CC BY
33
УДК 631.46:631.461.5
ВЛИЯНИЕ КОМПЛЕКСНОГО БИОУДОБРЕНИЯ НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУРНОЙ ВОДНО-ФОСФОРИТНОЙ СУСПЕНЗИИ И КОНСОРЦИУМА МИКРООРГАНИЗМОВ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ КУКУРУЗЫ
А.Х. Яппаров, д.с.-х.н., И.А. Дегтярева, д.б.н., Т.Ю. Мотина, к.б.н., А.Я. Давлетшина, к.с.-х.н.
Татарский НИИ агрохимии и почвоведения, e-mail: [email protected]
Одна из важнейших задач современной био- и нанотехнологии в сельском хозяйстве — выявление микроорганизмов, способных существенно расширить возможности растений, придать им новые свойства и тем самым добиться максимальной эффективности. Нами сформирована коллекция диазотрофных и фосфатмобилизующих микроорганизмов, найденных в естественных условиях Республики Татарстан. На основе наноструктурной водно-фосфоритной суспензии и консорциума штаммов (Azotobacter chroococcum, Pseudomonas brassicacearum, Sphingobacterium multivorum, Achromobacter xylosoxidans) создано комплексное биоудобрение, применение которого повышает урожайность кукурузы на 39% и улучшает состояние почвенного микробиоценоза.
Ключевые слова: наноструктурная водно-фосфоритная суспензия, комплексное биоудобрение, консорциум микроорганизмов, плодородие почвы, кукуруза, урожай.
STUDY OF COMPLEX BIOFERTILIZER BASED ON NANOSTRUCTURAL WATER-PHOSPHORITE
SUSPENSION AND CONSORTIUM OF MICROORGANISMS FOR CORN CULTIVATION
Dr. Sci. A.Kh. Yapparov, Dr. Sci. I.A. Degtyareva, PhD. T.Yu. Motina, PhD. A.Ya. Davletshina
The Tatar Scientific-Research Institute for Agrochemistry and Soil science, e-mail: [email protected]
One of the most important tasks of modern bio- and nanotechnology in agriculture - determination of microorganisms that can significantly enhance the plants abilities and give them new properties and thus achieve maximum efficiency. We have formed a collection of diazotrophic and phosphate-organisms found in the natural environment of the Republic of Tatarstan. On the basis of nanostructured water-phosphorite suspension and strains consortium (Azotobacter chroococcum, Pseudomonas brassicacearum, Sphingobacterium multivorum, Achromobacter xylosoxidans) created a complex biofertilizer, the use of which the first increases maize yields by 39% and improves the condition of the soil microbiocoenosis.
Keywords: nanostructural water-phosphorite suspension, complex biofertilizer, consortium of microorganisms, soil fertility, maize, harvest.
Имеющиеся фундаментальные исследования в области микробиологии почвы и взаимодействия микроорганизмов и растений, а также накопленный опыт использования агрономически полезных микроорганизмов на практике позволяют предложить новые подходы для повышения устойчивости земледелия [1-5].
Выявление микроорганизмов, способных существенно расширить возможности растений, придать им новые свойства и тем самым добиться максимальной эффективности - одна из важнейших задач современной био- и нанотехнологии в сельском хозяйстве [6, 7]. В связи с этим актуально создание и испытание биоудобрения на основе эффективных региональных азотфиксирующих и фосфатмобили-зующих микроорганизмов [8].
Цель исследований - изучение комплексного биоудобрения из наноструктурной водно-фосфоритной суспензии и консорциума микроорганизмов при выращивании кукурузы.
Объекты и методы. Исследования проводили в условиях вегетационного опыта на серой лесной среднесуглинистой почве при выращивании кукурузы (гибрид Молдавская 215) по схеме: 1 - контроль без растений, 2 - контроль без удобрений, 3 -фосфорит в дозе 1,0 т/га, 4 - фосфорит в дозе 0,1 т/га, 5 - НВФС в дозе 0,1 т/га, 6 - комплексное удобрение на основе НВФС в дозе 0,1 т/га + консорциум аборигенных микроорганизмов ((Azotobac-ter chroococcum, Pseudomonas brassicacearum) и фосфатмобилизующих (Sphingobacterium multivorum, Achromobacter xylosoxidans) в соотношении 1:1 с плотностью бактериальной суспензии от 2,0109 КОЕ/см3). Этим удобрением обрабатывали семена. Повторность опыта трехкратная.
