Разработка биоактивных удобрений на основе органических отходов и биотехнологических решений для повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-26-10079

НазваниеРазработка биоактивных удобрений на основе органических отходов и биотехнологических решений для повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур.

Руководитель Галактионова Людмила Вячеславовна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет" , Оренбургская обл

Конкурс №76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-102 - Агрономия

Ключевые слова плодородие, почвы, органические отходы, гумус, микроорганизмы, биологическая активность, культурные растения, урожайность, техногенез.

Код ГРНТИ68.33.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Производство продуктов питания связано с созданием эффективных и устойчивых к внешним воздействиям агропродовольственных систем. Утрата плодородия приводит к снижению урожайности и питательной ценности продуктов. Снижение продовольственной безопасности в мире связывают с развитием процессов истощения почв элементами питания растений и активным загрязнением почвенного покрова в результате добычи полезных ископаемых, интенсификации сельского хозяйства, индустриализации и урбанизации. Так, по оценкам ФАО (2022 год), экономические потери от развития процессов деградации почв будут составлять около 4 трлн долл. США ежегодно, а проблема голода затронула около 3,2 млрд. человек только в 2021 году, а в будущем охватит более двух третей населения мира. Одним из традиционных приемов, направленных на решение проблемы воспроизводства почвенного плодородия, является внесение широкого перечня мелиорантов, применение которых ограничивается требованиями к эффективности и дешевизне производства. Поэтому актуальной задачей стал поиск альтернатив традиционным видам сырья для их производства. Перспективным решением данной проблемы стало использование органических отходов (птицеводства, животноводства, растениеводства, целлюлозно-бумажной промышленности и др.), которые позволяют снизить себестоимость продукции растениеводства. При этом активное использование пищевых отходов в качестве сырья для производства органических удобрений замедляется как несовершенством нормативной базы, так и отсутствием знаний об эффективности их использования в сельском хозяйстве. Методы компостирования и термической сушки используются для переработки органических отходов в удобрения, но комплексный характер процессов деградации, связанный с увеличением объемов поступления тяжелых металлов, определяет необходимость создания научного и практического задела в области восстановления агрономических свойств и детоксикации почв in situ. Существующие методы прямого удаления тяжелых металлов сводятся к использованию дорогостоящих физических и физико-химических методов их извлечения и обязательной выемкой почвенной массы. Поэтому дальнейший прогресс в данной области неразрывно связан с детализацией знаний о ремедиационном потенциале некоторых представителей почвенного микробиома и оптимальных условиях его проявления. Реализация проекта предполагает проведение комплексных исследований по оценке перспективности использования пищевых отходов и ремедиационного потенциала представителей почвенной микрофлоры для повышения плодородия и экологической безопасности продукции растениеводства. Новизна предлагаемой авторами работы связана с использованием органических (в основном пищевых) отходов как основы для создания мелиорантов с в целях воспроизводства агрономических показателей почв, изучением их воздействия на продуктивность растений, использованием ремедиационного потенциала бактерий р. Bacillus для снижения доступности тяжелых металлов в почвах, получением новых знаний о влиянии предложенных подходов на повышение адаптационного потенциала агрокультур к условиям недостаточного атмосферного увлажнения, резко-континентального климата и загрязнения почв тяжелыми металлами. Выполнение проекта будет связано с комплексным характером исследований в полевых условиях и использованием подходов агрономии, почвоведения, физиологии растений, микробиологии и экотоксикологии. Внедрение результатов проекта позволит создать технологический задел для российского сельского хозяйства в области производства мелиорантов нового поколения, обладающих пролонгированным действием, увеличивающих величину урожая и его экологическую безопасность, а также будет способствовать улучшению экологической ситуации за счет утилизации органических отходов и снижению углеродного следа аграрного сектора экономики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. А.Н. Сизенцов, Галактионова Л.В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ШТАММОВ BACILLUS SP. В КАЧЕСТВЕ СТИМУЛЯТОРОВ РОСТА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН, № 2 (год публикации - 2023)
10.24411/2304-9081-2023-12012

2. Сизенцов А.Н., Галактионова Л.В. Влияние солей железа на ростовые характеристики и антагонистическую активность почвенных изолятов Bacillus cereus АгроЭкоИнфо (год публикации - 2023)
10.51419/202136620

3. Л.В. Галактионова, А.Н. Сизенцов, Н.А. Терехова, Д.Г. Федорова Оценка влияния органических удобрений на ростовые и биохимические параметры Lepidium sativum и Raphanus sativus АГРАРНАЯ НАУКА (год публикации - 2023)

4. Федорова Д. Г., Галактионова Л. В. Анализ изменчивости морфометрических и физиологических —показателей зерновых культур при использовании биоудобрения ЗЕРНОВОЕ ХОЗЯЙСТВО РОССИИ (год публикации - 2024)

