ІНСТИТУТ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОЇ МІКРОБІОЛОГІЇ

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

ДІМОВА СВІТЛАНА БОРИСІВНА

УДК 631.461:631.86/87:633/635:581.1.631.811.98

ВИКОРИСТАННЯ НОВОГО БІОЛОГІЧНОГО ПРЕПАРАТУ КОМПЛЕКСНОЇ ДІЇ БІОГРАНУ ЯК ЗАСОБУ ОПТИМІЗАЦІЇ ПРОДУКЦІЙНОГО ПРОЦЕСУ РОСЛИН КАРТОПЛІ

03.00.07 - мікробіологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарських наук

Чернігів – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в лабораторії біологічної трансформації азоту і фосфору Інституту сільськогосподарської мікробіології Української академії аграрних наук.

Науковий керівник: доктор сільськогосподарських наук,

професор, член-кореспондент УААН

Волкогон Віталій Васильович,

Інститут сільськогосподарської мікробіології УААН,

Директор інституту, завідувач лабораторії біологічної

трансформації азоту і фосфору

Офіційні опоненти:

доктор сільськогосподарських наук,

старший науковий співробітник

Чайковська Людмила Олександрівна,

Південна дослідна станція Інституту

сільськогосподарської мікробіології УААН,

головний науковий співробітник лабораторії

біологічного азоту і фосфору

доктор біологічних наук, професор

Коць Сергій Ярославович,

Інститут фізіології рослин і генетики НАН України,

завідувач відділу симбіотичної азотфіксації

Захист відбудеться “ 10 ” квітня 2008 р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 79.377.01 Інституту сільськогосподарської мікробіології УААН за адресою:

14027, мЧернігів, вул. Шевченка, 97.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту сільськогосподарської мікробіології УААН за адресою: 14027, м. Чернігів, вул. Шевченка, 97.

Автореферат розісланий “ 7 ” березня 2008 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат біологічних наук |

Т.М. Ковалевська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні технології вирощування сільськогосподарських культур повинні передбачати використання агроприйомів, які сприяють оптимізації живлення рослин і при цьому є екологічно доцільними і економічно вигідними. Одним із них є застосування мікробних препаратів, які дозволяють направлено регулювати стан мікробного угруповання в кореневій зоні рослин у відповідності з потребами і можливостями сільськогосподарських культур (Патика та ін., 1993; Возняковська, 1995, Тихонович, 2005). Сучасна сільськогосподарська мікробіологія може запропонувати виробництву широкий спектр біопрепаратів, які використовуються для підвищення продуктивності сільськогосподарських культур, покращення якості продукції, зниження норм внесення добрив і пестицидів (Звягінцев, 2001, Завалін, 2005, Волкогон та ін., 2006). Проте дослідження, присвячені розробці біопрепаратів для картоплі, знаходяться на початкових етапах. На сьогодні ще чітко не визначені особливості взаємодії мікроорганізмів з рослинами картоплі, не сформульовані принципи та не визначена специфіка створення біопрепаратів для цієї культури. На нашу думку, певна специфічність технології вирощування картоплі передбачає й деякі особливості в підходах до створення біопрепаратів для даної культури.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано в лабораторії біологічної трансформації азоту і фосфору Інституту сільськогосподарської мікробіології УААН у відповідності з НТП УААН “Наукові основи сталих агроекосистем”, підпрограмою “Сільськогосподарська мікробіологія”, завданням “Розробити заходи оптимізації процесів біологічної трансформації сполук азоту і фосфору в ґрунті для поліпшення живлення рослин” (ДР № 0101U003751), та НТП УААН “Захист рослин” , завданням “Розробити нові та удосконалити існуючі засоби біологічного захисту овочевих та плодових культур від шкідливих організмів” (ДР № 0103U002430).

Мета та завдання досліджень. Метою роботи було з’ясування мікробіологічних особливостей оптимізації продукційного процесу рослин картоплі за використання нового біологічного препарату комплексної дії біограну, створеного на основі Azospirillum brasilense та вермикомпосту.

Для досягнення поставленої мети передбачалось вирішити такі завдання:

· дослідити особливості взаємовідносин бактерій роду Azospirillum з рослинами картоплі in vitro;

· вивчити вплив інокуляції азоспірилами на урожайність картоплі;

· визначити ступінь приживаності Azospirillum brasilense 410 в кореневій зоні рослин картоплі;

· дослідити вермикомпост як джерело фізіологічно активних речовин та корисних мікроорганізмів;

· провести дослідження з оптимізації поєднання A. brasilense 410 з біогумусом, розробити технологію виготовлення біопрепарату комплексної дії;

· дослідити технологічні аспекти застосування біопрепарату;

· вивчити особливості перебігу біологічної трансформації азоту і фосфору в кореневій зоні картоплі під впливом інокуляції залежно від агрофону;

· дослідити вплив препарату на особливості формування мікробного угруповання ризосферного ґрунту, розвиток рослин, урожайність, якість продукції залежно від агрофону;

· оцінити вплив біопрепарату на підвищення стійкості картоплі до фітофторозу;

· провести розрахунки економічної та енергетичної ефективності нового препарату при застосуванні в технології вирощування картоплі.

Об’єкт дослідження: процеси рослинно-мікробної взаємодії та механізми оптимізації продукційного процесу рослин.

Предмет дослідження: особливості взаємодії бактерій роду Azospirillum з рослинами Solanum tuberosum L., мікробне угруповання ризосферного ґрунту картоплі при застосуванні в технології вирощування культури бактеріального препарату біограну та вплив біопрепарату на продукційний процес рослин картоплі.

Методи дослідження: лабораторні (мікробіологічні, фізико-хімічні, фізіолого-біохімічні, агрохімічні), польові, математичні.

