Úloha pôdnej mikroflóry v mobilizácií dusíka
Spracovanie predmetného príspevku je motivované rozdielnymi názormi na úlohu širokospektrálnych bakteriálnych hnojív a biopreparátov vo výžive plodín a opodstatnenosti ich aplikácie v pestovateľských technológiách. Ojedinele sa stretávame aj s prípadmi, keď úroveň a forma zvolenej odbornej interpretácie nie je kompatibilná z bazálnymi poznatkami vedných odborov, akými sú agrochémia, mikrobiológia a fyziológia rastlín. Na základe uvedeného predkladám stručný komentár a vecné argumenty ako reakciu na kontroverznú interpretáciu bazálnych otázok minerálnej výživy a hnojenia pestovaných plodín.
Prijem a akumulácia živín nepredstavuje jav „fixácie“
Je nevyhnutné ozrejmiť podstatu procesu príjmu a akumulácie živín, ktorá predstavuje základnú podmienku minerálnej výživy rastlín. Vo všeobecnosti je rozšírené používanie termínu „fixácia“ vo význame absorpcia, asimilácia živín ako ekvivalent inkorporácie, zabudovania do organických molekúl a bunkových štruktúr. Používanie termínu „fixácia“ vo význame príjmu a akumulácie živín a osobitne molekulového dusíka atmosféry, ale aj amoniaku z pôdy a hnojiva porastom pokladám za odborne nesprávne. Podľa slovníka cudzích slov fixácia znamená „upevňovanie a zachytávanie dačoho na povrchu“. V prípade príjmu a utilizácie živín koreňmi v žiadnom prípade nejde o mechanický alebo fyzikálny „záchyt“ či fixáciu. Pre fixáciu živín vo forme atómov, iónov a molekúl je charakteristická nemennosť chemickej formy, príkladom je fixácia amoniaku, draslíka a ďalších iónov a atómov kryštalickou mriežkou pôdnych minerálov. Fixované živiny nemenia svoju chemickú formu. Naproti tomu v príjme živín koreňmi (N, P a S) ide o utilizáciu (zabudovanie) dusíka amoniaku alebo uhlíka CO2 v procese ich asimilácie za vzniku stabilných primárnych organických zlúčenín (kys. 3-fosfo-glycerovej a aminokyselín) a následné sekundárnych i polymérnych látok. Je evidentné, že pri asimilácii sa vždy mení chemická forma prijímaného iónu. Analogicky aj v prípade utilizácie molekulového dusíka (N2) nitrogénnymi baktériami ide o jav asimilácie za vzniku dvoch molekúl amoniaku. Pritom sa mení chemická forma tzn., že molekulový dusík (N2) sa mení na NH3. Preto príjem živín v žiadnom prípade nie je procesom jednoduchej fixácie, ako sa často v rôznych príspevkoch uvádza: „množstvo nafixovaného dusíka“.
Príjem a akumulácia živín koreňmi predstavuje zložitý energeticky podmienený viacúrovňový mechanizmus zahrňujúci transport iónov z pôdneho roztoku do vnútra koreňových buniek (influx) a utilizáciu prijatých iónov v cytoplazme vo forme organických nízko molekulárnych a vysoko molekulových látok. Aktívny mechanizmus transportu do cytoplazmy je dvojsmerný, preto živiny, ktoré nie sú viazané (utilizované) v bunke môžu byť analogickým transportným systémom transportované z bunky (efflux) do pôdneho roztoku. Preto o akumulácii živín v rastlinách rozhoduje utilizácia (zabudovanie) prostredníctvom ich asimilácie hlavných živín, akými je dusík (primárne akumulovaný vo forme aminokyselín), fosfor (transformovaný na fosforylované sacharidy a najmä ADP a ATP) a síra (asimilácia za vzniku cysteínu, metionínu, glutationu a Acetyl-S–CoA). Ostatné makro a mikroživíny nie sú asimilované, ale sú fyzikálne viazané kovalentnou, elektrostatickou a koordinačnou väzbou na organické zlúčeniny, najmä bielkoviny, čím proteíny nadobúdajú katalytické vlastnosti.
Je pozoruhodné, že chemické reakcie asimilácie sa sformovali počas dlhodobej evolúcie organizmov ako spôsob účinnej eliminácie toxicity látok za podmienok, keď ich koncentrácia presahuje fyziologické limity. V tomto smere asimilácia predstavuje obrannú reakciu proti toxicite.
