Микроводоросль Сhlorella vulgaris Beijer – высокопродуктивный штамм для сельского хозяйства
ART 85316
В.
А. ЛукьяновБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Лукьянов
В.
А.,
Стифеев
А.
И.,
Горбунова
С.
Ю. Микроводоросль Сhlorella vulgaris Beijer – высокопродуктивный штамм для сельского хозяйства // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2015. – Т. 13. – С.
1576–1580. – URL:
http://e-koncept.ru/2015/85316.htm.
Аннотация. Одноклеточные фотосинтезирующие организмы играют важнейшую роль в образовании органических соединений и кислорода на Земле, имеющие особое экологическое значение. Среди этих форм заметное место занимают микроводоросли и цианобактерии, ведущие автотрофный тип питания и встречающиеся в водоемах, почве, горячих и гиперсоленых источниках, в воздухе, вершинах гор и на дне океанов. Практический интерес к таким организмам связан с уникальными потенциальными возможностями их использования как продуцентов ценных метаболитов, витаминов и ряда других органических соединений, необходимых для многих секторов экономики. Представлены материалы исследований, связанные с применением зеленой микроводоросли Сhlorella vulgaris Beijer в агропромышленном комплексе. Проанализированы основные проблемы, сдерживающие развитие массового производства фотосинтезирующих организмов, и определены подходы к их решению.
Ключевые слова:
агропромышленный комплекс, экология, микроводоросли, гумус, одноклеточные фотосинтезирующие организмы, микробиологическая активность
Текст статьи
Лукьянов Вячеслав Анатольевич,аспиранткафедры экологии, садоводства и защиты растенийФГБОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия», г.Курск, email: lukyanov27@mail.ru
Стифеев Анатолий Иванович,доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры экологии, садоводства и защиты растений ФГБОУ ВПО «ФГБОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия», г.Курск
Горбунова Светлана Юрьевна,Кандидат биол. наук, младший научный сотрудникИнститутабиологии Южных морей им. О.А.Ковалевского, г.Севастополь
Микроводоросль СhlorellavulgarisBeijer–высокопродуктивныйштамм для сельского хозяйства
Аннотация.Одноклеточные фотосинтезирующие организмы играют важнейшую роль в образовании органических соединений и кислорода на Земле,имеющие особоеэкологическое значение.Среди этих форм заметное место занимают микроводоросли и цианобактерии, ведущие автотрофный тип питания и встречающиеся в водоемах, почве, горячих и гиперсоленых источниках, в воздухе, вершинах гор и на дне океанов. Практический интерес к таким организмам связан с уникальными потенциальными возможностями их использования как продуцентов ценных метаболитов, витаминов и ряда других органический соединений, необходимых для многих секторов экономики.Представлены материалы исследований, связанные с применением зеленой микроводоросли Сhlorella vulgaris Beijer в агропромышленном комплексе. Проанализированы основные проблемы, сдерживающие развитие массового производства фотосинтезирующих организмов и определены подходы к их решению.Ключевые слова:экология, одноклеточные фотосинтезирующие организмы, микроводоросли,агропромышленный комплекс, микробиологическая активность, гумус.
Биотехнология микроводорослей, возникнувшая немногим более 40 лет назад, за короткий срок утвердилась как реально существующая область промышленного производства, приобретающая всё больший весв экономике многих стран мира [2].В отличие от гетеротрофных микроорганизмов, нуждающихся для роста в различных органических соединениях, одноклеточные фотосинтезирующие организмы синтезируют биомассу из полностью окисленных неорганических веществи минеральных элементов за счет световой энергии, преобразуемой в процессе фотосинтеза.Кроме того, технологии индустриального производства биомассы микроводорослей и цианобактерий не загрязняют окружающую среду, используют углекислый газ, выделяя при этом кислород, расходуют относительно небольшое количество водыи могут занимать непригодные для возделывания сельскохозяйственных культур земельные ресурсы.Микроводоросль Сhlorella vulgaris Beijerявляются богатейшим источником простейших белков (около 50 %), макрои микроэлементов, витаминов, аминокислот, анитиоксидантов и онкопротекторов. Она используетсяв медицине, пищевой промышленности, в очищении водоемов от загрязняющих веществ, сельском хозяйстве, которая при самых благоприятных условияхспособна увеличить свою биомассу в 32 раза за 1 жизненный цикл.Высокий спрос на биомассу микроводорослей испытывает сельское хозяйство. Результаты наших исследований показали, что включение в рацион молодняка телят и бычков Chlorella vulgaris Beijerпозволяет увеличитьсреднесуточные привесы на 1540%, но с соблюдением определенного режима культивирования, а также промывки биомассы чистой водой. Кроме того, животные,потребляющие микроводоросль,отличались повышенным иммунитетом, они выздоравливали без использования ветеринарных препаратовза более короткий срок.Высокая биологическая эффективность микроводорослей обусловлена их ценным биохимическим составом, включающий до 50% белка, 30 % углеводов, до 10% макрои микроэлементы, витамины группы А, В, В6, В12, С, Е, РР, незаменимые аминокислоты, жирные кислоты и другие биологически активные вещества в легкоусвояемой форме.За период 20.10.2014 по 19.11.2014опытной группевтечение 30 дней дополнительно к основному рациону добавляли кормовую лечебнопрофилактическую добавку на основе микроводоросли хлореллы в норме 60мл на 1голову в сутки, выращенную на модифицированной среде Тамия. Прирост живого веса учитывали взвешиванием по окончанию периода выпойки(таблица 1).Таблица 1Динамика привесов телят, 2014г.
