Как здоровье почвы влияет на здоровье человека – удивительное прямо под ногами
Рынок микробных биоудобрений оценивается аналитиками Мarketsandmarkets в 2,3 миллиарда долларов США в 2020 году и, по прогнозам, достигнет 3,9 миллиарда долларов к 2025 году с ростом 11,6% в течение прогнозируемого периода. Движущая сила рынка – расширение площадей под органическими сельскохозяйственными угодьями, а также растущие признание биоудобрений как среди фермеров, так и в обществе
О том, почему человечество должно позаботиться о здоровье почвы и микробиоме, рассказывает Майкл Бехар — специалист по науке и здоровью в г. Боулдер, штат Колорадо, в своей статье, опубликованной на портале agriculture.com и в журнале Eating Well.
«В конце декабря в Боулдере, штат Колорадо, я нахожусь в кампусе Университета Колорадо и иду в лабораторию Совместного института исследований в области наук об окружающей среде (CIRES). На улице местная флора дремлет в глубоком зимнем забытье, а в лаборатории процветают миллиарды микроорганизмов.
Ноа Фирер, профессор экологии и эволюционной биологии, знакомит меня с двумя аспирантами. Они сгорбились за рабочим столом и вооружились пипетками для переноса партий живых бактерий из стеклянных флаконов в машину, которая будет секвенировать их микробную ДНК.
Как выдающийся почвовед, Фирер упоминается в научных журналах, возможно, больше, чем любой другой исследователь в этой области. Его усилия сосредоточены на организмах, обитающих в ризосфере, самом верхнем слое почвы, где корни растений взаимодействуют с микроскопическими организмами, в том числе вирусами, бактериями, грибами, простейшими и водорослями.
Это разнообразное сообщество, называемое микробиомом почвы, функционирует как источник жизненной силы растений — способствует прорастанию, стимулированию корней, ускорению роста и выработке устойчивости к болезням.
Эксперты считают, что эти почвенные микробы также могут оказать большое влияние на питательную ценность нашей еды. Кроме того, растения, которые мы едим, и почва, с которой мы соприкасаемся, также способны укреплять наши собственные кишечные микробиомы.
Открытие этой связи между здоровьем почвы и здоровьем человека уже привлекло внимание крупных продовольственных компаний, фермеров, ученых и природоохранных организаций, и вызвало исследовательский бум, так что вскоре мы узнаем, являются ли почвенные микробы столь же важными для нашего долголетия, как повседневные упражнения и спокойный ночной сон.
Не просто комок земли
Ризосфера является средой обитания для сложной экосистемы, где в основе лежит микробиом почвы – участник многочисленных процессов.
Некоторые микробы, например, действуют как желудки, переваривая и разлагая органические вещества на питательные элементы для растения. Другое действие включает в себя микоризы, похожие на шелк грибы – они образуют обширные «нити», далеко простирающиеся под землей и работающие в качестве почвенного интернета для облегчения связи между растениями.
Эксперименты показали, когда хищники, такие как тля, нападают на растение, оно предупреждает своих соседей — сигнализируя им через сеть микоризы — что угроза неизбежна. Затем другие растения будут использовать свою естественную защиту, часто химическое вещество, производимое в листьях, чтобы отразить захватчиков.
Почвенные бактерии и грибы также работают в тандеме, чтобы минералы в почве растворились в воде. «И если они растворимы, растение поглощает их своими корнями», — объясняет Дэвид Монтгомери, профессор наук о Земле и космосе в Вашингтонском университете в Сиэтле и соавтор книги «Скрытая половина природы» о микробиоме почвы.
Микробы позволяют растениям производить антиоксиданты. «Другие бактерии и грибы объединяются для извлечения таких веществ, как фосфор, из почвы и переноса их в грибные гифы», — говорит Монтгомери.
