Сельскохозяйственная микробиология

Сельскохозяйственная микробиология — это раздел микробиологии, изучающий микробы, связанные с растениями, а также заболевания растений и животных. Она также занимается микробиологией плодородия почвы , такой как микробная деградация органического вещества и трансформация питательных веществ почвы. Основная цель сельскохозяйственной микробиологии — всестороннее изучение взаимодействия полезных микроорганизмов, таких как бактерии и грибы , с сельскохозяйственными культурами. [1] Она также занимается микробиологией плодородия почвы , такой как микробная деградация органического вещества и трансформация питательных веществ почвы.

Почвенные микроорганизмы

Значение почвенных микроорганизмов

  • Участвует в процессе преобразования питательных веществ
  • Разложение резистентных компонентов растительных и животных тканей
  • Роль в микробном антагонизме

Микроорганизмы как биоудобрения

Биоудобрения рассматриваются как перспективные, устойчивые альтернативы вредным химическим удобрениям из-за их способности повышать урожайность и плодородие почвы за счет повышения иммунитета и развития растений. При внесении в почву, растение или семена эти биоудобрения колонизируют ризосферу или внутреннюю часть корня растения. После того, как микробное сообщество установлено, эти микроорганизмы могут помочь растворить и расщепить необходимые питательные вещества в окружающей среде, которые в противном случае были бы недоступны или трудновключаемы в биомассу для растений. [2]

Азот

Азот является необходимым элементом, необходимым для создания биомассы, и обычно рассматривается как ограничивающее питательное вещество в сельскохозяйственных системах. Несмотря на обилие в атмосфере, атмосферная форма азота не может быть использована растениями и должна быть преобразована в форму, которая может быть непосредственно усвоена растениями; эта проблема решается биологическими азотфиксаторами. Азотфиксирующие бактерии, также известные как диазотрофы , можно разделить на три группы: свободноживущие (например, Azotobacter , Anabaena и Clostridium ) , симбиотические (например, Rhizobium и Trichodesmium ) и ассоциативные симбиотические (например, Azospirillum ). [3] Эти организмы обладают способностью фиксировать атмосферный азот в биодоступные формы, которые могут быть усвоены растениями и включены в биомассу. Важным симбиозом азотфиксации является симбиоз между Rhizobium и бобовыми растениями . [4] Было показано, что Rhizobium вносят свыше 300 кг N/га/год в различные бобовые растения, а их применение к сельскохозяйственным культурам, как было показано, увеличивает высоту растений, всхожесть семян и содержание азота в растении. [5] Использование азотфиксирующих бактерий в сельском хозяйстве может помочь снизить зависимость от искусственных азотных удобрений, которые синтезируются с помощью процесса Габера-Боша .

Фосфор

Фосфор может быть доступен растениям посредством солюбилизации или мобилизации бактериями или грибами. В большинстве почвенных условий фосфор является наименее подвижным питательным веществом в окружающей среде и поэтому должен быть преобразован в солюбилизированные формы, чтобы быть доступным для усвоения растениями. Солюбилизация фосфата - это процесс, при котором органические кислоты выделяются в окружающую среду, это снижает pH и растворяет фосфатные связи, таким образом оставляя фосфат солюбилизированным. Бактерии, солюбилизирующие фосфат (PBS) (например, Bacillus subtilis и Bacillus circulans ), отвечают за более чем 50% микробной солюбилизации фосфата. В дополнение к солюбилизированному фосфату PBS также может обеспечивать микроэлементы, такие как железо и цинк, которые дополнительно усиливают рост растений. Грибы (например, Aspergillus awamori и Penicillium spp.) также выполняют этот процесс, однако их вклад составляет менее 1% всей активности. [6] [7] Исследование 2019 года показало, что при инокуляции культур Aspergillus niger наблюдалось значительное увеличение размера плодов и урожайности по сравнению с неинокулированными культурами; при совместной инокуляции культуры A. niger и азотфиксирующими бактериями Azobacter урожайность была лучше, чем при инокуляции только одним биоудобрением и культурами, которые вообще не были инокулированы. [8] Мобилизация фосфора — это процесс переноса фосфора в корни из почвы; этот процесс осуществляется через микоризу (например, арбускулярную микоризу ) . [9] Арбускулярная микориза мобилизует фосфат, проникая в корни и увеличивая их поверхность, что помогает мобилизовать фосфор в растение. Микроорганизмы, растворяющие и мобилизующие фосфат, могут вносить до 30–50 кг P2O5/га, что, в свою очередь, может повысить урожайность на 10–20% [10] .

