Mikroorganismer som naturlige hjælpere i haven og i landbruget

Transkript

1 Af Dr. Ursula Frimmer mikrobiolog Biosa Danmark ApS Mikroorganismer som naturlige hjælpere i haven og i landbruget Mikrobiologiske produkter, som på en naturlig måde fremmer jordens frugtbarhed (jordforbedringsmidler) og planters sundhed (plantestyrkende midler), har endnu ikke fundet nogen fast plads i haveelskeres og landmænds bevidsthed. Dette skyldes blandt andet mikroorganismernes manglende synlighed, men også en begrænset videnskabelig forståelse for processerne, som igen fører til mangelfuld information til slutbrugeren. Denne artikel er skrevet for at modvirke denne informationsmangel og for at vække en større interesse for de små hjælpere. Vidste du for eksempel, at en håndfuld god humusjord indeholder mange flere levende væsener end der findes mennesker på jorden? Alene i ét gram frugtbar markjord lever flere milliarder bakterier, millioner af svampe og tusinder af små kryb. Der findes gennemsnitligt 15 ton mikrobiel biomasse i en hektar frisk markjord. Ca. en tredjedel af denne biomasse bliver dannet af bakterier. Mikroorganismernes deltagelse i stoffernes kredsløb Hvis man betragter mikroorganismernes plads i stoffernes kredsløb, bliver det tydeligt, at deres virke er livsvigtig for, at mennesker, dyr og planter skal kunne overleve: 1. Grønne planter opbygger den primære biomasse i form af organiske substanser som blade, rødder, stængler, træ (kemisk: sukker, cellulose, lignin, protein, fedt, osv.) Til denne syntese bruger de solenergi, kuldioxid (CO 2 ) fra luften samt mineralske næringssalte (f. eks. fosfat og nitrat) opløst i vand fra jorden. Derfor bliver de grønne planter kaldt for producenter. 2. Dyrene er konsumenter. De udnytter en stor del af denne primære biomasse som foder og opbygger deres kroppe heraf. 3. Når dyr og planter dør, skal kredsløbet sluttes. Derfor må de organiske substanser fra deres rester tilbageføres til mineralske og uorganiske forbindelser. Denne proces, som betegnes mineralisering, bliver først og fremmest gennemført af svampe og bakterier. De fungerer som destruanter i naturens balance, og uden disse ville livet på jorden ikke være muligt. Hvis man betragter et enkelt eksempel på stofkredsløbet, for eksempel kulstofkredsløbet, bliver mikroorganismernes overordnede betydning endnu tydeligere. Mikroorganismerne sørger for at mineralisere det kulstof, de grønne planter har bundet organisk, og derved opretholder de en meget ømtålelig balance. Den atmosfæriske luft indeholder kun lidt mere end 0,03% kuldioxid. De grønne planters fotosyntese er en så enorm præstation, at atmosfærens CO 2 beholdning ville have været opbrugt i løbet af ca. 20 år, hvis ikke mikroorganismerne sørgede for, at det organiske materiale, der er blevet opbygget i planterne, blev ført tilbage til den mineralske form. Derudover ville hele jordens overflade og alle verdenshavene på kort tid være dækket af den organiske substans, som planterne ville have opbygget. Under mineralisationens oxidationsprocesser bliver kulstoffet ført tilbage til CO 2 form.

