Введение:

Применение биологических удобрений на сегодняшний день занимает важное место в структуре сельского хозяйства. Активно проводятся исследования по повышению продуктивности сельскохозяйственной деятельности. Биотехнология не может остаться в стороне и используется для борьбы с вредителями, консервации и обработки сырья и увеличения плодородия почв за счёт использования биологических (бактериальных) удобрений.

Они используются для обогащения почвы азотом. Применяются препараты на основе клеток клубеньковых бактерий и азотобактерий, к которым добавляют различные стабилизаторы (мелассу, мочевину) и наполнитель в роли которого могут выступать опилки, переработанное растительное сырьё или почва.

Почвенная микрофлора значительно улучшает плодородие, а следственно и урожайность сельскохозяйственных культур. Бактериальные культуры по мере роста накапливают необходимые для роста растений вещества, минерализуют различные органические соединения и фиксируют азот и фосфор, переводя его в доступную для растений форму.

Существуют различные методики по внесению в почву особых штаммов микроорганизмов для улучшения почвенной микрофлоры и увеличения плодородия.

Интенсивное растениеводство обедняет почву азотом, так как значительная его доля ежегодно выносится из почвы вместе с урожаем, поэтому важно вовремя восполнять необходимые для роста растений элементы.

История использования биологических удобрений:

Методы биотехнологии активно используются в сельском хозяйстве уже сотни лет. Однако чаще всего носил случайный экспериментальный характер. Первым задокументированным описанием наличия бактерий в клубеньках бобовых растений было описано учёным Лахманом в 1858 году. В последствии в 1888 году были выделены чистые культуры этих микроорганизмов. В 1901 году учёный Бейеринк открыл свободноживущую азотфиксирующую бактерию Azotobacter, которую в последствии стали использовать в сельском хозяйстве для обогащения почвы азотом.

Сразу после определения роли клубеньковых бактерий в жизни растения начались эксперименты по внесению этих микроорганизмов в почву. Данные технологии позволяли добиться значительного увеличения всхожести семян и повышение плодородности земли.

Стали активно использование бобовые растения для восстановления и улучшения азотного баланса почв и борьбы с эрозией.

Так появились первые биологические удобрения на основе микроорганизмов.

Рисунок 1 – Микрофотографии бактерии Azotobacter

Биологические удобрения в ссср:

В СССР из бактериальных удобрений нашли применение нитрагин, азотобактерин и фосфоробактерин.

Нитрагин — удобрение для бобовых растений. Готовят из активной специфической для каждого вида растений этого семейства клубеньковых бактерий, размножаемых на стерилизованном и богатом органическим веществом субстрате. Впервые препарат получен в 1896 в Германии. По стандарту в 1 г нитрагина должно содержаться не менее 70 млн клеток клубеньковых бактерий для люпина, сои, сераделлы, арахиса и 300 млн для остальных бобовых растений.

Бактерии, проникая в корневые волоски, образуют на корнях бобовых культур клубеньки. Усиленно размножаясь в ткани клубенька, они связывают атмосферный азот, значительная часть которого усваивается растением.

Нитрагин наиболее эффективен при сочетании препарата с органическими и минеральными удобрениями.

Рис.2. Карточка биоудобрения “Нитрагин КМ” на сайте производителя

Азотобактерин (азотоген) готовят из активных культур микроорганизма — азотобактера. Различают азотобактерин почвенный (или торфяной) и агаровый. В 1 г почвенного азотобактерина должно быть не менее 50 млн клеток азотобактера.

Азотобактер активно развивается лишь в плодородных, содержащих много органических веществ почвах; улучшает азотное питание и рост растений.

Фосфоробактерин — порошок белого, светло-серого или желтоватого цвета, в котором содержатся в большом количестве (8,5—16 млрд в 1 г) споры микроорганизмов, обладающих повышенной способностью переводить фосфорорганические соединения в удобоусвояемую для растений форму. Наиболее эффективен на фоне органических и минеральных удобрений.

Применение и хранение биологических удобрений:

Обычно бактериальные удобрения вносят в почву вместе с семенами или посадочным материалом, руководствуясь при этом специальной инструкцией. Данный вид удобрений не выдерживают длительного хранения, поэтому готовят их в количестве, необходимом лишь для одного сезона. Хранят в заводской таре в сухом помещении при температуре от 0 до 10 °C; нельзя хранить на складе, где находятся летучие ядохимикаты.

Технология получения азотных биоудобрений:

Существует два основных метода получения азотных удобрений:

1) Использование почвы после выращивания бобовых растений (старейший метод, однако к его недостаткам относят трудозатраты в обработке почвы и возможный риск распространения болезни).

2) Создание специальных препаратов азотфиксирующих бактерий.

