Микроорганизмы вместо азотных удобрений?

Растения не могут впитывать азот из воздуха, но это могут делать микробы — эндофиты. Ученые работают над тем, чтобы сельскохозяйственные культуры не нуждались в удобрениях, а самостоятельно вырабатывали азот при помощи микроорганизмов.

Устойчивое развитие подразумевает не только минимизацию потребления ресурсов, но и уменьшение углеродного следа при производстве продуктов питания.

Большинство культур в США выращиваются с использованием минеральных удобрений. Значительную часть из которых составляют азотные удобрения. Так в 2011 американские фермеры использовали приблизительно 11 млн тонн азотных удобрений. На производство такого количества азотных удобрений требуется много ископаемых природных ресурсов, таких как природный газ или каменный уголь.

В год при производстве азотных удобрений в США выбрасывается столько же углекислого газа, как и от выхлопных газов двух миллионов автомобилей.

Но фермеры не могут просто прекратить использование удобрений. Растения нуждаются в азоте, чтобы нормально развиваться. Без использования азота по некоторым оценкам урожайность в США снизится на 50 процентов. Поэтому возникает вопрос: а могут ли ученые помочь растениям вырабатывать азот, чтобы не использовать минеральных удобрений?

Эндофиты как альтернатива минеральным удобрениям

Профессор Шарон Доти, микробиолог из Вашингтонского университета говорит, что природа уже решила эту проблему — нам просто нужно знать, где искать.

"Посмотрите в естественную среду, есть много случаев, когда вы можете увидеть растения, которые развиваются в скалах или на песке — в условиях недостатка азота", — говорит профессор Доти.

Шарон Доти начала изучать ивы и тополя — деревья, растущие в речных системах штата Вашингтон. Эти реки питаются главным образом талыми водами и чрезвычайно бедные на азот.

"Уже давно известно, что тополь и ива являются новаторами, — отмечает Доти. — Но другие ученые говорят, что эти деревья просто эффективные". Но в тех условиях, в которых они растут — просто нет питательных веществ, чтобы эффективно их усваивать.

Деревья не могут впитывать азот из воздуха, но это могут делать микробы. Эндофитымикроорганизмы, при определенных обстоятельствах населяющие ткани растений. Это грибы, бактерии, реже водоросли и вирусы. Они не несут негативного влияния на развитие и функционирование растений.

Некоторые микроорганизмы превращают азот из воздуха в ту форму, которую усваивают растения — процесс называется азотфиксацией. Сегодня ученые изучают то, как их можно использовать, чтобы сельскохозяйственные культуры самостоятельно вырабатывали азот. В частности, исследуют такие возможности для риса и кукурузы.

Когда Доти исследовала ДНК эндофитов деревьев в лаборатории — обнаружились гены, указывающие на то, что микробы могут фиксировать азот. Ученые задались вопросом: если эти эндофиты могут так эффективно фиксировать азот в диком тополе, можно ли использовать их для сельского хозяйства?

Как удвоить продуктивности при помощи "магии" эндофитов?  

Доти и ее команда знали, что эндофиты могут использовать свою азотную "магию" в нескольких видах деревьев. Но они не были уверены, что тот же трюк будет работать на других растениях, включая такие культуры, как кукуруза и рис. Они  физически и генетически сильно отличаются от тех же диких тополей. Исследователи взяли саженцы сельскохозяйственных культур и пропитали их в ванной с эндофитами из тополей, а затем наблюдали за развитием рассады.

Для многих видов такая процедура дала рассаду более развитую чем обычно. Растения с эндофитами имели более крупные корни и листья. А некоторые виды томатов и болгарского перца почти удвоили количество плодов, которые они произвели.

Эндофиты вместо удобрений

Трава с эндофитами (слева) и без. Автор: Шерон Доти, источник: npr

Хотя результаты многообещающие — успех в лаборатории не всегда переносится в полевые условия. Ученые должны наладить промышленное производство таких микроорганизмов, чтобы они не были дорогими. Предыдущие попытки разработать полезные микробы для сельского хозяйства потерпели неудачу именно из-за издержек производства.

Недоверие аграриев к новым технологиям

Еще одни важный аспект — доверие агропроизводителей новым технологиям. Например, BioGro — биоудобрение, состоящее из нескольких штаммов полезных микроорганизмов — было эффективным в выращивании рисовых растений. Но фермеры не доверились разработке. В результате — более половины компаний, производящих BioGro, не проработали в этом бизнесе и двух лет.

Условия для хранения также являются проблемой. Фермеры предпочитают покупать обработанные семена. Они остаются пригодными для использования даже при хранении в течение нескольких месяцев или лет.

Более того, в отличие от традиционных удобрений, которые могут быть использованы для любого типа культур в любой точке мира — эндофиты не являются универсальным решением.

"Необходимо адаптировать микробы к различным экологическим ситуациям, — говорит Рэй Диксон, микробиолог в Джон Иннс Центре (исследовательский биологический центр в Великобритании).  Он изучает азотфиксацию бактерий более 40 лет.

По словах ученного, эффект зависит от вида сельскохозяйственной культуры, типа почвы и климата. Если одно из условий не подходит — решение не сработает.  

Присутствие пестицидов или других микроорганизмов в почве, также может отрицательно повлиять на успех азотфиксации.

Диксон подытоживает, что предстоит еще много работы, прежде чем эндофиты смогут полностью заменить традиционные удобрения.

Немецкий гигант Bayer уже заинтересовался эндофитами

Ученные интенсивно работают над решением этих проблем. Исследователи разных стран мира пытаются определить оптимальные условия для недорогого массового производства этих микроорганизмов.

Уже определены виды эндофитов, которые полезны для рапса, кукурузы, сахарного тростника и проса прутьевидного (биоэнергетическая культура). Полевые эксперименты сейчас проходят по всему миру: от Ирландии до Египта и Бразилии.

И это не просто академические исследования. Bayer и Gingko Bioworks в прошлом году создали Joyn Bio. Это новая биотехнологическая компания, которая занимается разработкой эндофитов для сельскохозяйственных культур. Joyn Bio уже получил $100 млн венчурных инвестиций.

Стартапы также разрабатывают свои продукты

Стартап Pivot Bio уже разработал азотфиксирующие микроорганизмы для кукурузы. Но решение Pivot Bio функционируют несколько иначе. В отличие от эндофитов, которые живут внутри растения, микробы Pivot Bio живут на поверхности корней. Эти микробы не заменяют полностью азотные удобрения — но они могут сократить количество удобрений.

Pivot Bio пять лет проводили эксперименты на 5000 полевых участках в 100 разных районах. На основе этих исследований разработчики пришли к выводу, что их продукт позволить заменить до 28 кг минеральных азотных удобрений на гектар кукурузного поля.

Стартап Pivot Bio уже анонсировал предварительный коммерческий запуск своих азотфиксирующих микроорганизмов. Фермеры США проводят крупные полевые испытания. Результаты должны быть доступны к концу года.

Украинские микробиологи также разрабатывают решения для сельского хозяйства. Они создали уникальный препарат — AgroLact. Он не имеет аналогов в мире и повышает продуктивность культур и их стрессоустойчивость к засухе, холоду, жаре, кислотным дождям, грибным патогенам.

Источник: npr.org

Понравилось? Лайкни нас на Facebook