Наукова новизна одержаних результатів. Уперше на морфологічному, цитологічному і фізіологічному рівнях встановлено тісну взаємодію бактерій роду Azospirillum з рослинами картоплі in vitro. В лабораторних та польових умовах показано позитивний вплив азоспірил на розвиток рослин картоплі та урожайність культури. У динаміці досліджено окремі мікробіологічні аспекти формування вермикомпосту, зокрема сукцесійні зміни в угрупованні азотфіксувальних та фосфатмобілізувальних бактерій; накопичення в біогумусі екзополімерів полісахаридної природи.

Вивчено особливості формування мікробного угруповання ризосфери картоплі та перебігу процесів біологічної трансформації азоту і фосфору при вирощуванні культури на дерново-підзолистому ґрунті залежно від агрофону та дії комплексного біопрепарату. Створено технології виготовлення та застосування гранульованої та рідкої форм комплексного препарату для картоплі на основі бактерій роду Azospirillum та вермикомпосту. Встановлено позитивний вплив нового біопрепарату на розвиток рослин картоплі, урожайність культури та якість продукції.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені форми біопрепарату можуть бути застосовані як елемент технології вирощування картоплі. Використання біопрепарату дає змогу збільшити урожайність культури на 8,7 – 28,0 % та покращити якість продукції.

Спосіб одержання гранульованого біологічного препарату захищений патентом України (№47303, 2005 р.).

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота виконана автором особисто в лабораторії біологічної трансформації азоту і фосфору Інституту сільськогосподарської мікробіології УААН. Автором самостійно проаналізовано наукову літературу з тематики досліджень, узагальнено отримані експериментальні дані, проведено їх статистичну обробку та порівняльний аналіз із літературними даними, а також підготовку матеріалів до публікації.

Автором досліджено рістстимулювальні властивості А. brasilense 410; сукцесійні зміни мікробного угруповання вермикомпосту; розроблено технологію виробництва та застосування препарату; визначено дози мінеральних добрив оптимальні для перебігу процесів біологічної трансформації азоту і фосфору в ризосфері картоплі; досліджено вплив біопрепарату на окремі параметри продукційного процесу картоплі.

Електронно-мікроскопічні дослідження псевдобульбочок на корінні картоплі проведено разом зі старшим науковим співробітником відділу фітовірусології та біотехнології ІСГМ УААН О.Є. Мамчуром, що відображено в спільних публікаціях. Технологію виготовлення гранульованого біопрепарату розробляли спільно з к.с.-г.н. В.І. Лоховою, що відображено в патенті.

Планування роботи, аналіз результатів та формулювання основних положень і висновків дисертації здобувачем проведено за участю наукового керівника роботи, д.с.-г.н., проф., члена-кореспондента УААН В.В. Волкогона.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, які викладені в дисертаційній роботі, доповідались на Міжнародній конференції “Онтогенез рослин, біологічна азотфіксація та азотний метаболізм” (Тернопіль, 2001), Міжнародній науково-практичній конференції “Оптимізація агроландшафтів: раціональне використання, рекультивація, охорона” (Дніпропетровськ – Орджонікідзе, 2003), Міжнародній науково-практичній конференції “Мікробні препарати в землеробстві”(Чернігів, 2006), Міжнародній науковій конференції “Мікробні біотехнології” (Одеса, 2006р.), Всеукраїнській науковій конференції “Проблеми моніторингу ґрунтів і сучасні технології відтворення їх родючості” (Кам’янець-Подільський, 2007), Міжнародній науковій конференції “С.П. Костичев і сучасна сільськогосподарська мікробіологія” (Ялта, 2007).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 16 друкованих праць, у тому числі 6 статей (4 – у наукових фахових виданнях), 1 патент України, 7 тез доповідей у збірках матеріалів міжнародних і вітчизняних конференцій та конгресів, 1 інформаційний листок, “Рекомендації з ефективного застосування мікробних препаратів у технологіях вирощування сільськогосподарських культур”.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, огляду літературних джерел, 7 розділів, рекомендацій виробництву, висновків, 3 додатків та списку використаної літератури, який включає 307 першоджерел. Загальний обсяг роботи становить 128 сторінок. Робота ілюстрована 48 таблицями і 10 рисунками.

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

В розділі подано аналіз наукових публікацій з питань взаємовідносин мікроорганізмів з вищими рослинами, інокуляції рослин, як перспективного елемента сучасних аграрних технологій, та ефективності біологічних чинників у технології вирощування картоплі.

МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА УМОВИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДІВ

Рістстимулювальну активність культуральної рідини Azospirillum brasilense 410 визначали в лабораторних умовах за допомогою специфічних біотестів (Бойчук, Зайцева, 1977, Процко, Варшавська, 1977).

В дослідженнях використовували біогумус (вермикомпост), одержаний згідно з технічними умовами (ТУ У 64.4688624-02-91).

Мікробіологічні дослідження вермикомпосту та ризосферного ґрунту картоплі проводили загальноприйнятими в мікробіології методами (Методы общей бактериологии, 1984; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1980; Теппер и др., 2005). Накопичення екзополісахаридів у вермикомпості визначали за описаними методами (Захарова, Косенко, 1982).

Чисті культури азотфіксувальних бактерій виділяли з біогумусу за загальноприйнятими методиками (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1980). Бактерії роду Azospirillum ізолювали згідно з методикою (Caceres, 1982). Оцінку нітрогеназної активності чистих культур мікроорганізмів проводили ацетиленовим методом у модифікації М. Умарова (Умаров, 1971).

Фосфатмобілізувальні бактерії ізолювали з вермикомпосту згідно з методичними вказівками ВНДІСГМ (1981). Здатність виділених культур до розчинення фосфатів кальцію визначали за методом Ердеі (Erdei, 1968).

Для вивчення ступеню приживаності бактерій Azospirillum brasilense 410 на коренях картоплі застосовували метод генетичного маркування популяцій (Obaton, 1971). Антибіотикостійкі мутанти одержували за методом Зібальського (Методы общей бактериологии, 1984), використовуючи градієнт концентрації стрептоміцину в агарі. Вказані методи використані і в дослідженнях з визначення терміну зберігання біограну.