№п/пИнвент. №Живая масса на начало опыта, кгЖивая масса по окончанию опыта№п/пИнвент. №Живая масса на начало опыта, кгЖивая масса по окончанию опытаКонтрольная группа
Опытная группа1287254641287044582286957662286879643286555683286745604286446544286656725286051605286343586285344536286249657285249587286151688284853648288950679284551629285838561028444251102857476411284374851128567186122842899812285594108132840728413285464781428378797142851901061528367583152850698616283591102162849708317283383951728478210218283287961828468499192830829019284165842028289310120283994111Общая масса13351531Общая масса12551575Среднее66,876,6Среднее62,878,8Среднесуточный привес, кг = 0,327Среднесуточный привес, кг = 0,533Среднесуточный привес, % = 0Среднесуточный привес, % = 38,7
В ходе проведения исследований было установлено, что опытная группа имела больший среднесуточный привес (533 г/сутки) по сравнению с контрольной (327 г/сутки), что на 38,7% выше контрольной группы. В опытной группе отмечено лучшее физиологическое состояние, которое выражалось в лучшей усвояемости кормов основного рациона, усилением бродильных процессов, выведением токсичных веществ естественным путем и повышением иммунитета телят.Влияние штамма Chlorella vulgaris Beijerзависит от основного рациона животных и эффективность может снижаться до 1520%. Однако, в ранее проведенных исследованиях более чем в 30 предприятий с различной кормовой базой среднесуточные привесы были не менее 15%. Расчет экономической эффективности показал, что применение кормовой лечебнопрофилактической добавки вышеуказанного штаммаспособствует повышению чистого дохода и уровня рентабельности.Проведение исследований [3,4] за период 20122015гг. в условиях ЦентральноЧерноземного региона показали, что данный штамм имеет высокий потенциал для почвоведения и растениеводства. Его использование позволяет улучшить экологическое состояние почв, повысить плодородие почв, микробиологическую активность и урожайность сельскохозяйственных культур.Являясь постоянной и характерной составной частью живого микромира почв, Сhlorella vulgaris Beijerразвивается в непрерывном и разнообразном взаимодействии с почвенными микроорганизмами и высшими растениями.Она оказывает непосредственное влияние на жизнедеятельность населяющих почву микроорганизмов. Ее органическое вещество отличается легкойусвояемостью и дает высокий энергетический эффект, благодаря чему его используют многие гетеротрофные микроорганизмы почвы. Сущность взаимодействия бактерий и микроводорослей состоит в том, что микроводоросли снабжают гетеротрофные организмы энергетическим материалом. Среди выделений микроводорослей обнаружены витамины, ауксины и многие внеклеточные ферменты, влияющие также и на развитие бактерий (таблица 2).Таблица 2Общий микробиологический анализтемносерой лесной почвы с применением микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer, 2015 г.
ВариантыМПА,млн./1г почвыКАА,млн./1г почвыСреда Чапека, млн./1г почвыОбщееколво микроорг., млн./1г почвы1.Контроль3,5448,0531,69113,2882.Chlorella vulgaris5,48911,0610,81917,369примечание: МПАмясопептонный агар; КАА –крахмалоаммиачный агар.
Для учета численности микроорганизмов, использующих органические формы азота, использовали мясопептонный агар. На контрольном варианте их численность составила 3,544 млн./г абсолютно сухой почвы, что на 1,945 млн. меньше, чем на варианте с применением микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer. Для учета численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, использовали крахмалоаммиачный агар. Контрольный вариант по содержанию данных микроорганизмов был самый низкий и составил 8,053 млн./г АСП.Среду Чапека использовали для учета численности почвенных грибов. Максимальное их количество было только на контрольном варианте и составило 1,691млн./г АСП. Предполагается, что это связано с тем, что в почве присутствуют и патогенные виды грибов, численность которых микроводоросли способны снижать, выделяя в процессе своего развития антибиотические соединения.Микроводоросли, в частности Chlorella vulgaris Beijerобогащают почву макрои микроэлементами, являются продуцентами антибиотически активных веществ, которые благоприятно влияют на рост и развитие высших растений. Имеются различные способы внесения микроводорослей в почву. Многократные опыты показали, что их внесение возможно по разным фазам развития растений[1]. После внесения они продолжают свой рост, где их биомасса увеличивается до 1050 раз.Весьма эффективно вносить микроводоросли в весенний и осеннезимний период. При наступлении биологической зрелости почв, особенно после дождей и полива, микроводоросли начинают очень бурно развиваться. Дополнительнорекомендуетсявносить минеральные и органические удобрения (куриный помет, навоз, компосты) для более высокого накопления их биомассы.Кроме активного деления в почве, они способны усваиваться корневой системой растения вместе с почвенной влагой, что дополнительно стимулирует к интенсивному росту и накоплению урожая.Так, по данным авторов [5], микроводоросли увеличивали урожайность зерна ячменя в микрополевомэксперименте на темносерых лесных почвах по вариантам опыта. Работы проводились на территории учебноопытного хозяйства «Знаменское» Курской ГСХА(таблица 3).Таблица 3Биологическая урожайность и элементы структуры ярового ячменя с применением Chlorella vulgaris Beijer, 2014г.
