От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день - Анастасия Волчок
Большая проблема, связанная с пестицидами, кроется в их способности мигрировать в природе и накапливаться там, где мы меньше всего ожидаем. Те из них, что устойчивы к разложению, включаются в самые разные миграционные цепи и перемещаются в пространстве с воздушными и водными потоками или с помощью животных. Липофильные вещества легко проникают в живые организмы и накапливаются в жировых тканях. Именно поэтому пестициды находят не только в овощах и фруктах, но также в мясе или в молоке.
Двигаясь по пищевым цепям, химикаты от маленьких животных переходят к более крупным хищникам. Например, от рыбы к тюленям, а затем – к белым медведям. У птиц пестициды истончают яичную скорлупу и повреждают эмбрионы. Американский биолог и борец за безопасность окружающей среды Рейчел Карсон в 1962 г. выпустила книгу-бестселлер «Безмолвная весна», где уделялось большое внимание уменьшению популяций пернатых из-за бесконтрольного применения инсектицида ДДТ. Ее труд заложил основу общественного движения, которое в конце концов добилось запрета на продажу этого химиката в США.
Понимая необходимость ухода от пестицидов, ученые пытаются разработать новую систему землепользования, которая смогла бы обеспечить людям достаточные урожаи без обращения к химическим средствам защиты растений. Очевидно, что в рамках такой системы на смену агрохимикатам должна прийти экологичная альтернатива, с ролью которой вполне могут справиться биологические препараты на основе микроорганизмов. Пока они занимают лишь небольшую долю на рынке, но их продажи год от года растут, так как тренд на натуральность пищевых продуктов не теряет силы. И если раньше их эффективность была мало исследована, сейчас она уже не вызывает сомнений.
То, что некоторые микробы синтезируют вещества с фунгицидным, антибактериальным или инсектицидным действием, известно уже давно. А одним из первых, кто придумал, как применить это знание, был российский биолог Илья Ильич Мечников. Работая в Одесском университете в 1879 г., он занимался разработкой бактериальных препаратов против вредителей зерновых: грызунов и хлебного жука. Тогда это было смелым новаторством, сейчас же на рынке можно найти биозащиту на любой вкус:
● противомикробные и противогрибковые смеси (в их основе часто можно встретить грибы рода Trichoderma и бактерии родов Pseudomonas и Bacillus, а еще бактериофаги[41]);
● инсектициды (с насекомыми прекрасно борются почвенные бактерии Bacillus thuringiensis, аскомицеты Lecanicillium lecanii, грибы родов Beauveria и Metarhizium, а также разнообразные вирусы – их получают, перерабатывая зараженных насекомых);
● гербициды (грибы Myrothecium verrucaria, Phoma macrostoma, Streptomyces acidiscabies помогают уничтожать сорняки).
Их эффективность не так высока, как у химических ядов. Зато они не вредят окружающей среде.
Главный ингредиент всех сельскохозяйственных биопрепаратов этого сегмента – живые культуры микроорганизмов. Чтобы приготовить биологическую замену пестициду, ученые выбирают подходящие штаммы, выращивают их на питательной среде, готовят из живых микробных клеток концентрат, пасту или порошок – и можно проводить обработку. Большой плюс биофунгицидов и биоинсектицидов в их высокой селективности. Они действуют на узкий спектр болезней или насекомых, и внесение их в биосферу не нарушает природного баланса микроорганизмов, а устойчивость к биопрепаратам у вредителей формируется крайне редко.
Новое направление в области создания биопестицидов – пептидные технологии. В этом случае в лаборатории сперва культивируют микробные штаммы, а потом выделяют из них белки, подавляющие рост фитопатогенов.
Помимо пестицидов у поборников чистого сельского хозяйства есть еще один заклятый враг – минеральные удобрения. Да-да, они, как и пестициды, не приносят окружающей среде никакой пользы. Помогая растениям в моменте, при длительном использовании химически синтезированные препараты разрушают почвенный микробиом и обедняют землю. Из-за активной минерализации в почве перестает накапливаться гумус, который удерживает в ней полезные микроэлементы (кальций, магний, цинк, медь), а кислотность земли все время увеличивается. Из-за минеральных удобрений страдают и подземные животные: черви, личинки насекомых и т. д. Для здоровья человека азотные удобрения опасны только при бесконтрольном расходовании. Если перекормить ими культуру, она накопит в себе азот в виде нитратов, которые при чрезмерном употреблении могут вызвать гипоксию тканей[42].
Минеральные удобрения плохи еще и тем, что дождь быстро вымывает их из обработанного грунта. Азот и фосфор из удобрений попадают в грунтовые воды, а затем – в водоемы. Вода там превращается в питательный бульон, и в ней начинают усиленно расти водоросли, которые выделяют метан и поглощают кислород. Рыбе в таких условиях становится нечем дышать, она чаще болеет, меньше живет, и численность многих видов снижается[43]. Иногда и сами водоросли травят подводную фауну. «Красный прилив» во Флориде (так называют цветение воды, когда разрастание фитопланктона видно по изменению цвета моря) в 2018 г. длился 11 месяцев и привел к смерти сотен морских черепах и ламантинов. Причиной стали микроскопические Karenia brevis, синтезирующие опасный для животных бреветоксин. Массовая гибель рыб из-за разрастания микроводорослей не раз регистрировалась в Китае или на Аляске, а в 2020 г. настоящая экологическая катастрофа произошла на Камчатке. Загрязненными там оказались более 350 км побережья, а всплеск роста других динофитовых водорослей, Karenia selliformis, привел к гибели тысяч морских обитателей. Люди находили на берегу множество трупов нерп, крабов, осьминогов и моллюсков. Пострадали также несколько десятков серферов и дайверов: они получили ожоги глаз и жаловались на плохое самочувствие, рвоту, сыпь, судороги и кашель[44].
Заменить минеральные удобрения можно либо органическими подкормками, например навозом, либо биоудобрениями, которые, как и биопестициды, состоят из микробов. У навоза при этом есть свои недостатки: он закисляет грунт и часто содержит множество возбудителей заболеваний, включая туберкулезную палочку и сальмонеллу, а при обильных прикорневых подкормках может «сжечь» посадки, так как при перепревании навоз сильно нагревается. Микробные удобрения в этом плане более безопасны, так как их состав заранее известен: в них содержатся полезные микробы из почвы, которые помогают растениям питаться и повышают их защитные функции.
Именно тесной связью растений с почвенными микроорганизмами объясняется эффективность бактериальных или грибковых удобрений. Эта дружба формировалась на протяжении миллионов лет эволюции и в жизни растений играет очень большую роль. В зависимости от того, с какими микробами растения вступают в симбиоз, могут меняться и эффективность извлечения ими питательных веществ из почвы, и уровень синтеза растительными клетками различных соединений. Одним словом, бактерии и грибы вступают во взаимоотношения с растениями так же, как в контакт с нами вступают микроорганизмы, обитающие на поверхности и внутри нашего собственного тела. В какой-то степени почва – «кишечник» нашей планеты, и его здоровье важно поддерживать. Для этой цели и нужны биоудобрения[45].
Однако для производства действенных
