MOLDOVENII.MD

Микроорганизмы, как альтернатива пестицидам

В растениеводстве используют два типа микробиологических препаратов: микробную массу и метаболиты микроорганизмов. Микробная масса ( клетки живых микроорганизмов) применяется в качестве землеудобрительных препаратов для усиления азотофиксации и борьбы с вредителями и болезнями сельского хозяйства. Метаболиты микроорганизмов служат для регуляции жизнедеятельности растений и контроля численности вредителей и болезней.

Современное интенсивное растениеводство немыслимо без использования минеральных удобрений, регуляторов роста онтогенеза растений, пестицидов для контроля численности вредителей и болезней. Синтез необходимых для этого веществ в некоторых случаях выгоднее производить биологическим путем, привлекая сюда микроорганизмы.

Преимущества микроорганизмов, органических веществ, метаболитов перед пестицидами и химическими удобрениями – это их комплексное позитивное действие и высокая эффективность, что позволяет вносить биопрепараты в минимальных дозах. Являясь природными компонентами, они не накапливаются в окружающей среде, легко трансформируются в круговороте веществ, безопасны для людей, пчел и теплокровных животных ввиду своей избирательной и специфической деятельности.

Преимущества микроорганизмов.

Первое преимущество — В микробиотехнологии используют практически только трансгенные высоковирулентные микроорганизмы, или полученные путем искусственного мутагенеза и с последующей селекцией их штаммов, так называемые сверхсинтетики, которые продуцируют нужные человеку вещества в огромных количествах, значительно превышающих собственные потребности микроорганизма. Так, бактерия рода Bacillus subtilis из препарата Фитоспорин производит антибиотики сдерживающие болезнетворные микроорганизмы в организме растений, а также из пробиотических препаратов в организме человека и животных.

Второе преимущество — облегчает культивирование микроорганизмов, причем можно подобрать микроорганизмы для сред почти с любыми характеристиками. При этом выращивание микроорганизмов в средах с предельными значениями температуры и рН позволяет снизить загрязнение производства вредными для него микроорганизмами, которые не выносят данных условий.

Третье преимущество — связано в основном с малыми размерами микроорганизмов, что облегчает и ускоряет обмен веществ с окружающей средой и темпы роста биомассы, обуславливает удобство их применения в сельском хозяйстве, а так же хранения и т.д.

Микроорганизмы культивируют в ферментаторах (биореакторах), где создают для них все необходимые условия (питательная среда, аэрация или анаэробные условия, температура, рН, удаление продуктов метаболизма, отсутствие конкурентов, паразитов и хищников).

Ферментер для производства культур микроорганизмов

Микроорганизмы используют субстраты питательной среды, синтезируют вещества (метаболиты), растут и размножаются. В зависимости от целей культивирования конечным продуктом может быть биомасса клеток или какой-либо внеклеточный метаболит. Тогда в первом случае продуктом будет жидкая часть культуральной среды, а во втором – клетки.

ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОБНОЙ МАССЫ В С/Х

Землеудобрительные препараты

Одной из главнейших проблем современного интенсивного земледелия является улучшение обеспечения растений азотом. Минеральные азотные удобрения дороги (около трети всех затрат энергии в растениеводстве падает на их производство), к тому же их неграмотное использование может привести к нитратному загрязнению продукции и среды, цветению водоемов, гибели животных. Хорошим дополнением минеральным удобрениям является биологический азот, то есть усиление деятельности азотфиксирующих микроорганизмов почвы.