Выращивание на агаризированных средах:

Препараты получали путём выращивания бактерий на агаризированных средах. Далее бактерии соскабливали с поверхности и хранили в молоке. Смесь молока использования для вымачивания семян и в последствии высевали их. К недостаткам данного метода стоит отнести малой срок хранения готовых семян, поскольку после сушки бактерии быстро погибают.

Выращивание на торфяной основе:

Для данного метода бактерии выращивали в глубинной культуре на дрожжевом экстракте до достижения высокой плотности инокулята. Далее культуральную жидкость смешивают с заранее подготовленным и обработанным стерильных торфом в соотношении 4:6 и запаковывают в герметичные пакеты. Препарат дозревает в течении несколько суток, а в последствии готов к применению и сохраняет свои свойства в течении нескольких месяцев.

Азотные препараты на других основах:

В сельскохозяйственной деятельности были опробованы различные носители для бактерий: смеси торфа и опилок, смеси торфа и почвы, активированный уголь, но самым эффективных считается торф.

Механизм действия:

Клубеньковые азотфиксирующие бактерии, развиваются на корневой системе растения обеспечивая симбиоз. Они фиксируют атмосферный азот посредством превращения его в аммиак, который усваивают растения и образуют из него аминокислоты.

Для каждого вида клубеньковых бактерий свойственна высокая специфичность по отношению к растению с которым они вступают в симбиоз. Так, для бактерий Rh. leguminosarum растение-хозяин – горох, а также вика, кормовые бобы, чина, чечевица; для Rh. phaseoli – фасоль; Rh. japonicum – соя; Rh. trifolii – клевер; Rh. vigna – вигна.

Бактерии развиваются лишь в благоприятных для них условиях, резкая смена температуры, влажности или наличие в почве токсичных веществ значительно снижает эффективность их применения.

Азотфиксация с позиции молекулярной биологии:

В последнее время азотфиксация активно изучается при помощи методов молекулярной биологии и генетики. Ведутся исследования по созданию неспецифичных микроорганизмов способных существовать в симбиозе не только с бобовыми.

Исследования по переносу генов азотфиксации в случае их удачного завершения позволят существенно повысить продуктивность сельского хозяйства и полностью отказаться от использования азотных удобрений.

Фосфатные удобрения:

Вокруг корневой зоны растений постоянно возникает дефицит необходимых растению ионов фосфора. Для решения этой проблемы растения вступают в симбиоз с грибами, что приводит к возникновению везикулярно-арбускулярной микоризы (ВА). ВА формируется внутри и вокруг мелких корешков растения и обеспечивает его фосфатное питание.

Микориза, образуемая грибом семейства Endogonaceae встречается очень часто практически во всех климатических зонах. Эта микориза присутствует у большинства покрытосемянных, многих голосемянным, а также у папоротников. Гифы микоризы, вырастающие из мицелия и распространяющиеся далеко за пределы корневой системы, переносят фосфат-ионы в клетки хозяина.

Рис.3. Карточка биоудобрения “Кормилица Микориза” на сайте производителя

Наибольший эффект образование микоризы приносит растениям со слабой корневой системой. Благодаря этому рост растений на обеднённых фосфатами почвах значительно улучшается. Одновременно с поступлением фосфатов растения также обогащаются микроэлементами. Концентрация гормонов роста значительно повышается в растениях с микоризой.

Получение грибов эндофитов искусственным методом:

На данный момент единственный эффективный способ получения больших количеств эндофита – это выращивание их на специальной линии растений. Инокулятом является смесь корней мицелия и спор. Выделенные споры, используют для инокуляции растения хозяина, свободного от болезней, в горшечной культуре.

Полученный таким образом инокулят используют в поле. Несколько граммов неочищенного инокулята, полученного из горшечной культуры растения-хозяина, добавляют в среду близко от молодых корней растения так, чтобы до пересадки растения в грунт успела образоваться довольно мощная микориза.

Получение фосфобактерина:

В случае если необходимо повысить содержание фосфатов применяют препараты на основе спор культуры Bacillus megaterium var. phosphaticum. Эти бактерии переводят трудно усвояемые минеральные фосфаты и фосфорорганические соединения (нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды) в доступную для растений форму.

Технология получения препарата фосфоробактерина сходна с технологией получения сухого нитрагина и азотобактерина. Выращивание бактерий проводят в глубинной культуре до стадии образования спор.

Процесс проводят в стерильных условиях во избежание заражения культуры, так как многие производственные штаммы чувствительны к действию бактериофагов.

Высушенную в распылительной сушилке при 65–75 °С биомассу с остаточной влажностью 2–3 % смешивают с каолином для стабилизации и фасуют в водонепроницаемые герметичные мешки.

В 1 г препарата содержание жизнеспособных клеток – не менее 8 млрд. Препарат, в отличие от нитрагина и азотобактерина, стабилен. Благодаря этому он может хранится при комнатной температуре длительное время без потери свойств.

Рис.3. Карточка биоудобрения “Фосфатовит” на базе фосфобактерина на сайте производителя