Почвенные образцы из ризосферы кукурузы отбирали в двух фазах онтогенеза - начало и полное появление всходов растений, а также в период полной спелости зерна. Исследование микробиоценоза в динамике включало определение численности
20
18
L. 16
X
С 2 14
J 12
10
е- 8
о
г> 6
а 4
2
0
22 20 с. 18
1 16 \ 14
12
10
8
6
4
2
0
#
о |
жизнеспособных микроорганизмов различных эколого-трофических групп методом посева соответствующих разведений на элективные среды [9, 10]: азот-фиксирующих - на среде Эшби, денитрифицирующих - на среде Гильтая, фос-фатмобилизующих - на среде Муромцева, микромицетов - на среде Чапека и др. Суммарную микробную биомассу (Cmic) вычисляли на основе субстрат-индуцированной респираторной активности [11]. Респираторную активность почвенного микробного сообщества оценивали путем титриметрического определения количества СО2, выделившегося после поглощения щелочью [8].
Результаты. Эффективные штаммы азотфиксирующих и фосфатмобилизую-щих микроорганизмов, выделенные нами из различных почв Татарстана, обладают высокой нитрогеназной активностью и скоростью накопления биомассы, способностью подавлять развитие фитопато-генных микромицетов и др. [12, 13]. Эти микроорганизмы идентифицированы методом установления нуклеотидной последовательности 16S рРНК и депонированы в коллекции ФГУП ГосНИИгенети-ка. Учитывая положительную роль нано-структурных агроминералов [14], нами создано комплексное биоудобрение, основой которого стали наноструктурная водно-фосфоритная суспензия (НВФС) и консорциум, состоящий из Azotobacter chroococcum, Pseudomonas brassicacea-rum, Sphingobacterium multivorum и Achromobacter xylosoxidans, и изучено его влияние на микробиоценоз кукурузы.
В большинстве исследованных вариантов максимальное количество отмечено в фазе полной спелости зерна кукурузы (рис. 1). При этом в двух контрольных вариантах количество почвенных азот-фиксаторов было минимальным: в фазе начала и полного появления всходов - 4,5 x 106 и 4,0 x 106, в фазе полной спелости зерна - 4,9 x 106 и 6,3 x 106 КОЕ/см3 соответственно. Увеличение численности (15,0 x 106 и 19,8 x 106 КОЕ/см3) диазо-трофов наблюдали при использовании комплексного удобрения. Необходимо отметить пролонгированное действие биоудобрения, проявившееся в увеличении численности микроорганизмов консорциума и их хорошей приживаемости на корнях растений в течение всего периода вегетации.
Фаза начала и полного появления всходов
■г Efe*
=1=1=1 ЕЕ
3 4
Варианты
Фаза полной спелости зерна
1 ш
3 4
Варианты
Рис. 1. Динамика численности азотфиксирующих микроорганизмов при выращивании кукурузы Примечание здесь и далее к рисункам 2-5:
1) контроль (без растений); 2) контроль (без удобрений); 3)
фосфорит в дозе 1,0 т/га; 4) фосфорит в дозе 0,1 т/га; 5) НВФС в дозе 0,1 т/га; 6) комплексное удобрение на основе НВФС в дозе 0,1 т/га и консорциума аборигенных азотфиксирующих и фосфатмобилизующих микроорганизмов.
Варианты
Рис. 2. Динамика численности фосфатмобилизующих микроорганизмов при выращивании кукурузы
У денитрификаторов, которые осуществляют восстановление нитратов до газообразного азота, отмечено снижение численности в онтогенезе практически во всех изученных вариантах - 0,25-0,025 x 106 КОЕ/см3 в фазе начало и полное появление всходов, а также в фазе полной спелости зерна кукурузы. Исключение составил вариант с комплексным удобрением - по 2,5 x 106 КОЕ/см3. Вероятно, обработка семян микроорганизмами и их последующая интродукция в почву интенсифицировали процесс круговорота азота в ней, что проявилось в увеличении количества денитрификаторов.
