Спецвозможности
Технологии

Бактериальные препараты: преимущества и риски

10.02.2022
3094
Бактериальные препараты: преимущества и риски фото, иллюстрация
Сегодня уже очевидно, что человечество из-за чрезмерного применения химических соединений в сельском хозяйстве идет по пути самоуничтожения. Наличие в продуктах питания нитратов, нитритов, пестицидов и других вредных веществ негативно отражается на здоровье населения. Избыточное использование минеральных удобрений приводит к ощутимому ухудшению состояния окружающей среды.
 
В то же время научно обоснованное применение минеральных удобрений – наиболее эффективное средство воздействия на продуктивность растений, способное обеспечить до 50% прибавки урожая. Однако, по точному выражению выдающегося агрохимика и физиолога растений Д. М. Прянишникова, «избытком удобрений нельзя заменить недостаток знаний».

 

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.

Кореневі бульбочки сої Glycine max (L.) Merr. (А) та нуту Cicer arietinum L. (Б)

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.

Это и есть причина того, что во всем мире наблюдается повышенный интерес к биологическим препаратам для сельского хозяйства на основе бактерий-азотфиксаторов. В развитых странах, несмотря на их большие возможности применения минеральных удобрений, биологизация агропроизводства имеет исключительное значение.
 
О недостаточности внедрения в Украине этого направления свидетельствует то, что на сегодняшний день только 30–35% семян бобовых культур (в основном сои) инокулируется препаратами клубеньковых бактерий. В последние два-три года возрос интерес производителей к микробным препаратам для инокуляции семян нута и чечевицы. В США наряду с применением минеральных удобрений азотный дефицит почвы в значительной степени покрывается активизацией биологических процессов.
 
Сельское хозяйство США, имеющее около 140 млн га пашни, обеспечивает поступление азота в почвы (в общей сложности 29 млн т в год) из следующих источников:
 
• минеральные удобрения – около 9 млн т, что составляет 31%;
 
• биологический азот – около 13 млн т, что составляет 44,8%;
 
• органические удобрения – 7 млн ​​т, что составляет 24,2%.
 
В США биопрепаратами обрабатывают более 65% площадей бобовых культур. Для собственных нужд и на экспорт производят от 14 до 20 млн. гектарных порций азотфиксирующих препаратов.
 
Широкое применение инокуляции бобовых культур клубеньковыми бактериями для повышения урожая и улучшения его качества побуждает ученых к систематической работе над усовершенствованием симбиотических свойств этих бактерий, следовательно, эффективности бобово-ризобиального симбиоза. Чтобы целенаправленно управлять процессом азотфиксации у бобовых растений для создания эффективного симбиоза, следует всесторонне понимать течение этого процесса. А сложность его заключается в том, что любой генетический признак бобово-ризобиального симбиоза – это результат взаимодействия двух геномов, один из которых принадлежит растению, а другой – бактерии.
 
Эти бактерии должны быть способны, с одной стороны, образовывать на корнях бобовых оптимальное количество клубеньков и обеспечивать высокий уровень азотфиксации, а с другой — успешно конкурировать с низкоактивными местными расами ризобий и другой почвенной микрофлорой, сохраняя активность при неблагоприятных условиях окружающей среды. Следует отметить, что некоторые штаммы клубеньковых бактерий со временем могут в определенной степени терять агрономически полезные свойства, что приводит к необходимости постоянного ведения селекции новых высокоэффективных штаммов, которые по симбиотическим свойствам преобладали бы уже известные.
 
Генетической базой для селекции активных штаммов клубеньковых бактерий служат ризобии, выделенные из природных биоценозов (аналитическая селекция) или полученные при действии различных мутагенов - физических и химических. Для расширения спектра высокоактивных симбионтов-азотфиксаторов следует применять и новейшие методы исследований, в том числе генно-инженерные и биотехнологические. Это позволит создать штаммы, способные образовывать высокоэффективные симбиотические системы с широким кругом сортов бобовых культур, районированных в различных экологических условиях.

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.

