Минеральная вата — самый распространенный  в промышленной гидропонике субстрат, на котором выращиваются овощные, салатные и зеленные культуры, а также цветочные и декоративные растения. Представляет из себя волокна, полученные из расплавленного базальта (1600°С) с добавлением известняка и кокса. Для использования в качестве субстрата к ним добавляют связывающее вещество, которое позволяет создавать однородную плотность сформированных из таких волокон матов. С одной стороны, это предупреждает уплотнение, и полученная продукция сохраняет стабильную форму ваты на протяжении длительного времени, а с другой – повышает ее капиллярные свойства, пористость и влагоемкость. В расплавленном состоянии из смеси скручиваются волокна, которым придается какая-то форма (кубики, пробки, маты, блоки и т. д.).

Выращивание растений на минеральной вате началось с  60-тых годов во многих странах, в том числе и в СССР. Такой субстрат привлёк общее внимание из-за того, что он изначально стерилен. Это обеспечило конкуренцию с принятыми в то время  субстратами на основе почвы или торфа. В Дании в 70-х годах XX века такая  технология была внедрена как основная промышленная. 

Минераловатный субстрат обладает стабильными физическими и гидрологическими характеристиками при эксплуатации. Это позволило внедрить автоматизированное программное управление поливом и микроклиматом в теплицах для непрерывного производства  овощей и цветов круглый год. 

Сейчас этот субстрат производят во многих странах, в том числе и в России. Данный субстрат удобен в применении за счет низкой объемной массы – 80 кг/м³. Его высокая пористость (95-97%) позволяет даже при значительной влагоемкости (80%) иметь достаточно воздуха в корневой зоне. С точки зрения взаимодействия с питательным раствором, минеральная вата в основном нейтральна. Высокая капиллярность минеральной ваты позволяет питательному раствору быстро распределяться по всему объёму материала. За счёт пористой структуры оптимальной плотности и эластичности волокон корни легко прорастают в субстрат и беспрепятственно развиваются по  всему объему.

Однако сохранился недостаток, обусловленный замкнутостью пространства теплицы и монокультурой, - при появлении инфекции (патогенных грибов и бактерий) или вредителей происходит очень быстрое их распространение и возникновение экономических потерь.   

В культивационных сооружениях, несмотря на высокую стабильность биотических и особенно абиотических факторов, создаются благоприятные условия для развития фитопатогенов [1]. Этому способствует, прежде всего, их экологическая концентрация на ограниченном видовом и генетическом наборе возделываемых овощных культур. Отсутствие культурооборота и условий для активного развития сапротрофов с  антагонистическими свойствами является подходящими условиями для беспрепятственного развитие и накопления популяций патогенов и, как следствие, создание высокого инфекционного фона [2]

Отмечается значительное распространение опасных грибных заболеваний за счет накопления инфекции. Грибы являются постоянным и необходимым компонентом экосистем, в том числе и искусственных. Их участие во многом определяет благополучие и сбалансированность экосистемы. При этом любое искусственное вмешательство, вызывающее изменение видового состава и численности грибов, приводит к тому, что освободившуюся нишу заполняют наиболее агрессивные виды [3] 

Содержать стерильность теплицы весь вегетационный цикл (или оборот) практически невозможно. Микроорганизмы наполняют пространство в посадках культур, поступая с семенами, воздухом, удобрениями, на поверхности расходных материалов, транспортных средств и пр. При этом    формирование микробного комплекса  в теплице оказывается  неизбежно непредсказуемым и случайным  по составу, а фунгицидные обработки оказываются существенным селектирующим фактором в пользу патогенов [4,5,6]. 

Патогены вызывают различные нарушения в метаболизме поражаемых растений, в результате чего происходит замедление их роста и развития, нередко заканчивающееся гибелью. По способу питания грибы относятся к гетеротрофам, т.е. им необходимы готовые органические соединения. По образу жизни они могут быть сапротрофами, паразитами или симбиотрофами. При этом в зависимости от фазы развития или условий внешней среды отдельные виды могут менять свой образ жизни. Например, паразит может продолжить свое развитие на погибшем растении-хозяине как сапротроф или гриб-микоризообразователь при ухудшении условий внешней среды может перейти от симбиотрофии к паразитизму [7]. 

