Бактерия из кукурузы повысила эффективность фосфорных удобрений на 30%

Фосфор входит в состав ДНК, клеточных оболочек и молекул, которые дают энергию всему живому. Но три четверти этого элемента, которые вносят в поля, растения не усваивают. Он превращается в бесполезный осадок, а потом смывается в реки, вызывая их «цветение». Ученые Пермского Политеха создали бактериальную добавку, которая решает эту проблему. Это первая в России жидкая разработка на основе бактерий, выделенных из кукурузы, и она эффективнее существующих аналогов на 30%. Это позволит фермерам меньше тратить на удобрения, а рекам — оставаться чистыми.

Статья опубликована в материалах конференции «В мире научных открытий».

Фосфор — один из нескольких химических элементов, без которых жизнь на Земле была бы невозможна. Ведь он входит в состав ДНК и АТФ — молекулы, которая снабжает энергией каждую клетку.

Растениям элемент необходим для трех основных процессов: роста, цветения и образования плодов. При его нехватке корни развиваются слабо, листья темнеют и приобретают фиолетовый оттенок, а семена и плоды получаются мелкими. Заменить его нечем — никакой другой элемент в клетке не выполняет такую же работу.

В почве фосфор часто находится в твердых, нерастворимых соединениях. Корни не могут впитать его в таком виде: чтобы это произошло, элемент должен быть в доступной (растворимой) форме, а в малорастворимой форме (в виде соединений с кальцием, алюминием или железом) он не усваивается корнями растений. В дикой природе эту проблему успешно решают микроорганизмы, живущие прямо на корнях: бактерии и грибы выделяют органические кислоты, которые растворяют твердые частицы. Так фосфор высвобождается и в растворимом виде передается растению.

Однако на сельскохозяйственных полях после многолетней обработки таких полезных микробов остается мало, поэтому культурным растениям приходится помогать искусственно — с помощью фосфорных удобрений.

Но и удобрения не идеальны. Внесенный фосфор быстро реагирует с глиной, алюминием, железом или кальцием (эти вещества в избытке содержатся в большинстве почв) и снова превращается в форму, недоступную для корней. Происходит это потому, что фосфор вступает в реакцию, образуя прочные твердые соли, не растворяющиеся в воде. В результате полезное действие удобрений не превышает 20–30%, а остальное так и остается в почве бесполезным грузом.

Чтобы хоть как-то компенсировать эти потери, фермеры вынуждены вносить удобрений гораздо больше, чем реально нужно растениям. Этот избыток может попадать в грунтовые воды, в закрытые и открытые водоемы.

Попадая в воду, фосфор снова работает как удобрение, но уже для водорослей. В реках и озерах нерастворимые в почве соединения постепенно становятся доступными — здесь другие химические условия, к тому же сами эти организмы способны добывать элемент из твердых соединений в отличие от корней наземных растений.

Водоросли начинают быстро размножаться, и через несколько дней водоем покрывается плотной зеленой пленкой. Это явление называют «цветением». Особую опасность представляют сине-зеленые цианобактерии. В процессе жизнедеятельности они выделяют токсины, которые блокируют передачу нервных сигналов у рыб и других водных животных, вызывая паралич и удушье. Люди при контакте с такой водой получают дерматиты и высыпания, а случайное заглатывание может привести к тяжелому отравлению. Поэтому купаться в «цветущем» водоеме опасно для здоровья.

Чтобы предотвратить цветение, нужно удерживать фосфор на полях в доступной для растений форме. Ученые Пермского Политеха разработали для этого жидкую бактериальную добавку к фосфорным удобрениям. Входящие в нее микроорганизмы переводят нерастворимые соединения в легкоусваиваемую корнями форму. Основой стала культура, выделенная из прикорневой зоны кукурузы. Ранее жидких биопрепаратов на основе таких микроорганизмов не существовало — разработка пермских ученых первая в России.

Преимущество именно жидкой формы еще и в удобстве внесения: ее можно смешивать с водой для полива или использовать в системах капельного орошения. Порошковые и сухие аналоги требуют дополнительных операций и часто менее эффективны.

Чтобы найти подходящие микроорганизмы, исследователи сначала взяли образцы почвы из разных мест: с засоленной земли, а также из прикорневой зоны пшеницы, гороха и кукурузы. Из этих образцов выделили четыре группы микробов, способных растворять соли фосфора. Лучший штамм оказался именно из кукурузы — его и отобрали для дальнейшей работы.

— Для проверки эффективности бактерии поместили в питательную среду, где единственным источником фосфора был нерастворимый осадок — фосфат кальция — аналог того, что годами накапливается в почве. Через семь суток измерили концентрацию доступного фосфора. Разработанная нами добавка высвободила 630,5 мг/л. Для сравнения: существующие на российском рынке жидкие биопрепараты на основе других бактерий в тех же условиях показывают только 483 мг/л. То есть наш препарат эффективнее на 30,5%, — рассказывает Дарья Нестерова, магистрантка кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ.

У разработанной учеными добавки есть дополнительный эффект: входящие в нее микроорганизмы не просто помогают в усвоении фосфора, они выделяют стимуляторы роста, участвующие в регуляции роста и развитии растений. В экспериментах после применения корень пшеницы вырос на 28%, у редиса — на 13%. Надземная часть прибавила 7% и 16% соответственно. Таким образом, средство не только решает проблему недоступного фосфора, но и делает растения сильнее с самого начала — без лишних затрат.

— Добавку предполагается вносить в поле вместе с удобрениями. Бактерии поселятся вокруг корней и будут постоянно превращать связанный, недоступный фосфор в растворимую форму. Это позволит сократить потребность в традиционных фосфорных удобрениях на 30–50%. Фермеры смогут меньше тратить на подкормку, а избыток фосфора перестанет попадать в водоемы, тем самым уменьшится вероятность цветения пресной воды, — объясняет Юлия Кузнецова, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ, кандидат технических наук.

Чтобы добавка не оказалась слишком дорогой для сельхозпроизводителей, ученые предусмотрели вариант удешевления производства. Обычно бактерий выращивают на чистой глюкозе, но ее можно заменить отходами сахарной промышленности — мелассой. Себестоимость одного литра добавки на глюкозе — около 100 рублей, на мелассе — около 87 рублей. Кроме того, технология получения добавки построена по принципу замкнутого цикла: вода, используемая при выращивании бактерий, не сбрасывается в канализацию, а очищается и возвращается в производство. Это снижает нагрузку на окружающую среду.

Источник: Пресс –служба ПНИПУ