Наши пресные озера богаты жизнью. Многочисленные растения стелются по поверхности воды, пронизывают всю ее толщу, скапливаются клубками на дне.
В грунте и в воде обитают мириады существ. Каждую осень значительная часть растений и животных умирает и опускается на дно. Сюда же попадают сносы с берегов.
И здесь, на дне, в результате сложного и длительного биохимического процесса образуется ценнейший природный концентрат - сапропель.
Часто сапропели путают с донными илами. Но эти отложения различны и по составу, и по своим свойствам.
Донные илы - это все, что сносится в водоем с берегов и откладывается по течению рек, ручьев, сильно проточных озер. Сапропели же образуются только в озерах, стоячих или со слабыми течениями. Встречаются озера, где на дне откладываются и илы, и сапропели. В донных илах обычно содержится до 15 процентов органических веществ, в сапропелях же - до 96. Различны и физические свойства. Высохший донный ил рассыпается в порошок, высушенный сапропель превращается в камень.
Если влажный сапропель проморозить, а затем высушить, он становится рассыпчатым.
Запасы сапропеля в нашей стране велики. По прогнозам ученых, в озерах РСФСР накоплено 230 миллиардов кубических метров сапропеля (из них в Нечерноземье - 50), в Литве - 10,5, Эстонии - 3,5, Белоруссии - 3, Латвии - 2,5, в украинских озерах - 0,5. Есть сапропель и в Колхидской низменности.
Он очень ценен как удобрение (кстати, его вносили на поля еще в средние века), так как содержит почти все необходимые для развития растении вещества. Он применяется и в ветеринарии. Некоторые виды сапропелей пригодны как минерально-витаминная подкормка для всех видов сельскохозяйственных животных. Для всего этого хозяйству требуется сравнительно немного сапропеля - десятки, в крайнем случае, сотни тонн.
В значительно больших объемах сапропели используются сейчас для улучшения малопродуктивных и бросовых земель при очистке заиленных водоемов. Выгода здесь двойная: обновляется озеро, практически потерявшее свою ценность, и вовлекаются в хозяйственный оборот малопродуктивные и бросовые земли, расположенные вдоль берегов.
Еще одна активно разрабатывающаяся наукой область - биологическая фиксация азота, изучением которой много занимался почвенный микробиолог академик Е. Н. Мишустин.
Издавна ученые полагали, что существует всего несколько видов бактерий, усваивающих азот из воздуха.
За последние 10-15 лет такая способность обнаружена у многих самых различных микроорганизмов. Следовательно, если агротехника сумеет учитывать "интересы"
этих мельчайших существ, их многочисленная рать будет исправно работать на урожай, пополняя запасы азота.
В почве есть и разнообразные свободноживущие азотфиксирующие микроорганизмы, которые также благотворно действуют на ее плодородие.
При сегодняшней структуре посевных площадей в СССР клубеньковые бактерии, сожительствующие с бобовыми культурами на пашне, усваивают около 2,3 миллиона тонн атмосферного азота. Половина его идет в урожай, а другая половина с пожнивными и корневыми остатками запахивается в почву. Свободноживущие азотфиксаторы на каждом гектаре связывают в среднем 15-20 килограммов молекулярного азота в год. Следовательно, на всей пахотной площади страны фиксируется - если ориентироваться на минимальную цифру в 15 килограммов - около 3,4 миллиона тонн. Таким образом, общий вклад "биологического" азота доходит до 5,7 миллиона тонн. Это близко к тому, что дает полям промышленность. Конечно, выпуск минеральных удобрений будет нарастать. Но если усилить внимание к бобовым культурам, то поступление "биологического" азота можно в недалеком будущем увеличить в 1,5-2 раза.
Однако судьба поступающих в почву органических и минеральных азотсодержащих веществ неодинакова.
Органические соединения азота, находящиеся в корневых и пожнивных остатках бобовых растений (около 1,2 миллиона тонн) минерализуются постепенно. Урожай следующего года использует около трети их. За последующие два-четыре года минерализуется и становится доступным растениям еще 20 процентов азота растительных остатков.
Азот, который усваивается свободноживущими микроорганизмами (около 3,4 миллиона тонн), накапливается в почве постепенно, в течение вегетационного периода, и может быть использован растениями лишь после отмирания микробов, процесса также постепенного. Этот источник азота - своего рода аккумулятор почвенного плодородия, за вегетационный период растениям становятся доступными от шести до десяти процентов ассимилированного свободноживущими микробами азота.
Вернемся снова к бактериям, образующим клубеньки на корнях бобовых культур. Долгие годы считалось, что вне организма растения они фиксировать молекулярный азот не могут. Новейшие исследования с абсолютной точностью установили, что это не так. Выяснилось также, что, хотя они избирательно относятся к растениям (предпочитают корни только сои или клевера, люцерны или люпина), их можно заставить поменять "хозяина".
Сейчас в Институте микробиологии Академии наук СССР развернуты исследования по экспериментальной селекции клубеньковых бактерий. Выведены культуры микроорганизмов, наиболее эффективно "сотрудничающих" с люцерной. Обрабатывая ими семена перед посевом, удавалось получать высокие урожаи зеленой массы.
