Научная статья на тему 'Бактерии на страже урожая'

Бактерии на страже урожая Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

CC BY
848
134
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БИОПРЕПАРАТ / РИЗОСФЕРНЫЕ БАКТЕРИИ / ПОВЫШЕНИЕ УРОЖАЙНОСТИ / МИКРОБНОЕ УДОБРЕНИЕ / ЗАЩИТА РАСТЕНИЙ

Аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — Максимова Наталья, Феклистова Ирина, Лысак Владимир, Гринева Ирина

В статье представлен обзор разработанных в НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии биологического факультета БГУ биологических препаратов на основе живых бактерий, которые являются экологически безопасной альтернативой пестицидам, используемым в сельском хозяйстве.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Bacteria on guard of the crop

A review of biological preparations based on living bacteria, which are an environmentally safe alternative to agricultural pesticides, has been given in the Laboratory of molecular genetics and biotechnology, Faculty of Biology, BSU.

Текст научной работы на тему «Бактерии на страже урожая»

Наталья Максимова,

заведующий кафедрой генетики биологического факультета БГУ, доктор биологических наук, профессор

Ирина Феклистова,

заведующий НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии кафедры генетики биологического факультета БГУ, кандидат биологических наук

Владимир Лысак,

декан биологического факультета БГУ, кандидат биологических наук, доцент

Ирина Гринева,

старший научный сотрудник НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии кафедры генетики биологического факультета БГУ

как биоудобрения на плодородие почвы и сельхозкультуры можно привести данные по возделыванию ячменя ярового на лесной темно-серой почве. В вариантах, где использовался штамм хлореллы (Chlorella vulgaris Beijer), которую вносили перед дождем, были отмечены более активный рост и увеличение урожайности надземной массы и зерна ячменя. При этом внесение хлореллы повышало количество гуминовых кислот в почве. Авторы объясняют это бурным развитием микробиологических и биохимических процессов в почве. В результате образуются легкодоступные гумусовые вещества, большинство из которых - гидролизуемые формы, более подвижные, легко усваивающиеся микроорганизмами и высшими растениями [9].

Активно применяют микроводоросли и в отечественном растениеводстве. Сотрудники Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси доказали высокую эффективность среды культивирования хлореллы как стимулятора роста и развития

растений. Согласно исследованиям, прайминг (замачивание) семян различных цветочных (петуния, тагетес, агератум), овощных (огурцы, свекла, картофель), зерновых (ячмень, озимая пшеница) и зернобобовых (горох) культур в разбавленной водой культу-ральной среде хлореллы (Chlorella vulgaris) увеличивает как всхожесть, так и энергию прорастания семян [10, 11].

Внесенные в грунт микроводоросли и азотфиксирующие цианобактерии разлагаются быстрее, чем привычные нам органические удобрения, не засоряют почву семенами сорняков, личинками вредных насекомых и спорами фитопатогенных грибов. К сожалению, исследования по их использованию в качестве биоудобрения в Беларуси до сих пор не проводились. Но предпосылки для них есть - в альголо-гической коллекции Института имеются необходимые микроводоросли и азотфиксирующие цианобактерии (таблица) [12].

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Макарова Е. И., Отурина И. П., Сидякин А. И. Прикладные аспекты применения микроводорослей - обитателей водных экосистем // Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2009. Вып. 20. С. 120-133.

2. Лукьянов В. А., СтифеевА. И. Прикладные аспекты применения микроводорослей в агроценозе // Монография. Курск, 2014.

3. Доброжан С. Н., Шалару В. В., ШаларуВ. М., Стратулат И. И., Семенюк Е. Н. Использование некоторых видов синезеленых азотфиксирующих водорослей в качестве биологического удобрения // Альгология. 2014. Т. 24. №3. С. 426-429.

4. Paudel Y. P., Pradhan S., Pant B., Prasad B. N. Role of blue green algae In rice productivity // Agriculture and Biology Journal of North America. 2012. V.3. N8. P. 332-335.

