какие микроорганизмы в наибольшей мере обогащают почву азотом
Какие микроорганизмы в наибольшей мере обогащают почву азотом
В этой статье расскажем о полезных функциях азотофиксирующих бактерий и подберем препараты на их основе.
Процессы жизнедеятельности
Все азотфиксирующие бактерии по особенностям процессов жизнедеятельности можно объединить в две группы.
Азотфиксирующие бактерии
Среди процессов, от которых зависит биологическая продуктивность на земном шаре, одним из важнейших является фиксация микроорганизмами азота атмосферы. Проблема биологической азотфиксации относится к числу основных проблем сельскохозяйственной и биологической науки. Перед учеными стоит задача изыскать возможности управления процессом азотфиксации и на этой основе увеличить урожайность сельскохозяйственных культур.
Биологический азот может служить существенным дополнением азотного фонда почвы, способствуя повышению ее плодородия и обеспечивая тем самым более экономное расходование технического азота — азота удобрений.
В земной коре общее содержание азота (молекулярного и в виде соединений) достигает 0,04% (по массе). Основная масса азота на Земле находится в атмосферном воздухе; 78% воздуха — чистый молекулярный азот. В количественном выражении это составляет 4*1015 т.
Ни человек, ни животные, ни растения не могут потреблять молекулярный азот, которым изобилует воздушный океан. Столб воздуха над одним гектаром земной поверхности содержит 80 000 т азота. Если бы растения могли его усваивать, этого запаса было бы достаточно для получения 30 ц зерновых с 1 га в течение более полумиллиона лет. Однако растениям нужен азот минеральных соединений, и, «купаясь» в молекулярном азоте, они могут испытывать «азотный голод».
Содержание доступного растениям азота в почве обычно невелико. Поэтому повышение урожайности сельскохозяйственных растений связано в первую очередь с улучшением их азотного питания.
По примерным подсчетам, для сельскохозяйственной продукции земного шара требуется ежегодно около 100 —110 млн. т азота. С минеральными удобрениями вносится лишь около 30% азота.
Дефицит азота в значительной степени компенсируется биологическим путем, в основном за счет запаса азота, аккумулированного в почве микроорганизмами, в первую очередь азотфиксирующими.
К 2000 г. на Земле будет вырабатываться в год примерно 100 млн.т азотных удобрений. Следует думать, что урожаи к этому времени удвоятся и будут выносить из почвы до 200 млн. т азота. Следовательно, и тогда роль микробиологического фактора в азотном обеспечении сельскохозяйственных растений останется весьма значительной.
Химическая промышленность СССР по выработке минеральных удобрений находится на одном из первых мест в мире. Однако огромная территория сельскохозяйственного использования не позволяет в достаточной мере обеспечить все культуры элементами минерального питания, в том числе и азотом. Поэтому в соответствующих количествах он дается лишь для технических культур.
В СССР при существующих урожаях за год сельскохозяйственная продукция выносит из почвы около 10 млн. т азота. В то же время применение минеральных азотных удобрений у нас не превышает пока 4 млн. т, а органические дают около 2,5 млн. т азота. Так как минеральные удобрения используются растениями далеко не полностью (на 60—70%), то ежегодный дефицит возврата азота составляет не менее 4—5 млн. т.
В ближайшие годы химическая промышленность существенно увеличит выпуск минеральных удобрений. В 1975 г. продукция азотных туков должна возрасти вдвое и зерновые культуры будут получать больше азота в форме минеральных соединений. Это позволит повысить средний урожай примерно до 20 ц/га. Однако и тогда минеральные и органические удобрения не будут компенсировать выноса азота из почвы.
Признавая, таким образом, несомненную необходимость химизации земледлия, нельзя забывать о возможности и целесообразности самого широкого использования биологического азота. Это связано и с улучшением кормовой базы, так как симбиотические азотфиксаторы обеспечивают животноводство дешевым белковым кормом (люцерна, клевер и другие виды бобовых культур).
Выдающийся русский ученый, основатель советской агрохимии Д. Н. Прянишников отметил, что, как бы ни было высоко развито производство минеральных удобрений, никогда не следует забывать о целесообразности использования биологического азота.
В ряде районов черноземной зоны, где почвы возделываются уже более 300 лет, вполне удовлетворительные урожаи получают и без внесения минеральных удобрений. По расчетам же, за это время почвы должны были бы потерять весь находящийся в них азот. В том, что этого не происходит, заслуга азотфиксаторов.
