Вклад микробиологической науки в развитие агротехнологий

Вклад

микробиологической науки в развитие агротехнологий

УДК 606:579.6

Резюме. Представлена информация о разработанных в Институте микробиологии НАН Беларуси экологически безопасных биопрепаратах для растениеводства, животноводства, птицеводства и рыбоводства -биопестицидах, микробных удобрениях, биоконсервантах растительного сырья, пробиотиках, ферментах, по эффективности не уступающих зарубежным аналогам. Использование инновационной биотехнологической продукции в современных агротехнологиях обеспечивает экологизацию и повышение продуктивности сельскохозяйственного производства.

Ключевые слова: микробиологические средства защиты растений, микробные удобрения, пробиотики, микробные консерванты, ферменты.

Эмилия Коломиец,

генеральный директор

ГНПО «Химический синтез и биотехнологии» -

директор Института микробиологии

НАН Беларуси,

член-корреспондент

Принятые меры государственной поддержки обеспечили в Республике Беларусь существенный прорыв в становлении биотехнологии как наукоемкой отрасли экономики. Наибольшее развитие получила «зеленая» биотехнология, включающая в свою сферу обслуживание сельского хозяйства. Продукция микробного синтеза является неотъемлемым компонентом органического земледелия и животноводства. Экологически безопасные микробные препараты, способные улучшить минеральное питание растений, обеспечить защиту от фитопатогенов и вредителей, повысить устойчивость к стрессовым условиям, служат реальной альтернативой агрохимикатам. Так, если в 2012 г. продажи биопестицидов ведущими мировыми компаниями BASF, Bayer CorpScience, Singenta достигали 2 млрд долл., то в 2016 г.

специалисты прогнозируют их рост до 3 млрд. Применение современных микробных технологий открывает перспективы снижения пестицидной нагрузки на агробиоценозы; уменьшает зависимость сельскохозяйственного производства от импорта ферментных препаратов, витаминов, аминокислот; позволяет обеспечить отечественный рынок новыми бактериальными композициями с пробиотической активностью (вместо антибиотиков), что в совокупности закладывает основы развития биоэкономики.

Биопестициды нового поколения

Анализ литературных данных свидетельствует о перспективности использования для контроля патогенов и вредителей штаммов микроорганизмов, способных продуцировать широкий спектр метаболитов с антимикробным или энтомоцидным действием, отличающихся высокой скоростью роста, генетической стабильностью, конкурентоспособностью, низкой чувствительностью к биоценотическим факторам и безвредностью для окружающей среды. Биопестициды нового поколения - это препараты комплексного действия, в том числе на основе консорциума микроорганизмов с взаимодополняющими свойствами [1].

Проводимые в Институте микробиологии НАН Беларуси исследования по выделению и изучению микроорганизмов с антимикробной и энтомоцидной активностью, установлению механизмов антагонистического действия потенциальных интродуцентов, оптимизации ферментационных процессов, разработке высокотехнологичных препаративных форм обладают научной новизной, социальной значимостью и служат теоретической и практической основой для создания эффективных, экологически безопасных биопестицидов, необходимых для оздоровления и стабилизации растениеводства республики.

Биопестициды «Фрутин» (для контроля возбудителей болезней ягодных и плодовых культур), «Фитопротектин» (для защиты овощных культур от болезней), «Бетапротек-тин» (для борьбы с кагатной гнилью сахарной свеклы), «Эко-грин» (для защиты овощных и зеленных культур от болезней в условиях малообъемной гидропоники), «Бацитурин», «Бактосол» и «Ксантрел» (для защиты картофеля и овощных

Тема номера

культур от вредителей и болезней), «Мультифаг» (эффективное средство для борьбы с бактериозами овощных и плодовых культур), разработанные в институте, нашли свою нишу на внутреннем рынке биотехнологической продукции и имеют экспортный потенциал благодаря высокой антимикробной и/или энтомоцидной активности и более низкой себестоимости по сравнению с зарубежными аналогами. Особый интерес потребителей вызывает комплексный биопрепарат «Полибакт», работающий по принципу шесть в одном, способный контролировать развитие фитопато-генных микроорганизмов и восстанавливать микробоцено-зы почв, гумифицировать растительные остатки, обогащать почву биологическим азотом, трансформировать фосфаты в доступные растениям формы, повышать урожайность сельскохозяйственных культур на 20-30%. Несмотря на то, что проводимые в республике фитозащитные мероприятия ориентированы на преимущественное использование химических препаратов, востребованность биопестицидов повышается и объем их реализации Институтом микробиологии НАН Беларуси возрос в 5 раз по сравнению с уровнем 2011 г. За период 2011-2015 гг. произведено 60,8 т биопестицидов на сумму 2,8 млрд руб.