Пример

  • ДАП
  • МОЧЕВИНА
  • СУПЕРФОСФАТ

Микробиология в устойчивом сельском хозяйстве

Эффективные микроорганизмы

Эффективные микроорганизмы (ЭМ) необходимы для развития устойчивого сельского хозяйства и состоят из разнообразной смешанной культуры микроорганизмов, которые естественным образом встречаются в природе. Биопрепараты, содержащие эффективные микроорганизмы, играют решающую роль в различных секторах, таких как охрана окружающей среды , производство продуктов питания и медицина . Кроме того, это применение эффективной биотехнологии микроорганизмов охватывает ряд сельскохозяйственных областей, включая восстановление почвы, выращивание сельскохозяйственных культур, животноводство и сохранение продуктов питания . Эти биопрепараты оказываются особенно полезными для подготовки земли и подготовки поля. Эффективные микроорганизмы можно применять к сельскохозяйственным культурам в течение вегетационного периода или непосредственно к почве во время подготовки, улучшая как здоровье почвы, так и способствуя росту растений . Широкая полезность эффективных микроорганизмов обусловлена ​​их высокой ферментативной специфичностью, что позволяет им процветать в различных условиях. Более того, эффективная технология микроорганизмов в настоящее время используется более чем в 140 странах мира, причем Бразилия является ведущим ее последователем. Широкое использование эффективных микроорганизмов демонстрирует способность улучшать сельскохозяйственную промышленность и экологически устойчивое земледелие. [11]

Эффективные микроорганизмы в устойчивом сельском хозяйстве

Традиционные методы ведения сельского хозяйства используют химические удобрения , пестициды и гербициды для защиты сельскохозяйственных культур от вредителей и болезней. Однако эти химические вещества оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду, способствуя ее загрязнению . Использование сельскохозяйственных химикатов связано с сокращением видов растений и животных, а также с вредом для биоразнообразия почвы, включая бактериальные и грибковые сообщества. [12] [13] Химические средства защиты растений могут изменять сельскохозяйственные почвы, влияя на их физические свойства, такие как текстура, проницаемость и пористость. Кроме того, эти продукты нарушают питательные циклы фосфора и азота и сокращают разнообразие микробиома почвы . Учитывая проблемы, связанные с ростом населения мира и потребностью в большем количестве и более качественной пище, будущее сельского хозяйства заключается в использовании эффективных микроорганизмов для повышения урожайности. Этот подход предлагает устойчивую альтернативу традиционным химическим методам, способствуя здоровью окружающей среды и устойчивости сельского хозяйства. [14]

Успешное производство сельскохозяйственных культур зависит от здоровья почвы, на которое влияет сеть биологических, химических и физических процессов, управляемых микроорганизмами. Эффективные микроорганизмы усиливают полезное микробное сообщество почвы, прокладывая путь к устойчивому сельскому хозяйству. Эти микроорганизмы состоят из встречающихся в природе микробов, таких как фотосинтезирующие бактерии, молочнокислые бактерии, дрожжи и ферментирующие грибы, которые могут применяться для увеличения микробного разнообразия почвы. Применение эффективных микроорганизмов улучшает структуру и плодородие почвы, значительно повышая биологическое разнообразие. Они могут подавлять распространение патогенов , передающихся через почву , способствовать фиксации азота и улучшать усвоение питательных веществ растениями. Эффективные микроорганизмы также ускоряют разложение органических отходов, что способствует компостированию и, следовательно, увеличивает доступность ценных минералов и усиливает деятельность местных микробов. Доминируя в микробной среде почвы, эффективные микроорганизмы поощряют другие полезные микробы процветать и вытеснять более мелкие группы патогенных или условно-патогенных микробов. Этот естественный балансирующий акт приводит к появлению более сильных, устойчивых растений и более высокой урожайности, позиционируя эффективные микроорганизмы как ключевого игрока в будущем устойчивого сельского хозяйства. [1]