2 Også i andre stofkredsløb (kvælstof, svovl, fosfor) er mikroorganismernes rolle relevant på en lignende måde. Kvælstof fra døde planter og dyr findes for eksempel i jorden, bundet i en form (ammonium), som planter ikke kan optage. Først efter den mikrobielle oxidation til nitrat og nitrit bliver kvælstoffet tilgængeligt for planterne, og kredsløbet er derved sluttet. Mikroorganismer og plantenæring Sammenfattende kan man altså fastslå, at mikroorganismer som destruanter sørger for at vigtige elementers stofkredsløb forbliver lukkede, og at livet på jorden derved er sikret. Mikroorganismerne sørger for, at de organiske substanser, der kommer ned i jorden (rødder, blade, planterester, grøngødning, gylle, husdyrgødning, døde dyr), bliver omdannet til uorganisk form (kvælstofforbindelser, kuldioxid, mineraler), som er tilgængelig for planterne. Derved muliggør de planternes ernæring. Kort sagt planterne ville sulte ihjel, hvis ikke mikroorganismerne mineraliserede de organiske substanser. Modsat mennesker og dyr kan planter ikke optage og fordøje komplekse organiske forbindelser (som f. eks. cellulose eller protein). Det er ofte specialiserede mikroorganismer, der indleder nedbrydningen. Gennem den katalytiske virkning af mikroorganismernes enzymer, bliver substanserne dog kun nedbrudt til et bestemt niveau. Det efterfølgende nedbrydningsforløb bliver ført videre af andre mikroorganismegrupper, som gensidigt afløser hinanden. Her spiller miljøfaktorer en vigtig rolle (temperatur, fugtighed, ph værdi, iltkoncentration, etc.) Nogle andele af det organiske materiale fra planter eller dyr er nemme at nedbryde for mikroorganismerne, mens andre er svære at nedbryde. Kulhydrater (sukker, stivelse, cellulose, hemicellulose, polyosen, pektin etc.) og også proteiner og proteinderivater er som oftest relativt nemme at nedbryde. Modsat er stoffer som lignin, nogle fedtarter, harpiks, voks, gummi m.m. meget svære at angribe, og således også at nedbryde. Naturlige stoffer som er svære at nedbryde fører til, at der opstår ophobninger af såkaldte nedbrydnings-mellem-produkter i jorden, som indgår i humusdannelsen og spiller en vigtig rolle for jordens frugtbarhed. Forholdet mellem jordens egenskaber, mikroorganismerne og planternes rødder spiller en afgørende rolle for planternes vækstpotentiale og derved for produktiviteten. Det er en forudsætning for planternes effektive forsyning af næringsstoffer, at mikroorganismerne har en høj evne til at optage og omsætte næringsstofferne. Vores forskning har vist, at jo mere varieret mikrofloraen er, desto bedre er kulstofudnyttelsen og som følge heraf humusudnyttelsen. Humusen er igen vigtig for at opbygge og bibeholde jordens frugtbarhed. (Paul Mäder, FiBL Forschungsinstitut für biologischen Landbau, Schweiz). Hvordan kan man så opnå en varieret mikroflora og derved mikroorgansimer med en høj evne til at optage og omsætte næringsstoffer? En fornuftig administration af jorden med en tilstrækkelig tilførsel af organisk materiale er et vigtigt skridt i den rigtige retning. Det har vist sig, at kultiveringsmetoder som sædskifte og blandingskulturer udvikler en større naturlig variation af mikroorgansimer, hvorved potentialet for phytopathogene jordbakterier minimeres markant. Vekselvirkning mellem planter og mikroorgansimer Mikroorganismerne koloniserer også de overjordiske dele af planterne og tilhører et komplekst økosystem, som kan sammenlignes med den naturlige flora på menneskers hud eller slimhinder. Processerne,

