Насколько велика роль микроорганизмов в сельском хозяйстве, свидетельствует необычайное свойство микробов улучшать состав почвы, способствовать быстрому росту растений, повышать урожайность самых разнообразных сельскохозяйственных культур. Микробы «борются» с болезнями растений, они «вылечивают» от неминуемой гибели ценные культурные растения, а также большие массивы хвойных лесов. Силосование кормов для питания животных — это тоже «работа» невидимок, да и многое-многое другое — это ежесекундная деятельность наших друзей и врагов. Создание почвенного плодородия немыслимо без участия микроорганизмов. Общая масса живых организмов, состоящая из клеток бактерий, актиномицетов, дрожжей, грибов, водорослей, достигает от 3 до 15 т/га. Огромная масса этих существ находится в почве в постоянной деятельности и производит колоссальную биохимическую работу. В общей сложности до 1 % почвенного органического вещества состоит из клеток разных микроорганизмов. Деятельность микробов очень активна: они выделяют различные ферменты и продукты обмена, которые резко меняют состав почвы. Очень много микроорганизмов около корней растений и на погибших почвенных животных.
Микроорганизмы почвы — санитары, они, как уже упоминалось, перерабатывают органические соединения и очищают нашу Землю от животных и растительных остатков.
Органические вещества минерализуются микробами до простых соединений, которые могут усваиваться растениями. Микробы не только разлагают органические и минеральные вещества, но и образуют новые: в частности, ферменты, витамины, ауксины и антибиотики, токсины и аминокислоты, гиббереллины и многие другие соединения, обеспечивающие плодородие почв. Велика роль микроорганизмов в развитии высших растений. Одни микробы способствуют их росту, другие — являются антагонистами фитопатогенных бактерий (грибов) и простейших, защищают растения от инфекций, третьи — образуют ядовитые вещества и подавляют рост и развитие. Обычно в ухоженных почвах число микроорганизмов в 2—10 раз выше, чем в целинных. Внесение органических удобрений, в частности, навоза, благоприятно действует на микроорганизмы. В качестве органического удобрения часто используют торф, зеленые удобрения (запахивание в почву зеленых растений, которые минерализуются). В Советском Союзе вопросами сельскохозяйственной микробиологии занимаются многочисленные отраслевые научно-исследовательские институты. В высших учебных заведениях готовят кадры высококвалифицированных агрономов, биологов, микробиологов, которые решают самые разнообразные актуальные проблемы, связанные с повышением урожайности сельскохозяйственных культур.
Большое внимание ученые (фитопатологи) обращают на борьбу с инфекционными болезнями растений, вызываемыми различными микробами — бактериями и грибами. Развитие многих болезней растений удалось ликвидировать, используя различные методы борьбы с инфекцией.
Плодородие почвы и ее свойства связаны с образованием перегноя или гумуса, количество которого сильно колеблется в зависимости от наличия в почве растительности, а также условии их переработки микроорганизмами. Нужно отметить, что микробы являются «строителями» почвы на Земле. Все почвы образовались из выходящих на поверхность горных пород, которые подвергались активной деятельности микроорганизмов как путем механического разрушения, так и в результате выделения химических соединений.
На материнских горных породах первыми поселенцами были накипные лишайники в симбиозе с сапрофитными бактериями, нитрифицирующие бактерии, микроскопические водоросли. Поселяясь на горных породах, лишайники и водоросли способствуют развитию большого числа самых разнообразных бактерий и грибов. Микробы выделяют разные соединения: минеральные и органические кислоты, углекислый газ, некоторые кетокислоты, способствующие процессу выветривания горных пород и образованию почв. Почвы характеризуются своеобразным микробным миром, который является чутким индикатором внешней среды. С первых этапов развития почвообразовательных процессов начинает накапливаться ценная часть почвы — перегной или гумус.