Грибные гифы образуют сеть нитей из микоризы, похожих на паутину, и находятся в синергии с корнями растений. Поскольку растение естественным образом выделяет сахара в почву во время фотосинтеза — сахара, которые помогают питать гифы — гифы реагируют, обеспечивая растение азотом, фосфором и различными другими микроэлементами, такими как медь, цинк, магний, калий и железо. Это справедливая торговля, потому что растениям, как и людям, нужны эти минералы для существования.
Однако поврежденный почвенный микробиом теряет часть функций, хуже снабжает растения питанием, а растения, следовательно, дают нам менее полезных урожай.
Известный факт, многие сельхозугодья сегодня деградировали. Монтгомери рассказывает мне об исследованиях, показывающих быстрое снижение содержания минералов в фруктах, овощах и зерновых за последние 50 лет.
Одно исследование говорит, что содержание цинка в овощах упала на 59%, магния на 26%, а железа на 83%.
В аналогичном анализе, опубликованном в Журнале Американского колледжа питания, были изучены 43 культуры. Эксперты сравнили нынешние уровни питательных веществ с уровнями, зарегистрированными в 1950 году Министерством сельского хозяйства США (Минсельхоза США собирает эти данные с 1892 года), и обнаружили, что белок, кальций, железо, фосфор и витамины В2 (он же рибофлавин) и С заметно снизились.
«По оценкам, дефицит минералов поражает более трети человечества, вызывая проблемы со здоровьем как в развитых, так и в развивающихся странах. Минеральные элементы необходимы для сотен критических ферментативных реакций, и неадекватные уровни могут служить причиной разных заболеваний: сердечно-сосудистых, неврологических расстройств, анемии, повышенного риска инфекции и депрессии», — говорит Монтгомери.
Впрочем, не только больной почвенный микробиом несет ответственность за снижение питательных веществ. Зачастую в АПК сорта или гибриды растений выбираются по продуктивности или устойчивости к вредителям, а не по питательной плотности.
Секреты почвы
На сегодня перед учеными стоит задача выяснить, какие микробы являются неотъемлемой частью нашего благополучия и как помочь им процветать. Разнообразие и то, как относительно мало известно о них, ошеломляет.
Как объясняет Фирер, образец почвы с диких лугов в Канзасе может содержать более 20 000 различных видов микроорганизмов. Второй образец, взятый с того же места, всего в сантиметре, содержит уже совершенно другую популяцию микробов, также насчитывающую десятки тысяч.
Чистая биомасса микробов на одном акре здоровой почвы весит более 2,7 тонн, что эквивалентно большому внедорожнику.
Понимание микробиома почвы похоже на попытку составить карту каждой звезды в нашей галактике, поскольку существуют миллиарды и миллиарды микробов. «Мы знаем, что они там. Мы просто не знаем, что делает большинство из них и как они взаимодействуют друг с другом», — говорит Фирер.
По сути, почвенные микробы везде. Они прилипают к листьям, проникают в корневые системы, через устьица (дыхательные поры растений) и так далее. Внутри и снаружи растения пропитаны микробами, которые мы глотаем каждый раз, когда едим свежую растительную пищу.
«В одном листе шпината содержится более 800 различных видов бактерий, происходящих из почвы и окружающей среды», — говорит Кристофер Лоури, профессор интегративной физиологии и неврологии в Университете Колорадо в Боулдере. Попав в наш кишечник, полезные микробы улучшат и кишечный микробиом человека. Люди, употребляющие разнообразные овощи и фрукты, имеют и более разнообразный кишечный микробиом.
Прямой контакт с почвой также несет пользу. Исследования показали, что люди, которые живут и работают в фермерских и сельских сообществах, где они регулярно контактируют с почвой и содержащимися в ней микробами, более устойчивы к аллергии и астме.
Во время экспериментов на мышах ученые выяснили: даже незначительное воздействие почвенных бактерий усиливает реакцию иммунной системы на вредные патогенные микроорганизмы, включая паразитов, бактерии и вирусы.