Предпосевное "заражение" семян бобовых растений соответствующими микроорганизмами (эту операцию называют нитрагинизацией) имеет чрезвычайно важное значение: урожаи поднимаются на двадцать и более процентов. Если же в почве нет соответствующих клубеньковых бактерий, то без обработки семян вообще нельзя вырастить бобовую культуру. Мало того, сейчас накапливаются данные, что в результате нитрагинизации растения становятся более устойчивыми к заболеваниям, лучше переносят неблагоприятные условия.
Трудно переоценить роль клубеньковых бактерий и их "хозяев" - бобовых культур в повышении плодородия и улучшении структуры почв, в уменьшении вредных воздействий азотных удобрений на природу. Однако нитрагин препарат клубеньковых бактерий для предпосевной обработки семян выпускается у нас в очень малых количествах. Сама жизнь, развитие техники, состояние среды требуют уделить большее внимание посевам бобовых и расширению производства нитрагина.
В сельском хозяйстве сейчас ставится задача расширить посевы и значительно увеличить производство бобовых - особенно зернобобовых культур, богатых белком. Если зерно злаков содержит его обычно 9-12 процентов, то бобовых - от 20 до 40 процентов, а иногда и больше. Втрое богаче белком и стебли этих растений.
Легко усвояемый белок бобовых содержит ряд незаменимых аминокислот.
Стоимость же этого белка невысока. По примерным подсчетам, производство одной его тонны обходится в 150-200 рублей, а белка зерновых - 500-700. Для сравнения: тонна микробного кормового белка, производимого промышленностью, сейчас обходится приблизительно в 1000 рублей, хотя при совершенствовании технологии затраты можно существенно снизить. Бобовые культуры не только обеспечивают себя азотными соединениями, но и накапливают их в почве в составе удобряющих ее растительных остатков.
Пока еще посевы и производство бобовых у нас явно недостаточны. Они занимают лишь 11 процентов пахотной площади (в США - 26 процентов).
Значение бобовых в кормовом рационе у нас пока невелико. Растениеводство страны дает около 63 миллионов тонн белка в год, из них на долю бобовых культур приходится 11 миллионов. Из всего производимого белка примерно 6 миллионов тонн идет в пищу, около 48 миллионов тонн скармливается животным. В основном же скот у нас кормится злаковыми культурами, бедными белком.
На передний план все больше выдвигается биология сельскохозяйственных растений и животных. В агрономической науке происходит сейчас крутой поворот. Если раньше ученых интересовали главным образом методы возделывания растений, которые обеспечили бы наилучший урожай (правильный способ размещения посевов, сроки высева, обработка почвы, технологические операции по ее возделыванию, время уборки, переработки и т. д.), то теперь положение иное. С развитием генетики и селекции стало возможным направленно выводить сорта, обладающие невиданными ранее свойствами, и прежде всего сорта, чья продуктивность резко возрастает, если улучшить условия минерального питания.
Другая задача, ждущая своего решения и требующая объединения усилий представителей разных наук, - изучение физиолого-биохимической сущности тех процессов, которые позволяют достичь максимально возможных урожаев. То, как различные сорта реагируют на минеральное питание, зависит, судя по всему, от генетических свойств растений, от их наследственной программы. Реализуется эта программа на разных уровнях организации клеток и организма в целом (проницаемость клеток корня, скорость и эффективность фотосинтеза в клетках зеленого листа, эффективность перемещения веществ по растению, уровень ферментных спстем, ведущих синтез нужных человеку веществ белков, жиров, углеводов и т. д.).
Каждый из этих уровней изучается сейчас представителями разных дисциплин. Но только объединенными усилиями селекционеров и генетиков, с одной стороны, и агрохимиков, физиологов, биохимиков, специалистов по защите растений - с другой, можно будет создать продуктивные сорта, способные с высокой эффективностью использовать солнечную энергию и питательный режим высокоокультуренных почв и давать урожаи - для пшеницы 100-120-150 центнеров с гектара, для кукурузы - 130-150 центнеров.
Здесь резко возрастает роль молекулярной биологии, так как принципиальное улучшение растений возможно только с помощью молекулярно-генетических методов - введения в геном растения фрагментов наследственной программы, определяющей лучшее усвоение элементов питания, выработку заданных человеком веществ.
По-прежнему требует особого внимания проблема повышения плодородия почвы. Ведь если, например, хотят удвоить урожаи, то необходимо удвоить и интенсивность круговорота веществ. Добиться этого можно, увеличив внесение органических и минеральных удобрений. При этом обнаруживается, что первые зависят от вторых.
С ростом минеральных удобрений будет повышаться урожайность, усиливаться обмен веществ в почве, увеличиваться количество кормов, возрастет продуктивность животноводства и как побочный продукт животноводства увеличится количество органических удобрений.
