АЛЬГОЛОГИЯ:Влияние компоста черноморских водорослей на рост и развитие гороха

X Сабининские чтения - 2023

Использование водорослей и других водных фототрофов в фармакологии, медицине, пищевой промышленности и других отраслях экономики

Влияние компоста черноморских водорослей на рост и развитие гороха

Impact of Black Sea algae compost for the growth and development of pea

Ржевская В.С., Омельченко С.О., Омельченко А.В.

Rzhevskaya V.S., Omelchenko S.O., Omelchenko A.V.

Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского (Симферополь, Россия)

УДК 579.68

Проведено сравнительное исследование компостирования морских водорослей ульвы салатной (Ulva lactuca L.) и цистозиры бородатой (Cystoseira barbata (Stackhouse) C. Agardh 1820) естественным путем и с внесением микробного консорциума молочнокислых бактерий, дрожжевых и мицелиальных грибов. Изучили эффективность влияния полученных компостов на развитие проростков гороха посевного (Pisum sativum L.) сорта Мадонна. Результаты исследований показали, что компостирование водорослей микробным консорциумом повышает эффективность их применения и позволяет снижать норму внесения, по сравнению с не компостированными водорослями, при использовании их в качестве стимулятора роста гороха..

Ключевые слова: буровой раствор; токсичность; стимулирующий эффект; зостера Zostera noltii

Введение

В последние десятилетия во многих странах мира становится все более популярным органическое земледелие, при котором не используются искусственные химические удобрения и пестициды. Для поддержания стабильности почвы и повышения урожайности сельхозпроизводители разработали органические удобрения, внесение которых в почву направлено на улучшение ее плодородия, т.к. повышает содержание органических веществ, а также минерального азота, фосфора, калия, кальция, алюминия, железа, марганца и важных для жизнедеятельности растений микро- и макроэлементов (Biofertilizers …, 2019). Кроме того, внесение удобрений, приводит к изменению кислотности почвы, повышению ее биологической активности.

Экстракты из морских водорослей производятся для использования в сельском хозяйстве уже более 70 лет. Экстракты содержат ценные вещества, являющиеся источником полисахаридов, аминокислот, витаминов, ферментов и фитогормонов растений, а также микроэлементы (в том числе сульфаты марганца и цинка, кальций, железо и бор). Кроме того, в состав экстрактов входят маннитол, альгиновая кислота, альгинаты натрия и калия и связывающие металлы полипептиды. В экстрактах водорослей также содержатся элиситоры, которые связываются со специфическими рецепторами и запускают защитные механизмы в растениях или синтез субстанций (салициловая кислота, этилен, олигосахариды, олигопептиды). Препараты из морских водорослей при применении по листу активизируют рост и развитие растений, сдерживают опадание цветков и плодов, а также улучшают ветвление корней, увеличивая поверхность всасывания. Прежнее представление о пользе морских водорослей и их экстрактов в качестве удобрений обусловлено главным образом составом питательных микроэлементов и витаминов. С точки зрения современных биотехнологий, применение экстрактов морских водорослей в качестве удобрения для растений может дать больший эффект в совокупности с применением микробных препаратов. Это позволит обогатить почву не только минеральными элементами и органическими веществами, но и агрономически ценной микрофлорой (Donchenko et al., 2020; Emadodin et al., 2020).

Одной из ценных зернобобовых культур в сельском хозяйстве является горох посевной, который содержит 25–28% растительного белка, что в 2,0–2,5 раза превосходит этот показатель в пшенице и ржи. В зернах гороха преобладают легкорастворимые фракции белков – глобулины и альбумины, на долю которых приходится до 80–90 % общего белка. В его белковый состав включены аминокислоты цистеин, лизин, триптофан, аргинин, метионин. Также горох полезен богатым содержанием витаминов, необходимых для нормализации белкового обмена: А, В₁, В₂, В₆, С, РР. Белки вегетативных органов растения хорошо сбалансированы по содержанию незаменимых аминокислот. На долю белков обычно приходится 60–70% общего количества азотистых веществ, и 30–40% составляют небелковые соединения азота, которые на 80–90 % состоят из аминокислот и их амидов (Ситало и др., 2021).

Использование новых технологий возделывания гороха, как ценной зернобобовой культуры, с применением биостимуляторов роста имеет большое агрономическое значение.

В связи с этим, целью нашего исследования явилась оценка эффективности компостирования водорослей ульвы и цистозиры микробным консорциумом молочнокислых бактерий с дрожжевыми и микроскопическими грибами, а также влияние компоста на рост и развитие гороха посевного.

