Экологическая безопасность применения бактериальных препаратов как факторов повышения продуктивности агроценозов

г. Пенза, РГУИТиП

Внедрение в практику зернопроизводства высокоурожайных и особенно высокобелковых сортов растений требует создания в прикорневой зоне достаточно высоких концентраций легкодоступного азота, так как темпы побегообразования, листообразования и линейного роста в значительной степени зависят от уровня минерального питания и находятся в тесной связи с процессом формирования урожая.

Данное требование обуславливается двухкомпонентной системой питания растительного организма: воздушное питание обеспечивается в результате ассимиляции О₂ , минеральное – путем обеспечения доступными формами азота.

Решение проблемы за счет широкого использования минеральных удобрений не может быть не связанным с глобальными нарушениями процессов круговорота основных биогенных элементов искусственных агроценозов. Рост производства минеральных удобрений увеличивает опасность загрязнения окружающей среды промежуточными продуктами трансформации минерального азота. Кроме того, энергозатраты на применение минеральных удобрений повышаются значительно быстрее по сравнению с ростом урожайности, поэтому внесение их в почву не всегда экономически выгодно.

Одним из возможных путей снижения расходования азотных удобрений, а также повышения коэффициента их использования является применение микробиологических препаратов, способствующих сохранению природных экологических систем и реализации потенциальной продуктивности растений за счет адаптивных свойств [Кожемяков А.П., Тихонович И.А., 1998].

Увеличение использования фиксированного диазотрофными бактериями биологического азота имеет особое значение для устранения дефицита азота в питании растений. Данный фактор способствует эффективному использованию земельных ресурсов, получению экологически и экономически обусловленного количества и качества растениеводческой продукции, а также устойчивости агроландшафта и сохранению почвенного плодородия [Завалин А.А., Ягодина М.С., 2001].

Изучение биологической азотфиксации позволяет перейти к активному регулированию этого процесса в естественных и искусственных экосистемах. Поэтому весьма актуальными является познание основных закономерностей интенсификации процессов биологической азотфиксации в агроценозах.

Практика изучения взаимодействия ассоциативных штаммов азотфиксаторов с растительными организмами позволяет выделить два основных способа усиления данного процесса в агроэкосистемах – активизация деятельности естественной почвенной популяции диазотрофов и инокуляция семян активными штаммами азотфиксирующих бактерий, заселяющих ризосферу.

Согласно современным представлениям, в основе массопереноса и энергообмена по цепям питания в экосистемах лежат консорции.

В системе «почва – микроорганизмы – растения» основой физиолого-биохимического воздействия являются консортивные взаимодействия, а центральным фактором ризосферного эффекта служит метаболическая активность корне. За счет этой активности обитающие в прикорневой зоне микроорганизмы получают доступные источники питания (моносахара, органические кислоты, аминокислоты, белки, вещества фенольной природы, антибиотики, липиды и ряд других) [Звягинцев Д.Г. и др., 1993]. Этот энергетический субстрат легкодоступен для почвенных организмов и может поддерживать ассоциативную азотфиксацию на высоком уровне.

Взаимоотношения растительного организма и бактериальной клетки обуславливаются усилением азотфиксации в основные периоды роста в онтогенезе растений, а также возрастающей поглотительной способностью растущей корневой системы. Эти процессы приводят к быстрому оттоку азотсодержащих метаболитов бактериальных клеток, что, в свою очередь, активизирует деятельность нитрогеназы [Умаров М.М., 1984; Дегтярева И.А., Чернов И.А. 2001].

Рассматриваемый биогеоценоз имеет свою особую специфику взаимодействий слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой. Корни растений при дыхании активно поглощают кислород. Поскольку диффузия газов в почве затруднена, в непосредственной близости от корня создается градиент концентрации О₂. Показано, что бактерии обладают способностью двигаться в сторону его оптимальной концентрации, которая возникает в непосредственной близости от корня в слое муцигеля [Глаголева А.Н., 1983]. В связи с вышеизложенным механизм движения бактерий к корню растений является основанным на явлениях хемотаксиса и аэротаксиса.

Следующим этапом после того, как бактериальные клетки достигают корня, является размножение на его поверхности, в ризоплане. Для размножения микробиота в ризосфере и доминирования важны бактериальные факторы подавления других микроорганизмов, устойчивость к антагонистам, которые выделяет растение-хозяин. На корнях небобовых растений многие ассоциативне бактерии размножаются до 10⁶-10⁸ кл/г корня [Мишустин Е.Н., Емцев В.Т., 1974].

Для общей характеристики системы «растение – микроорганизм» большое значение имеет взаимодействие между метаболическими процессами растения и микроорганизма. Важнейшей составной частью этих регуляторных взаимодействий являются продукты вторичного метаболизма бактерий (аминокислоты, витамины, антибиотики, гормоны). Попадая в растение через корневую систему, эти вещества влияют, как на основной, так и на вторичный метаболизм растительного организма, изменяя его хозяйственно ценные свойства [Tien et al., 1986; Умаров М.М., 1984; Шабаев В.П., 2004].

