Регистрация / Вход
Прислать материал

Технологии предотвращения загрязнения почв пестицидами за счет применения супрессивных компостов

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
супрессивные компосты, биопестициды, фитопатогенные грибы, снижение загрязнения окружающей среды, зеленые агробиотехнологии

Цель проекта:
Основная задача ПНИЭР - разработка технологии получения компостов с супрессивными свойствами по отношению к фитопатогенным грибам и внедрение их использования вместо традиционных пестицидов. В настоящее время феномен супрессивности компостов описан в научной литературе, выявлены некоторые факторы, способствующие формированию свойств супрессивности. Однако технологии, предназначенной для получения таких компостов, на сегодняшний день не существует. Внедрение такой технологии в практику агропромышленных предприятий позволит снизить уровень загрязнения почв пестицидами, а также получать экологически чистую сельскохозяйственную продукцию. Цели реализуемого ПНИЭР: - снижение экологической нагрузки на окружающую среду за счет внедрения биофунгицидов взамен традиционно используемых пестицидов и за счет предотвращения размещения отходов в окружающей среде; - разработка технологии получения компостов с супрессивными свойствами, обладающими способностью регулировать патогенность и токсичность почв; - обеспечение агропромышленных предприятий новым видом продукции – экологически безопасным компостом, обладающим одновременно удобрительными свойствами по отношению к растениям и ингибирующими свойствами по отношению к фитопатогенам; - обеспечение экологической безопасности окружающей среды.

Основные планируемые результаты проекта:
-супрессивные компосты, биопрепараты, почвоулучшители с дополнительными свойствами, биопестициды;
- научно-технические основы для получения компостов с супрессивными свойствами;
- технологическая схема получения биопрепаратов-добавок для получения компостов с заданными свойствами (супрессивных компостов);
- математическая модель, описывающая зависимость супрессивных свойств компостов от свойств исходных субстратов и наличия микроорганизмов определенных групп;
- рекомендации по использованию супрессивных компостов;
- расчет предотвращенного экологического ущерба от замены традиционно используемых фунгицидов на компосты с супрессивными свойствами и от предотвращения размещения отходов в окружающей среде;
- технические условия на супрессивные компосты;
- технологический регламент на применение супрессивных компостов;
- перечень органических отходов, образующихся в условиях центральной России, которые являются потенциально пригодными для получения компостов с супрессивными свойствами.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Компост является продуктом процесса аэробного разложения, во время которого важную роль играют микроорганизмы. Преимущественно микроорганизмы разлагают органические вещества до устойчивых гумусоподобных субстанций, которые можно использовать для улучшения качества и плодородности почвы.
Показано, что зачастую компост обладает не только удобрительными свойствами, но и способностью контролировать заболевания растений. В качестве альтернативы пестицидам для контроля над заболеваниями растений широко изучаются супрессивные компосты.
Для объяснения механизма подавления заболеваний были предложены различные версии, включая физическо-химические и биологические. Тем не менее, до настоящего времени ни одна из версий не является преобладающей. В связи с этим не создано технологии управляемого получения компостов со свойствами супрессивности.

В результате реализации проекта будет создана технология стабильного получения супрессивных компостов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные результаты (технология производства и внесения компостов, биопрепарат) могут быть использованы предприятиями агропромышленного комплекса для снижения объемов использования фунгицидов и экологичного ведения хозяйства. Фунгициды широко используются во всем мире, поэтому их замена на экологически безопасные аналоги будет востребованной. Результаты данной работы могут быть также использованы органами законодательной и исполнительной власти, в функции которых входит ликвидация накопленного и предотвращение возможного экологического ущерба.
Компосты, которые будут производиться по разработанной в рамках проекта технологии, будут обладать рядом конкурентных преимуществ: являясь экологически безопасными пестицидами, они одновременно служат удобрениями, что приведет к снижению трудозатрат на внесение удобрений и фунгицидов. В связи с этим, авторы проекта прогнозируют широкое применение этих компостов.
Ожидаемый народно-хозяйственный эффект будет заключаться в изменении структуры производства удобрений и пестицидов. Качество продукции, производимой Индустриальным партнером, а затем и другими предприятиями агропромышленного комплекса региона, станет более экологически чистым, свободным от остаточных количеств пестицидов. В связи с растущим спросом населения на экологически чистую продукцию и появившимся предложением, изменится структура потребления.
Создаваемая интеллектуальная собственность будет обладать рядом уникальных качеств по сравнению с аналогами, поэтому будет являться перспективной в части патентоспособности.