Внедрение паразитов в растение происходит через раны, устьица или через неповрежденную поверхность [7]. В месте контакта мицелия патогена с клеткой растения гриб выделяет специфические экзоферменты, подавляющие иммунитет клетки растения, что обеспечивает ему беспрепятственное проникновение в клетку растения. Затем наступает специфический период развития патогена внутри хозяина, в течении которого он может распространятся по сосудам растения и образовывать репродуктивные органы, предназначенные для размножения и поселения на других растениях.

Каждая фаза требует для своего завершения наличия определенного комплекса внешних условий. Если отделение и  рассеивание регулируются главным образом погодными и почвенными условиями, то успешность внедрения, укоренения, роста и размножения патогена зависит, кроме этого, от восприимчивости к нему растения-хозяина[8].

Иммунитет растений в значительной степени связан с их функционально-физиологическими и биохимическими особенностями. Определяющее значение при этом имеют различия растений в содержании углеводов и аминокислотном питании, а также в их способности к образованию защитных метаболитов в ответ на инвазию патогена[8]

Грибы являются гетеротрофными организмами, зависящими для роста от экзогенного углерода, и разные группы грибов используют разные углеродные субстраты. Экссудаты корней растений содержат простые углеродные субстраты, включая первичные метаболиты, такие как сахара, аминокислоты и органические кислоты, в дополнение к разнообразному набору вторичные метаболиты, которые выделяются в ризосферу и окружающую почву. Предыдущие исследования показали, что вторичные метаболиты в корневых выделениях играют решающую роль в специализированных ассоциациях между растениями и отдельными видами почвенных микробов, варьирующихся от мутуалистических до патогенных.

Взаимодействия между растениями и почвенными микробами очень динамичны по своей природе и основаны на коэволюционном давлении. Таким образом, неудивительно, что микробные сообщества ризосферы различаются у разных видов растений, между генотипами внутри вида и между различными стадиями развития данного растения.

Не только симбиотические микоризные, но и другие свободные ризосферные микроорганизмы воздействуют на корневую экссудацию. Ее усиление может происходить за счет дополнительного градиента концентрации органических соединений, направленного от поверхности корня и вызванного трофической активностью микроорганизмов, а также влияния микробных экзометаболитов [9].

Применение фунгицидов, нацеленных на оперативность в регулировании численности популяций фитопатогенов, приводит к гибели или подавлению полезных ризосферных и эпифитных симбионтов, одновременно оказывает мутагенное действие на популяции патогенов, что приводит к появлению резистентных рас возбудителей болезней и вредителей, и негативно влияет на качество овощной продукции. 

Так как известно, что фунгициды уничтожают со 100% гарантией все грибы, которые обитают на поверхностях и тканях листьев, технологических материалах и конструкциях, а все поверхности - это место обитания сапротрофов, в том числе  антагонисты патогенов. В тоже время комплекс фитопатогенных грибов страдает в меньшей степени, из-за того,   часть из них, та которая проникает и живёт в центральных проводящих сосудах, снижает активность после обработки, но не погибает и, со временем (обычно через 15 – 25 дней), восстанавливается и, даже,   повышает фитопатогенную агрессивность при отсутствии антагонистов-конкурентов. При этом возникает потребность в повторных и регулярных обработках [10]

Альтернативный подход предполагает применение микробиологических препаратов. Актуальным направлением в комплексной микробиологической системе защиты растений является разработка приемов повышения супрессивности (свойств, ограничивающих выживаемость и паразитическую активность фитопатогенов и других вредных фитофагов) минераловатных субстратов путем оптимизации технологий применения биологических препаратов. Это может быть достигнуто путем искусственного насыщения высокоэффективными штаммами микробов-антагонистов в составе микробиологических препаратов.

Комплексное применение препаратов, определяемое видовым составом патогенов, элиминирует развитие возбудителей гнилей и бактериозов на 50–96 % [2]. В некоторых научных исследованиях также отмечено, что наряду с целевым защитным эффектом применение биопрепаратов на основе микроорганизмов-антагонистов способствует ускорению ростовых процессов растений, повышению урожайности [11].

Создание эффективной технологии контроля численности популяций фитопатогенов основано, прежде всего, на применении набора высоко активных штаммов-продуцентов биопрепаратов, обладающих хорошими технологическими характеристиками: способных утилизировать дешевые и доступные источники питания, выдерживать разные режимы концентрирования и высушивания, длительно сохранять жизнеспособность и целевую активность в разных препаративных формах.

