Использование биопрепаратов в растениеводстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современное интенсивное растениеводство немыслимо без использования удобрений, регуляторов роста и онтогенеза растений, контроля численности вредителей и полезных микро- и макроорганизмов. Синтез необходимых для этого веществ в некоторых случаях выгоднее (дешевле, эффективнее) производить не химическим, а биологическим путем, привлекая животных, растения (или культуру их клеток и тканей) и микроорганизмы. Преимущества органических веществ, метаболитов живых существ перед пестицидами и химическими удобрениями -- это их комплексное позитивное действие и высокая эффективность, что позволяет вносить биопрепараты в минимальных дозах. Являясь природными веществами, они не накапливаются в окружающей среде и легко утилизируются в ней. Часть необходимых веществ можно не вносить в готовом виде, а производить прямо на месте потребления, используя живые существа. Естественно, для этой цели более пригодны микроорганизмы.

Глава 1. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕПАРАТЫ В ПРАКТИЧЕСКОМ РАСТЕНИЕВОДСТВЕ РОССИИ: ФУНКЦИИ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ПЕРСПЕКТИВЫ

В последнее десятилетие происходит постепенный, но устойчивый рост применения микробиологических препаратов (МБП) в растениеводстве России. Ежегодно на рынке появляются новые «биопрепараты» с практически одинаковой, часто недобросовестной и, главное, малограмотной рекламой. Обычно обещается увеличение в разы урожайности, качества, всхожести, возможность замены одним флаконом центнеров органических и минеральных удобрений, отказ от химических средств защиты растений и пр. Часто на первое место выносится «экологическая чистота» биопрепарата, что, в реальности, требует специальной проверки (об этом - ниже). Стоит упомянуть и о нарастающей проблеме применения «дешевых» (но отнюдь небезопасных!) контрафактных и незарегистрированных МБП. К сожалению, такие бизнес- и PR-ходы по понятным причинам становятся существенным барьером к внедрению действительно эффективных современных МБП. Авторы смеют утверждать и то, что многие коллеги-микробиологи, способствуя государственной регистрации новых препаратов и внедряя их в сельхозпроизводство, сами весьма туманно представляют место МБП в существующих агротехнологиях, дозы, способы и ограничения в применении.

Во-первых, необходимо определиться с тем, что же собственно понимать под термином микробиологические препараты (МБП) и что отличает их от неопределенно обобщающих терминов биопрепараты, препараты биологической природы, биологически активные вещества и пр. Ведущими функциональными видами МБП для земледелия являются микробиологические удобрения, фунгициды, стимуляторы роста, ризобиальные препараты для бобовых культур (биоинсектициды и родентициды в данной статье не рассматриваются). Собственно под МБП мы понимаем различные препаративные формы субстрата-носителя, содержащего в достаточном для обеспечения заданных функций количество (концентрацию, титр) культуры (технологичных штаммов) полезных живых микроорганизмов и (или) жизнеспособных спор, а также продукты их метаболизма. Все иные препараты, содержащие полезные для растений продукты метаболизма (антибиотики, витамины, стимуляторы роста и др.), выработанные микроорганизмами (также и сами отмершие ткани микробов) правильнее называть веществами микробиологической природы. Под последнее определение попадает огромное количество веществ, включая, кстати, нефтепроизводные, известковые материалы, продукты брожения и др.

На сегодня, следуя сведениям, изложенным в Справочном издании «Списка пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории РФ, 2008 г.» и «Дополнениям к Государственному каталогу…2008 г.» к препаратам микробиологической природы, т.е содержащих микроорганизмы и/или продукты их метаболизма могут быть отнесены:

- фунгициды (Бисолби-Сан, Фитоспорин-М, Бинорам, Елена, Планриз, Псевдобактерин-2, Алирин-Б, Баксис, Бактофит, Бактрил, Гамаир, Агат-25, Вермикулен, Глиокладин, Триходермин нова, Фитолавин);

- регуляторы роста растений (Агат - 25, Бинорам, Эмистим)

- микробиологические удобрения (Экстрасол, Бактофосфин,Бисолби, БисолбиФит, Агрика, Азофит, Байкал М-1, Восток М-1,Ресойлинг, Ризоагрин, Ургаса, Фосфатовит, Экофит).

Существует принципиальное отличие воздействия на растение и, соответственно, формирование урожая именно МБП. Живая культура полезных микроорганизмов, входящая в композицию настоящих МБП с момента вступления в контакт с развивающимися тканями растения (будь то первичный корень, проросток, устьица или листовая поверхность) сопровождает его на протяжении всего последующего цикла развития, образуя различные типы взаимодействия - симбиотические(классический пример - бобовые с клубеньковыми бактериями), симбиотрофные, биоконтрольные, пищевых цепей, сигнальные и др. Кроме того, часть полезных бактерий из МБП, что доказано на примере рода Bacillus, закрепляются и зимуют в ризосфере растения, создавая положительный эффект последействия, проявляющийся в санации почвы и пожнивных остатков в отношении патогенных грибов и бактерий, а также обогащении микробоценоза пашни полезной микрофлорой.

Все иные препараты, как химической, так и биологической природы, действуют контактно. Иначе говоря, их эффективность зависит от химической формулы, времени и площади контакта со способными к взаимодействию, либо больными тканями растения, точности подбора концентрации действующих веществ.

Веря в растущее экологическое сознание сельхозпроизводителей перспективы широкого внедрения МБП в растениеводство России, все-таки, правильнее изучать в действующих на сегодня экономических координатах. При оценке вероятной эффективности и перспектив внедрения МБП в конкретном хозяйстве на определенных группах культурных растений, естественно, следует в первую очередь учитывать следующие обстоятельства:

1.преимущества и недостатки в сравнении с аналогичными агропрепаратами химической природы;

2. совместимость с уже апробированными агротехнологиями и сельхозтехникой;

3. величина, стоимостное выражение и, что не менее важно, предсказуемость ожидаемых как положительных, так и побочных эффектов, в том числе в многолетнем цикле;

4. необходимость и возможность корректировки схем применения препаратов применительно к характеристикам почвенного покрова, климатическим условиям года, агротехническим и экономическим реалиям сельхозпредприятия.

