За матеріалами Серії конференцій IOP із відкритим доступом: Наука про Землю та навколишнє середовище (IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (EES)) 1052 (2022) на тему «Особливості зберігання цукрових буряків у кагатах із метою підвищення ефективності їх переробки» («Features of storing sugar beets in piles with the purpose of increasing the efficiency of its processing»).

Цукрові буряки зберігаються у кагатах. Серйозною проблемою зберігання буряків є створення відповідних умов для збереження якомога більшої кількості коренеплодів у стані, що дозволяє ефективно переробити сировину.

Рис. 1. Причини втрат цукрових буряків під час їх зберіганням 

Аналіз зберігання цукрових буряків у кагатах дав змогу розділити причини втрати якості бурякової маси на три групи. Перша група пов'язана з природними втратами, наприклад, диханням коренів. До другої групи належать причини, викликані життєдіяльністю мікроорганізмів (гнильні гриби). До останньої, третьої групи, відносяться механічні пошкодження коренеплодів. На Рис. 1. наведено класифікацію причин втрати маси буряків під час їх зберігання.

Існує багато методів боротьби з поширенням гнильних мікроорганізмів, але це не зменшує необхідність вивчення їх розвитку. Різні кагати по-різному уражаються грибами. Отже, процеси гниття в них відбуваються з різною інтенсивністю. Оскільки ніякі засоби захисту зовсім не здатні повністю зупинити гнильні процеси, необхідно заздалегідь знати, де і наскільки активно поширюються мікроорганізми, щоб виявити причини їх інтенсивного розвитку. Ці знання допоможуть вам правильно спланувати послідовність доставки буряків із кагатів на переробку.

Для зменшення витрат і збитків необхідно змоделювати поведінку грибів залежно від мікроклімату в межах буряково-грибкового біому. Виявлено дві основні причини розвитку кагатної гнилі, ступінь яких можна передбачити, моделюючи поведінку мікроорганізмів. Перша причина – дихання коренеплодів цукрових буряків. Знайдено методи розрахунку втрат маси буряків через дихання. Друга причина – розвиток патогенної мікрофлори. Кагатна гниль є основною хворобою патогенного характеру під час зберігання буряків.

Досліджуючи природні причини розвитку гнилі, відносно недавно Тадеуш Павлович Хвальковський розробив і запатентував метод їх обчислення, заснований на використанні відомої залежності константи швидкості хімічної реакції від температури.

Що стосується розвитку мікроорганізмів, то на сьогодні немає методів прогнозування розвитку цих процесів всередині кагату. Усі дослідження в цій галузі були зосереджені на методі підрахунку заражених коренеплодів за допомогою тридцятиденних проб. Це не дозволяє отримати інформацію про стан коренеплодів без втручання в структуру кагату, що вкрай несприятливо, оскільки порушується мікроклімат біому, при цьому погіршується стан буряків. Все це сприяє швидкому розвитку патогенів і посиленому диханню коренеплодів.

Метою даного дослідження була побудова математичної моделі розвитку мікроорганізмів в залежності від зовнішніх умов. Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні завдання: детальне вивчення мікробіології розвитку кагатної гнилі; розгляд основних збудників; вилучення найбільш небезпечних і поширених із них; аналіз їх розвитку та відновлення математичної залежності швидкості розвитку колоній збудників від температури.

Матеріали

Збільшення виробництва бурякового цукру і задоволення потреб населення як на сучасному етапі, так і на перспективу є найактуальнішими завданнями. Однак вирішенню цих проблем перешкоджає сильне ураження цукрових буряків хворобами як під час вегетаційного періоду, так і під час їх зберігання. Найбільш небезпечним захворюванням є кагатна гниль, що викликається в основному патогенними грибами родів Botrytis, Phoma, Trichotecium, Rhizopus, Fusarium, Penicillium, Mucor. Інфекція виникає ще в полі і продовжує розвиватися в кагатах, викликаючи втрати маси коренеплодів, зниження їх харчової та технологічної цінності.

