doi: 10.15389/agrobiology.2025.1.110rus
УДК 633.522:581.1:631.46
Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности, проект № FZSM-2022-0003.
РОСТ РАСТЕНИЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ РАЗНООБРАЗИЕ
МИКРОБИОТЫ ПОЧВЫ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ
КОНОПЛИ Cannabis sativa L. В МОДЕЛЬНОМ ОПЫТЕ В УСЛОВИЯХ
ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
А.Р. КАМАЛОВА ✉, Н.В. ДАНИЛОВА, П.А. КУРЫНЦЕВА,
П.Ю. ГАЛИЦКАЯ, С.Ю. СЕЛИВАНОВСКАЯ
Глобальное изменение климата Земли и вызванные им экологические, экономические и социальные риски связывают с накоплением в атмосфере парниковых газов, особенно СО2. В качестве эффективного способа снижения (секвестрации) содержания СО2 в воздухе рассматривается использование растений-суперпоглотителей СО2, из которых в последнее время наибольшее внимание привлекает техническая конопля Cannabis sativa L. Для этой культуры характерен быстрый рост, устойчивость к факторам окружающей среды, низкие затраты при культивировании и многоцелевое использование получаемой биомассы в качестве сырья для различных отраслей промышленности. В России в настоящее время отсутствуют программы и регламенты применения технической конопли для секвестрации СО2 атмосферы. При разработке таких программ следует учитывать способность растений изменять состав и функциональную активность почвенной микробиоты, что, в свою очередь, может повлиять на скорость роста растений, показатели почвенного плодородия, эмиссию СО2 почвенным покровом. Кроме того, важно определить, сохранится ли высокая эффективность секвестрации СО2 в экосистеме растения—почва—микроорганизмы в условиях глобального повышения температур и как при этом изменится состояние почвы и ее микробной компоненты. Для этих целей в модельном опыте в условиях вегетационного домика мы оценили воздействие температур (15 °С — характерна для вегетационного сезона в средней полосе России, тогда как 20 °С и 30 °С — повышенные температуры) на рост технической конопли и содержание хлорофилла, накопление углерода в почве под растениями, биоразнообразие и функциональную активность почвенной микробиоты, в частности на способность микроорганизмов разлагать углеродсодержащие субстраты, оцененное с помощью системы Biolog EcoPlates™. Все измерения, кроме количества углерода в почве, морфометрических характеристик растений конопли и содержания хлорофилла, выполняли в динамике — на 7-е, 28-е, 56-е и 98-е сут (в среднем продолжительность сезона вегетации в средней полосе России). Содержание углерода в почве под растениями определяли в 1-е и на 98-е сут, хлорофилла — на 28-е, 56-е и 98-е сут, морфометрические измерения выполняли на 98-е сут (окончание эксперимента). Исследования проводили с 14 марта по 19 июня в оранжерее ФГАОУ ВО К(П)ФУ (г. Казань) в 2023 году. Результаты исследования показали, что техническая конопля демонстрирует максимальный рост как надземной, так и подземной частей при температуре 30 °С, где высота растений составила 64,57 см, а корней — 25,27 см. В сравнении с температурой 20 °С, где наблюдались минимальные показатели (36,70 см и 14,36 см соответственно), рост при 30 °С оказался на 76 % выше (p < 0,05). Содержание хлорофилла в листьях конопли варьировало в зависимости от времени и температурного режима; на 28-е сут были выявлены достоверные различия в содержании хлорофилла (p < 0,05) для всех температур, а максимальные значения наблюдались только на 56-е сут эксперимента. К концу эксперимента количество хлорофилла снизилось во всех вариантах и не имело статистически значимых различий (p > 0,05). Установлено, что при одной и той же температуре образцы с почвой без конопли и с коноплей достоверно не различались по почвенной микробной биомассе: при 15 °С анализируемый показатель составил соответственно 0,92-0,64 и 0,96-0,62 мг/кг, при 20 °С — 1,92-0,84 и 1,74-1,03 мг/кг, при 30 °С — 3,58-2,06 и 3,08-2,24 мг/кг (p > 0,05). Повышение температуры приводит к увеличению микробной биомассы как при отсутствии, так и при наличии растений (3,58 и 3,08 мг/кг на 7-е сут, соответственно, р < 0,05). Функциональная активность микроорганизмов, установленная на основании среднего потребления 31 субстрата (параметр AWCD, averagewell-color development), при всех температурах инкубации на 28-е сут эксперимента в образцах без растений (0,49; 0,66; 0,54) и с растениями (0,29; 