В последнее время у производителей биологических препаратов для растениеводства появился широкий спектр биологических препаратов для, так называемой, «мобилизации фосфора». Причем, если по инокулянтам для бобовых виды используемых микроорганизмов достаточно ограничены, и значение имеет лишь используемый производителем штамм, то биоудобрения для улучшения фосфорного питания растений представлены широким спектром микроорганизмов, которые представляют огромное количество родов. Как в данном случае правильно выбрать препарат и действительно ли они необходимы в растениеводстве, давайте вместе разберёмся.
Наряду с азотом (N), фосфор (Р) является ключевым элементом в питании растений. Он играет важную роль практически во всех основных метаболических процессах растений, включая фотосинтез и дыхание растений, передачу и консервирование энергии, молекулярный биосинтез и трансдукцию сигналов, а также фиксацию азота у бобовых.
Несмотря на то, что фосфор содержится в почвах в неорганических и органических формах в достаточном количестве, он является ограничивающим фактором роста растений, так как находится в недоступной форме для поглощения корнями растений.
Неорганический фосфат находится в почве, в основном в нерастворимых минеральных комплексах, которые активно образуются после частого применения химических удобрений.
Органическое вещество также является важным резервуаром иммобилизованного фосфора. На его долю приходится от 20 до 80% фосфора почвы. И лишь 0,1% от общего количества фосфора существует в растворимой форме, доступной для поглощения растениями.
Роль фосфора в развитии растений
Обеспечение достаточного количества фосфора на ранних этапах развития растений имеет важное значение для закладывания репродуктивных частей культуры. Фосфор играет важную роль в увеличении корневой системы, тем самым придавая растениям жизнеспособность и устойчивость к болезням. Это также помогает в формировании полноценных семян и в раннем созревании сельскохозяйственных культур. Плохая доступность или дефицит фосфора заметно уменьшают рост растений. Фосфор составляет 0,2 - 0,8% от сухого веса растения.
Почему фосфор становится недоступным для растений?
Превращение фосфатов в недоступную для растений форму происходит двумя путями:
1. В результате сорбции фосфатов на поверхности минералов почвы.
2. При осаждении фосфатов свободными ионами Ca2+, Al3+ и Fe3+ в почвенном растворе.
Именно по второй причине почвенный фосфор становится недоступным, и необходимые для развития растений его уровни на большинстве сельскохозяйственных почв восполняют химическими удобрениями.
Добыча фосфатных минералов и разбрасывание фосфорных удобрений над ландшафтом не является делом экологически чистым и экономически оправданным. Это также порождает целый ряд проблем:
1. Выделение фтора – высоколетучего и ядовитого газа.
2. Удаление гипса.
3. Накопление Cd и других тяжелых металлов в почве при частом использовании фосфорных удобрений.
Кроме того, эффективность применяемых фосфорных удобрений в химической форме редко превышает 30% из-за его связывания либо в форме фосфатов железа/алюминия в кислых почвах, либо в виде фосфата кальция в нейтральных и щелочных почвах. Это не только представляет собой крупные издержки сельскохозяйственного производства, но также оказывает неблагоприятное экологическое воздействие на плодородие почвы в целом.
Частые и безграмотные применения химических фосфорных удобрений приводят к существенной потере плодородия почв путем нарушения микробного разнообразия и, как следствие, снижению урожайности сельскохозяйственных культур.
Общее содержание фосфора в верхнем 30-ти см слое почв составляет от 400 до 4000 кг/га и лишь около 1% (10-30 кг/га) за вегетационный период используется растениями для формирования биомассы, что указывает на его низкую доступность.
Несмотря на то, что для повышения доступности фосфора в различных почвах применяют различные технологии, все они дорогостоящие и сложны для практического применения. Более того, фосфор – не возобновляемый ресурс.
Было подсчитано, что при текущем уровне его использования известные в мире запасы высококачественной фосфоросодержащей породы могут быть исчерпаны в текущем столетии. За это время производство фосфорных удобрений потребует переработки более низкосортных пород, что значительно увеличит их стоимость.
Все эти потенциальные проблемы, связанные с применением химических фосфорных удобрений, наряду с огромными затратами на их производство, привели к поиску совместимых с окружающей средой и экономически целесообразных альтернативных стратегий для улучшения растениеводства на фосфородефицитных почвах.
Биоразнообразие фосфатомобилизаторов
Значительное количество микроорганизмов обладает способностью к растворению фосфора. К ним относятся бактерии, грибы, актиномицеты и даже водоросли. Эти микроорганизмы способны развиваться в различных условиях, но существенно различаются по способности к растворению минерального фосфата, которая зависит от типа почвы, его физико-химического состава, а также культуры, которая на ней будет произрастать. Концентрация железа, температура и источники углерода и азота в значительной степени влияют на фосфатмобилизирующие потенциалы этих микроорганизмов.