Для електронно-мікроскопічних досліджень псевдобульбочок на коренях рослин картоплі, вирощених в умовах in vitro, кореневу систему відмивали від агару та фіксували 48 годин у 5 %-му глютаровому альдегіді і 2 години в 2 %-му розчині OsO4. Після зневоднення в серії розчинів етанолу зростаючої концентрації та абсолютному ацетоні зразки заключали в епон 812 (Уикли Б., 1975). Зрізи готували на ультрамікротомі ВS 490А і проглядали в електронному мікроскопі
Tesla-540.

Потенційну активність азотфіксації вивчали ацетиленовим методом у вегетаційних та польових дослідах у ризосферному ґрунті з додаванням розчину глюкози (Умаров, 1971) та на відмитих коренях у напіврідких живильних середовищах Доберейнер та Ешбі (Волкогон, 1997). При цьому редукцію ацетилену визначали на хроматографі “Chrom-4” з полум’яно-іонізаційним детектором на колонці з --оксидіпропіонітрилом.

Потенційну активність денітрифікації в ризосферному ґрунті картоплі вивчали ацетиленовим методом при додаванні розчину глюкози та нітрату калію (Умаров, 1997). Кількість закису азоту визначали на хроматографі “Цвет-560 М” з детектором теплопровідності.

Вивчаючи вплив біопрепарату біограну на ріст і розвиток рослин картоплі в польових дослідах, масу коренів визначали методом відмивання їх з монолітів, площу асиміляційної поверхні _ методом висічок (Методичні рекомендації щодо проведення досліджень з картоплею, 2002), вміст хлорофілу в листках _ спектрофотометрично (Гродзинський, 1973).

Вміст розчинного Р2О5 у ризосферному ґрунті картоплі визначали за методом Кірсанова (Радов и др., 1985), вміст фосфору в бульбах картоплі _ згідно з чинним стандартом (ГОСТ 26657) фотометричним ванадієвомолібдатним методом.

Вміст нітратів у бульбах визначали потенціометрично (Методические указания по определению нитратов и нитритов в продукции растениеводства, 1989), крохмалю _за методом Еверса, аскорбінової кислоти _ методом, що базується на редукуючих властивостях вітаміну С (Методические указания по определению качества растительной продукции для зональных агрохимических лабораторий, 1975).

Ураження рослин картоплі та розвиток фітофторозу визначали згідно існуючих рекомендацій (Методичні рекомендації щодо проведення досліджень з картоплею, 2002). Вплив біопрепарату та його складових на розвиток збудника фітофторозу вивчали за методом зараження стерильних пластинок картоплі та методом пророщення спор збудника хвороби в краплях препарату, нанесених на предметне скло у вологій камері (Изучение природных популяций возбудителя фитофтороза на картофеле и томатах: методические указания, 1990, Гольшин, 1974).

Реакцію картоплі (Solanum tuberosum L.) на бактеризацію азоспірилами вивчали за умов
in vitro при проведенні дослідів у люміностаті. Рослини картоплі сорту Луговська вирощували за стерильних умов з меристемної тканини на живильному середовищі Мурасіге-Скуга.

Вегетаційні досліди проводили у вегетаційному будиночку та в люміностаті на дерново-підзолистому пилувато-супіщаному ґрунті (рНсол _7,2; гумус _1,02 %; Р2О5 _ 330 мг/кг;
K2O _148 мг/кг). Ефективність інокуляції картоплі азоспірилами вивчали за умов польових дослідів на дерново-підзолистому пилувато-супіщаному ґрунті дослідного господарства Інституту сільськогосподарської мікробіології УААН. Під оранку вносили мінеральні добрива з розрахунку N60P40K60.

Ефективність двох препаративних форм біопрепарату біограну перевіряли в польових дослідах з картоплею сортів Кобза, Світанок київський та Луговська на дерново-підзолистому пилувато-супіщаному окультуреному ґрунті дослідного господарства Інституту сільськогосподарської мікробіології УААН. Мінеральні добрива (аміачну селітру, суперфосфат і сульфат калію) та гній вносили згідно зі схемою дослідів під оранку.

Ефективність різних доз біограну та його складових при вирощуванні картоплі досліджували також у польових дослідах по фону N60P60K90. На цьому ж агрофоні проводили польові досліди з вивчення впливу біограну на стійкість картоплі до фітофторозу. Як позитивний контроль у цих дослідах використовували фунгіцид ридоміл у рекомендованих дозах.

Планування і проведення польових дослідів, статистичну обробку експериментальних даних виконували за Доспєховим (1985).

Виробничі досліди проводили на лучно-чорноземному ґрунті (рНсол. _5,1-5,4; гумус _
2,12-2,20 %; Р2О5 _193-226 мг/кг; K2O _108-143 мг/кг) дослідного господарства Інституту сільськогосподарської мікробіології УААН на площі 2 га протягом трьох років та на дерново-підзолистому ґрунті (рНсол._5,0; гумус _1,1 %; Р2О5 – 170 мг/кг, K2O _62 мг/кг) Чернігівського Інституту АПВ УААН.

За методичну основу економічних розрахунків взято загальноприйняті рекомендації (Трибель, 2001, Говорунов, 1991). Оцінка енергетичної ефективності застосування біограну при виробництві картоплі проведена згідно з науково-методичними розробками із зазначеної проблематики (Тараріко та ін. 2001, 2005, Мартьянов, 1996).

ОСОБЛИВОСТІ ВЗАЄМОВІДНОСИН БАКТЕРІЙ РОДУ AZOSPIRILLUM

З РОСЛИНАМИ КАРТОПЛІ

Інтродукція азоспірил у кореневу зону живців меристемної картоплі сорту Луговська викликала інтенсивний розвиток рослин. Через два тижні після інокуляції висота дослідних рослин перевищувала контрольні в 1,5–2,0 рази. Відмічено також посилений розвиток кореневої системи бактеризованих рослин – розміри і маса їх коренів у декілька разів перевищували контрольні.