С учетом сказанного попробуем ответить на наиболее характерные вопросы специалистов, возникающие в связи с внедрением МБП.

В начале приведем самую общую сравнительную характеристику действия химических и микробиологических агентов в агроценозе:

- биопротекторы, в отличие от химических средств защиты, не только лечат болезнь, подавляя ее возбудителей, но и «включают» собственные иммунные механизмы растения;

-МБП обладают антистрессовым эффектом, что выражается в лучшей устойчивости обработанных растений к неблагоприятным климатическим условиям (засуха, длительное переувлажнение, заморозки, перепады температур), а также солнечным и химическим ожогам, механическим повреждениям тканей;

- биоудобрения, в отличие от химических удобрений, обеспечивают фиксацию атмосферного наиболее доступного азота, мобилизуют запасы элементов питания, находящиеся в почве в связанном состоянии -- в первую очередь это относится к труднодоступным формам фосфора и ряда микроэлементов;

- полезная микрофлора, входящая в состав МБП, способствуют наиболее полному раскрытию потенциала сорта, что относится как к количественным, так и к качественным показателям сельхозпродукции (многолетними испытаниями доказано увеличение содержания клейковины в зерновых, сахара в сахарной свекле, масла в подсолнечнике и пр.);

Еще раз подчеркнем, что МБП не отменяют агротехники, применения минеральных удобрений и агрохимикатов. Более того, разработка региональных технологических схем применения МБП и их корректировка к условиям хозяйства способствуют большей эффективности большинства традиционных агротехнических мероприятий.

Хотелось бы остановиться и на экологических аспектах применения микробных препаратов в земледелии. Суммарный экологический эффект складывается из 2-х главных составляющих.

Во-первых, это снижение химической нагрузки как непосредственно на агроценоз сельхозугодья, так и на вмещающий ландшафт прилегающих территорий, включая лесополосы и населенные пункты (почвы, грунтовые воды, водоприемники, биота, воздушный бассейн). Достигается как за счет частичного замещения агрохимикатов и возможности сокращения доз минеральных удобрений, так и путем создания баковых смесей МБП и химикатов, при снижении концентрации последних.

Во-вторых, применение МБП способствует восстановлению нормальной структуры микробоценоза пашни. Микробиологическое население обрабатываемых почв -- основа полноценного питания растений, восстановления запасов гумуса и плодородия в целом.. Также, как и микрофлора желудка и кишечника животных, которой организм - хозяин передоверяет значительную часть функций по перевариванию пищи, микробиота пахотного горизонта переводит в доступные для растения формы элементы питания из удобрений, почвы, корневых выделений, органических остатков.

К вопросу об «экологической чистоте биопрепаратов». В связи с научной неопределенностью этого термина под ним обычно понимается лишь безопасность для человека, полезных животных и растений. Однако, на самом деле специального контроля требует само внедрение в биоценоз крайне активных микроорганизмов, составляющих основу МБП. Хорошо известно, что проведение обработок любыми микробными препаратами с завышенной концентрацией рабочего раствора может подавлять развитие растений. Менее изучен эффект воздействия биопрепаратов на микробиоту самих обрабатываемых почв, хотя отмечено, что в ряде случаев вместе с патогенной выборочно подавляется и развитие полезной грибной микрофлоры. Эффект последействия исследован и определен как положительный пока лишь для ограниченного числа МБП (Экстрасол, группа «Бисолби»).

Внедрение МБП в ряде случаев заметно осложняет проблема совмещения МБП с принятыми в данном хозяйстве технологиями растениеводства. Речь идет о технологичности внедряемых препаратов, включающая ряд позиций. Преимущество имеют МБП с наиболее простым способом изготовления рабочих растворов или иных носителей и не требующие специальной техники для инокуляции посадочного материала и вегетирующих растений. Наиболее удачными в данном случае оказываются жидкие суспензионные препараты растворяемые чистой водой прямо в рабочих емкостях агрегатов, не требующие взбалтывания, отстаивания, фильтрации и не засоряющие неотфильтрованными взвесями опрыскивающее оборудование. Весьма важным моментом являются гарантированный срок и условия хранения препарата, определяющие, в частности, возможность осуществить его закупку и доставку одноразово на весь сезон, а остатки использовать и в следующем году. Существенной экономии удается добиться при возможности совмещения традиционных обработок (пестицидами, внекорневыми подкормками) с применением МБП баковых смесях. Преимущество по последним двум позициям, безусловно, за долгоживущими в широком температурном диапазоне и не теряющими активности в неконцентрированных химических средах МБП на основе р. Bacillus.

Определяющим моментом при решении вопроса о том применять или не применять МБП при выращивании той или иной культуры является, конечно же, ожидаемая эффективность препарата. Эффективность того или иного мероприятия в растениеводстве оценивается обычно по повышению урожайности и приращению качества, реже по увеличению сохранности (лежкости) и срока хранения сельхозпродукции. Вопросам эффективности микробных препаратов посвящены сотни публикаций, большинство - в критериях настоящего изложения - неудачные. Дело в том, что представленные в них данные, как правило, не позволяют определить границы экстраполяции предлагаемых выводов об эффективности МБП на одноименных культурах даже в пределах одного агроклиматического района. Рекомендации для сельхозпредприятий огромной страны часто базируются на данных, полученных на идеальных делянках опытной станции, при этом в описании опытов может не указываться репродукция используемого посадочного материала, опускаются сведения о климатических условиях года (лет), срокам и способам обработок, предшественникам, свойствам почв. Отсюда и не поддающийся анализу разнобой цифр по «прибавкам-убавкам» и обобщенные нормативы для абстрактных условий. Опираясь на более чем 15-летний внедренческий опыт мы пришли к выводу, что эффективность применения МБП напрямую связана с экономическими параметрами сельхозпредприятия, на которые завязаны как уровень агротехники (включая качество семян, обеспеченность удобрениями, техникой), так и, соответственно, продуктивность обрабатываемой земли. В слабых хозяйствах применение МБП обычно бессмысленно, поскольку урожайность здесь лимитируется другими понятными факторами. Наибольшие относительные, хорошо прогнозируемые прибавки урожая (в среднем - 13-20% на зерновых, 12-25% на овощах, картофеле, большинстве технических культур, 30-40% на табаке, винограде, бобовых) и заметное улучшение качества продукции отмечены в предприятиях со средневысоким и высоким уровнем агротехники. В специализированных (овощеводческих, картофелеводческих, семеноводческих и др.) хозяйствах со сверхинтенсивными технологиями относительные показатели приращения урожайности часто не очень велики, но гарантированы, и рентабельность применения МБП в итоге оказывается наиболее высокой. Нижний предел рентабельности на 1 рубль вложений в закупку и обработку МБП мы оцениваем в 3 рубля стоимости дополнительно полученной продукции с учетом изменения ее качественных показателей на зерновых, 6 рублей - на других культурах.

