Представьте: безбрежный океан азота прямо у вас над головой – бесплатный, неисчерпаемый, подаренный самой атмосферой. Но год за годом мы, словно одержимые, тратим миллиарды на его синтетические копии, которые медленно, но верно отравляют нашу почву, наши реки, нашу жизнь.
Почему так происходит?
Сегодня мы вместе погрузимся в эту загадку, разгадаем её и, самое главное, узнаем, как вернуть земле её изначальную, природную силу, опираясь не на химию, а на мудрость самой Природы и её невидимых, но могущественных помощников – микробов.
Готовы ли вы к настоящей азотной революции на ваших полях и грядках?
О чем пойдет речь
Сегодня мы с вами разберемся, почему безудержная гонка за азотными удобрениями завела современное сельское хозяйство, да и простое огородничество, в настоящий тупик. Мы услышим из первых уст, от мирового эксперта, доктора Кристин Джонс, как наши поля, сады и огороды могут процветать без дорогих и, как выясняется, весьма вредных химикатов. Приготовьтесь к захватывающему путешествию в тайную жизнь почвы, к знакомству с невидимыми, но прочными союзами растений и микробов.
Мы узнаем, как простые, но осмысленные изменения в нашем подходе к земледелию могут привести к поистине невероятным результатам – и для урожая, и для экологии.
Это будет история о скрытых ключах к плодородию, о неисчерпаемой силе разнообразия и о том, как мы можем стать не просто земледельцами, а настоящими, чуткими партнёрами Природы.
Вступление
Ну что ж, друзья, пора познакомиться с нашим сегодняшним проводником в удивительный мир почвенных тайн. Сегодня я привел вас к доктору Кристин Джонс, одному из самых авторитетных мировых микробиологов почвы, родом из Австралии.
Она не просто ученый с мировым именем – она настоящий визионер, чьи идеи уже меняют правила игры в сельском хозяйстве по всему земному шару. Её знаковая работа об азоте, метко названная «Азот: обоюдоострый меч», стала для многих, включая и меня, настоящим откровением, переворачивающим привычные представления.
И сегодня она щедро поделится с нами своими самыми глубокими знаниями и наблюдениями.
Кристин начинает наш разговор с интригующего сравнения, которое сразу задает тон и помогает понять суть проблемы.
Итак, перед нами молекула диазота – два атома азота, крепко-накрепко соединенные тройной ковалентной связью. Именно в такой форме азот преимущественно и существует в атмосфере нашей планеты. Я обязательно вернусь к этому и расскажу подробнее чуть позже.
На прошлой нашей встрече мы довольно подробно обсуждали фосфорные удобрения. Я тогда делала особый акцент на том, что фосфор – элемент весьма малоподвижный в почве. Представьте себе это так: вот где вы его внесли, там он, по большей части, и остается лежать. Растения способны усвоить лишь очень небольшую часть – примерно 10-15% – от внесенного фосфорного удобрения в год его применения. Это означает, что огромная доля – порядка 85-90% – добавленного нами фосфора иммобилизуется, то есть прочно фиксируется, связывается почвенными частицами.
Дело в том, что фосфат-ион, несущий отрицательный заряд, проявляет высокую химическую активность и с легкостью вступает в связь с положительно заряженными ионами металлов, всегда присутствующими в почве. В кислых почвах его главными "партнерами" становятся железо и алюминий, а в щелочных почвах – кальций.
Несмотря на то, что значительная часть фосфора, вносимого фермерами, не усваивается растениями немедленно, он никуда не исчезает. Он создает своего рода "фосфорный банк" в почве, при условии, конечно, что почва не подверглась эрозии и её не смыло водой или не унесло ветром.
Этот накопленный запас фосфора может быть востребован и использован растениями в будущем, но только с помощью целой армии микроорганизмов-посредников. Мы обязательно еще поговорим о том, как можно активировать этот почвенный микробиом, чтобы "разбудить" дремлющий фосфор и сделать его доступным.
Таким образом, вы не теряете этот ценный элемент безвозвратно, если только не теряете саму почву. И если вы прежде применяли фосфорные удобрения, то есть и хорошая новость: большая часть этого фосфора по-прежнему находится в вашей почве, и вы сможете получить к нему доступ в будущем, если заручитесь поддержкой союзников из микромира.
Видите, какая интересная и, в общем-то, обнадёживающая картина складывается с фосфором? Он как будто копится в почве, создавая некий страховой запас на будущее, который можно "активировать" с помощью правильных микробных ключей. Это вселяет определённый оптимизм, не так ли? Однако, как тут же предупреждает нас Кристин, с азотом история совершенно иная, и новости здесь, увы, далеко не такие радужные.
Азот: Двуликий Янус плодородия
Итак, фосфор – это своего рода долгосрочный банковский вклад в почве. А что же тогда азот? Доктор Кристин Джонс сразу же предупреждает: здесь всё гораздо сложнее, динамичнее и, увы, опаснее. Давайте прислушаемся к её словам особенно внимательно.