Из почвы в мозг: бактерии могут сковать для нас эмоциональную броню
В течение последних двух десятилетий Лоури особенно интересовался видом микроба под названием Mycobacterium vacca, распространенным почти во всех почвах мира.
Вместе с коллегой Грэмом Руком, профессором медицинской микробиологии в Университетском колледже Лондона, ученые хотели узнать, был ли M. vaccae среди кишечных микробов, способных передавать сигналы в мозг. (Теория «оси кишечника и мозга» — о том, что микроскопические обитатели кишечника могут каким-то образом «разговаривать» с нашей центральной нервной системой – популярна в некоторых научных кругах уже много лет).
Лоури и Рук провели эксперименты на мышах, вводя им М. vaccae, эти бактерии под микроскопом выглядит как полупрозрачные желтые личинки.
«Бактерии активировали очень специфическое подмножество серотонинсодержащих нейронов в мозге. Известно, что эти нейроны управляют эмоциями, особенно депрессией», — говорит Лоури.
Сейчас ученые продолжают эксперименты, исследуя биологический механизм, ответственный за антидепрессивный эффект и способность М. vaccae обеспечивать «эмоциональную броню».
Лоури и его коллеги также задавались вопросом, может ли M. vaccae смягчить резкое умственное снижение, которое встречается примерно у 40% людей после 60 лет, перенесших серьезную хирургическую операцию после 60 лет. Это называется послеоперационной когнитивной дисфункцией, и считается, что она является результатом мощного ответа организма во время и после операции.
Была разработана серия когнитивных тестов для оценки воздействия хирургического вмешательства на старых крыс, а затем животных привили M. vaccae перед операцией. «Бактерии полностью предотвратили это когнитивное нарушение», — говорит Лоури.
Восстановление микробиомного разнообразия
Люди эволюционировали одновременно с почвенными бактериями. Это, вероятно, объясняет, почему наши микробиомы имеют одинаковую микробную ДНК, а также некоторые из тех же штаммов бактерий. Например, лактобациллы встречаются как в почве, так и в организме человека. Эти полезные пробиотические бактерии (присутствующие в таких продуктах, как йогурт) помогают расщеплять пищу и выделять питательные вещества в нашем кишечнике; их роль в почве аналогична.
Исследование 2019 года, опубликованное в журнале « Микроорганизмы», задокументировало уникальное родство между человеческими и почвенными микробиомами: «Они содержат одинаковое количество активных микроорганизмов, возможно, полезно рассматривать кишечный микробиом человека и почвенный / корневой микробиом как «суперорганизмы», которые при тесном контакте пополняют друг друга полезными инокулянтами, генами и молекулами».
Интересно, что при анализе разнообразие микробов в людях и почвах обнаруживается, что не только разнообразие обоих резко падает, но и происходит примерно с одинаковой скоростью.
Ученые определили несколько причин такого спада: наш переход от аграрного общества к индустриальному, современная гигиена и западный рацион, состоящий из продуктов с низким содержанием клетчатки и высокой степенью переработки.
В настоящее Фил Тейлор, получивший докторскую степень в области глобальной экологии в Университете Колорадо (Фирер был членом его диссертационного комитета), является соучредителем и исполнительным директором консалтинговой фирмы. Цель фирмы – помогать фермерам создавать здоровую почву и зарабатывать деньги, делая это.
Тейлор советует всем почитать о сэре Альберте Говарде, английском ботанике и сыне фермера, который путешествовал по миру и собирал информацию о почвенных микробах. «Он хотел знать, переходит ли здоровье почвы в здоровую пищу», — объясняет Тейлор. Хотя Говард тогда не мог определить точный механизм, но у него было достаточно неофициальных данных, чтобы заявить: почвенные микробы способны оздаравливать людей.
Первоначально жестоко высмеянный за свои теории, Говард потом станет пионером в области органического культивирования и микробиологии почвы.
