Микробные биотехнологии в экономически целесообразной адаптивной интенсификации земледелия

Суховицкая Л.А., канд. биол. наук

Институт микробиологии НАН Беларуси, г. Минск, Беларусь

 

Рост народонаселения и все возрастающая его потребность в продуктах питания обусловливают необходимость интенсификации сельскохозяйственного производства. Почти на 100% эту потребность обеспечивает растениеводство, эффективность которого в значительной мере зависит от плодородия почвы. В связи с этим очевидны место и роль земледелия в обеспечении продовольственной независимости Беларуси.

За последние два столетия в сельскохозяйственном производстве произошло три «зеленых революции». В XIX веке – это введение севооборотов с использованием в структуре плодосмена многолетних бобовых трав. В конце XIX и первой половине XX века – создание индустрии производства минеральных удобрений, химических средств защиты растений, ретардантов и стимуляторов роста при использовании коротких специализированных севооборотов. Каждый такой поворот в системе земледелия обеспечил удвоение продуктивности пашни, особенно в Западной Европе, где наиболее последовательно проходили эти процессы [1].

Анализ последствий химизации и применения интенсивных технологий показывает, что наряду с несомненными достижениями в этой области все больше стали проявляться отрицательные стороны интенсификации, обусловленные высокими затратами материальных и энергетических ресурсов, низким коэффициентом использования растениями питательных элементов, потерями азота в процессе денитрификации, обострением экологических проблем в связи с техногенной нагрузкой на экосистемы.

В Беларуси положение усугубляется последствиями Чернобыля, организационным и экономическим кризисом, который, в частности, проявляется и в снижении культуры производства.

В значительной степени  решение проблемы лежит в эффективной и рациональной реализации биологического потенциала почвы, в оптимизации взаимодействия микроорганизмов и сельскохозяйственных растений в агрофитоценозах. Новое поколение систем адаптивного земледелия призвано в максимальной степени разрешить возникшие противоречия, обеспечить получение оптимального для каждого агрофитоценоза количества высококачественной растениеводческой продукции при минимальных затратах энергетических и материальных ресурсов.

Одно из важных мест в решении этой задачи занимает микробиология. Микроорганизмы являются основным фактором почвообразовательного процесса, питания растений и фитосанитарного состояния почвы. Поэтому все мероприятия, направленные на воспроизводство почвенного плодородия, повышение продуктивности и экологической безопасности земледелия, должны быть увязаны с деятельностью микроорганизмов.

Во-первых, это формирование азотного фонда почвы за счет биологической азотфиксации. Растения буквально «купаются» в азоте и вместе с тем испытывают постоянный дефицит в этом элементе. Изучение физиолого-биохимических механизмов фиксации азота, экологических факторов, обеспечивающих реализацию этого процесса в агроэкосистемах, позволяет создать высокоэффективные симбиотические и ассоциативные системы и технологии. Их внедрение ведет к существенному сокращению, а в ряде случаев – и к отказу от применения минеральных азотных удобрений, снижает энергозатраты, связанные с их производством, в значительной степени решает экологические проблемы. Чрезвычайно актуальны в этой связи исследования по координированной селекции растений и микроорганизмов, а также по направленному конструированию симбиотических и ассоциативных систем.

Не менее остро стоит и проблема фосфорного питания растений. Крайне медленная мобилизация фосфора из почвы и низкий коэффициент использования его из минеральных удобрений является существенным препятствием в решении проблемы повышения продуктивности земледелия. Следует учитывать и то, что при дефиците фосфора сложно обеспечить реализацию азотфиксирующего потенциала агрофитоценозов, эффективность которого находится в прямой связи с уровнем фосфорного питания. Решение этой проблемы также в значительной степени зависит от микробиологов, т.к. процессы трансформации фосфора из труднорастворимых фосфорсодержащих минералов почвы и удобрений, минерализация органофосфатов происходят в результате жизнедеятельности микроорганизмов.

