Биотехнологический потенциал азоллы

07.12.200440890

Биотехнологический потенциал азоллы


Кольцов П.В., аспирант кафедры ботаники и экологии, Калужский государственный педагогический университет им. К.Э. Циолковского (Koltzov@rambler.ru).

Гоготов И.Н. проф., зав. лабораторией биохимии и биотехнологии фототрофных микроорганизмов ИФПБ PAH (gogotov@ibbp.psn.ru).


Установлена возможность использования разных видов водного папоротника Azolla spp., являющегося симбиотическим азотфиксатором, для повышения плодородия почв рисовых полей связанными формами азота и биологически активными соединениями, очистки сточных вод от углеводородов и тяжелых металлов. Показана возможность использования его биомассы в качестве белково-витаминной добавки и источника биологически активных соединений для откорма рыб, животных, стимулятора роста растений, а также повышения их устойчивость к грибковым заболеваниям.


Ключевые слова: Azolla, плодородие почв, очистка сточных вод, биологически активные соединения.


Biotechnological potential of Azolla


Koltsov P.V., post-graduate student, Department of Botany and Ecology, K.E.Tsiolkovsky Kaluga State Teachers Training University (Koltzov@rambler.ru)

Gogotov I.N., Prof., Head of the Laboratory of Biochemistry and Biotechnology of Phototropic Microorganisms, Institute of Basic Biological Problems, RAS (gogotov@ibbp.psn.ru).


It has been established a possibility of using different species of water fern Azolla spp., a symbiotic nitrogen fixer, to increase the soil fertility of rice fields with bound nitrogen forms and biologically active compounds, to purify sewages from carbohydrates and heavy metals. A possible use of its biomass as a protein-vitamin admixture and a source of biologically active compounds for fish and cattle feeding, plants growth stimulator, as well as for increasing its resistance to fungic disease has been shown.

Key words: Azolla, soil fertility, sewages purification, biologically active compounds.


Важная роль в обогащении почв азотом в природе принадлежит симбиотическим азотфиксаторам, таким как клубеньковые бактерии рода Rhizobium, развивающемся в клубеньках бобовых растений, актиномицетам рода Frankia (в клубеньках ряда древесных растений) и водному папоротнику Azolla. Азолла, из 26 видов которого на нашей планете сохранилось лишь семь, представляет собой консорциум водного папоротника, в пазухах листьев которого находятся азотфиксирующая цианобактерия Nostoc azollae и хемотрофная бактерия Artrobacter sp., а на корешках – пурпурная бактерия Rhodobacter sp. Такой консорциум является эффективным источником связанного азота, фитогормонов, органических и других ценных соединений, позволяющих использовать биомассу в качестве удобрения при выращивании риса, получения биогаза, а также корма для рыб и животных [1-3]. В последние 20-30 лет начались интенсивные физиолого-биохимические исследования азоллы и оценка ее биотехнологического потенциала. Для этой цели в 1979 г. во Вьетнаме был создан Научный центр «Азолла», со специалистами которого и Институтом биологии (Ханой) более 15 лет продолжались нами совместные исследования биотехнологического потенциала разных видов азоллы и азотфиксирующих цианобактерий [2].


Азоллу можно выращивать на средах, не содержащих связанных форм азота (BG). Она способна размножаться как спорами, так и вегетативно. Скорость ее роста и выход биомассы на 50% ускоряется подобранными нами биостимуляторами (биогумус, сапропель и водные экстракты из них) или обработкой питательной среды низкими электромагнитными частотами (~6 Гц). Насыщающее значение света для ее роста зависит от температуры, снижаясь при ее уменьшении, и при освещенности не ниже 500-700 люкс. Обычно скорость ее роста возрастает с увеличением фотопериода. При оптимальной температуре (17-25ºС) и рН (6-8) насыщающая освещенность света для роста и максимального выхода биомассы азоллы при измерении ее на уровне листьев составляет около 30 клк. Устойчивость к высокой температуре у разных видов азоллы снижается в ряду Azolla mexicana > A. pinnata > A. caroliniana > A. filiculoides, а медленное ее развитие возможно и при 10ºС [1]. Она может расти на влажной почве, но более интенсивно – на биогумусе и при добавлении его или сапропеля в воду.