Материалы и методы

Материалом исследования служили водоросли ульвы салатной (Ulva lactuca L.) и цистозиры бородатой (Cystoseira barbata (Stackhouse) C. Agardh 1820, собранные на побережье Чёрного моря, в районе города Ялта, в сентябре 2022 г.

Ульва салатная (Ulva lactuca L.) относятся к отделу Зелёные водоросли семейства Ульвовые, способны быстро колонизировать различные субстраты при благоприятных условиях. В основном произрастают на каменистых грунтах, скалах, сваях, раковинах моллюсков в литорали и сублиторали до глубины 25 м, в чистых и загрязненных водах; выносят значительное опреснение.

Двуслойный пластинчатый таллом – главный признак рода, отличающий его от других водорослей семейства. Зеленые водоросли богаты аминокислотами, витаминами А, В₃, В₁₂, С и микроэлементами: йодом, никелем, марганцем, железом. Представители рода Ulva широко культивируются в водах умеренных широт и используются в качестве пищевых добавок. Выращивают их на сетках в толще воды в моно- и поликультуре, а также в открытых и закрытых системах интегрированной марикультуры (Mantri et al., 2020; Jansen et al., 2022).

Цистозира бородатая (Cystoseira barbata (Stackhouse) C. Agardh 1820) относятся к бурым водорослям, представляют собой типичный морской нижнебореальный вид, эндемик Средиземноморского бассейна. Произрастают многолетние заросли цистозиры на камнях и скалах на глубине до 30 м. Водоросли способны создавать группировки (800–1000 г/м²), что имеет большое экологическое значение. Цистозира имеет прочное, упругое, эластичное слоевище в виде ветвистого деревца или кустика 30–150 см высотой, которое легко выдерживает удары волн. Главные стволы одиночные и толстые с множеством бугорков.

Сухое слоевище Cystoseira barbata содержит до 39% альгиновой кислоты, способной поглощать большое количество жидкости, 3,2% маннита, 0,6% брома, 0,08% йода, а также бурый пигмент фукоксантин. В течение года химический состав водоросли меняется: зимой в её составе больше йода и брома, летом – больше маннита. Кроме того, что бурые водоросли являются источником уникальных химических и биологически активных веществ, некоторые из них способны адсорбировать тяжелые металлы и другие токсиканты (Piwowar, Harasym, 2020).

Смесь водорослей U. lactuca и C. barbata (соотношение 1:10) увлажнили до 70% от полной полевой влажности и разделили на 2 варианта – контрольный и опытный. В опытный вариант внесли микробный консорциум, в состав которого были включены следующие виды микроорганизмов: L. casei IMB B-7343, L. plantarum IMB B-7344, L. lactis IMB B-7352, S. cerevisiae IMB Y-5046 и T. asperellum F 65. Консорциум вносили из расчета 1 мл на 1 кг водорослей, полученный компост заворачивали в полиэтилен при внешних атмосферных условиях. Компостирование водорослей и хранение контрольного варианта и опыта проводили в период: сентябрь 2021 – март 2022 г.

Консорциум молочнокислых бактерий, дрожжевых и микроскопических грибов, включающий штаммы Lactobacillus casei IMB B-7343, Lactobacillus plantarum IMB B-7344, Lactococcus lactis IMB B-7352, Saccharomyces cerevisiae IMB Y-5046 и Trichoderma asperellum F-1527. Штамм L. casei IMB B-7343 – мезофильной гомоферментативной анаэробной бактерии, выделен из самоквасных домашних кисломолочных продуктов. Штамм L. plantarum IMB B-7344 является факультативной анаэробной мезофильной гомоферментативной палочкообразной бактерией, он выделен из силосованного зерна. Лактококк L. lactis IMB B-7352 – мезофильный гомоферментативный стрептококк, выделенный из филлосферы растений. Аэробные дрожжи S. cerevisiae IMB Y-5046 были выделены из женских соцветий хмеля. Мицелиальный гриб T. asperellum F-1527, биодеструктор растительных остатков, антагонист почвенных фитопатогенов, выделен из гниющей древесины (Ржевская и др., 2014; Ржевская, Омельченко, 2015; Ржевская и др., 2021).

Микробный консорциум получали путем совместного культивирования молочнокислых бактерий и дрожжей в жидкой питательной среде MRS. В качестве инокулята использовали 24-часовые культуры бактерий: L. casei IMB B-7343, L. plantarum IMB B-7344, L. lactis IMB B-7352 и 2-суточную культуру S. cerevisiae IMB Y-5046, взятые в соотношении 1:1:1:0,5.