Управление плодородием почвы – это, прежде всего, управление микробиологическими процессами, протекающими в ней. Необходимы глубокие и всесторонние исследования основных закономерностей формирования и деятельности микроорганизмов в конкретных почвенно-климатических условиях и агрофитоценозах. В настоящее время микробиологические показатели фактически не используются в системе мониторинга почв, экспертной оценки земель и эколого-экономической оптимизации землепользования, а они имеют существенное, если не решающее значение при разработке стратегии и тактики использования земель в сельскохозяйственном производстве.

И, наконец, прямое отношение к экономически целесообразной адаптивной интенсификации земледелия имеют исследования и технологические разработки по созданию, получению, производству и применению микробиологических препаратов, альтернативных минеральным удобрениям и химическим средствам защиты. Необходимо дальше развивать эти работы, шире и настойчивее пропагандировать их среди специалистов сельского хозяйства. Использование их позволит сократить техногенные средства интенсификации, являющиеся основным фактором дестабилизации агроэкосистем, обеспечить экологическую безопасность земледелия.

Проблема повышения эффективности микробо-растительного взаимодействия является приоритетным направлением исследований почвенной и сельскохозяйственной микробиологии на протяжении многих лет, а в настоящее время – одним из ведущих [2]. Подобного рода исследования, проводимые во многих лабораториях мира, обусловлены их большой теоретической значимостью и прикладными аспектами. В нашей республике научно-исследовательские работы в обозначенных направлениях ведутся в ряде институтов НАН Беларуси, наиболее они  сконцентрированы в лаборатории почвенной микробиологии Института микробиологии [3].

Работы лаборатории, имеющей многолетнюю историю, в основном являются оригинальными и имеющими фундаментальное значение для земледелия и растениеводства. Большинство из них впервые начато здесь.

С самого начала существования лаборатории ее организатор и первый руководитель Семен Андреевич Самцевич  поставил задачу: «изучать почву как сложный организм, учитывая важное значение бактериальных сообществ и понимая, что в «нормальных почвах» биологические процессы превалируют над чисто химическими и земледельцу необходимо считаться с ними». Развивая эту идею, поколения ученых лаборатории почвенной микробиологии последовательно и настойчиво исследовали фундаментальные закономерности взаимодействия микроорганизмов и растений в системе «почва – микроорганизмы – растения».

Неоценим вклад лаборатории в изучении микробиологических процессов формирования азотного фонда почвы и роли микроорганизмов в азотном питании растений. Сотрудники лаборатории проводили исследования структуры и функций микробных ценозов торфяных почв мелиоративных объектов Беларуси, определение состава микрофлоры, трансформирующей гумусовые соединения торфа и остатки гербицидов, выявление соотношения гумусоразрушающей группировки микрофлоры с другими трофическими группами микроорганизмов. Результатом этой работы явилось установление участия микрофлоры торфа в формировании минерально-гумусовых комплексов в  высокозольных торфяниках республики.

Лаборатория первой установила закономерности распространения и эффективности Rhizobium в почвах агроценозов Беларуси, позволяющие прогнозировать результативность их применения под бобовые культуры, оценила размеры азотфиксации симбиотическими ризобиями и наметила пути интенсификации этого процесса в агроценозах Беларуси.

Результатом экспедиций по республике явилось выделение местных штаммов симбиотических и ассоциативных ризобактерий и создание коллекции диазотрофных ризобактерий, эффективных на основных видах бобовых и зерновых культур. Изучение их взаимодействия с резидентной микрофлорой, установление множественных механизмов их положительного действия на растения вылилось в понимание глубокой интеграции этих организмов.

Выявлением в микробоценозах озерных сапропелей микроорганизмов, сочетающих фосфатмобилизующую и ростостимулирующую активности, определением их важнейших физиолого-биохимических характеристик и возможностей практического использования было начато развитие в лаборатории очень важного для республики направления исследований – микробиологической фосфатмобилизации.

Учеными лаборатории традиционно большое внимание уделяется изучению биодинамики почв. За годы исследований накоплено огромное количество данных о численности микроорганизмов в почвах, их развитии и специфике под различными сельскохозяйственными культурами и в различных системах земледелия. В ряде случаев на их основе удается описать направленность важнейших микробиологических процессов в почвах: превращения азота, фосфора, утилизация органического вещества, превращение гумуса, что является основой ныне разрабатываемых адаптивных систем земледелия.

