Тема 8 Бактеріальні добрива

1. Явище діазотрофності та його використання для посилення азотного живлення сільськогосподарських рослин.

2. Технологія отримання азотних біодобрив.

3. Постачання рослин фосфатами.

1. Явище діазотрофності та його використання для посилення азотного живлення сільськогосподарських рослин

Мікроорганізми відіграють велику роль у підвищенні родючості ґрунту, так як в процесі росту і розвитку покращують її структуру, збагачують поживними речовинами, сприяють більш повному використанню добрив. Інтенсивне рослинництво збіднює ґрунт азотом, тому що значна його частка щорічно виноситься з ґрунту разом з урожаєм. З давніх часів для відновлення і поліпшення ґрунтів існує практика використання бобових рослин, здатних в симбіозі з азотфіксуючими мікроорганізмами поповнювати ґрунтові запаси азоту в результаті діазотрофії (засвоєння атмосферного азоту).

Вперше наявність бактерій в бульбах на коренях бобових рослин описали Лахман в 1858 і Воронін в 1866 р Чиста культура азофіксаторов була отримана Бейеринком в 1888 р Незабаром були виділені і описані інші азотфіксуючі мікроорганізми; Виноградський в 1893р вперше виділив анаеробну спороутворюючу бактерію, фіксуючу молекулярний азот, назвавши її на честь великого Л. Пастера Clostridium pasteurianum; в 1901 р Бейерінк відкрив другу вільноживучу азотфіксуючу бактерію Azotobacter. Висока продуктивність азотфіксації у Azotobacter стала використовуватися для інтродуції цих бактерій у ґрунт з метою поповнення запасів азоту. Практичне застосування знайшли також симбіотичні бактерії роду Rhizobium, що розвиваються в клубеньках бобових рослин. Як тільки була з'ясована роль симбіотичних бактерій роду Rhizobium в азотфіксації, стали розробляти способи внесення цих мікроорганізмів у ґрунт і також для інокуляції насіння. Витрати на застосування цих способів невеликі, техніка застосування досить проста, а ефект від їх застосування значний. Культивування бобових, позитивно впливаючи на азотний баланс ґрунтів, також полегшує боротьбу з ерозією і допомагає відновлювати виснажені землі.

2. Технологія отримання азотних біодобрив

Найбільш простий спосіб інокуляції заснований на використанні ґрунту після вирощування на ній бобових рослин. Цей метод розроблений в кінці XIX століття і застосовується до теперішнього часу. Недолік методу - необхідність переміщення досить великих обсягів ґрунту (100-1000 кг / га), а також можливість поширення хвороб. Більш ефективним виявилося застосування для інокуляції насіння спеціальних препаратів азотфіксуючих бактерій.

Бульбочкові бактерії роду Rhizobium, розвиваючись в кореневій системі бобових рослин, в симбіозі з ними фіксують атмосферний азот, забезпечуючи цим азотне живлення рослин. Згідно сучасним уявленням азотфіксація є відновлювальним процесом перетворення газоподібного азоту в аміак, який надалі асимілюється рослинами з утворенням амінокислот. Азотфіксуючі мікроорганізми володіють специфічним ферментом нітрогеназой, в активному центрі якої відбувається активування інертної молекули N2 і відновлення до NH3:

N2 + 8 H ⁺ + 8 e- + n АTФ → 2 NH3 + H2 + n АДФ + n Ф.

Бульбочкові бактерії специфічні по відношенню до рослини-господаря. Ця особливість азотфіксаторів покладена в основу їх класифікації всередині роду Rhizobium. Так, для бактерій Rh. leguminosarum рослиною-господарем є горох, вика, кормові боби, чина, сочевиця; для Rh. phaseoli - квасоля; Rh. japonicum - соя; Rh. trifolii - конюшина; Rh. vigna - вигна, маїс, арахіс та ін. Процес азотфіксації відбувається тільки в бульбах на коренях бобових рослин, які утворюються в результаті проникнення бактерій через кореневі волоски в корінь.

Взаємовідносини бактерій з рослинами залежить від комплексу умов, включаючи фізіологічний стан та умови росту рослин, а також фізіологічну активність і вірулентність бактерій. Під вірулентністю розуміють здатність бактерій проникати всередину кореня рослин і викликати утворення бульби. Істотний вплив на процес утворення бульбочок і ефективність подальшого процесу азотфіксації мають температура і вологість ґрунту, наявність в ній необхідних для розвитку бактерій і рослин біогенних елементів.

Перша комерційний різновид культури для інокуляції насіння (товарне назва «Nitragin») був запатентован у Великобританії Ноббі і Хілтнером в 1896 р. Для різних бобових в той час випускали 17 варіантів культури. У 20-і роки минулого століття випускалося багато різновидів інокулятів, серед них були чисті культури азотфіксуючих мікроорганізмів, суміші бактерій з піском або торфом, а також культури, вирощені на агарі або в рідкому середовищі.

