МІКРОБІОЛОГІЯ - М.Г. Сергійчук - 2008

Розділ 12. ВИКОРИСТАННЯ МІКРООРГАНІЗМІВ ЛЮДИНОЮ

Сільське господарство

У сільському господарстві мікроорганізми використовують для підвищення родючості ґрунту, боротьби з шкідниками рослин, силосування кормів, отримання харчового білку.

Застосування біопрепаратів у сільському господарстві має такі переваги:

- біологічні препарати створюються на основі живих мікроорганізмів та їх метаболітів;

- мікроорганізми, що входять до їх складу, є постійними мешканцями довкілля;

- дія біопрепаратів ґрунтується на використанні природних процесів (фіксування азоту, переведення фосфору в доступну для рослин форму, природному антагонізмі між мікроорганізмами);

- речовини, що входять до складу біопрепаратів, легко руйнуються в довкіллі;

- біопрепарати не шкідливі для людей і тварин.

Бактеріальні препарати для підвищення родючості ґрунтів.

Після відкриття бульбочкових бактерій виникла ідея їх використання для покращення врожайності сільськогосподарських культур шляхом підсилення фіксації молекулярного азоту. Уперше цю ідею реалізували Ф. Ноббе і Л. Гільтнер у Німеччині в 1896 .

Препаратами на основі бульбочкових бактерій є нітрагін, N-germ, нітразон, ризоторфін та ін.

Нітрагін - це препарат живих клітин певного виду бульбочкових бактерій. Основна функція препарату - фіксація атмосферного азоту.

Використання препаратів бульбочкових бактерій особливо необхідно, коли в даній місцевості вводяться нові культури бобових рослин і у складі мікрофлори ґрунту немає відповідних бактерій. Бобові культури інтенсивно розвиваються лише за наявності своїх рас бульбочкових бактерій і в достатній кількості, яка не завжди спостерігається у природних умовах. Посіви окремих бобових рослин обмежені певними районами, тому ґрунти містять не всі раси бульбочкових бактерій. В Україні вони слабо заселені бульбочковими бактеріями сої. У ґрунтах перехідних районів від лісостепової до поліської зони, на Поліссі, у Передкарпатті й Закарпатті мало бактерій, спеціалізованих до люцерни, вики, еспарцету й гороху. Це зумовлено тим, що дані культури тут раніше сіяли зрідка або зовсім не вирощували.

Як же пояснити позитивну дію інокуляції бобових рослин культурою Rhizobium у тих випадках, коли ґрунти давно освоєні і мають у складі своєї мікрофлори бульбочкові бактерії? По-перше, у природних умовах може відбуватися перехресне інфікування, тобто бобові рослини інфікуються бактеріями близьких груп рослин. У таких випадках бульбочки можуть утворюватися, але вони функціонують неповноцінно, або утворюються неактивні бульбочки. При штучній інокуляції у корінь бобової рослини проникає активна раса бульбочкової бактерії, яка нанесена на насіння. По-друге, бульбочкові бактерії, які є у ґрунті, що використовується для вирощування небобових рослин, існують як звичайні сапрофіти. Часто умови, які складаються в такому ґрунті, виявляються несприятливими для бульбочкових бактерій, а їх кількість суттєво зменшується, тому в таких випадках природне інфікування не дає ефективного симбіозу.

Достатня заселеність ґрунтів аборигенними (місцевими) бульбочковими бактеріями також не завжди задовольняє потреби сільського господарства, оскільки вони можуть бути недостатньо активними. Мікробіологи-селекціонери пропонують більш активні штами.

Промисловість виробляє дві форми нітрагіну: ґрунтовий і сухий.

Ґрунтовий препарат нітрагіну - це культура бульбочкових бактерій, вирощена у стерильному ґрунті. В 1 г такого препарату повинно міститися не менше 3·10⁶клітин. Доза препарату для обробки насіння становить 500 г/га. Для виготовлення препарату беруть ґрунт (торф), багатий органікою, додають до 30 % пісок, крейду і встановлюють pH 6,6-7,0. Ґрунт стерилізують, фасують у поліетиленові мішечки, інокулюють відповідним штамом бульбочкової бактерії з наступним культивуванням при температурі 26-28 ⁰С протягом 4-6 (10-11 для тих штамів, що ростуть повільно) діб.

Сухий препарат нітрагіну - це порошок живих клітин бульбочкових бактерій. В 1 г препарату має міститися 8-10·10⁹клітин. Це полегшує перевезення, але перед використанням препарат перемішується з наповнювачем.

Препарат бульбочкових бактерій специфічний і призначений для обробки насіння певного виду бобових рослин, що зазначається на пакетах (наприклад, "Соя", "Вика", "Еспарцет" та ін.). Ефективність від застосування препарату на посівах трав становить на одиницю витрат 10-15 одиниць прибутку, на зернобобових - 20-30 і більше.

