14.3 Защита растений от патогенов в аквапонике
В настоящее время практикующие аквапоники, работающие с соединенной системой, относительно беспомощны против болезней растений, когда они происходят, особенно в случае корневых патогенов. Ни пестицид, ни биопестицид не разрабатываются специально для использования в аквапонике (Rakocy 2007; Rakocy 2012; Somerville et al. 2014; Bittsanszky et al. 2015; Sirakov et al. 2016). Короче говоря, до сих пор отсутствуют лечебные методы. Только Somerville et al. (2014) перечисляют неорганические соединения, которые могут быть использованы против грибов в аквапонике. В любом случае, надлежащая диагностика возбудителя (ов), вызывающего (ых) заболевание, является обязательной для определения цели (ов) лечебных мероприятий. Этот диагноз требует хорошей экспертизы с точки зрения возможностей наблюдения, понимания цикла возбудителей растений и анализа ситуации. Однако в случае общих (не специфических) симптомов и в зависимости от требуемой степени точности часто необходимо использовать лабораторные методы для подтверждения гипотезы в отношении возбудителя (Lepoivre 2003). Postma et al. (2008) проанализировали различные методы обнаружения патогенов растений в гидропонике и определили четыре группы:
Прямое макроскопическое и микроскопическое наблюдение за патогеном
Выделение патогена
Использование серологических методов
Использование молекулярных методов
14.3.1 Небиологические методы защиты
Надлежащая сельскохозяйственная практика (ГАП) для борьбы с патогенами растений представляет собой различные меры, направленные на ограничение заболеваемости сельскохозяйственными культурами как с точки зрения урожайности, так и качества продукции (ФАО 2008). GAP, переносимые на аквапонику, по существу являются нелечебными физическими или сельскохозяйственными методами, которые можно разделить на профилактические меры и водоочистку.
Профилактические меры
Превентивные меры преследуют две разные цели. Первая заключается в том, чтобы избежать попадания патогена в систему, а вторая — ограничить (i) инфекцию растений, (ii) развитие и (iii) распространение патогена в период вегетации. К числу превентивных мер, направленных на недопущение попадания первоначального инокула в теплицу, относятся, например, период залегания, конкретное помещение для санитарии, санитария помещений (например, удаление растительного мусора и дезинфекция поверхности), специальная одежда, сертифицированные семена, конкретное помещение для прорастания растений и физическая барьеры (против переносчиков насекомых) (Стэнгеллини и Расмуссен 1994; Джарвис 1992; Альбахес и др. 2002; Сомервилль и др. 2014; Парвата Редди 2016). Среди наиболее важных методов, используемых для второго вида профилактических мероприятий, можно назвать использование устойчивых сортов растений, дезинфекцию орудий, предотвращение абиотических стрессов растений, хорошее расстояние между растениями, предотвращение развития водорослей и управление экологическими условиями. Последняя мера, т.е. регулирование экологических условий, означает контроль всех параметров парниковых газов в целях предотвращения или ограничения заболеваний путем вмешательства в их биологический цикл (там же). Как правило, в крупномасштабных теплицах используются компьютерное программное обеспечение и алгоритмы для расчета оптимальных параметров, позволяющих как растениеводству, так и борьбе с болезнями. К числу измеряемых параметров относятся, в частности, температура (воздуха и биогенного раствора), влажность, дефицит давления паров, скорость ветра, вероятность росы, влажность листьев и вентиляция (там же). Практик действует на эти параметры, манипулируя отоплением, вентиляцией, затенением, дополнением огней, охлаждением и туманованием (там же).
