Азотфіксуючі водорості: технологія в 500 кінських сил

Розмова із Петром Романенком, кандидатом біологічних наук, автором ідеї розробки технології використання ґрунтових водоростей у сільському господарстві проходила в лабораторіях ННЦ «Інститут біології та медицини» КНУ імені Тараса Шевченка та Інституту ботаніки імені М. Г. Холодного НАНУ, з котрим біолог тривалий час співпрацює за своєю тематикою. Поруч на стелажах у колбах різноманітної геометрії з різною інтенсивністю зеленіли смужечки колоній усіляких водоростей, представники найдревніших живих організмів на планеті.

– Передбачаю, Петре Олександровичу, що чимало читачів журналу будуть здивовані тим, що в наших ґрунтах (не у водоймах!) мешкає велика кількість ґрунтових водоростей.

– Для мене – це звична реакція. Інформація про ґрунтові водорості – не новина сама по собі. Я, до прикладу, їх вивчаю вже понад 30 років, 22 роки викладав курс нижчих рослин на біологічному факультеті університету імені Тараса Шевченка, був одним зі співавторів українського підручника з цієї тематики, захистив дисертацію «Ґрунтові водорості лісів українських Карпат». Просто раніше існуванню цієї групи рослин не придавали практичного значення. В моїй практиці спілкування з аграріями я зустрів лише одного агронома на півдні України, котрий не здивувався цій темі й знав про ґрунтові водорості. Для решти – це завжди було відкриттям. Якщо альгологія – наука про водорості – річ для загалу відома, то ґрунтова альгологія для багатьох – невідомий материк. Хоча насправді ще на початку ХХ століття в роботах багатьох класиків геоботаніки – Г. Висоцького, К. Залеського, Б. Келлера та інших – приводилися описи багатьох водоростей, що розвиваються на поверхні ґрунту. Згодом дослідницею Мюріель Брістоль (Rothamsted) було доведено участь ґрунтових водоростей у збагаченні ґрунту азотом. І все ж як окрема галузь науки – ґрунтова альгологія відносно молода.

– Існування водоростей у ґрунті, на перший погляд, несумісне з основними особливостями цих організмів – жити у воді. Ґрунти пересихають, окремі (як піски) вологу не тримають зовсім.

– То на перший погляд. Бо це хоч і водорості, однак ґрунтові, тут вони – у рідному середовищі. На поверхні ґрунту або в його товщі мешкає близько 2000 видів водоростей, і щороку альгологи виявляють усе нові й нові їх види. Переважна більшість водоростей має мікроскопічні форми. Якщо на поверхні ґрунту зелені плями, шкірясті або повстяноподібні плівки чи слизові утворення нерідко можна бачити неозброєним оком, то водорості, що населяють товщу ґрунту, можна виявити лише під мікроскопом. В 1 грамі здорового ґрунту, не вбитого хімією, – до 5 млн клітин таких живих водоростей! Хоча біомаса водоростей незначна – в межах 30 – 200 кг / га. Вони синтезують органічні речовини, утримують вологу, сприяють поліпшенню структури ґрунту, серед них велика частка азотфіксуючих організмів.

У ґрунті переважно розвиваються водорості чотирьох відділів: зелені, жовто-зелені, діатомові й синьо-зелені. Значно рідше зустрічаються червоні та евгленові водорості. Синьо-зелені водорості, на відміну від усіх інших, належать до прокаріотів, оскільки їх клітини не мають мембранних органел. Через це застарілу їх назву за характерним забарвленням змінено на ціанобактерії (Cyano­bacteria). Розвиваються вони переважно в верхніх горизонтах ґрунту (до 200 тис. клітин в 1 см3). Хоча насправді життєздатні водорості знаходять і на глибині понад 2 м.

Ґрунт періодично то зволожується, то висихає, однак ці прадавні організми в процесі еволюції виробили здатність виживати й за набагато складніших умов. Адже вони першими з рослин оселяються на неживих субстратах: скельних поверхнях високогір’їв, промислових відвалах, на територіях, що зазнали техногенних катастроф, зокрема й після ядерного вибуху. Їх холодостійкість підтверджується повсюдним поширенням цих водоростей серед рослинності Антарктиди. До того ж дослідження на Міжнародній космічній станції показали, що ціанобактерії роду Gloeocapsa та Nostoc вижили після 553-денного перебування у відкритому космосі – за умов жорсткої космічної радіації, вакууму, перепаду температур, уявляєте?

Отже, ґрунтові водорості становлять великий загальнобіологічний інтерес як організми незвичайної витривалості та стійкості проти крайніх умов існування.

