Бактериальные удобрения

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение                                                                                                 3

 

1.Производство бактериальных удобрений                                        4

 

1.1Почвенный нитрагин                                                               5                     

 

1.2Сухой нитрагин                                                                        5

 

2. Процесс приготовления  бактериального удобрения                      6

 

 

Заключение                                                                                             9

 

Литература                                                                                             10

 

 

 

 

 

Введение

В настоящее время во всем мире наблюдается значительный рост сельскохозяйственной отрасли. Это  связано с рядом достаточно разнообразных  факторов, среди которых:

• Постепенное истощение природных ресурсов и энергоносителей (газ, нефть и пр.), а, следовательно, требуются новые виды сырья, в качестве которого себя прекрасно зарекомендовало сырье растительного происхождения - биогаз, биотопливо, спирт на растительной основе.
• Глобальное увлечение человека здоровым образом жизни, которое, в том числе, подразумевает употребление в пищу натуральных продуктов, не содержащих консервантов, химических добавок и т.д.
• В мире наблюдается тенденция возвращения человека к ведению натурального хозяйства. Человек стремится к отдалению от города, самодостаточности и полному обеспечению себя продуктами собственного труда.

Одним из наиболее актуальных применений биотехнологии в данной области является производство различных  видов бактериальных удобрений, поскольку микрофлора почвы оказывает  непосредственное влияние на её плодородие и, как следствие, на урожайность  растений. Почвенные микроорганизмы в процессе роста улучшают структуру  почвы, накапливают в ней питательные  вещества, минерализуют различные органические соединения, превращая их в легко  усвояемые растением компоненты питания. Для стимуляции этих процессов  применяют различные бактериальные  удобрения, обогащающие ризосферу  растений полезными микроорганизмами. Микроорганизмы, используемые для производства бактериальных препаратов, способствуют снабжению растений не только элементами минерального питания, но и физиологически активными веществами (фитогормонами, витаминами и др.). В настоящее  время наибольшее распространение  в сельском хозяйстве получили такие  бактериальные удобрения, как нитрагин, ризоторфин, азотобактерин, фосфобактерин. Их практическая применимость и существенная эффективность не оставляют сомнений, что подтверждается многочисленными  научными исследованиями, например работой  группы ученых МСХА им. Тимирязева под  руководством А.Н. Постникова, исследовавших  влияние биологических препаратов на рост и урожайность картофеля  в средней полосе России. Выводы, сделаные этой группой, приведены в  заключительной части данной работы. К настоящему моменту доказано, что  применение бактериальных удобрений  не только способствует повышению урожайности  ценных культур, но и значительно  снижает нагрузку на окружающую среду  со стороны химических соединений —  минеральных удобрений и средств  защиты растений, что позволяет более  эффективно использовать ограниченные земельные ресурсы, затрачивать  меньше усилий на их восстановление.

Технология изготовления бактериальных удобрений является достаточно простой с точки зрения биотехнологии и с точки зрения аппаратного оснащения процесса, что также повышает ее экономическую  ценность. В следующей главе будут  подробно рассмотрены процессы изготовления наиболее распространенных и широко используемых биопрепаратов.

 

 

 

 

 

 

 

1.Производство бактериальных удобрений

 

Отечественная промышленность выпускает два вида препаратов клубеньковых бактерий: нитрагин и ризоторфин. Оба  препарата производятся на основе активных жизнеспособных клубеньковых бактерий из рода Rhizobium. Эти бактерии в симбиозе с бобовыми культурами способны фиксировать свободный азот атмосферы, превращая его в соединения, легкоусвояемые растением.

Бактерии рода Rhizobium - строгие аэробы. Среди них различают активные, малоактивные и неактивные культуры. Критерием активности клубеньковых бактерий служит их способность в симбиозе с бобовым растением фиксировать атмосферный азот и использовать его в виде соединений для корневого питания растений.

Фиксация атмосферного азота возможна только в клубеньках, образующихся на корнях растений. Возникают  они при инфицировании корневой системы бактериями из рода Rhizobium. Заражение корневой системы происходит через молодые корневые волоски. После внедрения бактерии прорастают внутри них до самого основания в виде инфекционной нити. Выросшие нити проникают сквозь стенки эпидермиса в кору корня, разветвляются и распределяются по клетками коры. При этом индуцируется деление клеток хозяина и разрастание тканей. В месте локализации бактерий на корне растения-хозяина образуются клубеньки, в которых бактерии быстро размножаются и располагаются по отдельности или группами в цитоплазме растительных клеток. Сами бактериальные клетки увеличиваются в несколько раз и меняют окраску. Если клубеньки имеют красноватую или розовую окраску, обусловленную наличием пигмента легоглобина (леггемоглобина) - аналог гемоглобина крови животных, то они способны фиксировать молекулярный азот. Неокрашенные ("пустые") или имеющие зеленоватую окраску клубеньки не фиксируют азот.