Tvorba prístupných zdrojov dusíka v pôde
Často sú prezentované úvahy o prístupných zdrojoch dusíka a úrovni stavu výživy pri aplikácii najrôznejších inovatívnych výživových preparátov, kde absentuje informácia o látkovom zložení hnojiva, preto je zložité pre pestovateľa poznať reálny stav výživy pestovaných plodín. Tým, že pestovateľ nemá informáciu, aké množstvo živín sa vnáša do pôdy aplikáciou, napríklad okolo 10 l/ha hnojiva, nemôže ani určiť úroveň výživy, eventuálne korigovať dávku hnojenia na základe jeho empirických poznatkov a pestovateľských skúsenosti.
Autor propagovaného konkrétneho produktu odporúča na plochu 1 ha aplikovať 10 l bakteriálneho hnojiva, kde sa konštatuje, že „v priebehu vegetácie pomocou baktérií prítomných v hnojive obsah prijateľného dusíka v pôde dosiahne úroveň 60 - 80 kg/ha a za optimálnych podmienok 100- 150 kg N/ha“(?). Oprávnene vzniká otázka, aké množstvo (alebo aký podiel) dusíka pochádza z použitého hnojiva a osobitne z pôdy. V tejto súvislosti treba poznamenať, že ročne mineralizácii podlieha 1-3 % organických látok vrátané humusu (Muller, 1980), čo predstavuje 25-150 kg N/ha. Winter (1993) dokonca predpokladá ročný prínos mineralizácie v rozsahu 184-198 kg N/ha(?). Mineralizáciou organických látok sa postupne vytvárajú prístupné anorganické zdroje dusíka (Nan) vo forme dusičnanu a amoniaku. Vo všeobecnosti sa akceptuje názor, že denná produkcia anorganického dusíka v pôde predstavuje okolo 0,1-1 kg Nan/ha (Bielek,1997). Organické zdroje dusíka sú reprezentované predovšetkým humusom v množstve cca 100-150 t/ha, pôdnym edafónom (2-10 t/ha, čo je ekvivalentne 80-400 kg N/ha) a biomasou pozberových zvyškov (10-40 kg N/ha). Medzi potenciálne zdroje treba rátať i prínosy, ktoré vytvára predplodina. Osobitne významné sú ďatelinoviny, ktoré zanechávajú po prvom roku 60-80 kg N/ha a strukoviny okolo 20-40 kg N/ha.
Okrem pozberových zvyškov je predovšetkým humus výdatným zdrojom anorganického dusíka. Pri priemernom obsahu humusu 2 % zásoby humusu vo vrstve do 0,3 m pôdy predstavujú okolo 90 t/ha. Keď vychádzame z poznania, že z celkového obsahu humusu ročne podlieha mineralizácii okolo 1,5 % pri priemernom cca 4 % obsahu dusíka v humuse mineralizáciou 1350 kg humusu ročne sa vytvorí (iba mineralizáciou humusu) okolo 55 kg Nan/ha/rok. Okrem toho v podmienkach intenzívne obhospodarovaných pôd každoročne podlieha mineralizácii 3,5-4,0 ton organických látok pozberových zvyškov, čo zodpovedá cca 45-75 kg N/ha. Potom nie je jasné o aký profit sa jedná z aplikácie konkrétneho bakteriálneho hnojiva.
Priebeh a výkonnosť mineralizačnych procesov a tvorby prístupných zdrojov dusíka je závislý predovšetkým od aktivity mikroorganizmov, optimálneho pomeru uhlíka i dusíka (C:N), ktorý je okolo 20-25 : 1. Znižovaním pomeru narastá mineralizačná aktivita, ktorá sa prejavuje tvorbou amónneho dusíka. Naproti tomu rozširovaním pomeru C:N nad 30:1 prevláda imobilizácia dusíka biologickou sorpciou. Prítomnosť organických látok biomasy pozberových zvyškov, medziplodín a zeleného hnojenia predstavuje nenahraditeľný zdroj uhlíka pre rast pôdnych mikroorganizmov, čo prispieva ku minimalizácii biodegradácie humusu. V podmienkach deficitu rastlinnej biomasy v pôde mikroorganizmy potrebný uhlík získavajú degradáciou humusu. Rozšírené mulčovanie pôdy síce plní vodoochrannú funkciu avšak z hľadiska zdroja uhlíka pre mikroflóru je významné iba zapravenie biomasy do pôdneho profilu.
