Чрезмерное применение агрохимических азотных удобрений ведет к деградации сельскохозяйственных земель, что выражается в потере органического вещества почвы, разрушении ее структуры и угнетении полезной микрофлоры. В поисках экологически альтернатив ученые все чаще обращаются к концепции циркулярной биоэкономики, предполагающей переработку локальных органических отходов в высокоценные биологические продукты. Команда из Национального автономного университета Мексики, UNAM, разработала технологию создания жидкого органического биостимулятора из многотонных отходов переработки кактуса опунции. Новое удобрение продемонстрировало отличные результаты в полевых испытаниях, не просто увеличив продуктивность кормовых кормового овса, но и запустив процессы естественной регенерации почвенного покрова, пострадавшего от многолетней химической экспансии.
Кактус опунция, в частности вид опунция индийская, является национальной сельскохозяйственной культурой Мексики, где он массово выращивается как для употребления в пищу в качестве овоща, так и для производства кормов, косметики и фармацевтических препаратов.
При промышленной переработке этого суккулента образуются тысячи тонн отходов, состоящих из жестких волокнистых частей, обрезков и некондиционных плодов, которые ранее гнили на свалках, загрязняя окружающую среду. С точки зрения биохимии, ткани опунции уникальны, так как эволюция в засушливом климате заставила это растение вырабатывать большое количество гидрофильных полисахаридов, слизей, свободных аминокислот, антиоксидантов и органических кислот.
Растительная слизь опунции богата галактуроновой кислотой, арабинозой и галактозой. Именно этот сложный полисахаридный комплекс мексиканские ученые рассматривали в качестве матрицы для создания почвенного кондиционера и стимулятора роста растений.
Трансформация жестких кактусовых отходов в доступную для растений форму потребовала разработки многоступенчатой биотехнологической схемы. На первом этапе собранную биомассу опунции подвергают механическому измельчению до состояния однородной жидкой пульпы. Затем сырье направляется в биореакторы для контролируемого термоферментативного гидролиза.
Ученые также подобрали специфический консорциум местных эндофитных бактерий и дрожжей, которые способны эффективно расщеплять прочные целлюлозные стенки клеток кактуса, не разрушая при этом ценные полисахаридные слизи. Процесс ферментации протекает при контролируемой температуре и постоянной аэрации. В результате ферментативного расщепления сложные полимеры переходят в форму биодоступных олигосахаридов и свободных аминокислот, а содержащиеся в кактусе микроэлементы — калий, кальций и магний — связываются в органические хелатные комплексы, которые легко усваиваются корневой системой любых культур.
Для подтверждения эффективности полученного кактусового биоудобрения исследователи провели серию контролируемых полевых и вегетационных испытаний на кормовом овсе — важнейшей злаковой культуре для животноводческого сектора страны. Результаты превзошли ожидания агрономов. На участках, где применялся жидкий экстракт опунции, растения продемонстрировали сильный старт.
Активация клеточного деления и улучшение корневого питания привели к тому, что общая надземная биомасса овса увеличилась на 20 процентов по сравнению с контрольными участками, где использовалась стандартная схема минерального питания.
Кроме того, овес, обработанный удобрением из опунции, достиг фазы полной спелости и был готов к уборке на один месяц раньше положенного срока. Для засушливых регионов Мексики и стран с коротким летом такое ускорение созревания имеет стратегическое значение, позволяя фермерам уйти от осенних заморозков или засухи и гарантированно сохранить урожай.
Помимо прямого стимулирующего воздействия на овес, кактусовое удобрение проявило себя как полезный почвенный мелиорант. Земли, истощенные многолетним внесением агрохимикатов, обычно теряют свою структуру, покрываясь плотной, плохо проницаемой для воды и воздуха коркой. Когда экстракт опунции попадает в такую почву, его длинноцепочечные полисахариды и слизи начинают работать как естественный клей. Они связывают мельчайшие пылеватые частицы земли в прочные микроагрегаты, восстанавливая пористость и комковатую структуру почвы. Это повышает влагоемкость земли, позволяя ей удерживать до 30 процентов больше дождевой воды.
Более того, органический углерод кактусового гидролизата послужил идеальным питательным субстратом для аборигенной почвенной микрофлоры. Ученые зафиксировали восстановление популяции полезных бактерий и микоризных грибов, которые были угнетены химикатами, что вернуло почве ее естественную супрессивность и плодородие.
Исследование Национального открывает коммерческие перспективы для создания нового международного бренда экологически чистого сырья. Использование отходов опунции решает проблему утилизации остатков переработки кактусов и одновременно дает аграриям дешевый, высокоэффективный локальный продукт для органического земледелия. Снижение потребности в покупке дорогих импортных минеральных удобрений в сочетании с увеличением урожайности овса обеспечивает фермерским хозяйствам маржинальность.
В настоящее время мексиканские исследователи работают над стандартизацией промышленного протокола ферментации для передачи технологии коммерческим биохимическим предприятиям с целью массового выпуска кактусового биостимулятора на мировой рынок.
Источник: UNAM.