Бактериальные препараты: преимущества и риски

В связи с этим особенно актуальны научно-технические разработки, направленные на поиск альтернативных средств, благодаря которым без снижения достигнутого уровня сельскохозяйственного производства можно уменьшить его себестоимость и вредное влияние на окружающую среду и одновременно достичь получения экологически чистой продукции. Индустриально развитые страны, несмотря на значительные возможности применения минеральных удобрений (30–40% надбавки сельскохозяйственной продукции в странах Западной Европы и США получают благодаря использованию удобрений), развивают и совершенствуют биологизацию аграрного производства. Следует отметить, что биологическое земледелие ни в коем случае не означает полного отказа от минеральных удобрений, поскольку оно по своей сути является разумным и сбалансированным применением агротехнических, агрохимических и биологических мер в комплексе с системой интегрированной защиты растений. Мощным фактором повышения продуктивности агроэкосистем, не оказывающим негативного влияния на окружающую среду, может являться активизация растительно-микробного взаимодействия.

К фиксации азота способны только прокариоты – организмы, не имеющие сформированного ядра (бактерии, цианобактерии). Им присущ высокий коэффициент размножения и адаптации к условиям среды, а ферментативные системы могут восстанавливать азот в различные соединения. Высшие растения не способны использовать молекулярный азот как источник азотного питания. Биологическая фиксация азота происходит при нормальных показателях температуры и давления в нейтральных водных растворах под действием очень слабых восстановителей. Практическое значение в обогащении почв азотом, благодаря усвоению его из воздуха, имеют такие группы почвенных микроорганизмов, как клубеньковые бактерии, фиксирующие молекулярный азот в симбиозе с бобовыми растениями; разнообразные свободноживущие азотфиксирующие бактерии, распространенные в почвах; ассоциативные микроорганизмы, способные усваивать молекулярный азот в ассоциациях с корневой системой небобовых растений.

Процесс биологической фиксации азота не загрязняет окружающую среду и не нуждается в значительных энергетических затратах. О значимости биологической азотфиксации свидетельствует тот факт, что в мировой практике сельского хозяйства ежегодно в почву с минеральными удобрениями вносится 35 млн т азота, тогда как за это же время растения поглощают из почвы примерно 75 млн т этого элемента. Разница между этими количествами покрывается благодаря деятельности микробов-азофиксаторов, прежде всего клубеньковых бактерий, связывающих молекулярный азот в легкоусвояемые для растений формы. Клубеньковые бактерии селятся на корнях бобовых растений, инициируют образование корневых пузырьков, после чего между растением и бактериями возникает симбиоз (рис. 1). В частности, бактерии связывают молекулярный азот атмосферы, передают его растению, которое, в свою очередь, снабжает их продуктами фотосинтеза и другими питательными веществами.

Значительны перспективы использования так называемых ассоциативных бактерий в выращивании пшеницы, ржи, ячменя, тритикале, кукурузы, проса, сорго. Эти микроорганизмы также фиксируют азот, улучшая минеральное питание, снабжая растение-хозяина физиологически активными веществами (фитогормонами, витаминами и др.).

Нитрагинизация (инокуляция – обработка семян перед посевом клубеньковыми бактериями) повышает продуктивность бобовых в среднем на 10–25%, содержание белка в растительной продукции – на 2–3%. Потенциальные размеры симбиотической азотфиксации могут достигать от 130 до 390 кг фиксированного азота на 1 га для зернобобовых культур и от 270 до 550 кг азота на 1 га для многолетних бобовых трав. Уровень прибавки урожая зависит от особенностей культуры, состояния почв и погодных условий. Увеличение накопления биологического азота в урожае при интродукции эффективных штаммов клубеньковых бактерий составляет 30-50% для зернобобовых и достигает 60-80% для бобовых трав. Кроме того, после уборки этих культур в почве остается 50-100 кг азота на гектар и ингибируется активность фитопатогенных микроорганизмов.

За последние десять лет в Институте физиологии растений и генетики НАН Украины создано более 20 штаммов азотфиксирующих микроорганизмов, защищенных авторскими свидетельствами и патентами Украины на изобретения. В результате проведенных многолетних исследований мы отобрали высокоэффективные конкурентоспособные штаммы клубеньковых бактерий сои, гороха, люпина, нута, чечевицы, люцерны, клевера и козлятника, которые обеспечивают прибавку урожая этих культур на 15–22% по сравнению со штаммами-стандартами.

Коллекция штаммов симбиотических и ассоциативных азотфиксирующих микроорганизмов Института имеет статус национального достояния (насчитывает более 870 культур) — одна из самых больших в Украине и поддерживается в жизнеспособном состоянии. В состав коллекции входят различные по азотфиксирующей активности штаммы и Tn5-мутанты медленно- и быстрорастущих симбиотических азотфиксаторов, селекционированные как учеными Института, так и специалистами других научных учреждений Украины и мира. Кроме того, в коллекционном фонде хранится ряд штаммов и изолятов ассоциативных и свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов. Авторство многих из них принадлежит ученым Института физиологии растений и генетики НАН Украины.