5. Reddy P. M., Roger P. A., Ventura W.,Watanabe I. Blue-green algal treatment and inoculation had no significant effect on rice yield in an acidic wetland soil // Phil. Agri. Special BGA ISSUE. 1986. V.69. P. 629-632.

6. Gurung S. Effect of azolla and cyanobacteria (BGA) in rice productivity // M. Sc. Dissertation.

7. Водоросли и биотехнологии - Очерки по микробиологии // http://mikrobio.balakliets.kharkov.ua/contents-15-9.html/.

8. Aziz M. A., Hashem M. A. Role of сyanobacteria in improving fertility of saline soil // Pakistan Journal of Biological Sciences. 2003. V.6. N20. P. 1751-1752.

9. Панкратова Е.М, Зяблых Р. Ю., Калинин А. А., Ковина А. Л. и др. Конструирование микробных культур на основе синезеленой водоросли Nostoc paludosum // Альгология. 2014. Т. 14. №4. С. 445-458.

10. Мельников С. С., Мананкина Е. Е. Хлорелла: физиологически активные вещества и их использование. - Минск, 1991.

11. Шалыго Н. В., Мельников С. С. Хозяйственно полезные виды водорослей // Наука и инновации. 2009. №3 (73). С. 34-38.

12. Мельников С. С., Мананкина Е. Е., Будакова Е. А., Шалыго Н. В. Каталог генетического фонда хозяйственно полезных видов водорослей. -Минск, 2011.

http://innosfera.by/2019/03/microalgae

I Аннотация. В статье представлен обзор разработанных в НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии биологического факультета БГУ биологических препаратов на основе живых бактерий, которые являются экологически безопасной альтернативой пестицидам, используемым в сельском хозяйстве. Ключевые слова: биопрепарат, ризосферные бактерии, повышение урожайности, микробное удобрение, защита растений.

Рост численности населения на Земле начиная с 40-х гг. ХХ в. связан с увеличением выпуска продуктов питания, что в свою очередь стало возможным благодаря введению в сельскохозяйственную практику химических средств защиты растений. Согласно статистическим данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, мировое производство пестицидов на тот момент начало возрастать на 11% в год и к 2000 г. достигло 5 млн т [1].

Вместе с тем их повсеместное использование привело к загрязнению химикатами почвы, грунтовых вод и воздуха практически во всех странах, что имеет не только экологические, но экономические и социальные последствия. Например, в результате опрыскивания в течение нескольких десятилетий банановых плантаций островов Мартиники и Гваделупы хлордеконом (даже с 1993 по 2002 г., когда он был официально запрещен на этой территории) в тканях рыб и диких животных

было обнаружено самое высокое содержание этого вещества, у местных жителей отмечен высокий уровень заболеваемости раком простаты, у детей - частота врожденных пороков развития [2]. В Италии применение фенитроти-она привело к резкому снижению численности популяции шмелей и бабочек [3], а в Германии за последние 27 лет нерациональное использование пестицидов в борьбе с сорняками привело к сокращению численности насекомых более чем на 75%.

Так, трифлуралин оказался высокотоксичным для рыб, а в дополнение к этому присутствие гербицидов, содержащих глифосат, становилось сублетальным. Атразин и алахлор ослабляют репродуктивную и иммунологическую функции водных млекопитающих, а у водорослей блокируют фотосинтез и задерживают их рост [4]. Исследования, проведенные в последние десятилетия, показывают, что некоторые хлорорганические пестициды (пентахлорфенол, ДДТ и метил-паратион) подавляют симбиотиче-скую фиксацию азота бактериями.

Как следствие, у них увеличивается зависимость от синтетических азотных удобрений, снижается плодородие почвы, наблюдается стагнация урожайности, несмотря на рекордное внесение пестицидов и удобрений [5].

