В даний час населення планети становить близько 7 000 000 000 чоловік, і при цьому до 2020 року очікується його стрімке збільшення до 8 000 000 000. До 2050 року населення Землі досягне 9 600 000 000, що оцінюється як максимально можливе для нашої планети. Цей приріст вимагає подвійного збільшення поточного сільськогосподарського виробництва, і це без урахування проблем з ресурсами і скорочення орних земель. Щоб нагодувати світ, нам потрібно розробити нові ефективні рішення підвищення врожайності, які максимально збільшать продуктивність при одночасній мінімізації необхідних ресурсів.
Традиційне сільське господарство залежить від масштабного використання хімічних добрив, оскільки вони забезпечують рослини основними поживними речовинами, такими як азот, фосфор і калій. При цьому промисловий процес перетворення газоподібного азоту в аміак – дорогий і вкрай неефективний. Тільки вдумайтеся: для вищеописаного процесу використовується близько 2% від річного загального обсягу виробленої енергії в світі. Крім того, від 60% до 90% від загальної кількості внесених добрив «губиться» і тільки 10% -40% поглинається рослинами. І хоча хімічні добрива, які промислово виготовляють, мають відоме вміст азоту, фосфору і калію, їх використання призводить до забруднення грунту, води і повітря.
Крім того, глобальне виробництво продуктів харчування, досягнуте в останнє десятиліття, призвело до значного використання синтетичних пестицидів для боротьби з шкідниками культурних рослин. При цьому, надмірна хімізація створює власні проблеми, такі як стійкість шкідників до хімічних ЗЗР і виникнення загальної екологічної проблеми. На цьому тлі, сильний тиск з боку споживачів призвело до вилучення багатьох синтетичних пестицидів, зниження максимального рівня їх залишкової кількості в продуктах і середовищі, істотно збільшило витрати на їх розробку і реєстрацію.
Тому, найближчі 20 років світова тенденція розвитку сільського господарства буде спрямована на суттєве підвищення продуктивності культурних рослин, причому використовуючи екологічно безпечні технології, які не тільки забезпечать безпеку харчових продуктів, а й поліпшать біорізноманіття грунту.
Пошук альтернативних рішень для сільського господарства спонукав дослідників поглянути по-новому на сферу агрономічно корисних мікроорганізмів, що стало двигуном до швидкого зростання виробництва біодобрив, біопестіцідов і препаратів на основі рістрегулюючих мікроорганізмів. Мікроорганізми або бінарні інокулянти на основі бактерій і арбускулярно-мікоризних грибів (AMГ) підвищують ефективність використання добрив. Синергічна взаємодія бактерій і АМГ дозволяє підвищити ступінь засвоєння фосфору до 70%. Аналогічна тенденція спостерігається і при поглинанні азоту, адже використання інокулянтів дозволяє зменшити використання азотних добрив на 30% без зниження продуктивності рослин. Майбутній сталий розвиток сільського господарства, на думку багатьох вчених, буде залежати від використання генетично сконструйованих рослин і рістрегулюючих ризобактерій – PGPR (Plant-Grows Promotion Rhizobacteria).
Ці бактерії, в цілому, являють різні природні мікроорганізми, інокуляція якими грунтової екосистеми підвищує фізико-хімічні властивості грунту, збільшує її біологічне різноманіття, активізує ріст, розвиток і врожайність сільськогосподарських культур. Агрономічно корисні мікробні популяції включають бактерії, що сприяють розвитку рослин, азотфіксуючі ціанобактерії, мікоризні гриби, корисні бактерії, що пригнічують хвороби рослин, ендофіти, що підвищують стійкість до стресів і мікроорганізми-біодеструктори.
Якщо провести аналогію, то останнім часом ми часто чуємо про використання таких мікроорганізмів як пробіотики, в медицині. Людський мікробіом включаючи бактерії, гриби і археї. Серед них ті, що не викликають захворювання у людей, є вкрай корисними для здоров’я людини. Дієтологи і лікарі рекомендують вживати йогурт як природний спосіб відновлення мікрофлори кишечника і зміцнення імунітету.