5. Сизенцов А.Н., Галактионова Л.В., Васина Р.П., Юрнаева В.В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ BACILLUS SP. ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СТРЕССОУСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К БИОТИЧЕСКИМ ФАКТОРАМ: АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР Проблемы региональной экологии (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе выполнения проекта разработаны способы получения органических удобрений на основе пищевых отходов и отходов растениеводства с использованием бактерий, обладающих высоким ремедиационным потенциалом и устойчивых к антибиотикам. Составы биоудобрений характеризовались высоким содержанием элементов питания растений и расширенным спектром влияния на почвенные свойства. В рамках проведенного исследования проанализированы параметры физиолого-адаптационных механизмов аборигенных штаммов Bacillus sp. к тяжелым металлам. Установлена прямая корреляционная зависимость между уровнем загрязнения металлами почв и уровнем резистентности к ним почвенных изолятов. Разработаны методические подходы оценки толерантности и усиления ремедиационных характеристик бактериальных штаммов к химическим соединениям свинца на 8,2 % и кадмия на 3,2 % методами системного пассажирования и селекции на субстратах с содержанием различных концентраций солей тяжелых металлов. Проведена оценка уровня резистентности почвенных изолятов Bacillus sp. к антибактериальным препаратам широкого спектра действия с различными механизмами действия на бактериальные клетки, используемыми в ветеринарии и медицине. Установлены высокие показатели резистентности к химиопрепаратам групп â-лактамных антибиотиков, тетрациклинов, аминогликозидов и рифаксиминов. Экспериментальные данные оценки влияния металлов на уровень антагонизма выделенных почвенных изолятов Bacillus sp. в отношении тест-организмов E. coli, S. enteritidis, P. aeruginosa, P. carotovorum свидетельствуют об усилении антагонистической активности на фоне внесения солей исследуемых металлов, что может быть обусловлено потенцированным действием антибиотикоподобных веществ, выделяемых Bacillus sp. и образованием хелатных металлокомплексов в процессе биосорбции и/или биоаккумуляции (Cu, Zn, Fe) и биопреципитации (Cd, Pb). Было изучено влияние биорганических удобрений на параметры культурных растений и свойства черноземов лесостепной и степной природных зон. По результатам проведенных лабораторных и полевых исследований отмечена схожая динамика снижения общей оводненности и интенсивности транспирации культурных растений в конце периода вегетации. Установлено увеличение водного дефицита растений зерновых культур в фазе молочной спелости и его достоверное снижение в биомассе яровой пшеницы мягкой и ячменя на вариантах с применением биоудобрения по сравнению с контрольными вариантами. Максимальное значение коэффициента парной корреляции выявлено между параметрами содержания диоксида углерода и интенсивностью транспирации у мягкой пшеницы и ячменя. В отношении азота в листьях обнаружено относительное постоянство показателей у образцов с применением биоудобрения. В противоположность им, у контрольных образцов наблюдалась вариативность данного признака. Результаты полевых исследований подтвердили пролонгированное действие биоудобрения на второй год исследований. Отмечен достоверный рост количества фотосинтетических пигментов (хлорофилл а, каротиноидов) на участках с внесением состава относительно контрольных. Динамика изменения ферментативного аппарата, ответственного за отклик растения на стресс-фактор также имеет положительные корреляционные значения. Так активность каталазы в зеленой массе растений возросла практически на 20%, что подтверждает нормализацию условий для роста и развития растений. Концентрация супероксиддисмутазы и малонового диальдегида изменилась обратно пропорционально активности каталазы. Наличие данной зависимости лишь подтверждает факт снижения эффекта, оказываемого присутствием тяжелых металлов в почве. Урожайность, как важный критерий оценки продуктивности агроценоза, имела тенденцию к увеличению значений в первый и второй год исследований. Наибольший прирост урожая из зерновых культур продемонстрировал ячмень яровой, овощных культур – картофель (сорт «Любава») и капуста (сорт «Мегатон»). Показатели качества зерновой продукции имели стабильно высокие значения. В ходе выполнения проекта было отмечено пролонгированное оструктуривающее влияние биоудобрения и стимулирование ферментативной активности почв, а значения содержания элементов питания растений сохраняли тенденцию к повышению и на второй год исследования. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о влиянии биоудобрения на экофизиологические характеристики функционирования микробного сообщества. Внесение биоудобрения достоверно снижает базальное дыхание на участке под посевами ячменя, мягкой и твердой пшеницы. Сравнение полученных данных свидетельствует об увеличении величины БД в почвах фонового варианта, что связано с более высокой интенсивностью минерализации гумуса почв неудобренных участков. А показатель субстрат-индуцированного дыхания почв опытного участка превышал значение такового фонового, что связано со стимулированием почвенной микрофлоры и процессов питания внесением органического мелиоранта. Запас углерода микробной биомассы в последействии удобрения хоть и недостоверно, но превышал таковое по сравнению с фоновых участком. Внесение мелиоранта способствовало снижению процессов минерализации органического вещества почв пашни, что определило сохранение пула почвенного углерода и повышение устойчивости микробного сообщества почв в условиях интенсивного пахотного использования. Отмечено влияние биоудобрения на состав почвенного микробиома. Анализ альфа-разнообразия осуществлялся с помощью индекса Chao1, использование которого позволило обнаружить различия между образцами удобренного и неудобренного участков. При этом многомерный дисперсионный анализ (PERMANOVA) подтвердил, что фактор внесения биоудобрения внес больший вклад в вариабельность микробиома, чем глубина отбора образцов . Способность предложенных составов повышать супрессивность почв по отношению к условно-патогенным и патогенным микроорганизмам, снижать доступность ионов тяжелых металлов, стимулировать рост и развитие растений, улучшать питательный режим и физические свойства открывают широкие возможности по их использованию в сельском хозяйстве. Получение биоудобрений на основе органических отходов сделает возможным осуществлять их переработку в промышленных масштабах и станет альтернативой классическим органическим удобрениям, объемы производства которых снижаются год от года. Результаты данного проекта имеют важное научное значение и научно-практическую ценность для сельского хозяйства, а также будут способствовать поддержанию продовольственной безопасности страны.