С азотом ситуация, к величайшему сожалению, выглядит далеко не столь оптимистично. Азотные удобрения – и здесь я имею в виду прежде всего неорганические, легкорастворимые формы азота, такие как нитраты (NO3-) и аммоний (NH4+) – отличаются чрезвычайно высокой подвижностью в почве. Они практически не образуют прочных связей с почвенными частицами и, как следствие, совершенно не задерживаются на месте внесения. В результате растения усваивают лишь крайне небольшую долю – по разным оценкам, от 10 до 40% – азота, который мы вносим в виде минеральных удобрений.
Зачастую это происходит просто потому, что растения физически не в состоянии поглотить такие огромные, концентрированные дозы азота за короткий срок, особенно если он вносится заблаговременно, задолго до посева или посадки основной культуры.
В Австралии нам нередко приходилось сталкиваться с такой обескураживающей картиной: фермеры вносили весьма значительное количество азота за несколько недель до посева, скажем, за шесть недель. Но когда в сам день посева мы проводили измерения содержания доступного азота в почве, то с удивлением обнаруживали, что практически весь предварительно внесенный азот бесследно исчез! Он просто улетучивался или вымывался к моменту посадки, и, разумеется, молодые, только появившиеся всходы тут же начинали страдать от острого дефицита этого жизненно важного элемента.
Даже в самых идеальных, лабораторных условиях растения способны усвоить лишь 10-40% внесенного неорганического азота. Возникает резонный вопрос: куда же деваются остальные 60-90%? Увы, они попадают в окружающую среду – в грунтовые и поверхностные воды, в атмосферу, создавая при этом серьезнейшие экологические проблемы. Азот по праву считается одним из самых значительных и опасных загрязнителей окружающей среды во всем мире.
Он обладает поистине удивительной способностью к быстрым химическим трансформациям, легко существуя в самых различных химических формах и переходя из одной формы в другую с поразительной скоростью.
В отличие от фосфора, азотное удобрение, внесенное в почву, не накапливается и не формирует никакого "азотного банка" на будущее. Более того, как правило, наблюдается совершенно обратная, парадоксальная зависимость: чем больше азотных удобрений вы используете из года в год, тем меньше азота остается в ваших почвах в долгосрочной перспективе, тем беднее они становятся.
Вы только вдумайтесь в эти цифры! До 90% дорогостоящего удобрения, за которое мы платим немалые деньги, просто улетучивается или смывается, загрязняя при этом реки, озера и воздух. Мы фактически платим за то, чтобы отравить окружающую Природу и, по горькой иронии судьбы, сделать собственную почву беднее в долгосрочной перспективе. Картина удручающая. Но Кристин добавляет ещё один важный штрих – энергетическую цену этого безумия.
Если взглянуть на ситуацию с точки зрения энергоэффективности и потребления ископаемого топлива, то производство азотных удобрений – это процесс, требующий поистине колоссальных затрат энергии. Чтобы синтезировать одну тонну аммиачной селитры или мочевины, необходимо затратить примерно в шесть раз больше энергии (в пересчете на ископаемое топливо), чем для производства аналогичного количества фосфорных удобрений.
Кроме того, нельзя забывать, что при производстве азотных удобрений в атмосферу выбрасывается значительное количество метана (CH4) – газа, который является мощным парниковым агентом. Таким образом, если и существует что-то более вредное для экосистемы и требующее больших энергозатрат, чем фосфорные удобрения, то это, вне всякого сомнения, азотные.
Вот это поворот! Мало того, что мы тратим огромные деньги, ресурсы и загрязняем планету, так мы еще и сжигаем невероятное количество энергии в процессе производства этих удобрений, тем самым усугубляя и без того острые экологические проблемы. И тут сам собой напрашивается вопрос: если синтетический азот настолько проблематичен со всех сторон, зачем мы вообще продолжаем его так активно использовать? Особенно учитывая тот факт, о котором нам сейчас поведает Кристин.
Неисчерпаемый Азотный Океан
Казалось бы, ситуация выглядит патовой: растениям жизненно необходим азот, а традиционные азотные удобрения приносят больше вреда, чем пользы. Но Природа, как это часто бывает, уже давно приготовила для нас простое и элегантное решение. Нужно только уметь его разглядеть.
Почему же мы с таким упорством продолжаем использовать азотные удобрения, несмотря на все их очевидные недостатки и негативные последствия? Ведь на самом деле у нас никогда не может и не будет недостатка в азоте! И это абсолютная, неоспоримая истина.
Достаточно вспомнить, что 78% атмосферы нашей планеты состоит из диазота (N2) – той самой молекулы, с которой мы начали наш разговор: два атома азота, прочно связанные тройной ковалентной связью.
Вы только вдумайтесь в эти масштабы: над каждым гектаром земной поверхности витает около 78 000 тонн газообразного азота! Если пересчитать на привычные нам сотки, то над каждой соткой вашей земли "висит" примерно 780 тонн газообразного азота - прямо здесь, у нас над головой!
