W ostatnich latach pojawia się coraz więcej informacji o możliwościach praktycznego zastosowania mikroorganizmów w rolnictwie. Z ich działaniem spotykamy się na co dzień. Na śniadanie zajadamy jogurt czy kefir, gdy jesteśmy chorzy, czasami zażywamy witaminy czy antybiotyki, będące właśnie wynikiem ich pracy. Mikroorganizmy same w sobie lub ich metabolity stosowane są na ogromną skalę w ochronie środowiska (w procesach fitoremediacji, bioremediacji), w farmacji (jako probiotyki czy źródła substancji czynnych leków), w przemyśle (jako źródło katalizatorów czy biomateriałów), a także w rolnictwie pod postacią biopestycydów, bionawozów, szczepionek do zaprawiania nasion, korzeni czy stosowanych do gleby w celu zwiększenia jej bioróżnorodności.
Zastosowanie rolnicze mikroorganizmów…
…ma stosunkowo długą tradycję. Wiele lat temu opracowano np. szczepionki i metody ich zastosowania w uprawie roślin bobowatych. Pamiętamy też preparat mikrobiologiczny opracowany w Instytucie Ogrodnictwa stosowany w celu ograniczenia występowania guzowatości korzeni – Polagrocyna PC. Służył on do moczenia systemu korzeniowego podkładek i drzewek. Obecnie również możemy korzystać z coraz to większej liczby biopestycydów, środków ochrony roślin opartych na mikroorganizmach lub mikroorganizmach i ich metabolitach. W wielu jednostkach naukowych w Polsce, a także w komercyjnych firmach (np. w firmie Intermag) prowadzi się obecnie prace nad możliwością ich praktycznego zastosowania.
Na rynku europejskim pojawia się wiele preparatów, które zawierają jako składniki aktywne mikroorganizmy wpływające pośrednio lub bezpośrednio na metabolizm roślin i bioróżnorodność gleby. Wykorzystuje się w ich składzie mikroorganizmy zdolne m.in. do wolnego wiązania azotu i solubilizacji składników pokarmowych (produkcji hormonów roślinnych).
Każdy komercyjny produkt zawierający mikroorganizmy jest efektem wieloletnich prac nad ich selekcją ze środowiska naturalnego i możliwościami konkretnego, komercyjnego zastosowania, w tym badań nad wpływem na rośliny i środowisko glebowe. Należy jednak zadać sobie pytanie: czy stosowanie tego typu produktów może potencjalnie przynieść nam jakiekolwiek korzyści? Odpowiedź na to pytanie może ułatwić zadanie kolejnego: w jaki sposób możemy zwiększyć efektywność do tej pory ponoszonych nakładów na produkcję rolniczą? Wydaje się, że to właśnie mikroorganizmy są drogą do zwiększenia efektywności inwestycji w produkcję. Przy ich udziale możemy lepiej wykorzystać wodę oraz składniki pokarmowe wnoszone do gleby, wpływać pośrednio i bezpośrednio na wzrost i rozwój roślin (wykorzystanie potencjału genetycznego danej odmiany), na parametry fizykochemiczne gleby, wzrost wytrzymałości roślin na stresy biotyczne i abiotyczne, tym samym lepiej wykorzystywać nakłady ponoszone na ochronę roślin. Pewnie moglibyśmy tu wymienić jeszcze wiele możliwości, ale te są najbardziej spektakularne. Dlaczego tak może się dziać? Z uwagi na przywrócenie, chociażby chwilowe, bioróżnorodności gleby i ukierunkowanie w niej procesów w stronę tych zachodzących w sprawnej glebie. Oczywiście stanowisko takie może mieć sporo oponentów, twierdzących, że aby takie procesy ukierunkować, potrzeba ogromnych ilości określonych mikroorganizmów, ale tak zaczyna się dziać w rzeczywistości. Produkty mikrobiologiczne oparte o różnorakie konsorcja coraz częściej są bogate w określone, wyselekcjonowane szczepy o potwierdzonych właściwościach.
Zawartość tlenu w powietrzu glebowym i wilgotność gleby
W zalanej wodą glebie zaczyna brakować tlenu i to zjawisko leży u podstawy kolejnych zachodzących w takiej sytuacji procesów, prowadzących w efekcie do zamierania jej aktywnej fazy. Brak tlenu ogranicza aktywność systemu korzeniowego, uruchamia oddychanie beztlenowe, powstają toksyny. Zahamowany jest wzrost systemu korzeniowego, zamiera wewnętrzna struktura pnia, ograniczone jest pobieranie wody i składników pokarmowych.