Особливістю інокульованих рослин картоплі було формування бульбочкоподібних структур на коренях. Утворення бульбочок індукувалося всіма дослідженими штамами азоспірил, незалежно від їх видової приналежності. З літератури відомо про явище паранодуляції, але утворення р-бульбочок на коренях картоплі не описано.

Електронно-мікроскопічні дослідження ультратонких зрізів бульбочок показали, що місцем локалізації клітин азоспірил є міжклітинники, а також рослинні клітини. Вивчення ультратонких зрізів бульбочкової тканини, зроблених у поперечному перерізі бульбочок, показало, що інфікуються бактеріями в основному периферійні тканини. Характерною особливістю клітин азоспірил, що заселяли бульбочки, було те, що вони перебували в цистоподібній формі, яка нагадує симбіосоми, типові для бобово-ризобіального симбіозу (рис. 1).

Як відомо, асоціативні симбіози з коренями ряду видів рослин характеризуються високою азотфіксувальною продуктивністю (Chen et al., 1995), але в наших дослідах нітрогеназна активність не була виявлена. Отже, в даному випадку ми спостерігали особливу форму симбіозу між бактеріями і рослиною – гормонально-енергетичну (бактерії отримують енергію для життєдіяльності, натомість рослини забезпечуються фізіологічно активними речовинами, що позначається на їх розвитку). Таким чином, при інтродукції азоспірил у зону коренів картоплі
in vitro формується ендосимбіозний зв’язок на клітинному рівні між коренями картоплі і бактеріями, що підтверджується фізіологічно, морфологічно і цитологічно.

Рис.1 Клітини азоспірил в міжклітиннику

р-бульбочки (а-осьміофобний простір, б-осьміофільна оболонка) Ч 15000.

Одержані результати свідчать про потенційну можливість успішної інтродукції азоспірил у кореневу зону картоплі. У зв’язку з цим було проведено дослідження впливу двох найбільш поширених у зоні помірних широт видів азоспірил (A. lipoferum (2 штами) і A. brasilense (3 штами)) на урожайність цієї сільськогосподарської культури.

Як свідчать одержані в трьохрічних польових дослідах результати, азоспірили сприяли підвищенню урожайності картоплі сортів Адретта та Луговська на 5–25залежно від використаного штаму бактерій та сорту.

Розглядаючи можливі складові

позитивної дії Azospirillum sp. на розвиток рослин картоплі, треба, вірогідно, на перше місце поставити рістстимулювальний ефект застосованих штамів, а не їх азотфіксувальну здатність, оскільки умови вирощування картоплі (внесення в ґрунт відносно високих доз азотних добрив) не дозволять інокулянту реалізувати потенціал азотфіксації упродовж тривалого періоду вегетації рослин.

Позитивні результати бактеризації картоплі свідчать як про перспективу цього агрозаходу, так і про значення бактерій роду Azospirillum як складових біологічних препаратів для даної культури. Однак, зважаючи на те, що приріст урожайності картоплі від інокуляції в наших дослідах інколи був на рівні статистичної похибки, необхідно провести дослідження з підсилення рістстимулювального ефекту інокулюму.

БІОГУМУС (ВЕРМИКОМПОСТ) ЯК ДЖЕРЕЛО ФІЗІОЛОГІЧНО АКТИВНИХ

РЕЧОВИН ТА АГРОНОМІЧНО ЦІННИХ МІКРООРГАНІЗМІВ

Найпростішим варіантом підсилення рістстимулювальної активності інокулюму було б додавання відповідних фітогормонів, проте висока вартість цих препаратів змушує звернутись до альтернативних джерел фізіологічно активних речовин. Серед них найбільш привабливим є біогумус (зважаючи на доступність, ціну і можливу активність). Оскільки в літературі недостатньо висвітлені питання щодо рістстимулювальної активності біогумусу та його мікробіологічної характеристики, цілком доцільним було проведення таких досліджень даного субстрату.

Як свідчать одержані дані, в процесі компостування гною ВРХ за участю каліфорнійського гібриду Eisenia foetida вміст рістстимулювальних речовин у субстраті активно зростає і сягає свого максимуму через 4 місяці. Низькі розведення інгібують ріст проростків кукурудзи, що свідчить про високі концентрації рістстимуляторів у субстраті.

Зазначене накопичення фізіологічно активних речовин зумовлене активною діяльністю мікрофлори в процесі вермикомпостування. Це знаходить підтвердження при аналізі мікробної сукцесії в ході дозрівання компосту. Дослідження показали, що в процесі вермикультивування в біогумусі розвиваються і кількісно відносно стабілізуються агрономічно цінні мікроорганізми – азотфіксувальні та фосфатмобілізувальні (табл.1, 2). Їх чисельність досить значна і може бути потужним чинником впливу на формування ризосферної мікрофлори при застосуванні біогумусу в технології вирощування картоплі.

Таблиця 1

Динаміка чисельності азотфіксувальних бактерій у процесі вермикультивування

Строки від початку вермикомпостування | Чисельність бактерій, млн./г сухого субстрату

середовище Ешбі | середовище Доберейнер

Початок компостування | 0,4 | 0,8

Два тижні | 1,1 | 3,3

1 місяць | 3,6 | 4,2

2 місяці | 4,4 | 7,9

3 місяці | 1,4 | 7,7

4 місяці (кінець компостування) | 1,2 | 4,9

6 місяців (при зберіганні біогумусу) | 1,0 | 4,7

Таблиця 2

Динаміка чисельності фосфатмобілізувальних мікроорганізмів в процесі вермикультивування

Строки від початку вермикомпостування | Чисельність мікроорганізмів, млн.КУО/г сухого субстрату

що гідролізують органічні фосфати | що розчиняють мінеральні фосфати

Початок компостування | 4,5±0,3 | 3,0±0,11

Два тижні | 12,9±0,18 | 13,7±0,64

1 місяць | 40,0±2,11 | 84,0±2,55

2 місяці | 19,0±0,51 | 24,3±1,23

3 місяці | 18,1±0,32 | 16,5±0,85

4 місяці (кінець компостування) | 16,2±0,34 | 13,4±0,37

6 місяців (при зберіганні біогумусу) | 12,8±0,50 | 12,8±0,33

Ізолювання і наступна ідентифікація азотфіксувальних бактерій дозволила за морфологічними та фізіолого-біохімічними ознаками умовно згрупувати їх та віднести до декількох таксономічних підрозділів. Найактивнішими серед ідентифікованих культур діазотрофів є бактерії родів Azospirillum та Azotobacter (табл. ).