На варианте, где использовали продуктивный штамм микроводоросли Chlorella vulgaris Beijerбыл отмечен более активный рост, развитие и увеличение урожайностинадземной массы и зерна ячменя. С применением микроводоросли масса снопа с корневой системой была выше контрольного варианта на 176г. Количество продуктивных стеблей увеличивалось с 304 до 368 шт/м2, при этом биологическая урожайность была выше контрольного варианта на 1,06 т/га.Учеными [6]на сероземных почвах установлено увеличение гуминовых кислот. При альголизации почв микроводорослями происходит бурное развитие микробиологических и биохимических процессов. В результате образуются легкодоступные гумусовые вещества. Это в большей части гидролизуемые формы, более подвижные, легко усваивающиеся микроорганизмамии высшими растениями.
Результаты проведенных исследований (таблица 4, 5) на темно серых лесных почвах в условиях Центрально Черноземного региона подтвердили результаты ранее проведенных исследований других авторов. Внесение в почву микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer изменяло содержание гумуса, общего углерода и уменьшало нерастворимый остаток гумуса[5].
Вариант опыта1.Контроль2.Chlorella vulgaris BeijerМасса растений с корневой системой, г/м2468644Число стеблей,
шт/м2общее389447продуктивных304368Длина стебля, см5457Длина колоса, см6,46,8Колво зерен в колосе, шт.18,619,2Масса 1000 семян, г48,253,7Биологическаяурожайность, т/ганадземная масса4,686,44зерна2,733,79Таблица 4Фракционныйсостав гумуса темносерой лесной почвы при возделывании яровой пшеницы, среднее за 20142015гг.
Величина суммы фракций гуминовых кислот увеличиваласьотносительно контрольного варианта с 49,23 до 49,32. Фракции фульвокислотувеличивались с 27,16 до 34,20. Из полученных данных весьма заметно, что микроводоросль Chlorella vulgaris Beijerувеличиваетсумму фракций гуминовых и фульвокислот.Таблица 5Степень гумификации органическоговещества, среднее за 20142015гг.
Содержание гумуса на опытных вариантах низкое и находится в пределах 2,722,74%. Сумма фракций ГК и ФК была минимальной на контрольном варианте 76,40 и достигала своего максимума с применением зеленой микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer–83,53. Сумма фракций, как видно из полученных в таблице 3 данных в прямой зависимости коррелирует с содержанием общего углерода по вариантам опыта.Величина нерастворимого остатка гумусахарактеризует прочность закрепления гумусовых веществ с глинистой фракцией или слабую степень гумификации органического вещества. На контрольном варианте данная величина составила 23,6%, на вариантес применением микроводорослизакрепление гумусовых вещества снижалось и, теоретически, они имели более высокую степень гумификации органического вещества(16,47%). Воспроизводство гумуса зависит от совокупности почвенноклиматических условий и применяемых агротехнических приемов, при взаимодействии которых могут преобладать либо процессы распада, либо образования гумуса, что в конечном итоге и определяет его запасы в почвах. Поэтому, для поддержания бездефицитного баланса гумуса необходимо стремиться к максимальному применению органических удобрений и всех возможных дополнительных источников органического вещества, где роль микроводорослей особенно актуальна в современных условиях.Важнейшим показателем хозяйственной деятельности любого предприятия является экономическая эффективность. В растениеводстве она проявляется в увеличении урожайности, повышении качества продукции, что, в конечном счете, увеличивает цену ее реализации.
Варианты опытаОбщий Сорг. в почве, %Фракции ГК123Сумма1.Контроль(серая лесная почва)1,5810,1329,619,4949,232.