Бактерії вирощували на щільних середовищах, далі зіскоблювали з поверхні щільного середовища і суспендованих в молоці. Суспензію бактерій виливали на купу насіння, перемішували і далі насіння висушували в тіні. Потім насіння висівали. Даний метод придатний для інокуляції порівняно невеликих обсягів насіння і застосовувався в багатьох країнах з кінця тридцятих до початку сімдесятих років. Потім зі скороченням площ, що засіваються люцерною в ряді європейських країн обсяги використання методу скоротилися. Крім цього, такі препарати азотфіксуючих бактерій швидко гинуть, тобто не можуть використовуватися протягом тривалого часу. Цього недоліку позбавлені препарати інокулятів на торф'яній основі. Бактерії вирощують звичайним способом в глибинній культурі в стерильних умовах до досягнення досить високої щільності культури (10⁸-10⁹ клітин / мл); в якості основи середовища використовують дріжджовий екстракт або манітол. Далі просушений (залишкова вологість близько 10%), подрібнений (200 меш) торф доводять до рН 6.5-7.0, додаючи CaCO₃, і змішують з рідкою культурою (40% по масі). Препарат бактерій на торф'яній основі протягом декількох діб дозріває. Потім його знову перемішують і фасують у поліетиленові мішечки, які герметизують. При зберіганні препарату в умовах зниженої температури життєздатність інокуляту зберігається досить довго, до 90 тижнів. За сприятливих умов культуру можна зберігати протягом року.

В якості носія для бактерій були випробувані різні композиції: суміші торфу з ґрунтом, добавки люцерни та соломи, перегнилі тирса, бентоніт і активоване вугілля. В даний час для підтримки життєздатності симбіотичних азотфіксуючих бактерій використовують різноманітні носії, але кращим вважається торф. Сухі препарати азотфіксаторів, приготовані на основі бульбочкових бактерій роду Rhizobium і призначені для підвищення врожайності бобових рослин (гороху, квасолі, сої, конюшини, люцерни, люпину та ін.) В даний час випускаються під товарним назвою «Нітрагін». Крім ґрунтового нітрагіну, випускають також сухий нітрагін - препарат бактерій з вмістом в 1 г не менше 9 млрд. життєздатних клітин, в якості наповнювача використовують крейду, каолін, бентоніт. Препарати сухого нітрагіну із залишковою вологістю 5-7% фасують по 0.2-1.0 кг і зберігають при 15 ° С протягом 6 місяців. Вносять нітрагін шляхом опудрювання насіння сухим препаратом безпосередньо перед посівом. Препарати нітрагіну вносять у ґрунт на фоні мінеральних (фосфатні і калійні) та органічних добрив. При інокуляції ґрунтів нітрагіном врожайність бобових культур зростає на 15-20%.

Аналогом азотних добрив є інший препарат азотфіксуючих бактерій - «Азотобактерин», який випускається промисловістю в декількох варіантах. Бактерії роду Azotobacter євільноживучими азотфіксуючими мікроорганізмами і володіють високою продуктивністю азотфіксації (до 20 мг / г використаного цукру). Крім зв'язування атмосферного азоту, ці бактерії продукують біологічно активні сполуки (вітаміни, гібберіллін, гетероауксин та ін.). В результаті цього інокуляція азотобактерином стимулює проростання насіння і прискорює ріст і розвиток рослин. Більше того, Azotabacter здатний виділяти фунгіцидні речовини. Цим пригнічується розвиток в ризосфері рослин мікроскопічних грибів, багато з яких гальмують розвиток рослин. Однак бактерії роду Azotobacter досить вимогливі до умов середовища, особливо концентрації в фрунті фосфатів і мікроелементів, і активно розвиваються в родючих ґрунтах.

Технологія отримання сухого препарату азотобактерину аналогічна отриманню сухого нітрагіну і включає отримання посівного матеріалу і культивування бактерій в контрольованих умовах в глибинній стерильній культурі до початку стаціонарної фази. Готовий препарат з вмістом не менше 5 млрд. життєздатних клітин на 1 кг при залишковій вологості 5-7% фасують у поліетиленові мішки 0.4-2.0 кг, які герметизують і далі зберігають при температурі до 15 °С. Промисловістю випускаються також торф'яний і ґрунтовий препарати азотобактерину. Для цього в якості наповнювача використовують торф з нейтральною реакцією середовища або багатий перегноєм ґрунт. У просіяний ґрунт або торф вносять суперфосфат (0.1%) та вапно (1-2%). Суміш фасують в пляшки об'ємом 0.5 л, зволожують водою до 40-60% і стерилізують. У стерильний наповнювач вносять вирослу культуру бактерій. Тривалість зберігання препаратів - 2-3 місяців. При обробці насіння препарат використовують із розрахунку 3-6 кг на 1 га посівної площі. Спосіб застосування азотобактерину визначається посівним матеріалом: насіння зернових культур опилюють сухим препаратом механізованим способом; бульби картоплі і кореневу систему розсади овочевих культур рівномірно обробляють водною суспензією препарату.