Зростання чисельності населення нашої планети та зменшення орних земель вимагає подвійного збільшення ефективності поточного сільськогосподарського виробництва. Це автоматично генерує попит на хімічні добрива, проте ефективність їх масового застосування істотно знижується. Вчені і агровиробники постійно намагаються розробити нові, більш ефективні формуляції синтетичних добрив, змінюють технології їх внесення для оптимізації засвоєння рослинами. Однак це не вирішує дві основні проблеми, що виникають при використанні хімічних добрив: негативний вплив на навколишнє середовище і використання невідновлюваних природних ресурсів.
У цих умовах популярності набуває концепція збільшення врожайності сільськогосподарських культур за рахунок застосування мікроорганізмів з метою підвищення доступності ключових поживних речовин, яка отримала назву біологічні добрива. Розглянемо більш детально деякі з них.
Азот є найважливішим біогенним елементом для росту рослин. Щорічно близько 42 млн. Т азотних добрив застосовуються в глобальному масштабі для вирощування трьох основних культур зернових: пшениці, рису і кукурудзи. Щорічно, в промисловості отримують 8 × 1010 кг NH3. Азотні добрива призводять до забруднення води нітратами, закислення грунтів і викиду парникових газів, що викликають глобальне потепління. Проведені в 2013 році в США дослідження показали, що 74% загального обсягу викидів закису азоту (N2O), що утворюється в результаті денітрифікації азотних добрив, припадає на сільськогосподарські угіддя.
Використання феномена біологічної фіксації азоту атмосфери є одним з найбільш ефективних шляхів забезпечення рослин цим елементом. За рік близько 2,5 × 1011 кг NH3 фіксуються біологічним шляхом. Наприклад, в США кількість азоту, що надходить в грунт, така (млн. Т / рік):
За рахунок біологічної фіксації:
Азот, фіксований біологічним шляхом, менш схильний до вилуговування, сублімації і денітрифікації, оскільки ця речовина використовується на місці. Тому азотфіксація вважається важливим біологічним процесом, який вносить свій внесок в сталий розвиток сільського господарства.
Найвідомішим прикладом таких біодобрив є інокулянти для бобових на основі ризобій, які фіксують атмосферний азот в бульбах бобових культур. Незважаючи на їх таксономічне різноманіття, все ризобії встановлюють симбіотичні взаємодії з рослинами-господарями за допомогою високо консервативних механізмів, які є досить вивченими. На сьогодні бобові культури вирощуються на площі понад 250 млн га в усьому світі і фіксують близько 90 млн т атмосферного азоту в рік.
У 80-90-ті роки минулого століття багато ризобіальних продукти мали низьку ефективність, проте, за останнє десятиліття стандарти якості та ефективності цих продуктів значно покращилися. Поліпшення рецептури продукту привели до підвищеної стабільності препаратів. Використання інокулянтів для сої забезпечує віддачу від інвестицій в співвідношенні 1: 6. Бразилія, наприклад, завдяки біологічної фіксації азоту тільки на бобових культурах, економить приблизно 7 млрд $ в рік.
Крім ризобій, які формують симбіоз в бобовими, існує безліч видів асоціативних і вільноживучих азотфіксуючих бактерій, які ефективні на інших важливих сільськогосподарських культурах.
Інокулянти, що містять Azospirillum були випробувані в польових умовах Аргентини, і продемонстрували позитивні результати по збільшенню продуктивності різних рослин. У Бразилії препарати на основі A. brasilense показали високу ефективність на кукурудзі і пшениці. Україна так само може похвалитися хорошими результатами застосування своїх інокулянтів для зернових і технічних культур. Ці препарати розроблені українським виробником спеціально для нашого клімату і грунтів.
Крім фіксації азоту, небобові азотфиксирующие бактерії також проявляють інші корисні для рослин властивості, такі як стимуляція росту рослин, посилення їх толерантності до абіотичних стресів і рекультивація грунтів, забруднених важкими металами.
Після азоту, фосфор є другим найбільш важливим біогенним компонентом в рослинництві. Однак, як правило, найменш мобільним і знаходиться в щодо недоступною формі для поглинання рослиною. Очікується, що світові поставки фосфоритів, будуть в значній мірі знижуватися в найближчі кілька десятиліть. Крім того, рослини використовують тільки невелику кількість фосфору з хімічних джерел, адже 70-90% внесеного фосфору пов’язується в метал-катіонні комплекси і швидко накопичується в грунтах.
Цікаво, що загальний обсяг фосфору в ґрунтах досить високий (400-1200 мг / кг), однак, як правило, знаходиться в недоступних рослинам формі. Нерозчинні сполуки фосфору присутні в вигляді або неорганічного мінералу, таких як апатити, або в декількох органічних формах, таких як інозітфосфат (почвеннийфітат), фосфомоноефіри і фосфотріефіри і можуть становити від 20 до 80% загального змісту даного елемента.
Як забезпечити найбільш ефективне використання обмежених запасів фосфорних добрив і уникнути в майбутньому нестачі? Для цього використовують фосфатмобілізуючих мікроорганізми.
Мікроорганізми грунту, які вивільняють фосфат з органічних і неорганічних джерел, дозволяють істотно скоротити використання фосфорних добрив. Підвищення врожайності в результаті застосування фосфатмобілізуючих організмів було відзначено при застосуванні бактерій Bacillus і грибкових таксонів Penicillium. У Канаді середній приріст врожайності пшениці після застосування фосфатмобілізаторов становить ~ 6%. У деяких регіонах зафіксовано приріст врожайності в 66%, хоча багато сільгоспвиробників отримали незначну прибавку – близько 2-3%. Ці результати переконливо свідчать про значний вплив фосфатмобілізуючих мікроорганізмів на врожайність сільськогосподарських культур.
