Азотные удобрения + инновации
Тренд на экологизацию сельского хозяйства проявляется все активнее. Вслед за ужесточением требований в применении пестицидов последовали инициативы по запрету или сокращению применения отдельных видов удобрений. Эксперты полагают, что в недалеком будущем сельхозпроизводителям придется пересматривать свое отношение к внесению минеральных удобрений. А многие крупные компании-производители уже готовятся к таким переменам.
Оборотная сторона
Большинство сельхозкультур в США, России, Канаде и других странах выращиваются с использованием минеральных удобрений. Значительную часть из них составляют азотные удобрения. Без них урожайность многих сельхозкультур снижается на 30, а иногда и на 50%. Но все чаще эффект от применения удобрений сопоставляют с негативным воздействием на природу. Например, подсчитано, что годовое производство азотных удобрений только в США сопровождается выбросами, равными выхлопным газам двух миллионов автомобилей. И вредные выбросы в процессе производства – далеко не все негативные последствия.
Систематическое и массированное применение азотных удобрений под сельскохозяйственные культуры неумолимо приводит к нарушению оборота питательных веществ в природной среде. И это уже сейчас заметно в регионах интенсивного земледелия.
В первые годы «бума удобрений» микробиологические процессы в почве ускорялись, повышалась продуктивность растений. Но агрохимические анализы почвы показывали, что первоначальная интенсификация биологических процессов быстро сменилась разрушением органического вещества почвы. Азотные удобрения теряли свою эффективность, поскольку амидные и аммиачные формы удобрений превращались в нитраты с последующим вымыванием в грунтовые воды и реки. Кроме непроизводительных потерь азота, вредных выбросов, проявился и еще один опасный симптом: деградировала микробиота почвы. В такой ситуации вносить еще большее количество удобрений нет никакого смысла – затраты растут, а урожайность сельскохозяйственных культур снижается.
Стало очевидно, что требуется какой-то иной подход к питанию сельхозкультур. Поиск, внедрение и коммерциализация таких решений будет определять завтрашний день агробизнеса.
Полезные микробы
Растения не способны впитывать азот из воздуха. Но это отлично умеют делать микробы — эндофиты. Возможно ли «научить» сельхозкультуры самостоятельно вырабатывать азот при помощи микроорганизмов?
Профессор Шарон Доти, микробиолог из Вашингтонского университета говорит, что природа уже решила эту проблему. Шарон начала изучать ивы и тополя — деревья, растущие по берегам рек в почвах, чрезвычайно бедные азотом. Когда Доти исследовала ДНК эндофитов деревьев в лаборатории — обнаружились гены, указывающие на то, что микробы могут фиксировать азот. Ученые задались вопросом: можно ли использовать эндофиты для сельского хозяйства? Исследователи взяли саженцы сельскохозяйственных культур и пропитали их в ванной с эндофитами из тополей, а затем наблюдали за развитием рассады.
Растения с эндофитами имели более крупные корни и листья. А некоторые виды томатов и болгарского перца почти удвоили количество плодов, которые они произвели. Группа Шарон Доти полагает, что изучение эндофитов, находящихся во внутренних тканях тополя, также перспективно для создания микробных препаратов, восстанавливающих поля, загрязненные толуеном и тяжелыми металлами.
Хотя результаты многообещающие, американские исследователи понимают, что успех в лаборатории не всегда подтверждается в полевых условиях. Кроме того, нужно наладить промышленное производство таких микроорганизмов, чтобы они не были дорогими. Некоторые попытки разработать полезные микробы для сельского хозяйства потерпели неудачу именно из-за высоких издержек производства.
Полезные колонизаторы
В конце минувшего года еще две американские компании объявили о начале совместной работы по созданию новых микробных продуктов. Mosaic Company и BioConsortia, Inc. начали сотрудничество по разработке и выпуску азотфиксирующих микробных продуктов для кукурузы, пшеницы и других основных пропашных культур. В официальном релизе представители компании заявили:
«Мы считаем, что их накопленный опыт и доступ к рынку в области удобрений и питания сельскохозяйственных культур — идеальный путь выхода на рынок новаторских азотфиксирующих микробных продуктов. Наши микробы будут дополнять и расширять устоявшийся бизнес по производству питательных веществ для сельскохозяйственных культур Mosaic в интересах производителей во всей Америке».
Эндофитные бактерии, с которыми работают исследователи, способны заселять внутренние ткани растения, не вызывая его заболеваний и не оказывая отрицательного влияния на развитие. Интересно, что бактериальные эндофиты колонизируют те же экологические ниши, что и фитопатогенные микроорганизмы, поэтому их можно рассматривать еще и как потенциальный способ биоконтроля фитопатогенов.
Mosaic и BioConsortia намерены создать микробные продукты для использования в почве и обработки семян. Новый продукт можно использовать отдельно или в сочетании с традиционными химическими веществами и удобрениями. Исследователи BioConsortia намерены «довести до кондиции» природные спорообразующие бактерии с помощью технологий улучшения штаммов и редактирования генов. Компания BioConsortia запатентовала процесс Advanced Microbial Selection (AMS), мульти-признаковый скрининг, технологию колонизации, а также существующую коллекцию азотфиксирующих бактерий. В рамках соглашения Mosaic получит эксклюзивные права на технологию фиксации азота для основных пропашных культур в Северной и Южной Америке. BioConsortia сохранит за собой все права на технологию для фруктов, овощей, газонов и декоративных культур и для всех видов использования за пределами Америки.
Хранение, доверие, универсальность
Несмотря на активные интерес многих производителей удобрений и агрохимикатов к микробным продуктам, ожидать, что они заместят обычные удобрения в ближайшее время, не стоит. Производителям инновационных микробных продуктов придется решить еще несколько важных проблем. Одна из них — доверие сельхозпроизводителей новым технологиям. Например, выведенное на рынок биоудобрение BioGro, состоящее из нескольких штаммов полезных микроорганизмов, было эффективным в выращивании риса. Но фермеры не доверились разработке. В результате более половины компаний, производящих BioGro, не проработали в этом бизнесе и двух лет.
Вторая проблема — условия для хранения биопродуктов. Фермеры предпочитают покупать обработанные семена. Они остаются пригодными для использования даже при хранении в течение нескольких месяцев или лет. Созданные биопродукты более требовательны к условиям хранения и пока не могут сохранять свои свойства в течение длительного периода.
Еще одной проблемой стала «узкая специализация». В отличие от традиционных удобрений, которые могут быть использованы для любого типа культур в любой точке мира, эндофиты не являются универсальным решением. Кроме того, необходимо адаптировать микробы к различным климатическим и экологическим ситуациям. Создатели новых продуктов понимают, что положительный эффект напрямую зависит от вида сельскозкультуры, типа почвы и климата. Если одно из условий не подходит — решение не сработает. Присутствие пестицидов или других микроорганизмов в почве, также может отрицательно повлиять на успех азотфиксации.
Другими словами, предстоит еще много работы, прежде чем эндофиты смогут серьезно потеснить традиционные удобрения. Но, судя по ситуации, это всего лишь вопрос времени.
Источник
Азотфиксирующие бактерии
12.05.2021, 19:31 Бактерии
Автор: Дарья Куликова
Азотфиксирующие бактерии – это бактерии Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. , обладающие способностью к биологической азотфиксации, то есть связыванию азота атмосферы и переводу его в азотосодержащие соединения.
Зеленые растения не способны питаться азотом, поглощая его в чистом виде из атмосферного воздуха или почвы. Денитрифицирующие бактерии выделяют азот из органических соединений и переводят его в чистый азот атмосферы. Тем самым они делают его недоступным для растений. В противовес им азотфиксирующие микроорганизмы, в основном бактерии Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. , связывают атмосферный воздух в органических соединениях и делают его доступным для растений. Таким образом, поддерживается баланс азота в природе.
Колонии азотфиксирующих бактерий
К азотфиксирующим бактериям относятся: клубеньковые бактерии Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. , некоторые актиномицеты, цианобактерии. Азотофиксаторы установлены во многих родах бактерий Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. : Bradyrhizobium, Pseudomonas. Имеются данные о способности бактерий одних и тех же видов, в зависимости от условий развития, осуществлять два диаметрально противоположных процесса – азотфиксацию и денитрификацию.
Клубеньковые бактерии
Клубеньковые бактерии – одна из самых изученных групп азотофиксирующих бактерий Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. . В настоящее время их относят к роду Rhizobium, а видовые названия обычно соответствуют названию того растения, из клубеньков на корнях которого, выделены бактерии Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. . В частности, Rhizobium trifolii – растение-хозяин клевер, Rhizobium phaseoli – растение-хозяин фасоль, Rhizobium leguminosarum – растение-хозяин горох. Это объясняется видоспецифичностью клубеньковых бактерий Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. .
Симбиоз азотфиксирующих бактерий и корневой системы растения
Существование клубеньковых бактерий является примером мутуалистических (взаимовыгодных) симбиотических взаимоотношений, относящихся к типу эндосимбиозов, при котором клетки микроорганизмов находятся в клетках и тканях макроорганизма.
Клубеньковые бактерии – грамотрицательные Грамотрицательные бактерии – это бактерии которые не окрашиваются кристаллич. подвижные палочки в свободном состоянии и в молодых клубеньках. При дальнейшем развитии они приобретают неправильную форму и превращаются в разветвленные, булавовидные или сферические бактероиды. На этой стадии происходит фиксация молекулярного азота.
Клубеньковые бактерии являются микроаэрофильными микроорганизмами, способными развиваться при низком парционном давлении кислорода в среде. Они хемотрофы, гетеротрофы (хемогетеротрофы), часто нуждаются в факторах роста (витаминах): тиамине, пантотеновой кислоте, биотине. Оптимальная температура роста – +24°C–+26 °C.
Обычно клубеньковые бактерии существуют в почве свободно, их количеств зависит от типа и характера почвы, предшествующей сельскохозяйственной обработки. Характерно, что в свободном состоянии, то есть, находясь в почве, данная группа бактерий не способна фиксировать азот из атмосферы, а использует связанный азот.
Симбиотическая связь растения и клубеньковых бактерий устанавливается в фазе прорастания семян. При их развитии корни выделяют органические питательные вещества, стимулирующие размножение ризосферных микроорганизмов, в том числе клубеньковых бактерий Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. . Их почвы клубеньковые бактерии проникают в корень через корневые волоски.
В корневой волосок проникает сразу несколько бактерий Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. . Процесс проникновения сопровождается инвагинацией мембраны корневого волоска. Это приводит к образованию трубки (инфекционной нити), выстланной целлюлозой, вырабатываемой клетками растения-хозяина. В ней располагаются интенсивно размножающиеся бактерии Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. . Инфекционная нить проникает в кору корня, проходит через ее клетки. Клубенек развивается при достижении инфекционной нитью тетраплоидной клетки ткани коры. Одновременно наблюдается полиферация тетраплоидной клетки и соседних диплоидных клеток коры. Индуцирует пролиферацию индолилуксусная кислота – растительный гормон, синтезируемый клубеньковыми бактериями Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. .В конце периода роста растения-хозяина часто наблюдается полное исчезновение бактерий из клубеньков в связи с их отмиранием. Вещества отмерших клеток поглощает растение-хозяин.
Для обогощения почвы клубеньковыми бактериями в промышленных масштабах производятся специализированные препараты, содержащие клубеньковые бактерии Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. . Они используются для предпосевной обработки семян бобовых.
Разновидности азотфиксирующих бактерий
Кроме клубеньковых бактерий способностью к азотофиксации обладают многие другие микроорганизмы:
- Бактерии рода Bradyrhizobium – вступают в эндосибиотические мутуалистические взаимоотношения с бобовыми растениями тропического и иногда умеренного пояса. Все штаммы бактерий данного рода обнаруживают сроство к определенному кругу хозяев. В частности, вторая по экономической значимости сельскохозяйственная культура в США соя – формирует симбиоз с бактериями вида Bradyrhizobium japonicum. Также как и клубеньковые бактерии Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. , Bradyrhizobium образуют клубеньки, в которых клетки бактерий имеют неправильную раздутую форму (бактероиды) и продуцируют нитрогеназу – фермент, способствующий фиксации азота.
- Актномицеты рода Frankia. Хозяевами актиномицетов-симбиотов выступают более 200 видов двухдольных древесных растений, принадлежащих к восьми семействам, в числе которых ольха, облепиха, стланик, казуарина. На корнях растений в результате симбиоза с актиномицетами образуются клубеньки, достигающие в диаметре 5 см. Актиномицеты проникают в корни через корневые волоски и образуют клубеньки. В них также как и у бобовых образуется леггемоглобин, защищающий нитрогеназу от избытка молекулярного кислорода. Химизм фиксации азота актиномицетами аналогичен подобному процессу у клубеньковых бактерий Бактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр. , но более экономичен с точки зрения расхода АТФ. Кроме того, актиномицеты рода Frankia способны к азотфиксации в свободноживущем состоянии, без контакта с растением.
- Бактерий родов Chromatiumи Klebsiellaвступают в эндосимбиоз с тропическими растениями Peretta и Psichoteria, образуя на их листьях клубеньки в которых осуществляется фиксация азота.
- Цианобактерии – это многоклеточные организмы, отдельные клетки которых, в условиях отсутствия связанного азота, преобразуются в специализированные формы – гетероцисты. В них происходит фиксация атмосферного азота. В гетероцистах нитрогеназа защищена от ингибирующего действия молекулярного кислорода дополнительными поверхностными оболочками. Цианобактерии способны образовывать симбиозы с широким кругом растений, включая покрытосеменные, голосеменные, папоротники, мхи и даже одноклеточные морские диатомовые водоросли. Наиболее изучен эндосимбиоз цианобактерий Anabaena azollae с водным папоротником Azolla, у которого цианобактерии содержаться в полостях листьев, растущих на поверхности стоячих вод.
Бактерии рода Pseudomonas, обитающие в ризосфере различных растений, способны фиксировать молекулярный азот. Азотфиксирующие свойства выявлены у штаммов P. saccharophila, P. dеlafieldii, P. aurantiaca и др.
Источник