Существенным фактором плодородия почвы служит присутствие в ней микроорганизмов, способных извлекать фосфор из водонерастворимых соединений, увеличивая тем самым его доступность для растений. В контрольных вариантах (без растений и без удобрений) количество этих микроорганизмов в фазе начала и полного появления всходов было минимальным - 7,5x106 и 9,5x106 КОЕ/см3 соответственно (рис. 2). Высокие показатели численности фосфатмобилизующих микроорганизмов в изучаемые фазы онтогенеза были получены в вариантах с применением НВФС и комплексного удобрения - 44,0x106 и 113,0x106; 78,0x106 и 148,0x106 КОЕ/см3 в фазах в начала и полного появления всходов и полной спелости зерна кукурузы соответственно. Необходимо отметить, что внесенные микроорганизмы сохраняли свою жизнеспособность в почве в течение эксперимента.
Универсальную по своему значению для формирования плодородия почвы группу представляют почвенные микро-мицеты. В контрольных вариантах их количество практически не изменялось в течение всего периода вегетации и составило 130,0-120,0x103 КОЕ/см3 (рис. 3). Снижение их количества в 1,6-1,8 раза наблюдали при использовании фосфоритной муки в разных дозах. Минимальной численность почвенных грибов в онтогенезе была в вариантах с НВФС и комплексным удобрением.
Интегральным показателем состояния почвенного биоценоза служит микробная биомасса (рис. 4). В контрольной почве без растений она в течение вегетационного периода практически не изменялась -32,7-42,0 мг/100 г*ч. Близким был и конт-
3 4
Варианты
Рис. 3. Динамика численности почвенных микромицетов при выращивании кукурузы
3 4
Варианты
Рис. 4. Динамика микробной биомассы при выращивании кукурузы
рольный вариант без удобрений - 35,148,2 мг/100 г*ч.
Анализ качественного состава почвенных грибов показал, что в контрольных вариантах присутствуют фитопатогенные микромицеты из родов Alternaria, Fusarium, Rhizopus, в то время как в вариантах с НВФС и комплексным удобрением доминировали представители рода Trichoderma.
Внесение НВФС и фосфоритной муки в разных дозах привело к увеличению микробной биомассы в онтогенезе. Достаточно высокие значения были получены в процессе вегетации при использовании комплексного биоудобрения, основу которого составляли НВФС и коллекционные микроорганизмы, - 75,0 и 89,8 мг/100 г*ч.
Базальное дыхание - одна из важнейших биохимических характеристик, так как характеризует способность микробного сообщества к минерализации органического вещества в почве (рис. 5).
Респираторная активность повышалась в онтогенезе во всех изученных вариантах. Однако максимальные значения были получены в вариантах с НВФС и комплексным биоудобрением - 21,0 и 25,0; 42,0 и 49,0 мг/100 г * 24 ч соответственно.
Изучение приживаемости штаммов, входящих в состав созданного нами биоудобрения, свидетельствует о позитивном влиянии НВФС на их рост и активность. По-видимому,
положительное влияние наноструктурнои водно-фосфоритной суспензии на консорциум микроорганизмов связано с тем, что НВФС не только является источником дополнительного питания микроорганизмов и растений, но и проявляет катализирующий эффект - увеличивается активность почвенных микроорганизмов и наблюдается рост их численности.
Рис.
3 4
Варианты
5. Динамика респираторной активности при выращивании кукурузы
Варианты
Рис. 6. Урожайность зеленой массы кукурузы в фазе полной спелости: 1 - фосфорит, 1,0 т/га; 2 - фосфорит, 0,1 т/га; 3 - НВФС, 0,1 т/га; 4 - комплексное удобрение на основе НВФС, 0,1 т/га + консорциум аборигенных азотфиксирующих и фосфатмобилизующих микроорганизмов.
Как следствие положительного влияния НВФС и активной деятельности агрономически полезных микроорганизмов, наблюдали увеличение урожайности зеленой массы кукурузы на 25% (рис. 6), особенно в вариантах с НВФС и комплексным биоудобрением - 39%. При использовании фосфорита (дозы внесения 1,0 и 0,1 т/га) были получены меньшие значения - соответственно 15 и 20%.
Применение НВФС стимулировало развитие не только зеленой массы растений, но и их корневой системы. При использовании НВФС и комплексного биоудобрения масса корней была в 1,5-2,4 раза больше контроля. Увеличение массы корневой системы можно объяснить высокой колониезирующей способностью интродуцированных микроорганизмов, которые в процессе активной метаболической
деятельности интенсивно снабжали формирующуюся корневую систему необходимым питанием.