Слід розуміти, що збудники кагатної гнилі є на будь-якій рослині. Уже на початку формування коренеплоди буряків заселяються грибами роду Fusarium, Phoma betae та іншими збудниками. Заселеність збудниками може досягати 80%. Однак протягом вегетаційного періоду патогени знаходяться, так би мовити, в рівновазі з рослиною-господарем. У разі погіршення умов вирощування або зберігання цей баланс порушується. Мікроорганізми активізуються, починають інтенсивно розвиватися, створюються осередки гниття коренеплодів у місцях їх зберігання.

Під час ураження кагатною гниллю інфіковані коренеплоди і гнилі ділянки частково уражених коренів повністю втрачають цукор, внаслідок чого стають непридатними для переробки. При кількості гнилої маси 8-10% і більше заводи часто взагалі не отримують кристалічний цукор. Гнила маса буряків, яка використовується на корм тваринам, не тільки не має кормової цінності, але й викликає захворювання тварин через наявні в ній мікотоксини.

Прямі втрати від гнилі, а також ускладнення технологічного процесу і втрати у виробництві цукру з буряків з домішкою гнильної маси зумовлюють високу шкідливість гнилі. Загнивання коренів викликається великою кількістю мікроорганізмів, до складу яких входить понад 200 видів різноманітних грибів і 60 видів бактерій.

У Таблиці 1 представлені результати досліджень, в яких узагальнено фітопатологічний аналіз коренеплодів цукрових буряків під час їх зберігання та визначено видовий склад збудників кагатної гнилі.

Таблиця 1. Видовий склад збудників кагатної гнилі

Найбільш агресивними по відношенню до цукрових буряків є S. sclerotiorum, P. expansum та Ph. betae.

Уже на стадії зараження рослин між збудниками виникають певні взаємовідносини — від синергізму до антагонізму. Непряма конкуренція характерна для таких комбінацій грибів, як S. sclerotiorum + A. tenuis, S. sclerotiorum + P. expansum, B. cinerea + A. tenuis, S. sclerotiorum + Fusarium sp., P. expansum + B. cinerea та P. expansum + A. tenuis.

Симбіоз проявляється у спільному розвитку грибів Fusarium sp. і A. tenuis, а також Fusarium sp. і P. expansum. Результати лабораторних досліджень показали, що коінфекція цукрових буряків комбінаціями Fusarium sp. + A. tenuis і Fusarium sp. + P. expansum призводить до більш інтенсивного розвитку гнилі.

Було виявлено такий вид взаємодії між грибами як аменсалізм, який проявляється у пригніченні одного організму іншим без негативного впливу пригніченого. Дослідження показали, що гриби S. sclerotiorum і Fusarium sp. істотно пригнічують розвиток грибка B. cinerea в лабораторних мовах.

Як і в інших біоценозах, стан всередині кагату можна описати за допомогою трофічних зв'язків. Найпростіше припущення полягає в тому, що всі організми конкурують один з одним за живлення. Але, у випадку досить короткого терміну дослідження, це не зовсім так. Немає сенсу розглядати кагат в той час, коли суперництво між грибами яскраво виражене. Бо, якщо таке трапляється, значить, незаражених буряків залишилося дуже мало. Тому припустимо, що організми спочатку нейтральні один до одного. Таким чином, можна побудувати матрицю взаємодій між збудниками (Табл. 2).

Таблиця 2. Матриця парних взаємодій між збудниками кагатної гнилі

Проте, розглядаючи конкретні штами грибів, можна виділити кілька пар, що відрізняються співвідношенням симбіозу та аменсалізму.

У комплексі факторів, що впливають на взаємовідносини збудників гнилі з цукровим буряком, велике значення мають температура і відносна вологість повітря при зараженні рослини-господаря. Температура впливає на ріст міцелію збудників гнилі і розвиток хвороби, а сама можливість зараження коренеплодів залежить від вологості.

