Блог

Минеральная вата – формирование микробного биоценоза

22 Сентября 2020, 12:14

Поделиться:
Минеральная вата – формирование микробного биоценоза

Исследование, наглядно показывающее каких результатов, можно добиться если сформировать в субстрате необходимый нам микробный ценоз до посадки в него растения.

В статье проведено исследование возможности использования сухих форм микроорганизмов для напитывания минераловатного субстрата для формирования устойчивого биоценоза. Исследовано, как развиваются микроорганизмы в реальных условиях. Исходя из результатов данного исследования, выдвинута теория о возможности использования микроорганизмов на начальном этапе формирования биоценоза в прикорневой зоне растений при выращивании на минераловатном субстрате.

Свойства минераловатного субстрата

Минеральная вата для выращивания растений в условиях теплиц занимает свое особое лидирующее положение. Это связано, в первую очередь, с тем, что основные свойства данного субстрата относительно стабильны на протяжении всех циклов выращивания растения от напитков матов растворами до окончания их эксплуатации после двух-трех оборотов выращивания. Но не только стабильность во всех отношениях делает минеральную вату одним из самых распространенных субстратов - это экологически чистый продукт для выращивания растений. Что в данном случае подразумевается под экологичностью минеральной ваты? Минеральная вата, произведенная в соответствии с принятыми технологиями, - неорганический инертный субстрат, основу которого составляют волокна, полученные из расплава базальтовых пород. Химический состав базальта позволяет не взаимодействовать с биологическими агентами, заселяющими субстрат, а также со всей линейкой агрохимических удобрений, применяемых в малообъемной технологии выращивания. Исключение составляет щелочная добавка к минеральной вате, которая используется для связывания волокон и удержания структуры мата, но с этим можно мириться.

Эксудаты

При развитии растений на любых субстратах (в том числе и на минеральной вате), корневая система растения выделяет экссудаты. Состав экссудатов и их количество зависят, в первую очередь, от вида растения и условий выращивания. Большое количество исследований [1,2], в том числе наши исследования, по экссудации огурца, показали, что, как правило, в состав экссудатов растений входят водорастворимые продукты основных метаболических путей – фруктоза, глюкоза, дисахариды, карбоновые кислоты цикла Кребса: янтарная, лимонная, фумаровая, изолимонная, а также аминокислоты в незначительном количестве. К экссудатам можно также отнести и высокомолекулярные соединения белковой или полисахаридной природы, а также отмершие части корневой системы. Количество выделяемых экссудатов в отношении к приросшему растению достаточно большое и может достигать до 20% и более по отношению к сухому весу растения.

При выращивании растения в открытом грунте в природных условиях экссудаты являются тем субстратом, который метаболизируется микроорганизмами в прикорневой зоне растения и собственно они (их состав и концентрация) являются теми элективными условиями, формирующими прикорневую микробную биоту. У каждого растения в прикорневой зоне формируется свой микробный ценоз, состав которого, в том числе, определяется составом экссудатов и их концентрацией. Метаболизм экссудатов микроорганизмами полезен для растения как минимум по нескольким причинам. Сами экссудаты (по нашим неопубликованным данным), при возрастании их концентрации в прикорневой зоне, тормозят развитие растений. Следовательно, микроорганизмы прикорневой зоны, метаболизируя экссудаты, снижают ингибирующее действие их на растение. В результате метаболизма и трансформации части экссудатов микроорганизмами могут образовываться продукты, стимулирующие рост корневой системы, так ароматические аминокислоты могут трансформироваться в производные индола (ауксина) – индолилмасляную или индолилуксусную кислоты. Фиксация молекулярного азота микроорганизмами также требует большого количества энергии, которую микроорганизмы получают только при метаболизме экссудатов. Одновременно с положительными моментами взаимодействия растений и микроорганизмов в корневой зоне могут протекать и взаимодействия: растение - фитопатогенная микрофлора. Фитопатогенная микрофлора является неотъемлемой частью экосистемы корня, которая проявляет свои «фитопатогенные» свойства только в моменты стрессовых ситуаций для растений. Взаимодействие растения и микробиоты корневой системы через экссудаты является продуктом эволюции, и мы должны воспринимать его как должное со всеми положительными и отрицательными моментами.