В наши дни наука подтверждает все преимущества здоровья почвы, основанные на принципах восстановительного земледелия, когда растут численность и разнообразие микроорганизмов в ризосфере. Это минимизация вспашки, поддержание живых корней в земле круглый год (через покровные культуры), выращивание различных растений и привлечение домашнего скота на землю (выпас скота и навоз способствуют размножению почвенных микробов).
Недавний обзор 56 исследований, опубликованных в журнале PLoS One, показал, что образцы почвы, полученные на фермах, где не обрабатывали землю или не использовали синтетические химические вещества, поддерживали разнообразие культур и севооборот, содержали на 32-84% больше микробной массы (показатель здоровой почвы), чем в образцах земли из полей обычных ферм.
Исследования, проведенные в Институте Родейла, показали, что овес, перец, помидоры и морковь, выращенные на органических фермах, содержат на 18–36% больше минералов и антиоксидантов, чем обычные аналоги.
Наконец, здоровая почва также имеет другие преимущества — стимулирование связывания углерода и удержание воды, что может помочь смягчить изменение климата.
Сегодня идея о том, что фермер может реанимировать бесплодную почву с помощью микробного коктейля, не выглядит диковинной. Микробные биоудобрения – в растущем тренде, это, пожалуй, один из самых динамично развивающихся сегментов в отрасли СЗР».
Источник
Что считается здоровой почвой
Плодородие почвы создает «живое вещество», состоящее из миллиардов почвенных бактерий, микроскопических грибов и других живых организмов. Чем больше в почве полезных микроорганизмов, тем больше в ней и других повышающих плодородие обитателей и, в конечном итоге, выше и качественнее урожай.
В последние годы вопросы защиты сельскохозяйственных растений в системе возделывания культур выдвигаются на передний план и являются особенно актуальными, так как уровень развития патогенной микрофлоры в почве и на семенном материале достиг критического значения. В семенном фонде большинства хозяйств, практически отсутствует здоровый материал, почти каждая партия семян в той или иной мере заражена различными патогенными микроорганизмами. Данная ситуация усугубляется из года в год, так как не соблюдаются основные элементы технологии возделывания культур.
Важным элементом управления фитосанитарным состоянием посевов является контроль состава почвенных микромицетов, так как состояние микробиоты является основой жизни в почве для культурных растений, обеспечивающей стабильность их урожая. Микологический состав почвы в агроценозах зависит от многих факторов, однако определяется в основном предшествующей культурой. Качественный и количественный состав почвенной микробиоты влияет на супрессивность почвы, ее антифитопатогенный потенциал и «здоровье» в целом.
Супрессивность почвы – это показатель почвенного здоровья, проявляемый в подавлении и /или элиминировании из почвенной фито- топатосистемы отдельных видов фитопатогенов, обусловленный совокупным действием биологических, физико-химических и агрохимических свойств почвы.
Патогенностью называют способность паразита вызывать инфекционный процесс, обусловленный метаболитами гриба.
Как правило накопление большого количества растительных остатков в поверхностном слое почвы существенно увеличивает популяцию микроорганизмов, которые являются возбудителями болезней растений.
Патогенные грибы способны сохраняться в почве в течение нескольких лет. Продолжительность выживания при отсутствии основных хозяев, подавляющих патогенов, зависит от того, в какой форме гриб сохраняется. Так, например, хламидоспоры видов Fusarium способны сохраняться в почве свыше 5 лет. Некоторые виды грибов, являясь обитателями почвы, могут сохранять жизнеспособность чрезвычайно долго, такие как Ophiobolus, Gibellina, Rhizoctonia, Phomopsis, Verticillium, Rhizopus, Pythium, Alternaria, Cercosporella и др., в связи с чем севообороты в борьбе с ними часто не дают должного эффекта.