Нельзя не упомянуть и о возможных побочных эффектах и ограничениях использования микробных препаратов в растениеводстве. Практически все МБП обладают в разной степени выраженным ростстимулирующим эффектом. Наиболее отзывчивыми на это свойство практически всегда оказываются сорняки, в связи с чем на полях с высокой засоренностью сорняками применение МБП может быть ограничено, либо требует корректировки сроков применения. Способность МБП увеличивать всхожесть семян, в том числе ослабленных, может привести к загущению посевов. В ряде случаев при недостатке минерального питания или влагозапасов в почве это приводило к увеличению биологической урожайности, но снижению товарности овощной продукции. Корректировки требуют также сроки высева озимых после применения МБП для предпосевной обработки семян. С учетом объявленного стимулирующего эффекта инокулированные семена высаживаются с запозданием в 7-10 дней либо в завершающей фазе посевной кампании.

Практика показала, что наиболее быстрый и серьезный экономический эффект от использования МБП проявляется при разработке региональных схем применения препаратов, учитывающих характеристики почвенного покрова, агроклиматические условия, сортовое разнообразие, особенности агротехники. В определенных случаях, например, в районах с пестрым почвенным покровом, неустойчивым климатом, в хозяйствах со специализированными севооборотами, монокультурой защищенного грунта и некоторых других полезна и корректировка рекомендаций применительно к природным и экономическим реалиям сельхозпредприятия. Точная отладка технологии применения, т.е. способов, доз и сроков обработок МБП может быть проведена только в процессе производственных опытов в данном районе.

Завершая настоящую обзорную статью, хотелось бы назвать обстоятельства, когда микробные препараты оказались практически незаменимыми:

- в ситуациях, когда разнообразные химические способы защиты растений от грибных болезней уже не давали ожидаемого результата, весьма эффективными оказались обработки семян и посевов чистыми МБП, либо баковыми смесями химических и микробиологических преапаратов;

- в интенсивных агротехнологиях, где последовательное усиление химической нагрузки с определенного момента приводило к лишь удорожанию себестоимости продукции, применение МБП за счет раскрытия потенциала сорта дало стабильную прибавку урожайности и качества и снизило производственные затраты;

- в случаях, когда остро необходимо проводить завершающие фунгицидные обработки (например, винограда), а также обеспечить сохранность плодоовощной продукции при хранении и транспортировке, а применение химических препаратов по санитарным причинам невозможно;

- в тепличных хозяйствах, где не производится регулярная выкатка грунта, применение МБП - единственный способ оздоровления микробиоты, повышения эффективности и оздоровления продукции растениеводства.

В целом же, хороший агроном всегда заинтересован в том, чтобы в его аптечке для растений был возможно полный набор лекарств. Чтобы помимо традиционной «химии» были антибиотики, витамины, регуляторы роста, средства, повышающие иммунитет, биопротекторы и бактерии для улучшения питания - все то, что поставляют растению живые культуры полезных микроорганизмов, содержащиеся в МБП.

Авторы видят хорошие перспективы использования МБП в растениеводстве, которые, безусловно, будут расширяться вместе с ростом уровня сельскохозяйственного производства в России (как, к слову сказать, было в СССР в 70-80-е годы прошлого века). Наиболее востребованными окажутся препараты высокотехнологичные, комплексного действия, выпускаемые под контролем ученых, апробированные в различных агроклиматических зонах, с предсказуемой эффективностью. На сегодняшний день этим требованиям, на наш взгляд, наиболее полно удовлетворяют жидкие бациллярные препараты (см. приведенный выше список). И последнее. Относительно невысокая стоимость препаратов и их безопасность позволяют проводить испытания МБП на любых культурах и практически во всех масштабах - от ящика с рассадой на балконе до крупного зернового севооборота. Уверены - эффект обязательно будет!

При производстве веществ вдали от места потребления микроорганизмы также имеют преимущества в сравнении с растительными и животными клетками [1]: 1) большая "простота" организации генома; 2) достаточно легкая приспособляемость к среде обитания в естественных и искусственных условиях; 3) большие скорости протекания ферментативных реакций и нарастание клеточной массы в единицу времени.

Первое преимущество обеспечивает лучшие возможности для изменения и перестроек наследственного материала микроорганизмов: мутаций, включения чужеродной генетической информации, привнесения в клетку или, напротив, элиминация из нее плазмид. В микробиотехнологии используют практически только трансгенные или полученные путем искусственного мутагенеза и последующей селекции микроорганизмы, так называемые сверхсинтетики, которые продуцируют нужные человеку вещества в огромных количествах, значительно превышающих собственные потребности микроорганизма. Так, бактерия рода Pseudomonas производит витамина В₁₂ в 50 тыс. раз больше, чем ей необходимо.

Второе преимущество облегчает культивирование микроорганизмов, причем можно подобрать микроорганизмы для сред почти с любыми характеристиками. При этом выращивание микроорганизмов в средах с предельными значениями температуры и рН позволяет снизить загрязнение производства вредными для него микроорганизмами -- контаминантами, которые не выносят данных условий.

Третье преимущество связано в основном с малыми размерами микроорганизмов, что облегчает и ускоряет обмен веществ с окружающей средой и темпы роста биомассы. Так, удвоение числа клеток E. coli и Bac. subtilis на благоприятных питательных средах наблюдается в среднем через 20 мин, почкование дрожжей Candida albicans -- через 30 мин.