Микроорганизмы ежегодно фиксируют 17,5 ⋅ 107 т молекулярного азота воздуха. Микроорганизмы, фиксирующие азот, разделяются на симбиотические и несимбиотические (свободноживущие). Микроорганизмы в симбиозе с высшими растениями фиксируют за год 100–300 кг азота на гектар. К ним относятся прежде всего клубеньковые бактерии рода Rhizobium – симбионты бобовых, актиномицеты рода Frankia, образующие клубеньки на корнях ольхи, облепихи, лоха, цианобактерии Anaboena azollae, обитающие в полостях листьев водного папоротника Azolla pinnata, и ассоциативные бактерии, живущие на корнях травянистых растений. Все эти микроорганизмы используют для создания препаратов, улучшающих азотное питание соответствующих растений. Первым таким препаратом был Нитрагин, созданный в Германии в 1896 году для бобовых. Своеобразным его потомком в России является ныне применяемый Ризоторфин, представляющий собой торфяную основу, смешанную с Rhizobium (5–8 ⋅ 109 клеток в 1 г торфа), выращенным на искусственных питательных средах. Во Франции аналогичный препарат называется N-germ, в Чехии – Нитразон. Ризоторфин вносят под бобовые путем инокуляции семян: обрабатывают их перед посадкой суспензией с прилипателем препарата – в расчете от 100 г/т семян.

Для каждого бобового растения готовят свой препарат, ибо Rhizobium обладает видовой специфичностью к хозяину. Для производства препаратов необходимо использовать штаммы Rhizobium с высокой вирулентностью (способностью образовывать клубеньки) и активностью азотфиксации, превышающими показатели диких почвенных Rhizobium. В результате нитрогенизации повышаются урожай и содержание белка в зеленой массе и зерне. Бобовые увеличивают содержание азота в почве (люцерна, например, оставляет в почве около трети накопленного азота), благодаря чему бобовые растения называют зелеными удобрениями – сидеральными культурами. Особенно велик эффект Ризоторфина при первой посадке бобовых растений данного вида на данной территории – урожай в этом случае возрастает на 50% – и на кислых почвах, так же актуально применение препарата в качестве пробиотика в условиях с/х, где в борьбе с болезнями применяют фунгициды, которые снижают численность и полезных организмов, а в месте с ними и урожайность. Однако применение Ризоторфина ограничивается только бобовыми, так как эти бактерии не образуют клубеньков на корнях растений других семейств. Под облепиху вносят препарат Frankia, предполагается, что именно “фабрики” азотных удобрений в клубеньках облепихи обеспечивают этому растению устойчивые высокие урожаи. В настоящее время все больший интерес вызывают ассоциативные азотфиксирующие бактерии, не образующие клубеньков и питающиеся корневыми выделениями травянистых растений. Производительность их азотфиксации невелика (30–40 кг азота на 1 га в год), что окупается широким кругом растений-хозяев.

Сейчас найдены ассоциативные симбионты более чем у 110 видов растений, в том числе пищевых и кормовых злаков и овощей. Препарат ассоциативных азотфиксирующих бактерий Флавобактерин повышает урожай зерновых на 0,3–0,5 т на 1 га, кормовых трав – на 1,4– 1,8 т на 1 га, сахарной свеклы – на 6–7 т на 1 га, овощных культур – на 1,7–6 т на 1 га при расходе 300 г препарата на гектарную норму семян. При этом улучшается качество продукции за счет повышения содержания сырого белка на 1,5–2%, аскорбиновой кислоты – на 15–20%. Ризоэнтерин повышает урожай риса, озимой пшеницы и озимой ржи на 200–500 кг на 1 га и содержание белка в зерне. Оба препарата улучшают минеральный и водный обмен растений за счет усиления поглотительной способности корней, стимулируют рост растений, повышают их устойчивость к заболеваниям, так как являются антагонистами микроорганизмов фитопатогенов. Ризоэнтерин, Флавобактерин и подобные им препараты: Агрофил, Ризоагрин, Alcoligenes paradoxus 207 - не полностью удовлетворяют потребность растений в азоте, но заменяют 40–60 кг минерального азота, что позволяет сократить дозы внесения удобрений в почву и снизить степень нитратного загрязнения среды и затраты.