Культивирование микроорганизмов проводили в биореакторе Minifors 2 объемом 4 л (Ifors НТ, Швейцария) при температуре 32°С и 100 об/мин в течение 3 сут. Мицелиальный гриб T. asperellum F-1527 культивировали на скошенном агаре Сабуро в течение 2х суток. Смыв культуры T. asperellum F-1527 в количестве 1% вносили в микробный консорциум.

Для изучения фитостимулирующей активности как компостированных, так и не компостированных водорослей, из них готовили водные вытяжки. Для этого компостированные и не компостированные водоросли (опытный и контрольный варианты) заливали дистиллированной водой (на 50 г водорослей 100 мл воды) и настаивали 1 сутки при комнатной температуре.

Фитостимулирующее действие вытяжки из водорослей на растения изучали в водной культуре. Для этого семена стерилизовали 3% раствором перекиси водорода и по 30 штук раскладывали в стерильные чашки Петри, в которые вносили растворы: дистиллированной воды (контроль 1), 0,1%, 1% и 5 % растворы вытяжек водорослей. Чашки Петри помещали в термостат при температуре 25±1^oС.

В качестве тест-объекта использовали семена двудольного растения гороха сорта Мадонна. Измерения ростовых показателей растения проводили с помощью металлической линейки с шагом 0,05 см. Длину корней и надземной части растений измеряли на 7 сутки. Ростовые показатели растений выражали в % к контролю. Эксперименты проводили в 3-кратной биологической повторности.

Статистический анализ экспериментальных данных осуществляли с использованием программ Excel (Microsoft, США) и пакета Statistica 6.0. Статистически достоверными считались результаты исследования при значениях p<0,05 (Трухачёва, 2013).

Результаты исследований

Результаты изучения влияния вытяжек водорослей на энергию прорастания и всхожесть показали, что в вариантах с вытяжками некомпостированных водорослей, независимо от концентрации, энергия прорастания гороха была на уровне контроля, а всхожесть – несколько выше (60–70%). Процент энергии прорастания возрастал только в 5% растворе, а процент всхожести повышался, начиная с 1% концентрации вытяжки некомпостированных водорослей.

Вытяжка из компостированных водорослей более эффективна для стимуляции энергии прорастания и всхожести гороха, чем из некомпостированных при малых концентрациях, начиная с 0,1% раствора компоста (табл. 1).

Таблица 1. Влияние водных вытяжек водорослей на энергию прорастания и всхожесть семян гороха посевного сорта Мадонна

У растений гороха 5%-ный раствор вытяжки из некомпостированных водорослей максимально стимулировал длину корня – 37% по сравнению с контролем. 1%-ная вытяжка из компостированных водорослей оказала максимальный стимулирующий эффект на длину корня гороха – 75% по сравнению с контролем (табл. 2).

Таблица 2. Влияние водных вытяжек водорослей на длину корня 7-суточных проростков гороха посевного сорта Мадонна

Стимуляция надземной части гороха на 25% и 86%, по сравнению с контролем, отмечена при использовании 5%-ных растворов вытяжек из компостированных и некомпостированных водорослей соответственно (табл. 3).

Таблица 3. Влияние водных вытяжек водорослей на длину надземной части 7-суточных проростков гороха посевного сорта Мадонна

Данные, полученные при изучении морфометрических показателей гороха, полностью подтвердились данными, полученными при изучении массы сухого вещества гороха сорта Мадонна (табл. 4).

Таблица 4. Влияние водных вытяжек водорослей на массу сухого вещества гороха посевного сорта Мадонна на ранних этапах развития

Заключение

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Показано, что под влиянием микробного консорциума, деструкция водорослей привела их к состоянию гомогенной массы в то время, как талломы водорослей в контрольном варианте сохранились в неизменном виде.

2. Вытяжка из компостированных водорослей оказывала максимальный стимулирующий эффект в концентрации 1%-ного раствора, а из некомпостированных водорослей – 5%-ного раствора. Оба вида вытяжек из водорослей оказали стимулирующее действие на корень и надземную часть гороха.

3. Компостирование водорослей микробным консорциумом приводит к снижению концентрации вытяжки, оказывающей максимальный (в 5 раз) стимулирующий эффект на ростовые показатели гороха.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данном сообщении.