Бактерии, находящиеся в  клубеньках, синтезируют ферментную систему с нитрогеназной активностью, восстанавливающую молекулярный азот до аммиака. Ассимиляция аммиака  происходит, в основном, путем вовлечения его в ряд ферментативных превращений, приводящих к образованию глутамина  и глутаминовой кислоты, идущих в  дальнейшем на биосинтез белка.

Помимо критерия активности в характеристике клубеньковых бактерий используют критерий вирулентности. Он характеризует способность микроорганизма вступать в симбиоз с бобовым  растением, то есть проникать через  корневые волоски внутрь корня и  вызывать образование клубеньков. Большое  значение имеет скорость такого проникновения. В симбиотическом комплексе растение - Rhizobium бактерии обеспечиваются питательными веществами, а сами снабжают растение азотистым питанием. С вирулентностью связана и видовая избирательность, которая характеризует способность данного вида бактерий к симбиозу с определенным видом бобового растения. Классификация различных видов Rhizobium учитывает растение-хозяина, например: Rhizobium phaseoli - для фасоли, Rhizobium lupini - для люпина, сараделлы и т.д. Вирулентность и видоспецифичность взаимосвязаны и не являются постоянными свойствами штамма.

Задачей производства бактериальных  удобрения является максимальное накопление жизнеспособных клеток, сохранение их жизнеспособности на всех стадиях технологического процесса, приготовление на их основе готовых форм препарата с сохранением  активности в течение гарантийного срока хранения.

Отечественная промышленность выпускает два вида нитрагина: почвенный  и сухой.

 

 

 

1.1Почвенный нитрагин

 Впервые культура  клубеньковых бактерий на почвенном  субстрате была приготовлена  в 1911 году на бактериально-агрономической  станции в Москве. В настоящее  время его производство имеет  ограниченное значение, так как  технология довольно сложна и  трудоёмка при выполнении отдельных  операций. Более перспективна технология  производства сухого нитрагина.

Почвенный нитрагин представляет собой активную культуру , размноженную на твердой питательной среде, и содержат в 1 г не менее 50 млн. жизнеспособных клеток. Для их приготовления берут плодородную почву или разлагающийся торф с нейтральной реакцией среды. К просеянному субстрату добавляют 2% извести и 0.1% суперфосфата. По 500 г полученной смеси переносят в бутыли емкостью по 0.5 л, увлажняют на 40-60% по объему водой, закрывают ватными пробками и стерилизуют. Посевной материал готовят на агаровых средах, содержащих 2% сахарозы и минеральные соли. Когда агар полностью покрывается слизистой массой коричневого цвета, полученный материал стерильно смывается дистиллированной водой и переносится на приготовленный субстрат. Содержимое бутылок тщательно перемешивают и термостатируют при 25-27оС. Культивирование продолжают до тех пор, пока бактерии не размножатся до необходимого количества. Полученный препарат сохраняет свою активность в течение 2-3 месяцев.

 

1.2Сухой нитрагин

Сухой нитрагин - порошок  светло-серого цвета, содержащий в 1 г не менее 9 млрд. жизнеспособных бактерий в смеси с наполнителем. Влажность не превышает 5-7%. Промышленное производство имеет типичную схему. Необходимо отметить, что важно подбирать штаммы, устойчивые к высушиванию. Для производства посевного материала исходную культуру клубеньковых бактерий выращивают на агаризованной среде, содержащей отвар бобовых семян, 2% агара и 1% сахарозы, затем культуру размножают в колбах на жидкой питательной среде в течение 1-2 суток при 28-30^оС и рН 6.5-7.5. На всех этапах промышленного культивирования применяют питательную среду, включающую такие компоненты, как меласса, кукурузный экстракт, минеральные соли в виде сульфатов аммония и магния, мел, хлорид натрия и двузамещенный фосфат калия. Основная ферментация идет при тех же условиях в течение 2-3 суток. Готовую культуральную жидкость сепарируют, получается биомасса в виде пасты с влажностью 70-80%. Пасту смешивают с защитной средой, содержащей тиомочевину и мелассу (1:20) и направляют на высушивание. Сушат путем сублимации (в вакуум-сушильных шкафах). Высушенную биомассу размалывают. Производительнее высушивание в распылительных сушках, но при этом 75% клеток теряют жизнеспособность. Препараты сухого нитрагина фасуют и герметизируют в полиэтиленовые пакеты по 0.2 - 1 кг, хранят при температуре 15^оС не более 6 месяцев. Семена опудривают перед посевом. Внесение нитрагина повышает урожайность в среднем на 15-25%.