Серед активних фосфатмобілізувальних мікроорганізмів біогумусу переважають представники роду Pseudomonas. Із 23 ізольованих штамів бактерій, що мобілізують фосфор,
18 віднесено до цього роду. Їх активність знаходиться в межах від 105 до 754 мг/л розчинного P2O5 у культуральній рідині.

В процесі вермикомпостування в біогумусі спостерігається накопичення екзополімерів мікроорганізмів. На дану особливість ми звернули увагу, оскільки не виключаємо безпосереднього впливу цих речовин на ефективність взаємодії мікроорганізмів, інтродукованих у кореневу зону, з рослинами. З літератури відома участь окремих полісахаридів у встановленні активних рослинно- бактеріальних симбіозів (Косенко, 1995), проте дана обставина стосовно наших об’єктів потребує додаткових досліджень.

Таким чином, вивчення особливостей формування вермикомпосту свідчить про значні перспективи його використання як джерела рістстимуляторів і агрономічно цінних мікроорганізмів при створенні біопрепаратів.

Таблиця 3

Таксономічна структура угруповання азотфіксувальних бактерій біогумусу

та їх нітрогеназна активність

Назва мікроорганізмів | Нітрогеназна активність,

нмоль С2Н4 / мл середовища/годину

Azospirillum brasilense Д-1 | 443±51

A. brasilense Д-2 | 164±13

A. brasilense Д-3 | 316±27

A. brasilense Д-5 | 395±23

A. brasilense Д-6 | 203±16

A. brasilense Д-7 | 338±18

A. brasilense Д-9 | 170±6

Azospirillum lipoferum Д-4 | 170±12

Рseudomonas sp. Р-1 | 12±1

Рseudomonas sp. Р-2 | 9±2

Рseudomonas sp. Р-3 | 6±1

Рseudomonas sp. Р-4 | 8±1

Enterobacter sp. O-2 | 11±2

Bacillus sp. B-1 | 9±1

Bacillus sp. B-2 | 8±1

Bacillus sp .B-3 | 5±1

Azotobacter chroococcum А-5 | 360±28

Az. chroococcum А-8 | 405±15

Az. chroococcum А-9 | 167±6

Az. chroococcum А-11 | 347±24

ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ СТВОРЕННЯ І ЗАСТОСУВАННЯ ГРАНУЛЬОВАНОГО БІОПРЕПАРАТУ НА ОСНОВІ AZOSPIRILLUM BRASILENSE 410 ТА БІОГУМУСУ

При дослідженні біогумусу було з’ясовано, що цей субстрат добре гранулюється без додавання спеціальних клейких речовин завдяки наявності в ньому екзополімерів мікроорганізмів. На основі цього виникла ідея щодо розробки гранульованої форми біопрепарату.

Було запропоновано для виготовлення біограну використати біогумус та бактеріальну суспензію Azospirillum brasilense 410. При цьому біогумус є фізичною основою гранул і, водночас, джерелом фізіологічно активних речовин, а суспензія азоспірил містить бактерії і фізіологічно активні речовини культуральної рідини та заразом є розчинником для формування гранул.

При цьому, безперечно, для успішного вирішення завдання важливо було оптимізувати співвідношення культуральної рідини і біогумусу з точки зору оптимальності поєднання фізіологічно активних речовин обох компонентів майбутнього препарату. Така вимога диктується тим, що і біогумус, і культуральна рідина азоспірил містять значні кількості рістстимуляторів, а дія останніх на розвиток рослин, як відомо, має параболічний характер, тобто залежить від концентрації цих фізіологічно активних речовин.

При тестуванні біологічної ефективності препарату в умовах вегетаційних дослідів (оцінку проводили за впливом на потенційну нітрогеназну активність та накопичення маси рослин) встановлено, що оптимальним є поєднання біогумусу з бактеріальною суспензією титром 1,0Ч109.

Перевірка експериментальної партії біограну в умовах двох польових дослідів показала його високу ефективність, яка, втім, залежить від дозування. Оптимальним при посадці картоплі виявилося внесення 5 гранул біопрепарату на рослину.

Для надійності висновків проведено також дослідження ступеню приживаності маркованого за стійкістю до стрептоміцину штаму A. brasilense 410 Str+ в кореневих сферах рослин картоплі, вирощуваної в умовах вегетаційного досліду. Ступінь приживаності інтродукованого штаму виявився несподівано вищим за умови застосування комплексного гранульованого препарату порівняно із застосуванням суспензії азоспірил. Ми пояснюємо такий результат впливом фізіологічно активних речовин біогумусу на інтенсивність формування рослинно-бактеріальної асоціації.

В ході досліджень щодо визначення можливого терміну зберігання біограну було встановлено, що його ефективність зберігається протягом 4 місяців.

Таким чином, поєднання біологічно активного субстрату – біогумусу із суспензією азоспірил у певному співвідношенні дозволяє отримати біологічний препарат з чітко вираженим стимулювальним впливом на формування рослинно-бактеріальної асоціації, яка характеризується підвищеною біологічною активністю, а це, в свою чергу, позитивно впливає на ріст і розвиток рослин картоплі. Здатність вермикомпосту до грануляції дозволяє одержати гранульований препарат без додавання клейких речовин.