Формирование микробного ценоза

Создание технологии интенсивного выращивания растений в условиях защищенного грунта подразумевает контроль и управление развитием растения по всем параметрам с целью получения максимального количества урожая с минимальными затратами. В современных теплицах контролируется и управляется всё, кроме состава микробной биоты. На современном этапе адекватный контроль микробной биоты в реальном времени затруднен, а, следовательно, данный важнейших параметр влияния на рост и продуктивность растения просто отсутствует.

Одним из способов частично устранить это противоречие является управляемое формирование микробного ценоза на стадии производства минераловатного субстрата для выращивания тех или иных культур растений. Причем в данном микробном ценозе мы вправе использовать только микроорганизмы, обладающие определенными положительными свойствами для конкретных растений. Для решения поставленной задачи необходимо решить несколько научных, технологических и производственных задач - правильный выбор микроорганизмов для формирования ценоза, внесение и распределение микроорганизмов по минераловатному субстрату без изменения свойств субстрата, исследование устойчивости микроорганизмов при хранении в минераловатном субстрате, поведение микроорганизмов при напитке матов поливным раствором, исследование поведения микроорганизмов ценоза при высадке и выращивании растений. Ранее нами была разработана технология внесения микроорганизмов в минераловатный субстрат по всему объему [3]. В данной статье приведены результаты исследований по колонизации минераловатного субстрата разными микроорганизмами при выращивании гибрида огурца Атлет в экспериментальных условиях.

Результаты эксперимента

Продолжительность эксперимента составила 5 недель с момента высадки рассады на минераловатный субстрат.

На рисунке 1,2,3 показано как происходит изменение соотношения микрофлоры на разных уровнях под воздействием внешних условий, к которым можно отнести - рост микроорганизмов за счет экссудатов корневой системы, направленный рост аэробных форм микроорганизмов в сторону, наиболее обогащенную кислородом, движение микроорганизмов с токами поливного раствора. Все эти условия могут действовать разнонаправлено на микроорганизмы и соответственно предсказать как тот или иной фактор влияет на конкретные формы - крайне тяжело.

Как видно из графиков Trichodrma viride, внесенная в средний уровень матов уже через неделю выращивания растений была обнаружена в верхнем слое, в середине и в нижнем слое мата. Причем, на протяжении всего эксперимента на каждом из исследуемых уровней, концентрация Trichodrma viride составляла порядка 20% от общей микрофлоры.

Клетки Pseudomonas fluorescens были обнаружены, также, на всех уровнях и уже через неделю, наблюдалась максимальная их концентрация. Со второй недели эксперимента и далее происходило снижение содержания Trichodrma viride в процентном соотношении к другим микроорганизмам.

Молочнокислые микроорганизмы были обнаружены только в образцах нижнего слоя, и в ходе всего эксперимента их процент оставался на достаточно низком уровне.

Особо стоит описать накопление посторонней микрофлоры, которая преимущественно была представлена непатогенной бактериальной микрофлорой. На верхнем и среднем уровне накопление микрофлоры стабилизировалось уже к 3-ей или 4-ой неделе эксперимента, и не превышало 65%. В нижнем слое мата на протяжении эксперимента наблюдалось увеличение процента посторонней микрофлоры, за счет снижения внесенных бактерий. Trichoderma viride при этом оставалась на постоянном уровне.

Особо необходимо указать, что на протяжении всего эксперимента (5 недель) нам не удалось обнаружить грибных фитопатогенов на корневой системе выращиваемых растений, а в самих матах были обнаружены единичные случаи обнаружения Fusarium sp. Не было выявлено ни одного случая проникновения микроорганизмов в корневую систему и в стебель растения.

Таким образом проведение данного эксперимента показало, что внесенные в минераловатный мат микроорганизмы составляют существенную часть микробного биоценоза на протяжении 6 недель выращивания.

Изменения в концентрации и местоположении микроорганизмов от исходного, объясняется множеством факторов, влияющих на формирование микробного биоценоза.

1. Кравченко Л. В. и др. Видовые особенности состава корневых выделений растений и его изменение в ризосфере под влиянием почвенной микрофлоры //Сельскохозяйственная биология. – 2011. – №. 3. – С. 71-75.