Дане твердження справедливо і для рослинного мікробіома, адже взаємодія між його складовими визначає здоров’я культурних рослин в природному агроекосистемі. Багато вчених вважають, що якщо з грунту виділити корисні мікроорганізми, їх розмножити і надалі повернути безпосередньо в грунт або через інокуляцію посівного матеріалу – це стане новою революцією в сільському господарстві. Такі мікроорганізми допоможуть прискорити зростання рослин, підвищити їх стійкість до посухи, хвороб і шкідників, підвищити продуктивність і знизити залежність сільгоспвиробників від використання добрив і пестицидів.
Розуміння важливості мікроорганізмів для розвитку рослин не є новим. Більше 120 років тому було відкрито, що бульби на коренях бобових рослин, які формуються за участю бактерій роду Rhizobiaceae, допомагають перетворювати азот атмосфери в доступніші для рослин форми даного елемента. Історичні дослідження показали, що дане відкриття допомогло розробити систему сівозмін, що допомогло істотно підвищити і зберегти родючість грунтів протягом сотень років.
Ризосфера, яка є вузькою зоною грунту навколо коренів рослин, може містити до 1011 мікробних клітин на грам ґрунту і більше 30000 таксономічних груп, що включають бактерії, гриби, актиноміцети, найпростіших і водорості, які в цілому, забезпечують високу продуктивність рослин. Кількість і тип мікроорганізмів в різних грунтах відрізняються і знаходяться під впливом грунтових умов, таких як температура, вологість, наявність солей і інших хімічних речовин, а також від кількості та типу рослин, які ростуть на даних грунтах. В екологічно навантажених грунтах вміст бактерій може падати нижче 104 клітин на грам ґрунту.
Ризобактерії, що сприяють росту рослин, є ґрунтовими бактеріями, які заселяють прикореневу зону і прямо або побічно беруть участь в ефективному контролі зростання і розвитку рослин. Вони стимулюють ріст рослин за рахунок фіксації і мобілізації поживних речовин в грунті, синтезуючи численні регулятори росту рослин, генеруючи захист рослин від фітопатогенів шляхом їх регулювання або пригнічення, покращують структуру грунту і проводять її Біоремедіація, шляхом секвестрації токсичних важких металів і знижуючи вміст ксенобіотиків (наприклад , пестицидів). Крім того, бактерії, як правило, не рівномірно розподілені в грунті. Концентрація бактерій, яка знаходиться в ризосфері коренів рослин, як правило, значно вище, ніж в решті грунті. Це відбувається через наявність, що виділяються корінням рослин поживних речовин – ексудатів, які містять цукру, амінокислоти, органічні кислоти та інші невеликі молекули. Як наслідок, бактерії, що заселили прикореневу зону рослин (ризобактерій), є більш ефективними в перетворенні, мобілізації поживних речовин в порівнянні з тими, які вносяться безпосередньо в грунт. Таким чином, ризобактерій домінують в рециркуляції поживних речовин в грунті і, отже, визначають їх родючість.
PGPR за механізмами взаємодії з країнами можуть бути розділені на позаклітинні (ePGPR) – вільноіснуючі розвиваються в ризосфері і асоціативно розвиваються на різоплане, а також внутрішньоклітинні (iPGPR) – формують специфічні симбіотичні взаємини з рослинами і Ендофіти, здатні колонізувати внутрішні тканини рослин. iPGPB є більш ефективними для виробництва інокулянтів.
Останнім часом значна увага університетських дослідників і великих агрохімічних компаній залучено до PGP бактеріям, що володіє новими властивостями, такими як детоксикація важких металів, деградація пестицидів, толерантність до засолення, а також оптимізація росту рослин, завдяки синтезу фітогормонів, сідерофори, АЦК-дезамінази, ціаніду водню (HCN) і т.д. Деякі сподіваються на генетичну інженерію рослин з генами мікроорганізмів, або на селекцію рослин, які краще б взаємодіяли з корисними грунтовими мікроорганізмами і, таким чином, змінювали б склад мікробних спільнот для стимуляції розвитку рослин. І хоча ідея інженерії рослин з бактеріальними компонентами виглядає спекулятивно, однак перша зелена революція, яка почалася в 1950-х роках, практично подвоїла врожаї.