В сезоне 2016 года специалистами Научно-Консультационного отдела компании «Агротек» было отобрано и проанализировано 102 почвенных образца из ризосферно-прикорневой зоны сельскохозяйственных растений различных агроклиматических зон Краснодарского края (рис. 1). Образцы были взяты из пахотного горизонта озимой пшеницы, озимого ячменя, кукурузы, подсолнечника, сахарной свеклы, томатов.
Для проведения микологического анализа почвы использовали оригинальные методики. Экспозиция опыта составляла 14-15 дней, с дальнейшей идентификацией видового состава грибов. Подсчитывали содержание КОЕ (колоне-образующие единицы), тысяч штук в одном грамме абсолютно сухой почвы.
Были выделены и идентифицированы различные микромицеты, в основном представители группы несовершенных грибов с различной трофической приуроченностью, пространственной и временной частотой встречаемости. Видовой состав патогенов достаточно широк.
Основными факторами, способствующими заболеванию, являются:
— низкий уровень агротехники,
— высокая насыщенность посевов в севообороте зерновыми культурами,
— поверхностная обработка почвы,
— присутствие в посевах сорняков из семейства злаковых,
— благоприятные метеорологические условия (особенно характерно это для районов с неравномерным выпадением осадков, где воздушные засухи являются частым явлением).
В результате проведенного микологического анализа образцов почвы было установлено, что доминирующими в комплексе выделенных почвенных грибов являются виды родов Fusarium spp., Alternaria spp., Botrytis spp., Stachybotrys spp., Verticillium spp. (рис. 1).
Рис. 1. График встречаемости основных патогенов в ризосферно-прикорневой зоне почв различных сельскохозяйственных культур в Краснодарском крае
Преобладание в патогенном комплексе микромицетов грибов-токсинообразователей (Fusarium spp., Verticillium spp., Alternaria spp., Stachybotrys spp.) свидетельствует о микотоксикозе почвы, в результате чего культурные растения испытывают стресс, а их прорастание, рост и развитие замедляются, питание нарушается, корневая система неспособна полностью усваивать питательные элементы из почвенного раствора.
Fusarium spp. сохраняется в почве, на растительных остатках, а частично и в самих растениях. Конидии этого гриба могут переноситься водой, насекомыми, орудиями производства и воздушными течениями, которые вызывают гниль корней в фазу всходов, а также может развиваться в течение всей вегетации, поражая листья и генеративные органы растения, значительно снижая его урожайность и качество продукции (рис. 2).
Рис. 2. Габитусы микроструктур патогенных почвенных грибов Fusarium spp., выделенных из ризосферно-прикорневой зоны сельскохозяйственных культур
При фузариозе поражаются сосудистая система (фузариозное увядание) и ткани растения (гниль корней, плодов и семян). При фузариозных увяданиях поражения и гибель растений происходят из-за резкого нарушения жизненных функций вследствие закупорки сосудов мицелием гриба и выделения им токсических веществ. У пораженных растений наблюдается плохое цветение, пожелтение и опадание листьев, потемневшие слаборазвитые корни, общее увядание. На срезе стебля и листьев видны темные сосуды. При температуре ниже +16 °С больные растения достаточно быстро погибают.
Высокая зараженность почвы грибами рода Fusarium spp. свидетельствует о биологической гибкости видов этого рода, позволяющей им вести как сапротрофный, так и патогенный образ жизни, поражая практически все сельскохозяйственные культуры, возделываемые в севообороте. Химическая защита также не позволяет решить проблему с фузариозной инфекцией (Коростылева Л., Горьковенко В. И др., 2006 г.).
Для борьбы с заболеваниями, вызванными грибами рода Fusarium необходимо соблюдать севооборот (в случае насыщения севооборота культурами, которые накапливают фузарии, — вести учет КОЕ патогена в почве), активизировать работу антогонистов за счет внесения органических удобрений или микробиологических препаратов при заделке растительных остатков в почву.