Činnosťou mikroorganizmov v procese mineralizácie pôdnych organických látok vrátané mikrobiálnej biomasy i rastlinných pozberových zvyškov je reálna mobilizácia prístupných zdrojov dusíka (Nan) aproximatívne do 200 kg/ha. Keď vychádzame z predstavy o 50 % využiteľnosti N porastom z pôdy, potom porast môže prijať cca 100 kg N/ha z pôdnych zdrojov. Pestovateľ hnojením predovšetkým nahradzuje živiny odčerpané úrodou z pôdy, čo je prínosom vo vytváraní alebo udržiavaní stabilnej pôdnej úrodnosti.
Vzájomné interakcie rastlín a mikroflóry
Pádna mikroflóra a najmä mykoríza zohráva mimoriadne významnú úlohu na formovaní pôdnej úrodnosti a procesov výživy pestovaných plodín. V ostatnej dobe pozorujeme zvýšenú frekvenciu prípravy a propagácie najrôznejších bakteriálnych hnojív z obsahom nitrogénnych baktérii (Rhizobium, Azotobacter, Azospyrilla), ale aj baktérii rodu Bacillus, ktorý nepatrí medzi nitrogénne symbiotické mikroorganizmy. Preto je zložité hodnotiť eventuálne prínosy aplikácie kultúry baktérii rodu Bacillus vo výžive dusíkom.
Uvedené baktérie nie sú schopné asimilovať molekulový dusík a analogicky ani plynný CO2. Svoje potreby uhlíka a dusíka pokrývajú minerálnymi (N) a organickými zdrojmi (C,N). Ako zdroj uhlíka sa výlučné využívajú iba organické zlúčeniny. Pozberové zvyšky a organické hnojivo vrátané zeleného hnojenia sú zdrojom uhlíka a dusíka predovšetkým pre pôdne mikroorganizmy. Organické zdroje uhlíka plnia významnú protektívnu funkciu tým, že zabraňujú mikroorganizmom využívať uhlík biodegradáciou humusu. Iba po odumretí mikroorganizmov sa uvoľňuje dusík a iné živiny, ktoré môžu byť využité porastom. Úloha pôdnej mikroflóry a najmä koreňovej mykorízi je mimoriadne významná a podiela sa na procesoch rozkladu organických látok (mineralizácie) ako pozberových zvyškov tak i humusu, procesov premeny organických N-látok (aminokyseliny a bielkoviny) na amoniak a následne premenu amoniaku na dusičnan (nitrifikácia) a dusičnanov na N2 a N2O (denitrifikácia), ale aj na syntéze humusu. Vďaka činnosti mikroflóry dochádza ku mobilizácii, premene a utilizácii živín, najmä N a P. Na tejto činnosti sa podieľa komplex jednotlivých druhov baktérii a húb. Osobitne sú významné vláknité huby tým, že ich mycélium prerastá koreň a tým umožňuje zväčšiť objem koreňov, čo pozitívne vplýva na akumuláciu živín v rastlinách.
V súvislosti z hodnoteným významu symbiotických nitrogénnych mikroorganizmov je potrebne poznamenať, že asimilácia molekulového dusíka sa koná nie v bakteriálnej bunke ale v osobitnom útvare (hrčke) vytvorenom v úzkej súčinnosti baktérii s bunkami koreňov. Reakcia asimilácie N2 vyžaduje vysokú spotrebu energie na štepenie a redukciu molekulového dusíka na amoniak (N2 → 2 NH3), ktorá vo forme elektrónov a protónov je zabezpečená hostiteľskou rastlinou. Viacstupňová reakcia je katalyzovaná nitrogenázovým systémom a uskutočňuje sa v anaeróbnych podmienkach, preto je enzymaticky reakčný systém obalený bielkovinou leghemoglobinu, ktorý zamedzuje vstup kyslíka do reakčného centra multienzýmového systému.
Účinnosť voľne žijúcich nesymbiotickych nitrogénnych baktérii (Azotobacter a Azospirilla) z hľadiska asimilácie vzdušného dusíka je v realizácii dusíkatej výživy pestovaných plodín zanedbateľná.