В этом коллекционном фонде хранятся и поддерживаются ценные биологические объекты — азотфиксирующие микроорганизмы, имеющие стратегически важное значение для экономического развития Украины. Ведь их используют для изготовления биологических препаратов под бобовые и зерновые культуры, что позволяет уменьшить использование минеральных удобрений и энергетических ресурсов и снизить негативную нагрузку на окружающую среду.
 
Концептуальным направлением развития биотехнологий в сельском хозяйстве является создание оригинальных комплексных композиций многофакторного действия, сочетающих свойства регуляторов роста растений, элементов питания, средств устойчивости растений к стрессам и болезням, безопасность для окружающей среды. Примером этого является использование микробных биотехнологий и регуляторов роста растений природного происхождения.
 
В отделе симбиотической азотфиксации Института физиологии растений и генетики НАН Украины ведется работа по созданию и исследованию эффективности действия комплексных композиций на основе компонентов природного (растительного и бактериального) происхождения. Ее конечной целью является повышение продуктивности стратегических для Украины сельскохозяйственных культур (бобовые и пшеница) и сохранение плодородия почв. В основе создания таких композиций положен принцип индивидуального отбора и максимальной комплементарности составляющих. Они могут содержать следующие компоненты:
культуру почвенных азотфиксирующих микроорганизмов (клубеньковые бактерии или ризосферные диазотрофы), которые обеспечивают растение экологически безопасным биологическим азотом, являются источником биологически активных веществ (гормонов, витаминов, аминокислот и т. д.) и веществ фунгистатического и антибактериального действия;
биологически активные вещества растительного или бактериального происхождения, имеющие широкий спектр биологической активности, положительно влияют на развитие бактериальной культуры в композиции, в частности, повышают инокуляционную нагрузку конечного препарата и обеспечивают максимальную степень реализации потенциала растительно-бактериальных систем путем активизации важных симбиотических свойств микроорганизмов.
 
Способы усиления симбиотических свойств микроорганизмов, лежащие в основе комплексных композиций, защищены патентами Украины.

Дослідження ефективності препарату Ризостим на посівах сої (ліворуч) та гороху (праворуч)

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).

Дослідження ефективності препарату Азолек на посівах пшениці озимоїПрименение 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.

Кроме того, возможно снижение эффективности иностранных препаратов в случае применения их отечественными агропроизводителями из-за того, что основу таких препаратов составляют активные микроорганизмы, в отличие от отечественных микробных агентов, не адаптированные к почвенно-климатическим условиям Украины и сортам культурных растений украинской селекции. На снижение эффективности биопрепаратов оказывают влияние также экстремально неблагоприятные показатели температуры и влажности почвы, дисбаланс или дефицит питательных веществ и химические повреждения растений.
 
Поэтому для эффективного использования современных инновационных биопрепаратов требуется сотрудничество с их производителями в форме профессиональных консультаций и анализа причин при получении низких результатов от применения биоинокулянтов. Преодоление приведенных осложнений может значительно повысить как урожайность, так и экономическую эффективность.
 
Выращивание агрокультур без применения бактериальных удобрений – это нереализованные возможности и неэффективно использованные ресурсы. А максимальную отдачу от растений (как урожай, так и последействие для последующих культур) можно получить только при грамотном применении современных бактериальных (микробных) удобрений в агропроизводстве. Увеличение производства и применение качественных бактериальных удобрений позволит получать экологически чистую продукцию растениеводства, будет способствовать снижению антропогенной (химической) нагрузки на экосистемы и восстановлению плодородия почв.

 

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.   

Интервью
Новая климатическая политика ЕС и международных организаций вызвала беспокойство широких кругов производителей по всему миру. Ведь она требует закрыть целые отрасли. И хотя речь идет прежде всего о добыче полезных ископаемых, энергетике и... Подробнее
В августе одна из ведущих мировых агрохимических и селекционных компаний Corteva Agrisciences провела масштабный опрос подростков и их родителей в 6 странах Восточной Европы. В ходе опроса тех, кто только определяется с выбором будущей... Подробнее

1
0