Біологічні фосфатмобілізатори: ефективні добрива чи рекламний хід

Разом з азотом (N), фосфор(Р) є ключовим елементом живлення рослин. Він бере участь  практично в усіх основних метаболічних процесах рослин, включаючи фотосинтез і дихання , передавання й консервацію енергії, молекулярний біосинтез і трансдукцію сигналів, а також фіксацію азоту в бобових. Попри те, що фосфор міститься в ґрунтах у неорганічних та органічних формах у достатній кількості, він є обмежувальним чинником росту рослин, оскільки перебуває в недоступній формі для поглинання коренями рослин. Неорганічний фосфат міститься в ґрунті, в основному, в нерозчинних мінеральних комплексах, які активно утворюються після частого застосування хімічних добрив. Органічна речовина також є важливим резервуаром іммобілізованого фосфору. На його частку припадає від 20 до 80% фосфору ґрунту. І лише 0,1% загальної кількості наявного фосфору перебуває в розчинній формі, доступній для поглинання рослинами.

Роль фосфору в розвитку рослин

Забезпечення рослин достатньою кількістю фосфору на ранніх етапах їхнього розвитку  має важливе значення для закладання репродуктивних органів культури. Фосфор має важливе значення для збільшення кореневої системи, що надає рослинам кращої життєздатності й стійкості до хвороб. Це також допомагає формувати повноцінне насіння та сприяє ранньому дозріванню сільськогосподарських культур. Погана доступність або дефіцит фосфору помітно зменшують зростання рослин. Фосфор становить 0,2-0,8 т сухої ваги рослини.

Чому фосфор стає недоступним для рослин?

Перетворення фосфатів на недоступну для рослин форму відбувається двома шляхами: а) в результаті сорбції фосфатів на поверхні мінералів ґрунту, б) внаслідок осадження фосфатів вільними іонами Ca2+, Al3+ і Fe3+ у ґрунтовому розчині. Саме з другої причини ґрунтовий фосфор стає недоступним, через що потрібну для розвитку рослин його кількість на більшості сільськогосподарських ґрунтів поповнюють хімічними добривами. 

Власне як видобуток фосфатних мінералів, так і розкидання фосфорних добрив польовим ландшафтом не є справою екологічно чистою та економічно виправданою. Це також породжує цілу низку проблем: по-перше, виділення в атмосферу фтору — високолеткого й отруйного газу; по-друге, видалення гіпсу і по-третє, накопичення Cd та інших важких металів у ґрунті за частого використання фосфорних добрив.

Крім того, їхня ефективність за використання в хімічній формі рідко перевищує 30% через його зв’язування або у формі фосфатів заліза/алюмінію на кислих ґрунтах, або у вигляді фосфату кальцію — на нейтральних і лужних. Це не лише зумовлює великі витрати в сільськогосподарському виробництві, а й чинить несприятливу екологічну дію на родючість ґрунту в цілому.

Часті й неконтрольовані застосування хімічних фосфорних добрив призводять до істотної втрати родючості ґрунтів унаслідок порушення мікробної різноманітності і, як результат —  зниження врожайності агрокультур. Загальний вміст фосфору у верхньому 30-сантиметровому шарі ґрунтів становить від 400 до 4000 кг/га, і лише близько1% (10-30 кг/га) за вегетаційний період використовується рослинами для формування біомаси, що вказує на його низьку доступність. Попри те, що для підвищення доступності фосфору на різних типах ґрунтів застосовують відповідні їм технології, усі вони дорогі й складні для практичного застосування.

Більше того, фосфор —  непоновлюваний ресурс. Дослідним шляхом було визначено, що за нинішнього рівня його використання відомі у світі запаси високоякісної фосфорумісної породи можуть бути вичерпані вже в  поточному столітті. За цей час виробництво фосфорних добрив «зажадає» переробки більш низькосортних порід, що значно збільшить їхню вартість.
Усі ці потенційні проблеми, пов’язані із застосуванням хімічних фосфорних добрив, разом із величезними витратами на їхнє виробництво спонукають до пошуку нешкідливих для довкілля й економічно доцільних альтернативних стратегій для поліпшення ведення рослинництва на фосфородефіцитніх ґрунтах. 

Біорізноманіття фосфатмобілізаторів

Значна кількість мікроорганізмів має здатність до розчинення фосфору. До них належать бактерії, гриби, актиноміцети і навіть водорості. Ці мікроорганізми здатні розвиватися в різних умовах, але істотно різняться здатністю до розчинення мінерального фосфату, яка залежить від типу ґрунту, його фізико-хімічного складу, а також виду культури, яка на ній ростиме. Концентрація заліза,температура й джерела вуглецю та азоту значною мірою впливають на фосфатмобілізуючі потенціали цих мікроорганізмів. Як правило, гриби продукують більше кислот, ніж бактерії, а отже, проявляють велику фосфатмобілізуючу активність. Невіть більше —  вони здатні проникати набагато далі в ґрунтах, аніж бактерії, тож мають більший потенціал для розчинення фосфору в ґрунтах. Серед філаментозних грибів, які розчиняють фосфат, найхарактернішими є роди Aspergillus, Penicillium, Trichoderma і Rhizoctonia. Разом з цим, в ґрунті бактерії-фосфатмобілізатори становлять близько 50% загальної кількості мікробної популяції, а гриби — лише 0,1–0,5%.