Гумус составляет 85—90% всей массы органического вещества почвы, он содержит очень много сложных высокомолекулярных соединений, в том числе азот, фосфор и ряд других элементов, а в его образовании микробы принимают самое деятельное участие. Гумус улучшает структуру почвы, делая последнюю более рыхлой, задерживает влагу и представляет собой запас медленно освобождающихся органических питательных веществ для микроорганизмов и растений. Содержание гумуса в различных почвах сильно колеблется. Значительные запасы образуются в черноземах при среднем количестве микроорганизмов и при накоплении большого количества растительных остатков.
Большинство почвенных микроорганизмов живет в верхних слоях почвы на глубине нескольких сантиметров или нескольких десятков сантиметров. Положительное действие на развитие почвенных микробов оказывают обработка почвы, внесение удобрений, известкование и орошение — одним словом, агромероприятия. Чтобы урожаи были хорошими, в почву вносят органические (навоз) и минеральные (фосфорные и калийные) удобрения. Повышение эффективности использования удобрений приобретает большое значение в связи с дальнейшим, предусмотренным на одиннадцатую пятилетку увеличением химизации сельского хозяйства.
В настоящее время только 50—60% вносимого в почву азота и не более 20—30% фосфора усваивается растениями, а потери азота могут достигать 20—30% его количества, вносимого с удобрениями.
Каким образом удержать азотные удобрения в почве и предотвратить их потери? Несмотря на то, что мы увеличиваем внесение в почву минеральных удобрений, почвенные микроорганизмы остаются основными поставщиками корневого питания растений. Во всем мире промышленностью производится около 50 млн. т минеральных удобрений (связанного азота), наше сельское хозяйство получает азота 8—9 млн. т в год в виде минеральных удобрений. По расчетам Института микробиологии АН СССР и ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, микроорганизмы почвы фиксируют из воздуха ежегодно до 5 млн. т связанного азота. Это огромное количество, необходимое для питания растений, микробы поставляют, используя инертный газ азот и переводя его в полезное органическое соединение. К тому же «микробиологический азот» в отличие от азотных удобрений почти не загрязняет окружающую среду.
Микробы почвы очень разнообразны, как уже говорилось, они участвуют в круговороте азота, углерода, серы, фосфора и других элементов. Большая группа микробов усваивает молекулярный азот — это особая группа азотфиксаторов. Они чрезвычайно разнообразны и многочисленны. Сюда входят бактерии, актиномицеты, водоросли, дрожжи, фотосинтезирующие пурпурные и зеленые бактерии. Многие бактерии (клубеньковые) живут в симбиозе с растениями (бобовые), вызывая образование на их корнях особых разрастаний в виде клубеньков. Клубеньки содержат бактерии, которые, «глотая» азот воздуха, переводят его в белковые соединения и таким образом обогащают растения и почву ценным белком. Из клубеньковых бактерий производится биологический препарат нитрагин, а на основе торфа — ризоторфин. При внесении их под сою, люпин, люцерну, кормовые бобы прибавка урожая достигает в среднем 30—60 ц/га зеленой массы. Очень важно, чтобы препарат из клубеньковых бактерий был свежим и выделен из ризосферы растений, которые предполагается посеять.
Многие сельскохозяйственные культуры при посеве вместе с бобовыми (например, рожь с викой или кукуруза с клевером) дают значительно более высокие урожаи, чем при чистом посеве. В плодородных почвах широко распространены нитрифицирующие бактерии, способные вызывать нитрификацию, т. е. окислять аммиак в нитриты, а нитриты — в нитраты. Это своеобразные бактерии (Нитрозоманс, Нитробактер), открытые С. Н. Виноградским, играют важную роль в круговороте азота, так как нитраты являются питательными веществами для высших растений. Интересно, что одновременно с наличием в почве микробов, окисляющих аммиак в органический азот, происходит обратное явление — так называемая денитрификация, когда особая группа микробов переводит нитраты в нитриты, а затем в газообразный азот и аммиак.
