Мікроорганізми замість азотних добрив?
Рослини не можуть вбирати азот з повітря, але це можуть робити мікроби - ендофіти. Вчені працюють над тим, щоб сільськогосподарські культури не потребували добрива, а самостійно виробляли азот за допомогою мікроорганізмів.
Більшість культур в США вирощуються з використанням мінеральних добрив. Значну частину з яких складають азотні добрива. Так в 2011 американські фермери використовували приблизно 11 млн тонн азотних добрив. На виробництво такої кількості азотних добрив потрібно багато копалин природних ресурсів, таких як природний газ або кам'яне вугілля.
У рік при виробництві азотних добрив в США викидається стільки ж вуглекислого газу, як і від вихлопних газів двох мільйонів автомобілів.
Але фермери не можуть просто припинити використання добрив. Рослини мають потребу в азоті, щоб нормально розвиватися. Без використання азоту за деякими оцінками врожайність в США знизиться на 50 відсотків. Тому виникає питання: а чи можуть науковці допомогти рослинам виробляти азот, щоб не використовувати мінеральні добрива?
Ендофіти як альтернатива мінеральних добрив
Професор Шарон Доті, мікробіолог з Вашингтонського університету каже, що природа вже вирішила цю проблему - нам просто потрібно знати, де шукати.
"Подивіться в природне середовище, є багато випадків, коли ви можете побачити рослини, які розвиваються в скелях або на піску - в умовах нестачі азоту", - говорить професор Доті.
Шарон Доті почала вивчати верби і тополі - дерева, що ростуть в річкових системах штату Вашингтон. Ці річки живляться головним чином талими водами і надзвичайно бідні на азот.
"Уже давно відомо, що тополя і верба є новаторами, - зазначає Доті. - Але інші вчені кажуть, що ці дерева просто ефективні". Але в тих умовах, в яких вони ростуть - просто немає поживних речовин, щоб ефективно їх засвоювати.
Дерева не можуть вбирати азот з повітря, але це можуть робити мікроби. Ендофіти - мікроорганізми, при певних обставинах населяють тканини рослин. Це гриби, бактерії, рідше водорості і віруси. Вони не несуть негативного впливу на розвиток і функціонування рослин.
Деякі мікроорганізми перетворюють азот з повітря в ту форму, яку засвоюють рослини - процес називається азотфіксації. Сьогодні вчені вивчають те, як їх можна використовувати, щоб сільськогосподарські культури самостійно виробляли азот. Зокрема, досліджують такі можливості для рису і кукурудзи.
Коли Доті досліджувала ДНК ендофітів дерев в лабораторії - виявилися гени, які вказують на те, що мікроби можуть фіксувати азот. Вчені задалися питанням: якщо ці Ендофіти можуть так ефективно фіксувати азот в дикій тополі, чи можна використовувати їх для сільського господарства?
Як подвоїти продуктивності за допомогою "магії" ендофітів?
Доті і її команда знали, що Ендофіти можуть використовувати свою азотну "магію" в кількох видах дерев. Але вони не були впевнені, що той же трюк буде працювати на інших рослинах, включаючи такі культури, як кукурудза і рис. Вони фізично і генетично сильно відрізняються від тих же диких тополь. Дослідники взяли саджанці сільськогосподарських культур і просочили їх у ванній з ендофітами з тополь, а потім спостерігали за розвитком розсади.
Для багатьох видів така процедура дала розсаду більш розвинену ніж зазвичай. Рослини з ендофітами мали більші коріння і листя. А деякі види томатів і болгарського перцю майже подвоїли кількість плодів, які вони виробили.
Трава з ендофітами (зліва) та без. Автор: Шерон Доті
Хоча результати багатообіцяючі - успіх в лабораторії не завжди переноситься в польові умови. Вчені повинні налагодити промислове виробництво таких мікроорганізмів, щоб вони не були дорогими. Попередні спроби розробити корисні мікроби для сільського господарства зазнали невдачі саме через витрат виробництва.
Недовіра аграріїв до нових технологій
Ще один важливий аспект - довіра агровиробників новим технологіям. Наприклад, BioGro - біодобриво, що складається з декількох штамів корисних мікроорганізмів - було ефективним у вирощуванні рисових рослин. Але фермери не довірилися розробці. В результаті - більше половини компаній, що виробляють BioGro, не пропрацювали в цьому бізнесі і двох років.
Умови для зберігання також є проблемою. Фермери вважають за краще купувати оброблене насіння. Воно залишаються придатним для використання навіть при зберіганні протягом кількох місяців або років.
Більш того, на відміну від традиційних добрив, які можуть бути використані для будь-якого типу культур в будь-якій точці світу - Ендофіти не є універсальним рішенням.
"Необхідно адаптувати мікроби до різних екологічних ситуацій, - каже Рей Діксон, мікробіолог в Джон Іннс Центрі (дослідний біологічний центр в Великобританії). Він вивчає азотфіксацию бактерій більше 40 років.
За словах ученого, ефект залежить від виду сільськогосподарської культури, типу грунту і клімату. Якщо одна з умов не підходить - рішення не спрацює.
Присутність пестицидів або інших мікроорганізмів в грунті, також може негативно вплинути на успіх азотфіксації.
Діксон підсумовує, що попереду ще багато роботи, перш ніж Ендофіти зможуть повністю замінити традиційні добрива.
Німецький гігант Bayer вже зацікавився ендофітів
Учення інтенсивно працюють над вирішенням цих проблем. Дослідники різних країн світу намагаються визначити оптимальні умови для недорогого масового виробництва цих мікроорганізмів.
Уже визначені види ендофітів, які корисні для ріпаку, кукурудзи, цукрового очерету і проса прутьєвидного (біоенергетична культура). Польові експерименти зараз проходять по всьому світу: від Ірландії до Єгипту і Бразилії.
І це не просто академічні дослідження. Bayer і Gingko Bioworks в минулому році створили Joyn Bio. Це нова біотехнологічна компанія, яка займається розробкою ендофітів для сільськогосподарських культур. Joyn Bio вже отримав $100 млн венчурних інвестицій.
Стартапи також розробляють свої продукти
Стартап Pivot Bio вже розробив азотфіксуючі мікроорганізми для кукурудзи. Але рішення Pivot Bio функціонують трохи інакше. На відміну від ендофітів, які живуть всередині рослини, мікроби Pivot Bio живуть на поверхні коренів. Ці мікроби не замінюють повністю азотні добрива - але вони можуть скоротити кількість добрив.
Pivot Bio п'ять років проводили експерименти на 5000 польових ділянках в 100 різних районах. На основі цих досліджень розробники прийшли до висновку, що їх продукт дозволити замінити до 28 кг мінеральних азотних добрив на гектар кукурудзяного поля.
Стартап Pivot Bio вже анонсував попередній комерційний запуск своїх азотфіксуючих мікроорганізмів. Фермери США проводять великі польові випробування. Результати повинні бути доступні до кінця року.
Українські мікробіологи також розробляють рішення для сільського господарства. Вони створили унікальний препарат - AgroLact. Він не має аналогів в світі і підвищує продуктивність культур і їх стійкість до стресів до посухи, холоду, спеки, кислотних дощів, грибним патогенів.
Також читайте:
- Розроблено програму, яка розрахує економічність будь-якої теплиці
- Науковці представили еко-плівки та еко-сітки для овочів
- Thorilex представить аквапону систему, яка вміщує в 9 разів більше рослин від звичайної
- У Франції власників теплиць закликають перейти на біологічний захист рослин і застосування джмелів для запилення
