Биопрепараты для здоровья зерна и домашнего скота

Ученые ВолНЦ РАН (г. Вологда) занимаются поиском и испытанием перспективных биопрепаратов для растениеводства и молочного животноводства. Применение биотехнологий в селекции растений и животных способствует урожайности и повышению качества сельхозпродукции, что, в свою очередь, формирует экономический потенциал рынка Северо-Западного федерального округа страны

Инновационное развитие аграрного производства основано на внедрении биотехнологий, позволяющих реализовать новейшие научные разработки и предлагать нетрадиционные решения. Например, высокоэффективные биопрепараты нового поколения демонстрируют определенные функциональные преимущества, перспективные для дальнейшего масштабирования и коммерциализации.

Поиск путей оздоровления молочных животных и увеличение их продуктивности вызван потребностью применения биопрепаратов, обладающих противомикробным, терапевтическим, профилактическим действием и корректирующих микрофлору. Важно, чтобы положительный эффект сочетался с ветеринарно-санитарными мероприятиями и, в целом, положительно влиял на микробиоценоз животных. В практике растениеводства тоже часто используются микробиологические препараты. Содержащиеся в них микроорганизмы благотворно воздействуют на синтез биологически активных веществ, минеральное питание растений и защищают от патогенных организмов.

Вологодские ученые изучают действие бактериальных препаратов, созданных на основе живых микробных культур в системе кормления сельскохозяйственных животных, а также в целях повышения продуктивности зерновых культур. Так, использование пробиотиков (ферментный пробиотик «Целлобактерин+» и пробиотик «Румит», созданный на основе микроорганизмов рубца северного оленя), в рационе лактирующих коров подтверждает их эффективность в молочном скотоводстве. Испытание микробных препаратов на кормовых и зерновых культурах, а также исследование штаммов, которые перспективны для создания микробных препаратов, показывает изменение роста, развития и продуктивных качеств растений. Предполагается, что в будущем апробированные препараты могут быть рекомендованы для использования в хозяйствах региона.

Сотрудники Вологодского научного центра Российской академии наук (ФГБУН ВолНЦ РАН) (г. Вологда) – кандидат биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией биоэкономики и устойчивого развития Андрей Викторович Платонов  и аспирант ФГБОУ ВО «Ярославский государственный университет имени П.Г. Демидова», младший  научный сотрудник лаборатории биоэкономики и устойчивого развития Ирина Игоревна Рассохина – рассказали, почему важно использовать микробные препараты,  каково их действие по  предварительным результатам  испытаний и наблюдений и как биотехнологические разработки  способствуют развитию биоэкономики.

«В настоящее время достижения биологии, в частности микробиологии, способны существенно повышать эффективность сельского хозяйства. Для Вологодской области, которая находится в зоне рискованного земледелия, проблема повышения продуктивности сельскохозяйственных культур ощутима. Потенциал региона выше, чем реализуется в настоящее время. Об этом говорят статистические данные продуктивности культур. Так, если урожайность зерновых в Вологодской области за последние 5-7 лет редко превосходила 20-23 ц/га, то в Ленинградской области она редко была ниже 30 ц/га. Такая колоссальная разница заставляет искать пути для повышения продуктивности используемых культур. И одним из таких путей может являться использование микробных препаратов. При этом многие ученые неоднократно отмечают важность подбора пар «сорт растения – штамм микроорганизма», которые смогут удовлетворять поставленным целям, а также успешно функционировать в конкретных экологических условиях. Микроорганизмы способны подавлять фитопатогены, синтезировать биологически активные вещества, в том числе фитогормоны, фиксировать азот, повышать мобилизацию фосфора и других элементов минерального питания, что будет оказывать влияние на рост и развитие растений,

– Андрей Платонов определил актуальность проблемы поиска новых препаратов (пробиотиков, биологических добавок нового поколения и т.п.), позволяющих улучшать использование кормовых средств в животноводстве или повышать урожайность в практике растениеводства, –

Многочисленные исследования показывают, что продуктивность КРС на 50-60 % зависит от системы кормления животных. Высокопродуктивные коровы намного требовательнее к условиям кормления по сравнению с животными средней продуктивности. Погрешности в кормлении ведут к возникновению нарушения обмена веществ в организме, что в условиях повышенной функциональной нагрузки приводит к сбою в нейроэндокринной регуляции половых циклов, родовой деятельности, послеродового периода и в результате – к потере воспроизводительной способности и молочной продуктивности. Учитывая, что ежегодное скармливание зеленой массы в корм невозможно, а потребности животноводства требуют повышения эффективности кормов, существуют способы их обогащения с помощью добавок. Включение в сбалансированные рационы пре- и пробиотиков, сорбирующих добавок оптимизирует микробиоценоз кормов и пищеварительного тракта, снижает токсикологическую нагрузку на организм, что усиливает ассимиляционные процессы, проявляющиеся в повышении продуктивности. Продукты жизнедеятельности микроорганизмов давно и эффективно используются в системе кормления сельскохозяйственных животных и птицы. Микроорганизмы – мощный источник получения практически всех аминокислот, кормовой биомассы, микробного протеина, разных ферментных и витаминных препаратов, органических кислот, продуктов брожения, антибиотиков для сельского хозяйства, всевозможных лекарственных препаратов и т.д».