Поэтому, чисто логически, казалось бы, нет никакой реальной, объективной необходимости тратить огромные деньги и ресурсы на его покупку в виде удобрений, особенно если принять во внимание все те серьезные негативные последствия, которые неразрывно связаны с использованием неорганических азотных удобрений.
Только представьте себе этот невероятный масштаб! Воздух, которым мы дышим каждую секунду, почти на 80% состоит из азота. Над каждым гектаром вашего поля или огорода висит гигантский, невидимый резервуар, содержащий десятки тысяч тонн этого жизненно важного элемента. Звучит почти как научная фантастика, не правда ли? Но, как это часто бывает в жизни, есть один важный нюанс, одна загвоздка.
Проблема заключается в том, что весь этот колоссальный запас азота в атмосфере, этот диазот (N2), находится в относительно инертной, химически неактивной форме, и потому недоступен для прямого усвоения растениями. Они просто не могут его "взять" из воздуха.
Иногда можно услышать утверждение, например, что бобовые растения способны фиксировать азот из атмосферы. Так вот, это не совсем точно. Сами по себе бобовые не могут фиксировать азот. Однако они способны формировать особые симбиотические, взаимовыгодные отношения с бактериями рода Rhizobium (ризобиями), которые как раз и умеют фиксировать атмосферный азот. То есть, этот процесс всегда осуществляется микробом, который находится в тесной ассоциации с растением, а не самим растением напрямую.
Вот она, ключевая загвоздка! Атмосферный азот (N2) – это как огромный сундук, доверху набитый сокровищами, но запертый на сложный замок. Молекула N2 чрезвычайно стабильна из-за очень прочной тройной связи между атомами азота. Сами растения не обладают "ключом" или "отмычкой", чтобы взломать этот замок. Но, к нашему счастью, у Природы есть свои искусные "взломщики".
Микробные ключи к Азотному Царству
Итак, мы выяснили, что у нас есть практически неисчерпаемый запас азота в воздухе, но он находится в "запертой" форме, недоступной растениям напрямую. Кто же поможет нам открыть этот "сундук с сокровищами"? Доктор Кристин Джонс указывает на невидимых, но незаменимых героев почвы.
Действительно, как и в случае с фосфором, ключом к получению азота из воздуха служат особые микроорганизмы и их уникальные ферменты. Этих крошечных помощников называют диазотрофами. К ним относятся как бактерии, так и археи – древнейшие микроорганизмы, – которые обладают поразительной способностью разрывать невероятно прочную тройную связь между двумя атомами азота в атмосферной молекуле N2. Именно так они преобразуют этот, казалось бы, инертный газ в форму, которую растения могут легко усвоить.
Однако здесь есть важный нюанс. Для этого чудесного превращения диазотрофы используют особый ферментный комплекс, известный как нитрогеназа. Существует несколько разновидностей этого фермента, иногда их классифицируют более детально, но в целом это группа ферментов, объединенных под общим названием нитрогеназы. Именно этот сложный белковый комплекс и катализирует разрыв тройной связи в инертной молекуле диазота.
Диазотрофы – вот они, наши волшебные ключи от азотного царства! Эти микроскопические существа обладают уникальным биохимическим инструментом – ферментом нитрогеназой, который способен сделать то, что не под силу ни одному растению: разорвать крепчайшую тройную связь в молекуле N2. Но и здесь природа приготовила важное условие, без соблюдения которого магия не сработает.
Однако есть одна сложность: нитрогеназа — тот самый ключевой фермент, используемый микробами-диазотрофами, — чрезвычайно чувствительна к кислороду и ингибируется (то есть, подавляется) им. Поэтому единственное место в почве или внутри самого растения, где диазотрофы способны эффективно разрывать эту прочную тройную связь и превращать инертный атмосферный диазот в доступную для растений форму азота, — это специализированные, так называемые, микроаэробные участки фиксации.
Термин "микроаэробный" означает, что в этих зонах присутствует небольшое количество кислорода, но его концентрация значительно ниже, чем в окружающей среде. Это не полностью бескислородная (аноксидная) или анаэробная среда, но и не насыщенная кислородом аэробная. Там поддерживается низкое парциальное давление кислорода. И вот эти-то специализированные микроаэробные участки фиксации азота находятся внутри плотных почвенных чехликов, обволакивающих корни (так называемых ризосферных чехликов или ризошис), а также внутри водостойких почвенных агрегатов – тех самых комочков, из которых состоит здоровая, структурированная почва.
Вот оно что!
Оказывается, главный инструмент азотфиксации – фермент нитрогеназа – боится кислорода. Поэтому сам процесс фиксации атмосферного азота может происходить только в особых "убежищах" в почве, где кислорода очень мало. Такими убежищами служат плотные комочки почвы, буквально прилипшие к корням (ризосферные чехлики), и структурные единицы самой почвы – водостойкие агрегаты.