3 der foregår under jorden, er dog mindst lige så interessante. Planterøddernes opgave er at optage vand og næring fra jorden. I dag ved man, at rødderne ikke kun optager stoffer fra jorden, men også afgiver en række substanser som sukker, enzymer eller organiske syrer i områderne rundt om rødderne. Disse substanser er behjælpelige med at frigøre næringsstofferne fra jorden, eller virker som næring til bakterier og svampe. Det er derfor ikke overraskende at bakteriemængden er meget højere i røddernes umiddelbare nærhed (1-3mm), den såkaldte rhizosfære, end den er i jorden længere væk fra rødderne. Men hvorfor forsyner planterne mikroorganismerne med næring? Videnskabsmænd har længe beskæftiget sig med dette spørgsmål og nogle systemer er efterhånden ret godt udforskede. Heriblandt hører symbiosen mellem kvælstoffikserende rhizobium bakterier og ærter og bælgplanter (leguminosae). Planter er ikke i stand til at optage det reaktionstræge kvælstof fra luften (N 2 ) og aktivere det. De kan kun optage kvælstof i form af nitrat og nitrit gennem rødderne. Mange bakterier, herunder rhizobium arterne, kan aktivere elementært kvælstof (N 2 ). Da kvælstof og fosfor ofte er de begrænsende vækstfaktorer for planterne, er dette fra planternes synspunkt en yderst attraktiv evne. Rhizobienerne inficerer værtsspecifikt unge rodhår, danner en infektionskanal og vokser således ind i rodens indre. Her danner planten og bakterien sammen en vævssvulst, en såkaldt knold, hvor bakterierne kan formere sig uforstyrret. Det handler om en ægte symbiose. Planten, som vært, leverer næringsstofferne, overvejende sukker, og skaber optimale livsbetingelser for bakterierne. Af kvælstoffet, som er fikseret af bakterierne, bliver 95% afgivet til planten i form af ammonium-ioner til planternes cytoplasmaceller. En anden intensivt undersøgt symbiose mellem mikroorganismer og planter, er den såkaldte mycorrhiza. Her indgår svampe og planterødder i en tæt forbindelse. Man skelner mellem ekto-mycorrhiza og endo-mykorrhiza. Ved ektomycorrhiza trækker svampefletværket sig over rødderne og danner ved hjælp af de fine svampehyfer et netværk som strækker sig gennem jorden. Dette fører til en betragtelig udvidelse af overfladen, som igen medfører en op til 60 gange forbedret mineralsalt- og vandforsyning til planten. Svampehyfernes fysiske barriere rundt om planteroden, øger plantens modstandskraft overfor sygdoms- og insektangreb. Svampene på sin side profiterer af den organiske substans, som planterødderne leverer. Ca. 98% af alle de plantearter som vokser i jorden, danner en sådan mykorrhiza symbiose med tilsvarende mangfoldighed af jordsvampe. Ved endo-mykorrhiza trænger svampen ind i roden og danner små blærer (vesikler) og forgreninger (arbuskler). I blæ-

4 rerne bliver kulstoffet lagret, mens udvekslingen af næringsstoffer mellem svamp og plante foregår i forgreningerne. Vekselvirkningen mellem plante og frie rhizosfærebakterier Langt mindre udforsket er de mikroorganismer, der lever frit i rhizosfæren, både når det gælder vekselvirkningen mellem hinanden og med værtsplanten. Den klassiske mikrobiologis metoder har ikke været egnede til fylogenetisk at gribe de frit levende bakterier i rhizosfæren. Via kultiveringsteknikker kan man isolere ca. 10 millioner bakterieceller fra et gram jord. Mikroskopet viser dog, at der findes 10 til 100 gange flere levedygtige bakterier. Man går i dag ud fra, at de kultiverbare mikroorganismer i jorden udgør blot 1-5%, mens 95 99% aldrig er blevet identificeret, da de ikke kan kultiveres på de almindelige medier. Dette åbner helt nye perspektiver, og da processerne i rhizosfæren er af stor betydning for landbruget, får rhizosfæreforskningen stadig større betydning. Nyere metoder som fluoressensmarkeringer og molekylærbiologiske metoder gør det nu muligt at registrere og undersøge egenskaberne af en langt større del af mikroorganismerne i jorden. Rhizosfæren giver mikroorganismerne en slags foder oase i en ellers næringsfattig jord. Rhizosfærebakterierne kan hjælpe planten med at mobilisere næringsstofferne i jorden med at beskytte rødderne mod sygdomsbakterier eller afgive plantevæksthormoner (Cytokininer, Auxiner, Gibberelliner), som fremmer plantens vækst. Det er flere gange lykkedes at isolere mikroorganismer med disse egenskaber fra rhizosfæren og dyrke dem i laboratoriet. Forsøg har vist, at planter, som er blevet podet kunstigt med formerede rhizosfærebakterier, vokser meget bedre end ikke podede kontrolplanter. Disse nyttige mikroorganismer kan blive brugt som biologisk gødning eller jordforbedringsmidler. Disse teknologier kunne bidrage til at reducere brugen af mineralgødning og plantebeskyttelsesmidler i landbruget og i haverne. For eksempel har et dansk firma siden 90 erne arbejdet med at isolere nyttige rhizosfærebakterier fra sukkerroer. Det er efterhånden lykkedes at isolere egnede stammer, at sikre deres holdbarhed og at fiksere dem til sukkerroefrøene gennem et egnet bæremateriale. Det færdige produkt burde snart være på markedet. I rhizosfæren lever ikke kun godartede bakterier, men også sygdomsfremkaldende bakterier som er en trussel mod planternes sundhed. Kontrolorganismer sørger dog for at disse forhindres i at brede sig uforholdsmæssigt meget. Der finder således en organiseret biologisk kontrol sted i rhizosfæren. Undersøgelser om signaludveksling og signalbearbejdning i rodområdet opnår en ny kvalitet på baggrund af kendskabet til planternes genomer og de rhizosfæriske mikroorganimser. Resultater inden for mikrobiel forskning viser, at rhizosfærebakterier til og med kan kommunikere med hinanden. Deres sprog er af kemisk natur. Med bestemte signalmolekyler (N-Acyl- Homoserinlactone) kan de for eksempel aftale aktiveringen af bestemte gener, afhængig af bakteriepopulationens tæthed, eller de kan styre en antibiotikaproduktion som forsvar mod uønskede naboer (biologisk kontrol). Åbenbart har mange planter i deres rhizosfære et stort antal bakterier, som har dette kemiske sprog og som producerer de nævnte signalmolekyler. Yderligere er det også lykkedes at dokumentere en plantes (tomat) reaktion på en bakteries (Serratia liquefacies) signalmolekyler. Vi kan altså gå ud fra, at der finder en aktiv informationsudveksling sted, på den ene side mellem plante og rhizosfærebakterier og på den anden side bakterierne imellem.

5 Hvis man tager nyere forskningsresultater i betragtning, viser kommunikationen sig fra et endnu højere niveau. Også encellede dyr som amøber eller mere udviklede dyr som insekter, der kan være en trussel for planterne (såkaldte skadedyr) er i stand til at kommunikere. Når for eksempel amøberne spiser mikroorganismerne på en planterod, reagerer planten også gennem blade eller gennem rødder der ligger langt væk. Et videregående eksempel på de ekstremt komplekse sammenhænge er: hvis en larve spiser af en plantes blad, forandres sammensætningen af mikroorganismer omkring roden. Sammenfattende kan det fastslås, at mikroorganismerne har en enorm stor betydning for økosystemet jorden og de planter, som slår rod i den. Man ved med sikkerhed at jordens mikroorganismer har en positiv indflydelse på planternes næringstilførsel, deres vækst, deres modstandskraft mod sygdomme og jordens frugtbarhed. De videnskabelige bestræbelser på at prøve at forstå og forklare de enkelte virkninger, befinder sig, trods fantastiske nye metoder, imidlertid kun på et begynderstadie. Der findes dog et velbegrundet håb om, at denne viden i fremtiden vil føre til en reduceret brug af plantebeskyttelsesmidler og mineralsk gødning, og en forbedret forvaltning af jorden. Allerede i dag findes der et stort udbud af mikrobiologiske produkter til rådighed for gartnere og landmænd. Disse produkter er meget anbefalelsesværdige som alternativer eller supplement til de traditionelle midler. Bioteknologiens princip, hvor man prøver at erstatte de kunstige og ofte belastende kemiske metoder med naturens rene og raffinerede metoder, gør sit indtog også i landbruget.