Данные многолетнего изучения уровня ассоциативной азотфиксации в ризосфере различных зерновых культур в условиях лесостепной зоны представлены в работах Шотта П.Р. [2002, 2007]. Исследования показали высокую вариабельность данного показателя, обусловленную видом растений. В среднем по уровню азотфиксации в ризосфере зерновые культуры можно расположить в следующий ряд: просо > овес > пшеница мягкая > пшеница твердая > ячмень. Поэтому основными путями повышения интенсивности несимбиотической азотфиксации в ризосфере сельскохозяйственных культур являются оптимизация факторов среды и подбор наиболее удачных комбинаций штаммов бактерий с видами и сортами растений [Патыка В.Ф., 1991].

В течение нескольких лет изучалось взаимодействие природных отселектированных штаммов «дружественных» зерновым хлебам бактерий вида Agrobacterium radiobacter и Flavobacterium sp.с двурядным яровым ячменем (сорт Нутанс 642) с целью определения влияния несимбиотической азотфиксации на содержание в растении элементов минерального питания и на урожайность данной культуры.

Рядом исследователей были установлены оптимальные уровни-параметры содержания макро- и микроэлементов в растениях сельскохозяйственных культур при высокой коррелятивной зависимости между урожаем и количеством элемента в определенной фазе [Церлинг В.В., 1971].

В результате проведенных исследований было установлено, что на фоне естественного плодородия, на темно-серой лесной почве растения ячменя на контроле в период кущение-выход в трубку содержали 2,72-3,20 % общего азота от абсолютно сухого веса, что соответствовало низкому уровню-параметру (таблица 1).

Таблица 1. Изменение содержания азота, фосфора и калия в растениях ячменя под влиянием бактериальных препаратов, %

Вариант	Фаза вегетации
	кущение	выход в трубку	колошение	молочная спелость
Азот
Контроль (обработка семян водой)	3,20	2,72	1,86	1,12
Ризоагрин	3,33	2,95	2,22	1,27
Флавобактерин	3,29	2,91	2,19	1,25
Фосфор
Контроль (обработка семян водой)	0,40	0,47	0,35	0,23
Ризоагрин	0,44	0,54	0,38	0,33
Флавобактерин	0,42	0,53	0,39	0,32
Калий
Контроль (обработка семян водой)	3,68	3,10	2,05	1,15
Ризоагрин	3,79	3,39	2,68	1,49
Флавобактерин	3,71	3,30	2,60	1,43

При инокуляции семян бактериальными препаратами в начале вегетации содержание основных элементов минерального питания практически соответствовало контрольным значениям. При этом фиксированный в процессе ассоциативной азотфиксации азот в начале онтогенеза растений накапливается в ризосфере и включается в растения в более поздние фазы роста [Шабаев В.П., 2004]. По мере формирования диазотрофного ризоценоза и возрастании активности микроорганизмов содержание азота в растениях увеличивалось в 1,18-1,19 раза.

Интенсификация ростовых процессов растений, вызванная увеличением содержания азота, обусловила активное поглощение минеральных веществ из почвы, о чем свидетельствует повышение содержания фосфора и калия в 1,09-1,11 и 1,27-1,31 раза соответственно.

Повышение содержания основных элементов минерального питания способствует достижению оптимального уровня обеспеченности растения данными элементами, что отражается на процессах роста и развития и имеет большое значение для формирования урожая.

На контроле без внешних воздействий на темно-серой лесной почве при естественном плодородии в среднем за годы исследований урожайность находилась в пределах 1,98-2,60 т/га зерна ячменя по годам исследований (рисунок 1).

Бактериальные препараты обеспечивали стабильную прибавку урожая в течение всех лет исследований. В 2005-2006 гг. урожайность возрастала на 6,5-8,4%. В 2005 г. фаза колошения приходилась на период недостаточного увлажнения (ГТК – 0,5), а в 2006 г в период выход в трубку-колошение наблюдалась засуха (ГТК – 0,3), что, очевидно, сказалось на интенсивности роста популяции диазотрофов. В 2007 году, при достаточным увлажнением второй половины вегетации, когда были созданы условия для активной деятельности диазотрофного ризоценоза, контрольные данные были превышены на 10,1-15,7%.

Рис. 1. Урожайность ячменя при инокуляции семян бактериальными препаратами по годам, т/га
Статистически достоверные различия по изучаемому показателю между опытными вариантами были отмечены только в 2007 году, т.е. воздействие как ризоагрина, так и флавобактерина на продуктивность растений ячменя было практически равным.