0,64; 0,30) и на 98-е сут эксперимента в образцах без растений (0,13; 0,36; 0,14) и с растением (0,55; 1,17; 0,54) достоверно не различалась (p > 0,05). Однако на 7-е сут повышение активности микроорганизмов отмечено в образцах с растениями, особенно при температуре 20 °С и 30 °С (1,23; 0,89; p < 0,05). Аналогичные закономерности на 7-е сут были установлены при оценки альфа-разнообразия (индекс Шеннона) микробных сообществ почв: наибольшее разнообразие отмечали при 15 °С, 20 °С и 30 °С как в образцах без растений (2,31; 1,90 и 1,60), так и с растениями (2,58; 2,46 и 2,32, p < 0,05). Наиболее востребованным углеродсодер-жащим субстратом (SWCD, substrate well-color development) для микробного сообщества контрольных образцов оказалась D-ксилоза, особенно при температуре 20 °С (1,89-3,53, p < 0,05), и ее потребление увеличивалось на протяжении всего эксперимента. В образцах с растениями также отмечалась высокая скорость потребления D-ксилозы при температуре 20 °С с максимальными значениями на 7-е сут эксперимента (3,33, p < 0,05). Результаты сравнения бета-разнообразия бактериального сообщества почвы (на основании данных SWCD) методом NMDS (non-metric multidimensional scaling) показали отсутствие различий между почвами (без растений и с растениями), инкубированными при разных температурах и отобранными на 7-е и 28-е сут. Образцы, инкубированные при всех трех температурах и отобранные под растениями на 98-е сут, образовывали отдельную группу, то есть имели большее единообразие микробных сообществ. Содержание Собщ. и Сорг. в почве изменялось в пределах ошибки и не зависело от присутствия растений или температуры (p > 0,05). Таким образом, показано, что у конопли при повышении температуры в период вегетации увеличивается длина надземных и подземных частей растения, что приводит к повышению эффективности секвестрации углерода атмосферы. При этом в почве изменяется количество микробной биомассы, а метаболическая активность микроорганизмов повышается уже на 7-е сут эксперимента. Представленная модельная система может использоваться для оценки эффективности секвестрации и состояния функциональных групп почвенного микробного сообщества при разработке программ выращивания технической конопли C. sativa в качестве растения-суперпоглотителя, в том числе при повышенных температурах, когда важно сохранить разнообразие почвенного микробиоты.
Ключевые слова: секвестрация, растения-суперпоглотители, микробная биомасса, техническая конопля, углеродные субстраты, функциональная активность микроорганизмов.
A.R. Kamalova✉, N.V. Danilova, P.A. Kuryntseva,
P.Yu. Galitskaya, S.Yu. Selivanovskaya
Global climate change on Earth and the resulting ecological, economic, and social risks are linked to the accumulation of greenhouse gases in the atmosphere, particularly CO2. The use of CO2 super-absorbing plants is considered an effective method for reducing (sequestering) CO2 levels in the air, with technical hemp (Cannabis sativa L.) recently attracting significant attention. This crop is characterized by rapid growth, resilience to environmental factors, low cultivation costs, and versatile biomass use as raw material for various industries. Currently, there are no programs or regulations in Russia for using technical hemp to sequester atmospheric CO2. When developing such programs, it is essential to consider the ability of plants to alter the composition and functional activity of soil microbiota, which can, in turn, affect plant growth rates, soil fertility indicators, and CO2 emissions from the soil cover. Additionally, it is important to determine whether the high efficiency of CO2 sequestration in the plant-soil-microorganism ecosystem will persist under global temperature increases and how soil conditions and its microbial components will change. To address these objectives, we conducted a model experiment in a greenhouse setting to evaluate the impact of temperatures (15 °С is typical for the growing season in central Russia; 20 °С and 30 °С are elevated temperatures) on the growth of technical hemp and chlorophyll content, carbon accumulation in the soil beneath plants, biodiversity, and functional activity of soil microbiota. This included assessing microorganisms' ability to decompose carbon-containing substrates using Biolog EcoPlates™. All measurements, except for soil carbon