Существуют две группы фиксирующих атмосферный азот микроорганизмов. Одна из них находится в симбиозе с высшими растениями, образуя клубеньки на корнях. К этой группе относятся клубеньковые бактерии. Микроорганизмы другой группы обитают в почве независимо от растений. К ним относятся азотобактер, клостридиум, бейеринкия и другие свободно-живущие микроорганизмы. Потенциальные возможности симбиотических азотфиксаторов значительно выше, чем свободноживущих.
История открытия азотфиксирующих бактерий
Проблема биологического азота возникла с развитием земледельческой культуры. Издавна из практической агрономической деятельности человека было известно, что бобовые растения повышают плодородие почвы. Еще в III — I вв. до н. э. об этом писали греческий философ Теофраст и римляне Катон, Варрон, Плиний и Вергилий.
Первое научное объяснение способности бобовых растений накапливать азот принадлежит французскому агрохимику Дж. Буссенго (1838). Он установил, что люцерна и клевер обогащают почву азотом, зерновые же и корнеплоды истощают. Эти факты он связал со способностью бобовых растений фиксировать азот из воздуха. Однако Буссенго ошибочно представлял, что агентом фиксации являются листья бобового растения. Именно это неправильное заключение через 15 лет привело Буссенго к отрицанию своего открытия.
Стремясь более веско доказать правоту своей мысли, Буссенго провел серию опытов. В отличие от проводимых им ранее экспериментов он на прокаленном песке выращивал теперь уже не проростки бобовых растений, пересаженных с поля, а тщательно промытые семена (люпин и бобы); сосуды с растениями помещались при этом под стеклянный колпак. В таких условиях обогащения растений «воздушным азотом» не произошло. Сейчас это понятно и легко объяснимо.
Именно тщательность постановки опыта, которая исключала возможность заражения корневой системы проростков клубеньковыми бактериями, привела Буссенго к результатам, опровергшим прежние его данные. Считая тем не менее последние опыты более достоверными и не предполагая даже о существовании клубеньковых бактерий, он признал результаты прежних опытов ошибочными и отрекся от них.
Понадобилось несколько десятилетий, прежде чем удалось установить, что молекулярный азот бобовые растения фиксируют только в симбиозе с микроорганизмами, вызывающими образование клубеньков на их корнях.
Огромный опыт, накопившийся к настоящему времени, свидетельствует о большой роли бобовых растений в плодородии почв. Прянишников указывает, что после введения в Европе севооборотов с посевом клевера средняя урожайность зерновых повысилась с 7 до 17 ц на 1 га. В Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева урожаи ржи в шестипольном севообороте с клевером однолетнего пользования на протяжении 50 лет без внесения минеральных удобрений сохраняются на уровне 14 га на 1 га, а без клевера урожай достигает лишь 7 ц. На более плодородных почвах при хорошей агротехнической обработке бобовые растения повышают урожайность еще больше.
Поэтому не удивительно, что в странах с высокоразвитым земледелием обычно до 20— 25% окультуренной площади занято бобовыми растениями. При этом одновременно можно получить и ценный корм — зеленую массу растений, и обогащение почвы азотом.
Бобовые растения играют, по-видимому, главную роль в связывании молекулярного азота в возделываемых почвах. Однако неправильно было бы думать, что все виды бобовых растений в равной степени обогащают почву. Общее увеличение количества азота в надземной массе и пожнивных остатках при культивировании люпина составляет 150—200 кг, клевера красного — 180 кг, люцерны — 300 кг, донника — 150 кг, зерновых бобовых — 50 — 60 кг азота в год на 1 га почвы. При этом прибыль азота в почве для всех перечисленных видов, за исключением зерновых бобовых, составляет примерно 50—70 кг на 1 га.
В настоящее время известно также свыше 200 различных видов других растений, для которых способность фиксировать азот в симбиозе с микроорганизмами, образующими клубеньки на корневой системе или на их листьях, вполне доказана. Большинство из них относится к деревьям и кустарникам.
В дальнейшем список азотфиксаторов пополнился новыми видами микроорганизмов — представителей других систематических групп.
Деятельность всех свободноживущих азот-фиксирующих бактерий в почве ограничена недостатком органических веществ. Поэтому они и не могут обеспечить значительного накопления азота (в среднем они накапливают не более 5 кг азота на 1 га). Их деятельность можно активировать внесением свежего органического вещества.
Проникновение бактерий в корень
К моменту проявления оптимальной активности клубеньки приобретают розовую окраску (благодаря пигменту легоглобину). Фиксировать азот способны лишь те бактерии, которые содержат легоглобин.