Питательные вещества потребляются азоллой из воды или почвы нижними долями листьев и корнями. Минимальные концентрации P, K, Mg и Са, необходимые для ее роста, составляют 0,03; 0,4; 0,4 и 0,5 мМ, соответственно. Она хорошо растет при содержании фосфора в среде 0,06-12 мг/л, а при его снижении в питательной среде до 0,03 мг/л в листьях повышается количество растворимых сахаров, но уменьшается выход биомассы, содержание в ней фосфора, азота, хлорофилла и происходит покраснение листьев, которое связано с накоплением в них антоциана. При недостатке фосфора лучше других видов растет A. pinnata. Поэтому на некоторых почвах эта культура растет и без внесения фосфорных удобрений. Обычно же в почве и воде фосфора недостаточно и поэтому при выращивании азоллы в полевых условиях в почву вносят 1 кг/га РО, который увеличивает содержание азота в биомассе A. pinnata и A. caroliniana, собранной с этой площади, на 2 кг. В неблагоприятных условиях фосфор повышает стабильность фотосинтетического аппарата [1].


При недостатке Са в среде происходит покраснение листьев азоллы, фрагментация стеблей, а иногда и потеря симбионтов. Содержание Са и Mg выше 1 мМ вызывает подавление роста азоллы. Неблагоприятное действие на рост А. pinnata оказывает недостаток в среде Fe, Mn, Co, Zn, Cu, Mo и В. Минимальные концентрации Fe, Mn, Mo и В для ее роста составляют около 50, 20, 0,3 и 30 мг/л, соответственно. Недостаток Fe вызывает пожелтение и уменьшение содержания хлорофилла в листьях азоллы. Это имеет место и при высоких концентрациях Fe вследствие уменьшения его доступности при избытке Са или высоких значениях рН. Содержание Fe в 1 мг сухой биомассы азоллы в три раза выше у культур, выросших при рН 6, чем рН 9. Недостаток или малая доступность железа, наряду с фосфором, ограничивает рост азоллы в природных условиях.


При температурах 15-35ºС наблюдается корреляция между нитрогеназной активностью симбионта N. azollae, содержанием азота в биомассе и скоростью роста разных видов азоллы с оптимумом при 25-30ºС. Активность нитрогеназы максимальна при 16-часовом фотопериоде (освещенность 16-20 клк), а скорость роста – при непрерывном освещении. Белый и зеленый свет повышают скорость азотфиксации. С наибольшей скоростью азотфиксация происходит у азоллы при влажности воздуха 80-90%. Оптимальные значения концентраций микроэлементов К, Р. Mg и Са для нитрогеназной активности симбионта азоллы N. azollae составляют 0,6; 0,03; 0,5 и 0,5 мМ, соответственно. При выращивании в течение 5 недель на средах с высокими концентрациями аммония (5 мМ), NO или мочевины (12,5 мМ) симбионт у разных видов азоллы сохраняет лишь 40-60% активности нитрогеназы. Однако нами получены при обработке клеток цианобактерии N-метил-N’-нитро-N-нитрозогуанидином мутанты N. azollae с дерепрессированным синтезом нитрогеназы, способные выделять в среду ионы аммония и обеспечивать на 60-70% азотом рост риса [4]. В клетках N. azollae присутствуют фикобилипротеины, 70% которых составляет фикоцианин, 17% фикоэритроцианин и 13% аллофикоцианины. Азолла относится к растениям С-типа.