Но как же нам, простым земледельцам или дачникам, узнать, работает ли этот жизненно важный механизм в нашей почве?
Если мы хотим понять, способно ли наше конкретное растительное сообщество или наши почвы эффективно фиксировать атмосферный азот, или хотя бы поддерживать жизнедеятельность свободноживущих азотфиксирующих бактерий и архей, нам достаточно просто внимательно посмотреть, формируются ли у наших растений ризосферные чехлики на корнях, и образуются ли в этой почве стабильные, водостойкие агрегаты.
И если вы своими глазами видите, что в вашей почве идет процесс образования верхнего плодородного слоя, если вы наблюдаете признаки этого процесса, когда выходите на участок с лопатой и просто копаете небольшую ямку — поверьте, такая визуальная оценка почвы скажет вам гораздо больше, чем любой, даже самый подробный, лабораторный анализ образца.
Вам нужно просто посмотреть: происходят ли эти позитивные процессы в моей почве? Есть ли у моих растений характерные ризосферные чехлики на корнях? Приводит ли моя агротехника, то, что я делаю на этом участке, к формированию водостойких агрегатов в почве? Вижу ли я явные признаки агрегации, комковатости почвы?
Забудьте на время о сложных и дорогих лабораторных анализах! Ваш лучший инструмент – это ваши собственные глаза и обычная лопата. Если вы видите, что корни ваших растений словно окутаны плотным слоем земли, образуя характерные "чехлики", если ваша почва состоит из упругих комочков разного размера, а не рассыпается в пыль или слипается в бесформенную массу, значит, процесс идет! Это верный признак того, что ваша почва жива, структурирована, и в ней созданы благоприятные условия для естественной фиксации азота из воздуха.
Кристин добавляет еще один важный визуальный маркер.
И если вы наблюдаете явные признаки активного почвообразования, значит, процесс фиксации азота тоже идет полным ходом. Потому что, молекулы гумуса – те самые сложные органические соединения, которые активно участвуют во всём этом процессе построения плодородной почвы, – представляют собой прочное соединение углерода и азота.
Углерод и азот неразрывно связаны в одной молекуле гумуса.
Так что вы можете быть уверены, что фиксация азота происходит, если вы видите, что ваша почва активно строится, становится темнее, рыхлее, плодороднее. И это, пожалуй, всё, что вам действительно необходимо знать на практике, потому что такая визуальная оценка точно скажет вам гораздо больше о реальном состоянии дел, чем любой лабораторный тест.
Потрясающе просто, не так ли? Если ваша почва год от года улучшается: становится темнее, приобретает приятную комковатую структуру, лучше держит влагу, – значит, в ней активно накапливается гумус. А гумус невозможен без азота. Следовательно, сам факт улучшения качества вашей почвы – это прямое и неоспоримое доказательство того, что невидимые труженики-диазотрофы активно работают, снабжая вашу экосистему бесплатным азотом из воздуха. Но, к сожалению, существует очень простой и распространенный способ всё испортить и поломать этот отлаженный природой механизм.
Как мы сами себе перекрываем Кислород
Мы только что узнали, что Природа создала гениальный и самодостаточный механизм обеспечения растений азотом. В этом механизме ключевую роль играют микробы-диазотрофы, которые трудятся в особых микроаэробных условиях – внутри ризосферных чехликов и почвенных агрегатов. Но что происходит, когда мы вмешиваемся в этот тонкий процесс с нашими "продвинутыми" агротехнологиями и химическими удобрениями? Доктор Кристин Джонс раскрывает печальную правду.
Плохая новость заключается в том, что и образование ризосферных чехликов на корнях наших культурных растений, и формирование водостойких почвенных агрегатов активно подавляется при использовании высококонцентрированных неорганических азотных удобрений.
Что я конкретно имею в виду под неорганическими азотными удобрениями?
Я говорю о таких широко распространенных продуктах, как удобрения, содержащие нитраты (например, аммиачная селитра), аммоний (например, сульфат аммония), а также такие вещества, как безводный аммиак или мочевина (карбамид).
В общем, всё, что содержит любую форму нитратного (NO3-) или аммонийного (NH4+) азота, будет считаться неорганическим азотным удобрением.
И если вносится большое количество такого удобрения — а я обязательно уточню в конце, что именно я подразумеваю под "большим количеством", потому что, на самом деле, небольшое количество может оказывать даже стимулирующее действие, это один из тех случаев, где концентрация имеет решающее значение.
Однако, если люди используют действительно большие дозы (а я считаю, что всё, что превышает 56 кг действующего вещества N на гектар — это уже однозначно слишком много), то такое внесение будет фактически подавлять и образование ризосферных чехликов, и формирование водостойких агрегатов.
А раз так, то и естественная фиксация азота свободноживущими бактериями и археями в этих условиях происходить не сможет.
Другими словами, чем больше мы используем синтетических азотных удобрений, тем больше мы теряем способность нашей почвы к естественной, природной фиксации азота из воздуха. Этому существует множество убедительных научных доказательств.