За счет развития устойчивых видов фитопатогенных организмов при использовании традиционных химических средств, а также проведения более интенсивной обработки посевов ежегодные потери урожаев в мире составляют около 3,30 млрд долл. в год, и еще столько же расходуется на организацию службы охраны окружающей среды. Потери человеческой трудоспособности при отравлениях приносят убыток в 1,42 млрд долл. [6]

Пять стран - членов ЕС для защиты растений и повышения их урожайности используют почти 75% общего количества (220 тыс. т) химических продуктов, потребляемых всеми странами ЕС [7]. Из них на Францию приходится 28%, на Испанию и Италию - по 14%, на Германию - 11% и Великобританию - 7% (рис. 1). Франция (32%), Италия (17%) и Испания (15%)

Инсектициды

Гербициды

Фунгициды

Франция Испания

40 60

Процент потребления пестицидов

Италия Германия

Великобритания Другие страны ЕС

Рис. 1. Потребление пестицидов странами «Большой пятерки»

Источник: разработка авторов на основании сведений, представленных Eurostat.

используют 64% всех фунгицидов, что обусловлено концентрацией здесь производства винограда, нуждающегося в мощной защите от фитопатогенных грибов. Основное потребление гербицидов (63%) сосредоточено во Франции (26%), Германии (15%), Испании (11%) и Великобритании (11%), что связано с выращиванием зерновых культур и кукурузы. На рынке инсектицидов лидируют Италия (33%) и Испания (29%), на долю которых вместе с Францией (18%) приходится 80% от общего объема инсектицидов, применяемых всеми странами Европейского союза.

Несомненно, сокращение потребления пестицидов - одна из первоочередных задач, остро стоящих перед мировым сообществом, и для ее решения уже

предприняты меры. Например, план ЕсорЬу1:о, разработанный во Франции, направлен на сокращение и обеспечение безопасности применения фитоса-нитарных продуктов (в том числе для несельскохозяйственного использования) до 50% к 2025 г. Рамочная директива ЕС по воде, принятая Европейским парламентом и государствами-членами в 2000 г., установила 2015 г. крайним сроком для достижения хорошего качества воды, результаты ее исполнения в настоящий момент оцениваются. Директива о нитратах оказала ощутимое влияние на снижение загрязнения сельскохозяйственных угодий азотом: страны ЕС обязаны сократить выбросы аммиака на 8% в 2020 г. и на 16% в 2030 г. по сравнению с 2005 г. [8, 9].

Альтернатива использованию химических средств в сельском хозяйстве - применение экологически безвредных биологических препаратов на основе ризо-сферных микроорганизмов. Это новое поколение биопрепаратов способно:

■ повышать урожайность и качество сельхозпродукции;

■ защищать от болезнетворных грибов, бактерий, вирусов, личинок насекомых-вредителей и нематоды;

■ не изменять состав агробиоце-нозов, поскольку бактерии-антагонисты, входящие в состав биопрепаратов, способны заселять ризо- и филлосферу и приобретать статус естественных обитателей организма, что обеспечивает им пролонгированный эффект;

■ стимулировать рост и развитие, поскольку ризосферные микроорганизмы через корневые выделения могут подкармливать полезную биоту, а также находиться во взаимовыгодном симбиозе;

■ повышать иммунитет;

■ синтезировать необходимые аминокислоты, витамины, биостимуляторы;

■ усваивать атмосферный азот, преобразовывать почвенный фосфор, калий, необходимые микроэлементы и минералы в доступные для растений соединения;

Исследование Селекция

механизмов и отбор

синтеза _ продуцентов

антимикробных микробных

метаболитов метаболитов

Выделение или подбор штаммов ► и их характеристика

Подбор условий культивирования штаммов и создание биопрепаратов

Интродукция активных штаммов в ризосферу растения в качестве биопестицидных препаратов

Рис. 2. Экспериментальные подходы к созданию биологических препаратов

0

20

80

Гулливер

Рис. 3.

Биопрепараты, разработанные НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии кафедры генетики биологического факультета БГУ

■ синтезировать витамины и ростостимуляторы растений - фитогормоны гибберел-лин, ауксин, цитокинин, этилен и др.