Заведующий лабораторией биоэкономики и устойчивого развития Андрей  Платонов обращает внимание, что «биотехнологии – это одно из важнейших направлений развития экономики Вологодской области. Будущее связано с развитием биоэкономики – экономики экологически чистых товаров и услуг, которые получены с помощью биотехнологий. Вологодская область – один из лидеров по развитию АПК в Северо-Западном округе, биотехнологии будут способствовать повышению эффективности сельскохозяйственного производства. Биотехнологии признаны одним из приоритетов развития экономики Вологодской области, что отражено в разработке регионального стратегического проекта «Вологодская область – Биорегион». Поэтому важное направление работы нашей лаборатории – поиск и оценка перспективных биопрепаратов для растениеводства, кормовых добавок и пробиотиков для животных, сопровождение внедрения биотехнологий в сельское хозяйство».

В Вологодском научном центре РАН в рамках реализации национального проекта «Наука» в конце декабря 2018 года было создано новое структурное подразделение – лаборатория биоэкономики и устойчивого развития. Главная цель: реализация научно-исследовательских проектов, связанных с обеспечением роста экономики и устойчивого развития территорий на основе биотехнологий, обеспечивающих улучшение кормовой базы, повышения эффективности и конкурентоспособности молочного скотоводства.

В лаборатории в настоящее время 10 сотрудников, 9 из них – молодые ученые до 39 лет: трое сотрудников окончили аспирантуру и готовят к защите кандидатские диссертации, двое сотрудников обучается в аспирантуре, двое сотрудников обучается в магистратуре.

Так, в рамках темы НИР «Совершенствование системы кормопроизводства, кормления КРС на основе использования биотехнологий» сотрудники лаборатории в данный момент реализуют два проекта. Первый проект связан с оценкой эффективности скармливания биотехнологической продукции в рационе КРС, в том числе ферментативно-пробиотических препаратов, а второй направлен на повышение продуктивности сельскохозяйственных культур путем использования достижений биотехнологии.

На первых этапах реализации темы были выполнены исследования и испытания микробных препаратов для нужд растениеводства и животноводства научно-производственной компании ООО «Биотроф» (г. Санкт-Петербург).

Так, вологодские специалисты изучили влияние пробиотиков на пищевое поведение и молочную продуктивность дойных коров, применив ферментативно-пробиотические препараты «Целлабактерин+» и «Румит».

«Одним из препаратов нового поколения является ферментный пробиотик «Целлобактерин+». Данная кормовая добавка представляет собой натуральный комплекс живых бактерий на основе культивированных штаммов целюлозолитических бактерий рубца жвачных, расщепляющих клетчатку. Широкий диапазон биологического действия данного препарата объясняется тем, что он объединяет функции двух кормовых добавок: кормового фермента и пробиотика. Как ферментный препарат – повышает усвояемость клетчатки кормов. Как пробиотический препарат «Целобактерин+» подавляет развитие патогенных микроорганизмов и способствует формированию условий для развития полезной микрофлоры в пищеварительном тракте,

 – Андрей Платонов охарактеризовал действие препаратов на организм животных, –

«Румит» – это экспериментальный пробиотический препарат. Он представляет собой ассоциацию выделенных из рубца северного оленя бактерий (родов Bacillus, Bacteroides, Porphyromonas, Pseudomonas и др.). Олени обладают адаптивными возможностями рубца, так как в летний период их рацион состоит из смеси многолетних трав и кустарников, а зимой – на 70 % из лишайников, которые токсичны дня многих животных, в том числе для коров. Следовательно, у оленей в рубце содержатся бактерии с более высокой целлюлозолазной активностью, антогонистическими свойствами в отношении патогенов».

Какие результаты свидетельствуют о положительном влиянии препаратов на пищевое поведение и молочную продуктивность? (как изменился удой, микрофлора пищеварительного тракта, массовая доля жира и белка)?