Значение хемотрофов
Люди давно заметили, что, если перекопать бобовые растения с почвой, урожай на этом месте будет лучше. На самом деле суть не в процессе вспахивания. Такая почва больше обогащается азотом, столь необходимым для роста и развития растений. Если лист называют фабрикой по производству кислорода, то азотфиксирующие бактерии могут по праву называться фабрикой по производству нитратов. Из-за недостатка знаний их приписывали только растениям и не связывали с другими организмами. Было высказано предположение, что листья могут фиксировать атмосферный азот. В ходе экспериментов было выяснено, что бобовые, которые выросли в воде, такую способность утрачивают. Более 15 лет этот вопрос оставался загадкой. Никто не догадывался, что осуществляют все это азотфиксирующие бактерии, среда обитания которых не была изучена. Оказалось, что дело в симбиозе организмов. Только вместе бобовые и бактерии могут производить нитраты для растений. Сейчас ученые выявили более 200 растений, которые не относятся к семейству бобовых, но способны образовать симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Картофель, сорго, пшеница также обладают ценными свойствами.
Азотфиксирующие бактерии
12.05.2021, 19:31 Бактерии
Автор: Дарья Куликова
Клубеньковые бактерии
Существование клубеньковых бактерий является примером мутуалистических (взаимовыгодных) симбиотических взаимоотношений, относящихся к типу эндосимбиозов, при котором клетки микроорганизмов находятся в клетках и тканях макроорганизма.
Клубеньковые бактерии – грамотрицательные Грамотрицательные бактерии – это бактерии которые не окрашиваются кристаллич. подвижные палочки в свободном состоянии и в молодых клубеньках. При дальнейшем развитии они приобретают неправильную форму и превращаются в разветвленные, булавовидные или сферические бактероиды. На этой стадии происходит фиксация молекулярного азота.
Клубеньковые бактерии являются микроаэрофильными микроорганизмами, способными развиваться при низком парционном давлении кислорода в среде. Они хемотрофы, гетеротрофы (хемогетеротрофы), часто нуждаются в факторах роста (витаминах): тиамине, пантотеновой кислоте, биотине. Оптимальная температура роста – +24°C–+26 °C.
Обычно клубеньковые бактерии существуют в почве свободно, их количеств зависит от типа и характера почвы, предшествующей сельскохозяйственной обработки. Характерно, что в свободном состоянии, то есть, находясь в почве, данная группа бактерий не способна фиксировать азот из атмосферы, а использует связанный азот.
Разновидности азотфиксирующих бактерий
Кроме клубеньковых бактерий способностью к азотофиксации обладают многие другие микроорганизмы:
Бактерии рода Pseudomonas, обитающие в ризосфере различных растений, способны фиксировать молекулярный азот. Азотфиксирующие свойства выявлены у штаммов P. saccharophila, P. dеlafieldii, P. aurantiaca и др.
Как полезные бактерии оздоравливают почву и повышают урожай
Добавление статьи в новую подборку
Считаете, что невозможно получить хороший урожай картошки или яблок без использования химических удобрений? Вы сильно ошибаетесь. Есть гораздо более современные и гуманные для растений и людей способы подкормки, которым доверяют продвинутые огородники.
О почвенных микроорганизмах и их влиянии на растения известно и написано уже довольно много. Биопрепараты, состоящие из полезных бактерий, выходят на первое место по популярности использования в современных садах, и это совершенно заслуженно.
Биологический форпост
Полезные бактерии улучшают плодородие почвы и способствуют приживаемости саженцев, производят вещества, помогающие прорастанию семян, ускоряют корнеобразование, помогают растениям усваивать полезные вещества из грунта, борются с вредными насекомыми и перерабатывают отходы. Полезное действие почвенных микроорганизмов в растениеводстве трудно переоценить.
Только ленивый сейчас не говорит об испорченной экологии, загрязнении почвы, напичканных вредными для организма человека нитратами продуктах, которые мы покупаем на рынке и в магазинах. Зато у каждого садовода есть возможность вырастить абсолютно экологически чистые, полезные для здоровья фрукты и овощи в собственном саду.
Вокруг корневой системы растений сосуществует множество микроорганизмов, как полезных, так и патогенных. Одни могут угнетать других, или, наоборот, способствовать их развитию либо вообще никак не взаимодействовать друг с другом.
Этот биоценоз воздействует на растения. В зависимости от его состава, растения могут заболевать или же активно расти и плодоносить. Задача садовода – создать правильный биоценоз микроорганизмов, т.е. такой, в котором устойчиво преобладают полезные бактерии.
Бактерии-помощники
Состав самых полезных для растений бактерий, живущих в почве, непостоянен и подвержен колебаниям в зависимости от множества природных условий. Лучше всего бактерии «работают» на окультуренных плодородных почвах, обеспеченных органическим веществом и влагой.
