Микробные землеудобрительные биопрепараты и их использование в сельском хозяйстве

Биологической альтернативой минеральным азотным удобре­ниям в сельском хозяйстве является биологическая фиксация моле­кулярного азота атмосферы. Как известно, азотные минеральные удобрения стали очень дорогими из-за сокращения добычи иско­паемого топлива, а кроме того, в последнее время повышается об­щественно-политическая озабоченность возможностью химических загрязнений, в частности минеральным азотом, окружающей среды. Следовательно, внимание в настоящее время концентрируется на азотфиксации как альтернативе удобрениям.

Широкие исследования по изучению механизмов азотфикса­ции и взаимодействия микроорганизмов и растений показали необ­ходимость разработки и использования методов генной инженерии для создания новых азотфиксирующих систем, которые являлись бы основой высокоэффективных биопрепаратов нового поколения. Это биопрепараты комплексного действия — они улучшают питание растений (как за счет фиксации атмосферного азота, так и за счет более эффективного использования питательных элементов удобре­ний и почвы), стимулируют рост растений, подавляют развитие фитопатогенной микрофлоры. Эти достоинства ярко проявляются при сравнении с химическими препаратами — пестицидами. В целом ряде случаев обработка препаратами полностью заменяет химиче­ское протравливание семян. Применение биопрепаратов повышает продуктивность растений, улучшает их качество за счет повышения содержания белка, крахмала, витаминов и других соединений, по­зволяет получить более раннюю продукцию, улучшает ее сохран­ность. Биопрепараты обладают широким спектром действия, но на­ибольшую эффективность они проявили на овощных и кормовых культурах. Кроме того, их использование позволяет снизить норму минеральных азотных удобрений, что положительно сказывается на уровне нитратов и нитритов в продукции.

Биопрепарат ризоторфин на основе клубеньковых бактерий рода Rhizobium w Bradyrhizobium

Вскоре после того как М. Бейеринк (1888) изолировал клубенько­вые бактерии бобовых растений, возникла идея использовать эти бактерии для улучшения образования клубеньков и усиления фик­сации атмосферного азота.

Впервые препарат клубеньковых бактерий под названием «ни­трагин» был приготовлен в 1896 г. в Германии Ф. Ноббе и Л. Гильтнером. Позднее под различными наименованиями культуры клу­беньковых бактерий появились в других странах. В 1906 г. в Велико­британии началось производство «нитрагина», в 1907 г. в США Ф. Гаррисон и Б. Барлоу предложили соответствующий препарат «нитрокультура». В том же году в России Л. Т. Будинов применил препарат Rhizobium, именовавшийся также «нитрагином».

Препараты клубеньковых бактерий сейчас широко использу­ют во многих странах под различными названиями. Так, во Фран­ции их называют N-germ, в Чехии и Словакии — нитразон, в Рос­сии — нитрагин, ризоторфин и т. д.

Использование препаратов клубеньковых бактерий для зара­жения семян бобовых растений совершенно необходимо, когда в данной местности вводят новые культуры бобовых и в составе фло­ры нет перекрестно заражающихся с ними растений. Такая потреб­ность возникла в нашей стране при возделывании соевых бобов в новых зонах. При этом клубеньков на корнях бобовых растений практически не было. Инокуляция обеспечивала образование клу­беньков, а следовательно, осуществление азотфиксации. В результа­те увеличивались урожай и содержание белка в растительной массе и зерне.

В целесообразности применения инокуляции для новых куль­тур бобовых растений, а также на вновь осваиваемых сельскохо­зяйственных угодьях нет сомнения. Значительно труднее решить вопрос о старопахотных, хорошо окультуренных почвах, на которых уже давно возделывают определенные виды бобовых растений. Можно предположить, что в таких почвах уже сложились достаточ­но стабильные микробные ценозы, в составе которых имеются и клубеньковые бактерии культурных бобовых растений. Нужна ли здесь инокуляция и будет ли она себя оправдывать?

Для ответа на этот вопрос были поставлены многочисленные опыты. В европейской части России массовые опыты с инокуляци­ей разных бобовых культур были проведены Е. Н. Мишустиным и В. В. Бернардом. В большинстве случаев инокуляция дала замет­ное увеличение урожая. Наилучший эффект отмечался на кислых почвах.