Происходит выделение аммиака в атмосферу, почва теряет связанный азот. Низкое плодородие влажных почв частично можно объяснить восстановлением нитратов различными видами клостридиума. Образующийся азот улетучивается в атмосферу, но и этот процесс необходим для обеспечения равновесия круговорота азота в природе. Колоссальная работа «невидимок» в почве связана и с размножением органических азотистых соединений до простых веществ с выделением аммиака. Этот процесс называется аммонификацией. Микроорганизмы усваивают для своей жизнедеятельности продукты распада белков, аминокислоты, многие используют мочевину. Часть в виде аммиака улетучивается в атмосферу, что крайне важно для круговорота. Находящиеся в почве соединения углерода (крахмал, пектиновые вещества, клетчатка, лигнин) преимущественно разрушаются под влиянием работы «невидимок».
Все эти углеродные вещества образуются в больших количествах растениями: особенно трудно разлагаются пектиновые, или межклеточные, вещества различных растений. Существуют пектинразлагающие микроорганизмы, на деятельности которых основана так называемая мочка льна и конопли. Для ускорения отделения лубяных волокон от кожицы в настоящее время применяют обработку специальными бактериями (Пектинобактер амиловорум), которые в присутствии кислорода быстро выделяют специальные пектолитические ферменты.
Особые микроорганизмы разлагают до глюкозы и другое очень стойкое углеродистое образование — целлюлозу, составляющую 45—80% сухой массы растений. Это явление имеет очень большое биологическое значение так как массовое разложение растительных устойчивых веществ способствует круговороту углерода, поскольку целлюлоза составляет более 50% всего органического углерода биосферы. Микробы способны разрушать и углеводороды нефти, каучука, парафина, они подвергают их превращению в такие газы, как метан, этан, пропан, бутан. Существуют специальные метаноокисляющие бактерии, имеющие промышленное значение для разведки горючих газов и нефти, для борьбы со скоплением метана в шахтах. К тому же микробы, усваивающие нефть и газообразные углероды, используются для получения кормового белка (например, дрожжи в промышленном масштабе выращивают на этих соединениях).
В нашей стране создана мощная микробиологическая промышленность, в результате появилась возможность выращивать в заводских условиях наиболее деятельные разновидности микроорганизмов, с тем чтобы, внося их в почву, умножать силу незримой армии плодородия. В настоящее время налажено промышленное производство бактериальных удобрений (азотобактерин, нитрагин), которые обеспечивают фиксацию атмосферного азота, улучшают усвоение растениями минеральных солей. Такой землеудобрительный препарат, как фосфоробактерин способствует разрушению фосфороорганических соединений и переводит их в доступную растениям форму. Препарат АМБ применяется для повышения урожайности окультуриваемых северных почв, где очень слабо протекают микробиологические процессы. Он готовится на торфе с добавлением известковой муки.
При посадке саженцев древесных пород очень хорошие результаты получаются при использовании чистых культур — грибов микоризообразователей, или, как говорят, при микоризации растений. Грибы выделяют протеолитические ферменты и тем самым разлагают стойкие органические соединения до аммиака в непосредственной близости от корней, создавая тем самым благоприятные условия для питания растений. Микроорганизмы вырабатывают и особые активные вещества, в том числе ростовые — гиббереллины (по названию гриба Гибберелла фуикнори). Замечательное свойство гиббереллинов — их способность ускорять рост и развитие растений, что приводит к раннему цветению и образованию плодов, а потому и к повышенной урожайности сельскохозяйственных культур. Обычно гиббереллинами обрабатывают семена, опрыскивая водным раствором (от 1 до 100 мг вещества на 1 л воды).
Многие микроорганизмы и растения образуют биологически активные соединения, относящиеся к гетероауксинам (это В-индоллилуксусная кислота), которые применяют для ускорения образования корней у черенков и для более быстрого их укоренения. На поверхности надземных частей растений (листьях, стволах, цветках) находится эпифитная микрофлора, которая не типична и не зависит от вида растений и его географического произрастания. Какую же роль играют эти микроорганизмы в жизни растений?
Это воздействие может быть очень разнообразным в зависимости от окружающих условий. Размножаясь на поверхности растений, они создают барьер, препятствующий проникновению паразитов в ткани растений. Усиливая размножение эпифитной микрофлоры, можно бороться с некоторыми болезнями растений, поскольку она образует антимикробные вещества. Большую роль эпифитные микроорганизмы играют при хранении зерна и семян. Влажность семян и температура окружающей среды могут быть причиной многих инфекционных болезней различных сельскохозяйственных культур. Это приносит огромный убыток из-за потерь урожая. Инфекционные болезни растений могут вызываться грибами, бактериями, вирусами, цветковыми паразитами. Организмы, вызывающие их, называются фитопатогенными.