Список литературы

Ржевская В.С., Омельченко А.В.Влияние микробиологического препарата Эмбико^® на прорастание семян и рост проростков озимой пшеницы // Научные ведомости БелГУ. Сер. Естественные науки. 2015. №21 (218). Вып.33. С. 58–64.
Ржевская В.С., Отурина И.П., Булыгин С.В., Теплицкая Л.М. Влияние микробного препарата Эмбико^® на рост, плодообразование огурцов и биологическую активность почвы // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Серия «Биология, химия». 2014. Т.27 (66), №3. С. 124–137.
Ржевская В.С., Семенова Е.Ф., Зайцев Г.П., Сластя Е.А., Омельченко А.В., Бугара И.А., Теплицкая Л.М., Цокало И.Е. Антагонистическое действие молочнокислых бактерий и их консорциума с дрожжами на патогенные микроорганизмы // Биотехнология. 2021. Т.37, №5. С. 88–89. DOI: 10.21519/0234-2758-2021-37-5-96-107
Ситало Г.М., Гордеева Ю.В., Бельтюков Л.П. Рост, развитие и формирование урожайности гороха под влиянием биопрепаратов и стимуляторов роста // Научный журнал КубГАУ. 2021. №165(01). 2021. С. 1–10.
Трухачёва Н.В. Математическая статистика в медико-биологических исследованиях с применением пакета Statistica. – М.: ИГ «ГЭОТАР-Медиа», 2013. – 384 с.
Biofertilizers for Sustainable Agriculture and Environment / Bhoopander Giri, Ram Prasad, Qiang-Sheng Wu, Ajit Varma. Springer Nature Switzerland AG (Eds.). 2019. 544 р. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-18933-4
Donchenko L., Bitutskaya O., Vlaschik L., Limareva N. Biologically Active Complex with High Antioxidant Properties Based on Macrophytes of the Azov-Black Sea Basin. Resources Development and Environmental Management // KnE Life Sciences. International Applied Research Conference «Biological Resources Development and Environmental Management». 2020. Р. 592–603. DOI: https://doi.org/10.18502/kls.v5i1.6133
Emadodin I., Reinsch T., Rotter A., Orlando-Bonaca M., Taube F., Javidpour J. A perspective on the potential of using marine organic fertilizers for the sustainable management of coastal ecosystem services // Environmental Sustainability. 2020. V.3. Р. 105–115. DOI: https://doi.org/10.1007/s42398-020-00097-y
Jansen H.M., Bernard M.S., Nederlof M.A.J., Ingrid M. van der Meer, Adrie van der Werf. Seasonal variation in productivity, chemical composition and nutrient uptake of Ulva spp. (Chlorophyta) strains // J. of Applied Phycology. 2022. V.34. P. 1649–1660. DOI: https://doi.org/10.1007/s10811-022-02708-z
Mantri V.A., Kazi M.A., Balar N.B., Gajaria V.G.T. Concise review of green algal genus Ulva Linnaeus // J. of Applied Phycology. 2020. V.32. P. 2725–2741. DOI: https://doi.org/10.1007/s10811-020-02148-7
Piwowar A., Harasym J. The Importance and Prospects of the Use of Algae in Agribusiness // Sustainability. 2020. V.12, №14. P. 5669. DOI: https://doi.org/10.3390/su12145669

Поступила в редакцию 10.05.2023

Об авторах

Ржевская Виктория Степановна – Victoria S. Rzhevskaya

ведущий научный сотрудник, Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского, Симферополь, Россия (Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Russia); Инжиниринговый центр «Генетические и клеточные биотехнологии»

viktoriyar45@mail.ru

Омельченко Светлана Олеговна – Svetlana О. Omelchenko

кандидат биологических наук
доцент, ГБОУ ДПО «Крымский республиканский институт постдипломного педагогического образования», Симферополь, Россия (Crimean Republican Institute of Postgraduate Pedagogical Education, Simferopol, Russia); кафедра естественно-математического образования и финансовой грамотности

svet.omelchenko@mail.ru

Омельченко Александр Владимирович – Aleksandr V. Omelchenko

кандидат биологических наук, доцент
доцент, Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского, Симферополь, Россия (Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Russia); Институт биохимических технологий, экологии и фармации, кафедра ботаники и физиологии растений и биотехнологий

omelchenko_tnu@mail.ru

Корреспондентский адрес: Россия, 295007, г. Симферополь, пр. Академика Вернадского, 4, КФУ; тел. +7 (3652) 60-84-98.