Объяснить такое действие заражения бобовых растений куль­турой Rhizobium или Bradyrhizobium на давно освоенных почвах, имеющих в составе микрофлоры клубеньковые бактерии, можно следующим образом. Во-первых, в природных условиях может про­исходить перекрестное заражение, т. е. высеваемые бобовые расте­ния заражаются клубеньковыми бактериями близких групп расте­ний. В таких случаях клубеньки хотя и образуются, но функционируют неполноценно. В то же время при искусственной инокуляции в корень бобового растения проникает активная раса Rhizobium или Bradyrhizobium, нанесенная на высеваемые семена.

Во-вторых, клубеньковые бактерии, имеющиеся в почве, не занятой бобовыми растениями, существуют как обычные сапротрофы. Нередко вследствие ряда причин почва оказывается не­благоприятной средой для клубеньковых бактерий. Их количество существенно уменьшается, а активность снижается. Кислые почвы, например, отрицательно влияют на азотфиксирующую способность клубеньковых бактерий, и при сапротрофном существовании про­исходит существенное снижение их ценных свойств. В таких случа­ях естественное заражение не дает эффективного симбиоза.

Массовые опыты с нитрагинизацией показали целесообраз­ность и эффективность рассматриваемого агроприема (табл. 20). До­вольно широко искусственная инокуляция бобовых культур клу­беньковыми бактериями проводится в Чехии, Словакии, Болгарии, Польше, США, Канаде, Франции, Швеции и др.

Бактеризация не только увеличивает урожай бобовых расте­ний, но и улучшает его качество. В растениях, зараженных активны­ми расами клубеньковых бактерий, значительно повышается коли­чество белка и витаминов группы В. Поскольку положительное влияние инокуляции распространяется и на корни растений, то после сбора урожая пожнивные остатки более эффективно действу­ют на последующую культуру севооборота.

Препарат, содержащий клубеньковые бактерии, готовят раз­ными методами. Чаще всего используют торфяной нитрагин — ризоторфин. Он представляет собой стерилизованный λ-облучением низинный торф, к которому добавлены необходимые для клубень­ковых бактерий питательные вещества. Расфасованную массу вы­держивают в термостате для размножения внесенных в нее бакте­рий. Иногда готовят торфяной препарат, не стерилизуя торф, но вносят в него большое количество клубеньковых бактерий.

При изготовлении препарата на почве пользуются нейтраль­ной, богатой органическим веществом стерильной почвой, расфасо­ванной в ту или иную тару. Перед посевом семена бобовых расте­ний обрызгивают водной суспензией того или иного препарата. Препараты для заражения бобовых растений можно применять ог­раниченное время, так как клубеньковые бактерии постепенно от­мирают. Для каждой бобовой культуры или узкой группы растений готовят специальный препарат.

В связи с широким использованием приемов химического протравливания семян, применением гербицидов, инсектицидов и т. д. возникает вопрос о совместимости химических мер защиты урожая с инокуляцией семян бобовых клубеньковыми бактериями. Выяснено, что протравливание семян не исключает применения культур клубеньковых бактерий. Однако необходимо подбирать со­ответствующие протравители и разделять указанные приемы во вре­мени.

Для эффективного симбиоза клубеньковых бактерий и бобо­вых растений необходима систематическая работа по селекции ак­тивных и вирулентных культур клубеньковых бактерий, а также бо­бовых растений, обеспечивающих интенсивную деятельность их симбионтов.

В последние годы под бобовые растения применяется около 1,5 млн га порций ризоторфина в год. Ризоторфин позволяет умень­шить объемы применения азотных удобрений; препарат разработан практически для всех бобовых, возделываемых в настоящий момент. Особенно ярко полезность ризоторфина проявляется при введении в культуру новых видов бобовых, многие из которых (например, козлятник) вообще не могут возделываться без наличия в почве со­ответствующих микроорганизмов. Агрономическая эффективность ризоторфина для бобовых культур в среднем составляет 10—30%, дополнительный сбор белка — 2—5 ц/га. При интродукции новых бобовых культур (люпин, люцерна, козлятник) эффективность бак­теризации может составлять 50—100%, а сбор белка увеличивается в 2—3 раза.