Биологические препараты микробной природы как инструмент формирования потребительских свойств растительного сырья

Одними из приоритетных направлений, определяемых «Стратегией научно-технологического развития Российской Федерации», утвержденной указом Президента РФ № 642 от 1 декабря 2016 года, являются переход к высокопродуктивному и экологически чистому агрохозяйству, разработка и внедрение систем рационального применения средств биологической защиты сельскохозяйственных растений, хранение и эффективная переработка сельскохозяйственной продукции, создание безопасных и качественных продуктов питания [1].

Хлебобулочные изделия, являются продуктами питания массового спроса. Потребительские свойства продуктов питания формируются на всех этапах их производства. Для хлебобулочных изделий формирование потребительских свойств происходит в интегрированной системе: агропредприятие зернового направления – предприятие по хранению зерна – мукомольный завод – хлебозавод. В связи с этим, актуальна разработка методологии целенаправленного формирования потребительских свойств хлебобулочных изделий на всех этапах интегрированной системы. Фор- мирование потребительских свойств может идти по 2 направлениям: регулирование качества зерна и муки путем обработки биологическими препаратами микробной природы с целью защиты от микробиологической порчи и индукции собственной резистентности, и повышение пищевой и физиологической ценности готовых изделий, путем внесения биологических препаратов растительной природы.

На сегодняшний день для биоконтроля фитопатогенов применяются несколько подходов. Традиционный способ – использование таких химических веществ, как синтетические пестициды (в том числе фунгициды, бактерициды, вируциды, нематоциды и инсектициды). Несмотря на достаточно высокую эффективность синтетических пестицидов, их применение часто ассоциируется с загрязнением окружающей среды и потенциальным риском для здоровья человека и животных. Более того, ряд фитопатогенов вирусной и бактериальной природы нечувствителен к доступным на рынке препаратам, а некоторые патогенные грибы, нематоды, акариды и насекомые могут со временем приобретать устойчивость, что позволяет им переносить большие дозы синтетических пестицидов без значительных повреждений. Альтернативным подходом является применение биопрепаратов, к преимуществу которых, по сравнению с обычными синтетическими пестицидами относят меньшую токсичность и направленность на конкретную цель и близкородственные организмы (в то время как синтетические пестициды широкого спектра действия могут одновременно влиять на разные организмы, такие как насекомые, птицы, млекопитающие). Биопрепараты также часто эффективны в небольших количествах и быстро разлагаются, что позволяет избегать проблемы загрязнения окружающей среды. Применение биопрепаратов совместно с синтетическими пестицидами позволяет в некоторых случаях значительно снизить расход последних.

Одним из наиболее широко применяемых на сегодняшний день видов биопрепаратов являются препараты микробной природы. На рынке представлено значительное количество биопрепаратов, предлагаемых для биологической защиты растений. Суть биологической защиты – в использовании штаммов микроорганизмов, подавляющих развитие патогенов, но при этом не вредящих объекту обработки. Биопрепараты микробной природы могут применяться не только для защиты растений во время вегетации и во время сбора урожая и его хранения. Разработчики биопрепаратов заявляют, что возможны различные механизмы действия или их сочетания: конкуренция за пространство и питательные вещества между биоагентами и фитопатогенами, паразитизм, антибиоз (выделении биоагентом антимикробных веществ в окружающую среду), ускорение роста растений, индукция резистентности в обрабатываемом растении (активация естественных защитных механизмов) [2].

Анализ научно-исследовательской литературы свидетельствует об актуальности исследований в сфере применения микроорганизмов для борьбы с заболеваниями растений.

В работе [3] показана возможность использования морских дрожжей Debaryomyces hansenii BCS003 для биоконтроля фитопатогенных грибов (Mucor circinelloides, Aspergillus sp., Fusarium proliferatum и Fusarium subglutinans), а также для предотвращения накопления микотоксинов в зерне кукурузы.

В работе [4] установлено, что дрожжи Pichia anomala обладают антагонистическими свойствами по отношению к ряду плесневых грибов (например, Penicillium roqueforti), и их применение позволяет повысить устойчивость зерна пшеницы при хранении.

В работе [5] авторы изучали способность некоторых растительных экстрактов и биоагентов подавлять развитие плесневого гриба Aspergillus flavus и накопление афлатоксина В1 (AFB1) в зерне риса. Помимо прочего было установлено, что культуральный фильтрат бактерий Rhodococcus erythropolis полностью ингибировал синтез AFB1 в концентрации 25 мл/кг. Другие биологические агенты – бактерии Pseudomonas fluorescens, гриб Trichoderma virens и бактерии Bacillus subtilis – продемонстрировали способность подавлять рост A. flavus на 93,0%, 80,0% и 68,0%, а также снижать накопление AFB1 на 83,7%, 72,2% и 58,0% при концентрации 200 мл/кг, соответственно.