Публикации

1. Терехова Н.А., Галактионова Л.В., Бурцева Т.И. Изменение агрохимических свойств почв в условиях загрязнения цинком Агрохимический вестник (год публикации - 2025)

2. Сизенцов А.Н., Галактионова Л.В., Давыдова О.К. Комплексный анализ влияния эссенциальных элементов на бактериальные штаммы Bacillus sp. в модельном эксперименте in vitro Аграрная наука, 2024, 388(11), С. 37–43. (год публикации - 2024)
10.32634/0869-8155-2024-388-11-37-43

3. Федорова Д.Г., Галактионова Л.В. ОСОБЕННОСТИ ВОДНОГО РЕЖИМА И ОЦЕНКА ЖАРОСТОЙКОСТИ ГРУШИ УССУРИЙСКОЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ БИОУДОБРЕНИЙ Вестник КрасГАУ, 2024. № 8. С. 65–72. (год публикации - 2024)
10.36718/1819-4036-2024-8-65-72

4. Терехова Н.А. , Галактионова Л.В. , Бурцева Т.И. ИЗМЕНЕНИЕ БИОТОКСИЧНОСТИ ЧЕРНОЗЕМА, ЗАГРЯЗНЕННОГО ЦИНКОМ, ПРИ ВНЕСЕНИИ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ Вопросы степеведения, 2024. № 1. С. 92-100. (год публикации - 2024)
10.24412/2712-8628-2024-1-92-100

5. Петрова Е.Н., Иванова А.А., Галактионова Л.В. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСТНЫХ ЧАСТИЦ ТИТАНА И МОЛИБДЕНА С ГУМИНОВЫМИ КИСЛОТАМИ НА ВИТАЛЬНЫЕ И МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СЕМЯН ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ МЯГКОЙ МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ, 2024, №25(3), с. 57−59. (год публикации - 2024)
10.19112/2413-6174-2024-25-3-25

6. Галактионова Л.В. ВЛИЯНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ НА СВОЙСТВА СТЕПНЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ ЮЖНОГО УРАЛА Почвы – опора России : тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Казань, 12–16 августа 2024 г.). / Отв. ред.: П.В. Красильников, Н.О. Ковалева, Е.М. Столпникова. – Москва : МАКС Пресс. , 2024. с. 319-321 (год публикации - 2024)

7. Сизенцов А.Н., Галактионова Л.В., Давыдова О.К., Ховрина Т.Д., Крюнькина В.С. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ХЕЛАТОВ ЖЕЛЕЗА НА ОСНОВЕ BACILLUS SP. ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ, МЕДИЦИНСКОЙ И ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, № 11, т.27, 2024, С. 3-10 (год публикации - 2024)
10.29296/25877313-2024-11-00

8. Галактионова Л.В. Сравнительный анализ органических удобрений различного происхождения BIO Web of Conferences (год публикации - 2024)

9. Федорова Д.Г, Галактионова Л.В. Влияние биоудобрения на водный режим, интенсивность фотосинтеза и урожайность зерновых культур в условиях Степного Предуралья Зерновое хозяйство России, Т. 16, №1 (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Возможность практического использования результатов проекта в экономике региона связана с переработкой пищевых отходов и отходов растениеводства в мелиоранты, что позволит: 1. Восстановить агрохимические и агрофизические свойства пахотных почв, повысить плодородие и урожайность культурных растений. 2. Осуществить переработку органических отходов в полезный и экологически безопасный продукт, что может способствовать успешной реализации такого приоритетного направления исследований, актуальных для региона, как разработка технологий переработки и утилизации техногенных образований и отходов. 3. Реализовать мероприятия по защите окружающей среды за счет способности мелиорантов осуществлять восстановление устойчивости почв агроландшафтов к факторам деградации, а также снижать подвижность тяжелых металлов в почве и их накопление в массе урожая. Это будет способствовать повышению экологической безопасности продукции растениеводства. 4. Реализовать на практике способ переработки органических отходов в продукт, использование которого позволит снизить затраты на удобрения и пестициды. Это будет способствовать сокращению расходов и повышению рентабельности сельскохозяйственного производства.