Біофабрика в ґрунті. Як вчені знайшли бактерії, що підвищують врожай і відновлюють ґрунти, забруднені внаслідок бойових дій

Про це – у розмові академіка НАНУ Володимира Семиноженка з Марією Лободою, науковою співробітницею відділу загальної та ґрунтової мікробіології Інституту мікробіології і вірусології імені Д.К. Заболотного НАН України в програмі «Про науку. Компетентно», яка виходить на ютюб каналі НАНУ.

-  Є така унікальна і водночас відома група грунтових бактерій як стрептоміцети, які вже давно привертають до себе увагу дослідників у галузях промислової мікробіології, біотехнології та генної інженерії як продуценти різноманітних корисних речовин, зокрема антибіотиків.

Однак найбільшу користь вони можуть приносити рослинам, з якими вступають у симбіоз, - розповідає мікробіологиня Марія Лобода. -  Стрептоміцети колонізують їхню кореневу систему та захищають від патогенів, як і людей, виробляючи антибактеріальні речовини.

До бактерій стрептоміцетів належить декілька сотень видів мікроорганізмів, більшість з яких населяє ґрунти. Але вони також є у водному середовищі і у залишках рослин.

Їх справді можна назвати мікробною біофабрикою метаболітів.

Метаболіти - це продукти життєдіяльності, які синтезують бактерії впродовж свого існування. І ці продукти життєдіяльності людина навчилася вилучати, очищати, концентрувати і використовувати в різних сферах -  у сільському господарстві, в медицині та ветеринарії, як антибіотики.

Стрептоміцети відомі ще тим, що мають унікальний геном, в якому закодована величезна кількість біосинтетичних генних кластерів.

Що це значить?

-  Це означає, що є багато генів, які певним чином організовані, і тому такі бактерії одночасно можуть синтезувати приблизно 30 метаболітів, - пояснює Марія Лобода. -  Хоча науці відомий і такий стрептоміцет, який  одночасно продукує 48-53 метаболітів, які можуть використовуватись а аграрному секторі, медицині та ветеранарії.

 

Це дуже зручно, оскільки метаболіти можна отримати в одному біотехнологічному процесі. Це біофабрика, яка має багато ліній  виробництва для виготовлення продукції, яка нам потрібна для подальшого застосування. Зокрема, у сільському господарстві.

 

Сьогодні фермери шукають ефективні засоби захисту рослин від фітопатогенів, патогенних грибів, бактерій, проти різних шкідників, зокрема, нематод.

До слова, проти нематод ефективно діють біонематоцидні препарати, розроблені в Інституті мікробіології і вірусології.

-  Це комплекс метаболітів, які виділені із цих же грунтових біофабрик, безпосередньо з ґрунтових мікроорганізмів, - зазначає науковиця. - Що міститься в цих мікроорганізмах?

Залежно від типу продукту там містяться різні класи антибіотиків. Наприклад, в одному з препаратів  - фітовіт. Мікроорганізми також містять полієнові антибіотики, які націлені на знищення грибних патогенів в грунті. Тобто це забезпечує  безпечний біофунгіцидний захист проти фітопатогенних грибів у грунті.

Стрептоміцети створюють антибіотики, які корисні для рослин і ґрунтів. А вчені вчаться їх ідентифікувати, кількісно і якісно аналізувати та підбирати дієві концентрації, композиції, які будуть ефективні при певних захворюваннях рослин та забрудненні ґрунтів.

 

Чи існує проблема антибіотикорезистентності в сільському господарстві, коли антибіотики  вже не діють на різні патогени в ґрунтах та рослинах?

-  З антибактеріальними речовинами  в ґрунті дійсно велика проблема,  - переймається Марія Лобода. -  Відбувається це через неконтрольоване застосування антибіотиків та використання недозволених антибіотиків в сільському господарстві, а також через використання в якості препаратів для стимулювання росту рослин мікроорганізмів, які містять гени резистентності, якими рослини обмінюються горизонтальним шляхом.

Так  поширюється забруднення ґрунтів антибіотиками.

Плюс неправильна утилізація антибіотиків.

-  Протерміновані антибіотики не можна просто викидати на звалище або закопувати у землю, - наголошує науковиця. - Тому що частина діючої речовини  не деградована, препарати ще функціонально активні і потрапляючи в нижчих дозах в навколишнє середовище, мікроорганізми починають адаптовуватися.А ми  навіть не замислюємося, що у подальшому це може сприяти розвитку антибіотикорезистентності.

Вчені виявили, що природні  біофабрики в ґрунті продукують не лише антибіотичні речовини, які мають прямий вплив на патогени, але й синтезують ще фітогормони.