Ученые Института с использованием классических и современных технологий создали препараты нового поколения Ризостим и Ризостим-М (жидкая и порошкообразная форма) для бобовых культур. Биологической основой препаратов являются запатентованные высокоэффективные штаммы клубеньковых бактерий, которые характеризуются повышенной продукцией экзополисахаридов и устойчивостью к неблагоприятным факторам окружающей среды, обладают более интенсивной азотфиксирующей активностью (в 1,5–2 раза), вирулентностью (на 10–20%), содействуют увеличению урожая зерна на 12-14,5% по сравнению с классическими препаратами. После уборки урожая в почве и пожнивных остатках остается высокое содержание азотных соединений органического происхождения. Высокую эффективность Ризостима и Ризостима-М обеспечивают: комплекс биополимерных соединений растительного происхождения, которые ускоряют формирование симбиоза, активизируют процесс биологической фиксации молекулярного азота и повышают устойчивость растений к неблагоприятным факторам окружающей среды, а также уникальный компонент, который улучшает прилипание бактерий к семенам. на семенной поверхности. Микробные препараты, созданные на основе штаммов клубеньковых бактерий, устойчивых к действию современных фунгицидов, позволяют проводить заблаговременную обработку семян и использовать инокулянт совместно со средствами защиты растений для протравливания семян (рис. 2).

Еще одной инновационной разработкой Института является инокулянт для зерновых культур Азолек. Препарат содержит запатентованный штамм ассоциативных азотфиксирующих микроорганизмов и комплекс протеинов зародышей пшеницы, усиливающих взаимодействие растений и микроорганизмов, способствующих реализации потенциала продуктивности зерновых культур. По результатам многолетних исследований доказана эффективность использования препарата в современных технологиях выращивания пшеницы (рис. 3).

Применение комплексной бактериальной композиции, которая включает в себя несколько микроорганизмов (полиинокуляция) для инокуляции семян пшеницы яровой и озимой, повышает зерновую продуктивность культур в среднем на 12–18%. В то же время минеральные удобрения используются в пределах физиологического оптимума для культур.

Следует отметить, что положительное влияние микроорганизмов-азотфиксаторов на растение не ограничивается улучшением его азотного питания. Бактеризация способствует трансформации труднорастворимых соединений почвы, в том числе фосфорных, в легко усваиваемые растениями формы в т. ч. улучшает их питание. Особенно это актуально для черноземных почв, которые являются зафосфаченными, а содержащийся в них фосфор является недоступным для растений. Кроме того, бактериальные препараты содержат физиологически активные вещества (гормоны, витамины, аминокислоты, стимуляторы роста растений и др.), которые способны непосредственно регулировать рост растений. В частности, существенно улучшают использование удобрений (на 20–30%) благодаря разрастанию корневой системы и повышению ее поглотительных свойств. Лучше развитая корневая система ощутимо влияет на способность озимых зерновых культур к перезимовке. Кроме того, мощная корневая система способна проникать в нижние горизонты почвенного профиля и снабжать растения влагой при условии ее дефицита и способствовать повышению продуктивности сельскохозяйственных культур в засушливых условиях. Важно то, что полезные микроорганизмы, заселив корни, не допускают патогенные микроорганизмы к инфицированию растения, повышая его устойчивость к болезням. Полученные показатели свидетельствуют о том, что семена, собранные с бактеризированных растений, меньше заражаются возбудителями разных болезней, особенно вызванных грибами. Отмечено, что применение биопрепаратов улучшает качество посевного материала – растет энергия прорастания и всхожести семян, а также способствует активизации фотосинтеза в бактеризированных растениях.

Задачей производства бактериальных удобрений является максимальное накопление жизнеспособных клеток, сохранение их жизнеспособности на всех стадиях технологического процесса, приготовление на их основе готовых форм препарата с сохранением активности микроорганизмов в течение гарантийного срока использования. Только таким образом полученные биопрепараты обеспечивают реальный успех в растениеводстве, некачественные могут дискредитировать саму идею биологизации земледелия.

В Украине микробным (биологическим) препаратам, как передовому инновационному направлению аграрной деятельности, специалисты хозяйств уделяли и уделяют самое пристальное внимание, и эти препараты становятся все более популярными. Однако в последнее время при использовании микробиологических азотфиксирующих препаратов возникают некоторые вопросы, связанные с тем, что одни сельскохозяйственные предприятия достигают достаточно высоких результатов, тогда как другие часто имеют убытки. Причин этому может быть много, но главными, по мнению специалистов-микробиологов, могут быть недостаточно высокий уровень профессионализма агропроизводителей в хозяйствах, использующих эти препараты. В частности это касается как самого выбора препаратов, так и их сочетания со средствами защиты растений, минеральными удобрениями и микроэлементами, так и появление на украинском рынке микробных биопрепаратов невысокого качества и часто сомнительного происхождения, применение которых может дать непредсказуемые результаты.

Технология применения биологических препаратов проста. Обработку семян проводят в день посева или накануне посева механизировано, с применением протравочных машин. Для этого можно также использовать бетоносмесители, спецустройства к сеялкам. В фермерских или небольших хозяйствах возможна ручная обработка посевного материала. Допускается совместная обработка семян биопрепаратами и малотоксичными фунгицидами, но лучше протравливать семена раньше времени. При необходимости бактериизации протравленных семян целесообразно удвоить дозу биопрепарата.

С. Коць, член-корреспондент НАН Украины, д-р биол. наук, профессор, завотделом симбиотической азотфиксации, Институт физиологии растений и генетики НАН Украины

Журнал «Пропозиція», №7-8, 2020 г.