Микроорганизмы культивируют в ферментаторах (биореакторах), где создают для них все необходимые условия (питательная среда, аэрация или анаэробные условия, температура, рН, удаление продуктов метаболизма, отсутствие конкурентов, паразитов и хищников). Микроорганизмы используют субстраты питательной среды, синтезируют вещества (метаболиты), растут и размножаются. В зависимости от целей культивирования конечным продуктом может быть биомасса клеток или какой-либо внеклеточный метаболит [1]. Тогда в первом случае отходом будет жидкая часть культуральной среды, а во втором -- клетки. В зависимости от целевого продукта используют наиболее приемлемый способ его выделения:

Клетки (микробная масса) Растворимый метаболит

Седиментация и декантация - 1. Экстракция

Фильтрование - 2. Сорбция

Центрифугирование - 3. Осаждение

Отстаивание - 4. Хроматография

Флотация - 5. Выделение с помощью мембран

6. Ректификация

Микробную массу после отделения от культуральной жидкости обычно сушат (чаще лиофильно), смешивают с носителем: стерильной почвой, торфом, лигнином, активированным углем, керамическими гранулами -- и фасуют. На носителе микроорганизмы лучше сохраняются, однако можно обойтись и без него. Иногда микробную массу производят в виде суспензии микроорганизмов. Перед употреблением сухую микробную массу или суспензию разводят водой, микроорганизмы восстанавливают свои нативные свойства и могут проводить нужные человеку процессы. Во второй главе рассмотрим применение микробной массы в растениеводстве.

Глава 2. ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОБНОЙ МАССЫ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

Землеудобрительные препараты

Одной из главнейших проблем современного интенсивного земледелия является улучшение обеспечения растений азотом. Минеральные азотные удобрения дороги (около трети всех затрат энергии в растениеводстве падает на их производство), к тому же их неграмотное использование может привести к нитратному загрязнению продукции и среды. Не альтернативой, но хорошим дополнением минеральным удобрениям является биологический азот, то есть усиление деятельности азот-фиксирующих микроорганизмов. Прокариоты ежегодно фиксируют 17,5 * 10⁷ т молекулярного азота воздуха. Микроорганизмы, фиксирующие азот, разделяются на симбиотические и несимбиотические (свободноживущие). Микроорганизмы в симбиозе с высшими растениями фиксируют за год 100--300 кг азота на гектар. К ним относятся прежде всего клубеньковые бактерии рода Rhizobium -- симбионты бобовых, актиномицеты рода Frankia, образующие клубеньки на корнях ольхи, облепихи, лоха, цианобактерии Anaboena azollae, обитающие в полостях листьев водного папоротника Azolla pinnata, и ассоциативные бактерии, живущие на корнях травянистых растений. Все эти микроорганизмы используют для создания препаратов, улучшающих азотное питание соответствующих растений. Первым таким препаратом был нитрагин, созданный в Германии в 1896 году для бобовых. Своеобразным его потомком в России является ныне применяемый ризоторфин, представляющий собой торфяную основу, смешанную с Rhizobium (5--8 * 10⁹ клеток в 1 г торфа), выращенным на искусственных питательных средах. Во Франции аналогичный препарат называется N-germ, в Чехии -- нитразон. Ризоторфин вносят под бобовые путем инокуляции семян: смачивают их перед посадкой болтушкой препарата -- в расчете 200 г на гектарную норму семян.

Для каждого бобового растения готовят свой препарат, ибо Rhizobium обладает видовой специфичностью к хозяину. Для производства препаратов необходимо использовать штаммы Rhizobium с высокой вирулентностью (способностью образовывать клубеньки) и активностью азотфиксации, превышающими показатели диких почвенных Rhizobium. В результате нитрагинизации растут урожай и содержание белка в зеленой массе и зерне. Бобовые увеличивают содержание азота в почве (люцерна, например, оставляет в почве около трети накопленного азота), благодаря чему бобовые растения называют зелеными удобрениями -- сидеральными культурами. Особенно велик эффект ризоторфина при первой посадке бобовых растений данного вида на данной территории -- урожай в этом случае возрастает на 50% -- и на кислых почвах. Однако применение ризоторфина ограничивается только бобовыми, так как эти бактерии не образуют клубеньков на корнях растений других семейств. Под облепиху вносят препарат Frankia, предполагается, что именно "фабрики" азотных удобрений в клубеньках облепихи обеспечивают этому растению устойчивые высокие урожаи.

В настоящее время все больший интерес вызывают ассоциативные азотфиксирующие бактерии, не образующие клубеньков и питающиеся корневыми выделениями травянистых растений. Производительность их азотфиксации невелика (30--40 кг азота на 1 га в год), что искупается широким кругом растений-хозяев. Сейчас найдены ассоциативные симбионты более чем у 110 видов растений, в том числе пищевых и кормовых злаков и овощей. Препарат ассоциативных азотфиксирующих бактерий флавобактерин повышает урожай зерновых на 0,3--0,5 т на 1 га, кормовых трав -- на 1,4-- 1,8 т на 1 га, сахарной свеклы -- на 6--7 т на 1 га, овощных культур -- на 1,7--6 т на 1 га при расходе 300 г препарата на гектарную норму семян. При этом улучшается качество продукции за счет повышения содержания сырого белка на 1,5--2%, аскорбиновой кислоты -- на 15--20%. Ризоэнтерин повышает урожай риса, озимой пшеницы и озимой ржи на 200--500 кг на 1 га и содержание белка в зерне. Оба препарата улучшают минеральный и водный обмен растений за счет усиления поглотительной способности корней, стимулируют рост растений, повышают их устойчивость к заболеваниям, так как являются антагонистами микроорганизмов-фитопатогенов. Ризоэнтерин, флавобактерин и подобные им препараты: агрофил, ризоагрин, Alcoligenes pa-radoxus 207, Bacillus sp. II -- не полностью удовлетворяют потребность растений в азоте, но заменяют 40--60 кг минерального азота, что позволяет сократить дозы внесения удобрений в почву и снизить степень нитратного загрязнения среды и затраты. Так, в опытах Н.И. Конопли [2] по сравнению эффективности минеральных