Вот он, корень зла! Используя большие дозы синтетического азота, мы своими руками разрушаем те самые микро-убежища (ризосферные чехлики и почвенные агрегаты), где могли бы бесплатно трудиться на наше благо помощники-диазотрофы.
Мы сами отключаем естественный природный механизм и попадаем в стойкую зависимость от покупных удобрений. Это классический порочный круг: чем больше мы вносим химии, тем хуже работает природная система, и тем больше нам кажется, что нужно вносить еще и еще. Кристин также указывает на серьезную системную проблему с научными исследованиями в этой области.
Представьте себе парадоксальную ситуацию. Ежегодно в мире тратятся колоссальные суммы — миллионы на научные исследования азота в почве и более ста миллиардов долларов фермерами на закупку азотных удобрений. Казалось бы, мы должны досконально понимать, как работает азот. Но вот в чем проблема:
Подавляющее большинство этих исследований, как и само применение удобрений, происходит в условиях, которые намеренно или неосознанно подавляют естественные механизмы азотного питания. То есть, наука изучает азот в системах, где природные азотфиксирующие бактерии и археи (те самые микробы, что берут азот из воздуха бесплатно) просто не могут нормально жить и работать из-за избытка химических удобрений, использования "мертвой" почвы из лаборатории или из-за отсутствия разнообразия растений (монокультуры).
К чему это приводит?
Когда вы читаете типичную научную статью об азоте, основанную на таких экспериментах, нужно понимать: её выводы практически не применимы к реальной, живой, здоровой почве. Это все равно что изучать поведение рыбы на суше и пытаться по этим данным понять, как она плавает в океане. Условия эксперимента настолько далеки от природных, что результаты описывают искусственную систему, а не то, как азот работает в гармонии с природой.
Печальный итог:
Огромная часть накопленных знаний об азоте в сельском хозяйстве, возможно, не просто бесполезна, а даже вводит нас в заблуждение, если мы хотим восстановить естественное плодородие. Мы изучали "больную" систему и пытались лечить её симптомы химией, вместо того чтобы понять, как работает "здоровая".
Что же делать?
Нам необходим новый взгляд, свежий старт. Нужно вернуться к изучению реально работающих, здоровых экосистем: почв с активной микрофлорой, с разнообразными сообществами растений. Только так мы сможем по-настоящему понять естественные процессы азотного цикла и научиться работать вместе с Природой, а не против неё.
Это поистине шокирующее заявление! Получается, что огромная часть агрохимической науки об азоте десятилетиями изучает искусственные, заведомо нездоровые, нарушенные системы, а затем пытается применить полученные выводы к живой, сложной природной среде.
Неудивительно, что такой подход завел нас в тупик. Нам нужно смотреть на реальные, живые, функционирующие системы. И Кристин показывает нам очень наглядные примеры того, как это выглядит в жизни.
Я уже демонстрировала эту фотографию на прошлой или позапрошлой неделе. Вот что многие учёные обычно видят, когда изучают растения в контролируемых условиях теплицы или лаборатории. Они видят растения вот с такими идеально чистыми, белыми корнями.
Это немедленно говорит нам о том, что они не смотрят на растения в той ситуации, которая будет поддерживать активную деятельность свободноживущих азотфиксирующих бактерий и архей.
Почему?
Потому что в такой стерильной среде просто нет подходящего места, где фермент нитрогеназа — тот самый фермент, который преобразует атмосферный азот в доступную для растений форму, — могла бы нормально функционировать.
Помните, мы говорили, что она ингибируется кислородом. Так что, если мы видим такие чистые белые корни, без каких-либо признаков ризосферных чехликов, можно с уверенностью сказать, что никакой активной нитрогеназы там не будет.
А вот фотографии, сделанные непосредственно в полевых условиях. Это классическое сравнение "по линии забора". Слева – поле фермера, который использует азотные удобрения под посев овса. Справа – та же самая почва, та же культура (овес), посаженная в то же самое время, все остальные условия идентичны, но здесь фермер не использовал азотные удобрения.
Вы видите разительную разницу.
С одной стороны забора – совершенно голые, "отмытые" корни. Вокруг этих корней будет много кислорода, и свободноживущие азотфиксирующие бактерии никак не смогут помочь этому урожаю получить азот из воздуха.
Справа же мы видим активное формирование почвенных агрегатов прямо вокруг корней. Вы также легко заметите на этой фотографии тонкие нити грибных гиф, а грибы, как мы увидим, играют здесь чрезвычайно важную роль.
Это ассоциированные с растениями грибы, поддерживаемые через так называемый грибной энергетический канал. Они критически важны для создания той самой структуры в почве, которая необходима для эффективной фиксации азота свободноживущими бактериями.
Разница действительно поразительная, не так ли? Слева мы видим "стерильные", голые корни, неспособные к самостоятельному обеспечению азотом из воздуха. Справа – корни, плотно окутанные почвой, с хорошо заметными агрегатами и сетью грибных нитей – это живая, активно работающая система азотфиксации. Но самый яркий и убедительный пример вреда синтетического азота Кристин довелось увидеть во время поездки в Финляндию.
