Бионический способ активации субстратов, используемых для выращивания растений
BIONIC METHOD OF ACTIVATING SUBSTRATES USED FOR PLANT CULTIVATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к области бионической активации субстратов, используемых для выращивания растений. Бионический способ активации субстрата использует механизмы и принципы ассоциативного симбиоза между бактериями, грибами и микроводорослями, происходящие в условиях естественного почвенного биоценоза, для образования, накопления и разложения питательных веществ до легкоусваиваемых корневой системой растения форм в произвольно выбранных субстратах, в т.ч. обедненных полезными микроорганизмами, минеральными и органическими веществами.
Уровень техники
Плодородие почв в значительной мере связано с жизнедеятельностью микробиоты, минерализующей растительные и животные остатки с образованием соединений, усваиваемых растениями.
Ближайшим аналогом описываемого изобретения является один из процессов, происходящих в условиях естественного почвенного биоценоза, в ходе которого почвенные микроорганизмы вступают в ассоциативный симбиоз с микроводорослями. Сущность такого симбиоза, с одной стороны, состоит в том, что водоросли снабжают гетеротрофные организмы энергетическим материалом, содержащимся в слизи и внеклеточных выделениях. Среди выделений микроводорослей обнаружены витамины, ауксины и многие внеклеточные ферменты, влияющие также на развитие бактерий (Лукьянов В.А., Стифеев А.И. Прикладные аспекты применения микроводорослей в агроценозе. Курск, издательство Курской государственной сельскохозяйственной академии, 2014, стр. 71-72). Помимо этого поверхность отдельных клеток водорослей представляет собой идеальную экологическую среду для многих микроорганизмов, которые находят здесь оптимальные условия для своего существования (М.Е. Игнатенко, Н.В. Немцева. Механизмы взаимодействия автотрофного и гетеротрофного компонентов в альгобактериальных сообществах. Бюллетень Оренбургского научного центра Уро РАН (электронный журнал) №3, 2012, стр. 2).
С другой стороны, стимулирующее влияние бактерий на водоросли заключается в том, что, осуществляя минерализацию, бактерии превращают высокомолекулярные (органические) соединения в низкомолекулярные (неорганические), доступные для водоросли. Кроме того, бактерии-симбионты способны синтезировать биологически активные вещества - витамины, ауксины и прочие соединения, влияющие на жизнедеятельность водорослевой культуры (М.Е. Игнатенко, Н.В. Немцева. Механизмы взаимодействия автотрофного и гетеротрофного компонентов в альгобакетриальных сообществах. Бюллетень Оренбургского научного центра Уро РАН (электронный журнал) №3, 2012. стр. 6-7).
Важным результатом такого взаимодействия является обеспечение активной жизнедеятельности полезных почвенных микроорганизмов и преобразование ими питательных веществ, получаемых от водорослей, в простые легкоусваиваемые формы, способные удовлетворить потребности корневой системы растения в минеральном питании.
В настоящее время разработаны методики, улучшающие состояние почвенной микрофлоры. Например, при альголизации почв микроводорослями и цианобактериями происходит бурное развитие микробиологических и биохимических процессов. В результате образуются легкодоступные гумусовые вещества, легкоусваивающиеся микроорганизмами, а также образующие питательные вещества для высших растений. (Лукьянов В.А. Диссертация «Агроэкологическая оценка применения одноклеточных фотосинтезирующих организмов на темно-серых лесных почвах Центрального Черноземья», Курск - 2015, стр. 78 - стр. 81; патент RU 2562544).
Заявляемое изобретение отлично тем, что оно воспроизводит и усиливает в произвольно выбранном субстрате, в т.ч. обедненном полезными микроорганизмами, органическими и минеральными веществами, механизм ассоциативного симбиоза микроводорослей и микроорганизмов аналогично природному почвенному биоценозу. В результате происходит образование и накопление питательных веществ в субстрате, влияющее на активное развитие микробиоты, которая в свою очередь, преобразовывая сложные вещества в легкоусваиваемые растением формы, насыщает субстрат элементами минерального питания растений, что делает субстрат плодородным. Применение способа позволяет производить бионическую активацию широкого спектра субстратов, в т.ч. обеденных полезными микроорганизмами, органическими и минеральными веществами, в т.ч. искусственных, инертных и стерильных субстратов.
Раскрытие сущности изобретения
Заявляемым изобретением решается задача обеспечения плодородия субстратов различного типа, в т.ч. обедненных полезными микроорганизмами, органическими и минеральными веществами, в т.ч. изначально стерильных субстратов, за счет воспроизведения в субстрате ассоциативного симбиоза или зеленых микроводорослей, или сине-зеленых микроводорослей, или их комбинации и композиции микробиологических инокулянтов, аналогичного происходящему в условиях естественного почвенного биоценоза.