Інший групою фосфатмобілізуючих мікроорганізмів є ендомікорізние гриби, здатні сформувати мережу гіф, яка, взаємодіючи з корінням рослин, покращує транспорт поживних речовин і захищаючи рослини від збудників хвороб і деяких абіотичних стресів. Серед ендомікорізних грибів найбільш широко використовують в сільському господарстві гломероміцети, найбільш ефективно трансформують фосфор.
Препарати на основі фосфатмобілізуючих мікроорганізмів швидко поширюються на світових ринках і темпи зростання їх виробництва матимуть позитивну тенденцію наступні кілька років.
Після азоту і фосфору калій є третім за важливістю елементом живлення рослин. Форми калію в рослинах мають специфічні особливості. Якщо азот і фосфор в рослинах містяться переважно в складі органічних сполук (найчастіше малорухомих і нерозчинних у воді), то калій знаходиться в іонній формі і не входить до складу органічних сполук клітини.
Калій – один з найпоширеніших елементів земної кори. Валове вміст калію (К2О) в грунтах відносно високий і досягає 2,5% (по масі), що в 10-15 разів перевищує запаси азоту і фосфору. Однак, незважаючи на порівняно високу валовий вміст калію в грунтах, більшість його знаходиться в нерозчинної і відповідно недоступною для рослин формі.
Між обмінним і необмінним калієм в грунті існує певна рівновага. При споживанні обмінного калію його запаси поповнюються за рахунок Необмінна. У грунтах відбувається постійний перехід однієї хімічної форми калію в іншу, включаючи як процеси його мобілізації, так і іммобілізації. Така системна організація пулу грунтового калію регулює доступність його для рослин, яка залежить від швидкості переходу недоступних форм в доступні. Якщо в калієвої системі порушена рівновага, внаслідок його інтенсивного біологічного винесення або додаткового внесення в складі мінеральних добрив, іони калію перерозподіляються так, щоб відновити вихідне динамічна рівновага. Найбільш швидко (кілька хвилин) відновлюється рівновага між водорастворимой і обмінної формами, тоді як між труднообменной і водорозчинній – тижні і навіть місяці.
Тому недолік даного елемента, як правило, компенсують мінеральними калійними добривами. З 2011 року світове виробництво калійних добрив збільшилася до 37 млн. Т, а ціна зросла до 470 $ / т і з кожним роком продовжує зростати. Така ситуація змусила агровиробників шукати альтернативні підходи до забезпечення рослин цим елементом, зокрема шляхом збільшення доступності його природних форм.
На доступність калію в системі грунт-рослина істотно впливають процеси його біологічного розчинення. Каліймобілізующіе мікроорганізми перетворюють нерозчинний калій в доступну для живлення рослин розчинну форму. До них відносяться значна кількість сапрофітних бактерій (Bacillus, Paenibacillus, Acidothiobacillus, Pseudomonas, Burkholderia) і грибкових штамів (Aspergillus і Penicillium). Крім того, було встановлено, що дані бактерії також розчиняють кремній і алюміній з нерозчинних мінералів.
Також дослідниками було виявлено, що каліймобілізующіе бактерії сприяють зростанню рослин шляхом придушення патогенних мікроорганізмів і поліпшення доступності поживних речовин. Наприклад, деякі бактерії можуть не тільки окисляти силікатні мінерали для вивільнення калію, кремнію і алюмінію, а й здатні продукувати гормони росту рослин, аміак, сідерофори, а також розчиняти і переводити в доступну для рослин форму фосфор і інші важкодоступні елементи. Ці бактерії широко застосовуються в біологічних добривах.
Інокуляція насіння і обробка розсади каліймобілізаторамі приводила до суттєвого підвищення врожайності багатьох культур: пшениці, кукурудзи, суданської трави, сорго, чилі, бавовни, томатів, сої, арахісу, рису, апельсина, чорного перцю, картоплі, чебрецю, баклажанів і кунжуту. Дані дослідження також показали, що застосування каліймобілізующіх мікроорганізмів допомагає істотно зменшити використання хімічних або органічних добрив. Однак широкомасштабне застосування каліймобілізаторов обмежена розумінням їх ефективності серед агровиробників.
Незбалансоване або надмірне використання хімічних добрив негативно впливає на навколишнє середовище, а також істотно збільшує витрати на рослинництво. На даний момент існує нагальна потреба переходу на екологічно і економічно ефективні агротехнології для збільшення продуктивності рослинництва. І в цьому ключі використання мікрооганізмов є перспективною стратегією підвищення продуктивності сільськогосподарських угідь. Такий підхід позитивно впливає на відновлення родючості деградованих і непродуктивних сільськогосподарських грунтів.
Біодобрива не нова концепція і датою комерційного застосування біопрепаратів є момент запуску бактеріального продукту для бобових культур під назвою “Nitragin”, зареєстрованого в 1896 році. В кінці 1940-х років був представлений бактеріальний продукт на основі Azotobacter під назвою “Alnit”, який підвищував продуктивність не бобових культур.
Ринок комерційних біодобрив в 2012 році оцінювався в $ 440 млн. $ І, як очікується, перевищить $ 1 млрд до 2019 року, демонструючи щорічне зростання в середньому на 13% в період між 2016 і 2019. Основними драйверами зростання є підвищений інтерес споживачів до органічних культурам, скорочення синтетичних продуктів і економічний потенціал на ринках, що розвиваються. Сподіваємося, і українські аграрії розсмакують біодобрива як ефективний і економічно вигідний спосіб живлення рослин.
Павло Маменко, кандидат біол. наук,
керівник відділу R & D Торгового Дому «Ензим-Агро»