Вот случай, который действительно чрезвычайно ясно донес до меня всю суть проблемы с азотными удобрениями. Это фермеры Сара и Илка в Финляндии. Они находились в процессе перевода своей фермы на органическое земледелие и проводили полевое испытание около 20 различных органических удобрений, все они были на основе углерода, вроде разных видов компоста.
Мы выкапывали растения пшеницы, чтобы посмотреть, как эти различные биологические удобрения влияют на формирование ризосферных чехликов на корнях растений.
И мы обнаружили совершенно поразительную картину: на каждом из 20 опытных участков, которые мы обследовали, были прекрасные, хорошо развитые ризосферные чехлики на придаточных корнях, которые отрастали от узла кущения растений, то есть выше семени. Но ниже уровня залегания семени все корни были абсолютно белыми и чистыми, и к ним совершенно не прилипала почва!
Вот здесь видно семя пшеницы, и вот здесь. И от него вниз уходят эти удивительно чистые, белые первичные (или семенные) корни. Мы не мыли эти растения, мы просто аккуратно выкопали их и стряхнули рыхлую почву. А выше уровня семени – эти прекрасные, плотные ризосферные чехлики на придаточных корнях. Такого я раньше никогда в жизни не видела!
Вот еще одно растение для наглядности: семя находится здесь, ниже него – невероятно чистые белые корни, а здесь, выше – прекрасные ризосферные чехлики. И всё это на одном и том же растении!
Я была совершенно озадачена и сбита с толку. Не могла понять, в чём же дело, ведь я знала, что они переходят на органику, и была уверена, что они не будут использовать синтетические азотные удобрения. Мы вернулись в дом, пообедали, обсудили увиденное. И в конце концов я не выдержала и спросила Сару: «Слушай, вы ведь точно не использовали здесь никаких азотных удобрений, правда?» А она ответила: «О, да, конечно! Учёный, который помогал нам ставить этот опыт и проводить исследование таким образом, чтобы получить статистически значимые результаты, сказал нам, что, поскольку используемые нами биологические удобрения (различные виды компоста) имеют разное соотношение углерода к азоту, то чтобы исключить этот фактор из эксперимента и выровнять условия, нам необходимо было внести одинаковое количество азота на все участки».
Так что на все 20 опытных делянок было внесено 80 единиц N [что эквивалентно примерно 80 кг чистого азота на гектар] прямо под семена при посеве.
Так что, если вы когда-нибудь захотите своими глазами увидеть, что делает азот, внесённый под семена, с корнями пшеницы, – вот вам нагляднейший пример. Абсолютная классика жанра! Вот уровень залегания семян, азот был внесён прямо под них. В этой зоне никакой возможности для естественной фиксации азота нет и быть не может. Но выше, где придаточные корни уже вступают в контакт с различными видами органического компоста, которые они использовали в опыте, – там формируются прекрасные ризосферные чехлики.
И внутри этих чехликов будут активно жить и работать свободноживущие азотфиксаторы, потому что там создается та самая микроаэробная среда с низким парциальным давлением кислорода. И можно с уверенностью сказать, что если бы азот не был внесён под эти семена, то такие же ризосферные чехлики сформировались бы и на этих нижних, семенных корнях тоже.
Какая невероятная и поучительная история! Она как нельзя лучше иллюстрирует губительное, подавляющее влияние концентрированного неорганического азота на корневую систему растений и на естественные микробиологические процессы в почве. Даже при использовании замечательных органических удобрений, всего одна доза синтетического азота, внесенная под семя, полностью "выключила" всю нижнюю часть корневой системы из процесса естественного азотного питания.
Это мощнейший визуальный аргумент против бездумного и рутинного применения агрохимии. Но как же всё-таки работает эта удивительная естественная система, которую мы так легко разрушаем? Оказывается, ключевую роль здесь играют не только бактерии, но и грибы.
Грибная паутина Жизни
Мы уже увидели, как внесение синтетического азота мешает корням растений формировать ризосферные чехлики – те самые уютные "убежища" для азотфиксирующих бактерий.
Но возникает вопрос: откуда эти бактерии получают энергию для своей сложной и энергозатратной работы по фиксации азота? И как именно азот, который они фиксируют из воздуха, попадает к растению-хозяину? Здесь на сцену выходит еще один важнейший, хотя и часто недооцениваемый, игрок почвенной экосистемы – грибы.
В своей лекции «Секреты почвенного социобиома», я уже говорила о так называемом грибном энергетическом канале и показывала вот эту фотографию. Кажется, я показываю её практически каждый раз!
Может быть, покажу и на следующей неделе, настолько она мне нравится и так хорошо иллюстрирует суть процесса.
