Зміст
Введення
Глава 1. Виробництво бактеріальних добрив
1.1 Виробництво нітрагін і ризоторфіном
1.2 Виробництво Азотобактерин
1.3 Виробництво фосфобактеріна
Глава 2. Процес приготування бактеріального добрива
Висновок
Список літератури
Введення
В даний час у всьому світі спостерігається значне зростання сільськогосподарської галузі. Це пов'язано з рядом досить різноманітних факторів, серед яких:
Поступове виснаження природних ресурсів та енергоносіїв (газ, нафта та ін), а, отже, потрібні нові види сировини, в якості якого себе чудово зарекомендувало сировину рослинного походження - біогаз, біопаливо, спирт на рослинній основі.
Глобальне захоплення людини здоровим способом життя, яке, в тому числі, має на увазі вживання в їжу натуральних продуктів, що не містять консервантів, хімічних добавок і т.д.
У світі спостерігається тенденція повернення людини до ведення натурального господарства. Людина прагне до віддалення від міста, самодостатності і повного забезпечення себе продуктами власної праці.
Одним з найбільш актуальних застосувань біотехнології в даній області є виробництво різних видів бактеріальних добрив, оскільки мікрофлора грунту безпосередньо впливає на її родючість і, як наслідок, на врожайність рослин. Грунтові мікроорганізми в процесі росту покращують структуру грунту, накопичують у ній поживні речовини, минерализуют різні органічні сполуки, перетворюючи їх у легко засвоювані рослиною компоненти харчування. Для стимуляції цих процесів застосовують різні бактеріальні добрива, збагачують ризосферу рослин корисними мікроорганізмами. Мікроорганізми, що використовуються для виробництва бактеріальних препаратів, сприяють постачання рослин не тільки елементами мінерального живлення, а й фізіологічно активними речовинами (фітогормонами, вітамінами та ін.) В даний час найбільшого поширення в сільському господарстві отримали такі бактеріальні добрива, як нітрагін, ризоторфін, азотобактерин, фосфобактерін. Їх практична застосовність і суттєва ефективність не залишають сумнівів, що підтверджується численними науковими дослідженнями, наприклад роботою групи вчених МСХА ім. Тімірязєва під керівництвом О.М. Постнікова, що досліджували вплив біологічних препаратів на ріст і врожайність картоплі в середній смузі Росії. Висновки, зроблені цією групою, наведені у заключній частині даної роботи. До справжнього моменту доведено, що застосування бактеріальних добрив не тільки сприяє підвищенню врожайності цінних культур, але і значно знижує навантаження на довкілля з боку хімічних сполук - мінеральних добрив і засобів захисту рослин, що дозволяє більш ефективно використовувати обмежені земельні ресурси, витрачати менше зусиль на їх відновлення.
Технологія виготовлення бактеріальних добрив є досить простий з точки зору біотехнології і з точки зору апаратного оснащення процесу, що також підвищує її економічну цінність. У наступному розділі будуть детально розглянуті процеси виготовлення найбільш поширених і широко використовуваних біопрепаратів.
Глава 1. Виробництво бактеріальних добрив
1.1 Виробництво нітрагін і ризоторфіном
Вітчизняна промисловість випускає два види препаратів бульбочкових бактерій: нітрагін і ризоторфін. Обидва препарати виробляються на основі активних життєздатних бульбочкових бактерій з роду Rhizobium. Ці бактерії в симбіозі з бобовими культурами здатні фіксувати вільний азот атмосфери, перетворюючи його на сполуки, легкозасвоювані рослиною.
Бактерії роду Rhizobium - строгі аероби. Серед них розрізняють активні, малоактивні і неактивні культури. Критерієм активності бульбочкових бактерій служить їх здатність в симбіозі з бобовими рослинами фіксувати атмосферний азот і використовувати його у вигляді сполук для кореневого живлення рослин.
Фіксація атмосферного азоту можлива тільки в бульбочках, що утворюються на коренях рослин. Виникають вони при інфікуванні кореневої системи бактеріями з роду Rhizobium. Зараження кореневої системи відбувається через молоді кореневі волоски. Після впровадження бактерії проростають усередині них до самої основи у вигляді інфекційної нитки. Виросли нитки проникають крізь стінки епідермісу в кору кореня, розгалужуються і розподіляються по клітинами кори. При цьому індукується поділ клітин господаря і розростання тканин. У місці локалізації бактерій на корінні рослини-хазяїна утворюються бульби, в яких бактерії швидко розмножуються і розташовуються по окремо або групами в цитоплазмі рослинних клітин. Самі бактеріальні клітини збільшуються в кілька разів і змінюють забарвлення. Якщо бульби мають червонувате або рожеве забарвлення, обумовлену наявністю пігменту легоглобіна (леггемоглобіна) - аналог гемоглобіну крові тварин, то вони здатні фіксувати молекулярний азот. Нефарбовані ("порожні") або мають зеленуватого забарвлення бульби не фіксують азот.