Аналітики кажуть, що якщо дослідники продовжать вивчення ролі мікроорганізмів в розвитку рослин, це може прискорити отримання позитивних результатів і привести до нового прориву в сільському господарстві. Вони також вважають, що саме цей факт спонукав агропромислових гігантів вкладати значні кошти в мікробіологічні дослідження і рухатися із загрозливою швидкістю. Уже зараз стартапи і відомі компанії борються за ринок мікробних коктейлів і біопрепаратів, щоб розвинути цей напрямок. На даний момент Bayer CropScience, Monsanto, Syngenta, BASF, Arysta LifeScience переорієнтують свої дослідження на залучення агрономічно корисної мікрофлори. Чотири роки тому Bayer CropScience заплатив 425 000 000 доларів компанії AgraQuest з Каліфорнії для позиціонування своїх дослідницьких зусиль саме в цьому напрямку. DuPont придбала в минулому році Taxon Biosciences Inc., в той час як Monsanto придбала три роки тому ключові активи компаній Agradis і Synthetic Genomics. Всі чотири стартапи отримали дивовижні результати в мікробіологічних дослідженнях.
Приємно усвідомлювати, що в рішенні даного питання Україна знаходитися серед світових лідерів. Серед вітчизняних виробників хочеться відзначити ДП «Ензим» – єдине велике підприємство, сертифіковане за міжнародною системою менеджменту якості ISO 9001. Продукція цього підприємства відповідає вимогам Європейського Союзу і підтверджена «Organic Standard», як придатна для органічного землеробства.
Незважаючи на обмежене розуміння PGPB-рослинних взаємодій, на сьогодні вже зареєстровано понад 149 мікробних препаратів, які ефективно використовуються в комерційних цілях. Ринок біодобрив і біопестіцідов в 2012 році оцінювався в більш ніж 1 000 000 000 доларів США і, як очікується, перевищить 7 000 000 000 доларів до 2019 року, демонструючи дворазове темпи річного зростання в період між 2013 і 2019. Основними драйверами зростання є підвищений інтерес споживачів до органічних культур, скорочення синтетичних продуктів і економічний потенціал на ринках країн, що розвиваються, таких як Китай.
Незважаючи на переваги і потенціал мікробних препаратів в підвищенні продуктивності сільськогосподарських культур, поруч вчених було відзначено, що “наукова література рясніє багатьма потенційно дуже корисними штамами, проте на їх основі так і не створено комерційних біопрепаратів”. За 30-річний період, за оцінками експертів, 72% біопрепаратів так і не стали комерційними продуктами.
Будь-яка успішна стратегія, спрямована на підвищення врожайності сільськогосподарських культур з використанням мікробних препаратів, в кінцевому рахунку, залежить від ефективності її впровадження на полях з різними грунтово-кліматичними умовами. Незважаючи на значні досягнення в дослідженнях ефективності застосування корисних мікроорганізмів, велика їх частина зроблена тільки в контрольованих умовах. Мікроорганізми, які проявляють свою ефективність в лабораторних умовах, на жаль, не завжди підтверджують свою ефективність в поле, а для кінцевих споживачів головне, щоб характеристики заявлені в описі продукту відповідали їх дії в реальних умовах, а не базувалися лише на лабораторних дослідженнях. Тому технології їх широкомасштабного застосування та ефективна інтеграція біопрепаратів в комплексні системи захисту рослин можливі тільки в разі проведення регулярних польових випробувань в тих умовах, в яких ці препарати будуть використовуватися. А це, на жаль, зазвичай можуть робити тільки місцеві виробники.
На жаль, впровадження в останні роки генетично модифікованих культур викликало негативну реакцію багатьох споживачів і захисників навколишнього середовища, незважаючи на науковий доказ ефективності нових продуктів і їх біобезпеки. Тому, поглиблення в ще одну біотехнологічну область аграрної науки може тільки підлити масла в вогонь і викликати масу заперечень з боку суспільства.
Дорога до сприйняття нової концепції ведення сільського господарства може бути досить тернистою, але перспективи, вимальовуються досить істотними і важливими. І навіть якщо тільки частина очікуваних вигод реалізується протягом тривалого часу – застосування мікроорганізмів в сільському господарстві стане гігантським кроком в реалізації програми ефективного і безпечного ведення сільського господарства. І ці ризики є абсолютно виправданими.
Павло Маменко, кандидат біол. наук,
керівник відділу R & D Торгового Дому «Ензим-Агро»