Грибы рода Botrytis spp. встречались только в образцах почвы с полей, где предшествующей культурой была сахарная свекла (рис. 3).
Рис. 3. Габитусы микроструктур патогенных почвенных грибов Botrytis spp., выделенных из ризосферно-прикорневой зоны сельскохозяйственных культур
Грибы рода Verticillium spp. вызывают различные заболевания многих сельскохозяйственных культур в севообороте, являясь полифагом (рис. 4).
Рис. 4. Габитусы микроструктур патогенных почвенных грибов Verticillium spp., выделенных из ризосферно-прикорневой зоны сельскохозяйственных культур
Гриб вызывает побурение и потемнение сосудов проводящей системы больных растений. В пораженных сосудах обнаруживается мицелий гриба, скопление камеди — гуммиобразного вещества, закупоривающего сосуды.
Возможно и быстрое увядание растений, когда они погибают без видимых причин заболевания. Продуцируемые возбудителем токсины нарушают физиологические процессы в растении, влияя на различные стороны его обмена веществ, что приводит к гибели растения. Широко распространено вертициллезное увядание овощных и плодовых культур.
Одной из основных причин снижения всхожести является наличие гриба Alternaria spp. Симптомы болезни могут быть разными и зависят от условий окружающей среды. К ним относятся изреживание всходов, увеличение непродуктивной кустистости, белоколосость, либо потемнение зерна в зоне зародыша (рис. 5).
Рис. 5. Габитусы микроструктур патогенных почвенных грибов Alternaria spp., выделенных из ризосферно-прикорневой зоны сельскохозяйственных культур
Грибы рода Stachybotrys spp., развиваясь сапрофитно на мертвых частях растений (стерне, соломе, засохших стеблях различных сорняков), принимают участие в разложении растительной клетчатки. В процессе своей жизнедеятельности патоген образует токсическое вещество, выделяемое им в субстрат (рис. 6).
Рис. 6. Габитусы микроструктур патогенных почвенных грибов Stachybotrys spp., выделенных из ризосферно-прикорневой зоны сельскохозяйственных культур
Из супрессивной микофлоры во всех представленных почвенных образцах были выявлены грибы рода Penicillium spp. (рис. 7). Однако, при отсутствии грибов рода Trichoderma spp. они также становятся вредными, т.к. выделяют токсины, вызывающие стресс у растений.
Рис. 7. Габитусы микроструктур патогенных почвенных грибов Penicillium spp., выделенных из ризосферно-прикорневой зоны сельскохозяйственных культур
Плесневые грибы рода Penicillium spp. входят в группу почвенных грибов-токсинообразователей и, в частности, угнетают развитие в почве азотфиксирующей бактерии Azotobacter chroococcum. Грибы рода Penicillium spp., как и большинство других плесневых грибов, не только используют питательные вещества зерновок, но и своими токсичными выделениями отравляют зародыш и ростки семян.
Таким образом, в результате отобранных и проанализированных проб встречались в основном патогены, поражающие корневую систему и вегетативные органы растений.
Доля фитопатогенов в обогащенной растительными остатками почве не должна превышать 15% от общего числа микромицетов, но как видно из полученных данных это соотношение не достигнуто. Традиционно степень супрессивности почвы определяется наличием в ней грибов рода Trichoderma (рис. 8).
Рис. 8. Габитусы микроструктур патогенных почвенных грибов Trichoderma spp., выделенных из ризосферно-прикорневой зоны сельскохозяйственных культур
Плодородием почвы можно управлять, обогащая ее прикорневые слои полезными микроорганизмами, создавая благоприятные условия для их развития и размножения. К таким условиям относятся внесение органических удобрений, использование сидератов, пожнивных остатков на поверхности почвы, сев многолетних трав. Это приводит к снижению плотности популяций патогенов и гармоничному природному сосуществованию различных обитателей микромира.
Источник