 

 

 

2. Процесс приготовления  бактериального удобрения

 

 

Рассмотрим процесс приготовления  бактериального удобрения более  подробно. Весь цикл состоит из 5 этапов, каждый из которых, в свою очередь, подразделяется на несколько шагов:

 

Схема процесса производства бактериальных удобрений в общем  виде

 

1. Приготовление инокулята:

1) Подбор штамма бактерий, обладающего требуемыми свойствами (достаточная скорость роста,  обязательно устойчивость к сухим  условиям, и ряд свойств, необходимых  для конечного продукта)

2. Засев на твердую питательную среду. Производится в лабораторных
3. условиях при соблюдении стерильности. Требуется для первоначального наращивания биомассы.

4) Пересев на жидкую  питательную среду. Также проводится  в лабораторных условиях. Необходим  для получения количества биомассы, достаточного для помещения в  ферментер большого объема.

2. Приготовление среды:

Этот процесс идет параллельно  с приготовлением инокулята, питательная  среда также используется для  предварительного наращивания биомассы бактерий. Состав среды подбирается  индивидуально для каждого вида бактерий. Для увеличения эффективности  процесса ферментации зачастую требуется  достаточно трудоемкий предварительный  этап подбора оптимального состава  питательной среды.

1) Подбор оптимального  состава питательной среды, если  требуется (при модернизации производства, при использовании нового штамма  бактерий и т.д.).

2) Приготовление требуемого  количества среды.

3) Стерилизация среды.

3. Ферментация:

Процесс ферментации проводится как правило глубинными методами в таре, предназначенной для конечного  продукта, в помещениях, обеспеченных оптимальными для процесса условиями; реже — в ферментерах. Условия  культивирования строго асептические, температурный режим как правило 26-30°С, pH среды нейтральная (6,5 — 7,5). Продолжительность культивирования зависит от требуемого количества биомассы, вида микроорганизма и других условий, в общем подбирается экспериментальным путем.

Ферментёр-аппарат для глубинного выращивания (культивирования) микроорганизмов в питательной среде в условиях стерильности, интенсивного перемешивания, непрерывного продувания стерильным воздухом и постоянной температуры. Ферментер представляет собой герметичный цилиндрический сосуд – корпус, снабженный барботером для подачи стерильного воздуха и мешалкой с электроприводом. Внутри ферментера вдоль его корпуса и перпендикулярно к нему закрепляют узкие металлические полосы – отбойники для повышения эффективности перемешивания. Объём ферментеров, предназначенных для лабораторных исследований, чаще до 30 л, для полузаводских экспериментов – 0,05–5 м³, промышленного использования – 50–100 м³. Лабораторные ферментеры могут изготовляться из термостойкого стекла (их стерилизуют в автоклавах), ферментеры больших размеров – из нержавеющей стали (они имеют паровую рубашку для стерилизации и поддержания температуры). Ферментеры, как правило, оборудуются устройствами для измерения и регулирования температуры, количества продуваемого воздуха и давления внутри ферментера. В случае необходимости ферментер дополнительно снабжается устройствами для измерения и регулирования pH среды, концентрации растворённого кислорода в культуральной жидкости, углекислого газа в выходящем воздухе, сигнализатором уровня пены и приспособлениями для механического или химического пеногашения. При непрерывном процессе культивирования микроорганизмов ферментер дополнительно оборудуются стерилизуемыми резервуарами для хранения компонентов питательной среды и насосами для их непрерывной подачи в ферментер.

Ферментёр: 1 — корпус; 2 —  паровая рубашка; 3 — барботёр; 4 —  мешалка; 5 — отбойник; 6 — электропривод; 7 — загрузочный люк.

 

 

 

 

 

4. Сушка:

Существует несколько  методов сушки, применяемых в  производстве бактериальных удобрений  — сублимационная сушка, применение распылительных, ленточных и др. сушилок. Выбор метода сушки и  условий процесса (температурный  режим, требуемая остаточная влажность) определяются, исходя из эксплуатационных требований получаемого удобрения  и того, какие микроорганизмы взяты  для производства.

5. Фасовка и выпуск продукта:

Зачастую, стадия фасовки  готового удобрения мало выделяется среди предшествующих стадий производства. Это связано с тем, что во многих случаях культивирование микроорганизмов  производится непосредственно в  товарной упаковке (например, ризоторфин — в ПЭ пакетах (предварительно в  них расфасована подготовленная среда - торф), азотобактерин — в  стеклянных бутылях и т.д.). Во многом это связано с тем, что срок хранения готового продукта очень недолог, поэтому экономически наиболее приемлема  скорейшая его реализация. В других случаях производится сортировка, отбор, фасовка и упаковка готового продукта, для чего может потребоваться  введение отдельной производственной линии.