К наиболее активным микроорганизмам-супрессорам относятся представители бактерий родов Bacillus, Pseudomonas и Streptomyces, а также грибов рода Trichoderma. Микробы-антагонисты не только выделяют антибиотики для подавления конкурирующих за среду обитания фитопатогенов, но также стимулируют рост и развитие растений за счет продуцирования веществ-иммунизаторов, усиливают фиксацию растениями атмосферного азота, растворяют труднодоступные для растений минеральные соединения почвы (в первую очередь фосфаты).

Особенная перспективность бактерий рода Bacillus определяется технологичностью, широкой распространенностью и конкурентоспособностью, устойчивостью к воздействию различных неблагоприятных факторов вследствие образования ими термостабильных эндогенных спор. Грибы рода Trichoderma также считают ответственными за биологический контроль плотности популяций фитопатогенных микромицетов в супрессивных почвах. Эти грибы образуют комплекс антибиотиков и ферментов, способных гидролизовать клеточную стенку фитопатогенов. Кроме этого, встречается явление и прямого паразитирования грибов-антагонистов. [12]

Принципиально новым подходом к формированию устойчивого управляемого биоценоза микроорганизмов в минеральной вате является  комплексное применение препаратов как грибной, так и бактериальной природы для направленного  формирования структуры, количественного и качественного состава микробиоценозов [10, 13]. При создании биотехнологий защиты растений от болезней необходимо учитывать многообразие и сложность экологических связей растительного организма как с фитопатогенными, так  и с полезными микроорганизмами.

Следует отметить, что микробы-антагонисты возбудителей болезней растений существенно отличаются от других групп микроорганизмов, регулирующих численность популяций вредных организмов в агроэкосистемах (в частности, от энтомопатогенных микроорганизмов). В подавляющем большинстве это свободноживущие виды, принадлежащие к разнообразным систематическим и экологофизиологическим группам и широко представленные во всех экологических нишах: почве, ризо- и филлосфере растений. При условии высокой плотности популяций микробы-антагонисты обеспечивают устойчивость экологических связей в микробиоте растения и способны эффективно защищать его от заражения возбудителями болезней разной этиологии.[11]

Микробиологические препараты в настоящее время применяют на разных субстратах. При этом внесение происходит либо путем ручного полива непосредственно в грунт или автоматизированным поливом через капельницы. Последний способ конечно наиболее предпочтителен для агрономов, так как требует меньше ручного труда. И здесь следует отметить, что мало исследований на тему качества внесения биопрепаратов в субстрат из минеральной ваты путем капельного полива. Следует отметить, что данный субстрат состоит из неорганических волокон, из-за чего приживаемость на таком субстрате живых организмов предполагается как  непредсказуемая. Следуя из сказанного можно сделать вывод об исключительной важности данного эксперимента. Тут имеет значение, как и количество биопрепарата, поступающего в субстрат после внесения, так и насколько долго данный препарат будет сохраняться в нём, не требуя повторного внесения или есть необходимость устанавливать сроки повторных внесений. 

Наше исследование проводилось на примере препаратов Глиокладин (гриб Trichoderma harzianum, штамм 18 ВИЗР) и Алирин-Б (бактерия Bacillus subtilis, штамм В-10 ВИЗР), который вносили в субстрат минеральная вата. Препарат Глиокладин внесли 26 марта, препарат Алирин-Б внесли 3 апреля.

21 апреля и 13 мая производили отбор проб субстрата в ризосфере растений. Было отобрано 8 проб с разных растений по всей площади теплицы, при этом с каждого растения отбирали одну пробу из ризосферы растения и одну из глубины субстрата, для определения наличия в субстрате гриба Trichoderma harzianum

Результаты представлены в таблице 1.

 Дополнительно провели анализ на содержание бактерий Bacillus subtilis 

Титр Bacillus subtilis (время отбора проб 21.04.) - 4·10⁷/г.

Титр Bacillus subtilis (время отбора проб 13.05.) - 2·10⁷/г.

Следующий отбор проб проводили 10 июня.

Результаты анализа представлены в Таблице 2.

Титр Bacillus subtilis (время отбора проб 10.06.) - 2·10⁶/г.

Последний отбор проб произвели 5 июля. 

Результаты представлены в Таблице 3.

Титр Bacillus subtilis при отборе проб 5.07. ~ 1·10⁵/г. 