Еще более перспективным представляется совместное использование двух видов микробных землеудобрительных препаратов — ассоциативных азотфиксирующих бактерий и микоризных грибов. В этом тройном взаимовыгодном симбиозе бактерия снабжает всех партнеров азотом, гриб-санитар убивает болезнетворные микроорганизмы на корнях и помогает растению поглощать влагу и минеральные вещества, а растение кормит микроорганизмы продуктами фотосинтеза. Примером подобного сожительства может служить искусственно создаваемый симбиоз: пшеница, флавобактерии и гриб Glomus fasciolatum, при этом урожай биомассы пшеница увеличивается более чем наполовину. В Юго-Восточной Азии для азотного удобрения рисовых полей активно используют симбиоз цианобактерии Anaboena azollae и водного папоротника Azolla. Для этого Azolla выращивают в специальных прудах, откуда ее вывозят по назначению. Azolla накапливает за вегетационный период около 120 кг азота на 1 га. Несимбиотическую азотфиксацию проводят более 30 видов свободно живущих в почве цианобактерий, актиномицетов и типичных бактерий. В целом в умеренной зоне они могут накапливать за год от 25–94 кг азота на гектар, в Нечерноземье – 13 кг. Путем внесения соответствующих бактерий несимбиотическую азотфиксацию можно усилить. Основным преимуществом этих препаратов является возможность их использования под любую культуру, так как они не связаны с растением-партнером. Чаще всего используют Азотобактерин – препарат бактерии Azotobacter chroococcum, его применяют в России с 30-х годов XX века, в настоящее время в основном в закрытом грунте. Он не только улучшает азотное питание растений, но и стимулирует синтез витаминов группы В, ауксинов и аминокислот, увеличивает рост корней, улучшает коэффициент использования элементов питания и угнетает фитопатогенные микроорганизмы. Так же на основе азотобактера создан препарат Байкал, который не только используют в сельском хозяйстве, а так же на малых приусадебных участках. Свободно живущие азотфиксирующие цианобактерии используют для стимуляции урожая рисовых полей в Индии, Китае и других странах.

Влияние азотобактера на прорастание зерен пшеницы.

Наиболее перспективным предполагается применение микоризных грибов, особенно для древесных пород на южных почвах. Грибы — микоризообразователи улучшают водообеспечение и минеральное питание растений, продуцируют биологически активные вещества (витамины, фитогормоны, антибиотики), противостоят фитопатогенным микроорганизмам и в целом значительно улучшают рост и приживаемость растений. Однако грибы — микоризообразователи трудно культивировать искусственно, поэтому для инокуляции чаще применяют лесную почву, содержащую споры и мицелий таких грибов.

Микориза Гломозы на поверхности корня.

Микроорганизмы для борьбы с вредителями сельского хозяйства (Био — инсектициды, акарициды, нематициды, родентициды).

Для контроля численности насекомых, нематод и грызунов в растениеводстве в основном применяют химические препараты – пестициды. Однако возможно использование естественных врагов вредителей: паразитов и хищников, в том числе микроорганизмов, – в качестве дополнения или даже альтернативы пестицидам. В настоящее время принято использовать микробные препараты для контроля численности насекомых – вредителей сельского хозяйства и леса в трех случаях:

1) когда насекомое устойчиво ко всем применяемым пестицидам (по данным продовольственной и сельскохозяйственной организации, таких насекомых около 300);

2) когда применение пестицидов отражается на качестве продуктов, например при производстве продуктов для детского питания;

3) когда инсектицид не может проникнуть к местам обитания насекомого, на пример в почве.

Препараты микроорганизмов-паразитов насекомых вызывают у хозяев заболевания, приводящие к смерти, при этом при большой плотности вредителей среди них может даже возникнуть эпизоотия (эпидемия среди животных). Впервые энтомопатогенные микроорганизмы (мускаридинный гриб) попытался применить И.И. Мечников против хлебного жука – он собирал больных личинок и их порошок распылял на хлебных полях.

В настоящее время используют бактериальные, грибные и вирусные препараты в качестве биологических инсекто-акари-нематоцидов (против насикомых, клещей, нематод).