Прямое отношение к земледелию и растениеводству имеют в лаборатории исследования и технологические разработки получения, производства и применения бактериальных препаратов на основе диазотрофных и фосфатмобилизующих бактерий, альтернативных техногенным средствам интенсификации сельскохозяйственного производства. Лаборатория имеет существенные достижения в этой области. Ее коллективом разработан способ получения и создана новая форма препарата клубеньковых бактерий – Сапронита, разработана технология его применения под зернобобовые культуры и бобовые травы. Разработана технология получения и применения под зерновые культуры экологически безопасного биопрепарата Ризобактерин на основе ассоциативных азотфиксирующих бактерий; получен ростостимулирующий биопрепарат Фитостимофос на основе фосфатмобилизующих бактерий, предназначенный для мобилизации труднодоступных фосфатов почвы и повышения урожайности растений. Биопрепараты включены в список разрешенных к применению в республике.

Среди широкого спектра вопросов, относящихся к проблеме микробо – растительного взаимодействия, в лаборатории в последние годы ведутся исследования, связанные с биологической оценкой интродукции диазотрофных и фосфатмобилизующих микробных популяций как регуляторов почвенного плодородия, изучаются механизмы, обеспечивающие активное функционирование интродуцентов и сохранение микробиологического разнообразия почв. В этом направлении основное внимание уделяется изысканию новых высокоактивных штаммов диазотрофных и фосфатмобилизующих микроорганизмов, обладающих комплексом полезных свойств (азотфиксирующая, фосфатмобилизующая способности, продуцирование фитогормонов и бактерицидных веществ, экологическая поливалентность), изучению их физиолого-биохимических особенностей, исследованию основных аспектов, связанных с интродукцией искусственных микробных популяций в природные среды и выяснению их роли в повышении урожайности растений.

В лаборатории разработан метод отбора конкурентно сильных штаммов азотфиксирующих и фосфатмобилизующих бактерий для полиштаммовой инокуляции растений в агрофитоценозах различного состава, изучены их свойства и определены основные закономерности развития искусственных диазотрофно – фосфатмобилизующих бактериальных ассоциаций. Установлено, что синергическое взаимодействие бактерий, входящих в ассоциации, обусловлено продуцированием ?–ИУК диазотрофными и трансформацией труднодоступных фосфатов – гетеротрофными микроорганизмами.

На основании экспериментальных данных, полученных сотрудниками лаборатории с использованием современных методов идентификации штаммов – интродуцентов, установлена взаимосвязь между интродукцией симбиотических и ассоциативных азотфиксирующих бактерий и плотностью резидентных диазотрофов, что свидетельствует о возрастании азотфиксирующего потенциала ризосферы и ризопланы инокулированных растений.

Выполненные исследования являются теоретической основой получения нового поколения биологических препаратов широкого спектра действия, направленных на повышение эффективности микробо – растительного взаимодействия.

С момента создания лаборатории и до настоящего времени научные исследования сотрудников лаборатории направлены на решение биотехнологических задач в сельском хозяйстве.

Необходимость их дальнейшего развития не вызывает сомнения. Очевидна также и необходимость консолидации усилий всех микробиологов и ученых смежных специальностей в этом стратегическом направлении: создание и освоение ресурсосберегающих, экологически безопасных, экономически целесообразных технологий использования биологического азота и фосфора в адаптивной интенсификации земледелия.

 

Литература

1.  Иванов А.Л. Сельскохозяйственная микробиология и проблемы повышения эффективности и экологической безопасности земледелия на ландшафтной основе // Тез. докл. Всерос. конф. - С.-П., 2001. - С. 9-11.

2.  Molecular Plant-Microbe Interactions: new bridges between Past and Future // Volume of abstracts 11-th Int. congress in Molecular Plant-Microbe Interactionsю -   St.-Pet., 2003. – 402 р.

Суховицкая Л.А., Лобанок А.Г. Развитие исследований в области почвенной микробиологии в Институте микробиологии НАН Беларуси // Микробиология и биотехнология XXI столетия: Мат. Межд. конф. - Минск, 2002. - С. 4-6.