(N₆₀P₆₀K₃₀) и бактериальных удобрений общие денежные затраты на внесение минеральных удобрений составили 61,7 усл.ед./га, затраты труда -- 1,2 чел. * ч/га, энергии -- 6,5 тыс. Мдж/га, а на применение бактериальных препаратов -- соответственно 2,9--3,7 усл.ед./га, 0,2 чел. * ч/га, 150--160 Мдж/га. Это легко объяснимо -- органические удобрения (навоз) вносят в дозах 30-- 80 т/га, минеральные удобрения -- 30--120 кг/га, желательно дробно, бактериальные препараты -- 200-- 500 г/га. Эффективность препаратов ассоциативных азотфиксирующих бактерий повышается при их применении на фоне невысоких доз минерального азота. Еще более перспективным представляется совместное использование двух видов микробных землеудобрительных препаратов: ассоциативных азотфиксирующих бактерий и микоризных грибов. В этом тройном взаимовыгодном симбиозе бактерия снабжает всех партнеров азотом, гриб-санитар убивает болезнетворные микроорганизмы на корнях и помогает растению всасывать воду и минеральные вещества, а растение кормит микроорганизмы органическим веществом. Примером подобного сожительства может служить искусственно создаваемый симбиоз: сорго, флавобактерии и гриб Glomus fasciolatum, при этом урожай биомассы сорго увеличивается более чем наполовину.

В Юго-Восточной Азии для азотного удобрения рисовых полей активно используют симбиоз циано-бактерии Anaboena azollae и водного папоротника Azol-la. Для этого Azolla выращивают в специальных прудах, откуда ее вывозят по назначению. Azolla накапливает за вегетационный период около 120 кг азота на 1 га.

Несимбиотическую азотфиксацию проводят более 30 видов свободно живущих в почве цианобактерий, актиномицетов и типичных бактерий. В целом в умеренной зоне они могут накапливать за год 25--94 кг азота на гектар, в Нечерноземье -- 13 кг. Путем внесения соответствующих бактерий несимбиотическую азот-фиксацию можно усилить. Основным преимуществом этих препаратов является возможность их использования под любую культуру, так как они не связаны с растением-партнером. Чаще всего используют азотобактерин -- препарат бактерии Azotobacter chroococcum, его применяют в России с 30-х годов XX века, в настоящее время в основном в закрытом грунте. Он не только улучшает азотное питание растений, но и стимулирует синтез витаминов группы В, ауксинов и аминокислот, увеличивает рост корней, улучшает коэффициент использования элементов питания и угнетает фитопатогенные микроорганизмы.

Свободно живущие азотфиксирующие цианобактерии используют для альголизации рисовых полей в Индии, Китае и других странах. Азотфиксирующие бактерии рода Azospirillum находятся как бы в промежуточном положении между типичными симбионтами и свободно живущими. Предполагается, что использование этих микроорганизмов для улучшения азотного питания растений перспективно, особенно в зоне тропиков и субтропиков.

Микробные землеудобрительные препараты представлены не только азотфиксирующими микроорганизмами. Фосфобактерин, препарат силикатных бактерий и препарат АМБ, в настоящее время практически не используют в связи с их низкой эффективностью. Наиболее перспективным предполагается применение микоризных грибов, особенно для древесных пород на южных почвах. Грибы-микоризообразователи улучшают водообеспечение и минеральное питание растений, продуцируют биологически активные вещества (витамины, фитогормоны, антибиотики), противостоят фи-топатогенным микроорганизмам и в целом значительно улучшают рост и приживаемость растений. Однако грибы-микоризообразователи трудно культивировать искусственно, поэтому для микоризации чаще применяют лесную почву, содержащую споры и мицелий таких грибов.

Препараты для борьбы с вредителями сельского хозяйства

Для контроля численности насекомых, нематод и грызунов в растениеводстве в основном применяют химические препараты -- пестициды. Однако возможно использование естественных врагов вредителей: паразитов и хищников, в том числе микроорганизмов, -- в качестве дополнения или даже альтернативы пестицидам. В настоящее время принято использовать микробные препараты для контроля численности насекомых -- вредителей сельского хозяйства и леса в трех случаях:

1) когда насекомое устойчиво ко всем применяемым пестицидам (по данным ФАО, таких насекомых около 300); 2) когда применение пестицидов отражается на качестве продуктов, например при производстве продуктов для детского питания; 3) когда инсектицид не может проникнуть к местам обитания насекомого.

Препараты микроорганизмов-паразитов насекомых вызывают у хозяев заболевания, приводящие к смерти, при этом при большой плотности насекомых среди них может даже возникнуть эпизоотия. Впервые энтомопатогенные микроорганизмы (мускаридинный гриб) попытался применить И.И. Мечников против хлебного жука -- он собирал и разбрасывал больных личинок. В настоящее время используют бактериальные, грибные и вирусные препараты в качестве биологических инсекто- и нематоцидов.

Бактериальные препараты для борьбы с насекомыми -- вредителями сельского хозяйства и леса включают чаще всего энтомопатогенную тюрингскую бациллу Bacillus thuringiensis. Данный вид образует два токсина -- Р и 8, из которых Р-экзотоксин обладает широким спектром действия на насекомых, но губителен и для млекопитающих [1]. Поэтому в производстве используют штаммы, не продуцирующие Р-экзотоксин, но образующие 8-эндотоксин. Он представляет собой белковое кристаллическое вещество -- параспоральное тело. При попадании в кишечник насекомого токсин модифицируется и взаимодействует со стенкой кишки, изменяя ее так, что содержимое кишечника попадает в гемолимфу, вызывая общий паралич. 8-Эндотоксин действует на листогрызущих насекомых, преимущественно на личинок чешуекрылых, совершенно безопасен для млекопитающих, человека и перепончатокрылых. Кстати, пересадка генов, кодирующих 8-эндотоксин, растениям -- давно решенная задача, и трансгенные Bt-растения устойчивы к листогрызущим вредителям. Описаны более 20 серотипов Bacillus thuringiensis и 15 вариантов 8-эндотоксина, часть из которых имеет промышленное значение. Коммерческие препараты представляют собой сумму спор и белковых кристаллов в клетках микроорганизма-продуцента. Бактерии довольно легко культивируются на искусственных питательных средах. В России в настоящее время используют препараты на основе Bacillus thuringiensis: лепидоцид-50, дипел, битоксибациллин (для защиты деревьев, кустарников, овощей и лекарственных трав против бабочек), новодор, поражающий колорадского жука (картофель, томаты, баклажаны) [3]. В США длительное время изготавливают препарат на основе другой энтомопато-генной бациллы -- Bacillus popilliae, которая вызывает молочную болезнь японского жука. Есть попытки применить Bacillus sphericus для контроля численности комаров, в том числе малярийных.