Биология почв помогает понять механизм регулирования биогенного круговорота, превращения минерального питания в органическую массу растений. Ведь плодородие почвы определяется не только динамикой питательных веществ, вносимых в почву, но и обменом веществ, совершающимся в самой почве благодаря биологическим процессам. И для того чтобы это развитие проходило в оптимальном режиме, надо, чтобы почва имела хорошие физико-химические свойства, имела, скажем, агрономически оптимальную структуру, оптимальный водный режим.
Преимущества социалистической системы ведения сельского хозяйства, многофакторная стратегия интенсификации агропромышленного комплекса служат предпосылкой рационального использования природных ресурсов, прогрессивных форм организации производства, достижений науки и техники, а следовательно, и значительного повышения, пользуясь словами К. Маркса, эффективного плодородия земли.
Агроценоз построен человеком
В последние два десятилетия ученые активно работали над созданием принципиально новых биосистем, не имеющих аналогов в природе. Речь идет главным образом о гидропонике и о биотехнологии выращивания микробов. Реальная задача, которую перед собой ставит микробиологическая промышленность, - ликвидировать тот хронический белковый дефицит, который почти во всем мире свойствен кормам домашних животных. В среднем он составляет около четверти необходимого белка в рационе скота, а такие отрасли животноводства, как птицеводство или продуктивное рыбное хозяйство, вообще невозможны без обеспечения высокобелковыми кормами.
Именно здесь надежды связываются с микробиологической промышленностью, цель которой - выращивание микробов - продуцентов белка (дрожжей, водорослей, грибов, бактерий) - в заводских условиях.
Выращивая микробы на отходах сельскохозяйственного производства (солома, ботва, другие неиспользуемые части сельскохозяйственных растений), производства спирта, целлюлозы, молочных продуктов и т. д., получают микробную биомассу, исключительно богатую белком, витаминами, ферментами. Достаточно сказать, что килограмм всем известных сухих пищевых дрожжей содержит столько же белка, сколько 3 килограмма мяса.
Сегодня в нашей стране микробиологическая промышленность ежегодно вырабатывает около миллиона тонн дрожжей, свыше 100 видов других продуктов.
Промышленная микробиология действует в содружестве с биоорганической химией, биофизикой, физиологией человека, животных и микроорганизмов, молекулярной биологией и генетикой. Прочный сплав этих наук с микробиологическим и биохимическим производством и составляет основное содержание того нового явления, которое получило обобщенное название биотехнологии.
"Эта область, - говорил президент Академии наук СССР А. П. Александров на XXVI съезде КПСС, - в ближайшие годы станет играть особенно важную роль - уже осуществляется производство многих видов лекарственных препаратов, кормовых и пищевых веществ, новых видов соединений, синтезирующихся пока только в живых организмах".
Индустрия живых клеток призвана превратить микробов в производителей продуктов в огромных количествах - не в граммах и килограммах, а в тысячах, сотнях тысяч и даже миллионах тонн - в этом и заключается принципиальная новизна производства пищевых продуктов без традиционного сельского хозяйства.
В нашей стране вступают в строй все новые крупные заводы микробиологического синтеза. Можно только удивляться тому, что все это огромное богатство человек создает при помощи мельчайших существ микробов.
Не менее поразительно и другое. Большинству микробиологических предприятий, которые выращивают и вскармливают миллиарды микроскопических живых организмов, в основном не требуются для этого ни пищевые, ни кормовые продукты сельского хозяйства. Напротив, микробиологическая промышленность в качестве сырья для производства ценнейших кормовых и пищевых веществ использует такие ресурсы солнечной энергии, глубоко законсервированные в природе в виде соединений углерода и водорода, которые никогда ранее в истории человечества не использовались для подобных целей.
В конце 1963 года начали действовать первые опытные, а затем и опытно-промышленные установки по производству дрожжей на очищенных жидких парафинах нефти. Установлено, что дрожжи, выращиваемые на углеводородах нефти, по своему составу и благотворному действию на животных не уступают, а даже превосходят дрожжи, вырабатываемые из Сахаров растительного сырья (гидролизатов древесины, сульфитных щелоков, мелассы).
Новые перспективы открывает перед человеком и широкое использование гидропоники - выращивание сельскохозяйственных растений на полностью искусственной питательной среде, зачастую в условиях искусственного подогрева и искусственного освещения. Такое круглогодичное, круглосуточное выращивание растений автоматизировано, оно не зависит от почвенных и климатических условий, оно может развиваться далеко на Севере или среди пустыни, где погодные условия исключают выращивание растений под открытым небом. На практике это выглядит так. В бетонные лотки, заполненные не почвой, а мелкими камешками или пластмассовыми шариками, по трубам к корням растений автоматически поступает питательный раствор, затем раствор откачивается и к корням периодически поступает кислород.
Гидропоника знаменует собой качественно новый этап развития тепличного хозяйства и позволяет выращивать овощи, ягоды, некоторые кормовые культуры в многоярусных теплицах, которые можно размещать и на верхних этажах больших зданий в городах. Так что и в городе можно будет получать сельскохозяйственную продукцию и обеспечивать круглый год население луком, огурцами, помидорами, перцем и другими овощами.
В целом гидропонные методы позволяют получать урожаи в пять раз большие, чем дают на юге лучшие поливные почвы.