Микробиом. Неиспользованный потенциал сельского хозяйства

опубликовано в журнале: AgroONE №13
3 января 2017 г.

44

Статьи Химия и жизнь Микробиом. Неиспользованный потенциал сельского хозяйства

В настоящее время население планеты составляет около 7 000 000 000 человек и, при этом, к 2020 году ожидается его стремительное увеличение до 8 000 000 000. К 2050 году население Земли достигнет 9 600 000 000, что оценивается как максимально возможное для нашей планеты. Этот прирост требует, по крайней мере, двукратного увеличения текущего сельскохозяйственного производства, и это без учета проблем с ресурсами и сокращения пахотных земель. Чтобы накормить мир, нам нужно разработать новые эффективные решения повышения урожайности, которые максимально увеличат производительность при одновременной минимизации необходимых ресурсов.

НЕРАДУЖНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ СЕГОДНЯШНЕГО ДНЯ

Традиционное сельское хозяйство зависит от масштабного использования химических удобрений, поскольку они обеспечивают растения основными питательными веществами, такими как азот, фосфор и калий. При этом промышленный процесс преобразования газообразного азота в аммиак – дорогостоящий и крайне неэффективный. Только вдумайтесь: для вышеописанного процесса используется около 2% от годового общего объема производимой энергии в мире. Кроме того, от 60 до 90% от общего количества внесенных удобрений «теряется» и только 10-40% поглощается растениями. И хотя химические удобрения, которые промышленно изготавливают, имеют известное содержание азота, фосфора и калия, их использование вызывает загрязнение почвы, воды и воздуха.

Кроме того, глобальное производство продуктов питания, достигнутое в последнее десятилетие, привело к значительному использованию синтетических пестицидов для борьбы с вредителями культурных растений. При этом, чрезмерная химизация создает собственные проблемы, такие как устойчивость вредителей к химическим СЗР и возникновение общей экологической проблемы. На этом фоне сильное давление со стороны потребителей привело к изъятию многих синтетических пестицидов, снижению максимального уровня их остаточного количества в продуктах и среде, существенно увеличило расходы на их разработку и регистрацию.

Поэтому, ближайшие 20 лет мировая тенденция развития сельского хозяйства будет направлена на существенное повышение производительности культурных растений, причем с использованием экологически безопасных технологий, которые не только обеспечат безопасность пищевых продуктов, но и улучшат биоразнообразие почвы.

ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО

Поиск альтернативных решений для сельского хозяйства побудил исследователей взглянуть по-новому на сферу агрономически полезных микроорганизмов, что стало двигателем к быстрому росту производства биоудобрений, биопестицидов и препаратов на основе рострегулирующих микроорганизмов. Микроорганизмы или бинарные инокулянты на основе бактерий и арбускулярно-микоризных грибов (AMГ) повышают эффективность использования удобрений. Синергическое взаимодействие бактерий и АМГ позволяет повысить степень усвоения фосфора до 70%. Аналогичная тенденция наблюдается и при поглощении азота, ведь использование инокулянтов позволяет уменьшить использование азотных удобрений на 30% без снижения продуктивности растений. Будущее устойчивое развитие сельского хозяйства, по мнению многих ученых, будет зависеть от использования генетически сконструированных растений и рострегулирующих ризобактерий – PGPR (Plant-Grows Promotion Rhizobacteria).

Эти бактерии, в целом, представляют различные природные микроорганизмы, инокуляция которыми почвенной экосистемы повышает физико-химические свойства почвы, увеличивает ее биологическое разнообразие, активизирует рост, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур. Агрономически полезные микробные популяции включают бактерии, способствующие развитию растений, азотфиксирующие цианобактерии, микоризные грибы, полезные бактерии, подавляющие болезни растений, эндофиты, повышающие устойчивость к стрессам и микроорганизмы-биодеструкторы.

Если провести аналогию, то в последнее время мы часто слышим об использовании в медицине таких микроорганизмов, как пробиотики. Человеческий микробиом включает бактерии, грибы и археи. Среди них те, что не вызывают заболевания у людей, являются крайне полезными для здоровья человека. Диетологи и врачи рекомендуют употреблять йогурт как естественный способ восстановления микрофлоры кишечника и укрепления иммунитета.