Chlorella vulgaris Beijer1,59
11,4627,909,9649,32Фракции ФК
1а123Сумма1.Контроль(серая лесная почва)5,0513,484,354,2827,162.Chlorella vulgaris Beijer5,1414,667,347,0634,20Варианты опытаСумма фракцийГК и ФКНерастворимый остаток гумуса, %ГК/ФКЕсгк1+гк2, мг/мл(λ=430нм)Гумус, %1.Контроль(серая лесная почва)76,4023,601,8120,662,722.Chlorellavulgaris83,5316,471,4420,982,74Расчет экономической эффективности показал, что микроводоросль Chlorella vulgaris Beijerцелесообразно вносить в почву перед выпадением осадков совместно с питательной средой для их роста в почве. Отличительной особенностью является и тот факт, что фотосинтезирующие организмы повышают не только урожайность, но и микробиологическую активность, и что самое главное, почвенное плодородие (таблица 6). Расчет представлен с той особенностью, что на нашем предприятии установлено оборудование для производства биомассы микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer, позволяющееснизить материальные затраты.Таблица 6 Экономическая эффективность внесения живой культуры в почву при возделывании ячменя по вариантам микрополевого опыта (расчет на 1га), среднее за 3 годаПоказатели экономической эффективности1.Контроль2.Chlorella vulgaris BeijerУрожайность зерна ячменя, т/га2,733,79Стоимость продукции, руб.16380,022740,Производственные затраты, руб.11917,012623,0Чистый доход, руб.4463,610117,0Себестоимость 1т зерна, руб.4365,22669,4Уровень рентабельности, %37,4680,15
Несмотря на более высокие производственные затраты по сравнению с контрольным вариантом, выход зерна по вариантам опыта с применением микроводорослей полностью себя окупает. Так, на контроле чистый доход составил 4463,6 руб., что на 5653,4 руб. меньше варианта с применением Chlorella vulgaris. Таким образом, с использованием стандартных параметров культивирования, применение фотосинтезирующих организмов вполне выгодно и позволяет, в среднем, получить чистый доход с 1га выше на 50% по сравнению с контрольной технологией возделывания ячменя.Для того, чтобы снизить производственные затраты на культивирование микроводорослей необходимо использовать солнечное освещение и продавать не биомассу микроводорослей, а биореакторы для их производства.
МикроводоросльChlorella vulgaris Beijerиграет особо важную роль в утилизации сточныхвод.Культивирование микроводорослей на сточных водах, с одной стороны, позволяет осуществлять биологическую очистку воды, с другой стороны –получать дешевую биомассу, богатую белками, витаминами и др. биологически активными веществами. В таблице 7 приведены сравнительные данные о продуктивности микроводоросли на стандартной питательной среде и сточными водами птицефабрики.Таблица 7
Кинетические характеристики роста культуры Chlorella vulgaris Beijer
на сточных водах птицефабрики, 2013г.
Варианты экспериментаμm, сут1Pm, г АСВ/сутB0, г/лBm, г/л1. Chlorella vulgaris(стандартная питательная среда)0,330,58±0,050,414,2±0,423. Chlorella vulgaris(сточные воды)0,632,54±0,250,4112,00±1,19Обозначения: μm− удельная скорость роста; В0− начальная плотность культуры; Bm− максимальная плотность культуры (урожай).
Анализируя рассчитанные характеристики роста Chlorella vulgaris Beijer, следует отметить явное преимущество сточных вод по всем параметрамнад стандартной питательнойсредой (продуктивность культиватора №2 выше №1 в 5 раз или на 437%). Проведенные экспериментальные исследования показали, что использование ассимиляционных свойств микроводорослиChlorella vulgaris Beijerпозволяет утилизировать отходы птицефабрик, которые накапливаются и наносят ущерб экосистеме, и таким образом, осуществить мелиорацию водной среды, а также значительно снизить затраты на приготовление питательных сред для интенсивного выращивания микроводорослей.В таблице 8приведен расчет стоимости биомассы микроводорослей на стандартной минеральной среде и органическими отходами.Таблица 8
Себестоимость фотосинтезирующих организмов в расчете получения сырой биомассы с 1000л питательной среды, руб.
ВариантыМинеральное питаниеЭлектроэнергияВодаСО2Итого:Стандартные параметры культивированияChlorella vulgaris 4963485402504271Acutodesmus obliquus4963485402504271Anabaena sphaerica283485402503803Nostoc punctiforme163348540
3688Ресурсосберегающие параметры культивирования*Chlorella vulgaris
40250290Acutodesmus obliquus
40250290Anabaena sphaerica
40250290Nostoc punctiforme
40
40* взамен минеральному питанию используются отходы АПК, взамен естественному освещению используется естественный свет.
Таким образом, учитывая высокие продукционные возможности микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer, можно с уверенностью говорить, что интенсификация исследований в этой области уже в ближайшие годы выявит более широкий круг коммерчески перспективных видов не только для агропромышленного комплекса.
Ссылки на источники1.Зенова Г.М., Штина Э.А. Почвенные водоросли: Учебное пособие / Г.М.Зенова, Э.А.Штина.М.: Издво МГУ, 1990.80с.2.МинюкГ. С., ДробецкаяИ. В., Чубчикова И. Н., Терентьева Н. В. Одноклеточные водоросли как возобновляемый ресурс: обзор / Г.С.Минюк, И.В.Дробецкая.Морской экологический журнал.Севастополь, 2008.№2..Т.VII.19с.3.Лукьянов В.А., Стифеев А.И. Горбунова С.Ю. Научно обоснованное культивирование микроводорослей / Теоретический и научнопрактический журнал «Вестник».Курск: Издво Курская ГСХА.№9 , 2013.С.5557.4.Лукьянов В.А., Стифеев А.И. Роль микроводорослей в растениеводстве. Экологическая безопасность региона (материалы V Международной научнопрактической конференции).Брянск: Издво «РИО БГУ», 2012.С.219222.5.Лукьянов В.А., Стифеев А.И. Фракционный состав гумусатемносерых лесных почв в зависимости от альголизации их различными видами микроводорослей / Общественная научная организация «Наука и хозяйство» (материалы межд. научн.практ.конф. «Актуальные вопросы науки и хозяйства: Новые вызовы и решения).СанктПетербург: Издво «Наука и хозяйство».№2, 2014.С.2629.6.Музафаров А.М., Таубаев Т.Т., Джуманиязов И.Д. Альголизация орошаемых земель протококковыми водорослями и ее влияние повышение плодородия почв и урожайность хлопчатника / Материалы республиканского совещания «Культивирование и применение микроводорослей в народном хозяйстве».Ташкент, 1977.136с.