В ході проведених досліджень нами розроблено лабораторний технологічний регламент та підготовлено до реєстрації технічні умови на виготовлення біопрепарату.

ВПЛИВ БІОГРАНУ НА РОЗВИТОК РОСЛИН КАРТОПЛІ, ФОРМУВАННЯ

МІКРОБНОГО ЦЕНОЗУ В КОРЕНЕВІЙ ЗОНІ КУЛЬТУРИ ТА УРОЖАЙНІСТЬ

І ЯКІСТЬ ПРОДУКЦІЇ ЗАЛЕЖНО ВІД ДОЗ МІНЕРАЛЬНИХ ДОБРИВ

В умовах польових дослідів протягом чотирьох років вивчали ефективність біограну при вирощуванні картоплі сорту Кобза на різних агрофонах. Паралельно з гранульованим біограном досліджували також ефективність рідкої препаративної форми даного препарату, яка за своїми характеристиками є аналогом гранульованої. Необхідність вивчення двох форм біограну диктувалась реальною ситуацією, що склалась сьогодні в галузі картоплярства. За умов реформування аграрного сектора економіки господарства мають різні можливості щодо технічної оснащеності та розмірів полів. Тому при впровадженні розробки необхідно передбачити використання форми біопрепарату, яка була б прийнятною в конкретних умовах.

Вплив інокуляції та удобрення на розвиток рослин картоплі. В ході досліджень показано, що біопрепарат комплексно впливає на ріст і розвиток рослин картоплі. Серед складових механізму позитивного впливу інокуляції слід у першу чергу відмітити інтенсифікацію процесу фотосинтезу, про що опосередковано свідчать як показники площі асиміляційної поверхні (табл.4), так і вмісту хлорофілів а і в в листках.

Висока рістстимулювальна активність біограну підтверджена результатами, отриманими при дослідженні їх впливу на кореневу масу картоплі. Відмічено, що застосування препарату позитивно впливає на розміри кореневої системи, що, до речі, не тільки сприяє кращому розвитку рослин, а й потенційно може вплинути на посухостійкість, оскільки розвиненіше коріння здатне проникнути в нижні ґрунтові горизонти, які краще забезпечені вологою.

Вплив інокуляції на формування мікробного угруповання ризосфери картоплі залежно від агрофону. Підвищена продуктивність фотосинтезу опосередковано, через кореневі виділення, позначається на показниках біологічної активності в ризосфері інокульованих рослин – зростає загальна чисельність мікроорганізмів. Збільшення кількості мікроорганізмів від застосування біопрепаратів спостерігали протягом вегетації на трьох досліджуваних агрофонах.

Таблиця 4

Вплив біограну та агрофону на формування площі асиміляційної поверхні рослин картоплі

сорту Кобза, польовий дослід, 2004 р.

Варіанти досліду | Площа асиміляційної поверхні, дм2/рослину

Фаза бутонізації | Фаза цвітіння | Початок фази відмирання бадилля

N60 P60K90

Контроль | 42,07 | 46,67 | 43,48

Біогран | 48,35 | 56,33 | 51,80

Рідка форма біограну | 47,50 | 57,11 | 50,31

N90P90K120

Контроль | 51,47 | 59,07 | 52,33

Біогран | 55,74 | 68,98 | 59,48

Рідка форма біограну | 60,63 | 65,82 | 62,17

N120P90K150

Контроль | 47,79 | 59,74 | 50,13

Біогран | 61,41 | 72,32 | 63,02

Рідка форма біограну | 55,90 | 65,93 | 60,67

НІР05 по досліду 6,33 | 7,92 | 7,23

для агрофонів 3,65 | 4,57 | 4,17

для інокуляції 3,16 | 3,96 | 3,61

При вивченні впливу мінерального удобрення на динаміку чисельності азотфіксувальних бактерій ризосфери показано, що зі збільшенням дози добрив їх кількість знижується в усі досліджені фази розвитку рослин (табл. ). Проте інокуляція привносить суттєві корективи до формування угруповання азотфіксувальних бактерій. Чисельність ризосферних діазотрофів при поєднанні дії препаратів і мінеральних добрив у невеликій і середній дозах збільшується в 2 - 23 рази залежно від варіанта і досліджуваної фази розвитку рослин. Найбільша доза добрив у перші два строки стримує позитивний вплив інокуляції, але наприкінці вегетації (що, очевидно, пов’язано зі зниженням концентрації добрив у ґрунті) тут також відмічається стимулюючий ефект обох форм препарату.

Щодо фосфатмобілізувальних мікроорганізмів, слід зазначити, що зі збільшенням дози мінеральних добрив чисельність бактерій даної групи також знижується. Це є опосередкованим свідченням недоцільності внесення високих доз добрив. Інокуляція сприяє розвитку фосфатмобілізувальних бактерій – їх чисельність у період інтенсивного росту і розвитку рослин зростає в переважній більшості варіантів із застосуванням біопрепарату і зменшується, або залишається на рівні контролю тільки на початку відмирання бадилля.

Інтенсифікація розвитку агрономічно цінних бактерій, вірогідно, забезпечується завдяки тому, що збільшену кількість фотоасимілятів у кореневій зоні утилізують бактерії інокулюму, які знаходяться там у потрібній кількості. Зазначена екологічна ніша на певний час заселяється саме інтродукованими бактеріями.

Особливості біологічної трансформації азоту і фосфору в кореневій зоні картоплі. Відмічені особливості розвитку мікробного угруповання позначаються на перебігові окремих біологічних процесів у кореневій зоні інокульованих рослин картоплі.

