ISSN 0137-0944
eISSN 2949-6144
En Ru
ISSN 0137-0944
eISSN 2949-6144
Деградация глифосата и его влияние на микробное сообщество агро-дерново-подзолистой почвы в условиях краткосрочного модельного опыта

Деградация глифосата и его влияние на микробное сообщество агро-дерново-подзолистой почвы в условиях краткосрочного модельного опыта

Аннотация

В лабораторных условиях на агродерново-подзолистой супесчаной почве (Epialbic Retisol) проведена оценка разложения глифосата с образованием аминометилфосфоновой кислоты (АМФК) и его влияния на общее обилие бактерий и грибов, а также рассчитано число копий генов, кодирующих ферменты C-P-лиазу a-протеобактерий ( phnJ ), кислую и щелочную фосфатазы ( phoC и phoD ) и Fe-белок нитрогеназы ( nifH ). Показано, что при внесении глифосата в рекомендуемых дозах (5-10 мг/кг) через 14 сут в почве обнаруживается 5-7% гербицида от внесенного, однако при повышении дозы до 100 мг/кг этот показатель возрастает до 23%. Замедление скорости деградации гербицида проявляется только в первую неделю инкубирования и сопровождается снижением числа копий генов phoC , phoD, nifH и возрастанием обилия грибов. Полученные результаты указывают на преимущественную деградацию глифосата с разрывом C-P-связи и образованием фосфатов, а также на возможное ингибирование процесса азотфиксации. Показано, что при дозе внесения глифосата 100 мг/кг может происходить накопление АМФК - первого метаболита при деградации гербицида с разрывом C-N-связи. Биотестирование с использованием пшеницы показало, что при такой дозе наблюдается угнетение развития растений: длина корней и биомасса побегов снижаются на 60 и 20% по сравнению с контролем соответственно. На основании полученных данных предложено в качестве индикаторов преимущественного разложения глифосата по саркозиновому пути использовать показатель снижения содержания копий гена phoC и рост копий участков ITS рРНК. Индикатором возможности аккумуляции АМФК при деградации глифосата может служить снижение копий участков гена ITS рРНК на 40% и более.

Литература

  1. Железова А.Д., Тхакахова А.К., Ярославцева Н.В. и др. Микробиологические показатели агрегатов типичных черноземов в многолетних полевых опытах // Почвоведение. 2017. № 6.

  2. Куликова Н.А., Железова А.Д., Воропанов М.Г. и др. Мобилизация, фитотоксичность и действие на микробное сообщество почв глифосата при внесении моноаммонийфосфата // Почвоведение. 2020. № 6.

  3. Свиридов А. В., Шушкова Т.В., Ермакова ИД, и др. Микробная деградация гербицида глифосата (обзор) // Приклад, биохим. микробиол. 2015. № 2.

  4. Adelowo F.E., Olu-Arotiowa О,A,, Amuda O.S. Biodegradation of glyphosate by fungi species // Adv. Biosci. Bioengineer. 2014. Vol. 2 (1).

  5. Allegrini M.y Gomez E. V, del, Zabaloy M.C. Repeated glyphosate exposure induces shifts in nitrifying communities and metabolism of phenylpropanoids // Soil Biol. Biochem. 2017. Vol. 105.

  6. Araujo A.S.F., Monteiro R.T.R., Abarkeli R.B. Effect of glyphosate on the microbial activity of two Brazilian soils // Chemosphere. 2003. Vol. 52.

  7. Atherton F.R., Hall M.J.y Hassall С.H. et al. Antibacterial activity and mechanism of action of phosphonopeptides based on aminomethylphosphonic acid // Antimicrob. Agents Chemother. 1982. Vol. 22 (4).

  8. Banks M.L., Kennedy A.C., Kremer R.J., Eivazl F. Soil microbial community response to surfactants and herbicides in two soils // Appl. Soil Ecol. 2014. Vol. 74.

  9. Battaglin W.A., Meyer M.T., Kuivila KM., Dietze J.E. Glyphosate and its degradation product AMPA occur frequently and widely in U.S. soils, surface water, groundwater, and precipitation // J. Amer. Water Res. Assoc. 2014. Vol. 50(2).

  10. Blackshaw R.E., Harker KN. Wheat, field pea, and canola response to glyphosate and AMPA soil residue // Weed Technol. 2016. Vol. 30.