Факторы, влияющие на микроорганизмы в сельскохозяйственных системах

Влияние человека

Методы органического земледелия , которые являются методами, предназначенными для поддержания здоровья экосистемы путем ограничения использования внешних ресурсов, таких как синтетические удобрения, и сосредоточения внимания на природных ресурсах, [15] могут иметь эффект увеличения количества микробов в системе и повышения их способности использовать молекулы на основе углерода и азота. [16] Метод поддержания функции экосистемы в сельскохозяйственных почвах заключается в использовании севооборотов , где увеличение количества культур, используемых для севооборота в сельскохозяйственных системах, также, как было показано, имеет эффект увеличения микробного разнообразия и количества присутствующих видов микробов. [17] Соответственно, было показано, что увеличение микробного разнообразия оказывает благотворное влияние на здоровье растений и почв. [18]

Существуют также сельскохозяйственные практики, которые оказывают негативное воздействие на микроорганизмы в сельскохозяйственных системах. Другая распространенная сельскохозяйственная практика, обработка почвы , может иметь немедленный эффект снижения углерода и азота, происходящих из микробной биомассы. [12] Напротив, было показано, что методы нулевой обработки почвы способны улучшать здоровье почвы, увеличивать рост микроорганизмов и повышать функциональность микробного сообщества. [12] Однако негативное воздействие обработки почвы зависит от интенсивности обработки, и было показано, что микробное сообщество может восстанавливаться с течением времени. [12] Для ограничения воздействия поведения насекомых на рост и здоровье сельскохозяйственных культур распространенной практикой является использование пестицидов. Эти пестициды, в свою очередь, влияют на почвенные микробы такими способами, как изменение состава микробного сообщества в почвах в течение месяцев после воздействия. [13] Было также показано, что тип пестицидов, фунгициды , оказывают негативное воздействие на микробы, не являющиеся мишенью для химикатов, а также вызывают изменения в сообществе микробов, живущих в связи с корнями растений-хозяев. [12]

Воздействие на окружающую среду

Климатические изменения проявляются по-разному, и эти изменения также могут влиять на микробных членов сельскохозяйственных почв. Было показано, что повышение температуры оказывает влияние на ограничение роста корней растений и, таким образом, на снижение способности арбускулярных микоризных грибов (AMF) расти вместе с этими корнями. [19] Изменение температуры может иметь эффект увеличения численности и способности фитопатогенов оказывать негативное воздействие на сельскохозяйственные экосистемы. [20] Повышенные уровни углекислого газа (CO2 ) изменяют взаимодействие между растениями и патогенами и могут привести к изменениям в том, какие фитопатогены присутствуют и как они могут негативно влиять на растения. [20] Однако в настоящее время отсутствует информация о том, как предсказать, как повышенные уровни CO2 могут изменить взаимодействие между растениями и потенциальными патогенами во многих различных отношениях между растениями и патогенами. [20]