Как отметил ученый, «в ходе проводимых исследований было определено положительное влияние пробиотиков «Румит» и «Целобактерин+» на продуктивные качества коров. Так опыты с коровами-первотелками в СХПК «Колхоз Передовой» свидетельствуют о том, что при введении в рацион коров исследуемых препаратов среднесуточный удой увеличился по сравнению с контрольной группой на 2,7 и 1,9 кг соответственно. В пересчете на валовой удой у коров опытных групп изучаемый показатель был выше на 207 и 151 кг. Кроме того, хотелось бы отметить, что применение в кормлении подопытных животных пробиотика «Румит» привело к повышению жирномолочности по сравнению с контрольной группой на 0,07 %. При пересчете валового надоя на базисную жирность в опытных группах первотелок данный показатель был выше по сравнению с контролем на 11,3 и 4,7 % соответственно. Целесообразность применения исследуемых добавок в кормлении лактирующих коров подтверждается и экономической эффективностью производства молока. Прибыль от реализации молока была выше в группах животных, получавших дополнительно к основному рациона микробиологические препараты. Дополнительная прибыль, с учетом стоимости рациона и стоимости добавок, в первой и второй группе животных по сравнению с контролем составила 78,0 и 29,5 руб. на голову в сутки».

Животные удовлетворительно усвоили эти препараты и побочных негативных эффектов от их использования выявлено не было. «Дополнительно у коров-первотелок, получавших к основному рациону кормовые добавки «Румит» и «Целобактерин+», отмечены положительные изменения ряда морфологических и биохимических показателей крови. Так, по сравнению с контрольной группой у двух опытных групп коров отмечается повышение содержания в крови эритроцитов на 0,6×1012/л и 0,1×1012/л, гемоглобина – на 11,6 и 3,2 г/л, а также содержание общего белка на 0,7 и 1,0 г/л и альбуминов на 0,2 г/л», – подчеркнул Андрей Платонов.

В рамках работ по изучению эффективности использования пробиотических препаратов в животноводстве эксперимент осуществляли на животноводческих комплексах АО «Племзавод Родина» и СХПК «Колхоз Передовой».

Для этих целей были сформированы 3 группы коров в каждом хозяйстве по 12 голов на первых 100 днях лактации, подобранных методом пар аналогов с учетом кровности, удоя матерей за максимальную лактацию, живой массы, количества дойных дней и суточного удоя по первой лактации. Коровы контрольной группы получали хозяйственный рацион, а коровам опытных групп в обеденное кормление скармливали по 50 г на голову в сутки кормовые добавки «Румит» и «Целобактерин+». Продолжительность скармливания добавок составляла 90 дней. Животные находились в одинаковых условиях кормления и содержания, за исключением изучаемого фактора. Согласно детализированным нормам, все животные в зависимости от живой массы, физиологического состояния, продуктивности и возраста получали основной рацион с учетом химического состава местных кормов. Кормление коров в хозяйстве осуществляется полнорационными кормосмесями. Изучаемые микробиологические препараты вводились в кормосмесь в дневное кормление один раз в сутки.

Другим важным направлением исследований вологодских биологов стала серия лабораторных опытов по оценке эффективности штамма на ростовые и физиологические показатели ячменя и овса. Ученые изучали влияние штамма Pseudomonas sp. GEOT18 на ростовые процессы овса посевного.

Как уточняет Ирина Рассохина, «штамм был выделен сотрудниками кафедры ботаники и микробиологии ЯрГУ им. П.Г. Демидова (г. Ярославль) из стеблевых тубероидов пальчатокоренника. Пальчатокоренник – растение семейства орхидные, а орхидные, как известно, сталкиваются с рядом трудностей в процессе своего роста и развития. Они формируют симбиотические отношения с микроорганизмами с самых ранних этапов онтогенеза, что делает микрофлору их ризосферной части интересной для исследований. Выбор штамма был обусловлен тем, что в предварительных исследованиях была выявлена его способность к синтезу фитогормонов группы ауксинов, а также способность подавлять рост других микроорганизмы».

Каковы итоги работы (влияние на ростовые процессы, продуктивность, структуру урожая)?

«Исследования действия данного штамма на ростовые и физиологические показатели выполняли в рамках гранта для молодых ученых, который был поддержан правительством Вологодской области. Исследования проводились в климатической камере лаборатории Вологодского научного центра РАН. Для исследований был взят не только овес посевной, также объектами исследования стали ячмень обыкновенный и пшеница мягкая. Выбор данных зерновых культур был обусловлен их значительной долей в посевах Вологодской области.

Полученные результаты свидетельствуют о положительном действии штамма на количество корней тест-объектов, площадь их листовой поверхности, сырую и сухую массу, а также содержание хлорофилла. В вегетационный период был поставлен первый полевой мелкоделяночный опыт по оценке эффективности действия штамма на биологическую и хозяйственную продуктивность культур. В настоящий момент исследование продолжается», – поделилась исследователь.