Обработка воды
Физическая обработка воды может быть использована для борьбы с потенциальными возбудителями воды. Фильтрация (размер пор менее 10 мкм), термообработка и УФ-обработка являются одними из наиболее эффективных способов устранения патогенов без вредного воздействия на здоровье рыб и растений (Ehret et al. 2001; Hong and Moorman 2005; Postma et al. 2008; Van Os 2009; Timmons and Ebeling 2010). Эти методы позволяют контролировать вспышки заболеваний путем уменьшения количества инокулята, количества патогенов и стадии их распространения в оросительной системе (там же). Физическая дезинфекция уменьшает возбудители воды до определенного уровня в зависимости от агрессивности лечения. Как правило, целью тепловой и УФ-дезинфекции является сокращение первичной популяции микроорганизмов на 90— 99,9% (там же). Наиболее используемым методом фильтрации является медленная фильтрация из-за ее надежности и низкой стоимости. Обычно используются такие субстраты, как песок, каменная вата или поццолана (там же). Эффективность фильтрации в основном зависит от размера и расхода пор. Для того чтобы обеспечить эффективность дезинфекции, необходимо обеспечить фильтрацию с размером пор менее 10 мкм и расходом 100 л/мсуп2/суп/ч, даже если менее связывающие параметры демонстрируют удовлетворительные результаты (там же). Медленная фильтрация не устраняет все патогены; более 90% всех аэробных бактерий остаются в стоках (там же). Тем не менее, он позволяет подавлять растительный мусор, водоросли, мелкие частицы и некоторые почвенные заболевания, такие как Pythium и Phytophthora (эффективность зависит от рода). Медленные фильтры действуют не только в результате физического воздействия, но и демонстрируют микробную подавляющую активность благодаря антагонистическим микроорганизмам, о чем говорится в разделе 14.2.3 (Hong and Moorman 2005; Postma et al. 2008; Van Os 2009; Vallance et al. 2010). Термообработка очень эффективна против возбудителей растений. Однако для подавления всех видов патогенов, включая вирусы, требуется температура, достигающая 95 С в течение не менее 10 секунд. Эта практика потребляет много энергии и накладывает водяное охлаждение (теплообменник и переходный резервуар) перед повторным заказом очищенной воды в петлю орошения. Кроме того, его недостаток заключается в уничтожении всех микроорганизмов, включая полезные (Hong and Moorman 2005; Postma et al. 2008; Van Os 2009). Последним и, вероятно, наиболее применимым методом является УФ-дезинфекция. 20,8% практикующих центров Aquaponics Hub ЕС используют его (Villarroel et al. 2016). УФ-излучение имеет длину волны от 200 до 280 нм. Он оказывает пагубное воздействие на микроорганизмы путем прямого повреждения ДНК. В зависимости от патогена и турбулентности воды доза энергии варьируется от 100 до 250 МДж/смСуп2/SUP, чтобы быть эффективной (Postma et al. 2008; Van Os 2009).
Физические методы лечения водой устраняют большинство патогенов из поступающей воды, но они не могут искоренить болезнь, если она уже присутствует в системе. Физическая очистка воды не охватывает всю воду (особенно стоячую водную зону вблизи корней), ни зараженную растительную ткань. Например, УФ-обработка часто не позволяет подавлять корневую гниль Pythium_ (Sutton et al. 2006). Однако, если физическая очистка воды позволяет уменьшить возбудители растений, теоретически они также оказывают влияние на непатогенные микроорганизмы, потенциально влияющие на подавление болезни. В действительности термообработка и УФ-обработка создают микробиологический вакуум, в то время как медленная фильтрация приводит к изменению состава микробиоты сточных вод, что приводит к более высокой способности подавления заболеваний (Postma et al. 2008; Vallance et al. 2010). Несмотря на то, что УФ и термообработка в гидропонике устраняют более 90% микроорганизмов в рециркуляционной воде, снижение подавления заболевания не наблюдалось. Это, вероятно, объясняется слишком низким количеством очищенной воды и повторным загрязнением воды после контакта с ирригационной системой, корнями и растительными средами (там же).
Водоочистка аквапоник с помощью химических веществ ограничена в непрерывном применении. Озонация — метод, используемый в рециркулирующей аквакультуре и гидропонике. Преимущество лечения озоном заключается в ликвидации всех патогенов, включая вирусы, в определенных условиях и в быстром разложении кислорода (Hong and Moorman 2005; Van Os 2009; Timmons and Ebeling 2010; Gonçalves and Gagnon 2011). Однако у него есть несколько недостатков. Введение озона в сырую воду может привести к образованию побочных продуктов окислителей и значительного количества остаточных окислителей (например, бромированных соединений и галоксианионов, токсичных для рыб), которые необходимо удалить с помощью ультрафиолетового излучения, например, до возвращения в рыбную часть (обзор Gonçalves and Gagnon 2011). Кроме того, обработка озоном является дорогостоящей, является раздражающим для слизистых оболочек в случае воздействия на человека, требует периодов контакта от 1 до 30 минут в диапазоне концентрации 0,1—2,0 мг/л, нуждается в временном отстойнике для полного сокращения от OSub3/sub до OSub2/sub и может окислять элементы, присутствующие в питательном растворе , такие как железные хелаты, и таким образом делает их недоступными для растений (Hong and Moorman 2005; Van Os 2009; Timmons and Ebeling 2010; Gonçalves and Gagnon 2011).