Практическая ценность азоллы заключается в ее способности с высокой скоростью фиксировать молекулярный азот (1-2 кг N/сутки на гектар), высокой скорости размножения (время удвоения биомассы 0,35 сут) и выхода биомассы (до 2-3 т сухой биомассы с 1 га/месяц), богатой белком (20-25%), углеводами, липидами (10-12%), бета-каротином, витаминами (В и др.) и фитогормонами (ауксин, гибереллин, цитокинин). Поэтому, как обязательную составную часть при культивировании риса, азоллу используют в основном в Индокитае. Фермеры северных провинций Вьетнама более 2000 лет применяют азоллу для удобрения риса. При одновременном ее выращивании с рисом она покрывает чеки за 10-20 дней. Затем ее закапывают в почву, где в течение 15-55 дней она перерабатывается микроорганизмами, после чего проростки риса высаживают в чеки и затопляют их водой. Для ускорения разложения биомассы азоллы к ней добавляют 2% раствор мочевины или 2,5% р-р жидкого аммиака. При одновременном выращивании азоллы с рисом важно избежать ее затенения. Расстояние между растениями риса: во Вьетнаме обычно составляет 15-18 см; в Китае расстояние между рядами – 53-66 см, а между растениями – около 13 см.


Органический азот азоллы, минерализуемый до аммония в течение двух недель, быстро потребляется рисом. Максимум использования аммония наблюдается через 6-8 недель. Наибольший выход урожая риса наблюдается, когда максимальный уровень использования аммония происходит в течение 10-15 дней после посадки риса. Определяющим фактором в скорости минерализации азоллы является отношение C/N. Низкое отношение C/N (10:1) благоприятствует быстрому разложению и использованию азота в течение нескольких недель после включения биомассы в почву. Показано, что использование азота азоллы происходит через последовательные стадии аммонификации, нитрификации и денитрификации. Опыты с N показали, что вначале освобождается азот NH, который затем окисляется до NO в поверхностном аэробном слое почвы. NO диффундирует в лежащий под поверхностным слоем анаэробный слой, где нитрат подвергается денитрификации до N. Денитрификация происходит через 30 дней, необходимых для образования окисленного пласта поверхности, где происходит нитрификация. Через 60 дней 30-32% азота азоллы освобождается в виде минерального азота, а остальное – в виде N. Таким образом, чтобы избежать потери азота за счет денитрификации, необходимо вносить рассаду риса через 3 недели после включения азоллы в затопленную почву.


При совместном выращивании азоллы и риса 26% азота освобождается через 60 дней. Из этого количества 7% азота теряется за счет денитрификации, а 74% остается в почве в виде неразложившейся биомассы. Остальные 19% доступны для растений риса. Свежая биомасса азоллы является более эффективным азотным удобрением, чем высушенная.


Во время роста азоллы аммонийный азот выделяется в воду очень медленно. При росте азоллы на поверхности воды она способна обеспечивать на 10% потребности риса в азоте. Аммонийный азот используется рисом преимущественно путем его потребления из почвенного раствора. Однако вклад этого азота в общее обеспечение им растений риса очень мал. Появление азота в водной среде приводит к подавлению у азоллы ассимиляции углерода, но не азотфиксации. Количество выделяемого азота у различных видов азоллы варьирует. Так, A. pinnata выделяет аммонийный азот более эффективно, чем A. filiculoides или A. mexicana. В лабораторных условиях появление аммония в культуральной среде зависит как от интенсивности, так и спектрального состава света. Исследования с N показали, что содержание азота в биомассе азоллы не зависит от того, росла ли она в воде или на поверхности почвы.