Стифеев Анатолий Иванович,доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры экологии, садоводства и защиты растений ФГБОУ ВПО «ФГБОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия», г.Курск
Горбунова Светлана Юрьевна,Кандидат биол. наук, младший научный сотрудникИнститутабиологии Южных морей им. О.А.Ковалевского, г.Севастополь
Микроводоросль СhlorellavulgarisBeijer–высокопродуктивныйштамм для сельского хозяйства
Аннотация.Одноклеточные фотосинтезирующие организмы играют важнейшую роль в образовании органических соединений и кислорода на Земле,имеющие особоеэкологическое значение.Среди этих форм заметное место занимают микроводоросли и цианобактерии, ведущие автотрофный тип питания и встречающиеся в водоемах, почве, горячих и гиперсоленых источниках, в воздухе, вершинах гор и на дне океанов. Практический интерес к таким организмам связан с уникальными потенциальными возможностями их использования как продуцентов ценных метаболитов, витаминов и ряда других органический соединений, необходимых для многих секторов экономики.Представлены материалы исследований, связанные с применением зеленой микроводоросли Сhlorella vulgaris Beijer в агропромышленном комплексе. Проанализированы основные проблемы, сдерживающие развитие массового производства фотосинтезирующих организмов и определены подходы к их решению.Ключевые слова:экология, одноклеточные фотосинтезирующие организмы, микроводоросли,агропромышленный комплекс, микробиологическая активность, гумус.
Биотехнология микроводорослей, возникнувшая немногим более 40 лет назад, за короткий срок утвердилась как реально существующая область промышленного производства, приобретающая всё больший весв экономике многих стран мира [2].В отличие от гетеротрофных микроорганизмов, нуждающихся для роста в различных органических соединениях, одноклеточные фотосинтезирующие организмы синтезируют биомассу из полностью окисленных неорганических веществи минеральных элементов за счет световой энергии, преобразуемой в процессе фотосинтеза.Кроме того, технологии индустриального производства биомассы микроводорослей и цианобактерий не загрязняют окружающую среду, используют углекислый газ, выделяя при этом кислород, расходуют относительно небольшое количество водыи могут занимать непригодные для возделывания сельскохозяйственных культур земельные ресурсы.Микроводоросль Сhlorella vulgaris Beijerявляются богатейшим источником простейших белков (около 50 %), макрои микроэлементов, витаминов, аминокислот, анитиоксидантов и онкопротекторов. Она используетсяв медицине, пищевой промышленности, в очищении водоемов от загрязняющих веществ, сельском хозяйстве, которая при самых благоприятных условияхспособна увеличить свою биомассу в 32 раза за 1 жизненный цикл.Высокий спрос на биомассу микроводорослей испытывает сельское хозяйство. Результаты наших исследований показали, что включение в рацион молодняка телят и бычков Chlorella vulgaris Beijerпозволяет увеличитьсреднесуточные привесы на 1540%, но с соблюдением определенного режима культивирования, а также промывки биомассы чистой водой. Кроме того, животные,потребляющие микроводоросль,отличались повышенным иммунитетом, они выздоравливали без использования ветеринарных препаратовза более короткий срок.Высокая биологическая эффективность микроводорослей обусловлена их ценным биохимическим составом, включающий до 50% белка, 30 % углеводов, до 10% макрои микроэлементы, витамины группы А, В, В6, В12, С, Е, РР, незаменимые аминокислоты, жирные кислоты и другие биологически активные вещества в легкоусвояемой форме.За период 20.10.2014 по 19.11.2014опытной группевтечение 30 дней дополнительно к основному рациону добавляли кормовую лечебнопрофилактическую добавку на основе микроводоросли хлореллы в норме 60мл на 1голову в сутки, выращенную на модифицированной среде Тамия. Прирост живого веса учитывали взвешиванием по окончанию периода выпойки(таблица 1).Таблица 1Динамика привесов телят, 2014г.