В настоящее время предпринимаются попытки понять роль микробов в почвах, включая сельскохозяйственные почвы, в ограничении негативных последствий изменения климата. Например, почвенные микробы способны преобразовывать метан в углекислый газ, тем самым модулируя выбросы парниковых газов. [21] Они также оказывают широкий спектр воздействия на сельское хозяйство, включая преобразование углекислого газа в пригодные для использования формы углерода для растений, высвобождение химикатов для повышения способности растений поглощать и хранить воду, а также защиту растений от засухи. [21]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ аб Суганья, Тангаян; Ренуга Деви, Наванитан; Винеш, Саундерраджан; Раджендран, Сусаи; Дороти, Р.; Нгуен, Туан Ань (01 января 2022 г.), Денизли, Адиль; Нгуен, Туан Ань; Раджендран, Сусаи; Ясин, Гулам (ред.), «3 – Микробиология в сельском хозяйстве: введение», Наносенсоры для умного сельского хозяйства , микро- и нанотехнологии, Elsevier, стр.  41–51 , doi : 10.1016/b978-0-12-824554-5.00023-9, ISBN 978-0-12-824554-5, получено 2024-04-16
  2. ^ Ношин, Шайста; Аджмал, Икра; Сонг, Юанда (январь 2021 г.). «Микробы как биоудобрения, потенциальный подход к устойчивому производству сельскохозяйственных культур». Устойчивость . 13 (4): 1868. doi : 10.3390/su13041868 . ISSN  2071-1050.
  3. ^ Чоудхури, ATMA; Кеннеди, IR (2004-03-01). «Перспективы и потенциальные возможности систем биологической фиксации азота в устойчивом производстве риса». Биология и плодородие почв . 39 (4): 219– 227. Bibcode :2004BioFS..39..219C. doi :10.1007/s00374-003-0706-2. ISSN  1432-0789. S2CID  40428774.
  4. ^ «Биоудобрения для устойчивого развития». ResearchGate .
  5. ^ «Жидкий микробный консорциум — потенциальный инструмент для устойчивого здоровья почвы» (PDF) . www.longdom.org . Получено 27.04.2022 .
  6. ^ Шарма, Сима Б.; Сайед, Рияз З.; Триведи, Мругеш Х.; Гоби, Тивакаран А. (2013-10-31). «Фосфатрастворяющие микробы: устойчивый подход к управлению дефицитом фосфора в сельскохозяйственных почвах». SpringerPlus . 2 (1): 587. doi : 10.1186/2193-1801-2-587 . ISSN  2193-1801. PMC 4320215 . PMID  25674415. 
  7. ^ Услуги, NIIR Project Consultancy. Полная технологическая книга по биоудобрениям и органическому земледелию (2-е пересмотренное издание) от Niir Board.
  8. ^ Дин, Мисбахуд; Нелофер, Рубина; Салман, Мухаммед; Абдулла; Хан, Фейсал Хаят; Хан, Асад; Ахмад, Муниб; Джалиль, Фазал; Дин, Джалал Уд; Хан, Мудассир (01.06.2019). «Производство азотфиксирующих Azotobacter (SR-4) и фосфорорастворимых Aspergillus niger и их оценка на Lagenaria siceraria и Abelmoschus esculentus». Отчеты о биотехнологиях . 22 : e00323. doi :10.1016/j.btre.2019.e00323. ISSN  2215-017X. ПМК 6444025 . ПМИД  30976534. 
  9. ^ Чанг, Ченг-Сюнг; Ян, Шанг-Шинг (2009-02-01). «Термоустойчивые фосфат-растворяющие микробы для многофункционального приготовления биоудобрений». Bioresource Technology . 100 (4): 1648– 1658. doi :10.1016/j.biortech.2008.09.009. ISSN  0960-8524. PMID  18951782.
  10. ^ Авучи, Чибуезе; Асоэгву, Чисом; Нвосу, Олучи; Нельсон, Калу; Мадумер, Чимарок; Обунаонье, Чиджинду; Нвободо, Фелиция; Орджи, Чимароке (17 ноября 2020 г.). «Оценка загрязнения микроэлементами почвы в заброшенном загоне кустарной добычи олова в районе Баркин-Лади штата Плато». Международный журнал передовых академических исследований : 1–18 . doi : 10.46654/ij.24889849.e61112 . ISSN  2488-9849. S2CID  228861676.