Слева мы видим корень растения, справа – частицы почвы. Это примерно то, что мы увидели бы, если бы нам удалось заглянуть под мощным микроскопом внутрь ризосферного чехлика. Мы бы увидели всю эту сложную сеть грибов, эти тончайшие грибные гифы, которые тянутся от поверхности корня растения к отдельным частицам почвы, слипшимся в этом чехлике.
И, конечно же, эти гифы активно помогают связывать частицы почвы, прилипшие к корням, чтобы создать и укрепить сам этот чехлик.
Но что еще важнее, пространство внутри этого плотного чехлика – это как раз та самая среда с пониженным содержанием кислорода. Здесь будет поддерживаться низкое парциальное давление кислорода. И именно здесь будут обитать буквально триллионы бактерий и архей, питающихся корневыми выделениями растения (эксудатами), а некоторые из них даже будут образовывать целые биоплёнки прямо на поверхности гиф этих грибов.
Это чрезвычайно богатая и благоприятная среда для жизни и работы свободноживущих азотфиксаторов.
Подумайте вот над чем: у нас в агрономическом сообществе прочно укоренилось убеждение, что, во-первых, мы обязательно должны добавлять азот для нормального роста растений, потому что мы знаем, что он им жизненно необходим. И, во-вторых, что бобовые – это якобы единственные растения, которые способны формировать взаимовыгодные отношения с азотфиксирующими бактериями. Но если немного задуматься, то станет очевидно: если бы только бобовые могли устанавливать такие отношения с азотфиксирующими бактериями, то, по логике вещей, они были бы почти единственными растениями на нашей планете, потому что никакие другие растения просто не смогли бы выжить без азота.
А ведь мы можем отправиться во множество природных экосистем, посмотреть на их пышное растительное сообщество и не увидеть там ни одного бобового растения, при этом всё остальное прекрасно зеленеет, растет и размножается.
Очевидно, что каждое зелёное растение на Земле обладает врожденной способностью формировать тесные взаимоотношения со свободноживущими азотфиксирующими бактериями. Иначе оно просто не могло бы быть зелёным! Ведь пигмент хлорофилл, который и придает растению зелёный цвет, на самом деле является неотъемлемой частью сложного белкового комплекса. Растение физически не может быть зелёным и содержать хлорофилл, если оно не способно каким-то образом получить азот для синтеза этих белков.
И растение получает этот необходимый азот именно через микробных посредников, которым, в свою очередь, нужна совершенно особая, специализированная среда для процветания. Им нужна среда, куда постоянно поступает много легкодоступной энергии, и эта энергия будет поступать преимущественно через грибной энергетический канал, питаемый корневыми выделениями самих растений.
И им также нужна какая-то физическая структура, вроде плотного ризосферного чехлика или стабильного водостойкого агрегата, который поддерживается и пронизывается корнями. То есть, тонкие питающие корешки должны активно врастать в этот агрегат и фактически строить его изнутри. Вот в таких благоприятных условиях растение сможет получить практически весь необходимый ему азот из атмосферы совершенно бесплатно.
Это кардинально меняет наш взгляд на вещи! Выходит, не только бобовые, но абсолютно все зелёные растения нуждаются в азоте и, следовательно, должны обладать способностью сотрудничать с азотфиксирующими микроорганизмами. А грибы выступают в этой системе как незаменимое связующее звено: они не только помогают построить "дом" для бактерий (ризосферные чехлики и агрегаты) и создать там подходящие условия (мало кислорода), но их роль оказывается еще важнее – они служат уникальной транспортной системой для энергии и питательных веществ.
Я, кажется, уже использовала и этот слайд на прошлой неделе. Коричневая полоска в центре – это схематическое изображение корня растения, а вся эта сложная кремовая сеть вокруг него – это гифы, в данном конкретном случае эктомикоризных грибов.
Но важно понимать, что в почве существует огромное количество и других грибов, которые мы не всегда можем увидеть невооруженным глазом или даже под обычным микроскопом, но именно так будет выглядеть здоровая почва, когда грибной энергетический канал полностью открыт и активно функционирует.
Эти грибы, точнее, их тончайшие гифы, будут забирать энергию, полученную растением в результате фотосинтеза, которую растение направило к своим корням и активно "выкачивает" в окружающий почвенный социобиом именно через эти грибные гифы. Они будут доставлять эту ценную энергию (в виде сахаров) к колониям бактерий и архей, способных фиксировать атмосферный азот, обитающих в защищенной среде водостойких почвенных агрегатов.
Таким образом, ассоциированные с растениями грибы, формирующие этот грибной энергетический канал, будут транспортировать энергию к азотфиксирующим бактериям и археям (потому что, не забывайте, производство сложного фермента нитрогеназы и сам процесс разрыва прочной тройной связи в молекуле N2 требуют довольно значительных энергетических затрат), а также будут транспортировать уже связанный органический азот обратно к корням растений.
Кстати, возникал вопрос, способны ли сами грибы фиксировать атмосферный азот? Ответ – однозначно нет.