Для решения заявленной задачи в процессе осуществления способа используют субстрат. Субстрат представляет собой среду, предназначенную для выращивания растений. Субстрат может состоять из одного компонента либо смеси компонентов. Состав субстрата по возможности приспосабливают к требованиям растения, которое будет высажено в него, и к условиям окружающей среды.
В субстрат вносят композицию микробиологических инокулянтов, которая представляет собой совокупность биопрепаратов, содержащих не менее одной живой культуры микроорганизмов, и может быть или бактериальной, или грибной, или комбинированной. В качестве живых культур микроорганизмов могут выступать азотфиксирующие штаммы бактерий (такие как Azotobacter или др.), фосфатомобилизирующие штаммы бактерий (такие как Bacillus mucilaginosus или др.), фитостимуляторы (такие как бактерии Azospirillum brasiliense или др.) или другие штаммы полезных для растения микроорганизмов, либо микоризные инокулянты (такие как грибы рода Trichoderma или др.), либо их комбинации. Требования к составу композиции микробиологических инокулянтов, используемой в способе, зависят от исходного микробиологического состава субстрата и особенностей растения, для высадки которого предназначен активируемый субстрат.
Затем в субстрат в виде суспензии либо ее раствора вносится живая биомасса или зеленых микроводорослей, или сине-зеленых микроводорослей, или их комбинации. В качестве зеленых микроводорослей может быть использована такая микроводоросль как Chlorella vulgaris либо др. В качестве сине-зеленых микроводорослей может быть использована такая цианобактерия, как Anabaena sphaerica или др. Использование в способе живой биомассы или зеленых микроводорослей, или сине-зеленых микроводорослей, или их комбинации обеспечивает существование трех вариантов исполнения заявленного изобретения с равнозначным техническим результатом. При необходимости внесение в субстрат живой биомассы или зеленых микроводорослей, или сине-зеленых микроводорослей, или их комбинации может быть неоднократным.
Выполнение вышеуказанных действий может осуществляться как последовательно, так и одновременно, при этом для реализации изобретения по возможности должны быть обеспечены соответствующие условия внешней среды: освещенность, влажность, воздухообмен, температура и т.п.
В целях положительной реализации изобретения в качестве исходных материальных веществ должны использоваться такие микробиологические инокулянты и такие зеленые микроводоросли, или сине-зеленые микроводоросли, или их комбинация, которые в процессе своей жизнедеятельности будут находиться в ассоциативном симбиозе, не причиняя в последующем вред корневой системе растения, для выращивания которого предназначен активируемый субстрат.
В результате осуществления способа путем указанных действий в субстрате воспроизводится ассоциативный симбиоз между микробиологическими инокулянтами и зелеными микроводорослями, или сине-зелеными микроводорослями, или их комбинацией, характерный множеством ассоциативных связей. Например, зеленые микроводоросли, или сине-зеленые микроводоросли, или их комбинация, вносимые в субстрат, становятся источником питательного вещества, липидов, полипептидов, органические кислот, аминокислот и витаминов для микробиологических инокулянтов, внесенных в субстрат. Живая биомасса микроводорослей, продуцируя в процессе своей жизнедеятельности кислород, усваиваемый микробиологическими инокулянтами, способствует их интенсивному размножению. Микробиологические инокулянты в свою очередь перерабатывают метаболиты и органическое вещество микроводорослей, превращают высокомолекулярные (органические) соединения в низкомолекулярные (неорганические), легкоусваиваемые корневой системой растения и самими микроводорослями.
Дополнительно микроводоросли усваивают выделяемый микроорганизмами в процессе своей жизнедеятельности углекислый газ, не позволяя ему накапливаться в субстрате, что препятствует возникновению и развитию нежелательных анаэробных процессов в субстрате.
В итоге технический результат заявляемого изобретения проявляется в образовании и накоплении в субстрате органических веществ, активной жизнедеятельности микробиологических инокулянтов, разлагающих и минерализующих сложные вещества до простых форм, необходимых для последующего усваивания корневой системой растения, а также в формировании первоначального гумуса и увеличении концентрации гуминовых веществ, изначально содержащихся в субстрате. Вследствие этого технический эффект изобретения проявляется в обеспечении и усилении плодородных свойств субстрата.
Осуществление изобретения
В заявляемом способе используются субстраты, в т.ч. обедненные полезными микроорганизмами, органическими и минеральными веществами. Для того чтобы минеральные вещества образовались в субстрате и приумножились, а в дальнейшем смогли стать доступными растениям, для высадки которых предназначается субстрат, необходимо обеспечить присутствие и активную жизнедеятельность полезных микроорганизмов, перерабатывающих сложные вещества в легкоусвояемые растением формы, обеспечив их полноценное питание. Данную задачу помогает решить процесс воспроизведения в субстрате ассоциативного симбиоза зеленых микроводорослей, или сине-зеленых микроводорослей, или их комбинации и микробиологических инокулянтов, аналогичного происходящему в условиях естественного почвенного биоценоза.