Duża bioróżnorodność gleby oznacza, że wszystkie procesy biologiczne zachodzą w niej w sposób zrównoważony i wzajemnie zazębiający się. Natomiast w czasie suszy glebowej aktywność mikroorganizmów zaangażowanych w przemiany azotu, fosforu i obieg węgla zmniejsza się o 80% lub więcej.
Procesy te są istotne dla wzrostu roślin, niestety nie wiemy, jak szybko wracają do stanu wyjściowego po powrocie gleby do „normalnego” stanu wilgotności. Deficyt wody nie tylko niekorzystnie wpływa na różnorodność mikroorganizmów, lecz także na dostępność substancji organicznych dla metabolizmu drobnoustrojów.
Zabiegi agrotechniczne
Nawożenie mineralne ma ogromny wpływ na liczebność oraz skład gatunkowy i funkcjonalny zespołu mikroorganizmów glebowych, czasami wręcz „konkurują” one z roślinami o składniki pokarmowe. Zrównoważone nawożenie azotem wpływa pozytywnie na ich rozwój. Natomiast zbyt duże dawki tych nawozów mogą prowadzić do spadku liczebności niektórych bakterii, np. Azotobacter, Streptomyces, na korzyść grzybów Deuteromycetes. Ponadto stosowanie nawozów zakwaszających glebę stymuluje rozwój grzybów (szczególnie z rodzaju Aspergillus, Fusarium i Penicillium – mają one szkodliwy wpływ na mikroorganizmy), a ogranicza liczebność bakterii i promieniowców.
Jedynie pełne nawożenie mineralne uwzględniające wapń i magnez oraz nawożenie mineralno-organiczne jest w stanie zapewnić wysoką aktywność mikrobiologiczną gleby, mierzoną liczebnością ogólną mikroorganizmów, jak i różnorodnością gatunkową i funkcjonalną.
Wszystkie zabiegi agrotechniczne stwarzające lepsze warunki dla wzrostu roślin wpływają pozytywnie również na aktywność mikroorganizmów. Natomiast silne ugniatanie gleby przez ciężkie maszyny rolnicze niszczy jej strukturę, zakłóca stosunki powietrzno-wodne, wpływa zatem negatywnie na rozwój mikroorganizmów. Ważnym elementem agrotechniki wpływającym na bioróżnorodność gleby jest prawidłowy płodozmian. Wprowadzanie monokultur zawsze prowadzi do zmian w aktywności mikrobiologicznej gleby, jak i w składzie gatunkowym i funkcjonalnym mikroorganizmów. Dochodzi do zachwiania równowagi pomiędzy różnymi grupami mikroorganizmów, w końcowym efekcie do czasowej lub bardziej trwałej dominacji pojedynczych ich grup. W takich okolicznościach często zaczyna dominować gatunek patogeniczny dla roślin.
Środki ochrony roślin
Panuje pogląd, że za spadek aktywności mikrobiologicznej gleby odpowiedzialne są głównie środki ochrony roślin. Nie do końca tak jest. Oczywiście substancje aktywne pestycydów po dostaniu się do gleby w określony sposób oddziałują na mikrobiologiczny komponent glebowy, ale też mikroorganizmy glebowe biorą czynny udział w rozkładzie i metabolizowaniu substancji czynnych pestycydów. Wpływ substancji aktywnej pestycydu zależy jednak od jej charakteru i właściwości chemicznych i biologicznych. Obecnie pestycydy podlegają drobiazgowej ocenie pod kątem ich ekotoksyczności. Najbardziej na pestycydy wrażliwe są bakterie nitryfikacyjne, bakterie symbiotycznie wiążące azot oraz promieniowce. Stosowanie środków ochrony roślin najbardziej wpływa na procesy rozkładu materii organicznej, nitryfikacji i utleniania amoniaku. Natomiast najsłabiej na pestycydy reagują bakterie z rodzaju Azotobacter, amonifikatory, a więc najmniej zakłócane są procesy proteolizy i niesymbiotycznego wiązania azotu.