Текущие результаты проекта:
В настоящее время выполнены 2 этапа проекта. На первом этапе получены следующие результаты:
проведен аналитический обзор более, чем 180 публикаций: обобщены результаты работ, посвященных заболеваниям растений, вызываемых микроорганизмами; рассмотрены причины, проявления, последствия и методы биологического контроля фузариоза растений; оценены органические почвоулучшители, обладающие свойствами супрессивности по отношению к фитопатогенным грибам, в частности, супрессивные компосты: технологии их получения, эффективность применения; освещены механизмы формирования супрессивности почв и почвоулучшителей.
Далее проведен патентный поиск по предметам: «супрессивные компосты», «биодобавки», «ингибирование фитопатогенных микроскопических грибов», «биопестициды». Поиск проводился в информационной базе Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, а также в информационной базе патентов Бюро по регистрации патентов и торговых марок США. В результате поиска было обнаружено 19 документов, содержание которых являлось релевантным для исследуемой темы.
Выявлено, что основная часть разработок приходится на период 1986-2013 гг. Найденные зарегистрированные патенты, как правило, посвящены проблемам приготовления специальных компостов и биопрепаратов на основе микроскопических грибов и бактерий, обладающих помимо удобрительных свойств еще и фунгицидной активностью.
Затем уточнен план работ на весь период выполнения проекта (2014-2016 гг.): он включает в себя работы, осуществляемые за счет средств Субсидии, за счет внебюджетных средств Получателя субсидии, а также за счет средств Индустриального партнера. Более подробно представлен план работ на 2014 г.: все работы можно условно разделить на 2 блока – Теоретический блок включает в себя обзор научно-технической литературы и патентные исследования; Экспериментальный блок включает анализ данных статистической отчетности об образовании отходов в Пестречинском районе Республики Татарстан, отбор и оценку характеристик образцов отходов, которые будут использованы для получения компостов на дальнейших этапах исследований. Подобраны методики для реализации работ в 2014 г.
Далее разработана программа и методики экспериментальных исследований «Оценка свойств супрессивности компостов». Оценка будет осуществляться в лабораторных условиях двумя методами - методом, основанным на посевах на чашках Петри и методом, основанным на использовании системы «почва-растения». Супрессивным будет считататься компост, который будет оценен как «супрессивный» одновременно по результатам применения обеих методик. Программа изложена на 15 страницах, утверждена Индустриальным партнером и Получателем субсидии.
Затем проведен анализ данных об образовании органических отходов в Пестречинском административном районе Республике Татарстан (РТ), на территории которого расположены угодья Индустриального партнера. Данные для анализа были получены из Государственного доклада о состоянии окружающей среды в РТ (2013 г.), от Исполнительных органов района, а также из данных статистической отчетности 2-тп «Отходы». Выявлено, что формы экологической отчетности (Расчет платы за негативное воздействие на окружающую среду, форма 2-тп «Отходы» и проч.) заполняются природопользователями некорректно и поэтому не могут служить основой для формирования базы данных наименований и объемов органических отходов. На основании данных. На основании данных Государственного доклада о состоянии окружающей среды в Республике Татарстан (2013 г.) и Исполнительных органов района, установлено, что на долю Пестречинского района приходится 2–2,2 % от общей массы образуемых в РТ отходов животноводства.
В заключении, отобраны образцы 10 видов крупнотоннажных органических отводов (КОП - Козий навоз, КП - Куриный помет, КРП - Кроличий помет, КРС - Навоз крупного рогатого скота, ОЗ - Отходы зерна (корма для животных), утратившего потребительские свойства, ОО - Овощные отходы (отходы переработки и консервирования овощей), ОС - Отходы соломы, ПСН - Перепревший свиной навоз, СНП - подстилка из свинарника (содержащая навоз, солому, выделения), ССН - свежий свиной навоз) и проанализированы их характеристики.