№п/пИнвент. №Живая масса на начало опыта, кгЖивая масса по окончанию опыта№п/пИнвент. №Живая масса на начало опыта, кгЖивая масса по окончанию опытаКонтрольная группа
Опытная группа1287254641287044582286957662286879643286555683286745604286446544286656725286051605286343586285344536286249657285249587286151688284853648288950679284551629285838561028444251102857476411284374851128567186122842899812285594108132840728413285464781428378797142851901061528367583152850698616283591102162849708317283383951728478210218283287961828468499192830829019284165842028289310120283994111Общая масса13351531Общая масса12551575Среднее66,876,6Среднее62,878,8Среднесуточный привес, кг = 0,327Среднесуточный привес, кг = 0,533Среднесуточный привес, % = 0Среднесуточный привес, % = 38,7
В ходе проведения исследований было установлено, что опытная группа имела больший среднесуточный привес (533 г/сутки) по сравнению с контрольной (327 г/сутки), что на 38,7% выше контрольной группы. В опытной группе отмечено лучшее физиологическое состояние, которое выражалось в лучшей усвояемости кормов основного рациона, усилением бродильных процессов, выведением токсичных веществ естественным путем и повышением иммунитета телят.Влияние штамма Chlorella vulgaris Beijerзависит от основного рациона животных и эффективность может снижаться до 1520%. Однако, в ранее проведенных исследованиях более чем в 30 предприятий с различной кормовой базой среднесуточные привесы были не менее 15%. Расчет экономической эффективности показал, что применение кормовой лечебнопрофилактической добавки вышеуказанного штаммаспособствует повышению чистого дохода и уровня рентабельности.Проведение исследований [3,4] за период 20122015гг. в условиях ЦентральноЧерноземного региона показали, что данный штамм имеет высокий потенциал для почвоведения и растениеводства. Его использование позволяет улучшить экологическое состояние почв, повысить плодородие почв, микробиологическую активность и урожайность сельскохозяйственных культур.Являясь постоянной и характерной составной частью живого микромира почв, Сhlorella vulgaris Beijerразвивается в непрерывном и разнообразном взаимодействии с почвенными микроорганизмами и высшими растениями.Она оказывает непосредственное влияние на жизнедеятельность населяющих почву микроорганизмов. Ее органическое вещество отличается легкойусвояемостью и дает высокий энергетический эффект, благодаря чему его используют многие гетеротрофные микроорганизмы почвы. Сущность взаимодействия бактерий и микроводорослей состоит в том, что микроводоросли снабжают гетеротрофные организмы энергетическим материалом. Среди выделений микроводорослей обнаружены витамины, ауксины и многие внеклеточные ферменты, влияющие также и на развитие бактерий (таблица 2).Таблица 2Общий микробиологический анализтемносерой лесной почвы с применением микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer, 2015 г.
ВариантыМПА,млн./1г почвыКАА,млн./1г почвыСреда Чапека, млн./1г почвыОбщееколво микроорг., млн./1г почвы1.Контроль3,5448,0531,69113,2882.Chlorella vulgaris5,48911,0610,81917,369примечание: МПАмясопептонный агар; КАА –крахмалоаммиачный агар.
Для учета численности микроорганизмов, использующих органические формы азота, использовали мясопептонный агар. На контрольном варианте их численность составила 3,544 млн./г абсолютно сухой почвы, что на 1,945 млн. меньше, чем на варианте с применением микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer. Для учета численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, использовали крахмалоаммиачный агар. Контрольный вариант по содержанию данных микроорганизмов был самый низкий и составил 8,053 млн./г АСП.Среду Чапека использовали для учета численности почвенных грибов. Максимальное их количество было только на контрольном варианте и составило 1,691млн./г АСП. Предполагается, что это связано с тем, что в почве присутствуют и патогенные виды грибов, численность которых микроводоросли способны снижать, выделяя в процессе своего развития антибиотические соединения.Микроводоросли, в частности Chlorella vulgaris Beijerобогащают почву макрои микроэлементами, являются продуцентами антибиотически активных веществ, которые благоприятно влияют на рост и развитие высших растений. Имеются различные способы внесения микроводорослей в почву. Многократные опыты показали, что их внесение возможно по разным фазам развития растений[1]. После внесения они продолжают свой рост, где их биомасса увеличивается до 1050 раз.Весьма эффективно вносить микроводоросли в весенний и осеннезимний период. При наступлении биологической зрелости почв, особенно после дождей и полива, микроводоросли начинают очень бурно развиваться. Дополнительнорекомендуетсявносить минеральные и органические удобрения (куриный помет, навоз, компосты) для более высокого накопления их биомассы.Кроме активного деления в почве, они способны усваиваться корневой системой растения вместе с почвенной влагой, что дополнительно стимулирует к интенсивному росту и накоплению урожая.Так, по данным авторов [5], микроводоросли увеличивали урожайность зерна ячменя в микрополевомэксперименте на темносерых лесных почвах по вариантам опыта. Работы проводились на территории учебноопытного хозяйства «Знаменское» Курской ГСХА(таблица 3).Таблица 3Биологическая урожайность и элементы структуры ярового ячменя с применением Chlorella vulgaris Beijer, 2014г.