– Що саме допомагає цим водоростям виживати при пересиханні? Ми говоримо не про умови Марсу, про нашу планету…

– Даремно ви жартуєте про Марс. Коли людство почне його освоювати, а це колись таки станеться, то синьо-зелені водорості, передусім Nostoc, – будуть піонером такого заселення нових незвіданих територій. Не картоплю ж там саджатимуть відразу чи пшеницю. А тепер про Землю. Важливим пристосуванням до захисту від посухи в багатьох із цих водоростей є здатність утворення рясного слизу – слизових колоній, чохлів та обгорток, що складаються з гідрофільних полісахаридів, здатних швидко поглинати й утримувати великі кількості води, які в 8 – 15 разів перевищують суху масу водоростей.

Крім того, клітинні оболонки більшості ґрунтових водоростей теж здатні до ослизнення та нагромадження води. Відтак водорості не тільки запасають воду, сповільнюючи висихання, а й швидко поглинають її при зволоженні. У ґрунті під час нічної точки роси колоніальний слиз водоростей утримує ґрунт у вогкому стані, навіть коли нагорі спека й немає опадів – ми це бачили на практиці в Миколаївській області минулого сезону при випробуванні нашої технології. Це допомагає як рослинам (у покращенні їх живлення, підвищенні темпів росту й протистоянні стресам), так, власне, й ґрунтам – у протистоянні різного виду ерозій.

Іноді такий субстрат за дії клімату стає майже абсолютно сухою кірочкою на поверхні ґрунту, однак усього через кілька годин після зволоження він знову набирається вологи й починає рости. Є багато прикладів тривалого збереження життєздатності водоростей. Наприклад, відомий випадок, коли вдалося оживити гербарний екземпляр синьо-зеленої водорості Nostoc commune після 107 років зберігання… Я здивував одного автора сорту кавунів, насіння котрого зберігалося кілька років, і він уже не міг його проростити, думав, що вже втратив сорт назавжди. За допомогою нашого штаму Nostoc commune це насіння проросло.

– Це саме того виду, з котрим ви проводили дослідження й перемогли в стартапі Sikorsky Challenge?

– Так, саме того. Вивчаючи ці ґрунтові водорості, мене найбільше зацікавив такий штам синьо-зелених водоростей, або вже по-новому – ціанобактерій, як Nostoc, що формують ланцюжки клітин. Ось у цій колбі (Петро Романенко взяв одну із невеличких хімічних ємностей із плаваючими в ній у воді зеленими колоніями, струснув її й поставив на стіл) – найдревніший живий організм на нашій планеті. Прокаріот, доядерний організм, котрому 3,5 – 3,8 млрд років, це і є Nostoc commune. Перші ядерні організми, зокрема й хлорела, з’являться лише через два мільярди років.

Мої перші дослідження стосувалися впливу цієї ґрунтової азотфіксуючої водорості на проростання насіння різних польових культур (пшениці, кукурудзи, соняшнику, сої, ріпаку, амаранту) й овочевих культур (огірків та помідорів). Порівняно з контролем (насіння змочене водою) та обробкою деякими синтетичними стимуляторами росту, насіння, змочене продуктами життєдіяльності Nostoc commune, демонструвало неймовірно кращі результати проростання, енергії росту й уникнення різних захворювань на цьому етапі. Десятки й сотні разів я повторював ці досліди в різних повтореннях, на різних культурах. Два роки тому я подав свою роботу на конкурс ідей до інноваційної платформи Sikorsky Challenge КПІ імені Ігоря Сікорського.

Моя робота дійшла до фіналу й там була оголошена переможницею. За участі експертів із різних країн. Невдовзі зі мною вийшли на контакт представники відомої китайської компанії Golden Egg Science & Technology й запропонували звести виробництво з розведення таких водоростей та препарату на їх основі в Китаї. Однак давній товариш, науковець, котрий працював у США, відмовив від цього варіанта, порадив знайти вітчизняного інвестора й звести виробництво в Україні, де попит і перспективи на технологію мають бути затребуваними. Я знайшов партнерів, і ми стали вивчати ситуацію на світовому ринку в цій царині: подібні апарати для промислового розведення й вирощування водоростей знайти непросто.

І все ж ми знайшли в Канаді виробників фітобіореактора, котрий 2018 року одне світове авторитетне видання назвало проривом у технології. Невдовзі такі два фітобіореактори були доставлені до України, й вони вже стали випускати продукцію. З’явилися перші успішні результати від господарств – як невеличких фермерських, так і потужніших, деяких тепличних господарств, технологією зацікавився Інститут рису НААН України. Всіма польовими й тепличними культурами новація сприйнята на «ура», як і, власне, господарниками.