Практически все образцы отходов имели щелочное значение рН (6,9–10,3), за исключением ОО (5,6). Высокой электропроводностью характеризовались отходы КРС (3860 мкСм/см2), КРП (4300 мкСм/см2), КОП (3280 мкСм/см2), минимальная электропроводность была отмечена для образца ОЗ и составила 593 мкСм/см2. К наиболее влажным относились КП, КРП, ОО, КРС, ССН (порядка 60 % и выше), к наименее влажным - отходы ОЗ и ОС (менее 10 %). Содержание Cr (общего) и Fe во всех образцах органических отходов было значительно ниже, чем соответствующий кларк. В одном образце (ОС) содержание Co было ниже кларка. В остальных образцах наблюдалось превышение содержания данного металла над значением кларка в 1,1–7,5 раз. Содержание Pb во всех образцах отходов было ниже значений ОДК, установленных для почв. Наименьшее содержание Cu выявлено в образце ОС (24,1 мг/кг), превышение содержания Cu над установленными значениями ОДК для почв различных типов установлено для образцов ПСН, КРС, КОП, КП, КРП. Наименьшее содержание Zn выявлено в образце ОС, превышение содержания Zn над установленными значениями ОДК для почв различных типов установлено для образцов КП и ПСН.
Содержание ОВ во всех отходах достаточно высоко (61–99 %), при этом максимальное содержание ОВ обнаружено для образца ОС, минимальное – для КРП. Содержание Сорг варьируется от 23 до 71 %, минимум установлен для образца ПСН, максимум – ССН. Максимальное содержание растворимого углерода отмечено в образцах КП (0,75 %) и КРП (0,76 %), минимальное – в ОС (16 %). Минимальные содержания азота отмечены для отходов растительного происхождения (ОЗ, ОС, ОО). Высокое содержание Nобщ установлено для образцов КП, КРС, КОП и составило 5, 4 и 4 % соответственно.
Высокая респираторная активность выявлена для отходов животного происхождения (152–254 мгСО2-С/(кг•сут)), низкие - для отходов растительного происхождения (менее 18 мгСО2-С/(кг•сут)). Уровень микробной биомассы в органических отходах колебался от 3977 до 42254 мкг Смик/кг.
Максимальной токсичностью, установленной на основании биотестирования водных вытяжек из отходов с использованием Daphnia magna и Paramecium caudaum, обладал образец ССН (Кр10=100 при тестировании на P. caudatum), минимальные значения токсичности определены для образцов ОС, КОП, ОО и составили 7, 7 и 5, соответственно, при тестировании на P. caudatum. Тестирование объектов на D. magna не выявило различий в токсичности проанализированного спектра отходов.
Образцы отходов КП, КРС, ОЗ, ОС, СНП, КОП не содержат патогенной микрофлоры. В образцах КРП и ССН обнаружено наличие энтерококков 5250 и 1250 КОЕ/г соответственно. В образцах ПСН и ОО обнаружены БГКП в количестве 300 и 400 КОЕ/г соответственно.

На втором этапе проекта получены следующие результаты:
Первоначально проведена подготовка компостных смесей и осуществлен процесс компостирования в лабораторных условиях. Подготовлены две закладки компостных смесей на основе сельскохозяйственных отходов: первая закладка – двух- и трехкомпонентные смеси на основе отходов соломы с добавлением куриного помета и разных видов навозов (варианты С+КП, С+КП+КРС, С+КРС, С+ССН, С+КП+ССН); вторая – двух- и трехкомпонентные смеси на основе отходов зерна с добавлением куриного помета и разных видов навозов (варианты З+КРС, З+КП+КРС, З+КП, З+КП+ССН, З+ССН, З+ССН+КРС). Соотношение между субстратами, входящими в компостные смеси, подбиралось таким образом, чтобы отношение между содержанием Сорг и Nобщ составляло 9-25. В течение 98 сут для смесей первой закладки и 70 сут для смесей второй закладки оценивались следующие характеристики в динамике: температура компостной смеси, содержание растворимого органического углерода, респираторная активность микроорганизмов и фитотоксичность. Показано, что для смесей первой закладки мезофильная фаза длилась от 1–1,5 сут, термофильная – 19–20 сут с максимальной температурой 45 °С в смеси С+КП. Содержание Сорг резко снизилось на 50–55 сут, далее достоверно не изменялось во всех смесях первой закладки. Для всех вариантов смесей первой закладки максимальная респираторная активность отмечалась в начале процесса компостирования (372–863 мгСО2-С/кг), далее наблюдалось ее волнообразное изменение с общим трендом к снижению. Наибольшая фитотоксичность во всех смесях первой закладки наблюдалась на 0 и 14 сут процесса компостирования. К 98 сут компостирования в 4 из 6 вариантов смесей индекс прорастания составлял более 100 %, что свидетельствует об отсутствие фитотоксичных компонентов и наличии удобрительных свойств. Мезофильная стадия для всех вариантов смесей второй закладки длилась 2–3 сут, что в 1,5–2 раза дольше по сравнению со смесями первой закладки. Также смеси второй закладки продемонстрировали более высокую температуру в термофильную стадию (55–58 °С), которая была короче – порядка 14 сут. Уровни Сраств в исходных смесях второй закладки достоверно не различались и колебались в пределах 10,4–12,6 %. В процессе компостирования происходило волнообразное изменение Сраств с общим трендом к снижению, что аналогично изменению концентрации Сраств при компостировании смесей первой закладки. После 50-55 сут компостирования содержание Сраств достоверно не изменялось в каждой из смесей, более того, оно не различалось и между смесями. Для смесей на основе отходов зерна респираторная активность варьировалась в более узком диапазоне 392–534 мгСО2-С/кг, так же как и для первой закладки наблюдалось снижение уровня респираторной активности, но к 70-м сут наблюдения значений респираторной активности на плато не установлено. При компостировании смесей на основе отходов зерна отмечено увеличение фитотоксичности в 4–7 раз на 14 сут компостирования для всех вариантов. К 70 сут процесса только для двух смесей (З+КП, З+КП+КРС) индекс прорастания был выше 100 %, что свидетельствует о незавершенности процесса.