З-поміж видів бактерій на практиці найчастіше використовують Pseudomonas і Bacillus, а серед грибів переважають види Aspergillus і Penicillium. 

Проте рослини по-різному реагують на інокуляцію фосфатмобілізаторами. Їхня реакція залежить від цілої низки  чинників, таких як температура і pH ґрунту, вологість, засоленість, джерело нерозчинного фосфору, метод інокуляції, джерело вуглецю і штам мікроорганізму. Організми, що беруть участь в кругообігу фосфору в ґрунтах, дуже різноманітні, й мікроорганізми, ймовірно, відіграють у цьому процесі найважливішу роль. Проте близько 99% ґрунтових мікроорганізмів-фосфатмобілізаторів не знайшли успішного застосування  як біологічної основи біодобрив.

Механізми підвищення доступності фосфору для рослин

Основні механізми, використовувані ґрунтовими мікроорганізмами, що перетворюють фосфор на доступні для рослин форми, включають: 1) вивільнення комплексоутворювальних або мінералорозчинних сполук, наприклад: аніони органічних кислот, сидерофори, протони, гідроксильні іони; 2) вивільнення позаклітинних ферментів (біохімічна фосфатмінералізація) і 3) вивільнення фосфору під час деградації субстрату (біологічна фосфатмінералізація). 

Мікроорганізми відіграють важливу роль у всіх трьох основних компонентах фосфорного циклу ґрунту(тобто розчинення — осадження, сорбція — десорбція і мінералізація — іммобілізація). Крім того, ці мікроорганізми за наявності лабільного вуглецю слугують накопичувачами фосфору, швидко іммобілізуючи його навіть попри  низькі його  кількості в ґрунтах. Таким чином фосфатмобілізуючі мікроорганізми стають джерелом фосфору для рослин після його вивільнення з клітин після їхньої загибелі внаслідок  змін умов довкілля, голодування або хижацтва. Зміни довкілля, такі як висушування з наступним зволоженням або заморожування — відтавання, можуть призводити до так званих промивних явищ, раптового збільшення доступності фосфору в ґрунтовому розчині в результаті незвично високої частки лізису мікроорганізмів. Так, зокрема, було виявлено, що близько 30-45% мікробного фосфору (0,8-1,0 мг/кг) вивільнялося в піщаному ґрунті після циклів сушіння — повторного зволоження впродовж перших 24 годин.

Сучасні тренди й майбутні перспективи

Несприятлива дія на довкілля хімічних фосфорних добрив, виснаження ресурсів високосортних фосфатних порід  і нестримне зростання ціни на них змушують людство шукати новий підхід до забезпечення рослин фосфором та його доступності для застосування в сільському господарстві. Ґрунтові мікроорганізми беруть участь у низці важливих природних процесів, які впливають на трансформацію фосфору і, відповідно, на його доступність рослинам. Зокрема, мікроорганізми можуть розчиняти і мінералізувати фосфор із неорганічних і органічних ґрунтових пулів. Мікробіологічні фосфатмобілізатори є ефективним способом вирішення проблеми доступності фосфору в ґрунті для агрокультур. Також учені висловили припущення, що накопичений у сільськогосподарських ґрунтах фосфор міститься в достатній кількості для підтримання максимального рівня врожаю у всьому світі впродовж приблизно 100 років, якщо його перевести в доступну для рослин форму.

Окрім інформації про роль мікроорганізмів у доступності фосфору для поглинання рослинами, є низка повідомлень про стимулювання ними росту рослин , що досягається шляхом вироблення корисних метаболітів, таких як фітогормони, антибіотики або сидерофори. Вчені зазначають, що різні препарати фосфатмобілізаторів сприяють зростанню багатьох агрокультур.

Хоча за останні декілька десятиліть були проведені значні дослідження, пов’язані з фосфатмобілізаторами і їхнім значенням для стабільного ведення сільського господарства, за результативністю ці наукові пошуки все ще залишаються в зачатковому стані. Проте використання ефективних фосфаттрансформувальних мікроорганізмів відкриває новий горизонт для підвищення врожайності сільськогосподарських культур поряд із підтриманням здоров’я ґрунту. 

Біотехнологічні й молекулярні підходи до вирішення цього питання могли б поглибити розуміння механізмів мобілізації фосфору, що, безумовно, посприяло б успішній взаємодії рослин і мікроорганізмів. Також зусилля  практиків мають бути спрямовані на використання фосфатмобілізуючих мікроорганізмів для зменшення рівня використання пестицидів у рослинництві.

Резюме

Біотехнологія мобілізації фосфору мікроорганізмами надає прекрасну можливість для розробки екологічного фосфорного біодобрива, яке слід використовувати як доповнення до хімічних добрив або як альтернативу хімії.

Сьогодні на ринку України є низка біопрепаратів, що успішно справляються із завданням мобілізації фосфору на полях аграріїв. І попит на ці препарати стабільно росте. Тепер і ви знаєте про користь, яку бактерії можуть принести на вашому полі. Залишається тільки цю користь отримати.

П. Маменко, канд. біол. наук, керівник відділу R&D Торгового дому «Ензим-Агро»

Інформація для цитування
Біологічні фосфатмобілізатори: ефективні добрива чи рекламний хід
/ П. Маменко // "Біозахист та біопрепарати - актуальна перспектива". Спецвипуск журналу Пропозиція/ — 2017. С. 24-26