Большое разнообразие симптомов вызывают грибы, затем бактерии, вирусы, факторы неживой природы и, наконец, цветковые паразиты, которые отнимают у растений воду, в результате теряется их тургор (происходит увядание) — первичный патологический симптом, вызываемый у растений возбудителями гнили. Следующий тип — некрозы (отмирание отдельных участков ткани). Некрозы могут быть местными и возникшими вследствие общего поражения растений, например, при вертициллезном увядании хлопчатника. Некроз цветков, ветвей и целых листьев называют ожогом (например, бактериальный ожог плодовых деревьев, грибной ожог косточковых и т. п.). Близко к некрозам стоят пустулы — это разрыв эпидермиса и выход через него спороношений грибов-паразитов. В случае налетов гриб образует на листьях скопления мицелия мучнисторосяных грибов. При вирусных инфекциях растений, помимо некротических пятнистостей, могут появляться хлорозы и мозаики, листья скручиваются, деформируются. В некоторых случаях возможны поражения сосудистой системы растений, сопровождающиеся их увяданием. Непосредственная причина образования опухолей — увеличение числа клеток или увеличение объема их в том месте, куда проник паразит или продукты его жизнедеятельности.
Очень часто на растениях один и тот же возбудитель дает различные патологические изменения. Например, возбудитель черного рака плодовых деревьев вызывает некроз коры, пятнистость листьев и гниль плодов.
Источником заражения растений грибами и бактериями могут быть семена, растительные остатки, посадочный материал (черенки, саженцы) и почва. Наибольшую роль в распространении вирусов играют насекомые, в основном сосущие (клопы, тли, цикады, клещи). Например, персиковая тля переносит 21 вирус, а желтуху лука переносят 53 вида тлей. Цикады — обычно строго специфические переносчики. Закукливание злаков передается только темной цикадой, а мозаика пшениц — полосатой. Обычное место перезимовки вирусов — многолетние растения, озимые посевы и насекомые. Борьба с фитопатогенными бактериями и вирусами ведется в различных направлениях. Это обеззараживание семян химикатами и антибиотиками, опрыскивание растений антибактериальными препаратами, агротехнические мероприятия, повышающие устойчивость растений. Большое значение имеет культивирование устойчивых сортов сельскохозяйственных культур, невосприимчивых к наиболее распространенным болезням.
Биологические способы борьбы с болезнями сельскохозяйственных растений оттеснили на задний план химические препараты, применяемые в этом случае. Выяснилось, что систематическое использование пестицидов приводит к массовому истреблению наряду с вредными насекомыми многих полезных энтомопатогенных микробов, которые сдерживают размножение вредителей.
Кроме того, стойкие пестициды, накапливаясь в растениях, организмах теплокровных и даже в почве, приносят вред всему живому. Наиболее широко из биологических методов используется микробный препарат энтобактерин. Первые образцы были испытаны в 1955 г. на яблоневой моле, капустной белянке и др. Смертность вредителей на вторые сутки достигла 96,8%.
Микробные препараты поражают вредителей растений, но для человека они совершенно безвредны. На основе культуры Бациллюс турингиенсис организовано промышленное производство энтобактерина и дендробациллина, предложен новый препарат — битоксибациллин и др.
Внутри клетки микроба находятся особые белковые кристаллы, содержащие сильные токсины, которые способны вызывать гибель вредителей лесных и сельскохозяйственных культур.
Энтобактерин выпускается в жидком виде, а также в виде пасты и сухого порошка, содержащего в 1 г 30 млрд. спор энтопатогенных бактерий. При опрыскивании или опылении больных растений насекомые-вредители, поглощая споры микробов, заболевают, так как микробы, проникая в их организм, размножаются, а их токсины приводят к гибели 90% насекомых (капустная совка, яблоневая моль, листовертка и др.).