Также было изучено влияние микробиологических препаратов, созданных на основе микроорганизмов Bacillus subtilis, Bacillus megaterium и Lactobacillus buchneri, на ростовые процессы, параметры фотосинтеза и урожайность зерновых культур.

По словам Ирины Рассохиной, «данные микроорганизмы являются основой биологических препаратов компании ООО «Биотроф» (г. Санкт-Петербург): Bacillus subtilis – Натурост, Bacillus megaterium – Наутрост-Актив и Lactobacillus buchneri – Натурост-М. Испытания действия данных препаратов начались в 2019 году и продолжаются в настоящий момент. Были поставлены лабораторные опыты по оценке посевных качеств семян при замачивании их в препаратах согласно инструкции, мелкоделяночные полевые опыты (2019 и 2020 года), а также производственный полевой опыт (2020 год). В качестве объектов исследования использовались ячмень обыкновенный, овес посевной, пшеница мягкая, райграс однолетний, а также многолетняя травосмесь клевера и тимофеевки. Промежуточные результаты свидетельствуют о благоприятном действии исследуемых биопрепаратов на рост и развитие сельскохозяйственных культур региона, а также их биологическую и хозяйственную продуктивность. Так, например, наблюдалось увеличение биомассы укосов опытных вариантов травосмеси клевера и тимофеевки относительно контроля за два года исследований на 13-27 %, зерновая продуктивность увеличивается до 15%.

После подведения итогов производственного испытания будут подробно проанализированы и скорректированы дальнейшие исследования, а в случае получения положительных результатов, биопрепараты будут рекомендованы к использованию хозяйствам региона».

В настоящий момент работа не завершена, но ученые ожидают, что при высоких показателях препараты найдут применение в агропромышленном комплексе.

Касательно дальнейших исследований лаборатории, то, по замечанию заведующего лабораторией Андрея Платонова, «в ноябре этого года будет поставлена система высокоэффективной жидкостной хроматографии фирмы Shimadzu, которая позволит проводить научные исследования по оценке содержания аминокислот и витаминов в биологических материалах, в том числе в кормах. Хроматограф существенно расширит возможности сотрудников, позволит углубить исследования и поставить совершенно новые цели и задачи. Кроме того, хочется отметить, что в 2019 году в лаборатории было закуплено современное автоматическое оборудование для проведения анализов крови животных на гематологические и биохимические показатели».

В пользовании специалистов находятся лабораторные помещения Вологодского научного центра РАН (г. Вологда и с. Молочное), опытное поле СЗНИИМЛПХ – обособленного подразделения ВолНЦ РАН. В этом году в рамках соглашения был поставлен первый полевой производственный опыт на поле СХПК «Колхоз Передовой» (Вологодский район, общая площадь посевов ячменя свыше 150 га). Полевые исследования осуществляются в течение вегетационного периода с мая по сентябрь. Также имеется возможность постановки лабораторных экспериментов при использовании климатической камеры КС-200, в лаборатории эксперимент идет круглогодично, растения выращиваются в контролируемых условиях методами водных и почвенных культур.

Примечательно, что лаборатория биоэкономики и устойчивого развития ФГБУН ВолНЦ РАН ведет активную работу по популяризации биологии и биотехнологий и вовлечением в науку школьников. 

Андрей Платонов отмечает, что «работа со школьниками ВолНЦ РАН происходит в рамках функционирования Научно-образовательного центра, который ведет активную деятельность с 2003 года. С момента становления лаборатории биоэкономики и устойчивого развития начал работу и биокласс. Одной из основных задач является знакомство детей с практической биологией, методами и достижениями биотехнологии, а также формированием у школьников интереса к научной деятельности. Помимо преподавания курса «Введение в микробиологию и биотехнологию» сотрудники лаборатории проводят состязательные мероприятия со школьниками (Биологический турнир школьников) и со студентами (Межвузовская биологическая универсиада). Турнир и универсиада способствуют повышению интереса участников к практическим проблемам биологии, формированию у них связей между «теорией» и «практикой», а также заставляют их искать собственные творческие решения прикладных задач. На наш взгляд, подобные площадки для дискуссий очень помогают школьникам и студентам самореализовываться, находить соратников по увлечениям, а также расширять свои знания и опыт».

Таким образом, научно-хозяйственный и производственный опыт работы ученых Вологодского научного центра РАН направлен на внедрение и развитие биотехнологий, что должно способствовать увеличению производительности сельскохозяйственной сферы в Северо-Западном федеральном округе. Популяризаторская деятельность лаборатории биоэкономики и устойчивого развития способствует продвижению биотехнологической продукции нового поколения и формирует будущие научные кадры.