Таким образом, использование комплексного биоудобрения значительно повышало биологическую активность серой лесной почвы увеличивалась микробная биомасса, респираторная активность, возрастало количество диазотроф-ных и фосфатмобилизующих бактерий. Комплексное биоудобрение из наноструктурной водно-фосфоритной суспензии и консорциума ди-азотрофных и фосфатмобилизующих микроорганизмов способствовало повышению урожайности зеленой массы кукурузы, увеличение ее корневой системы и оздоровлению почвенного микробного сообщества за счет активного роста агрономически полезных микроорганизмов.
Литература
1. Тихонович И.А. и др. Интеграция генетических систем растений и микроорганизмов при симбиозе // Успехи современной биологии, 2005, № 3. - С. 227-238.
2. Умаров М.М., Кураков А.В., Степанов Л.А. Микробиологическая трансформация азота в почве - М.: ГЕОС, 2007. - 138 с.
3. Кураков А.В., Прохоров И.С., Костина Н.В., Махова Е.Г., Садыкова В.С. Стимуляция грибами азотфиксации в дерново-подзолистых почвах // Почвоведение, 2006, № 9. - С. 1075-1081.
4. Прохоров И.С., Кураков А.В. Грибной гидролиз растительных полимеров и азотфиксация в почвах / Материалы IV Съезда Докучаевского общества почвоведов. - Новосибирск: «Наука-Центр», 2004, Кн. 1. - С. 639.
5. Прохоров И.С. Микромицеты и азотфиксация в дерново -подзолистых почвах / Материалы IV Съезда Докучаевского общества почвоведов. - Новосибирск: «Наука-Центр», 2004, Кн. 1. - С. 667.
6. Williams L., Adams W. Nanotechnology Demystified // The McGraw-Hill Companies, 2007. - 343 p.
7. Петров В.Б., Чеботарь В.К. Микробиологические препараты в практическом растениеводстве России: функции, эффективность, перспективы // Рынок АПК, 2009, №7. - C. 16-18.
8. Дегтярева И.А., Яппаров А.Х., Дмитричева Д.С. Выделение высокоэффективных микроорганизмов и их использование в земледелии / Ученые записки КГАВМ им. Н.Э. Баумана, 2010, Т. 202. - С. 73-77.
9. Колешко О.И. Экология микроорганизмов почвы. Лабораторный практикум - Минск: Высшая школа, 1981. - 175 с.
10. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: МГУ, 1991. - 304 с.
11. Microbiological methods for assessing soil quality / ed. By J. Dloem, D.W. Hopkins, A. Benedetti. - CABI Publishing, 2006. - 307 p.
12. Дегтярева И.А., Дмитричева Д.С. Перспективные для сельского хозяйства биопрепараты на основе аборигенных микроорганизмов // Ученые записки КГАВМ им. Н.Э. Баумана, 2012, Т. 212. - С. 29-34.
13. Яппаров А.Х. и др. Перспективность использования наноразмерных агроминералов и нанокомпозитных материалов в сельском хозяйстве // Нанотехнологии - производству 2013: тез. докл. IX междунар. науч.-практ. конф. (Фрязино, 10-12 апреля 2013 г.). - Фрязино, 2013. - С. 82-83.
14. Ежков В.О., Яппаров А.Х., Нефедьев Е.С., Ежкова А.М., Яппаров И.А., Герасимов А.П. Наноструктурные минералы: получение, химический и минеральный составы, структура и физико-химические свойства // Вестник Казанского технологического университета, 2014, Том 17, № 11. - С. 41-45.
ПАМЯТИ УЧЕНОГО
29 ноября 2015 г. на 81 году жизни не стало замечательной женщины, доктора сельскохозяйственных наук, заслуженного работника сельского хозяйства РФ Эльзы Владимировны Титовой, которая в 1965 г. принимала активное участие в создании Агрохимической службы Томской области в должности руководителя аналитической лаборатории, а с 1975 по 1985 г. была директором САС «Томская». Выпускница Томского государственного университета Э.В. Титова, обладая хорошими организаторскими способностями, неустанно повышала свой профессиональный уровень и, работая в Сибирском НИИ торфа, в 1989 г., защитила кандидатскую диссертацию, а в 2000 г. - докторскую. Э.В. Титова подготовила 5 кандидатов и 2 докторов наук. В 2013 г., имея огромный научный опыт, Э.В. Титова вернулась в качестве заместителя директора по научной работе на САС «Томская».
Редакция и редколлегия журнала ««Агрохимический вестник» выражают искренние соболезнования родственникам и коллективу станции. Светлая память об Эльзе Владимировне навсегда останется в наших сердцах.