В среднем за три года в контрольном варианте при естественном плодородии урожайность ячменя составила 2,36 т/га. Использование бактериальных препаратов привело к увеличению урожайности на 8,1-10,2%, и прибавка к контролю составила 0,19-0,24 т/га.

Содержание белка в зерне ячменя при инокуляции семян бактериальными препаратами увеличивалось на 0,05-0,45%, количество азота возрастало в 1,07 раза, фосфора – в 1,07-1,1 раза, калия – в 1,06-1,11 раза (таблица 26).

Таблица 2. Содержание белка и элементов минерального питания в зерне ячменя при инокуляции семян бактериальными препаратами

Изучаемые приемы предпосевной обработки семян обеспечивают высокую энергетическую и экономическую эффективность. Энергетический коэффициент при использовании ризоагрина и флавобактерина составил 2,24 и 2,19 соответственно. Дополнительный условный чистый доход с 1 га составил 606,3 рубля для ризоагрина (себестоимость 1 т зерна ниже, чем на контроле, на 171,8 рубля) и 474,9 рубля для флавобактерина (себестоимость 1 т зерна ниже, чем на контроле на 144,9 рубля).

Таким образом, в ходе проведенных исследований было установлено, что инокуляция бактериальными препаратами оказывает положительное влияние на урожайность в большей степени в годы с достаточной влагообеспеченностью в период активной деятельности ассоциативных азотфиксаторов. Активность корневых диазотрофов в ризосфере ячменя увеличивает содержание основных элементов минерального питания в зеленой массе и зерне.

Разработанные ресурсосберегающие приемы технологии возделывания зерновых культур обеспечивают экологизацию растениеводства, экономию материально-технических средств и получение высококачественной продукции.

1. 
   Глаголева, А.Н. Таксис у бактерий / А.Н. Глаголева // Успехи микробиологии. – 1983. – Вып. 18. – С. 163-192.
   
2. 
   Дегтярева, И.А. Роль ассоциативной азотфиксации в повышении продуктивности небобовых культур, биологической активности почв и их плодородия / И.А. Дегтярева, И.А. Чернов // Актуальные проблемы инноваций с нетрадиционными растительными ресурсами и создания функциональных продуктов. – М., 2001. – С. 183-186.
   
3. 
   Завалин, А.А. Исследования по биологической фиксации азота в земледелии / А.А. Завалин, М.С. Ягодина // История развития агрохимических исследований в ВИУА. – М., 2001. – С. 116-124.
   
4. 
   Звягинцев, Д.Г. Растения как центры формирования бактериальных сообществ / Д.Г. Звягинцев, Т.Г. Добровольская, Л.В. Лысак // Ж. общ. биол. – 1993. – Т. 54. – Т 3. – С. 183-200.
   
5. 
   Карпова, Г.А. Эффективность использования регуляторов роста и бактериальных препаратов на яровой пшенице / Г.А. Карпова, Е.Н. Зюзина // Зерновое хозяйство. – 2009. – № 5. – С. 16–17.
   
6. 
   Кожемяков, А.П. Перспективы применения биопрепаратов комплексного действия в сельском хозяйстве / А.П. Кожемяков, А.В. Хотянович // Бюллетень ВИУА. – 1997. – № 110. – С. 4-5.
   
7. 
   Мишустин, Е.Н. Почвенные азотфиксирующие бактерии рода Clostridium / Е.Н. Мишустин, В.Т. Емцев. – М.: Наука, 1974.
   
8. 
   Патыка, В.Ф. Роль азотфиксирующих микроорганизмов в повышении продуктивности с.-х. культур: дис. … д-ра биол. наук / В.Ф. Патыка. – Л., 1991. – 426 с.
   
9. 
   Умаров, М.М. Ассоциативная азотфиксация биогеоценозах / М.М. Умаров // Почвенные микроорганизмы как компоненты биогеоценоза. – М.- 1984. – С. 185-198.
   
10. 
    Церлинг, В.В. Растительная диагностика питания растений и биологическое качество урожая / В.В. Церлинг // Агрохимия. – 1971. – № 3.
    
11. 
    Шабаев, В.П. Роль биологического азота в системе «почва – растения» при внесении ризосферных микроорганизмов: автореферат дис. … доктора биол. наук / В.П. Шабаев. – М.: МГУ, 2004. – 46 с.
    
12. 
    Шотт, П.Р. Биологическая фиксация азота в однолетних агроценозах лесостепной зоны Западной Сибири: автореферат дисс. … док. с-х. наук / П.Р. Шотт. – Барнаул, 2007.
    
13. 
    Шотт, П.Р. Применение биопрепаратов азотфиксирующих бактерий на зерновых и зернобобовых культурах / П.Р. Шотт, П.А. Литвинцев, Т.А. Литвинцева // Гуминовые удобрения и стимуляторы роста в сельском хозяйстве. – Бийск, 2002. – С. 191-196.