Бактерії, що знаходяться в бульбочках, синтезують ферментну систему з нітрогеназной активністю, що відновлює молекулярний азот до аміаку. Асиміляція аміаку відбувається, в основному, шляхом залучення його в ряд ферментативних перетворень, що призводять до утворення глутаміну і глутамінової кислоти, що йдуть в подальшому на біосинтез білка.
Крім критерію активності в характеристиці бульбочкових бактерій використовують критерій вірулентності. Він характеризує здатність мікроорганізму вступати у симбіоз з бобовим рослиною, тобто проникати через кореневі волоски всередину кореня і викликати утворення бульбочок. Велике значення має швидкість такого проникнення. У симбиотическом комплексі рослина - Rhizobium бактерії забезпечуються живильними речовинами, а самі постачають рослина азотистим харчуванням. З вірулентністю пов'язана і видова вибірковість, яка характеризує здатність даного виду бактерій до симбіозу з певним видом бобової рослини. Класифікація різних видів Rhizobium враховує рослина-господаря, наприклад: Rhizobium phaseoli - для квасолі, Rhizobium lupini - для люпину, сараделли і т.д. Вірулентність і видоспецифічність взаємопов'язані і не є постійними властивостями штаму.
Завданням виробництва бактеріальних добрива є максимальне накопичення життєздатних клітин, збереження їх життєздатності на всіх стадіях технологічного процесу, приготування на їх основі готових форм препарату зі збереженням активності протягом гарантійного терміну зберігання.
Вітчизняна промисловість випускає два види нітрагін: грунтовий і сухою. Вперше культура бульбочкових бактерій на грунтовому субстраті була приготовлена в 1911 році на бактеріально-агрономічної станції в Москві. В даний час його виробництво має обмежене значення, оскільки технологія досить складна і трудомістка при виконанні окремих операцій. Більш перспективна технологія виробництва сухого нитрагином.
Сухий нітрагін - порошок світло-сірого кольору, що містить в 1 г не менше 9 млрд. життєздатних бактерій в суміші з наповнювачем. Вологість не перевищує 5-7%. Промислове виробництво має типову схему. Необхідно відзначити, що важливо підбирати штами, стійкі до висушування. Для виробництва посівного матеріалу вихідну культуру бульбочкових бактерій вирощують на агаризованому середовищі, що містить відвар бобових насіння, 2% агару і 1% сахарози, потім культуру розмножують в колбах на рідкому поживному середовищі протягом 1-2 діб при 28-30 о С і рН 6.5 -7.5. На всіх етапах промислового культивування застосовують живильне середовище, що включає такі компоненти, як меляса, кукурудзяний екстракт, мінеральні солі у вигляді сульфатів амонію та магнію, крейда, хлорид натрію і двозаміщений фосфат калію. Основна ферментація йде при тих же умовах протягом 2-3 діб. Готову культуральну рідину сепарують, виходить біомаса у вигляді пасти з вологістю 70-80%. Пасту змішують із захисною середовищем, що містить тіосечовини та мелясу (1:20) і направляють на висушування. Сушать шляхом сублімації (у вакуум-сушильних шафах). Висушену біомасу розмелюють. Продуктивніше висушування у розпилювальних сушках, але при цьому 75% клітин втрачають життєздатність. Препарати сухого нітрагін фасують і герметизують у поліетиленові пакети по 0.2 - 1 кг, зберігають при температурі 15 ° С не більше 6 місяців. Насіння опудрювальні перед посівом. Внесення нітрагін підвищує врожайність у середньому на 15-25%.
Препарат бульбочкових бактерій може випускатися і у вигляді ризоторфіном. Вперше торф'яної препарат бульбочкових бактерій був приготований в 30-х роках, але технологія була створена в 1973-77 рр.. Для приготування ризоторфіном торф сушать при температурі не вище 100 о С і розмелюють на порошок. Найбільш ефективним способом стерилізації є опромінення його гамма-променями. Перед стерилізацією розмелений, нейтралізований крейдою і зволожений до 30-40% торф розфасовують у поліетиленові пакети. Потім його опромінюють і заражають бульбочкових бактерій, використовуючи шприц, за допомогою якого впорскується живильне середовище, що містить бульбочкові бактерії. Прокол після внесення бактерій заклеюється липкою стрічкою. Кожен грам ризоторфіном повинен містити не менше 2.5 млрд. життєздатних клітин з високою конкурентоспроможністю та інтенсивної азотфіксації. Препарат зберігають при температурі 5-6 о С і вологості повітря 40-55%. Пакети можуть бути вагою від 0.2 до 1.0 кг. Доза препарату становить 200 г на га. Зараження насіння виробляють наступному чином: ризоторфін розбавляють водою і проціджують через подвійний шар марлі. Отриманою суспензією обробляють насіння. Насіння висівають в день обробки або на наступний.