Энтобактерин применяется против вредных насекомых, поражающих широкий круг различных растений. Его используют для борьбы более чем с 60 вредителями сельскохозяйственных растений, плодовых культур, а также лиственных и хвойных массивов. Важно применять препарат в определенный срок вегетации растений с учетом нормы расхода (не менее 2—5 кг/га). Энтобактерин уничтожает вредителей в их личиночной стадии независимо от возраста, однако младшие возрасты (II и III) погибают в первую очередь. Будучи нанесенным на растения в виде суспензии, он сохраняет активность в течение 12—15 дней, затем активность его снижается, но не теряется в течение полутора и более месяцев.
Бактериальный препарат инсектин широко используется для борьбы с непарным и сибирским шелкопрядом и другими злостными вредителями, уничтожающими лесные массивы, что приносит ощутимый урон лесному хозяйству страны. Для борьбы с колорадским жуком — большим вредителем плодовых культур и молодых лесных посадок — применяется препарат боверин, получаемый из грибов.
Из бактерии Сальмонелла ентеридис разработан препарат бактероденцид, используемый для уничтожения грызунов. В борьбе с вредными насекомыми более эффективно использование вирусов, вызывающих их массовую гибель. В нашей стране разработано два энтомопатогенных препарата на основе вирусов ядерного полиэдроза для борьбы с непарным шелкопрядом и капустной совкой, Изыскания новых микробиологических средств борьбы с насекомыми-вредителями довольно успешно ведутся во многих странах. Особый интерес представляют энтомопатогенные вирусы (вирус ядерного полиэдроза), уничтожающие походного соснового шелкопряда, соснового пилильщика, репную белянку и др. Однако массовое производство вирусных препаратов связано со значительными трудностями, поскольку вирус способен размножаться только внутри живого организма (в организме вредителя, против которого его предполагается применять). Поэтому для получения вирусной культуры в значительных размерах необходимо искусственно разводить в больших количествах самих насекомых-вредителей, а это связано с определенными технологическими трудностями.
К микробиологическим средствам борьбы с заболеваниями растений относятся препараты антибиотиков (бластицидин, касугамидин, полиоксид, целлоцидин), применяемые в виде опрыскивания или опыления. Эти препараты абсолютно безвредны для животных и растений, но вызывают гибель многих возбудителей заболеваний растений.
Микроорганизмы — причина некоторых заболеваний растений. Этому вопросу посвящены труды и публикации виднейших ученых. Значительный урон терпит сельское хозяйство от вирусных болезней (желтуха, вызывающая пожелтение и отмирание листьев, полосатость, курчавость и т. д.). Микробы являются причиной опухолевидных разрастаний, вызываемых бактерией Псевдомонас тумефасиенс, среди грибов много паразитов, которые наносят растениям всевозможные повреждения. Отсюда следует, что биологические способы лечения отдельных заболеваний растений заслуживают особого внимания и в недалеком будущем полностью вытеснят пестициды.
В сельском хозяйстве широко применяются кормовые добавки микробного происхождения. В нашей стране созданы биохимические заводы, на которых микробов «кормят» парафинами нефти и выделяют полноценный кормовой белок. Белки получают при выращивании дрожжевого гриба Торулопсис утилис на дешевом сырье: патоке, сульфатных щелоках с целлюлозных заводов, а также на отходах нефтяной промышленности. При росте и размножении в клетках дрожжей накапливаются белки и витамины, каждый килограмм сухой биомассы этого гриба содержит 500 г белка, 50 г жиров, и 0,5 г витаминов. На предприятиях микробиологической промышленности нашей страны вырабатывают большое количество белково-витаминных концентратов (БВК), исчисляемых в тысячах тонн кормовых дрожжей в год. В зерновых культурах, используемых для корма животным, не хватает незаменимых аминокислот (лизина, метионина, триптофана и др.). Организм животных при недостатке хотя бы одной из них не может полноценно усваивать белковые вещества. В результате на единицу продукции фермы расходуют в 1,5—2 раза больше зерна, чем требуется по норме.