В польових дослідах у динаміці досліджували потенційну активність азотфіксації, як показник біологічної активності ґрунту, що певним чином корелює з вмістом мінерального азоту в ньому. Відомо, що процес азотфіксації є раціональним з енергетичної точки зору, і за наявності в ґрунті доступних зв’язаних форм азоту, нітрогеназна активність пригнічується (Умаров, 1986), оскільки зв’язаний азот є енергетично вигіднішим для бактеріальної клітини, ніж газоподібний N2. Отже, активність процесу азотфіксації є надійним тестом для визначення надлишку азоту в ґрунті. Таким чином, дослідження нітрогеназної активності в динаміці протягом вегетаційного періоду дає змогу визначити екологічно доцільні дози азотних добрив, тобто дози, які протягом більшого відрізку часу або сприяють підвищеній порівняно з контролем активності азотфіксації, або принаймні не знижують цей показник.

Таблиця 5

Вплив біограну та агрофону на розвиток азотфіксувальних бактерій у ризосфері

картоплі сорту Кобза, польовий дослід, 2003 р.

Варіанти

досліду | Азотфіксувальні бактерії, тис./г абсолютно сухого ґрунту

середовище Ешбі | середовище Доберейнер

фази розвитку

бутоні-

зація | цвітіння | початок відмирання бадилля | бутоні-

зація | цвітіння | початок відмирання бадилля

N60 P60K90

Контроль | 49,1 | 49,1 | 100,7 | 2,6 | 27,3 | 42,4

Біогран | 108,9 | 49,1 | 180,2 | 49,5 | 817,5 | 48,0

Ріка форма біограну | 47,3 | 49,5 | 265,0 | 2,6 | 495,0 | 47,7

N90P90K120

Контроль | 37,1 | 16,4 | 15,8 | 2,1 | 27,3 | 7,9

Біогран | 104,9 | 165,0 | 68,9 | 10,5 | 49,5 | 26,5

Рідка форма біограну | 47,7 | 280,0 | 100,7 | 2,6 | 28,0 | 21,2

N120P90K150

Контроль | 10,7 | 4,9 | 26,3 | 2,7 | 2,7 | 47,3

Біогран | 10,4 | 82,5 | 98,8 | 47,3 | 49,5 | 9,9

Рідка форма біограну | 10,4 | 8,4 | 210,0 | 15,7 | 50,4 | 47,3

Результати дослідження особливостей процесу азотфіксації в цілому свідчать про підвищення його активності від застосування біопрепарату як на корінні, так і в ризосферному ґрунті картоплі (рис. ), і підтверджують результати обліку діазотрофних мікроорганізмів у ризосфері інокульованих рослин.

Згідно з одержаними результатами, екологічно прийнятними можна вважати всі три вивчені агрофони в поєднанні з біопрепаратами, проте застосування перших двох є доцільнішим з огляду на позитивні показники азотфіксації упродовж тривалого часу вегетації рослин. Високі дози мінерального азоту знижують активність процесу в перші фази органогенезу, що свідчить про певні екологічні обмеження їх застосування. Оптимальним слід визнати середній агрофон (N90P90K120), оскільки саме на цьому фоні підвищена активність азотфіксації від застосування біопрепаратів спостерігається триваліший час у порівнянні з варіантами, де вносили високі дози добрив. Мінімальна доза добрив (N60P60K90) є, безумовно, ще більш прийнятною в екологічному

трактуванні, але вона не може бути задовільною з огляду на нижчу урожайність. Отже, компроміс між біологічною активністю в ризосфері картоплі та урожайністю культури змушує надати перевагу середньому агрофону.

Рис. 2 Вплив інокуляції на потенційну нітрогеназну активність у ризосферному ґрунті картоплі сорту Кобза залежно від агрофону, польовий дослід, 2005 р.

(1 – контроль, 2 – біогран, 3 – рідка форма біограну).

Примітка: Бутонізація: НІР05 по досліду - 12, для агрофонів - 6, для інокуляції – 7

Цвітіння: НІР05 по досліду - 15, для агрофонів - 7, для інокуляції – 9

Відмирання бадилля: НІР05 по досліду - 14, для агрофонів - 7, для інокуляції - 7)

Зроблені висновки значною мірою підтверджуються результатами визначення потенційної активності денітрифікації (табл. ).

Таблиця 6

Вплив інокуляції та агрофону на потенційну активність денітрифікації в ризосферному ґрунті картоплі сорту Кобза, польовий дослід, 2005 р.

Варіанти досліду | Активність денітрифікації, нмоль N2О/ г ґрунту / добу

фаза бутонізації | фаза цвітіння | початок фази відмирання бадилля

N60P60K90

Контроль | 88,0 | 63,4 | 71,2

Біогран | 84,0 | 56,5 | 56,0

Рідка форма біограну | 86,0 | 63,5 | 78,4

N90P90K120

Контроль | 82,9 | 65,9 | 52,0

Біогран | 64,9 | 11,8 | 46,1

Рідка форма біограну | 52,2 | 18,2 | 38,0

N120P90K150

Контроль | 89,0 | 77,4 | 74,1

Біогран | 60,8 | 58,1 | 75,2

Рідка форма біограну | 77,1 | 77,6 | 77,6

НІР05 по досліду 3,4 | 5,1 | 3,0

для агрофонів 1,8 | 2,8 | 1,6

для інокуляції 1,7 | 2,8 | 1,5

Як правило, активність процесу зменшується у варіантах з біопрепаратами, що можна пояснити інтенсивнішим розвитком інокульованих рослин і, відповідно, швидшим збідненням ґрунту на мінеральні форми азоту. Найнижчі показники денітрифікаційної активності виявлено при застосуванні біограну по невисокому та середньому агрофонах.