  11. ^ Пщулковский, Петр; Савица, Барбара; Барбаш, Петр; Скиба, Доминика; Крохмаль-Марчак, Барбара (январь 2023 г.). «Использование эффективных микроорганизмов как устойчивой альтернативы для улучшения качества картофеля в пищевой промышленности». Прикладные науки . 13 (12): 7062. дои : 10.3390/app13127062 . ISSN  2076-3417.
  12. ^ abcde Янг, Тони; Лупвайи, Ньютон; Марк, Сент-Арно; Сиддик, Кадамбот Х.М.; Бейнард, Люк Д. (2021). «Антропогенные факторы микробных сообществ почвы и их воздействие на биологические функции почвы в агроэкосистемах». Глобальная экология и охрана природы . 27 : e01521. doi : 10.1016/j.gecco.2021.e01521 . ISSN  2351-9894.
  13. ^ ab Jacobsen, Carsten Suhr; Hjelmsø, Mathis Hjort (2014-06-01). "Сельскохозяйственные почвы, пестициды и микробное разнообразие". Current Opinion in Biotechnology . Энергетическая биотехнология • Экологическая биотехнология. 27 : 15– 20. doi :10.1016/j.copbio.2013.09.003. ISSN  0958-1669.
  14. ^ Антошевский, Марсель; Мерек-Адамская, Агнешка; Домбровская, Гражина Б. (ноябрь 2022 г.). «Важность микроорганизмов для устойчивого сельского хозяйства — обзор». Метаболиты . 12 (11): 1100. дои : 10.3390/metabo12111100 . ISSN  2218-1989. ПМЦ 9694901 . ПМИД  36422239. 
  15. ^ Продовольственная и сельскохозяйственная организация Комитета ООН по сельскому хозяйству (1999). «Органическое сельское хозяйство, пункт 8 предварительной повестки дня».
  16. ^ Лори, Мартина; Симначик, Сара; Медер, Пол; Дейн, Герлинде Де; Гаттингер, Андреас (12 июля 2017 г.). «Органическое земледелие повышает микробную численность и активность почвы — метаанализ и метарегрессия». PLOS ONE . 12 (7): e0180442. doi : 10.1371/journal.pone.0180442 . ISSN  1932-6203. PMC 5507504. PMID 28700609  . 
  17. ^ Вентер, Зандер Сэмюэл; Якобс, Карин; Хокинс, Хайди-Джейн (2016). «Влияние севооборота на микробное разнообразие почвы: метаанализ». Pedobiologia . 59 (4): 215–223 . doi :10.1016/j.pedobi.2016.04.001. ISSN  0031-4056.
  18. ^ Баннерджи, Самиран; ван дер Хейден, Марсель GA (2022-08-23). ​​«Почвенные микробиомы и единое здоровье». Nature Reviews Microbiology . 21 (1): 6– 20. doi :10.1038/s41579-022-00779-w. ISSN  1740-1526. PMID  35999468.
  19. ^ Триведи, Панкадж; Батиста, Бруна Д.; Базани, Кэтрин Э.; Сингх, Браджеш К. (2022). «Взаимодействие растений и микробиома в меняющемся мире: ответы, последствия и перспективы». New Phytologist . 234 (6): 1951– 1959. doi :10.1111/nph.18016. ISSN  0028-646X. PMID  35118660.
  20. ^ abc Singh, Brajesh K.; Delgado-Baquerizo, Manuel; Egidi, Eleonora; Guirado, Emilio; Leach, Jan E.; Liu, Hongwei; Trivedi, Pankaj (2023). «Влияние изменения климата на патогены растений, продовольственную безопасность и пути вперед». Nature Reviews Microbiology . 21 (10): 640– 656. doi :10.1038/s41579-023-00900-7. ISSN  1740-1534. PMC 10153038. PMID 37131070  . 
  21. ^ аб Кумари, Арадна; Даш, Мунмун; Сингх, Сантош Кумар; Джагадеш, М.; Матпал, Бхупендра; Мишра, ПК; Пандей, Сунил Кумар; Верма, Кришан К. (9 ноября 2023 г.). «Почвенные микробы: естественное решение для смягчения последствий изменения климата». Экологический мониторинг и оценка . 195 (12): 1436. doi :10.1007/s10661-023-11988-y. ISSN  1573-2959. ПМИД  37940796.

Дальнейшее чтение

Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Сельскохозяйственная_микробиология&oldid=1270979365"