Kultivácia a rast druhov a kmeňov rodu Bacillus v pôde je závislá predovšetkým od zdrojov anorganického a organického dusíka, ale aj organického uhlíka. Prednostne využívajú anorganické amónne formy dusíka (NH4SO4 a (NH4)2 HPO4) a organické zdroje dusíka a uhlíka (močovina, aminokyseliny, sacharidy a bielkoviny) pri ideálnom pomere C:N ako > 30: 1.
Druhy rodu Bacillus (Bac. suptilis a Bac. lichemiformis) sa úspešne využívajú v priemyselných biotechnológiách ako producenti viacerých enzýmov. Pričom kultivácia bakteriálnych kultúr rodu Bacillus sp. sa realizuje na živnej pôde, kde okrem organického zdroja C (obilné šroty) a minerálne formy N sú prítomné predovšetkým amónne zdroje dusíka. Medializované kontroverzné názory o bezprostrednej závislosti pestovaných rastlín od zdrojov dusíka vytváraného mikroorganizmami dokumentuje nasledovný výrok autorov, citujem: „aby rastlina získala dusík, uvoľňuje cez korene cukrové sekréty, čím živí voľné baktérie viažuce dusík.“ Ďalej sa uvádza rozporný názor, že „ neustály prísun dusíka do pôdy vo forme priemyselného hnojiva, nie je v záujme rastlín míňať energiu a produkovať cukor pre baktérie viažuce dusík“(?). Je pravda, že koreňové sekréty sú vhodným prístupným a prijateľným zdrojom najmä uhlíka pre rast pôdnych mikroorganizmov. Avšak autor chápe vylučovanie organických látok rastlinami do prostredia ako kompenzáciu za potrebný dusík poskytnutý rastlinám baktériami(?). Ide o snahu vykresľovať vzťah medzi rastlinou a baktériou ako zdanlivo vedomú formu vzájomné prospešnej výmennej činnosti, ktorá sa uskutočňuje podľa obchodného princípu „tovar za tovar“. Je potrebné si uvedomiť, že rastliny exkretujú do vonkajšieho prostredia (do pôdy) organické látky nie preto, že ich potrebujú pôdne mikroorganizmy. Je naivné si myslieť, že rastlina zmysluplne vylučuje organické latky s vedomím, že za poskytnuté produkty (služby) im baktérie kompenzujú životne potrebný dusík. Rastliny a analogicky aj baktérie sú „hladné“ po dusíku, preto medzi nimi vzniká konkurenčný vzťah, ktorý sa prejavuje v „honbe“ za dusíkom. Práve preto intenzívna biologická sorpcia dusíka (za podmienok, keď pomer C:N presahuje hodnoty > 30:1) je aj kauzálnou príčinou dusíkovej depresie pestovaných plodín v dôsledku deficitu prístupného dusíka pre rastliny. Vylučovanie asimilátov rastlinami do pôdy treba chápať ako prostriedok zbavovania sa prebytku energie vo forme osmoticky aktívnych látok - elektrolytov.
Experimentálne výsledky uskutočnené v sterilných podmienkach (bez mikroorganizmov) sú preukazným dôkazom, že exkrécia (aktívny efflux) organických látok do prostredia nesúvisí s činnosťou mikroorganizmov. Výsledky Kraffczyka a kol. (1984) poskytujú nasledovnú bazálnu informáciu o spektre a množstve vylučovaných organických látok koreňmi kukurice pestovanej v sterilných podmienkach (bez mikroorganizmov):
- organické kyseliny v mg/g sušiny: kys. oxaloctová(3,0), fumarová(4,71),jablčná(0,19), citrónová(0,53)a kys. jantárová(0,97),
- sacharidy v mg/g sušiny : glukóza(3,25), arabinóza(2,25), fruktóza(1,3), sacharóza(0,87),
- aminokyseliny v µg/g sušiny: kys. glutámová(126,4), asparagová(51,5), alanín (44,1) a glycín(31,6).
Takže v žiadnom prípade nejde iba o „sladký sekrét“ vylučovaný koreňmi, ako sa domnievajú propagátori nových produktov ale o celý komplex vo vode rozpustných organických látok (elektrolytov).