content, morphometric characteristics of hemp plants, and chlorophyll content, were carried out dynamically on 7th, 28th, 56th, and 98th days (average duration of the growing season in central Russia). Soil carbon content was determined on 1st and 98thdays; chlorophyll content on 28th, 56th, and 98th days; and morphometric measurements were made on 98th day (end of the experiment). The research was conducted from March 14 to June 19 in a greenhouse at Kazan Federal University in 2023. The results showed that technical hemp exhibited maximum growth for both aboveground and underground parts at 30 °С, with plant height reaching 64.57 cm and root length 25.27 cm. In comparison to 20 °С where minimum values were observed (36.70 cm and 14.36 cm, respectively) growth at 30 °С was 76 % higher (p < 0.05). Chlorophyll content in hemp leaves varied with time and temperature; significant differences in chlorophyll content (p < 0.05) were found on 28th day for all temperatures, with maximum values observed only on 56th day of the experiment. By the end of the experiment, chlorophyll levels decreased across all variants without statistically significant differences (p > 0.05). At the same temperature, samples with soil without hemp did not significantly differ from those with hemp concerning soil microbial biomass: at 15 °С, values were respectively 0.92-0.64 mg/kg and 0.96-0.62 mg/kg; at 20 °С 1.92-0.84 mg/kg and 1.74-1.03 mg/kg; at 30 °С 3.58-2.06 mg/kg and 3.08-2.24 mg/kg (p > 0.05). Increased temperatures led to higher microbial biomass both in the absence and presence of plants (3.58 mg/kg and 3.08 mg/kg on 7th day, respectively; p < 0.05). Functional activity of microorganisms was assessed based on average consumption of 31 substrates (AWCD, average well-color development) on 28th day for samples without plants (0.49; 0.66; 0.54) and with plants (0.29; 0.64; 0.30), as well as on 98th day for samples without plants (0.13; 0.36; 0.14) and with plants (0.55; 1.17; 0.54), which did not show significant differences (p > 0.05). However, on 7th day an increase in microbial activity was noted in samples with plants, especially at temperatures of 20 °С and 30 °С (1.23; 0.89; p < 0.05). Similar patterns on 7th day were established when assessing the alpha diversity (Shannon index) of soil microbial communities: the highest diversity was noted at 15 °С, 20 °С, and 30 °С both in samples without plants (2.31; 1.90; and 1.60) and with plants (2.58; 2.46; and 2.32; p < 0.05). The most sought-after carbon-containing substrate for the microbial communities (SWCD, substrate well-color development) in control samples was D-xylulose, particularly at 20 °С (1.89-3.53; p < 0.05), with its consumption increasing throughout the experiment. The results of comparison of beta diversity of the soil bacterial community (based on SWCD) using the NMDS (non-metric multidimensional scaling) method showed no differences between soils (without and with plants) incubated at different temperatures and sampled on the 7th and 28th days. Samples incubated under plants at all three temperatures on 98th day formed a separate group, indicating greater uniformity in microbial communities. The contents of total organic carbon (TOC) and soil organic carbon (SOC) in the soil remained within error margins and did not depend on the presence of plants or temperature (p > 0.05). Thus, it has been shown that in hemp, with an increase in temperature during the growing season, the length of the above-ground and underground parts of the plant increases, which leads to an increase in the efficiency of atmospheric carbon sequestration. The amount of microbial biomass in the soil changes, and the metabolic activity of microorganisms increases already on the 7th day of the experiment. The presented model system can be used to assess the efficiency of sequestration and the state of functional groups of the soil microbial community when developing programs for growing industrial hemp (C. sativa L.) as a superabsorbent plant, including at elevated temperatures, when it is important to maintain the diversity of soil microbial community.
Keywords: sequestration, carbon superabsorbent plants, microbial biomass, technical hemp, carbon substrates, microbial functional activity.
Кафедра прикладной экологии, |
Поступилавредакцию 1 июня 2024 года |