Из грибных препаратов для борьбы с насекомыми -- вредителями сельского хозяйства в России используют боверин и вертициллин. Боверин представляет собой бластоспоры энтомопатогенного гриба Beauveria bassiana, который легко разводится на искусственных питательных средах, поражает более 200 видов насекомых и применяется против табачного трипса для защиты огурцов и томатов закрытого грунта. Вертициллин (бласто-споры гриба Verticillium lecanii) используется против тепличной белокрылки. Особняком в ряду грибных препаратов стоит нематофагин БЛ -- хищный гриб Arthrobot-rys oligospora [3]. Он не вызывает болезни паразитических круглых червей -- нематод, а умерщвляет их механическим или химическим путем и буквально пожирает, применяется для защиты овощей и шампиньонов в теплицах. Контроль численности нематод вообще затруднен из-за их скрытого образа жизни в почве, особенно в теплицах, где нельзя применять большие дозы пестицидов. Поэтому применение открытых М.С. Ворониным хищных грибов по сути единственный эффективный и экологически допустимый метод борьбы с этими вредителями, которые ежегодно уничтожают 12% сельскохозяйственной продукции, что составляет 77 млрд. долларов для 20 основных сельскохозяйственных культур. К сожалению, нематофагин, как и другие грибные препараты, работает только во влажной среде, поэтому не применяется в открытом грунте.

Наиболее эффективными энтомопатогенными микробными препаратами являются вирусные -- из-за высокой специфичности к хозяину. Сейчас в России в лесоводстве используют вирины -- препараты вирусов, вызывающих у сибирского и непарного шелкопрядов, рыжего соснового пилильщика и шелкопряда-монашенки ядерный полиэдроз и гранулез [3]. Основными препятствиями к широкому использованию вирусных препаратов являются трудность и затратность разведения вирусов, так как они могут воспроизводить себя только в живой клетке насекомого-хозяина и не культивируются на искусственных питательных средах. Таким образом, необходимо выращивать массу насекомых, заражать их вирусом и лишь затем производить препарат. Относительным выходом в данной ситуации является воспроизводство вирусов на культуре клеток насекомых, что позволяет проводить непрерывный процесс.

До недавнего времени в России использовали препарат для борьбы с грызунами (полевками, крысами, мышами домашними) бактероденцид. Бактерия Salmonella enteritidis var. Issathenko вызывает у них заболевание типа брюшного тифа и совершенно безвредна для человека, домашних животных, хищных птиц и мелких хищников (ласка, хорь).

Микроорганизмы - антагонисты фитопатогенов

Между растениями и населяющими их поверхность эпифитными микроорганизмами складываются самые разнообразные симбиотические взаимоотношения. Микроорганизмы получают от растения органические вещества и иногда воду, при этом они могут приносить растению пользу (взаимовыгодный симбиоз -- мутуализм) или вред (паразитизм) или не оказывать на него существенного влияния (нахлебничество -- комменсализм). При этом между эпифитными микроорганизмами возникает конкуренция за источники питания, причем у здорового развитого растения нормальная микрофлора подавляет патогенную (как правило, выделяя антибиотики). Поэтому встает задача как можно раньше занять места на растении для нормальной полезной микрофлоры. Этого можно достичь путем инокуляции семян, опрыскивания проростков или растений или обработкой корней при пересадке суспензией нужных микроорганизмов, а также внесения их в почву. В России применяют бактериальные и грибные препараты -- антагонисты фитопатогенов: фитоспорин (Bacillus subtilis, на пшенице и картофеле), псевдобак-терин-2 (Pseudomonas aureofaciens, на пшенице и овощах закрытого грунта), планриз (Pseudomonas fluores-cens, на зерновых, картофеле, капусте), фитолавин (Streptomyces lavendulae, Streptomyces griseus, на капусте и томатах защищенного грунта), триходермин (Trichoderma lignorum, на овощах и цветах защищенного грунта), вермикулен (Penicillium vermiculatum, на подсолнечнике) [3]. В некоторых случаях применяют микробную массу вместе с выделяемыми метаболитами (обычно антибиотиками). Эти препараты эффективнее и дешевле, так как не требуют разделения компонентов. Таковы препараты бактофит (Bacillus subtilis и продуцируемый антибиотик -- на овощах, деревьях, цветах и лекарственных травах), Агат-25 (Pseudomonas aureofaciens и продукты метаболизма -- на зерновых и картофеле), триходермин (споровая масса гриба Trichoderma lignorum и антибиотики: триходермин, веридин и глиотоксин) [3]. Обширный список препаратов указывает на их востребованность в растениеводстве, они существенно снижают заболеваемость растений грибными инфекциями: фитофторозом, черной ножкой, фузариозом, мучнистой росой и другими, а также бактериозами, что положительно сказывается на урожае и качестве продукции. В то же время эти препараты экологически и гигиенически безопаснее химических фунгицидов и бактерицидов. Как правило, микрорганизмы -- антагонисты фитопатогенов выделяют биологически активные вещества, стимулирующие растение (фитогормоны, витамины), что также уменьшает заболеваемость, повышает всхожесть семян и кустистость злаков. Особенно активен в этом отношении Агат-25.