Данное утверждение справедливо и для растительного микробиома, ведь взаимодействие между его составляющими определяет здоровье культурных растений в естественной агроэкосистеме. Многие ученые считают, что если из почвы выделить полезные микроорганизмы, их размножить и в дальнейшем вернуть непосредственно в грунт или через инокуляцию посевного материала – это станет новой революцией в сельском хозяйстве. Такие микроорганизмы помогут ускорить рост растений, повысить их устойчивость к засухе, болезням и вредителям, повысить производительность и снизить зависимость сельхозпроизводителей от использования удобрений и пестицидов.

Понимание важности микроорганизмов для развития растений не является новым. Более 120 лет назад было открыто, что клубеньки на корнях бобовых растений, которые формируются при участии бактерий рода Rhizobiaceae, помогают превращать азот атмосферы в более доступные для растений формы данного элемента. Исторические исследования показали, что данное открытие позволило разработать систему севооборотов, что помогло существенно повысить и сохранить плодородие почв в течение сотен лет.

ЧТО ТАКОЕ PGPR

Ризосфера, которая является узкой зоной почвы вокруг корней растений, может содержать до 1011 микробных клеток на грамм почвы и более 30000 таксономических групп, включающих бактерии, грибы, актиномицеты, простейших и водоросли, которые, в целом, обеспечивают высокую продуктивность растений. Количество и тип микроорганизмов в различных почвах отличаются и находятся под влиянием грунтовых условий, таких как температура, влажность, наличие солей и других химических веществ, а также от количества и типа растений, которые растут на данных почвах. В экологически нагруженных почвах содержание бактерий может падать ниже 104 клеток на грамм почвы.

Ризобактерии, способствующие росту растений, являются почвенными бактериями, которые заселяют прикорневую зону и прямо или косвенно участвуют в эффективном контроле роста и развития растений.

Они стимулируют рост растений за счет фиксации и мобилизации питательных веществ в почве, синтезируя многочисленные регуляторы роста растений, генерируя защиту растений от фитопатогенов путем их регулирования или угнетения, улучшают структуру почвы и проводят ее биоремедиацию, путем секвестрации токсичных тяжелых металлов и снижая содержание ксенобиотиков (например, пестицидов). Кроме того, бактерии, как правило, не равномерно распределены в почве.

Концентрация бактерий, которая находится в ризосфере корней растений, значительно выше, чем в остальной почве. Это происходит из-за наличия выделяемых корнями растений питательных веществ – экссудатов, которые содержат сахара, аминокислоты, органические кислоты и другие небольшие молекулы. Как следствие, бактерии, заселившие прикорневую зону растений (ризобактерии), являются более эффективными в преобразовании, мобилизации питательных веществ по сравнению с теми, которые вносятся непосредственно в грунт. Таким образом, ризобактерии доминируют в рециркуляции питательных веществ в почве и, следовательно, определяют их плодородие.

PGPR по механизмам взаимодействия с корнями могут быть разделены на внеклеточные (ePGPR) – свободноживущие, развивающиеся в ризосфере и ассоциативные, развивающиеся на ризоплане, а также внутриклеточные (iPGPR) – формирующие специфические симбиотические взаимоотношения с растениями и эндофиты, способные колонизировать внутренние ткани растений. iPGPB являются более эффективными для производства инокулянтов.

ЕВРОПЕЙСКИЕ АГРОГИГАНТЫ ЧУВСТВУЮТ: БУДУЩЕЕ ЗА БИОЛОГИЕЙ

В последнее время значительное внимание университетских исследователей и крупных агрохимических компаний привлечено к PGP-бактериям, обладающим новыми свойствами, такими как детоксикация тяжелых металлов, деградация пестицидов, толерантность к засолению, а также оптимизация роста растений, благодаря синтезу фитогормонов, сидерофоров, АЦК-дезаминаз, цианида водорода (HCN) и т.д. Некоторые надеются на генетическую инженерию растений с генами микроорганизмов, или на селекцию растений, которые лучше бы взаимодействовали с полезными почвенными микроорганизмами и, таким образом, изменяли бы состав микробных сообществ для стимуляции развития растений. И хотя идея инженерии растений с бактериальными компонентами выглядит спекулятивно, однако первая зеленая революция, которая началась в 1950-х годах, практически удвоила урожаи.