Функции у этих микроорганизмов самые разнообразные.
Bacillus subtilis (сенная палочка) производит природные антибиотики, уменьшая воздействие на растения патогенных микроорганизмов, синтезирует витамины, аминокислоты и вещества, стимулирующие собственный «иммунитет» растений, выделяет ферменты, способные удалять продукты гнилостного распада тканей.
Bacillus megaterium способна переводить недоступные для растений формы элементов питания в усвояемые, в частности, высвобождает фосфор из органики и преобразует его в растворимые соли фосфорной кислоты. То есть эти бактерии улучшают фосфорное питание, а еще обладают ростостимулирующим эффектом.
Pseudomonas fluorescens синтезирует регуляторы роста растений (например, индолилуксусную кислоту, которая стимулирует корнеобразование), улучшает фосфорное питание, делая фосфор доступным для растений, подавляет рост фитопатогенных грибков и бактерий (в том числе благодаря образованию антибиотиков).
Azotobacter chroococcum улучшает азотное питание растений, фиксируя азот из воздуха, но кроме того еще вырабатывает вещество, угнетающее развитие микроскопических патогенных грибков, задерживающих рост растений.
Lactococcus lactis повышает продуктивность растений, стимулирует развитие естественной микробной флоры.
Мир без войны
Микроорганизмы способны быстро захватывать новые территории, расширяя свой ареал обитания, и стойко охранять уже занятую ими территорию от других микробов. Благодаря этому свойству полезные микроорганизмы вытесняют патогенные, но с тем же успехом могут бороться между собой за «место под солнцем». То есть если все полезные для растений микроорганизмы начнут работать одновременно, вместо ожидаемой пользы мы увидим обратную картину: бактерии станут убивать друг друга.
Атлант для здоровья и силы ваших растений
Решением данной проблемы стала разработка российскими учеными принципиально нового комплексного биологического препарата Атлант от компании «Ваше хозяйство», в котором микроорганизмы выполняют свою работу последовательно, не угнетая друг друга.
После использования препарата бактерии-помощники в его составе создают в корневой и прикорневой зоне правильный биоценоз. В результате полезные бактерии вытесняют патогенную микрофлору, подавляя вредоносные микроорганизмы, тем самым предотвращают стеблевые и листовые болезни растений.
Кроме того, полезные микробы выделяют особые биохимические вещества, стимулирующие собственный иммунитет растений, что делает их еще более сильными и здоровыми без использования какой-либо «химии», а также оздоравливают саму почву и повышают ее плодородие, обогащая азотом и фосфором. Эти эффекты подтверждены лабораторными и полевыми испытаниями.
Атланты, как известно, отличались необычайной силой. Новый отечественный биопрепарат Атлант поможет вашим растениям быть сильными и здоровыми, а вам – наслаждаться полезным экологически чистым урожаем.
Как применять препарат Атлант
Средство производится в двух формах:
Атлант ЗДОРОВЬЕ РАСТЕНИЙ И ПОЧВЫ применяется в виде сухого порошка методом опудривания посадочного материала и семян перед посевом/посадкой или путем внесения в грунт перед посадкой с дальнейшим заделыванием в почву.
Атлант ПИТАНИЕ И РОСТ применяется в виде водного раствора для замачивания посадочного материала перед высадкой и для корневой подкормки (полива) рассады и растений в период вегетации.
Применять Атлант можно на любых культурах: овощных, плодовых и ягодных, зеленных, цветочных, декоративных, горшечных и на газонах.
Безопасность – главное свойство Атланта
Очень важно, что обработки можно проводить в течение всего периода вегетации, даже во время плодоношения, поскольку микроорганизмы, входящие в состав препарата Атлант, безопасны для человека и животных. Атлант не образует опасных веществ и не загрязняет почву тяжелыми металлами и радионуклидами. Более того, в продукции (плодах, ягодах, стеблях, листьях и т.д.) снижается содержание нитратов и пестицидов.
Атлант не содержит азот, зато в его состав входят микроорганизмы, обогащающие почву азотными соединениями в доступной для растений форме. В результате применение минеральных удобрений можно сократить, это и снизит содержание нитратов в продукции. Другие микроорганизмы в составе Атланта помогают растениям бороться с болезнями, это дает возможность отказаться от использования пестицидов.
Наверняка в своем огороде вы захотите выращивать только чистые от нитратов и пестицидов овощи и фрукты, которые не причинят вреда здоровью близких вам людей. Комплекс полезных бактерий будет «работать» в течение всего сезона, поэтому для хорошего урожая никакой «химии» огороду просто не понадобится.
