Научный взгляд: как почвенные микроорганизмы помогают бороться с опустыниванием

Опустынивание – это деградация земли, серьезная проблема для засушливых, полузасушливых и сухих субгумидных регионов. Опустынивание представляет чрезвычайную опасность для местных экосистем и сообществ, поскольку усиливается эрозия почвы и уменьшается запас воды, что приводит к потере биоразнообразия и сельскохозяйственной продуктивности.

В настоящее время существует необходимость в разработке стратегий управления, направленных на сокращение опустынивания и его последствий.

Ученые считают, что почвенные микроорганизмы являются критически важными для выполнения этой задачи: разнообразные сообщества бактерий, грибов, архей и других микроорганизмов влияют на функции экосистемы и устойчивое управление земельными ресурсами.

Опустынивание происходит в результате воздействия различных факторов, в том числе изменения климата и антропогенной деятельности. Повышение температуры, изменение характера осадков и ветров, усиление солнечной радиации и более частые экстремальные погодные явления – вот некоторые из экологических причин. К сожалению, в ближайшие годы прогнозируется усиление всех этих факторов по мере изменения климата, что говорит о том, что опустынивание может стать более актуальной проблемой.

Экологические факторы еще более усугубляются вмешательством человека в мир природы, таким как вырубка лесов, расчистка земель для сельского хозяйства и урбанизации; интенсивное выращивание культур (особенно монокультур); использование химических пестицидов и удобрений и неэффективных, истощающих питательные вещества в почве ирригационных систем;  чрезмерный выпас скота, который вызывает уплотнение почвы и увеличивает вероятность эрозии; добыча полезных ископаемых; чрезмерный забор подземных вод для обеспечения растущего населения планеты.

По мере усиления опустынивания человечество с большей вероятностью ощутит на себе его последствия: утрату биоразнообразия и исчезновение видов; истощение питательных веществ в почве; угрозу продовольственной безопасности и водоснабжению; увеличение количества пыльных бурь, которые ухудшают качество воздуха и негативно сказываются на здоровье людей и животных; миграцию населения, что приведет к социальным и экономическим последствиям.

Микроорганизмы, обитающие в почве, могут стать эффективным решением проблемы опустынивания, поскольку они разлагают органические вещества и влияют на круговорот питательных веществ в окружающей среде, повышая плодородие почвы; способствуют поглощению углерода из атмосферы за счет образования гумуса, что дополнительно улучшает удерживание питательных веществ и воды; стабилизируют почву для борьбы с эрозией за счет симбиотических отношений с корнями растений; поддерживают биоразнообразие.

Почвенные микроорганизмы оказывают значительное влияние на доступность азота и фосфора для поддержания продуктивности растений даже в бедных питательными веществами почвах.

Азотфиксирующие почвенные бактерии, такие как Rhizobium и Bradyrhizobium, превращают атмосферный азот в аммиак, который усваивается растениями в виде ионов аммония. Горох, фасоль и другие бобовые растения образуют симбиотические связи с азотфиксирующими бактериями в своих корневых системах, поэтому они могут быть важными культурами для выращивания в засушливых регионах. Симбиотические грибы увеличивают доступность питательных веществ и воды для корневой системы, что способствует ее росту.

Стратегическое применение почвенных микроорганизмов по всей планете уже оказало заметное влияние на борьбу с опустыниванием. В частности, они используются: при восстановлении мест добычи полезных ископаемых, например, в индийском хребте Аравалли, для стимулирования роста пионерных видов, обеспечивающих последующий рост растительности, а также для стимулирования увеличения устойчивых к металлам бактерий, способных обезвреживать загрязненную тяжелыми металлами почву; для восстановления пастбищ в Лёссовом плато в Китае; в полузасушливом регионе Сахель в Африке; в проекте оазиса Аль-Айн в пустыне Объединенных Арабских Эмиратов (здесь наблюдается улучшение удержания воды в почве благодаря целенаправленному применению почвенной микробиоты).

Использование сообществ микроорганизмов на конкретном участке почвы повышает вероятность преодоления стрессовых факторов окружающей среды. Тем не менее подбор микроорганизмов для каждого участка крайне важен, так как сообщества могут по-разному реагировать на различные типы почв и климатические условия, а также взаимодействовать с местными почвенными микроорганизмами.

Во Всероссийском центре карантина растений Россельхознадзора (ФГБУ «ВНИИКР») проводится изучение метагеномов культурных растений, позволяющее оценить комплекс микроорганизмов, влияющих на здоровье растений и получение урожая. Оборудование для высокопроизводительного секвенирования, применяемое в ФГБУ «ВНИИКР», помогает решать самые актуальные научные и практические задачи.

Источник: Waqar Islam et al. Unlocking the potential of soil microbes for sustainable desertification management. Earth-Science Reviews, 2024. URL: https:doi.org/10.1016/j.earscirev.2024.104738.