-  Раніше вважалося, що синтезувати фітогормони можуть лише рослини. Але з’ясувалося, що стрептоміцети паралельно з антибіотиками можуть також синтезувати і фітогормони, - зазначає Марія Лобода. -  Це важливо, тому що фітостероли і жирні кислоти  можуть мати регуляторні властивості, а також беруть участь в запуску імунітету рослин.

Власне метаболіти стрептоміцетів впливають на запуск імунітету рослини, впливаючи на певні ланки і запускають каскад- реакції.

Цей ефект називається індукування стійкості у рослин.  Він активує захисні механізми рослини у відповідь на стрес або інфекцію, що дозволяє їй ефективніше протистояти несприятливим факторам.  Зокрема, абіотичним стресам – посухам, заморозкам, надлишку вологи, сильним вітрам тощо.

-  Ми проводили польові дослідження, які показали, що завдяки метаболітам стрептоміцетів збільшується посухостійкість рослин, - розповідає науковиця. - Цьому сприяють також ендофітні бактерії.

Це мікроорганізми, які заселяють внутрішні тканини рослин, співіснуючи з ними без шкоди та часто приносячи користь, на відміну від патогенних бактерій.

Ми зараз ми проводимо експеримент на сої в умовах різких змін клімату, нестабільної температури, яку ми зараз спостерігаємо. І вже є гарні результати.

-  У нас є спільний українсько-німецький проєкт, в рамках якого ми проводимо дослідження комплексного використання біопрепаратів. Як метаболітних на основі стрептоміцетів, так і на основі ендофітних бактерій, -  розповідає Марія Лобода. -   Ми представляли попередні результати наших досліджень на семінарі в Німеччині, і німці були дуже здивовані і зацікавлені, наскільки в нас є цікаві розробки. І вони цікавилися можливістю використання цих біопродуктів у Німеччині.

Наскільки ефективні ці біопрепарати?

- Застосування екстрактів стрептоміцетів, тобто комплексу метаболітів, в яких  немає живих організмів та ендофітних бактеріїй, захищає рослини від патогенів та стресів, а також забезпечує фіксацію азоту, що призводить до збільшення урожайності, - пояснює науковиця. -  Це в свою чергу зменшує використання хімічних засобів захисту рослин, а сільгосппродукція за цих умов вважатися органічною.

Чи зацікавлені в біопрепаратах великі українські сільгоспвиробники? Чи активно звертаються вони до  інноваційних підходів щодо продуктивності рослин і їх захисту??

-  До нас активно звертаються аграрії, - ділиться науковиця. - Свого часу  наш Інститут співпрацював з  міжнародною українською компанією  у сфері харчових та агротехнологій «Миронівський хлібопродукт», і власне тоді ми започаткували цей тренд серед науково-дослідних установ - біологізація агровиробництва.

Звісно, одразу повністю переходити на біотехнології ризиковано і агрономи цього уникають. Але вчені змогли їх переконати в необхідності та ефективності біологізаціі агровиробництва. І були  отримані хороші результати.

До нас звертаються  і невеликі фермерські господарства. Ми аналізуємо стан ґрунту, зокрема, екологофункціональні групи мікроорганізмів, які визначають його родючість. Можемо надавати їм біопрепарати, зокрема,  інсектицидної чи фунгіцидної дії.

Біологізація аграрного комплексу стала обов’язковою в Європі, тому що країни ЄС активно йдуть шляхом зеленого курсу і велика кількість хімічних речовин  там уже заборонена.

Там  захищають рослини, підвищують їх врожайність, борються з кліматичним шоком у спосіб біологізації сільського господарства. Тому велика  увага приділяється  там саме безпечним біопрепаратам росту та захисту рослин.

- В Україні біологізація агровиробництва також набуває популярності, але більше це стосується лише невеликих агрокомпаній, що займаються органічним землеробством, - конкретизує Марія Лобода. -  Адже в цьому секторі землеробстві хімічні засоби захисту рослин просто заборонені. Органічна агропродукція дуже ретельно перевіряються. Особливо, якщо вона  йде на експорт.

Втім, таких господарств в Україні дуже мало. Натомість на державному рівні й досі немає чітких алгоритмів контролю вмісту хімічних засобів в агропродукції, немає стимулювання використання саме біопрепаратів.

 

- І тому агрономи,  як  і 30-40 років тому, за старою звичкою вносять азот, фосфор для отримання результату. І до них важко донести, їх важко переконати, що біологія - це безпечно та ефективно. Тому потрібне державне регулювання цих процесів, - вважає науковиця. - Мені би, як досліднику, хотілося, щоби саме на державному рівні відбувалося регулювання внесення хімічних засобів, як це відбувається в Європі.