■ восстанавливать плодородие почвы, способствовать улучшению ее структуры и повышать ее биоразнообразие.

По сравнению с химическими средствами защиты растений биологические препараты обладают рядом преимуществ:

■ не патогенны для растений и не вызывают у них эффекта «привыкания»;

■ не обладают мутагенным и он-когенным действием в отношении человека и животных;

■ не имеют срока ожидания, то есть собирать урожай можно непосредственно в день обработки;

■ не загрязняют окружающую среду.

Создание биологических препаратов состоит из нескольких этапов (рис. 2).

Сотрудники кафедры генетики биологического факультета БГУ: Максимова Н. П. - заведующий кафедрой, Феклистова И. Н. -заведующий НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии кафедры, Маслак Д. В. - заведующий сектором молекулярной генетики и биотехнологии микроорганизмов НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии кафедры генетики; Гринева И. А. - старший научный сотрудник НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии, Садовская Л. Е. - старший научный сотрудник НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии, Кулешова Ю. М. - старший научный сотрудник биологического факультета НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии, Скакун Т. Л. - старший научный

сотрудник НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии, Ломоносова В. А. - старший научный сотрудник НИЛ молекулярной генетики и биотехнологии -разработали и успешно внедрили в производство шесть биопрепаратов на основе живых культур бактерий - «Аурин», «Немацид», «Жыцень», «Стимул», «Бактоген» и «Гулливер» (рис. 3). Все они разрешены к применению как в промышленности, так и в частных хозяйствах.

Основой «Аурина» являются феназин-продуцирующие

бактерии Pseudomonas aurantiaca B-162/498. Этот препарат предназначен для борьбы с возбудителями корневых гнилей, аскохитоза, мучнистой росы, серой и белой гнили, кладоспориоза, пероноспо-роза. При выращивании растений на минеральной вате способом малообъемной гидропоники показана его высокая биологическая эффективность в отношении корневой гнили - 71%, что на 21% выше по сравнению с применением биопрепарата в защите растений огурца, возделываемого в условиях почвогрунта.

Аурин Бактоген Гулливер Стимул Немацид

Рис. 4. Повышение урожайности томатов и огурцов при обработке растений биологическими препаратами

«Аурин» позволяет увеличить урожайность томатов и огурцов на 26,6% (рис. 4).

«Бактоген» представляет собой суспензию клеток бактерии Bacillus subtilis 494 и продуктов их жизнедеятельности. Микробиологический препарат зарегистрирован для применения на томатах против бактериозов, черной ножки, серой гнили, кладоспори-оза, мучнистой росы; на огурцах против корневых гнилей, аскохи-тоза, пероноспороза, мучнистой росы; на капусте против сосудистого и слизистого бактериозов, альтернариоза. Обработка растений овощных культур в процессе вегетации данным биопрепаратом приводит к увеличению урожайности огурца на 20%, томатов - на 23,4%, а капусты - на 9,7% (см. рис. 4).

«Гулливер», разработанный совместно с Институтом природопользования НАН Беларуси, является комплексным препаратом, поскольку помимо клеток бактерий Pseudomonas aureofaciens А 8-6 содержит гидрогумат торфа. Препарат эффективен в отношении серой гнили огурца и томата, защищает капусту белокочанную от поражения черной ножкой, альтернариозом и бактериозами. Кроме того, в 2,2 раза снижает потери урожая картофеля от фито-фторозно-бактериальных гнилей. Применение «Гулливера» позволило увеличить урожайность картофеля на 6,5%; капусты - на 12,4%; томатов - на 15,5%, огурцов - на 10,7% (см. рис. 4).

«Стимул» разработан на основе ризосферных бактерий Pseudomonas fluorescens S-32 и предназначен для актуализации роста и развития растений томатов и огурца, его применение обеспечивает прибавку их

урожайности на 27,4% и 16,1% соответственно (см. рис. 4). К тому же это единственный разрешенный к применению на территории Беларуси биопрепарат, предназначенный для стимуляции развития льна-долгунца. Его использование увеличивает выход длинного волокна, прибавку урожайности льносоломы на 16,5% и семян - на 59,7%, что сопровождается повышением качества семенного материала - масса 1000 семян увеличилась на 18,2%.