Сводный график изменения титра гриба Trichoderma harzianum и бактерии Bacillus subtilis в субстрате со временем представлен на рисунке 1 и 2.

Таким образом был сделан вывод, что после однократного внесения препарата Глиокладин гриб Trichoderma harzianum может сохраняться в минеральной вате до 4-х месяцев. В течение этого времени сначала происходит увеличение титра гриба Trichoderma harzianum как в ризосфере растений, так и в глубине субстрата, затем наступает стабилизация плотности массы на единицу субстрат и далее наступает постепенное снижение титра.

При внесении препарата Алирин-Б максимальный титр бактерий Bacillus subtilis в субстрате сохраняется до 1 месяца после внесения, затем происходит постепенное снижение концентрации до малозначимых количеств (до уровня встречаемости в природе).

Рекомендация по результатам проведенных исследований:

1. Для поддержания эффективного защитного фона препарата Глиокладин в субстрате из минеральной ваты необходимо проводить повторное внесение этого препарата через 3 месяца после первого внесения;

2. Повторное внесение препарата  Алирин-Б необходимо проводить  через 1 месяц и  продолжать повторные внесения с таким интервалом в течение вегетации культуры.

 

Агроном-консультант ООО «АгроБиоТехнология» Шлыков Д.А.

Заведующий лабораторией фитопатологии ООО «АгроБиоТехнология», к.б.н
Рудаков Валерий Олегович

 

Список использованных источников

1. Великанов, Л. Л. Экологические проблемы защиты растений от болезней / Л. Л. Великанов, И. И. Сидорова // Итоги науки и техники. Серия: Защита растений. – М. : ВИНИТИ, 1988. – Т. 6. – 143 с.

2. Гринько, Н. Н. Аспекты биологического регулирования популяций фитопатогенов овощных культур на малообъемной гидропонике / Н. Н. Гринько, В. М. Родигин, В. И. Сидляревич // Ахова раслiн. – 2000. – № 3. – С. 16–17.

3. Великанов, Л.Л. Экологические проблемы защиты растений от болезней / Л.Л. Великанов, И.И. Сидорова. // Итоги науки и техники: серия защита растений. – М.: ВИНИТИ, 1988. – 143 с.

4. Рудаков О.Л. – Функциональная структура  консорций грибов.// «Изучение грибов в биогеоценозах», Пермь, 1988;

5. Рудаков О.Л. – Трансформация микоценозов пестицидами.// «Микроб. методы защ. окружающей среды», Пущино, 1988, стр.112;

6. Рудаков О.Л. – Селектирующее влияние фунгицидов на грибы филлопланы пшеницы.// Микол. и фитопатол., 1987, 21, №4, стр. 369-374; Рудаков О.Л., Рудаков В.О.

7. Рябинков В. А. Экологические проблемы при защите посадочного материала от грибных болезней и пути их решения

8. Дьяков, Ю.Т. Общая и молекулярная фитопато- логия: учеб. пособие / Ю.Т. Дьяков, О.Л. Озерец- ковская, В.Г. Джавахия и др. – М.: Общество фи- топатологов, 2001. – 302 с.

9. Broeckling C.D. Root exudates regulate soil fungal community composition and diversity / Broeckling C.D., Broz A.K., Bergelson J., Manter D.K., Vivanco J.M. // Applied and Environmental Microbiology – 2008. – Т. 74 – № 3 – С.738–744.

10. Рудаков В.О. – Витаплан, СП – Элемент экологически ориентированной системы сельского хозяйства// Агропромышленая газета Юга Руси, № 27 - 28 (326 - 327).- 2013

11. Войтка Д.В. Оптимизированная технология интродукции микробиоагентов для повышения супрессивности минераловатных субстратов при выращивании огурца. Овощеводство. 2021;29:15-22.

12. Новикова И.И. и др./ Биологическое обоснование оптимизации препаративных форм биопрепаратов на основе микробовантагонистов для контроля популяций фитопатогенных грибов и бактерий – возбудителей болезней растений // Вестник защиты растений 3(93) – 2017, с. 16–23.

13. Последствия термического обеззараживания семян огурца// Приложение, Ж-л, «Агро XXI», №7, 2005; Рудаков В.О. – Применение биопрепаратов в комплексе с профилактическими мероприятиями – адекватная альтернатива химическому методу защиты растений// Защита растений в тепличном хозяйстве. Приложение №3/2007, стр. 1-2;