Чому українські аграрії не так активно застосовують біопрепарати для захисту та стимулювання росту рослин?

-  Для цього існує кілька причин, - зазначає Марія Лобода. -  По-перше, це брак інформації. Фермер, який займається городиною, навряд чи цікавиться біофабрикою метаболітів.

Тобто треба більше розповідати та інформувати про біопрепарати.

По-друге - це доволі  висока вартість. Можливо, у дрібних аграріїв не завжди є ресурси, не завжди вони знають, як правильно застосовувати ці біопрепарати. Але локальні виробники, які цікавляться біологічними продуктами, насправді є. І це тішить, хоча число їх невелике. Ми зараз працюємо з ними в режимі господарських договорів. Тобто це виконання певного дослідження або напрацювання дослідних зразків біопрепарату.

Одна з найгарячіших та найважчих проблем України сьогодні - це забруднення грунтів внаслідок військових дій. Ґрунти містять багато хімії, вибухові речовини, вони отруєні важкими металами.

-  Це дійсно проблема номер один -  відновлення екосистем України, які постраждали від війни. – констатує  науковиця. – З огляду на цю проблему в нашому інституті започаткували новий  напрямок – відновлення ґрунтів.

Унас є проєкт, який фінансується Академією наук, в рамках якого ми виконуємо роботу з розробки мікробного фітосорбенту для відновлення пошкоджених земель. В якості фітосорбента ми  використовуємо опале листя, оскільки воно накопичується в великих кількостях восени. Водночас це вирішує  ще й проблему його утилізації. І найголовніше, опале листя слугує носієм цих мікроорганізмів.

Як  саме «працює» відновлення ґрунту?

- Ми відбираємо зразки забрудненого ґрунту, аналізуємо їх, виділяємо стійкі до забруднення мікроорганізми. Звичайно, це стрептоміцети. Ми секвуємо їх геноми, дивимося, який біосинтетичний потенціал у них є, які генні кластери закодовані в їх геномі, і які є механізми стійкості до цих речовин.

Ми розробили технологію створення гранул на основі подрібненого листя, всередину яких вносимо  мікроорганізми. Далі розміщаємо гранули в ґрунт, на якому будуть рости рослини - потенційні фіторемедіанти.

 Це біологічно активні рослини, які використовуються в фіторемедіації для очищення забруднених ґрунтів, стічних вод і повітря від шкідливих речовин, таких як важкі метали, радіонукліди та інші антропогенні забруднювачі. 

Вони накопичують забруднення у своїх тканинах або сприяють їхньому розкладанню, що робить процес очищення екологічно безпечним та економічно вигідним. 

В рамках проєкту ми в штучних умовах  забруднили ґрунти важкими металами, а також біологічними забруднювачами. Зокрема, грибами роду фузаріум, які дуже шкодочинні. І от власне тепер ми хочемо подивитися, як ці бактерії захищатимуть рослини, які вже ростуть в стресових умовах. І як вони будуть сприяти розкладанню або іммобілізації цих забруднювачів.

Після цього ми подивимося, як змінюється біорізноманіття, зокрема, чи зменшується кількість шкодочинних грибів фузаріум, тобто як впливають наші бацили, псевдомонади і стрептоміцети на мікробіом.

Адже рослинна біомаса має витягнути з ґрунту забруднювачі, акумулюти їх в собі, а потім піддати анаеробному збродженню.

Тобто це буде ще як спосіб утилізації забрудненої фітомаси. Плюс в результаті анаеробного зброджування ми будемо отримувати біогаз. Це така комплексна замкнута технологія. Але поки до кінця вона ще не існує в практиці.

Застосовуючи цю унікальну технологію, цікаво, за скільки циклів чи за скільки років можна відродити здорові ґрунти?

-  Насправді такого забруднення, яке є в Україні, не було ще ніде в світі, - засмучується Марія Лобода. - З таким рівним забрудненням ще не стикалася жодна країна.

Території, де велись бойові дії, зараз просто законсервували, оскільки вирішили ними не користуватися. Щось прогнозувати дуже складно з таким високим забрудненням, але ми робимо можливе, щоби прискорювати  відновлення забруднених війною ґрунтів.

Читайте також:

Колективна памʼять під час війни: як не втратити свою історію та ідентичність?

Неупереджена журналістика, експертний аналіз, обґрунтовані думки. Тільки перевірена інформація на нашому сайті та в наших соцмережах.