От активной жизнедеятельности микробиологических инокулянтов в субстрате зависит плодородие субстрата, а в дальнейшем и урожайность растений, которые будут высажены в него. Микробиологические инокулянты в описываемом способе являются потребителями органических веществ - органических кислот, слизи и растворимых полисахаридов, жирных кислот и веществ липоидного характера, растворимых полипептидов, аминокислот, источником которых являются или зеленые микроводоросли, или сине-зеленые микроводоросли, или их комбинация, превращая такие вещества путем разложения в легкоусваиваемые корневой системой растения минеральные соединения. Например, бактериальная композиция микробиологических инокулянтов, содержащая азотфиксирующие штаммы, способствует накоплению соединений азота в субстрате. Фосфатомобилизирующие бактерии способствуют высвобождению фосфора и калия из сложных соединений, переводя их в доступные для растений формы.
Использование в композиции микробиологических инокулянтов препаратов микоризы позволяет расширить многообразие ассоциативных симбиотических связей в субстрате. Препараты микоризы способны вырабатывать ферменты, преобразующие практически любые труднорастворимые соединения в доступные элементы. Благодаря микоризе высаженное в субстрат растение сможет получить больше воды и минералов (особенно фосфора), а также защиту от заболеваний и вредителей.
Использование комбинации микробиологических инокулянтов, содержащей комплекс различных полезных микроорганизмов, позволит ускорить процесс разложения органики в субстрате, тем самым улучшив в будущем питание корневой системы растения.
В связи с тем что у различного типа микроводорослей образуются различные виды симбиотических связей с микробиологическими инокулянтами, использование в способе разных видов микроводорослей и их комбинаций в качестве источника питательных веществ для микробиологических инокулянтов расширяет многообразие симбиотических связей. В первом варианте изобретения источником питания микробиологических инокулянтов являются зеленые микроводоросли, во втором варианте изобретения сине-зеленые микроводоросли, в третьем варианте изобретения комбинация зеленых и сине-зеленых водорослей.
За счет процесса размножения и возможности повторного внесения живой биомассы или зеленых микроводорослей, или сине-зеленых микроводорослей, или их комбинации в субстрат такие микроводоросли становятся постоянным производителем свежего органического вещества. Продуктами их метаболизма, а также отмирающими или ослабленными клетками питаются микробиологические инокулянты, что стимулирует размножение и развитие последних. Также или зеленые микроводоросли, или сине-зеленые микроводоросли, или их комбинация выступают как накопители гумуса в субстрате, усиливая его плодородность, что особенно важно для неорганических субстратов, не имеющих в своем составе первичной органики.
С целью осуществления заявленного изобретения в субстрат вносят композицию микробиологических инокулянтов. Поскольку микробиологические инокулянты являются живыми существами, то в субстрате возникает необходимость обеспечения их питательными веществами. Таким источником питания в первом варианте осуществления изобретения становится живая биомасса зеленых микроводорослей, во втором варианте живая биомасса сине-зеленых микроводорослей, в третьем варианте их комбинация, подаваемая в субстрат. Продукты метаболизма микроводорослей содержат разнообразные органические вещества: органические кислоты, слизи и растворимые полисахариды, жирные кислоты и вещества липидного характера, растворимые полипептиды, аминокислоты, вещества высокой биологической активности. Постепенно разлагаясь, органическое вещество или зеленых микроводорослей, или сине-зеленых микроводорослей, или их комбинации становится и энергетическим материалом, и питательным веществом для микробиологических инокулянтов, разлагающих его в итоге до минеральных веществ, усваиваемых корневой системой растения.
Кроме этого живая биомасса или зеленых микроводорослей, или сине-зеленых микроводорослей, или их комбинации, внесенная в субстрат, периодически обновляется как естественным способом, размножаясь внутри субстрата, так и путем повторного внесения (в частных вариантах осуществления изобретения), что позволяет снабжать субстрат свежим органическим веществом и поддерживать активную жизнедеятельность микробиологических инокулянтов.
Дополнительно за счет кислорода, выделяемого при фотосинтезе микроводорослей, обеспечивается аэрация субстрата, что также положительно влияет на развитие микробиологических инокулянтов, находящихся в нем.
Таким образом, в процессе осуществления изобретения в субстрате воспроизводится ассоциативный симбиоз микроводорослей и композиции микробиологических инокулянтов, аналогичный происходящему в условиях естественного почвенного биоценоза, результатом которого является эффективное разложение органики до свободно усваиваемых веществ.