На основе бактерий Pseudomonas putida U создан препарат «Немацид» для подавления галловой нематоды томатов и огурцов в защищенном грунте. Его применение приводит к снижению поражения растений мелойдогинозом на 45,4 и 54,8% соответственно, что позволяет получить дополнительно 43,8% продукции томатов и 41,5% - огурцов (см. рис. 4).

«Жыцень» представляет собой смесь культур живых клеток природных целлюлолитиче-ских штаммов Pseudomonas sp. 11 и Bacillus sp. 49 и предназначен для ускорения разложения пожнивных остатков на полях, оздоровления почвы и повышения урожайности последующих сельхозкультур. Установлено, что его внесение (3 л/га) способствовало уменьшению содержания фитопатогенных штаммов в почвенных образцах на три порядка (с 2,0х106 КОЕ/г почвы до 3,5 х 103 КОЕ/г почвы).

Использование «Жыценя» в дозе 3 л/га обеспечивает до 21% прибавки зерна, позволяет добиться лучших показателей его качества - сбор сырого белка, кормовых и кормопротеиновых единиц достигает наиболее высоких показателей (356,7 кг/га, 42,7 и 46,5 ц/га соответственно). При этом дополнительно получено

75,9 кг/га сырого белка, 8,1 ц/га кормовых и 8,2 ц/га кормопротеиновых единиц.

Рынок биологических средств защиты растений Беларуси, России и Украины предлагает широкий спектр препаратов на основе живых культур микроорганизмов. Также за последние 5 лет известные западноевропейские компании - производители химических средств Bayer и BASF выпустили биогенные биофунгициды, биоинсектициды и росторегуля-торы, а также скооперировались с французской биотехнологической компанией Plant Advanced Technologies, чтобы разрабатывать новые биопестициды.

Таким образом, мы можем прогнозировать в течение следующих 5-10 лет увеличение использования биологических препаратов для замены/дополнения существующих пестицидов, а также в долгосрочной перспективе - их плотное внедрение в сельскохозяйственную практику.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Carvalho F. P. Pesticides, environment, and food safety /

F. P. Carvalho // Food and Energy Security. 2017. Vol. 6. N2. P. 48-60.

2. Bocquenéa G. Pesticide contamination of the coastline of Martinique /

G. Bocquenéa, A. Francob // Marine Pollution Bulletin. 2005. Vol. 51 N5-6. P. 612-619.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Brittain C. Potts Organic farming in isolated landscapes does not benefit flower-visiting insects and pollination / C. Brittain et al. // Biological Conservation. 2010. Vol. 143, N8. P. 1860-1867.

4. Aktar Md. W. Impact of pesticides use in agriculture: their benefits and hazards / Aktar Md.W., Sengupta D., Chowdhury A. // Interdiscip Toxicol. 2009. Vol. 2, N1. P. 1-12.

5. Fox J. E. Pesticides reduce symbiotic efficiency of nitrogen-fixing rhizobia and host plants / J. E. Fox et al. // PNAS. 2007. Vol. 104, N24. P. 10282-10287

6. http://www.fao.org/home/ru/

7. 7. The use of plant protection products in the European Union // https://ec.europa.eu/eurostat/web/products-statistical-books/-/ KS-76-06-6697

8. Code of Good Agricultural Practice (COGAP) for Reducing Ammonia Emissions https://www.gov.uk/government/publications/code-of- / code-of-good-agr icu ltura l-practice.

9. European COMMISSION STAFF WORKING DOCUMENT Agriculture and Sustainable Water Management in the EU. https://circabc.europa.eu/

sd/a/abff972e-203a-4b4e-b42e-a0f291d3fdf9/SWD_2017_EN_

V4_P1_885057.pdf

ТЖиЪ http://innosfera.by/2019/03/bacteria

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.