Серьезной проблемой для сельского хозяйства является фузариоз колоса зерновых (пшеницы, ржи, ячменя, овса и тритикале), вызываемый грибами рода Fusarium (в первую очередь, F. graminearum). Известно множество работ, посвященных поиску биоагентов для борьбы с этим заболеванием. Сократить частоту возникновения фуза-риоза и тяжесть протекания удавалось с применением бактерий Bacillus spp. [68], Pseudomonas spp. [9-10], Streptomy-ces spp. [11] и Lysobacter spp. [12], а так же грибов Cryptococcus spp. [6,8,13] и Clonostachys spp. [14-17].

На международном рынке известен препарат для защиты зерновых от фуза-риоза колоса – биологический фунги- цид Polyversum, созданный на основе Pythium oligandrum ATCC 38472.

Подавить развитие F. graminearum и накопление микотоксинов в зерне при хранении, по данным [18], позволяло применение бактерий B. amyloliquefaciens WPS4-1. В работах [19,20] показано, что молочнокислые бактерии также способны ингибировать рост F. graminearum в зерне.

Таким образом, существует значительное количество микроорганизмов для биологической защиты растений (и зерна в том числе). Но особый интерес на наш взгляд представляют бактерии Bacillus subtilis, что связано с рядом их свойств.

Bacillus subtilis (сенная палочка) – вид грамположительных спорообразующих бактерий широко распростра-неных в природе. Основное местообитание – почва. Поселяется на корнях растений, что является примером взаимовыгодных отношений, так как в процессе жизнедеятельности выделяет в окружающую среду антимикробные вещества для борьбы с другими микроорганизмами-конкурентами, в том числе и с фитопатогенами.

По данным [21], сенная палочка продуцирует 66 антимикробных веществ. Среди них – такие антибиотики, как бацитрацин, полимиксин, диффицидин, субтилин, микобациллин. Сенная палочка также синтезирует многие ферменты (амилаза, протеаза, пуллуланаза, хитиназа, ксиланаза, липаза и другие), в результате чего используется в промышленности для их получения.

Для человека и животных Bacillus subtilis не патогенна: согласно санитарно-эпидемиологическому правилу СП 1.3.2322-08 «Безопасность работы с микроорганизмами III - IV групп патогенности (опасности) и возбудителями паразитарных болезней» (приложение № 1), Bacillus subtilis не относится к патогенным для человека микроорганизмам.

Она может вызывать порчу некоторых продуктов питания (например, картофеля), но это редко приводит к пищевым отравлениям. Применяется в Японии для производства натто – сброжен- ных соевых бобов (содержит до 108 живых клеток Bacillus subtilis на грамм). Известно также о применении некоторых штаммов Bacillus subtilis в медицине и ветеринарии в качестве пробиотиков и в составе БАД. Например, в России зарегистрированы такие лекарственные препараты, как «Бактиспорин», «Биоспорин» и «Споробактерин». В животноводстве, птицеводстве и рыбоводстве применяется пробиотик Субти-лис. Данные препараты предлагается использоваться для подавления роста патогенных и условно патогенных микроорганизмов при бактериальных инфекциях желудочно-кишечного тракта (дисбактериозах).

Конечно, возможность применение Bacillus subtilis для биоконтроля заболеваний растений известна уже достаточно давно. Из множества присутствующих на рынке биопрепаратов можно указать, например, препарат Serenade Optimum компании Bayer Crop Science New Zealand, который содержит штамм Bacillus subtilis QST 713. Производитель заявляет, что препарат обладает анти-грибным и анти-бактериальным действиями, а также стимулирует естественные защитные механизмы в растениях. А работа [22] посвящена изучению возможности применения этого препарата для защиты пшеницы от патогена Puccinia striiformis.

Но различные штаммы микроорганизмов одного вида могут обладать различными свойствами. В связи с этим представляет интерес изучить возможность применения новых штаммов Bacillus subtilis, используемых в таких зарегистрированных в России биопрепаратах для защиты растений, как, например, Алирин (штамм В-10 ВИЗР), Витаплан (смесь штаммов ВКМ В-2604D и ВКМ В-2605D), Гамаир (штамм М-22 ВИЗР), Бактофит (штамм ИПМ-215), для защиты зерна пшеницы при хранении.

Проведенный анализ позволил сделать вывод о том, что исследования в области разработки формирования качества зерна и муки с использованием биологических препаратов микробной природы актуальны и перспективны.