Микробные землеудобрительные биопрепараты и их использование в сельском хозяйстве

Вскоре после того как М. Бейеринк (1888) изолировал клубенько­вые бактерии бобовых растений, возникла идея использовать эти бактерии для улучшения образования клубеньков и усиления фик­сации атмосферного азота.

Впервые препарат клубеньковых бактерий под названием «ни­трагин» был приготовлен в 1896 г. в Германии Ф. Ноббе и Л. Гильтнером. Позднее под различными наименованиями культуры клу­беньковых бактерий появились в других странах. В 1906 г. в Велико­британии началось производство «нитрагина», в 1907 г. в США Ф. Гаррисон и Б. Барлоу предложили соответствующий препарат «нитрокультура». В том же году в России Л. Т. Будинов применил препарат Rhizobium, именовавшийся также «нитрагином».

Препараты клубеньковых бактерий сейчас широко использу­ют во многих странах под различными названиями. Так, во Фран­ции их называют N-germ, в Чехии и Словакии — нитразон, в Рос­сии — нитрагин, ризоторфин и т. д.

Использование препаратов клубеньковых бактерий для зара­жения семян бобовых растений совершенно необходимо, когда в данной местности вводят новые культуры бобовых и в составе фло­ры нет перекрестно заражающихся с ними растений. Такая потреб­ность возникла в нашей стране при возделывании соевых бобов в новых зонах. При этом клубеньков на корнях бобовых растений практически не было. Инокуляция обеспечивала образование клу­беньков, а следовательно, осуществление азотфиксации. В результа­те увеличивались урожай и содержание белка в растительной массе и зерне.

В целесообразности применения инокуляции для новых куль­тур бобовых растений, а также на вновь осваиваемых сельскохо­зяйственных угодьях нет сомнения. Значительно труднее решить вопрос о старопахотных, хорошо окультуренных почвах, на которых уже давно возделывают определенные виды бобовых растений. Можно предположить, что в таких почвах уже сложились достаточ­но стабильные микробные ценозы, в составе которых имеются и клубеньковые бактерии культурных бобовых растений. Нужна ли здесь инокуляция и будет ли она себя оправдывать?

Для ответа на этот вопрос были поставлены многочисленные опыты. В европейской части России массовые опыты с инокуляци­ей разных бобовых культур были проведены Е. Н. Мишустиным и В. В. Бернардом. В большинстве случаев инокуляция дала замет­ное увеличение урожая. Наилучший эффект отмечался на кислых почвах.

Объяснить такое действие заражения бобовых растений куль­турой Rhizobium или Bradyrhizobium на давно освоенных почвах, имеющих в составе микрофлоры клубеньковые бактерии, можно следующим образом. Во-первых, в природных условиях может про­исходить перекрестное заражение, т. е. высеваемые бобовые расте­ния заражаются клубеньковыми бактериями близких групп расте­ний. В таких случаях клубеньки хотя и образуются, но функционируют неполноценно. В то же время при искусственной инокуляции в корень бобового растения проникает активная раса Rhizobium или Bradyrhizobium, нанесенная на высеваемые семена.

Во-вторых, клубеньковые бактерии, имеющиеся в почве, не занятой бобовыми растениями, существуют как обычные сапротрофы. Нередко вследствие ряда причин почва оказывается не­благоприятной средой для клубеньковых бактерий. Их количество существенно уменьшается, а активность снижается. Кислые почвы, например, отрицательно влияют на азотфиксирующую способность клубеньковых бактерий, и при сапротрофном существовании про­исходит существенное снижение их ценных свойств. В таких случа­ях естественное заражение не дает эффективного симбиоза.

Массовые опыты с нитрагинизацией показали целесообраз­ность и эффективность рассматриваемого агроприема (табл. 20). До­вольно широко искусственная инокуляция бобовых культур клу­беньковыми бактериями проводится в Чехии, Словакии, Болгарии, Польше, США, Канаде, Франции, Швеции и др.

Бактеризация не только увеличивает урожай бобовых расте­ний, но и улучшает его качество. В растениях, зараженных активны­ми расами клубеньковых бактерий, значительно повышается коли­чество белка и витаминов группы В. Поскольку положительное влияние инокуляции распространяется и на корни растений, то после сбора урожая пожнивные остатки более эффективно действу­ют на последующую культуру севооборота.

Препарат, содержащий клубеньковые бактерии, готовят раз­ными методами. Чаще всего используют торфяной нитрагин — ризоторфин. Он представляет собой стерилизованный λ-облучением низинный торф, к которому добавлены необходимые для клубень­ковых бактерий питательные вещества. Расфасованную массу вы­держивают в термостате для размножения внесенных в нее бакте­рий. Иногда готовят торфяной препарат, не стерилизуя торф, но вносят в него большое количество клубеньковых бактерий.

При изготовлении препарата на почве пользуются нейтраль­ной, богатой органическим веществом стерильной почвой, расфасо­ванной в ту или иную тару. Перед посевом семена бобовых расте­ний обрызгивают водной суспензией того или иного препарата. Препараты для заражения бобовых растений можно применять ог­раниченное время, так как клубеньковые бактерии постепенно от­мирают. Для каждой бобовой культуры или узкой группы растений готовят специальный препарат.

В связи с широким использованием приемов химического протравливания семян, применением гербицидов, инсектицидов и т. д. возникает вопрос о совместимости химических мер защиты урожая с инокуляцией семян бобовых клубеньковыми бактериями. Выяснено, что протравливание семян не исключает применения культур клубеньковых бактерий. Однако необходимо подбирать со­ответствующие протравители и разделять указанные приемы во вре­мени (см. главу 15).