Обробка насіння бобових культур міцно увійшла у світову сільськогосподарську практику. Найбільшими виробниками таких препаратів є США і Австралія.
1.2 Виробництво Азотобактерин
Азотобактерин - бактеріальне добриво, що містить вільноживучих грунтовий мікроорганізм Azotobacter chroococcum, здатний фіксувати до 20 мг атмосферного азоту на 1 г використаного цукру. Внесені в якості добрива в грунт бактерії також виділяють біологічно активні речовини (нікотинову та пантотенову кислоти, піридоксин, біотин, гетероауксин, гіберелін та ін.) Ці речовини стимулюють ріст рослин. Крім того, віднайдені Azotobacter фунгіцидні речовини з групи анісоміціна пригнічують розвиток деяких небажаних мікроскопічних грибів у ризосфері рослини.
Всі види Azotobacter строгі аероби. Чутливі до вмісту в середовищі фосфору і розвиваються лише при високому його вмісті в поживному середовищі. Азотфіксуючих здатність культури пригнічується аміаком (взагалі утримання в середовищі пов'язаного азоту пригнічує азотфіксації). Стимулюють процес фіксації азоту з'єднання молібдену.
Встановлено, що при фіксації азоту процес його відновлення протікає на одному і тому ж синтезованих за азотобактера ферментному комплексі і лише кінцевий продукт (аміак) відокремлюється від ферменту. Нітрогеназная азотфіксуючих система являє собою мультиферментного комплекс, що містить не пов'язане з геном залізо, молібден і SH-групи.
Мікробіологічна промисловість випускає кілька видів Азотобактерин: сухий, грунтовий та торф'яної. Технологія отримання сухого Азотобактерин має багато спільного з технологією виробництва сухого нитрагином. Сухий азотобактерин - активна культура висушених клітин азотобактера з наповнювачем. В 1 г препарату міститься не менше 0.5 млрд. життєздатних клітин. Культуру мікроорганізму вирощують методом глибинного культивування на середовищі, що містить ті ж компоненти, що і при культивуванні клітин Rhizobium. Додатково вводять тільки сульфати заліза і марганцю, а також складну сіль молібденової кислоти, рН 5.7-6.5.
Процес ферментації проводять до стаціонарної фази розвитку культури, тому що в цій фазі біологічно активні речовини виділяються з клітки і залишаються в культуральній рідині. Біологічно активні речовини можуть також повністю або частково втрачатиметься при висушуванні, проте життєздатні клітини швидко відновлюють здатність їх продукувати. Висушену культуру стандартизують, фасують у поліетиленові пакети по 0.4-2 кг і зберігають при температурі 15 ° С не більше 3 місяців.
Грунтовий і торф'яної азотобактерин представляють собою активну культуру азотобактера, розмноження на твердому живильному середовищі, і містять в 1 г не менше 50 млн. життєздатних клітин. Для їх приготування беруть родючий грунт або розкладається торф з нейтральною реакцією середовища. До просіяному субстрату додають 2% вапна і 0.1% суперфосфату. По 500 г отриманої суміші переносять у бутлі ємністю по 0.5 л, зволожують на 40-60% за об'ємом водою, закривають ватними пробками і стерилізують. Посівний матеріал готують на агарових середовищах, що містять 2% сахарози і мінеральні солі. Коли агар повністю покривається слизової масою коричневого кольору, отриманий матеріал стерильно змивається дистильованою водою і переноситься на приготований субстрат. Вміст пляшок ретельно перемішують і термостатують при 25-27 о С. Культивування продовжують до тих пір, поки бактерії не розмножаться до необхідної кількості. Отриманий препарат зберігає свою активність протягом 2-3 місяців.
Використовувати азотобактерин рекомендується тільки на грунтах, що містять фосфор і мікроелементи. Азотобактерин застосовують для бактеризації насіння, розсади, компостів. При цьому врожайність збільшується на 10-15%. Насіння зернових опудрювальні сухим Азотобактерин з розрахунку 100 млрд. клітин на 1 гектарну порцію насіння. Картопля і кореневу систему розсади рівномірно змочують водною суспензією бактерій. Для отримання суспензії 1 гектарну норму (300 млрд. клітин) розводять у 15 літрах води. При обробці грунтовим або торф'яним Азотобактерин насіння перемішують з зволоженим препаратом і для рівномірного висіву підсушують. Кореневу систему розсади змочують приготовленої суспензією.