Далее оценены супрессивные свойства компостов в опытах с чашками Петри. Методами компостных комочков и лунок выявлено, что Fuzarium oxysporum был ингибирован всеми компостными смесями (обеих закладок) во все временные точки отбора. Это, однако, в малой вероятности свидетельствует о супрессивности данных компостов, скорее – об их недостаточной зрелости и токсичности, в частности, по отношению к данному микромицету.
Затем оценены супрессивные свойства компостов в модельной системе «F. oxysporum – томат». При оценке использовали компосты разных возрастов, и те же компосты, подвергнутые стерилизации. Показано, что всхожесть семян томата в обработанных почвах не зависела ни от возраста компостов, ни от наличия или отсутствия их стерилизации. При этом было показано, что в ряде случаев всхожесть в обработанных компостах была ниже, чем всхожесть в зараженной почве без компостов. Вероятно, это связано с тем, что компосты недостаточно зрелые и обладают фитотоксичностью. При оценке доли заболевших растений из числа взошедших через 3 недели после высадки было показано, что внесение нестерильных компостных смесей приводило к увеличению количества здоровых растений в большинстве вариантов по отношению к стерильным компостам. Исключением являлась смесь С+КП на 56 и 70 сут. Однако доля здоровых растений лишь в трех вариантах на 70 сут превышала 50 %, что не позволяет отнести компосты на 56, 70 и 84 сут процесса к супрессивным. Вероятнее всего, для появления супрессивных свойств необходим более длительный срок компостирования.
На четвертом этапе в компостах, полученных в условиях лабораторного эксперимента, было оценено количество копий бактерий и микромицетов. Количество бактериальных 16S рДНК копий колебалось в пределах 7,4•105–1,4•108 копий на грамм сухого вещества. Наибольшее количество бактерий выявлено в компосте З+КРС на 90 сут инкубирования, наименьшее – в компосте З+КП на 1 сут инкубирования. В целом, количество бактерий, оцененное по числу копий 16S рДНК, возрастало от начала компостирования. Количество копий грибных ITS рДНК копий колебалось от 9,0•103 до 2,9•106 копий на грамм сухого вещества компоста. Наибольшее количество микромицетов выявлено в компосте С+КП на 1 сут инкубирования, наименьшее – в компосте З+КП+ССН на 30 сут инкубирования. В целом, количество грибов, оцененное по числу копий ITS рДНК, заметно снижалось на 30 сут по сравнению с начальным, а затем постепенно возрастало. Соотношение между количеством бактериальных и грибных копий составляло 1–285, причем наибольшие значения соотношений были отмечены на 30 сут компостирования. В коммерческих компостах количество бактериальных копий превышало количество грибных и колебалось от 7 до 90 для разных компостов и разных временных точек отбора. Большая часть бактерий коммерческих компостов (34–64 %) принадлежала к таксону Proteobacteria во всех компостах, при этом OTU классов Gamma-, Alpha- и Betaproteobacteria были наиболее многочисленными. Также во всех образцах были обнаружены OTU, принадлежащие к типичным для компостов таксонам – Bacteroidetes, Acodobacteria и Firmicutes, при этом Sphingobacteria и Flavobacteria были наиболеее многочисленными группами, их обилие колебалось в пределах 5–42 % и 0,1–19 %, соответственно. Ascomycota доминировали в большинстве коммерческих компостов (85–97 %). Среди Ascomycota, превалировали Eurotiomycetes, Dothideomycetes, Sordariomycetes и Saccharomycetes. Среди OTU микромицетов, лишь для одного класса Cystobasidiomycetes (Basidiomycota) была выявлена связь между обилием и свойствами супрессиновности. Cystobasidiomycetes не были известны ранее как организмы, способные ингибировать фитопатогены. Кроме того, их обилие было достаточно низким (0,06–0,36 %).