  11. Borggaard О.К, Gimsing L. Fate of glyphosate in soil and the possibility of leaching to ground and surface waters: a review // Pest Manag. Sci. 2008. Vol. 64.

  12. Bott S., Tesfamariam T., Kania A. et al. Phytotoxicity of glyphosate soil residues re-mobilised by phosphate fertilization // Plant Soil. 2011. Vol. 342.

  13. Chen M.X., Cao Z.Y., Jiang Y., Zhu Z.W. Direct determination of glyphosate and its major metabolite, aminomethylphosphonic acid, in fruits and vegetables by mixed-mode hydrophilic interaction/weak anion-exchange liquid chromatography coupled with electrospray tandem mass spectrometry // J. Chromatogr. 2013. Vol. 1272.

  14. Chen X., Jiang N., Chen Z. et al. Response of soil phoD phosphatase gene to long-term combined applications of chemical fertilizers and organic materials // Appl. Soil Ecol. 2017. Vol. 119.

  15. Cherni A.E., Trabelsi D., Chebil S. et al. Effect of glyphosate on enzymatic activities, Rhizobiaceae and total bacterial communities in an agricultural Tunisian soil // Water, Air, Soil Poll. 2015. Vol. 226.

  16. Claassens A., Ros M. T., Van Zwieten L. et al. Soilborne glyphosate residue thresholds for wheat seedling metabolite profiles and fungal root endophyte colonization are lower than for biomass production in a sandy soil // Plant Soil. 2019. Vol. 438.

  17. Druart C., Delhomme O., de Vaufleury A. et al. Optimization of extraction procedure and chromatographic separation of glyphosate, glufosinate and aminomethylphosphonic acid in soil. // Analyt. Bioanalyt. Chem. 2011. Vol. 399.

  18. Erban T., Stehlik V., Sopko В. et al. The different behaviors of glyphosate and AMPA in compost-amended soil // Chemosphere. 2018. Vol. 207.

  19. Ermakova I. T.y Shushkova T. V, Sviridov A. V et al. Organophosphonates utilization by soil strains of Ochrobactrum anthropi and Achromobacter sp. // Arch. Microbiol. 2017. Vol. 199.

  20. Fan L., Feng Yu., Weaver D.B. et al. Glyphosate effects on symbiotic nitrogen fixation in glyphosate-resistant soybean //Appl. Soil Ecol. 2017. Vol. 21.

  21. Fierer N., Jackson J.A., Vilgalys R., Jacksson R.B. Assessment of soil microbial community structure by use of taxon-specific quantitative PCR assays // Appl. Environ. Microbiol. 2005. Vol. 71.

  22. Fraser T.D., Lynch D.H., Gaiero J. et al. Quantification of bacterial non-specific acid (phoC) and alkaline (phoD) phosphatase genes in bulk and rhizosphere soil from organically managed soybean fields // Appl. Soil Ecol. 2017. Vol. 111.

  23. Karasali H., Pavlidis G., Marousopoulou A. Investigation of the presence of glyphosate and its major metabolite AMPA in Greek soils // Environ. Sci. Poll. Res. 2019. URL: https://doi.org/10.1007/sll356-019-06523-x.

  24. Kryuchkova Y.V., Bury gin G.L., Gogoleva N.E. et al. Isolation and characterization of a glyphosate-degrading rhizosphere strain, Enterobacter cloacae K7 // Microbiol. Res. 2014. Vol. 169.

  25. Lancaster S.H., Hollister E.B., Senseman S.A., Gentry T.J. Effects of repeated glyphosate applications on soil microbial community composition and the mineralization of glyphosate // Pest Manag. Sci. 2010. Vol. 66.

  26. Liu C.-M., McLean P.A., Sookdeo C.C., Cannon F. C. Degradation of the herbicide glyphosate by members of the family Rhizobiaceae // Appl. Environ. Microbiol. 1991. Vol. 57.

  27. Milosevia N.A., Govedarica M.M. Effect of herbicides on microbiological properties of soil // Proc. Natural Sci. 2002. Vol. 102.

  28. Newman M.M., Hoilett N., Lorenz N. et al. Glyphosate effects on soil rhizosphere-associated bacterial communities // Sci. Total Environ. 2016. Vol. 543.