Бактериальные препараты для борьбы с насекомыми – вредителями сельского хозяйства и леса включают чаще всего энтомопатогенную бациллу Bacillus thuringiensis. Данный вид образует два токсина – β и δ, из которых β-экзотоксин обладает широким спектром действия на насекомых. Он представляет собой белковое кристаллическое вещество. При попадании в кишечник насекомого токсин модифицируется и взаимодействует со стенкой кишки, изменяя ее так, что содержимое кишечника попадает в гемолимфу, вызывая общий паралич. δ-эндотоксин действует на листогрызущих насекомых, преимущественно на личинок чешуекрылых, совершенно безопасен для млекопитающих, человека и перепончатокрылых. Кстати, пересадка генов, кодирующих δ-эндотоксин, растениям – давно решенная задача, в трансгенных технологиях Bt-растения устойчивы к листогрызущим вредителям. Такие технологии применены во многих странах, таких отраслях, как картофелеводство, овощеводство, плодоводство и виноградарство. Описаны более 20 штаммов Bacillus thuringiensis и 15 вариантов δ-эндотоксина, часть из которых имеет промышленное значение. Коммерческие препараты представляют собой сумму спор и белковых кристаллов в клетках микроорганизма-продуцента. Бактерии довольно легко культивируются на искусственных питательных средах. В России в настоящее время используют препараты на основе Bacillus thuringiensis: Лепидоцид-50, Дипел, Битоксибациллин (для защиты деревьев, кустарников, овощей и лекарственных трав против личинок вредителей и их форм имаго), Новодор, поражающий колорадского жука (картофель, томаты, баклажаны).

Bacillus thuringiensis на колорадском жуке.

Из грибных препаратов для борьбы с насекомыми – вредителями сельского хозяйства в России используют Боверин и Вертициллин. Боверин представляет собой споры энтомопатогенного гриба Beauveria bassiana, который легко разводится на искусственных питательных средах, поражает более 200 видов насекомых и применяется против табачного трипса для защиты огурцов и томатов закрытого грунта.

Beauveria bassiana на теле мотылька.

Вертициллин (бластоспоры гриба Verticillium lecanii) используется против тепличной белокрылки, тли и трипса.

Verticillium lecanii на тле.

Большое значение в ряду грибных препаратов стоит Нематофагин БЛ – хищный гриб Arthrobotrys oligospora. Он не вызывает болезни паразитических круглых червей – нематод, а умерщвляет их биохимическим путем и буквально пожирает, применяется для защиты овощей и шампиньонов в теплицах. Контроль численности нематод вообще затруднен из-за их скрытого образа жизни в почве, особенно в теплицах, где нельзя применять большие дозы пестицидов, а так же на полях сельского хозяйства. Поэтому применение открытых М.С. Ворониным хищных грибов по сути единственный эффективный и экологически допустимый метод борьбы с этими вредителями, которые ежегодно уничтожают 12% сельскохозяйственной продукции, что составляет 77 млрд долларов для 20 основных сельскохозяйственных культур.

Arthrobotrys oligospora охотится на нематод.

Наиболее эффективными энтомопатогенными микробными препаратами являются вирусные – из-за высокой специфичности к хозяину. Сейчас в России в лесоводстве используют Вирин – препарат вирусов, вызывающих у сибирского и непарного шелкопрядов, рыжего соснового пилильщика и шелкопряда-монашенки полиэдроз и гранулез. Основными препятствиями к широкому использованию вирусных препаратов являются трудность и затратность разведения вирусов, так как они могут воспроизводить себя только в живой клетке насекомого-хозяина и не культивируются на искусственных питательных средах. Таким образом, необходимо выращивать массу насекомых, заражать их вирусом и лишь затем производить из них препарат. Относительным выходом в данной ситуации является воспроизводство вирусов на культуре клеток насекомых, что позволяет проводить непрерывный процесс.