Новые перспективы создания высокоэффективных био логических средств защиты растений открывают методы генетической инженерии. Они позволяют повышать продуктивность промышленных микроорганизмов-продуцентов путем клонирования в микробную клетку новых генов, изменять питательные потребности микроорганизма, «научить» микроорганизмы синтезировать несвойственные им вещества и таким образом увеличить разнообразие биотехнологической продукции. Так, в результате проведенных исследований по клонированию генов с инсектицидной активностью в хромосому B. subtilis получен рекомби-нантный штамм, совмещающий два типа биологической активности - инсектицидную и антимикробную. На его основе ведутся работы по созданию уникального препарата нового поколения. Вместе с тем следует принимать во внимание, что внедрение в производство продуктов генной инженерии - дело завтрашнего дня, поскольку еще не решены вопросы биобезопасности их применения в открытых системах.

Микробные удобрения

В качестве альтернативы минеральным удобрениям в мире широко используются микробные удобрения. Обеспечивают мировой рынок азотфиксирующими инокулян-тами фирмы США, Франции, Великобритании. В Китае практически каждая провинция имеет биофабрики по производству бактериальных препаратов с азотфиксирующей и фосфатмобилизующей активностью для сельского хозяйства. В аграрно развитых странах до одной трети общей площади зерновых и зернобобовых бактеризуют препаратами азотфиксирующих микроорганизмов и за счет этого на 25-40% сокращают потребление минеральных азотных удобрений.

Разработки института подтвердили принципиальную возможность образования эффективного симбиоза диа-зотрофных микроорганизмов с небобовыми растениями и показали их перспективность как нодулирующих агентов искусственных ассоциаций микроорганизмов, способных активно колонизировать корневую систему и синтезировать гормоноподобные соединения. Осуществлен скрининг микроорганизмов, способных выступать в качестве биологических агентов нодуляции, изучены ассоциативные взаимодействия в системе «диазотрофы - небобовые растения» и пути их превращения в симбиотические, чтобы найти эффективные приемы использования биологического азота как основы увеличения продуктивности агробиоце-нозов. На этой базе созданы высокоэффективные микробные удобрения с азотфиксирующей активностью для повышения урожайности зерновых культур («Ризобактерин», «Гордебак», «Агромик»), биоудобрение «ПолиФунКур» -для пропашных культур. Адаптация технологий получения препаратов к условиям производства и сырью, имеющемуся в Беларуси, обеспечивает их низкую себестоимость и, соответственно, потребительскую стоимость (1,5 у.е./га). Всего за период 2011-2015 гг. институтом произведено и реализовано около 172 тыс. га/порций микробных удобрений на сумму свыше 1,8 млрд руб.

Пробиотики

Актуальное и бурно развивающееся направление современных микробиологических исследований - разработка препаратов пре- и пробиотического действия. В 2015 г. мировой рынок таких продуктов составил 33,19 млрд долл., а к 2020 г. по прогнозам аналитиков достигнет 46,55 млрд долл. [2].

Интерес к ним обусловлен их безвредностью, способностью усиливать защитную функцию организма, стимулировать иммунную реактивность, нормализовать микрофлору кишечника, не вызывая формирования устойчивости у патогенных микробов. Лечебно-профилактические пробиоти-ки в ветеринарии и животноводстве рассматриваются как альтернатива антибиотикам - исключение кормовых антибиотиков способствует восстановлению пищеварения, снижению общей заболеваемости [3].

Наиболее известны пробиотики на основе представителей нормального биоценоза желудочно-кишечного тракта животных, в частности бифидо- и лактобактерий. Так, сорбированные формы, содержащие бактериальные клетки, иммобилизованные на частицах твердого сорбента, лучше выживают и быстрее заселяют кишечник.

Препараты со спорообразующими бактериями рода Bacillus выгодно отличаются от традиционных повышенной жизнестойкостью при воздействии различных агрессивных факторов, высокой избирательной антагонистической активностью в отношении патогенных микроорганизмов и способностью продуцировать разнообразные биологически активные соединения, например липополисахариды, повышающие иммунитет.

Сотрудниками института разработаны конкурентоспособные биотехнологии получения нескольких пробиотиков. В их числе «Бацинил» (на основе штаммов бактерий рода Bacillus), предназначенный для коррекции микробиоценоза желудочно-кишечного тракта и стимуляции иммунной системы при заболеваниях молодняка крупного рогатого скота, свиней и птицы. «Споробакт», включающий два штамма спорообразующих бактерий B. subtilis с высокой антагонистической и ферментативной активностью, используется в составе кормов для сельскохозяйственных животных и птицы, «Биовир» и «Эмилин» - в промышленном рыбоводстве. За период 2011-2015 гг. по разработкам института произведено и реализовано свыше 70,3 т пробиотических препаратов на сумму 1,3 млрд руб.