1.3 Виробництво фосфобактеріна
Фосфобактерін - бактеріальне добриво, що містить спори мікроорганізму Bacillus megaterium var. phosphaticum. Являє собою порошок світло-сірого або жовтуватого кольору.
Бактерії мають здатність перетворювати складні фосфорорганічні сполуки (нуклеїнові кислоти, нуклеопротеїди і т.д.) і трудноусвояемих мінеральні фосфати в доступну для рослин форму. Крім цього бактерії виробляють біологічно активні речовини (тіамін, піридоксин, біотин, пантотенову та нікотинову кислоти, тощо), що стимулюють ріст рослини. Фосфобактерін відноситься до числа препаратів із стимулюючим ефектом.
Bacillus megaterium var. phosphaticum представляють собою дрібні, грампозитивні аеробні спороутворюючі палички розміром 2 * 6 мкм. Клітини містять значну кількість сполук фосфору. У ранній стадії розвитку це рухливі поодинокі палички, при старінні утворюють ендоспори, що локалізуються в одному з кінців клітини. З огляду на вищевикладеного технологія вирощування зводиться до отримання суперечка.
У цілому виробництво фосфобактеріна схоже на виробництво Азотобактерин і препаратів бульбочкових бактерій. Склад живильного середовища у відсотках: кукурудзяний екстракт -1.8, меляса - 1.5, сульфат амонію - 0.1, крейда - 1, інше - вода. Культивування ведеться глибинним методом у суворо асептичних умовах при постійному перемішуванні і примусової аерації до стадії утворення спор. Основні параметри проведення процесу: температура 28-30 о С, рН 6.5-7.5, тривалість культивування 1.5-2 доби. Отриману в ході культивування біомасу клітин відокремлюють центрифугуванням і висушують у розпилювальної сушарці при температурі 65-75 о С до залишкової вологості 2-3%. Висушені суперечки змішують з наповнювачем. Готовий препарат повинен містити не менше 8 млрд. клітин в 1 г Розфасовують препарат в поліетиленові пакети по 50-500 м. На відміну від нітрагін і Азотобактерин фосфобактерін володіє більшою стійкістю при зберіганні. Фосфобактерін рекомендують застосовувати на чорноземних грунтах, які містять найбільш значну кількість фосфороорганических сполук. Необхідний для підвищення врожайності зернових, картоплі, цукрових буряків та ін сільськогосподарських рослин. Насіння обробляють сумішшю сухого фосфобактеріна з наповнювачем (попелом, грунтом тощо) у співвідношенні 1:40. На 1 гектарну порцію потрібно 5 г препарату і 200 г наповнювача. Бульби картоплі рівномірно зволожують суспензією суперечка, приготовленої з розрахунку 15 г препарату на 15 л води. Урожай при цьому підвищується на 10%. Крім вищезгаданих, досить велике поширення отримав також біопрепарат АМБ (аутохтонном мікрофлора Б), що представляє собою готове співтовариство мікроорганізмів, нативну мікрофлору грунту, здатну розкладати органічні речовини, вивільняючи газоподібний аміак - тобто вести процес нітрифікації або амоніфікація. Препарат АМБ застосовується в тих випадках, коли грунт збіднена і не має достатньої кількості нативних мікроорганізмів для проведення сільськогосподарської діяльності. Крім АМБ відомий також вид препаратів ЕМ, який відрізняється від АМБ тим, що містить не всі грунтові бактерії поспіль, а тільки їх "елітних" представників. В даний час ЕМ-препарати представляються одним з найбільш прогресивних напрямків розвитку біопрепаратів сільського господарства.
Загалом, схему виробництва бактеріальних добрив можна звести до наступних стадій:
Підбір чистої культури бактерій та внесення її до сприятливе середовище.
Культивування зі значним нарощуванням біомаси.
Виділення та випуск готового продукту.
Глава 2. Процес приготування бактеріального добрива
Розглянемо процес приготування бактеріального добрива більш докладно. Весь цикл складається з 5 етапів, кожен з яких, у свою чергу, поділяється на кілька кроків:
Схема процесу виробництва бактеріальних добрив в загальному вигляді
Приготування інокуляту:
1) Підбір штаму бактерій, що володіє необхідними властивостями (достатня швидкість росту, обов'язково стійкість до сухих умов, і ряд властивостей, необхідних для кінцевого продукту)
Засівши на тверду живильне середовище. Виробляється в лабораторних
умовах при дотриманні стерильності. Потрібно для початкового нарощування біомаси.