До недавнего времени в России использовали препарат для борьбы с грызунами (полевками, крысами, мышами домашними) Бактероденцид. Бактерия Salmonella enteritidis var. Issathenko вызывает у них заболевание типа брюшного тифа и совершенно безвредна для человека, домашних животных, хищных птиц и мелких хищников (ласка, хорь, волки, лисы).

Микроорганизмы антагонисты фитопатогенов (Биофунгициды).

Между растениями и населяющими их поверхность эпифитными микроорганизмами складываются самые разнообразные симбиотические взаимоотношения. Микроорганизмы получают от растения органические вещества и иногда воду, при этом они могут приносить растению пользу (взаимовыгодный симбиоз – мутуализм) или вред (паразитизм) или не оказывать на него существенного влияния (нахлебничество – комменсализм). При этом между эпифитными микроорганизмами возникает конкуренция за источники питания, причем у здорового развитого растения нормальная микрофлора подавляет патогенную (как правило, выделяя антибиотики). Поэтому встает задача как можно раньше занять места на растении для нормальной полезной микрофлоры. Этого можно достичь путем инокуляции семян, опрыскивания проростков растений, обработкой корней при пересадке суспензией нужных микроорганизмов, а также внесения их в почву с поливом.

В России применяют бактериальные и грибные препараты – антагонисты фитопатогенов: Фитоспорин (Bacillus subtilis, на овощных, зерновых, масличных и плодовых культурах), Псевдобактерин-2 (Pseudomonas aureofaciens, на овощах закрытого грунта, а так же зерновых), Планриз (Pseudomonas fluorescens на овощных и зерновых культах), Фитолавин (Streptomyces lavendulae, Streptomyces griseus, на капусте и томатах защищенного грунта), Триходермин (Trichoderma lignorum, на овощах и цветах защищенного грунта), Вермикулен (Penicillium vermiculatum, на подсолнечнике).

В некоторых случаях применяют микробную массу вместе с выделяемыми метаболитами (обычно антибиотиками). Эти препараты эффективнее и дешевле, так как не требуют разделения компонентов. Такие препараты, как Бактофит (Bacillus subtilis и продуцируемый антибиотик – используют на овощах, деревьях, цветах и лекарственных травах), Агат-25 (Pseudomonas aureofaciens и продукты метаболизма – на зерновых и картофеле), Триходермин (споровая масса гриба Trichoderma lignorum и антибиотики: триходермин, веридин и глиотоксин).

Обширный список препаратов указывает на их востребованность в растениеводстве, они снижают заболеваемость растений грибными и бактериальными инфекциями: фитофторозом, черной ножкой, фузариозом, мучнистой росой, бактериозами, что положительно сказывается на урожае и качестве продукции. В то же время эти препараты экологически и гигиенически безопаснее синтетических фунгицидов и бактерицидов. Как правило, микроорганизмы – антагонисты фитопатогенов выделяют биологически активные вещества, стимулирующие растение (фитогормоны, витамины), что также уменьшает заболеваемость, повышает всхожесть семян и кустистость. Особенно активен в этом отношении Агат-25. К этой же группе препаратов можно отнести микроорганизмы-антиобледенители. Эпифитная бактерия Pseudomonas syringae весной развивается на почках, листьях и цветах фруктовых деревьев, клетки бактерии служат центрами кристаллизации льда при заморозках, что вызывает ожоги и пятнистость. Образование льда приводит к механическому разрушению клеток растения, проникновению в них бактерий и развитию заболевания. При отсутствии бактерий-обледенителей ожоги не образуются. Получены мутантные формы Pseudomonas syringae, лишенные способности образовывать кристаллы льда. При угрозе заморозков цветущие сады опрыскивают препаратами на основе мутагенных бактерий-антиобледенителями, которые заселяют растение и препятствуют появлению здесь других форм и развитию заболевания, аналогичные ситуации актуальны и для всходов с/х культур.