2. Vančura V., Hovadik A. Root exudates of plants: II. Composition of root exudates of some vegetables //Plant and Soil. – 1965. – С. 21-32.

3. Патент RU 155135 U1 МПК7 H A01G 31/02. Мат для гидропоники. Горюнова О. Б., Марквичев Н. С.; заявитель и патентообладатель Горюнова О. Б., Марквичев Н. С. Опубликовано: 2015.09.20

Колонизация субстрата микроорганизмами

В качестве объектов исследования были выбраны следующие микроорганизмы-Trichoderma viride, Pseudomonas fluorescens, молочнокислые микроорганизмы. Для проведения микробиологического исследования были использованы следующие микробиологические агаризованные среды: Чапек с антибиотиком, L-агар с нистатином, Эшби. Микробиологический состав образцов оценивался качественно (субстраты помещались на питательные агаризованные среды) и количественно – с помощью метода последовательных разведений Коха в КОЕ/г. Помещённые на чашки Петри образцы инкубировались в течение 5 дней при температуре 27°С. После окончания инкубации производилась идентификация обнаруженных микроорганизмов методом прямого микроскопирования, экспресс-методом Крегенсена (для определения Грамм-типа бактерий). Также были промикроскопированы сами субстраты. Все работы велись в стерильных условиях, с применением специального оборудования.

Для исследования колонизации микроорганизмами минеральной ваты было проведено насыщение образцов минеральной ваты Grodan GT Master сухими формами микроорганизмов Trichoderma viride, Pseudomonas fluorescens и молочнокислыми микроорганизмами. Выбор микроорганизмов, которые были использованы для насыщения минеральной ваты, был обусловлен несколькими факторами, в первую очередь их фунгицидными и бактерицидными свойствами, а также способностью к фитостимуляции. Одновременно все эти микроорганизмы входят в состав препарата Атлант.

Насыщение проводилось отдельно каждым микроорганизмом на фиксированную глубину. На глубину 2 см вносили клетки Pseudomonas fluorescens, на глубину 5 см споры Tricherma viride и в самый низ вносили сухие клетки молочнокислых микроорганизмов. Концентрация клеток при данном способе внесения не регулировалась. Полученные маты использовали для изучения хранения микроорганизмов в минеральной вате в неконтролируемых условиях и для проведения экспериментов по выращиванию на них гибрида огурца Атлет.

Выращивание растений проводили на опытном участке Владимирского тепличного комбината, с использованием рассады выращенной как на минераловатных кубиках компании Grodan, так и на кубиках других производителей.

В экспериментах по выращиванию растений на минераловатном субстрате с сформированной микробной биотой исследовали развитие внесенной микрофлоры во времени, а также накопление иной микрофлоры, включая фитопатогенные формы. Для этого с интервалом в неделю один из матов изымали из эксперимента и производили разрез кубика и мата, а далее отбирали образцы минеральной ваты на разных уровнях из разных точек, всего 11 точек отбора проб. Образцы использовали для анализа в них микрофлоры в процентном соотношении, при этом отдельно анализировали внесенную микрофлору и привнесенную из вне с поливными растворами. Отдельно анализировали наличие микрофлоры на корневой системе огурца.

Сведения об авторах:

  • Бехбудзада Нурлан Башир-оглы аспирант кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева

  • Минич Мария Владимировна магистрант кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева

  • Шагаев Антон Александрович аспирант кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева

  • Журавлева Александра Сергеевна бакалавр кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева

  • Селиванов Илья Олегович агроном-консультант ООО «БИОМ»

  • Горюнова Ольга Борисовна к.т.н., генеральный директор ООО «БИОМ-ПРО»

  • Васильев Василий Викторович зам. директора по производству ГУП комбинат "Тепличный" г. Владимир

  • Куренин А.В. Руководитель отела продаж Гродан в России

  • Марквичев Николай Семенович к.т.н., доцент кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, заместитель генерального директора ООО «БИОМ-ПРО»

Подпишитесь на рассылку полезных материалов

Будьте в курсе последних новостей и событий, а также узнавайте о наших новых публикациях первыми

Нажмая кпопку «Подписаться» вы принимаете условия Политики конфиденциальности