4) Пересівши на рідку живильне середовище. Також проводиться в лабораторних умовах. Необхідний для отримання кількості біомаси, достатнього для приміщення в ферментер великого обсягу.
Приготування середовища:
Цей процес відбувається паралельно з приготуванням інокуляту, живильне середовище також використовується для попереднього нарощування біомаси бактерій. Склад середовища підбирається індивідуально для кожного виду бактерій. Для збільшення ефективності процесу ферментації найчастіше потрібна досить трудомісткий попередній етап підбору оптимального складу живильного середовища.
1) Підбір оптимального складу живильного середовища, якщо потрібно (при модернізації виробництва, при використанні нового штаму бактерій і т.д.).
2) Приготування необхідної кількості середовища.
3) Стерилізація середовища.
Ферментація:
Процес ферментації проводиться як правило глибинними методами в тарі, призначеної для кінцевого продукту, в приміщеннях, забезпечених оптимальними для процесу умовами; рідше - в ферментерах. Умови культивування суворо асептичні, температурний режим як правило 26-30 ° С, pH середовища нейтральна (6,5 - 7,5). Тривалість культивування залежить від необхідної кількості біомаси, виду мікроорганізму та інших умов, в загальному підбирається експериментальним шляхом.
Сушіння:
Існує кілька методів сушіння, застосовуваних у виробництві бактеріальних добрив - сублимационная сушіння, застосування розпилювальних, стрічкових і ін сушарок. Вибір методу сушки та умов процесу (температурний режим, необхідна залишкова вологість) визначаються, виходячи з експлуатаційних вимог одержуваного добрива і того, які мікроорганізми взяті для виробництва.
Фасування і випуск продукту:
Найчастіше, стадія фасування готового добрива мало виділяється серед попередніх стадій виробництва. Це пов'язано з тим, що в багатьох випадках культивування мікроорганізмів виробляється безпосередньо в товарній упаковці (наприклад, ризоторфін - в ПЕ пакетах (попередньо в них розфасована підготовлена середовище - торф), азотобактерин - в скляних бутлях і т.д.). Багато в чому це пов'язано з тим, що термін зберігання готового продукту дуже короткий, тому економічно найбільш прийнятна якнайшвидша його реалізація. В інших випадках здійснюється сортування, відбір, фасування і упаковка готового продукту, для чого може знадобитися введення окремої виробничої лінії.
Висновок
На закінчення розглянемо більш докладно економічну доцільність та обгрунтованість впровадження виробництва бактеріальних добрив. За результатами їх роботи було встановлено, що при застосуванні азотфіксуючих бактеріальних препаратів зростання продуктивності картоплі за 2 роки склав від 7% до 43% залежно від розведення препарату і поєднання його з іншими бакудобреніямі (конкретно були дослідження силікатні бактерії). Крім того, була виявлена залежність ефективності препарату від типу грунту, в яку він був внесений і глибини закладення саджанців. Важливим економічним фактором так само є і те, що найбільшу ефективність препарат продемонстрував при середньому розведенні (експеримент проводився при розведеннях від 1:200 до 1:1000, при цьому найвищий результат був досягнутий при розведенні 1:400, далі відбувалося зниження ефективності). Судячи з усього, це пов'язано зі значним накопиченням у грунті продуктів життєдіяльності бактерій, які нейтралізують позитивний ефект від їхнього застосування.
З описаних результатів роботи можна зробити висновок про те, що при дотриманні ряду умов, або шляхом підбору більш ефективних біопрепаратів, застосування бактеріальних добрив в загальному дозволяє отримувати плоди, що володіють більшою масою, екологічністю, нешкідливістю для людини і тварин, і містять більше вітамінів у порівнянні з аналогами, вирощеними без застосування таких добрив. Все це в підсумку підвищує економічність і ефективність сільського господарства в цілому.
На закінчення розглянемо переваги і недоліки бактеріальних добрив як таких. До їх плюсів можна віднести наступне:
Представляють собою 100% екологічно чисті препарати
Відносно простий виробничий цикл
Доступні штами мікроорганізмів
Істотна ефективність використання в порівнянні з мінеральними добривами
До недоліків біопрепаратів можна віднести:
Залежність ефективності їх дії від складу і властивостей грунту, і ряду інших факторів
Розрахунок товарної упаковки на застосування на великих площах, утруднене використання на малих садових ділянках
Малий термін зберігання, деяка "сезонність" виробництва