Из компостов выделено четыре штамма ризосферных бактерий с помощью накопительной системы на корнях томатов. Выделенные штаммы были микробиологически, биохимически и идентифицированы по последовательности гена 16S рРНК как D. tsuruhatensis S1, P. putida S2, P. putida S3 и P. fluorescens S4. Показано, что все четыре штамма эффективно колонизировали корень томатов и статистически значимо сниженали уровень их заболеваемости корневой гнилью. Метод выделения штаммов и отсутствие антагонистических свойств и литических ферментов позволяют предположить, что выделенные штаммы используют механизм конкуренции за экологические ниши. Для того, что бы исключить механизм индукции системной устойчивости, был использован соответствующий тест; результаты теста показали, что ни один из штаммов не индуцирует системную устойчивость на томатах. Только один штамм – S3 – проявлял антагонистические свойства и по отношению к другим фитопатогенным грибам: Forl, P. ultimum, A. dauchi, B. cinera, Ggt. Исходя из этого, он был выбран в качестве основы для биопрепарата. Данные об этом штамме были собраны в Паспорт, форма которого соответствует таковой заявления на патентное депонирование штаммов Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов. Наличие Паспорта позволит ускорить процедуру депонирования и патентования штамма S3 в дальнейшем.
На следующем этапе работы были оценены фитопатогенные свойства почв Пестречинского муниципального района Республики Татарстан. Образцы почв, отобранные на 100 площадках, расположенных на пахотных угодьях района, характеризовались типичным содержанием культивируемых бактерий – в среднем оно составило 8,5•106 КОЕ/г. Из почв методом посева на агаризованную среду Сабуро были выделены плесневые и дрожжевые грибы – их численность в среднем составила 7,2•104 и 8,8•105 КОЕ/г, соответственно. Фитопатогенные грибы Fusarium spp. и Alternaria spp. определялись методом посева на агаризованную среду Чапека с последующим микроскопированием. Наименьшее количество Fusarium spp. выявлено в образцах 77 и 13 – 0,2 % от общей численности культивируемых микромицетов, а наибольшее – в образцах 46 и 47 – 8,1 % и 9,1 %, соответственно. Указанный уровень содержания Fusarium spp. достаточен для активного развития болезни без соответствующей обработки почвы. Доля Alternaria spp. не превышала 0,1 % от общего числа микромицетов.
Для анализа заболеваемости сельскохозяйственных растений по результатам предварительного маршрутного исследования было выбрано 2 поля – первое площадью 58,3 га и второе площадью 9,5 га, засеянные озимой пшеницей сорта «Волжанка 22». На каждом из полей оценивали растения на 10 площадках размером 15х50 см, расположенных по диагонали. Выявлено, что распространенность заболевания корневой гнилью, оцененная по количеству выпавших растений из общего числа, в среднем составляет 6 % на поле №1 и 2 % на поле №2. Также установлено, что доля пораженных растений на поле №1 выше, чем на поле №2 в среднем в 1,7 раза. При этом и интенсивность заболеваний на поле №1 выше – так, на нем отмечено 1,9 %, 1,0 % и 0,3 % растений с 2-мя, 3-мя и 4-мя баллами поражения, соответственно, тогда как на поле №2 растений с 4-м баллом интенсивности не выявлено вообще, доля пораженных первой, второй и третьей степени составила, соответственно, 0,3 %, 1,1 % и 0,5 %.
С целью освещения и популяризации промежуточных результатов ПНИЭР, исполнители проекта приняли участие в следующих мероприятиях: Галицкая П.Ю., Гумерова Р.Х., Курынцева П.А. – в Выставке субъектов малого и среднего предпринимательства Пестречинского муниципального района Республики Татарстан, проходившей в рамках Отчетной сессии данного района 20 февраля 2015г.; Галицкая П.Ю., Селивановская С.Ю., Ахметзянова Л.Г. – во встречах с представителями научного сообщества и потенциальными пользователями разрабатываемой технологии в гг. Геттинген (ФРГ), Вена (Австрия), Хельсинки (Финляндия) – апрель 2015г.