посев на мясо-пептонный агар. Микроорганизмы, использующие минеральные формы азота, выделяли на крахмал-аммиачном агаре (КАА), микроскопические грибы — на среде Чапека, азотфиксаторы — на среде Эшби, целлюлозолитические микроорганизмы — на среде Гетчинсона. При максимальной дозировке вносимых в почву наночастиц оксида алюминия отмечалось увеличение смертности червей (до 20 %). В результате воздействия исследуемых наночастиц происходил рост активности СОД и КТ. При повышении содержания НЧ Al2O3 с 50 до 3000 мг/кг наблюдалось снижение общего числа микроорганизмов в почве: без вермикомпостирования — на 61,7-67,6 %, с вермикомпостированием — на 55,6-61,3 %. Количество грибов в почве в I, II, III и IV группах снизилось соответственно на 42,8; 52,4; 61,9 и 76,2 % относительно контроля; численность азотфиксирующих бактерий — на 64,3; 77,9; 78,6 и 85,7 %, число бактерий, культивируемых на КАА, — на 22,7; 38,6; 84,1 и 86,4 %. В I группе число целлюлозолитических бактерий в почве увеличилось на 6,9 %. Во II, III и IV группах, напротив, отмечали снижение их количества (на 16,7; 12,5 и 25,0 %). В кишечнике E. foetida с ростом содержания НЧ Al2O3 в грунте с 50 до 3000 г/кг также происходило снижение общего числа микроорганизмов — на 9,7-43,2 %. Численность грибов уменьшилась в I, II, III и IV группах соответственно на 18,0; 20,0; 39,0 и 40,0 % относительно контроля, количество азотфиксирующих бактерий — на 16,0; 60,0; 78,8 и 80,0 %. Число целлюлозолитических бактерий в кишечнике E. foetida увеличивалось под действием минимальных дозировок наночастиц (на 16,0 %), тогда как во II, III и IV группах оно снижалось (на 8,0; 32,0 и 40,0 %). Численность бактерий, культивируемых на КАА, уменьшалась в кишечнике особей из I, II, III и IV групп — соответственно на 13,3; 46,7; 60,0 и 73,3 %. Таким образом, имело место дозозависимое действие наночастиц и постепенное развитие бактерицидного эффекта в отношении почвенной и кишечной микрофлоры при возрастании количества НЧ Al2O3 в почве. Обнаруженное негативное влияние НЧ Al2O3 на почвенный биоценоз проявилось в его обеднении, что ведет к деградации почв и снижению их плодородия. Полученные данные подтверждают необходимость комплексной оценки биотоксичности НЧ в разных средах обитания. По показателям антиоксидантной системы установлены адаптационные способности E. fоetida на фоне внесения в почву НЧ Al2O3.
Ключевые слова: наночастицы, Eisenia fоetida, каталаза, супероксиддисмутаза, микроорганизмы.
E.V. Yausheva1, Е.А. Sizova1, 2, I.A. Gavrish2, S.V. Lebedev2,
F.G. Kayumov1
With the accumulation of experimental data it is evident that nanomaterials, which are widely used in human activity, look promising for agronomy. However, available publications on a comprehensive assessment of biological risks arising from nanoherbicides, nanofertilizers, etc., in particular on how the metal nanoparticles affect geobionts, are very limited. In the model experiments with California red worms Eisenia foetida as test organisms we studied the influence of aluminum oxide nanoparticles on soil biocoenosis and their biodegradation. We found an increase in mortality of worms up to 20 % at the maximum dosage of aluminum oxide nanoparticles introduced into the soil. Assay of antioxidant defense enzyme activity in the E. foetida revealed an increased superoxide dismutase and catalase level as influenced by the studied nanoparticles. The positive effect of their vermicomposting was shown. At increasing content of aluminum oxide nanoparticles (the nanoparticle dosage of 50, 100, 300, and 3000 mg/kg in the groups 1, 2, 3, and 4, respectively), the 61.7-67.6 % reduction in soil microorganism counts was found without vermicomposting vs. 55.6-61.3 % under vermicomposting. The number of microorganisms in the soil decreased in the groups 1, 2, 3 and 4 by 42.8, 52.4, 61.9 and 76.2 % for fungi, by 64.3, 77.9, 78.6 and 85.7 % for nitrogen-fixing bacteria, and by 22.7, 38.6, 84.1 and 86.4 % for bacteria cultured on starch-and-ammonia agar. The number of cellulolytic bacteria increased by 6.9 % in the group 1 and decreased by 16.7, 12.5 and 25.0 % in the groups 2, 3 and 4, respectively. A similar trend was observed under the influence of aluminum oxide nanoparticles on the E. foetida intestinal microflora. As the soil content of aluminum oxide nanoparticles increased from 50 to 3000 g/kg, the total number of microorganisms in the E. foetida intestine decreased by 9.7 to 43.2 %. In this, fungi decreased in the groups 1, 2, 3 and 4 by 18.0, 20.0, 39.0 and 40.0 % as compared to control. The number of nitrogen-fixing bacteria was insignificant in the control samples and decreased in the E. foetida intestine in the groups 1, 2, 3 and 4 by 16.0, 60.0, 78.8 and 80.0 %. The cellulolytic bacteria counts increased in the intestine of E. foetida (by 16.0 %) at minimum nanoparticle dosages, whereas in the groups 2, 3 and 4 this index was lower by 8.0, 32.0, 25.0 and 40.0 %. The number of bacteria cultured on starch-and-ammonia agar decreased in the E. foetida intestine in groups 1, 2, 3 and 4 by 13.3, 46.7, 60.0 and 73.3 %. Therefore, our data indicate dose-dependent effects of aluminum oxide nanoparticles and gradual development of their toxicity toward soil and intestinal microflora at increasing levels in the soil. The negative impact of the aluminum oxide nanoparticles on soil biocenosis was shown that was manifested in its depletion, leading to soil degradation and decreased fertility. We confirmed the necessity for complex assessment of nanoparticle biotoxicity in a variety of habitats. The antioxidant system activityin the presence of Al2O3 nanoparticles is indicative of E. foetida adaptability to stress caused by these agents.
Keywords: nanoparticles, Eisenia fоetida, catalase, superoxide dismutase, microorganisms.
1ФГБНУ Всероссийский НИИ мясного скотоводства,
|
Поступила в редакцию |
Оформление электронного оттиска