Результати досліджень процесів азотфіксації і денітрифікації в ризосфері картоплі опосередковано свідчать про те, що внесений мінеральний азот при застосуванні біопрепарату спрямовується не на забруднення довкілля, а на конструктивні потреби рослин (на розвиток рослин та формування урожаю). Таким чином, застосування біограну оптимізує процеси біологічної трансформації азоту в ґрунті – зростає надходження даного елементу в рослину і знижуються його непродуктивні витрати. Розвиток фосфатмобілізувальних бактерій та стимулювальна дія біопрепарату щодо розвитку рослин позначається на ступені засвоєння фосфору культурою і на виносі даного елементу з урожаєм. Вміст розчинних фосфатів у ризосфері картоплі при застосуванні біограну зменшується (або в деякі фази розвитку рослин залишається на рівні контролю), що є закономірним, адже при інокуляції комплексним біопрепаратом спостерігається інтенсивніший ріст і розвиток рослин, а отже і підвищена активність поглинання рослинами фосфору з ризосферного ґрунту (табл. ).

Таблиця 7

Вплив інокуляції та агрофону на вміст розчинного Р2О5

в ризосферному ґрунті картоплі сорту Кобза, польовий дослід, 2004 р.

Варіанти досліду | Вміст Р2О5, мг/кг ґрунту

фаза бутонізації | фаза цвітіння | початок фази

відмирання бадилля

N60 P60K90

Контроль | 325 | 344 | 314

Біогран | 320 | 323 | 310

Рідка форма біограну | 321 | 330 | 305

N90P90K120

Контроль | 328 | 332 | 326

Біогран | 309 | 322 | 315

Рідка форма біограну | 319 | 325 | 320

N120P90K150

Контроль | 317 | 322 | 308

Біогран | 306 | 310 | 306

Рідка форма біограну | 314 | 307 | 304

НІР05 по досліду 7 | 7 | 5

для агрофонів 4 | 4 | 3

для інокуляції 3 | 3 | 2

Дослідження з визначення вмісту фосфору в бульбах картоплі показали, що у варіантах із застосуванням біопрепаратів по мінімальному та середньому агрофонах відмічається суттєвий ріст масової частки фосфору в продукції, що може опосередковано свідчити про її вищий енергетичний рівень (зважаючи, наприклад, на роль фосфору в синтезі АТФ). В аналогічних варіантах на максимальному агрофоні відмічено тенденцію до зниження вмісту фосфору в бульбах. Проте, через зростання урожайності культури винос даного елементу у варіантах із застосуванням препарату є значно вищим.

Урожайність картоплі під впливом інокуляції та удобрення. Як свідчать результати досліджень, урожайність картоплі достовірно збільшувалась при застосуванні обох форм препарату (табл. ), причому відносні показники (приріст урожаю в порівнянні з контролем) виявились вищими по мінімальному (N60P60K90) і середньому (N90P90K120) агрофонах. Найефективнішим агрофоном при застосуванні біопрепарату для картоплі сорту Кобза слід визнати другий (середній), оскільки абсолютні показники урожайності на цьому фоні мінеральних добрив були практично на рівні показників, отриманих у варіантах по високому агрофону (N120P90K150). Як правило, вплив бактеризації є еквівалентним (або вищим) дії N30P30К30.

Таблиця 8

Вплив інокуляції та агрофону на урожайність картоплі сорту Кобза,

польові досліди, 2002-2005 рр.

Варіанти дослідів | Урожайність, ц/га | Приріст урожайності (середнє))

2002 | 2003 | 2004 | 2005 | середнє | ц/га | %

N60P60K90

Контроль | 266 | 165 | 202 | 157 | 197 | - | -

Біогран | 317 | 191 | 226 | 182 | 229 | 32 | 16,2

Рідка форма біограну | 307 | 184 | 234 | 175 | 225 | 28 | 14,2

N90P90K120

Контроль | 279 | 219 | 255 | 204 | 239 | - | -

Біогран | 341 | 264 | 299 | 241 | 286 | 47 | 19,6

Рідка форма біограну | 341 | 259 | 300 | 243 | 286 | 47 | 19,6

N120P90K150

Контроль | 279 | 225 | 271 | 213 | 247 | - | -

Біогран | 306 | 242 | 321 | 246 | 279 | 32 | 13,0

Рідка форма біограну | 300 | 249 | 317 | 251 | 279 | 32 | 13,0

НІР05 по досліду | 19 | 21 | 33 | 29

для агрофонів | 10 | 12 | 19 | 17

для інокуляції | 10 | 11 | 16 | 14

Результати, одержані в дослідах з картоплею сорту Кобза, підтверджено в польових дослідженнях з іще двома сортами: Світанок київський та Луговська. Обрані для вивчення сорти – одні з найпоширеніших у зоні Полісся і належать до різних за строками достигання груп. В цілому не виявлено різкої відмінності серед трьох вказаних сортів за реакцією на бактеризацію, проте вони по-різному реагували на застосування біопрепаратів у поєднанні з різними дозами мінеральних добрив. Так, враховуючи відносні показники урожайності, для картоплі сорту Світанок київський (як і для сорту Кобза) оптимальними агрофонами за умови інокуляції слід визнати мінімальний (N60P60K90) і середній (N90P90K120). Для сорту Луговська оптимальними за цими показниками виявилися всі три досліджені агрофони, включаючи і високий (N120P90K120), оскільки отримана прибавка була досить вагомою і на цьому агрофоні. Приріст урожайності картоплі від інокуляції знаходився в межах 8,7 – 28,0 залежно від агрофону, року проведення досліджень, сорту та форми застосованого препарату.

Аналіз структури урожаю в дослідах показав, що біопрепарат у першу чергу впливає не на кількість, а на розміри бульб. Співвідношення “товарна/нетоварна фракції” позитивно змінюється у варіантах з інокуляцією.

У виробничих дослідах, проведених у дослідному господарстві Інституту сільськогосподарської мікробіології УААН та Чернігівському інституті АПВ УААН, підтверджено ефективність досліджуваного рідкого комплексного біопрепарату _прибавка урожайності від застосування біограну складала від 14,0 до 31,7

Таким чином, розроблений біопрепарат суттєво підвищує урожайність картоплі. При цьому, залежно від сорту, для максимального прояву його ефективності потрібне забезпечення певним рівнем мінерального