– Ми можемо конкретизувати ці приклади?

– Наразі говоримо, власне, про саму технологію використання ґрунтових водоростей, абсолютно нове явище в землеробстві, й не лише в Україні. І жодним чином не рекламуємо препарат на основі цих водоростей. Сьогодні працює єдине його виробництво на півдні України, на Херсонщині. Завтра подібне виробництво може з’явитися в іншому місці, адже серед аграріїв дуже багато новаторів та таких, що здатні інвестувати в революційну новинку.

Головне – ми освоїли цю технологію. Торік завдяки застосуванню ґрунтових водоростей – ми вже говоримо як про обробку насіння, так і про обробку рослин по вегетації –

в Кіровоградській області отримали 5 т / га соняшнику, тоді як на контролі (без ґрунтових водоростей) мали всього 1,9 т / га.

Отримали хороші результати по таких культурах: пшениці, соняшнику, ячменю, ріпаку, картоплі, сої, амаранту. В закритому ґрунті – на огірках, томатах і салаті, в саду – на яблуках та кісточкових, винограді. До того ж на всіх цих культурах спостерігалося істотне покращення якості зерна та плодів, зокрема була вищою класність пшениці, вища олійність у ріпаку та соняшнику. На обробленій ділянці саду був набагато вищий відсоток ідеально каліброваних яблук, за умов спекотного літа та наступних осінніх злив плоди не розтріскувалися. Щоб не казали, що я не навів ніякої конкретики щодо адреси результатів, назву деякі господарства з тих, що випробовували нашу продукцію: Насіннєва компанія «Корона», ТДВ «Зоря Інгулу» (обидві – з Миколаївської області), ФГ «Аякс» (Дніпропетровська область). Розпочато співпрацю з такими холдингами як «Укрпрoмінвecт-Агрo» (на цукрових буряках), «Кернел» (соняшник, кукурудза). Зокрема оброблені всього один раз цукрові буряки на Вінниччині забезпечили на 600 кг більше цукру із гектара. Замовник на обробку насіння фацелії (на 200 га) теж прислав захоплений відгук.

– Що являє собою фітобіореактор?

– Це технологічно набагато складніша установка, ніж ті «акваріуми» з хлорелою, про котрі ви розповідали в попередніх публікаціях. Являє собою чотири закриті ємності – колби по 1250 л, абсолютно стерильні всередині, куди через фільтр подається повітря. В живильному мінеральному розчині ємностей розчинені солі найголовніших для водорості елементів – магнію, калію, натрію, міді тощо. В нього поміщена масштабована кількість чистого штаму ціанобактерії, виокремленої зі здорового ґрунту. З усіх боків реактори освітлюються правильним спектром діодного освітлення. Після досягнення щільності надзвичайно цінний «бульйон» із продуктами життєдіяльності водоростей (амінокислотами, полісахаридами, фітогормонами) через фільтр випускається для дальшого розливу у фасовану тару, до живої культури водоростей впускається новий живильний розчин. Ось так – на вході маємо водорість, елементарний набір мінералів, воду й сонячне світло, на виході – унікальний пробіотик ґрунту й стимулятор росту.

– Зачекайте. Виходить, ми говорили про унікальність водоростей, а насправді рослини обробляємо продуктом їх життєдіяльності? Це ж зовсім різні речі!

– Ми говоримо про два способи обробки: насіння обробляється сухим порошком живої біомаси водорості та фоліарна обробка (по листку) культуральною рідиною – концентратом продуктів життєдіяльності азотфіксуючої ґрунтової водорості Nostoc commune. Звісно, використання чистої культури водоростей є ефективнішим, однак це недешеве виробництво. З іншого боку, в культуральній рідині (концентрація 2 – 3 % у робочому розчині) все одно присутні в значній кількості клітини ґрунтових водоростей. Спочатку ми так і робили – використовували лише водорості. Однак, віддавши на аналіз цю рідину до лабораторії Європейського біохімічного товариства та двох авторитетних вітчизняних лабораторій, отримали вражаючий результат. Там збалансована велика кількість макро- і мікроелементів, 17 вільних амінокислот, чотири групи рістстимулюючих фітогормонів, інші біологічно активні речовини! Також дуже важливим є присутність ліпопептиду nosto fungicidin – природного фунгіциду широкого спектра дії, який пригнічує патогенну флору навколо рослини. Направлений нами зразок рідини до відомої ізраїльської компанії «Хайфа Кемікалз ЛТД» викликав у них великий інтерес і готовність до серйозного замовлення на препарат.