Виходячи з цього, доцільно розділити весь процес інфікування та поширення хвороби на підпроцеси, кожен залежно від 1-го параметру:

1. Процес первинного інфікування. Залежить від вологості всередині кагату.

2. Процес поширення хвороби та вторинного інфікування. Залежить від температури. Викликається розвитком патогенів на цукрових буряках і перехресним зараженням. При наявності коренеплодів, заражених до певного порогу, гарантовано заражаються і контактуючі з ними рослини.

Розглянемо другий підпроцес, оскільки він викликає найбільшу кількість питань.

Температура також є важливим регулюючим фактором, що впливає на агресивність збудників кореневої гнилі буряків. Зараження цукрових буряків патогенами спостерігається переважно при температурах 10℃ і вище (Табл. 3).

Таблиця 3. Вплив температури повітря на інтенсивність ураження цукрових буряків збудниками кагатної гнилі

Винятком є ​​гриби B. cinerea та P. expansum, які викликають ураження цукрових буряків вже при температурі 5°С. Оптимальна температура патологічного процесу, викликаного Ph. betae, становить 20℃, B. cinerea, A. tenuis і S. sclerotiorum — близько 22 ℃, грибами Fusarium sp. і P. expansum — 22-28℃.

Тут слід звернути увагу на наступні обставини. Процес інтенсивності проростання колоній істотно залежить від температури в кагаті. А від температури, в свою чергу, залежить швидкість утворення колоній і збільшення їх розмірів.

Рис. 2. Вплив температури на лінійний ріст колоній збудників кагатної гнилі цукрових буряків

Таким чином, у більшості випадків температурні режими, що забезпечують оптимальний лінійний ріст колоній та проростання конідій, практично збігаються.

Температура є одним із регулюючих факторів розвитку інфекційного процесу, оскільки вона впливає як на збудника, так і на рослину-господаря та їх взаємовідносини. Це впливає на життєздатність конідій і швидкість їх проростання, утворення ростових трубок, тривалість інкубаційного періоду і, особливо, на агресивність збудників кореневої гнилі.

У виробничих умовах коренеплоди цукрових буряків закладають на тривале зберігання в кагати починаючи з середини жовтня. Дослідження показали, що в цей період температура в кагатах була на 3,1-13,1°С вищою температури навколишнього середовища і становила 7-17°С. Враховуючи температурний режим, що складається всередині кагату, і високу травмованість поверхневих тканин коренеплодів, зроблено висновок, що зараження буряків збудниками кагатної гнилі відбувається не тільки на полі, а й під час укладання коренеплодів у кагати, а також під час їх зберігання.

У процесі зберігання цукрових буряків у кагатах, як правило, спостерігається підвищення температури за рахунок посилення дихальної активності коренеплодів, мікробіологічних процесів, що протікають, а також плюсової температури повітря в грудні та, нерідко, і в січні внаслідок глобального потепління. У цей період найбільшу активність виявляють гриби роду Fusarium і P. expansum, температурний оптимум яких складає в межах від 20°С до 28°С.

На основі наявних даних розроблено загальну модель розрахунку інтенсивності зараження цукрових буряків патогенними мікроорганізмами кагатної гнилі залежно від температури в кагаті. Можливо, найближчим часом стане реальністю досить точний прогноз розвитку гнилі всередині кагату без втручання в структуру зберігання, виходячи лише з мікрокліматичних показників і погодних умов. Для цього потрібні серйозні подальші дослідження. Мікроорганізми постійно розвиваються, мутують і змінюються. Це означає, що змінюється і їх реакція на кліматичні параметри. Перевагою отриманої моделі є те, що на основі експериментальних даних можна буде легко відновити відсутні коефіцієнти та підлаштуватися під умови, що постійно змінюються.