Для эффективного симбиоза клубеньковых бактерий и бобо­вых растений необходима систематическая работа по селекции ак­тивных и вирулентных культур клубеньковых бактерий, а также бо­бовых растений, обеспечивающих интенсивную деятельность их симбионтов.

В последние годы под бобовые растения применяется около 1,5 млн га порций ризоторфина в год. Ризоторфин позволяет умень­шить объемы применения азотных удобрений; препарат разработан практически для всех бобовых, возделываемых в настоящий момент. Особенно ярко полезность ризоторфина проявляется при введении в культуру новых видов бобовых, многие из которых (например, козлятник) вообще не могут возделываться без наличия в почве со­ответствующих микроорганизмов. Агрономическая эффективность ризоторфина для бобовых культур в среднем составляет 10—30%, дополнительный сбор белка — 2—5 ц/га. При интродукции новых бобовых культур (люпин, люцерна, козлятник) эффективность бак­теризации может составлять 50—100%, а сбор белка увеличивается в 2—3 раза.

Биопрепарат азотобактерин на основе Azotobacter chroococcum

Способность Azotobacter chroococcum размножаться при соответст­вующих условиях в ризосфере сельскохозяйственных культур дала основание предполагать, что указанный микроорганизм может улуч­шить азотное питание растений. По предложению академика С. Я. Костычева и его сотрудников с тридцатых годов двадцатого столетия в нашей стране начали применять землеудобрительный препарат, содержащий культуру Azotobacter chroococcum, — азотобак­терин.

Позднее, когда выяснилась способность микроорганизма про­дуцировать биологически активные вещества, его действие на расте­ния стали связывать не только с фиксацией азота и улучшением азотного питания, но и с поступлением в растения вырабатываемых микроорганизмом биологически активных соединений (витаминов и стимуляторов роста).

Весьма важное свойство азотобактера заключается и в том, что он вырабатывает фунгистическое вещество, которое представля­ет собой метиловый эфир алифатической тетраеновой кислоты, со­держащей гидроксильную и β-метильную группы. Обнаруженный антибиотик, по данным Я. И. Придачиной, активен против значи­тельного числа фитопатогенных грибов. Благодаря этому при бакте­ризации азотобактером в ризосфере угнетается развитие микроско­пических грибов, многие из которых задерживают рост растений. Так, культура азотобактера снимает угнетающее действие фитотоксичного гриба Altenaria на кукурузу, а рост незараженного растения стимулирует. Отдельные культуры Azotobacter различаются по своим антагонистическим свойствам.

Работа с различными штаммами Azotobacter chroococcum под­твердила хорошее действие на растения лишь тех культур, которые вырабатывают биологически активные вещества. Поэтому при се­лекции для производственных целей отбирают культуры азотобакте­ра, продуцирующие биологически активные соединения, стимули­рующие рост растений и угнетающие развитие фитопатогенных гри­бов родов Verticillium, Helmintosporium, Pythium, Fusarium и т. д.

Однако для полевых культур азотобактерин малоэффективен. Это связано с его способностью развиваться лишь в хорошо окуль­туренных почвах. На унавоженных почвах положительное действие азотобактерина возрастает. Препарат хорошо влияет, например, на овощные культуры, которые обычно выращивают на сильно удоб­ренных навозом почвах. Здесь бактеризация семян может повысить урожай на 20—30% и, что особенно важно, ускорить его созревание.

Для объяснения эффективности азотобактера прежде всего следует выяснить, может ли этот микроорганизм, используя корне­вые выделения, накопить достаточно азота для развития растения. Опыты с монобактериальными культурами, в которых высшее рас­тение, выращенное из стерильных семян, инокулировали культурой азотобактера, дают на этот вопрос отрицательный ответ. За счет корневых выделений бактерия не может усвоить такое количество азота, которое обеспечивало бы высокий урожай растений.

Вместе с тем при определенных условиях азотобактер улучша­ет рост растений. В этом можно убедиться, если в условиях моно­бактериальной культуры обработать им семена растений. Объясня­ется это тем, что азотобактер синтезирует много биологически ак­тивных соединений — никотиновую и пантотеновую кислоты, пиридоксин, биотин, гетероауксин, гиббереллин и, возможно, ряд других соединений. Комплекс указанных веществ способен стиму­лировать прорастание семян, ускорять развитие растений в благо­приятных условиях среды.

Положительное действие азотобактера легко понять, учитывая физиологические особенности данной бактерии. Она активно раз­множается лишь в плодородных почвах, обеспеченных органиче­ским веществом, фосфором и влагой. Дефицит увлажнения азото­бактер переносит хуже, чем другие бактерии.

Известно, что в плодородных почвах присутствует спонтанная культура Azotobacter. Как же в таком случае объяснить положительный эффект дополнительного заражения? Вероятно, это связано с неболь­шой численностью клеток азотобактера даже в плодородной почве. При бактеризации количество бактерий сильно возрастает, особен­но в ризосфере, что и создает благоприятные условия для развития корневой системы. Проявляется как стимулирующее влияние росто­вых веществ, так и подавление вредной грибной флоры, а также не­которое накопление в почве доступного растениям азота.

Препарат азотобактерин используют в основном для оранже­рейной и парниковой культуры растений. Обычно его готовят, размножая микроорганизм в стерильной почве или низовом торфе, имеющих нейтральную реакцию и высокое содержание гумуса. К поч­ве добавляют источник углерода, доступный азотобактеру. Высевае­мые семена смачивают водной суспензией препарата. У рассады можно смачивать суспензией корневую систему. Препарат азотобак­тера нестабилен и годен для использования ограниченное время.