Створено препарати на основі вільноіснуючих азотофіксаторів: азотобактерин, діазобактерин, діазофіт.

Азотобактерин - це препарат живих клітин Azotobacter chroococcum. Використовується для забезпечення приросту врожаю овочевих культур у закритому та відкритому ґрунті за рахунок поживних речовин, що виділяють мікроорганізми (вітамінів, гормонів, амінокислот), поліпшення мінерального та водного живлення рослин, підвищення їх стійкості до хвороб.

Технологія виробництва така ж, як і нітрагіну. В 1 г ґрунтового препарату має міститися не менше 50 млн клітин. Для обробки насіння на 1 га витрачають 3-6 кг азотобактерину. В 1 г сухого препарату повинно міститися не менше 10⁹ клітин A. chroococcum.

Азотобактерин є цінним ще й тим, що A. chroococcum синтезує ряд біологічно активних речовин: нікотинову і пантотенову кислоти, піридоксин, біотин, гетероауксин, гіберелін та інші сполуки, які стимулюють проростання насіння і прискорюють їх ріст.

Основна частина зв'язаного азоту відчужується з урожаєм, певна кількість залишається у ґрунті. Бульбочкові бактерії забезпечують формування врожаю більшості бобових рослин без збіднення ґрунту на азот. Лише після вирощування гороху та сої може спостерігатися незначне зменшення його вмісту у ґрунті. Завдяки такій властивості бобові культури є добрими попередниками в сівозмінах, що дає можливість зменшувати норми азотних добрив під наступні культури або зовсім не вносити азотних добрив.

Культури, що становлять основу як нітрагіну, так і азотобактерину, - це аспорогенні бактерії, при зберіганні яких кількість життєздатних клітин зменшується, тому такі препарати виробляють напередодні їх використання.

Розроблено препарати для мобілізації важкорозчинних форм фосфору у ґрунті: фосфобактерин, альбобактерин, поліміксобактерин.

Фосфобактерин - це препарат, що містить спори Bacillus megaterium var. phosphaticum, які трансформують складні фосфорорганічні сполуки і малодоступні мінеральні фосфати в доступні для рослин форми фосфору. Промисловість виробляє ґрунтовий і сухий препарати фосфобактерину. В 1 г сухого препарату має міститися 8·10⁹ спор. Гектарна доза для обробки насіння зернових становить 5 г препарату, а кукурудзи, картоплі й овочевих культур - 15 г. Термін зберігання фосфобактерину практично не обмежений. Культура, яка складає препарат, синтезує ряд біологічно активних речовин: тіамін; піридоксин; біотин; пантотенову і нікотинову кислоти; вітамін В₁₂.

Використовують також препарати комплексної дії, які містять асоціації різних культур.

Бактофіл - препарат для збагачення ґрунту доступними джерелами азоту та фосфору на основі бактерій Azospirillum brasilens, Azotobacter vinelandii, Bacillus megaterium, Bacilluspolymxa, Pseudomonas fluorescens, Streptomyces albus.

Препарати мікроорганізмів проти шкідників рослин. Для виготовлення таких препаратів, як продуценти, використовують бактерії, гриби, віруси. Основні вимоги, які висувають до мікробних препаратів: висока вірулентність до шкідників, швидкість дії, безпека для людини, флори та фауни, зручність у застосуванні, тривалість зберігання.

Ентомопатогенні препарати. Нині виробляються препарати проти 160 видів комах. Бактеріальні ентомопатогенні препарати, такі як енторобактерин, інсектин, алестин, токсобактерин, бітоксиба- цилін, створюються на основі бактерії Bacillus thuringiensis. Ця грампозитивна спорова бактерія продукує такі токсичні для комах продукти:

- фосфоліпазу - фермент, що розкладає фосфоліпіди у тканинах комах;

- β-екзотоксин, що порушує синтез РНК у клітинах комах;

- δ-ендотоксин - параспоральний кристалічний ендотоксин, що утворюється у клітині Bacillus thuringiensis під час спороутворення. Токсин має білкову природу та форму 8-гранного кристала, який, потрапляючи в кишечник комах, розкладається на токсичні компоненти та викликає параліч.

Bacillus thuringiensis є антагоністами до 150 видів комах.

АГАТ - 25К - біфунгіцид, імуностимулятор та регулятор росту рослин, створений на основі ґрунтових бактерій Pseudomonas aureofaciens та продуктів їх життєдіяльності.

Різоплан - екологічно чистий, нешкідливий для людини і тварин біологічний препарат, діючим елементом якого є живі клітини ризосферих бактерій, які здатні ефективно пригнічувати розвиток збудників бактеріальних і грибкових захворювань рослин.

Хетомік - мікробний препарат для захисту озимої пшениці, ячменю, соняшнику, картоплі, люпину, сої, томатів, цукрових буряків від збудників кореневих гнилей.