К этой же группе препаратов можно отнести микроорганизмы-антиобледенители. Эпифитная психротрофная бактерия Pseudomonas syringae весной развивается на почках, листьях и цветах фруктовых деревьев, клетки бактерии служат центрами кристаллизации льда при заморозках, что вызывает ожоги и пятнистость. Образование льда приводит к механическому разрушению клеток растения, проникновению в них бактерий и развитию заболевания. При отсутствии бактерий-обледенителей ожоги не образуются. Получены мутантные формы Pseudomonas syringae, лишенные способности образовывать кристаллы льда. При угрозе заморозков цветущие сады опрыскивают мутантными бактериями-антиобледенителями, которые заселяют растение и препятствуют появлению здесь других форм и развитию заболевания [4].

Глава 3. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАБОЛИТОВ МИКРООРГАНИЗМОВ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

микробиологический препарат растениеводство биологизация

Регуляторы роста и развития растений, промышленное применение которых началось в 50--60-х годах, сначала для стимуляции корнеобразования черенков некоторых многолетних культур, затем для борьбы с полеганием зерновых в настоящее время используются практически во всех интенсивных технологиях выращивания сельскохозяйственных растений [5]. С помощью фито-регуляторов удается значительно повысить устойчивость растений к неблагоприятным внешним воздействиям, увеличить продуктивность, устранить некоторые недостатки высокоурожайных сортов. В последние годы созданы новые высокоэффективные регуляторы, активные в крайне малых дозах -- 10--100 мг/га. Среди них наиболее экологически безопасными признаны регуляторы микробного происхождения. На первом месте по масштабам применения стоит гибберелловая кислота (препарат "Завязь") -- продукт гриба Gibberella fujikuroi, фитогормон, активирующий рост растительных клеток и применяющийся на овощах для стимуляции образования завязей и ускорения созревания, а также для получения бессемянных сортов винограда. Однако применение гиббереллинов требует усиленного минерального питания растений. В последнее время в России появилось много микробных фиторегуляторов комплексного общестимуляторного действия, которые проявляют эффективность в основном по типу ауксинов и цитокининов, а также витаминов [5]. К таким препаратам относятся никфан (продукт метаболизма грибов-эндофитов облепихи), симбионт-1 (продукт метаболизма грибов-эндофитов женьшеня), эпистим (продукт метаболизма гриба симбионтного Acremonium lichenicola) [3]. Эти препараты применяют на зерновых, овощах, картофеле для стимуляции прорастания и роста, повышения устойчивости к заболеваниям, для увеличения урожая и улучшения качества продукции. Однако основное достоинство этих препаратов -- многокомпонентность является и их недостатком, так как трудно контролировать состав препарата и его остаточные количества в продукции.

Микробные метаболиты для борьбы с вредителями сельского хозяйства

В России для борьбы с фитопатогенными микроорганизмами очищенные антибиотики в настоящее время не используют, хотя в мире эта практика существует. Для борьбы с макроорганизмами используют фито-верм -- метаболит грибов, который активен против широкого круга вредителей в закрытом и открытом грунте, в том числе против колорадского жука, паутинного клеща, трипсов, тлей и нематод [3].

Пленки для защиты корней

Многие бактерии имеют слизистую капсулу, причем составляющие ее полисахариды (декстран, ксантан), так называемые микробные слизи, синтезируются микроорганизмами в огромных количествах. В растворе эти полисахариды образуют гели, при засыхании -- тонкие пленки, проницаемые для кислорода, но непроницаемые для воды. Микробные слизи в растениеводстве используют для сохранения корней рассады от высыхания.

Список микробных препаратов, применяемых в растениеводстве, постоянно расширяется, так же как и сфера их применения. Подбор ассоциативных азот-фиксирующих симбионтов для каждого культурного растения, создание конкурентоспособных штаммов Rhizobium и микроорганизмов -- антагонистов фитопатогенов, поиск простых в культивировании активных энтомопатогенов -- вот основные направления микробиологии применительно к нуждам растениеводства.

Глава 4. Микробиологические препараты в биологизации земледелия России

Полемика вокруг необходимости экологизации сельского хозяйства ведется в России не первое десятилетие. Уже к началу 80-х годов прошлого столетия экологи предупреждали, что главным загрязняющим фактором окружающей среды в стране является сельскохозяйственное производство. Вследствие последовательного проведения программ химизации, механизации и мелиорации химическая нагрузка на поля и на иные компоненты агроландшафта (включая лесные насаждения, почвенные и грунтовые воды, водоемы, биоту) росла в геометрической прогрессии.

В фазу ускоренного перехода к рыночной экономике, сопряженного с практически полным отсутствием государственной поддержки отечественного сельскохозяйственного производителя, количество и ассортимент применяемых в земледелии химических удобрений и пестицидов резко сократились. Соответственно, устойчиво сокращался в 90-е годы и объем сельскохозяйственного производства. Были серьезно нарушены все составляющие звенья современного сельского хозяйства: наука, система селекции и сортоиспытания, семеноводческие и племеноводческие структуры, опытные станции, производства, опытно-производственные хозяйства, сократилась площадь интенсивно используемых земель.

Руководство страны серьезно задумалось о перспективах развития отечественного сельского хозяйства, когда встал вопрос о продовольственной независимости страны: затраты на импорт продовольствия, средств химизации подошли к критической отметке, тяжелым бременем легли на бюджет. В настоящее время в некоторых регионах (Московская, Ленинградская, Орловская области, Республика Татарстан др.) разработаны и успешно реализуются программы стимуляции развития сельскохозяйственного производства. Как следствие, появились современные высокопродуктивные хозяйства, которые, как правило, используют современные западные интенсивные технологии выращивания с/х культур - посадочный материал, технику, средства защиты. Постепенный рост объема сельхозпроизводства в сочетании с рекордными урожаями зерновых 2001-2002 гг. в значительной степени снял угрозу продовольственной безопасности страны. Получение высоких урожаев овощей, фруктов, картофеля однозначно сопряжено с высокими дозами минеральных удобрений и химических пестицидов, поэтому качество и полезность такой продукции вызывают сомнения.

Работая в условиях рыночной экономики, отечественные сельхозпроизводители должны задуматься о завтрашнем дне рынка продовольствия. Жесткие законы рынка обязывают постоянно заботиться о:

- постепенном вытеснении импортеров с внутреннего рынка по тем позициям, которые могут производиться в России;

- выходе на мировой рынок со своей высококачественной конкурентоспособной продукцией.