Высокий биотехнологический потенциал азоллы и других симбиотических азотфиксаторов (Rhizobium, Frankia), можно использовать как для повышения плодородия почв за счет обогащения их азотом, органическими и физиологически активными соединениями, так и как кормовую добавку в рыбоводстве и птицеводстве. В последнее время интерес к азолле как источнику связанного азота и биостимуляторов существенно вырос. Эту культуру используют для повышения плодородия почв в Юго-Восточной Азии, США и Южной Америке. Эффективность использования азоллы в качестве зеленого удобрения зависит от содержания в ней азота, биологически активных соединений и их доступности. На доступность азота азоллы влияет способ выращивания культуры, агротехнические приемы внесения биомассы азоллы в почву, видовые особенности и местные условия роста. Азот азоллы становится доступным для растений риса лишь после разложения биомассы микроорганизмами. Он менее доступен им, чем азот цианобактерий или аммонийный азот. Тем не менее, использование азоллы в качестве удобрения дополнительно обогащает почву органическими соединениями, фитогормонами, улучшает ее структуру, повышая урожай риса на 20-40%. Применение азоллы, по некоторым данным, может полностью обеспечить потребности риса в азоте, так как скорость азотфиксации у этой культуры достигает от 335 до 670 кг N/га в год. Принимая во внимание, что азолла растет фактически непрерывно как в воде, так и влажной почве, а скорость ее азотфиксации составляет в темноте 20-30% от таковой на свету, достигая 103-162 кг/га в год, ее значение в агробиотехнологии существенно возрастает.


Культивирование азоллы увеличивает не только выход зерна и соломы, но также улучшает качество зерна путем увеличения содержания в нем белка. Применение азоллы улучшает рост риса и ускоряет его цветение. Увеличение выхода зерна происходит вследствие включения в него 14-40% азота азоллы. Исследования с N показали, что 40-50% азота азоллы включается в солому риса, 30-45% – в его зерно и 10-20% – в корни. Такое распределение азота наблюдается независимо от того, выращивалась ли азолла на воде, поверхности почвы или закапывании ее биомассы в почву. Выращивание азоллы до посадки или после уборки риса эквивалентно применению 30-40 кг/га азотных удобрений в форме мочевины или сульфата аммония. Таким образом, внесение в почву 5-7 т/га сырой биомассы азоллы увеличивает выход зерна так же, как внесение 60-100 кг азотных удобрений на гектар. Следовательно, эффективность азота азоллы на урожай риса сравнима с таковой мочевины и сульфата аммония. Ее применение в рисоводстве позволяет существенно повысить качество риса и снизить количество используемых удобрений.


Для активного внедрения азоллы в сельское хозяйство необходимы штаммы, проявляющие высокую азотфиксирующую способность, устойчивые к повышенным и пониженным температурам, насекомым и заболеваниям. Важно также получить штаммы, устойчивые к дефициту по фосфору или способные к эффективному его извлечению из воды и почв. Расширение диапазона условий, при которых возможно применение азоллы, крайне важно для повышения ее биотехнологического потенциала. Перспективным направлением является также разработка кормов для животноводства и рыбоводства на основе азоллы и ее использование для очистки вод от тяжелых металлов и углеводородов [5].


Литература

1. Гоготов И.Н., Лауринавичене Т.В. Азотфиксирующая ассоциация Azolla-Anabaena azollae. В: Успехи микробиологии. М.: Наука, 1989. С. 91-111.

2. Гоготов И.Н. Симбиотические азотфиксирующие ассоциации фототрофных организмов. В.: Экспериментальная экология. М.: Наука, 1991. С. 76-85.

3. Nierzwicki-Bauer S.A. Azolla-Anabaena symbiosis: use in agriculture. In: CRC Handbook of symbioitic cyanobacteria (A.N.Rai, ed.). CRC Press: Boca Raton, 1990. P. 119-136.

4. Михеева Л.Е., Прямчук С.Д., Гоготов И.Н., Шестаков С.В. Дерепрессированные по нитрогеназе мутанты цианобактерии Anabaena azollae. Микробиология, 1990. Т.59. №1. С. 35-39.

5. Gogotov I.N., Zorin N.A., Tikhonov K.G. Biosorbtion of metal ions by microorganisms and their consortia with aqueous plants. In: Metal ions in biology and medicine (L.Khasanova et al. eds). Proc. 7-s Intern Symp. S.-Peterburg: J. Libbey Eurotext, 2002. P.247-251.


Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей