Технология получения биологических удобрений
Эффективность сельскохозяйственных технологий в производстве продуктов питания зависит от многих факторов, включая эколого-географические, экономические, а также от возобновляемых биологических ресурсов, таких как культурные растения, домашние животные, микроорганизмы. Повышение биологической продуктивности в сельском хозяйстве является предметом активных исследований комплекса различных биологических наук.
Биотехнологические методы традиционно используются в сельском хозяйстве для повышения плодородия почв, борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и животных, приготовления продовольственных продуктов, их консервирования и улучшения питательных свойств. При этом удельный вес биотехнологии для развития и повышения эффективности традиционных сельскохозяйственных технологий постоянно возрастает. В настоящее время особые перспективы в создании и распространении новых культивируемых сортов растений обещает применение новейших методов биотехнологии – клеточной и генетической инженерии. Усилия биотехнологов направлены на увеличение выхода продукции и повышение ее питательности, усиление устойчивости культивируемых биологических видов к неблагоприятным условиям внешней среды, патогенам и вредителям. При этом остается актуальной проблема поддержания разнообразия среди культивируемых видов и сохранения генетических ресурсов в целом.
Микроорганизмы играют большую роль в повышении плодородия почвы, так как в процессе роста и развития улучшают ее структуру, обогащают питательными веществами, способствуют более полному использованию удобрений.
Интенсивное растениеводство обедняет почву азотом, так как значительная его доля ежегодно выносится из почвы вместе с урожаем. С древних времен для восстановления и улучшения почв существует практика использования бобовых растений, способных в симбиозе с азотфиксирующими микроорганизмами восполнять почвенные запасы азота в результате диазотрофности(усвоения атмосферного азота). Большой положительный эффект от возделывания бобовых вызвал постановку исследований явления диазотрофности. Впервые наличие бактерий в клубеньках на корнях бобовых растений описали Лахман в 1858 и Воронин в 1866 году. Чистая культура азофиксаторов была получена Бейеринком в 1888 году. Вскоре были выделены и описаны другие азотфиксирующие микроорганизмы; Виноградский в 1893 году впервые выделил анаэробную спороносную бактерию, фиксирующую молекулярный азот, назвав ее в честь великого Л. Пастера Clostridium pasteurianum; в 1901 году
Технология получения азотных биоудобрений.
Наиболее простой способ инокуляции основан на использовании почвы после выращивания на ней бобовых растений. Этот метод разработан в конце XIX века и применяется до настоящего времени. Недостаток метода – необходимость перемещения достаточно больших объемов почвы (100–1000 кг/га), а также возможность распространения болезней. Более эффективным оказалось применение для инокуляции семян специальных препаратов азотфиксирующих бактерий. Азотфиксирующие микроорганизмы обладают специфическим ферментом нитрогеназой, в активном центре которой происходит активирование инертной молекулы N2 и восстановление до NH3:
N2 + 8 H+ + 8 e– + n АTФ → 2 NH3 + H2 + n АДФ + n Ф
Клубеньковые бактерии обладают избирательной способностью по отношению к растению-хозяину, на чем основывается их классификация.
Первая коммерческая разновидность культуры для инокуляции семян (товарное название «Nitragin») была запатентована в Великобритании Ноббе и Хилтнером в 1896 году. Для разных бобовых в то время выпускали 17 вариантов культуры.
Сухие препараты азотфиксаторов, приготовленные на основе клубеньковых бактерий рода Rhizobium и предназначенные для повышения урожайности бобовых растений (гороха, фасоли, сои, клевера, люцерны, люпина и др.) в настоящее время выпускаются под товарным названием «Нитрагин». Помимо почвенного нитрагина, выпускают также сухой нитрагин – препарат бактерий с содержанием в 1 г не менее 9 млрд. жизнеспособных клеток, в качестве наполнителя используют мел, каолин, бентоит. Препараты сухого нитрагина с остаточной влажностью 5–7 % фасуют по 0.2–1.0 кг и хранят при 15 °С в течение 6 месяцев. Вносят нитрагин путем опудривания семян сухим препаратом непосредственно перед посевом. Препараты нитрагина вносят в почву на фоне минеральных и органических удобрений. При инокуляции почв нитрагином урожайность бобовых культур возрастает на 15–20 %.
Аналог азотных удобрений – другой препарат азотфиксирующих бактерий – «Азотобактерин», который выпускается промышленностью в нескольких вариантах. Бактерии рода Azotobacter являются свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами и обладают высокой продуктивностью азотфиксации (до 20 мг/г использованного сахара). Помимо связывания атмосферного азота, эти бактерии продуцируют биологически активные соединения (витамины, гиббериллин, гетероауксин и др.). В результате этого инокуляция азотобактерином стимулирует прорастание семян и ускоряет рост и развитие растений. Более того, Azotabacter способен экскретировать фунгицидные вещества. Этим угнетается развитие в ризосфере растений микроскопических грибов, многие из которых тормозят развитие растений. Однако бактерии рода Azotobacter весьма требовательны к условиям среды, особенно концентрации в почве фосфатов и микроэлементов, и активно развиваются в плодородных почвах.
Технология получения сухого препарата азотобактерина аналогична получению сухого нитрагина и включает получение посевного материала и культивирование бактерий в контролируемых условиях в глубинной стерильной культуре до начала стационарной фазы. Готовый препарат с содержанием не менее 5 млрд жизнеспособных клеток на 1 кг при остаточной влажности 5–7 % фасуют в полиэтиленовые мешки 0.4–2.0 кг, которые герметизируют и далее хранят при температуре до 15 °С. Промышленностью выпускаются также торфяной и почвенный препараты азотобактерина. Для этого в качестве наполнителя используют разлагающийся торф с нейтральной реакцией среды или богатую перегноем почву.
Снабжение растений фосфатами.
Фосфатные ионы в почве, как известно, не очень подвижны, поэтому вокруг корневой зоны растений часто возникает дефицит фосфора. Везикулярно-арбускулярная микориза (ВА) играет существенную роль в плодородии почвы, так как способствует поглощению растениями фосфатов из почвы. Эндо- и экзомикоризы представляют собой особые структуры, формирующиеся внутри или вокруг мелких корешков растений в результате заражения почвенными непатогенными грибами.
Возникающие симбиотические отношения между грибами и растениями выгодны растению-хозяину. Микориза ВА, образуемая грибом-фикомицетом из семейства Endogonaceae, встречается довольно часто в большинстве почв практически всех климатических зон. Эта микориза присуща большей части покрытосемянных, многим голосемянным, а также некоторым папоротникам и печеночникам. Микориза ВА найдена у большинства важнейших видов культурных растений. Доказано, что в растениях с микоризой концентрация гормонов роста выше, чем в ее отсутствие. Если ВА-микориза формируется в присутствии азофиксирующих бактерий, у бобовых усиливается процесс образования клубеньков и азотфиксация.
Для размножения эндофитов в почве нужна их инокуляция. Однако размножение грибов происходит только в присутствии растения-хозяина. Единственный эффективный способ получения больших количеств эндофита – выращивание на соответствующей линии растений. Инокулятом при этом служит смесь корней мицелия и спор. Выделенные споры, инфицированную почву или корни растения с ВА используют для инокуляции растения-хозяина, свободного от болезней, в так называемой горшечной культуре. Полученный таким образом инокулят используют для инокуляции растений. Несколько граммов неочищенного инокулята, полученного из горшечной культуры растения-хозяина, добавляют в среду или размещают поблизости от молодых корней так, чтобы до пересадки растения в грунт успела образоваться довольно мощная микориза. Метод эффективен при разведении лесов, цитрусовых, но не находит применения для инокуляции в полевых условиях, Для улучшения питания сельскохозяйственных культур фосфатами эффективен метод применения фосфоробактерина Технология получения препарата фосфоробактерина во многом сходна с технологией получения сухого нитрагина и азотобактерина. Выращивание Bac. megaterium проводят в контролируемой глубинной культуре до стадии образования спор. Процесс проводят в строго стерильных условиях, так как многие производственные штаммы чувствительны к действию бактериофагов. Высушенную в распылительной сушилке при 65–75 °С биомассу с остаточной влажностью 2–3 % смешивают с каолином, фасуют по 50–500 г в водонепроницаемые герметичные мешки. В 1 г препарата содержание жизнеспособных клеток – не менее 8 млрд. Препарат, в отличие от нитрагина и азотобактерина, стабилен. Поэтому он хорошо хранится при комнатной температуре длительное время.
Дата добавления: 2016-01-20 ; просмотров: 4222 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Биоудобрения: рост производства и потребления
Эксперты предсказывают существенный рост практически любому сегменту в сельском хозяйстве с приставкой «био» в ближайшие годы, в том числе — удобрениям. Прогнозируется, что этот сегмент будет увеличиваться ежегодно, и к 2025 году рынок биоудобрений достигнет показателя в 3,8 млрд долларов. Практически, во всех аграрных странах увеличивается потребление биоудобрений, растет и количество предприятий, которые их производят.
Без сомнения, использование полезных микроорганизмов в сельском хозяйстве станет трендом ближайшего десятилетия. Такие микроорганизмы естественного происхождения улучшает физико-химические свойства почвы, микробное биоразнообразие и здоровье почвы, рост и развитие растений, а также продуктивность сельскохозяйственных культур.
Полезные в сельском хозяйстве микробные популяции включают бактерии, способствующие развитию растений; азотфиксирующие цианобактерии; микоризные грибы; полезные бактерии, подавляющие болезни растений; эндофиты, повышающие устойчивость к стрессам и микроорганизмы-биодеструкторы. Перечень не окончательный, поскольку исследования в этом направлении продолжаются. При этом, ученые сразу оговаривают, что биоудобрения – не нечто новое и уникальное, а важный дополнительный компонент к традиционным методам управления почвой и урожаем: севооборот, рециркуляция растительных остатков, восстановление плодородия почвы и другим хорошо известным агротехнологиям.
Условия для роста
К началу XXI века для роста сегмента биоудобрений возникло сразу много предпосылок. Главная — деградации и обеднение почв, с которыми химические удобрения уже не справляются. Другая важная предпосылка – способность и готовность потребителей в развитых странах платить дороже за сельхозпродукты, выращенные без применения пестицидов и химических удобрений. Накопление отходов от животноводства и необходимость их правильно утилизировать также подталкивают ученых к разработке новых биоудобрений. Только в России отходы от агропромышленного комплекса оценивается 600 млн т в год (или 225 млн т в сухом веществе), которые занимают порядка 2 млн га сельскохозяйственных земель. Неутилизированные сельхозотходы окисляют почву, загрязняют грунтовые воды и увеличивают выбросы в атмосферу парниковых газов.
Навоз с животноводческих ферм был одним из первых субстратов, который стал широко использоваться для производства биоудобрений. Сейчас существует несколько десятков разновидностей биоудобрений на основе переработанного навоза. Одна из последних разработок сделана в Республике Казахстан, там создано удобрение на основе отходов птицеферм с использованием штаммов почвенных микроорганизмов, бактерий и актиномицетов. Биоудобрение уже применяется на полях АО «Акмола-Феникс» на площади 30 тысяч га.
Другим исходным сырьем для производства биоудобрений является торф. «Дальневосточная торфяная компания», резидент фонда «Сколково», создала биологическое удобрение на основе торфа и штаммов микроорганизмов. Испытания нового удобрения проводились в хабаровском отделении Дальневосточного НИИСХ на капусте и помидорах. Новое биоудобрение обеспечило прибавку урожая на 18%. Этой новинкой уже заинтересовались китайские и корейские сельскохозяйственные компании. «Дальневосточная торфяная компания» начала экспортировать свой продукт в эти соседние страны, где его используют для выращивания грибов – шампиньонов и как сорбент при утилизации отходов животноводческих ферм.
В Республике Узбекистан совместное предприятие Green biotech при участии Института микробиологии Академии наук создало новые виды биоудобрений для сельского хозяйства «Fosstim» и «Rizokom». В 2019 году биоудобрения прошли испытания и получили положительные результаты: снизилось потребление химических и минеральных удобрений, снизился уровень загрязнения почвы и ее засоленность, увеличилось плодородие земли на опытном участке, а также снизилось потребление оросительной воды на 30%, что крайне важно для засушливых условий.
Подобные сообщения все чаще появляются на страницах специализированных аграрных изданий. Однако, эксперты предостерегают: не стоит относиться к биоудобрениям, как к волшебной палочке, один взмах которой меняет ситуацию. Результат непременно будет, но – постепенно и при условии правильного применения.
Ограничения и рекомендации
Первое, на что нужно обратить внимание при работе с биоудобрениями – это срок годности. В порошковых биоудобрениях он ограничен 6–12 месяцами, в жидкой форме полезные свойства живых микроорганизмов сохраняются до двух лет.
Некоторые биоудобрения создаются специально для конкретной культуры и даже для конкретных условий возделывания. Это значит, их эффективность не будет одинаковой из-за различий в агроклиматических условиях и почвенных факторов. Высокое содержание нитратов, низкое содержание органических веществ, высокая кислотность или щелочность почвы, высокая температура, а также высокий уровень остаточных агрохимикатов отрицательно влияют на эффективность микроорганизмов, входящих в состав биоудобрений. Впрочем, дальнейшее развитие исследований и создание новых препаратов позволяет справляться с этими проблемами. Так, биоудобрения в жидкой форме сохраняют свою эффективность уже при температуре до 45 градусов по Цельсию.
Важно также обратить внимание на производителя и поставщика. Как и на всяком растущем рынке, в сегменте биоудобрений фиксируются случаи недобросовестных поставок, когда под видом оригинального препарата продавались побочные продукты производства.
Направления исследований
Рынок биоудобрений часть экспертов называют агрессивным из-за быстрого роста и активного использования научных открытий. Новые препараты для лучшего питания почвы и сельскохозяйственных культур будут выпускаться в новых формах. Одна из них — эмульсии «вода-в-масле». Масло задерживает воду вокруг организма и замедляет испарение воды после нанесения. Это особенно полезно для организмов, чувствительных к высыханию, или в случае использования ирригационных систем. Эмульсии «вода-в-масле» позволяют улучшить жизнеспособность клеток, так энергию их высвобождения. Проблемой остается осаждение клеток живых микроорганизмов во время хранения. Исследования, направленные на решение этой проблемы, ведутся с использованием наноматериалов.
Другой интересной новой технологией является использование бактериальных биопленок в качестве возможного носителя. Полезные биопленки, содержащих как грибковые, так и бактериальные штаммы, были использованы в качестве биоудобрений для различных сельхозкультур. Применение биопленочного инокулянта значительно увеличило фиксацию азота в соевых бобах по сравнению с традиционным инокулянтом. Семена пшеницы, инокулированные бактериями, продуцирующими биопленку, показали повышенную урожайность на умеренно засоленных почвах. По-видимому, это также помогают микроорганизмам выживать после инокуляции даже в стрессовых условиях.
Применение нанотехнологии может также обеспечить новые возможности для разработки биоудобрений. Использование мембран из нанотрубок повышает устойчивость к высыханию, нагреванию и воздействию ультрафиолетом. Добавление наночастиц гидрофобного диоксида кремния размером 7–14 нм в композицию эмульсии вода-в-масле биопестицидного гриба Lagenidium giganteum улучшило свойства композиции и микроорганизмы оставались эффективным после 12 недель хранения при комнатной температуре.
Многолетняя зависимость аграрной отрасли от химических удобрений, похоже, начинает уменьшаться. Биоудобрения дают возможность решить проблему питания растущего населения планеты, не увеличивая при этом нагрузку на окружающую среду.
Источник