Но грибы, ассоциированные с растениями (микоризные и другие), играют критически важную роль в доставке азота растениям, и они будут доставлять его преимущественно в органической форме. Они будут приносить его растению в виде готовых аминокислот, потому что это самый эффективный с точки зрения затрат энергии способ транспортировки азота на дальние расстояния.
А уже внутри самого растения оно может очень легко и с минимальными энергозатратами собрать из этих готовых аминокислот все необходимые ему полноценные белки. Растению не требуется тратить много собственной энергии, чтобы синтезировать белки из уже готовых аминокислот.
Если же растение вынуждено довольствоваться неорганическим азотом, получаемым из нитратов или аммония, – как это утверждается во многих учебниках по физиологии растений, – то, согласно этим источникам, усвоение азота в форме нитратов является для растений приоритетным, а аммоний рассматривается как менее предпочтительный, но все же приемлемый вариант.
На самом деле это совсем не так.
Этот вывод был сделан лишь потому, что большинство исследований проводилось в искусственных средах, где у растений, по сути, не было никаких других доступных вариантов азотного питания.
Так вот, если растение поглощает неорганический азот и транспортирует его в свои листья и стебли, ему затем приходится производить гораздо больше углеводов (сахаров) в процессе фотосинтеза, чтобы добавить их к этому неорганическому азоту и преобразовать его сначала в аминокислоты, а затем уже в белок.
Это представляет собой огромные метаболические затраты для растения – превратить неорганический азот в полноценный белок. И зачастую растения просто не способны справиться с этой задачей эффективно. Тогда избыточный азот так и остается в неорганической форме (в виде нитратов) в тканях растений, и именно тогда у нас возникают серьезные проблемы с нитратным отравлением скота или даже метаболические нарушения у животных от потребления кормов с очень высоким содержанием нитратов.
Нам совершенно не нужны избыточные нитраты ни в почве, ни в растениях, ни в кормах для наших животных, ни тем более в питьевой воде. И самый надежный способ избежать их появления во всех этих средах – это просто не использовать их в первую очередь в виде концентрированных удобрений.
Если мы поддерживаем здоровый грибной энергетический канал и весь почвенный социобиом, то хотя бактерии и археи первоначально будут фиксировать азот в виде аммиака (NH3), а затем очень быстро преобразовывать его в ион аммония (NH4+), он затем немедленно будет включен в микробную биомассу, превращен в аминокислоты и доставлен растению в органической форме.
Какая поразительно элегантная и эффективная система! Растение через своих партнеров-грибов "кормит" энергией (сахарами, полученными при фотосинтезе) азотфиксирующие бактерии, а те в ответ поставляют растению уже готовые "строительные блоки" для белков – аминокислоты.
Это можно сравнить с тем, как если бы вам на стройку доставляли не отдельные кирпичи, цемент и песок, а уже готовые стеновые панели – бери и собирай дом! Усвоение же неорганического азота из удобрений, напротив, требует от растения огромных дополнительных усилий и энергии, и часто оно просто не справляется с этой задачей, накапливая в своих тканях вредные нитраты. Это, кстати, прекрасно объясняет, почему стандартные почвенные или листовые тесты могут показывать дефицит азота, а растения при этом выглядят здоровыми и прекрасно плодоносят.
Так вот, основываясь на результатах стандартного почвенного теста или анализа листовой ткани, специалисты в лаборатории, анализируя растения из здоровой, биологически активной системы, сказали бы, что это растение не способно ничего произвести, что оно испытывает острый дефицит азота.
И тем не менее, именно такие растения зачастую будут иметь одни из самых высоких показателей урожайности зерна в округе и самое высокое содержание белка в этом зерне во всем регионе.
А всё потому, что как в почве, так и в самом растении, азот преимущественно пребывает в органической форме: в виде аминокислот, пептидов и белков, входящих в состав микробной биомассы и гумусовых соединений.
В таком виде азот надежно защищен от вымывания дождями и не улетучивается в атмосферу. Он отличается стабильностью и умеренной подвижностью, перемещаясь лишь тогда, когда грибные гифы целенаправленно доставляют его туда, где он необходим растению.
Именно такую форму азота мы стремимся поддерживать во всей нашей агроэкосистеме. И это станет естественным процессом, если мы, как фермеры или садоводы, сосредоточимся на поддержании этого грибного энергетического канала, создавая оптимальные условия для процветания грибов и связанных с ними микроорганизмов.
Вывод напрашивается сам собой: нам нужно сосредоточить свои усилия не на бесконечном внесении неорганики, а на всемерной поддержке живой системы почвы, особенно её грибного компонента. Грибы – это действительно ключ к эффективному, безопасному и устойчивому азотному питанию и, как следствие, к здоровью и продуктивности наших растений. Но эта сложная система работает наилучшим образом не в одиночку, а только в слаженной команде.
Продолжение статьи. Азот: Обоюдоострый меч II. Кристин Джонс
Создано по материалам лекции The Nitrogen Solution with Dr. Christine Jones