На варианте, где использовали продуктивный штамм микроводоросли Chlorella vulgaris Beijerбыл отмечен более активный рост, развитие и увеличение урожайностинадземной массы и зерна ячменя. С применением микроводоросли масса снопа с корневой системой была выше контрольного варианта на 176г. Количество продуктивных стеблей увеличивалось с 304 до 368 шт/м2, при этом биологическая урожайность была выше контрольного варианта на 1,06 т/га.Учеными [6]на сероземных почвах установлено увеличение гуминовых кислот. При альголизации почв микроводорослями происходит бурное развитие микробиологических и биохимических процессов. В результате образуются легкодоступные гумусовые вещества. Это в большей части гидролизуемые формы, более подвижные, легко усваивающиеся микроорганизмамии высшими растениями.
Результаты проведенных исследований (таблица 4, 5) на темно серых лесных почвах в условиях Центрально Черноземного региона подтвердили результаты ранее проведенных исследований других авторов. Внесение в почву микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer изменяло содержание гумуса, общего углерода и уменьшало нерастворимый остаток гумуса[5].
Вариант опыта1.Контроль2.Chlorella vulgaris BeijerМасса растений с корневой системой, г/м2468644Число стеблей,
шт/м2общее389447продуктивных304368Длина стебля, см5457Длина колоса, см6,46,8Колво зерен в колосе, шт.18,619,2Масса 1000 семян, г48,253,7Биологическаяурожайность, т/ганадземная масса4,686,44зерна2,733,79Таблица 4Фракционныйсостав гумуса темносерой лесной почвы при возделывании яровой пшеницы, среднее за 20142015гг.
Величина суммы фракций гуминовых кислот увеличиваласьотносительно контрольного варианта с 49,23 до 49,32. Фракции фульвокислотувеличивались с 27,16 до 34,20. Из полученных данных весьма заметно, что микроводоросль Chlorella vulgaris Beijerувеличиваетсумму фракций гуминовых и фульвокислот.Таблица 5Степень гумификации органическоговещества, среднее за 20142015гг.
Содержание гумуса на опытных вариантах низкое и находится в пределах 2,722,74%. Сумма фракций ГК и ФК была минимальной на контрольном варианте 76,40 и достигала своего максимума с применением зеленой микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer–83,53. Сумма фракций, как видно из полученных в таблице 3 данных в прямой зависимости коррелирует с содержанием общего углерода по вариантам опыта.Величина нерастворимого остатка гумусахарактеризует прочность закрепления гумусовых веществ с глинистой фракцией или слабую степень гумификации органического вещества. На контрольном варианте данная величина составила 23,6%, на вариантес применением микроводорослизакрепление гумусовых вещества снижалось и, теоретически, они имели более высокую степень гумификации органического вещества(16,47%). Воспроизводство гумуса зависит от совокупности почвенноклиматических условий и применяемых агротехнических приемов, при взаимодействии которых могут преобладать либо процессы распада, либо образования гумуса, что в конечном итоге и определяет его запасы в почвах. Поэтому, для поддержания бездефицитного баланса гумуса необходимо стремиться к максимальному применению органических удобрений и всех возможных дополнительных источников органического вещества, где роль микроводорослей особенно актуальна в современных условиях.Важнейшим показателем хозяйственной деятельности любого предприятия является экономическая эффективность. В растениеводстве она проявляется в увеличении урожайности, повышении качества продукции, что, в конечном счете, увеличивает цену ее реализации.
Варианты опытаОбщий Сорг. в почве, %Фракции ГК123Сумма1.Контроль(серая лесная почва)1,5810,1329,619,4949,232.
Chlorella vulgaris Beijer1,59
11,4627,909,9649,32Фракции ФК
1а123Сумма1.Контроль(серая лесная почва)5,0513,484,354,2827,162.Chlorella vulgaris Beijer5,1414,667,347,0634,20Варианты опытаСумма фракцийГК и ФКНерастворимый остаток гумуса, %ГК/ФКЕсгк1+гк2, мг/мл(λ=430нм)Гумус, %1.Контроль(серая лесная почва)76,4023,601,8120,662,722.Chlorellavulgaris83,5316,471,4420,982,74Расчет экономической эффективности показал, что микроводоросль Chlorella vulgaris Beijerцелесообразно вносить в почву перед выпадением осадков совместно с питательной средой для их роста в почве. Отличительной особенностью является и тот факт, что фотосинтезирующие организмы повышают не только урожайность, но и микробиологическую активность, и что самое главное, почвенное плодородие (таблица 6). Расчет представлен с той особенностью, что на нашем предприятии установлено оборудование для производства биомассы микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer, позволяющееснизить материальные затраты.Таблица 6 Экономическая эффективность внесения живой культуры в почву при возделывании ячменя по вариантам микрополевого опыта (расчет на 1га), среднее за 3 годаПоказатели экономической эффективности1.Контроль2.Chlorella vulgaris BeijerУрожайность зерна ячменя, т/га2,733,79Стоимость продукции, руб.16380,022740,Производственные затраты, руб.11917,012623,0Чистый доход, руб.4463,610117,0Себестоимость 1т зерна, руб.4365,22669,4Уровень рентабельности, %37,4680,15
Несмотря на более высокие производственные затраты по сравнению с контрольным вариантом, выход зерна по вариантам опыта с применением микроводорослей полностью себя окупает. Так, на контроле чистый доход составил 4463,6 руб., что на 5653,4 руб. меньше варианта с применением Chlorella vulgaris. Таким образом, с использованием стандартных параметров культивирования, применение фотосинтезирующих организмов вполне выгодно и позволяет, в среднем, получить чистый доход с 1га выше на 50% по сравнению с контрольной технологией возделывания ячменя.Для того, чтобы снизить производственные затраты на культивирование микроводорослей необходимо использовать солнечное освещение и продавать не биомассу микроводорослей, а биореакторы для их производства.