14.3.2 Биологические методы защиты
В области гидропоники в многочисленных научных работах рассматривается использование антагонистических микроорганизмов (т.е. способных ингибировать другие организмы) для борьбы с патогенами растений, однако до настоящего времени никаких исследований по их использованию в аквапонике не проводилось. Способ действия этих антагонистических микроорганизмов определяется Кэмпбеллом (1989)), Уиппсом (2001) и Нараянасами (2013) сгруппированы в:
Конкуренция за питательные вещества и ниши
Паразитизм
Антибиоз
Индукция резистентности к болезням растений
Эксперименты по внедрению микроорганизмов в аквапонные системы были направлены на увеличение нитрификации путем добавления нитрифицирующих бактерий (Zou et al. 2016) или использование промоторов роста растений (PGPR), таких как Azospirillum brasilense и Bacillus spp. для повышения производительности растений (Mangmang et al. 2014; Mangmang et al. 2015a; Mangmang et al. 2015b; Mangmang et al. 2015c; da Silva Cerozi и Fitzsimmons 2016; Bartelme et al. 2018). В настоящее время существует настоятельная необходимость в работе над биоконтрольными агентами (BCA) против возбудителей растений в аквапонике в связи с ограниченным использованием синтетических лечебных процедур, высокой ценностью культуры и ростом аквапонных систем в мире. В этом контексте BCA определяется как вирусы, бактерии и грибки, оказывающие антагонистическое воздействие на патогены растений (Campbell 1989; Narayanasamy 2013).
Как правило, внедрение BCA считается более легким в безпочных системах. На самом деле, гидропонная корневая среда более доступна, чем в почве, и микробиота субстрата также несбалансирована из-за биологического вакуума. Кроме того, экологическими условиями теплицы можно манипулировать для удовлетворения потребностей в росте BCA. Теоретически все эти характеристики позволяют лучше интродукции, установления и взаимодействия БЦА с растениями в гидропонике, чем в почве (Paulitz and Bélanger 2001; Postma et al. 2009; Vallance et al. 2010). Однако на практике эффективность вакцинации BCA для контроля корневых патогенов может быть весьма различной в безпочных системах (Postma et al. 2008; Vallance et al. 2010; Montagne et al. 2017). Одним из объяснений этого является то, что отбор BCA основан на тестах in vitro, которые не отражают реальных условий, а затем слабая адаптация этих микроорганизмов к водной среде, используемой в гидропонике или аквапонике (Postma et al. 2008; Vallance et al. 2010). Для контроля патогенов растений и особенно тех, кто несет ответственность за корневую гниль, необходим отбор и идентификация микроорганизмов, задействованных в водных системах, которые проявляют супрессивную активность по отношению к патогенам растений. В безпочвенной культуре могут быть выбраны несколько антагонистических микроорганизмов, поскольку их биологический цикл похож на корневые патогены или их способность расти в водных условиях. Таков случай непатогенных видов и бактерий Pythium_ и Fusarium_, где наиболее широко представлены в литературе (Paulitz and Bélanger 2001; Khan et al. 2003; Chatterton et al. 2004; Folman et al. 2004; Sutton et al. 2006; Liu et al. сол. 2007; Постма и др. др. 2008; Постма и др. 2009; Валанс и др. 2010; Софер и Саттон 2011; Хултберг и др. 2011; Ли и Ли 2015; Мартин и Лопер 1999; Моруцци и др. 2017; Тонгкамнгам и Яенаксорн 2017). Изучено также прямое добавление некоторых микробных метаболитов, таких, как биоповерхностно-активные вещества (Stanghellini and Miller 1997; Nielsen et al. 2006; Nielsen et al. 2006). Хотя некоторые микроорганизмы эффективно контролируют корневые патогены, существуют и другие проблемы, которые необходимо преодолеть для получения биопестицида. Основными задачами являются определение средств прививки, плотности инокулята, рецептуры продукта (Montagne et al. 2017), способа получения достаточного количества при низкой стоимости и хранения составленного продукта. Экотоксикологические исследования рыб и живых полезных микроорганизмов в системе также являются важным моментом. Еще одна возможность, которую можно было бы использовать, заключается в использовании комплекса антагонистических агентов, как это было отмечено в методах подавления почвы (Spadaro and Gullino 2005; Vallance et al. 2010). Фактически микроорганизмы могут работать в синергическом взаимодействии или с взаимодополняющими способами действий (там же). Добавление поправок могло бы также укрепить потенциал БЦА, выступая в качестве пребиотиков (см. [раздел 14.4](/сообщество/статьи 14 - 4 роли органического вещества в биоконтроле - активность-в аквапонах)).