Ентомопатогенні гриби не знайшли такого широкого використання, як бактеріальні препарати. Це зумовлено тим, що вони проявляють активність лише в умовах високої і стабільної вологості. Найбільш відомими є препарати боверін, ентомофторин, верталек, майкотал.

Боверін - препарат для боротьби з колорадським жуком та іншими комахами, являє собою конідії гриба Beauveria bassiana. Конідії, потрапляючи в тіло комахи, проростають, викликаючи її загибель.

Верталек - препарат на основі Aschersonia alearoides для боротьби з тлею та білокрилою.

Для боротьби з гризунами використовують мікробні препарати, які містять Salmonella enteritidis, наприклад бакторондецид, який може бути у двох формах: зерновій (на зернах пшениці, ячменю, вівса) та амінокосній (на косних ошурках).

Природній імунітет гризунів до сальмонел у різних видів різний. Найбільше виражений він у крупних видів (щурів, ховрахів та ін.) Дрібні види - менш імунні. Набутий імунітет нестабільний і нетривалий. Бактерії мають строгу специфічність, тобто вибіркову патогенність. Вони безпечні для людини, домашніх і диких тварин.

Препарат БПС-44 на основі Bacillus subtilis використовується для підвищення продуктивності сільськогосподарських тварин і птиці.

Силосування кормів - складний мікробіологічний процес, що проходить за участю молочнокислих бактерій, які мешкають на рослинах. Поживним середовищем для розвитку бактерій є переважно соки рослин.

Рослинну масу закладають у силосну споруду і щільно трамбують. Це призводить до майже повного відмирання аеробних бактерій. Активно розвиваються мікроорганізми, здатні до розвитку при недостатній кількості кисню: ентеробактерії, Clostridium, Bacillus, Streptococcus, Leuconostoc, Pediococcus, Lactobacillus.

У перші дні після закладки рослинної маси (до 8 днів) з молочнокислих бактерій домінують коки, особливо стрептококи. Вони конкурують з грамнегативними бактеріями в початковий період силосування. Загальна кількість мікроорганізмів може сягати 10⁹/г.

У період від 8-15 днів збільшується кількість педіококів, лейконос- токів, гомоферментативних і гетероферментативних лактобацил. Провідна роль у цей час належить Lactobacillus brevis, Lactobacillus plantarum. Накопичується переважно молочна кислота, знижується рН до 4,0. Це призводить до пригнічення розвитку гнилісних та інших мікроорганізмів.

У період від 15-60 днів кількість мікроорганізмів становить 10^б/г. Прискорюють процес силосування внесенням заквасок молочнокислих бактерій і поживних речовин (меляси, солоду). Використовують ліофілізовані культури бактерій Lactobacillus plantarum, Lactobacillus casei, Lactococcus lactis, які перед внесенням у рослинну масу розводять водою.

Отримання кормового білку. Мікробна біомаса - добра добавка до раціону домашніх тварин, риб, птахів. Мікробна біомаса містить незамінні амінокислоти, вітаміни, мікроелементи, ненасичені жирні кислоти.

Для отримання мікробного білку у промислових масштабах використовують:

- дріжджі Pichia guilliermondii, Candida tropicalis, які культивують на різній сировині, що містить вуглеводи і вуглеводні (n-алкани);

- бактерії Methilophillus methylotrophus, які вирощують на метанолі;

- водорості.

Сировиною для отримання біомаси дріжджів можуть бути:

- відходи сільського господарства: рисова лузга, кукурудза, зерно, картопля;

- відходи харчової промисловості: меляса, мелясно-спиртова барда, молочна сироватка;

- гідролізати рослинної сировини: гідролізати деревини, гідролізно- спиртова барда, сульфітні луги;

- н-алкани.

Після культивування дріжджів на середовищах, що містять вуглеводи, їх відокремлюють від культуральної рідини. Клітини інактивують, обробляючи сухим паром протягом 45 хв. Біомасу опромінюють ультрафіолетом, при цьому ергостерин перетворюється у вітамін Д₂. Суху біомасу отримують, використовуючи розпилювальну сушку.

Накопичення біомаси дріжджів на н-алканах має ряд особливостей. Дріжджі культивують на насичених вуглеводнях з нерозгалуже- ним ланцюгом різної довжини високого ступеня очистки. Концентрація вуглеводнів має становити 2 %, якщо більше, то вони не засвоюються повністю і накопичуються у клітинах. Замість води використовують центрифугат культуральної рідини. До середовища додають мінеральні компоненти: фосфати, KCl, MgSO₄, (NH₄)₂SO₄, NH₃, мікроелементи. Культивування проводять при температурі 50-60 ⁰С і підвищеній аерації. Торгова назва кормових дріжджів, що отримують на вуглеводнях - папрін.