Как улучшить почву на участке
Азы плодородия
— Николай Иванович, с чего начинается земледелие?
— С пристального взгляда на почву. Надо, в первую очередь, понять, что в ней есть и как она работает. В земледелии очень важно видеть всю картину целиком. И почву надо рассматривать как партнера, с которым предстоит сработаться. Улучшая ее, мы улучшаем себя и повышаем рентабельность. Землю в буквальном смысле необходимо делать, творить. И способов для этого достаточно. Причем простых и понятных.
— Вы все время говорите, что для почвы нет ничего нужнее и полезнее сидератов. Мол, они — универсальная палочка-выручалочка.
— Так оно и есть. Особенно если нет качественного компоста. Иначе образуется дисбаланс по питанию, начнутся проблемы с почвенными грибами (пойдут гнили). Сидераты можно высевать и как основную культуру, и как промежуточную — весной, летом и даже осенью. Самые популярные из них: злаковые — овес, рожь, ячмень, пшеница, спельта; бобовые — люпин, горох, фасоль, соя, донник, вика, фацелия, сераделла, конские бобы, эспарцет, люцерна, красный клевер; крестоцветные — горчица, редька масличная, рапс, сурепица. А также гречиха, фацелия и подсолнечник. У каждого растения — свой набор функций. Злаковые дают органическое вещество и растительные остатки. Крестоцветные и гречиха высвобождают недоступные питательные вещества, расщепляя труднорастворимые соединения фосфора, калия и других элементов в почве. Бобовые и горчица переводят фосфаты в усвояемые формы. Горчица, редька, люпин, эспарцет, гречиха, редис, турнепс, подсолнечник глубоко рыхлят почву. Бобовые, подсолнечник, фацелия и райграс — отличная защита от нематод.
Огромный плюс бобовых сидератов в том, что они на своих корешках аккумулируют азот. Причем совсем немало. Люцерна на 1 га фиксирует 150 — 300 кг азота в год, красный клевер — 100 — 150, фасоль — 30 — 50, люпин — 50 — 150 кг. Но при использовании бобовых сидератов надо помнить о том, что многим культурам, высеянным сразу после них, очень тяжело удержать этот азот. И зачастую он так и остается в почве невостребованным. Чтобы исправить ситуацию, надо после бобовых сидератов сразу высевать зерновые культуры, а уже за ними — нужные нам овощи. И наоборот, после зерновых — бобовые сидераты. Так происходит смена грибково-бактериального фона почвы.
Сидераты великолепно обеззараживают и очищают почву. К примеру, мексиканцы, чтобы защитить нежную клубнику от гнилей, в течение двух лет высевают смеси разных сидеральных культур и только потом ягодник. Голландцы подобным образом выращивают овощи: год — зеленые удобрения, два — огородные культуры.
— Чтобы сидераты правильно сработали, их надо срезать или запахивать? И когда это лучше делать?
— Традиционно сидераты запахивают. Но у этого способа два минуса: перечеркивается работа корней и не образуется мульчи из компоста. Лучше подрезать их на глубине 2 — 3 см тяпкой или плоскорезом и оставить на грядке, присыпав почвой, чтобы в работу включились микроорганизмы. В итоге растительные остатки отдадут свой минеральный запас почвенным бактериям и грибам, а те уже вернут их в почву, сделав доступными для растений. Вот такой круговорот веществ в почве.
Если же срезанные растительные остатки не трогать и оставить на поверхности, то процесс их переработки будет медленным. А в земле молодая свежая трава разложится быстро, выделив при этом много азота. И уже через 2 — 4 недели после ее заделки можно приступать к основным посадкам.
Но если зелени много, не стоит всю ее закапывать: она может закиснуть, так и не разложившись. Зеленое удобрение лучше срезать до начала цветения, когда растение еще не загрубело. «Переростки» в земле будут дольше лежать, давая при этом меньше азота и больше углерода. Вовремя срезанный сидерат принесет максимальную пользу — и почве, и будущему урожаю. Если же видите, что не достает необходимого для его роста времени или температура уже не та, то эту культуру лучше вообще не высевать. Если зелень, которую мы прикопали с осени, к весне не порыжела и не разложилась, значит, в почве или мало микроорганизмов, или они плохо работают.
Очень хорошо обрабатывать сидераты и различными деструкторами растительных остатков. В паре с почвенными тружениками они быстрее переработают органику.
— Немаловажный вопрос и сохранение гумуса. В нем залог и плодородия, и урожайности.