Как правило, грибы продуцируют больше кислот, чем бактерии, и, следовательно, проявляют большую фосфатмобилизирующую активность. Более того, они способны проникать намного дальше в почвах, чем бактерии, и, следовательно, имеют белее выраженный потенциал для растворения фосфора в почвах.
Среди филаментозных грибов, которые растворяют фосфат, наиболее характерными являются роды Aspergillus, Penicillium, Trichoderma и Rhizoctonia. Вместе с тем, в почве бактерии фосфатмобилизаторы составляют до 50% от общей численности микробной популяции, а грибы лишь 0,1–0,5%.
Среди бактерий чаще всего используют виды Pseudomonas и Bacillus, а среди грибов преобладают виды Aspergillus и Penicillium.
Однако, растения по-разному реагируют на инокуляцию фосфатмобилизаторами. Их реакция зависит от целого ряда факторов, таких как температура и pH почвы, влажность, засоленость, источник нерастворимого фосфора, метод инокуляции, источник углерода и штамм микроорганизма.
Организмы, участвующие в круговороте фосфора в почвах, очень разнообразны, и микроорганизмы, вероятно, играют самую важную роль. Однако около 99% почвенных микроорганизмов-фосфатмобилизаторов не нашли успешного применения в качестве биологической основы биоудобрений.
Механизмы повышения доступности фосфора
Основные механизмы, используемые почвенными микроорганизмами превращения фосфора в доступные формы, включают:
1. Высвобождение комплексообразующих или минералрастворяющих соединений, например: анионы органических кислот, сидерофоры, протоны, гидроксильные ионы.
2. Высвобождение внеклеточных ферментов (биохимическая фосфатминерализация).
3. Высвобождение фосфора во время деградации субстрата (биологическая фосфатминерализация).
Микроорганизмы играют важную роль во всех трех основных компонентах фосфорного цикла почвы (то есть растворение-осаждение, сорбция-десорбция и минерализация-иммобилизация). Кроме того, эти микроорганизмы в присутствии лабильного углерода служат в качестве накопителя фосфора, быстро иммобилизуя его даже при его низких количествах в почвах.
Таким образом фосфатмобилизирующие микроорганизмы становятся источником фосфора для растений после его высвобождения из клеток при их гибели из-за изменений условий окружающей среды, голодания или хищничества.
Изменения окружающей среды, такие как высушивание-повторное увлажнение или замораживание-оттаивание, могут приводить к, так называемым, промывным событиям, внезапному увеличению доступности фосфора в растворе из-за необычно высокой доли лизиса микроорганизмов.
Было обнаружено, что около 30-45% микробного фосфора (0,8-1 мг/кг) высвобождалось в песчаной почве после циклов сушки-повторного увлажнения в течение первых 24 часов.
Текущие тренды и будущие перспективы
Неблагоприятное воздействие на окружающую среду химических фосфорных удобрений, истощающиеся ресурсы высокосортных фосфатных пород и стремительно растущие цены на них вынуждают человечество искать устойчивый подход к обеспечению доступности фосфора в сельском хозяйстве.
Почвенные микроорганизмы участвуют в ряде процессов, которые влияют на трансформацию фосфора и, соответственно, на его доступность растениям. В частности, микроорганизмы могут растворять и минерализовать фосфор из неорганических и органических пулов почвы.
Микробиологические фосфатмобилизаторы представляют собой эффективный способ решения проблемы доступности фосфора в почве. Так же было высказано предположение, что накопленный в сельскохозяйственных почвах фосфор находится в достаточном количестве для поддержания максимального урожая во всем мире в течение примерно 100 лет, если его перевести в доступную форму.
Помимо того, что фосфор становиться доступным для поглощения растениями, был получен ряд сообщений о стимулировании роста растений этими микроорганизмами, что достигается путем производства полезных метаболитов, таких как фитогормоны, антибиотики или сидерофоры. Было показано, что различные препараты фосфатмобилизаторов способствуют росту многих культур.
Хотя за последние несколько десятилетий были проведены значительные исследования, связанные с фосфатмобилизаторами и их ролью в устойчивом сельском хозяйстве, необходимые исследования остаются в зачаточном состоянии. Тем не менее, использование эффективных фосфаттрансформирующих микроорганизмов открывает новый горизонт для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, помимо поддержания здоровья почвы.
Биотехнологические и молекулярные подходы могли бы углубить понимание механизмов мобилизации фосфора, которые могли бы привести к более успешному взаимодействию растений и микроорганизмов. Усилия также должны быть направлены на использование фосфатмобилизирующих микроорганизмов для сокращения применения пестицидов.
Резюме
Биотехнология мобилизации фосфора микроорганизмами предоставляет отличную возможность для разработки экологического фосфорного биоудобрения, которое будет использоваться в качестве дополнения к химическим удобрениям или как альтернатива химии.
Сегодня на рынке России присутствует ряд биопрепаратов, успешно справляющихся з задачей мобилизации фосфора на полях аграриев. И спрос на данные препараты стабильно растет. Теперь и вы знаете о пользе, которую бактерии могут принести на вашем поле. Остается только эту пользу получить.