  29. Niemeyer J.C., Santo F.B. de, Guerra N. et al. Do recommended doses of glyphosate-based herbicides affect soil invertebrates? Field and laboratory screening tests to risk assessment // Chemosphere. 2018. Vol. 198.

  30. Okada E., Costa J.L., Bedmar F. Adsorption and mobility of glyphosate in different soils under no-till and conventional tillage // Geoderma. 2016. Vol. 263.

  31. Okada E., Costa J.L., Bedmar F. Glyphosate dissipation in different soils under no-till and conventional tillage // Pedosphere. 2019. Vol. 29 (6).

  32. Pipke R., Amrhein N. Carbon-phosphorus lyase activity in permeabilized cells of Arthrobacter sp. GLP-1 // FEBS Letters. 1988. Vol. 236.

  33. Pizzul L., Castillo M.D.P., Stenstrom J. Degradation of glyphosate and other pesticides by ligninolytic enzymes // Biodegradation. 2009. Vol. 20.

  34. Poly F., Ranjard L., Nazaret S. et al. Comparison of nifH gene pools in soils and soil microenvironments with contrasting properties // Appl. Environ. Microbiol. 2001. Vol. 67.

  35. Ragot S.A., Kertesz M.A., Вйпетапп E.K. phoD alkaline phosphatase gene diversity in soil // Appl. Environ. Microbiol. 2015. Vol. 81.

  36. Reddy K.N., Rimando A.M., Duke S.O. Aminomethylphosphonic acid, a metabolite of glyphosate, causes injury in glyphosate-treated, glyphosate-resistant soybean // J.   Agric. Food Chem. 2004. Vol. 52.

  37. Santos A., Flores M. Effects of glyphosate on nitrogen fixation of free-living heterotrophic bacteria // Lett. Appl. Microbiol. 1995. Vol. 20.

  38. Shehata A., Kiihnert M., Haufe S., Kruger M. Neutralization of the antimicrobial effect of glyphosate by humic acid in vitro // Chemosphere. 2014. Vol. 104.

  39. Singh H., Singh N.B., Singh A., Hussain J. Exogenous application of salicylic acid to alleviate glyphosate stress in Solanum lycopersicum // Int. J. Veg. Sci. 2017. Vol. 23.

  40. Singh H, Singh N.B., Singh A. et al. Physiological and biochemical roles of nitric oxide against toxicity produced by glyphosate herbicide in Pisum sativum // Russ. J. Plant Physiol. 2017. Vol. 64.

  41. Soares C., Pereira R., Spormann S., Fidalgo F. Is soil contamination by a glyphosate commercial formulation truly harmless to non-target plants? Evaluation of oxidative damage and antioxidant responses in tomato // Environ. Poll. 2019. Vol. 247.

  42. Soares C., Spormann S., Fidalgo F. Salicylic acid improves the performance of the enzymatic antioxidant system of barley exposed to glyphosate // Free Radic. Biol. Med. 2018. Vol. 120.

  43. Tang F.H.M., Jeffries T.C., Vervoort R.V. et al. Microcosm experiments and kinetic modeling of glyphosate biodegradation in soils and sediment // Sci. Total Environ. 2019. Vol. 658.

  44. Tejada M. Evolution of soil biological properties after addition of glyphosate, diflufenican and glyphosate + diflufenican herbicides // Chemosphere. 2009. Vol. 76.

  45. Yao M., Henny C., Maresca J.A. Freshwater bacteria release methane as a by-product of phosphorus acquisition //Appl. Environ. Microbiol. 2016. Vol. 82.

  46. Zabaloy M.C., Zanini G.P., Bianchinotti V. et al. Herbicides in the soil environment: linkage between bioavailability and microbial ecology // Herbicides, Theory and Applications. Croatia, 2011.

  47. Zhan H., Feng Y., Fan X., Chen S. Recent advances in glyphosate biodegradation // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2018. Vol. 102.


Скачать в формате PDF Статья на сайте ELibrary.ru

Поступила: 15.01.2020

Принята к публикации: 20.01.2020

Дата публикации в журнале: 30.09.2020

Ключевые слова: аминометилфосфоновая кислота; полимеразная цепная реакция; phoC; phoD; nifH

Доступно в on-line версии с: 30.09.2020

  • Для цитирования статьи:
Номер 3, 2020