МикроводоросльChlorella vulgaris Beijerиграет особо важную роль в утилизации сточныхвод.Культивирование микроводорослей на сточных водах, с одной стороны, позволяет осуществлять биологическую очистку воды, с другой стороны –получать дешевую биомассу, богатую белками, витаминами и др. биологически активными веществами. В таблице 7 приведены сравнительные данные о продуктивности микроводоросли на стандартной питательной среде и сточными водами птицефабрики.Таблица 7
Кинетические характеристики роста культуры Chlorella vulgaris Beijer
на сточных водах птицефабрики, 2013г.
Варианты экспериментаμm, сут1Pm, г АСВ/сутB0, г/лBm, г/л1. Chlorella vulgaris(стандартная питательная среда)0,330,58±0,050,414,2±0,423. Chlorella vulgaris(сточные воды)0,632,54±0,250,4112,00±1,19Обозначения: μm− удельная скорость роста; В0− начальная плотность культуры; Bm− максимальная плотность культуры (урожай).
Анализируя рассчитанные характеристики роста Chlorella vulgaris Beijer, следует отметить явное преимущество сточных вод по всем параметрамнад стандартной питательнойсредой (продуктивность культиватора №2 выше №1 в 5 раз или на 437%). Проведенные экспериментальные исследования показали, что использование ассимиляционных свойств микроводорослиChlorella vulgaris Beijerпозволяет утилизировать отходы птицефабрик, которые накапливаются и наносят ущерб экосистеме, и таким образом, осуществить мелиорацию водной среды, а также значительно снизить затраты на приготовление питательных сред для интенсивного выращивания микроводорослей.В таблице 8приведен расчет стоимости биомассы микроводорослей на стандартной минеральной среде и органическими отходами.Таблица 8
Себестоимость фотосинтезирующих организмов в расчете получения сырой биомассы с 1000л питательной среды, руб.
ВариантыМинеральное питаниеЭлектроэнергияВодаСО2Итого:Стандартные параметры культивированияChlorella vulgaris 4963485402504271Acutodesmus obliquus4963485402504271Anabaena sphaerica283485402503803Nostoc punctiforme163348540
3688Ресурсосберегающие параметры культивирования*Chlorella vulgaris
40250290Acutodesmus obliquus
40250290Anabaena sphaerica
40250290Nostoc punctiforme
40
40* взамен минеральному питанию используются отходы АПК, взамен естественному освещению используется естественный свет.
Таким образом, учитывая высокие продукционные возможности микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer, можно с уверенностью говорить, что интенсификация исследований в этой области уже в ближайшие годы выявит более широкий круг коммерчески перспективных видов не только для агропромышленного комплекса.
Ссылки на источники1.Зенова Г.М., Штина Э.А. Почвенные водоросли: Учебное пособие / Г.М.Зенова, Э.А.Штина.М.: Издво МГУ, 1990.80с.2.МинюкГ. С., ДробецкаяИ. В., Чубчикова И. Н., Терентьева Н. В. Одноклеточные водоросли как возобновляемый ресурс: обзор / Г.С.Минюк, И.В.Дробецкая.Морской экологический журнал.Севастополь, 2008.№2..Т.VII.19с.3.Лукьянов В.А., Стифеев А.И. Горбунова С.Ю. Научно обоснованное культивирование микроводорослей / Теоретический и научнопрактический журнал «Вестник».Курск: Издво Курская ГСХА.№9 , 2013.С.5557.4.Лукьянов В.А., Стифеев А.И. Роль микроводорослей в растениеводстве. Экологическая безопасность региона (материалы V Международной научнопрактической конференции).Брянск: Издво «РИО БГУ», 2012.С.219222.5.Лукьянов В.А., Стифеев А.И. Фракционный состав гумусатемносерых лесных почв в зависимости от альголизации их различными видами микроводорослей / Общественная научная организация «Наука и хозяйство» (материалы межд. научн.практ.конф. «Актуальные вопросы науки и хозяйства: Новые вызовы и решения).СанктПетербург: Издво «Наука и хозяйство».№2, 2014.С.2629.6.Музафаров А.М., Таубаев Т.Т., Джуманиязов И.Д. Альголизация орошаемых земель протококковыми водорослями и ее влияние повышение плодородия почв и урожайность хлопчатника / Материалы республиканского совещания «Культивирование и применение микроводорослей в народном хозяйстве».Ташкент, 1977.136с.