Z uvedeného je zrejmé, že sa nejedná o zdanlivo vzájomnú žičlivú a cieľavedomú výmennú činnosť ale o konkurenčný vzťah v boji o živiny (najmä dusík). Preto názory na aplikáciu baktérii rodu Bacillus na semeno nie sú primerané a prispievajú iba k ochudobňovaniu rastlín o dusík. Treba konštatovať, že vylučovanie (exkrécia) organických látok koreňmi do vonkajšieho prostredia je prísne riadený endogénny aktívny mechanizmus, ktorý sa koná v záujme zabezpečenia stabilnej hodnoty pH cytoplazmy okolo pH 7,0 (závislý od rovnovážneho stavu medzi aniónmi a katiónmi) a osobitne stabilným osmotickým tlakom bunky. Ustálenie stabilnej hodnoty izotonického roztoku cytoplazmy súvisí s udržiavaním stáleho osmotického tlaku (izotónie), ktorá je základnou podmienkou zachovania homeostázy bunky. Preto bunka v záujme zachovania stálej hodnoty pH a osmotického tlaku a tým funkčnosti metabolických a syntetických procesov zbavuje sa vo vode rozpustných nízkomolekulárnych látok, ktoré plnia funkciu elektrolytov. Metabolická a syntetická činnosť bunky a jej energetické zabezpečenie prísne podlieha všeobecne platným termodynamickým zákonom.
Využívanie biologických preparátov s hormonálnou aktivitou v pestovateľskom systéme
V kontexte s existujúcimi názormi na podporu klíčenia rôznymi biopreparátmi je potrebné si uvedomiť, že semeno obsahuje kompletnú substrátovú a regulačnú „výbavu“ nevyhnutnú na odštartovanie klíčenia a tvorbu klíčku. Semená botanických druhov plodín obsahujú rozdielny podiel zásobných látok ako bielkovín (8-30 %), sacharidov (40-70 %) a tukov (2-35 %), ktoré predstavujú výdatný zdroj dusíka, síry, fosforu, uhlíkateho skeletu (vo forme aminokyselín, karboxylových kyselín a monosacharidov) a metabolickej energie nevyhnutnej pre tvorbu klíčku v počiatočnej fáze rastu rastliny. Z externého prostredia semeno potrebuje predovšetkým vodu a optimálnu teplotu. Experimentálne bolo dokázané, že už pri malej vlhkosti v semenách sa prejavuje vysoká aktivita amylolytických a proteolytických enzýmov, čo umožní vysokú produkciu aminokyselín, karboxylových kyselín a glukózy. Exogénna aplikácia kvázi štartovacích biologických či chemických látok v žiadnom prípade nie je žiaduca. Odštartovanie fázy klíčenia v čase a priestore je závislé aj od úrovne dormancie semena. Zvýšená koncentrácia vo vode rozpustných látok a tým i vysoká iónová sila pôdneho roztoku obklopujúceho semeno pôsobí skôr retardačne na procesy klíčenia. Preto aj medializované návrhy na prídavok cukru (rozumej glukózy alebo sacharózy) ako zdroja energie sú bezpredmetné a z odborného hľadiska absurdné.
V súvislosti z hodnotením produkčnej účinnosti a ekonomických prínosov propagovaných výživových preparátov je potrebné vychádzať z predstavy o vysokej variabilite podmienok pestovateľského prostredia na dosahovane úrody. Úrody pestovaných plodín sú dané najmä podmienkami vegetačného ročníka. Preto rozdiely v úrodách medzi ročníkmi i napriek použitej identickej technológie pestovania vrátané aplikovaných hnojív a rôznych výživových preparátov i úrovne ošetrovania porastu sú mimoriadne odlišné a môžu aproximatívne dosahovať 20-30 % rozdiely o čom sa pestovatelia presviedčajú každoročne. Najväčšie rozdiely v úrode medzi ročníkmi sú závislé najmä od vodného režimu, preto voda okrem dusíka je limitujúcim faktorom produkčnej výkonnosti pestovaných plodín. Pokiaľ rozdiely v úrode spôsobené aplikáciou reklamovaných výživových preparátov a hnojív, v relácii s kontrolou, nepresahujú hodnoty 15 - 20 % nemôžu byť pre pestovateľa vierohodne a ani ekonomicky zaujímavé.