Значительную часть инфекционной патологии животных составляют заболевания вирусной и вирусно-бактери-альной этиологии, вызывающие симптомы взаимного отягощения. Чтобы получить лекарства с антибактериальными и антивирусными свойствами одновременно, пробио-тики комбинируют с различными иммуностимуляторами, антивирусными веществами и цитокининами, среди которых наиболее широко представлены препараты интерферона. Однако этот подход усложняет технологию производства, повышает цену, что часто делает такие комплексные средства нерентабельными и снижает интерес к ним в реальной практике.

В качестве альтернативы предложена модификация про-биотических штаммов путем клонирования генов антивирусных белков. К достоинствам препаратов на основе ре-комбинантных штаммов относятся простота в изготовлении (не требуется дорогостоящая очистка лекарственной субстанции - интерферона) и применении. Наиболее привлекательны для доставки биологически активных белков бактерии рода Bacillus, не обладающие адгезивными свойствами, что обеспечивает их транзитное прохождение через желудочно-кишечный тракт теплокровных в течение контролируемого периода времени с последующей элиминацией. В Институте микробиологии НАН Беларуси совместно с БГУ проводятся исследования по разработке рекомбинантного штамма пробиотических бактерий с геном куриного а-ин-терферона - основы нового соединения комплексного им-муномодулирующего, антибактериального и антивирусного действия.

Биоконсерванты

Один из основных факторов успешного развития животноводства - обеспеченность силосованными кормами. Благодаря разработкам института в республике организовано производство отечественных биоконсервантов (Лаксил, Лаксил-МС), позволяющих повысить энергетическую питательность кормов, ограничить ее потери в период хранения, снизить расход корма до 20% на килограмм живой массы, увеличить среднесуточные привесы скота на 9-12%.

За период 2011-2015 гг. по разработкам института произведено и реализовано биоконсервантов на сумму 25,3 млрд руб.

Ферментные препараты

К перспективным направлениям относится производство ферментных препаратов - уникальных по чувствительности и специфичности биокатализаторов белковой природы, широко востребованных различными отраслями экономики, в том числе сельским хозяйством. Мировым лидером в этой сфере является фирма Novozymes (Дания), которой принадлежит 47% рынка ферментов, на втором месте - американская компания DuPont с 21%, далее следуют DSM (Нидерланды) - 6%, BASF (Германия) - 4%, Associated British Foods(Великобритания)- 4%.

В целях обеспечения импортозамещения в рамках межгосударственной целевой программы ЕАЭС «Инновационные биотехнологии» сконструирован генно-модифициро-ванный штамм с высокой фитазной активностью и на его основе разработана технология получения ферментного препарата «Фитаза» для кормопроизводства. В перспективе с использованием полученного рекомбинатного штамма и выделенных штаммов - продуцентов целлюлолитических ферментов с высоким уровнем активности планируется создать препарат комплексного действия, по эффективности не уступающий лучшим зарубежным аналогам.

Функционирующее в Институте микробиологии НАН Беларуси современное опытно-промышленное биотехнологическое производство позволило создать целый ряд оригинальных биотехнологий и на их основе под брендом «ИнМи-БИОпродукт» осуществить выпуск 42 наименований биопрепаратов не только для сельского хозяйства, но и для других отраслей экономики. Всего по разработкам института и при его научном сопровождении за 2011-2015 гг. произведено биотехнологической продукции на сумму около 6 млн долл., что внесло существенный вклад в укрепление экономики республики. СИ

Summary

Information is provided on eco-friendly biological products - biopesticides, microbial fertilizers, silage conservation agents, probiotics, enzymes developed at Institute of Microbiology, NAS Belarus for crop cultivation, stock and poultry farms, pisciculture and matching best foreign analogs. Introduction of innovative biotechnologies into agrosector ensures ecologization and raises productivity of modern agriculture.

[5 See: http://innosfera.by/2016/06/technology_development

Литература

1. Микробные биотехнологии: фундаментальные и прикладные аспекты. Сборник научных трудов / под ред. Э.И. Коломиец [и др.]. Т. 7.- Минск: Бел. навука, 2015.

2. Probiotic Ingredients Market by Function (Regular, Preventative, Therapy), Application (Food & Beverage, Die-tary Supplements, & Animal Feed), End Use (Human & Animal Probiotics), Ingredient (Bacteria & Yeast), and by Region - Global Trends & Forecast to 2020. http://www.marketsandmarkets.com.

3. Жиганова Л.П.Состояние и развитие сельскохозяйственной биотехнологии в России // Россия и Америка в XXI веке. 2015, №3. http://www.rusus.ru