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Impact of Black Sea algae compost for the growth and development of pea

Rzhevskaya V.S., Omelchenko S.O., Omelchenko A.V.

V.I. Vernadsky Crimean Federal University (Simferopol, Russia)

It has been made a comparative study of the composting of Ulva lactuca L. and Cystoseira barbata (Stackhouse) C. Agardh 1820 seaweeds in a natural way and with the introduction of a microbial consortium of lactic acid bacteria, yeast and filamentous fungi. We have studied the effectiveness of the influence of the obtained composts on the development of pea (Pisum sativum L.) cv. Madonna seedlings. The research results showed that algae composting by a microbial consortium increases the efficiency of their application and allows to reduce the introduction rate, compared with non-composted algae, when used as a pea growth stimulator.

Keywords: algae; Black Sea; composting; lactic acid bacteria; fungi; yeast; microbial consortium; pea

References

Biofertilizers for Sustainable Agriculture and Environment. Ed. Bhoopander Giri, Ram Prasad, Qiang-Sheng Wu, Ajit Varma. Springer Nature Switzerland AG. 2019. 544 р.
Donchenko L., Bitutskaya O., Vlaschik L., Limareva N. Biologically Active Complex with High Antioxidant Properties Based on Macrophytes of the Azov-Black Sea Basin. Resources Development and Environmental Management, KnE Life Sciences. 2020. Р. 592–603. DOI: https://doi.org/10.18502/kls.v5i1.6133
Emadodin I., Reinsch T., Rotter A., Orlando-Bonaca M., Taube F., Javidpour J. A perspective on the potential of using marine organic fertilizers for the sustainable management of coastal ecosystem services. Environmental Sustainability. 2020. V.3. Р. 105–115. DOI: https://doi.org/10.1007/s42398-020-00097-y
Jansen H.M., Bernard M.S., Nederlof M.A.J., Ingrid M. van der Meer, Adrie van der Werf. Seasonal variation in productivity, chemical composition and nutrient uptake of Ulva spp. (Chlorophyta) strains. J. of Applied Phycology. 2022. V.34. P. 1649–1660. DOI: https://doi.org/10.1007/s10811-022-02708-z
Mantri V.A., Kazi M.A., Balar N.B., Gajaria V.G.T. Concise review of green algal genus Ulva Linnaeus. J. of Applied Phycology. 2020. V.32. P. 2725–2741. DOI: https://doi.org/10.1007/s10811-020-02148-7
Piwowar A., Harasym J. The Importance and Prospects of the Use of Algae in Agribusiness. Sustainability. 2020. V.12, №14. P. 5669. DOI: https://doi.org/10.3390/su12145669
Rjevskaya V.S., Omelchenko A.V. Vliyanie mikrobiologicheskogo preparata Embiko® na prorastanie semyan i rost prorostkov ozimoy pshenitsyi. Nauchnyie vedomosti BelGU. Ser. Estestvennyie nauki. 2015. № 21 (218). Vyip. 33. S. 58–64. (In Russ.)
Rjevskaya V.S., Oturina I.P., Bulyigin S.V., Teplitskaya L.M. Vliyanie mikrobnogo preparata Embiko® na rost, plodoobrazovanie ogurtsov i biologicheskuyu aktivnost pochvyi. Uchenyie zapiski Tavricheskogo natsionalnogo universiteta im. V.I. Vernadskogo. Seriya «Biologiya, himiya». 2014. T.27 (66), №3. P. 124–137. (In Russ.)
Rjevskaya V.S., Semenova E.F., Zaytsev G.P., Slastya E.A., Omelchenko A.V., Bugara I.A., Teplitskaya L.M., TSokalo I.E. Antagonisticheskoe deystvie molochnokislyih bakteriy i ih konsortsiuma s drojjami na patogennyie mikroorganizmyi. Biotehnologiya. 2021. T.37, №5. P. 88–89. DOI: 10.21519/0234-2758-2021-37-5-96-107 (In Russ.)
Sitalo G. M., Gordeeva YU. V., Beltyukov L. P. Rost, razvitie i formirovanie urojaynosti goroha pod vliyaniem biopreparatov i stimulyatorov rosta. Nauchnyiy jurnal KubGAU. 2021. №165(01). P. 1–10. (In Russ.)
Truhachёva N.V. Matematicheskaya statistika v mediko-biologicheskih issledovaniyah s primeneniem paketa Statistica: monografiya. IG «GEOTAR-Media», Moscow, 2013. 384 p. (In Russ.)