21 век уже объявлен веком биотехнологий. Однако реальных достижений в сфере агробиотехнологий, производстве экологически чистой продукции растениеводства в России пока не много.

В развитых странах мира в последнее время значительно возрос интерес к производству экологически чистой сельскохозяйственной продукции. Основными потребителями этой продукции являются обеспеченные слои общества, поскольку стоимость экологически чистого продовольствия пока заметно выше произведенного в традиционных «хемогенных» или конвенциональных системах земледелия. В странах ЕС, Японии, США и Южной Корее на государственном уровне ставится вопрос о постепенном переводе агропромышленного сектора экономики на альтернативные методы и технологии ведения сельского хозяйства. Вектор направленности социально-экологической политики АПК России на сегодняшний день тоже меняется в сторону экологизации и стимулирования биодинамических и органических систем земледелия. Спрос на экологически чистую сельскохозяйственную продукцию постоянно растёт. В Европе к 2010 году 30% сельскохозяйственных земель будет использоваться под органическое земледелие. В настоящее время, 10% австрийского сельского хозяйства - органическое, к 2005 г. государство намерено добиться увеличения его доли до 20% (в некоторых землях она уже составляет 50%). Дания ставит цель достичь таких показателей в 2010 году. Органическое сельское хозяйство - наиболее быстрорастущий сектор в австрийской экономике, и единственный растущий сектор в экономике Великобритании. В Великобритании уже существует 445 органических ферм (в Англии и Уэльсе). В швейцарском сельском хозяйстве доля органического земледелия составляет 7,8%. Мировой объем продаж продуктов органического земледелия составляет 25 миллиардов долларов в год. И дело идет к тому, что в 2006 году эта цифра будет составлять 100 миллиардов долларов в год. В Великобритании в 1998 году объем продаж продукции органического земледелия оценивался в 300 миллионов долларов, предполагается, что эта цифра достигнет 1.2 миллиарда в 2002 году. Органические системы земледелия могут быть более прибыльными за счет следующих факторов: меньшая доля отходов, большие урожаи, большая засухоустойчивость. Более того, исследования показали, что потребители по всему миру готовы платить большую цену за продукцию органического земледелия. Например, цены на "органическую" кукурузу в США были выше, чем на обыкновенную:

- 1995 г. на 35%

- 1996 г. на 44%

- 1997 г. на 77%.

Цены на "органическую" чистую сою Клин Хилум (этот тип сои используется японцами для приготовления тофу - соевого творога) более чем в 2 раза превышали стоимость остальной сои в 1995 и 1997 годах.

В процессе реформирования российского сельского хозяйства производители сельскохозяйственной продукции из-за нехватки материальных ресурсов были вынуждены отказываться от применения необходимых доз минеральных удобрений и химических средств защиты растений. Это имело и свои положительные стороны, так как за прошедшие годы почва очистилась от накопившихся остатков пестицидов и нитратов. Поэтому сейчас необходимо предложить сельхозпроизводителям перспективные агротехнологии с разумным применением необходимых доз минеральных удобрений и пестицидов, а там где это можно, заменить их использование внесением органических, биоорганических удобрений, применением биологических препаратов и средств защиты растений. Это связано с тем, что для выхода российской сельскохозяйственной продукции на Европейский и Мировой рынок продовольствия необходимо сертифицировать продукцию в соответствии с международными экологическими стандартами.

В государствах, недостаточно богатых для того, чтобы выделять бюджетные средства на производство экологически чистого продовольствия, вопрос о внедрении органического земледелия обычно ставится следующим образом: либо производить продовольствие в достаточном количестве с использованием интенсивных технологий, ухудшая экологическую ситуацию, либо использовать альтернативные технологии и производить высококачественные продукты питания, но не в достаточном количестве, а остальное продовольствие импортировать. Подобная постановка вопроса выгодна крупнейшим международным концернам, производителям химических пестицидов и недальновидным хозяевам. Нельзя отождествлять современные биоорганические системы земледелия с возвратом на полтора века назад - к серпу, подсеке, конной тяге. 20-й век, помимо прочего, был и веком прорыва в сельскохозяйственных науках. Поэтому правильная постановка проблемы иная - как, используя достижения науки, накопленный поколениями земледельцев опыт, обеспечить широкое внедрение экологически ориентированных систем землепользования, при которых обеспечивается высокий и стабильный уровень сельскохозяйственного производства, не наносится урон окружающей среде.

Современное сельское хозяйство более чем плотно завязано на применение широкого спектра химических препаратов (по образному выражению сидит на химической игле). Это - минеральные удобрения, пестициды, дефолианты, химические консерванты кормов, кормовые добавки, химические мелиоранты и др. Большинство животноводов и растениеводов не представляют, как вести современное высокопродуктивное хозяйство без использования химических препаратов. Тем не менее, такое возможно. Важно выбрать стратегию перехода к альтернативным системам ведения сельского хозяйства, точно определить не только гуманистическую и экологическую, но и экономическую составляющую внедрения экологически ориентированных систем сельского хозяйства.

Существует два принципиальных момента, позволяющих надеяться, что именно Россия в ближайшем будущем может стать европейским лидером в производстве экологически чистого продовольствия. Прежде всего, это практически неограниченная в масштабах Европы площадь земель, пригодных для обработки, и следовательно, возможность избавиться от необходимости получения сверхвысоких, но полученных с помощью химии урожаев. Площадь сельхозугодий позволяет получать нормальные урожаи экологически чистой продукции с заданными свойствами с применением биотехнологий. Во-вторых, большая часть интенсивно используемых сельхозугодий за прошедшее десятилетие в условиях сниженной или отсутствующей хемогенной нагрузки прошла фазу естественной самоочистки. Европейский Союз выделяет значительные средства на перевод фермерских хозяйств с обычного на биоорганическое земледелие, сознательно идя на сокращение валового объема производимой сельскохозяйственной продукции. В России такой проблемы при грамотной эксплуатации земель не возникнет.