Аналитики говорят, что если исследователи продолжат изу­чение роли микроорганизмов в развитии растений, это может ускорить получение положительных результатов и привести к новому прорыву в сельском хозяйстве. Они также считают, что именно этот факт побудил агропромышленных гигантов вкладывать существенные средства в микробиологические исследования и двигаться с угрожающей скоростью. Уже сейчас стартапы и известные компании борются за рынок микробных коктейлей и биопрепаратов, чтобы развить это направление. На данный момент Bayer CropScience, Monsanto, Syngenta, BASF, Arysta LifeScience переориентируют свои исследования на привлечение агрономически полезной микрофлоры. Четыре года назад Bayer CropScience заплатил 425 000 000 долларов компании AgraQuest из Калифорнии для позиционирования своих исследовательских усилий именно в этом направлении. DuPont приобрела в прошлом году Taxon Biosciences Inc., в то время как Monsanto приобрела три года назад ключевые активы компаний Agradis и Synthetic Genomics. Все четыре стартапа получили удивительные результаты в микробиологических исследованиях.

Приятно осознавать, что в решении данного вопроса Украина находится среди мировых лидеров. Среди отечественных производителей хочется отметить ДП «Энзим» – единственное крупное предприятие, сертифицированное по международной системе менеджмента качества ISO 9001. Продукция этого предприятия отвечает требованиям Европейского Союза и подтверждена «Organic Standard», как пригодная для органического земледелия.

Несмотря на ограниченное понимание PGPB-растительных взаимодействий, на сегодня уже зарегистрировано более 149 микробных препаратов, которые эффективно используются в коммерческих целях. Рынок биоудобрений и биопестицидов в 2012 году оценивался в более чем 1 000 000 000 долларов США и, как ожидается, превысит 7 000 000 000 долларов до 2019 года, демонстрируя двукратные темпы годового роста в период между 2013 и 2019. Основными драйверами роста являются повышенный интерес потребителей к органическим культурам, сокращение синтетических продуктов и экономический потенциал на рынках развивающихся стран, таких как Китай.

График 1. Прогноз объема рынка биопрепаратов, млрд. $

ПЕРСПЕКТИВЫ КОММЕРЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МИКРОФЛОРЫ ИЛИ КАЖДОЙ СТРАНЕ – СВОИ ПРЕПАРАТЫ

Несмотря на преимущества и потенциал микробных препаратов в повышении продуктивности сельскохозяйственных культур, рядом ученых было отмечено, что «научная литература изобилует многими потенциально очень полезными штаммами, однако на их основе так и не создано коммерческих биопрепаратов». За 30-летний период, по оценкам экспертов, 72% биопрепаратов так и не стали коммерческими продуктами.

Любая успешная стратегия, направленная на повышение урожайности сельскохозяйственных культур с использованием микробных препаратов, в конечном счете, зависит от эффективности ее внедрения на полях с различными почвенно-климатическими условиями.

Несмотря на значительные достижения в исследованиях эффективности применения полезных микроорганизмов, большая их часть произведена только в контролируемых условиях.

Микроорганизмы, которые проявляют свою эффективность в лабораторных условиях, к сожалению, не всегда подтверждают свою эффективность в поле, а для конечных потребителей главное, чтобы характеристики заявленные в описании продукта, соответствовали их действию в реальных условиях, а не базировались только на лабораторных исследованиях. Поэтому технологии их широкомасштабного применения и эффективная интеграция биопрепаратов в комплексные системы защиты растений возможны только в случае проведения регулярных полевых испытаний в тех условиях, в которых эти препараты будут использоваться. А это, к сожалению, обычно могут делать только местные производители.

ЭПИЛОГ

К сожалению, внедрение в последние годы генетически модифицированных культур вызвало негативную реакцию многих потребителей и защитников окружающей среды, несмотря на научное доказательство эффективности новых продуктов и их биобезопасности. Поэтому, углубление в еще одну биотехнологическую область аграрной науки может только подлить масла в огонь и вызвать массу возражений со стороны общества.

Дорога к восприятию новой концепции ведения сельского хозяйства может быть достаточно тернистой, но перспективы вырисовываются достаточно существенные и важные. И даже если только часть ожидаемых выгод реализуется в течение длительного времени – применение микроорганизмов в сельском хозяйстве станет гигантским шагом в реализации программы эффективного и безопасного ведения сельского хозяйства. И эти риски являются абсолютно оправданными.

Павел Маменко,
кандидат биол. наук, руководитель отдела R&D Торгового Дома «Энзим-Агро»