– Яка потужність фітобіореактора, норми витрат препарату, сумісність із хімічними діючими речовинами?

– Щомісяця виготовляється 12 – 13 тис. л. Витрати на одну обробку по листку становлять 4 л / га, ми радимо проводити дві обробки. Якщо справа стосується озимих культур, то можна обробляти й тричі: перший раз восени перед входом у зимівлю й потім навесні, при виході із зимівлі й ще раз згодом. Стосовно сумісності з іншими хімічними препаратами, то досі застережень щодо поєднання в бакових сумішах у нас не було, хоча можливо й знайдуться агресивні для нашого препарату речовини. Цьогоріч після успішного застосування нашої технології при обробці насіння й посівів вдалися й до обробки ґрунту. На Київщині фермер з ТОВ «Москаленки» вніс на 400 га ґрунту суху біомасу водоростей перед сівбою сої. Отже, маємо й третій спосіб застосування. На передпосівну обробку 1 т насіння пшениці витрачається всього 10 г порошку біомаси водоростей.

Мікробіота більшості наших ґрунтів понівечена сильнодіючими ґрунтовими гербіцидами, безводним аміаком та іншою хімією. За один сезон до початкового стану ґрунти не повернеш, однак істотно поліпшити стан можна. Я полюбляю наводити такий приклад: людина, лікуючись антибіотиками, завжди паралельно приймає й пробіотики, аби відновити мікрофлору в кишківнику. Так і в ґрунті: з 1 г порошку біомаси ми вносимо на 1 м2 ґрунту 250 тисяч живих клітин ґрунтових водоростей – нашого пробіотика, що стимулює розвиток корисної мікрофлори ґрунту.

– Петре Олександровичу, я не можу не поставити цього запитання – від фермерів і науковців разом: чому досі не було подібних робіт? Чому цим не переймаються надпотужні світові компанії, котрі на подібні дослідження витрачають мільярдні кошти? Невже вони знають менше про ці водорості?

– Дослідження наукові й публікації були, однак налагодити промислове виробництво в голову нікому не приходило. Вчених, які переймаються ґрунтовою альгологією, у світі не так і багато, їх легко перерахувати. В Франції, на південному березі Женевського озера, біля міста Тонон-ле-Бен – дві величезні ділянки ґрунту, на котрих Вища школа агробізнесу проводить порівняння технологій інтенсивного застосування хімії та обробки ґрунтів й органічного виробництва. Я був у складі групи ґрунтових альгологів, запрошених туди Національним інститутом сільськогосподарських досліджень (INRA, Франція) для того, аби виокремити зі зразків з цих ділянок ґрунту ґрунтові водорості й скласти порівняльний список. У них таких фахівців немає.

До речі, Україна – єдина країна, де є книга «Ґрунтові водорості України», і я один із її співавторів. Це справді ще малодосліджений напрям. Водорості у ставках й океанах вивчають понад ціле століття, відтоді як винайшли мікроскоп, а от ґрунтовими водоростями мало хто займається. На першому Всесвітньому конгресі по водоростях позаводних місцезнаходжень, який ми проводили на базі Канівського заповідника, зібралося всього 80 фахівців з усього світу – це невелика кількість. Так ось, щодо порівняння видів і кількості ґрунтових водоростей на цих різних ділянках у Франції – розмаїття та список таких водоростей у ділянці з органічним виробництвом очікувано був ширшим за той, що ми знайшли на інтенсивній ріллі. І найбіднішою ця рілля була на азотфіксуючі водорості, вони зустрічалися лише спорадично, поодиноко.

Йти шляхом збільшення внесення азотних добрив – це шлях в нікуди. Наша ж технологія дає можливість скоротити обсяги внесення синтетичних азотних добрив, окрім усього іншого. Адже забезпечення рослин доступним азотом (переведення атмосферного молекулярного N2 у доступну для рослин нітратну форму) – одна з важливих функцій Nostoc commune. Це окрім інших видимих і невидимих корисних показників впливу ґрунтових водоростей. Є одне цікаве дослідження: пшениця, оброблена живою культурою цієї водорості, у 5 – 6 разів більше виробляла хлорофілу, тобто в кількараз ефективніше сприймала й використовувала енергію сонця. Це, як автомобіль, що заправлений кращим пальним і швидше їде. У котрому не 100 кінських сил, а 500. Побачите, яким буде поширення цієї технології через 5 – 10 років. 

Читайте також: 

Хлорела вирушила в поле

Морские водоросли могут уменьшить потребление растениями воды и удобрений

Роль почвенных простейших микроорганизмов и нематод