Чтобы покрыть белковый дефицит, в корма добавляют рыбную, мясокостную муку, обезжиренное молоко, соевые шроты. Внесение микробной биомассы высвобождает и полностью заменяет традиционные белковые добавки. В 1980 г. страна выпустила более миллиона тонн сухих кормовых дрожжей, что позволило сбалансировать 20 млн. т комбикормов. Экономическая значимость микробиологической продукции колоссальна. Добавка 1 т дрожжей в рацион птиц позволяет получить дополнительно 1,5—2 т мяса или 25—35 тыс. яиц. Эта же тонна в свиноводстве высвобождает 3,5—5 т фуражного зерна. Потребности в микробном белке намного выше, чем нынешние возможности его производства. В перспективе необходимо довести ежегодный выпуск микробного белка до 11—12 млн. т, с тем чтобы полностью решить вопрос белкового обогащения фуражного зерна. В ближайшие годы резко увеличатся производственные мощности микробиологической промышленности и выпуск кормовых дрожжей превысит 2,3 млк. т. Производство лизина достигнет 32 тыс. т, кормовых антибиотиков — свыше 2 тыс. т. Источниками сырья для выращивания дрожжей будут служить низшие спирты и природный газ, а в производстве лизина — уксусная кислота.
Известно, что количество пахотных земель на душу населения во всем мире все время сокращается. Для того, чтобы произвести 2 млн. т растительного белка, нужно занять только бобовыми культурами около 2 млн. га пашни, а при использовании белка кормовых дрожжей нужна небольшая площадь для размещения промышленных предприятий.
Ценный источник белка, применяемый для скармливания животным и птицам, — зеленые водоросли. В Японии выращивают в водоемах водоросли хлореллы, выход белка был 15 725 кг/га в год. Такая же площадь травяного покрова дает лишь 673 кг белков, а при скармливании скоту трав с 1 га получают 101 кг белков в молоке и 61 кг в мясе. У нас в стране выращивают водоросли в промышленном масштабе в больших емкостях, оборудованных необходимыми приспособлениями для снабжения светом и углекислым газом. Так, в Туркменской ССР разрабатываются процессы и аппараты, предназначенные для выращивания в производственных условиях микроводорослей на корм скоту.
Микроорганизмы используются при силосовании (заквашивании) кормов. Ведь сам процесс закладки силосной массы — это способ консервирования зеленого корма, при котором растительная масса сохраняется во влажном состоянии. Зеленая масса кормов спрессовывается и помещается в ямы, траншеи или специальные сооружения (башни), корм подвергается брожению, приобретает кислый вкус, становится более мягким, но остается сочным и питательным. При силосовании кормов в них накапливаются кислоты в результате размножения и деятельности микробов-кислотообразователей, сбраживающих сахаристые вещества растений и превращающих их в кислоты. Основное участие в силосовании принимают молочнокислые бактерии, сбраживающие углеводы до молочной и частично уксусной кислоты, которые хорошо усваиваются организмом животного. Накопление кислот препятствует развитию гнилостных микробов, поскольку они не могут размножаться в среде с кислой реакцией. В силосе некоторая часть белка превращается в аминокислоты, что способствует большей его усвояемости, а наличие дрожжей приводит к накапливанию витаминов, необходимых животным. При закладке силоса целесообразно внесение заквасок молочнокислых бактерий, которые, усиленно размножаясь, проявляют свою полезную деятельность. Развитие животноводства крайне нуждается в расширении и правильной организации силосования кормов, тем более, что укрепление кормовой базы стоит в решениях задач Продовольственной программы нашей страны. Настало время резко увеличить выращивание фуражных кормовых культур, в частности, расширить посевы кукурузы на зерно, гороха, ячменя, овса. Вот тут-то и предстоит огромная работа наших друзей «невидимок», находящихся на поверхности растений и их корнях.
С созданием в стране микробиологической отрасли появилась возможность выращивать в заводских условиях наиболее деятельные разновидности микроорганизмов, с тем чтобы, внося их в почву, умножать силу незримой армии плодородия.