ППРИМЕНЕНИЕ МЕТАБОЛИТОВ МИКРООРГАНИЗМОВ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

Регуляторы жизнедеятельности растений

Регуляторы роста и развития растений, промышленное применение которых началось в 50–60-х годах, сначала для стимуляции корнеобразования черенков некоторых многолетних культур, затем для борьбы с полеганием зерновых в настоящее время используются практически во всех интенсивных технологиях выращивания сельскохозяйственных растений. С помощью фиторегуляторов удается значительно повысить устойчивость растений к неблагоприятным внешним воздействиям, увеличить продуктивность, устранить некоторые недостатки высокоурожайных сортов. В последние годы созданы новые высокоэффективные регуляторы, активные в крайне малых дозах – 10–100 мг/га. Среди них наиболее экологически безопасными признаны регуляторы микробного происхождения. На первом месте по масштабам применения стоит гибберелловая кислота (препарат “Завязь”) – продукт гриба Gibberella fujikuroi, фитогормон, активирующий рост растительных клеток и применяющийся на овощах для стимуляции образования завязей и ускорения созревания, а также для получения бессемянных сортов винограда. Однако применение гиббереллинов требует усиленного минерального питания растений. В последнее время в России появилось много микробных фиторегуляторов комплексного общестимулирующего действия, которые проявляют эффективность в основном по типу ауксинов и цитокининов, а также витаминов. К таким препаратам относятся Никфан (продукт метаболизма грибов-эндофитов облепихи), Симбионт-1 (продукт метаболизма грибов-эндофитов женьшеня), Эпистим (продукт метаболизма гриба симбионтного Acremonium lichenicola), Эпин. Эти препараты применяют на зерновых, овощах, картофеле для стимуляции прорастания и роста, повышения устойчивости к заболеваниям, для увеличения урожая и улучшения качества продукции. Однако основное достоинство этих препаратов – многокомпонентность, что дает системное действие на развитие завязи, повышения иммунитета и развития роста вегетативных органов растения.

Микробные метаболиты для борьбы с вредителями сельского хозяйства

В России для борьбы с фитопатогенными микроорганизмами очищенные антибиотики в настоящее время не используют, хотя в мире эта практика существует. Для борьбы с вредителями с/х используют Фитоверм – метаболиты авермектины грибов, который активны против широкого круга вредителей в закрытом и открытом грунте, в том числе против колорадского жука, паутинного клеща, трипсов, тлей и нематод.

Пленки для защиты корней

Многие бактерии имеют слизистую капсулу, причем составляющие ее полисахариды (декстран, ксантан), так называемые микробные слизи, синтезируются микроорганизмами в огромных количествах. В растворе эти полисахариды образуют гели, при засыхании – тонкие пленки, проницаемые для кислорода, но непроницаемые для воды. Микробные слизи в растениеводстве используют для сохранения корней рассады от высыхания. Список микробных препаратов, применяемых в растениеводстве, постоянно расширяется, так же как и сфера их применения. Подбор ассоциативных азотфиксирующих симбионтов для каждого культурного растения, создание конкурентоспособных штаммов Rhizobium и микроорганизмов – антагонистов фитопатогенов, поиск простых в культивировании активных энтомопатогенов – вот основные направления микробиологии применительно к нуждам растениеводства.

ЛИТЕРАТУРА

1.Елинов Н.П. Основы биотехнологии: Для студентов ин-тов, аспирантов и практ. работников. СПб.: Наука, 1995. 600 с. 2. Конопля Н.И., Евтушенко Г.А., Конопля О.Н. Эффективность биопрепаратов при выращивании сахарной кукурузы // Кукуруза и сорго. 1999. № 2. С. 12–13. 3. Справочник пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению в Российской Федерации в 2000 году. М.: Агрорус, 2000. 277 с. 4. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий: Учеб. пособие. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. 248 с. 5. Шевелуха В.С., Калашникова Е.А., Дегтярев С.В. и др. Сельскохозяйственная биотехнология: Учебник / Под ред. В.С. Шевелухи. М.: Высш. шк., 1998. 416 с.