Mikrobiální biostimulanty a výživa rostlin?

28. 06. 2022 Doc. Ing. Martin Kulhánek, Ph.D. a kol. Stimulace Zobrazeno 2233x

Sci-fi nebo realita? Přirozené mikrobiální biostimulanty existovaly již v době, kdy se na planetě objevily první cévnaté rostliny. V mnohých studiích bylo za poslední staletí popsáno tisíce příkladů spolupráce různých druhů a kmenů mikroorganizmů s rostlinami. Nabízí se tak celkem jednoduchá otázka: „Proč již nejsou mikroorganizmy ve výživě rostlin využívány masově, stejně jako např. minerální hnojiva?“. Věda však na jednoduché otázky nemívá jednoduché odpovědi, a stejně tak tomu je i v tomto případě.

Co jsou mikrobiální biostimulanty?

Biostimulanty jsou nejčastěji definovány jako látky a/nebo mikroorganizmy, jejichž aplikací jsou stimulovány přirozené procesy vedoucí ke zvýšení:

• příjmu a využití živin rostlinami,
• tolerance k biotickým a abiotickým stresům,
• výnosu a kvality produkce.

Jedná se nejčastěji o mikrobiální preparáty na bázi hub a bakterií. Jsou však využívány i výtažky z rostlin a řas. Termín mikrobiální biostimulanty zahrnuje z hlediska výživy rostlin velmi širokou škálu organizmů, které lze rozdělit dle jejich účinnosti na následující:

• symbiotické mikroorganizmy poutající vzdušný dusík,
• mykorrhizní symbiotické houby (ekto- a endomykorrhiza),
• rhizosférní mikroorganizmy podporující mobilizaci živin,
• rhizosférní mikroorganizmy stimulující růst kořenů,
• volně žijící bakterie podporující příjem živin.

V praxi je již dlouhodobě využívána první jmenovaná skupina - mikroorganizmy symbioticky poutající vzdušný dusík (Rhizobium). Mikrobiální preparáty jsou rovněž s úspěchem aplikovány v ochraně rostlin. Poznatky o využití mikrobiálních preparátů k mobilizaci dalších živin a jejich následnému zpřístupnění rostlinám jsou však zatím stále nejednotné. Proto je tato publikace zúžena pouze na stručný popis posledních tří jmenovaných bodů, které jsou dnes předmětem intenzivního výzkumu.

Jak biostimulanty fungují?

V současné době již byla popsána celá řada mechanizmů, pomocí kterých mikroorganizmy podporují příjem a využití živin. Ty lze rozdělit do dvou základních skupin:

• mikroorganizmy mobilizující živiny přímo ať již ze stabilnějších organických nebo minerálních forem,
• mikroorganizmy podporující příjem živin nepřímou cestou, tj. buď podporují růst kořenů, tvorbu kořenových exsudátů a fytohormonů, nebo působí proti chorobám, což vede k lepšímu zdravotnímu stavu rostlin, anebo eliminují stresové faktory (sucho aj.).

Mikroorganizmy mobilizující živiny přímo

Mezi mikroorganizmy mobilizující živiny přímo lze zahrnout jednak bakterie (např. rod Pseudomonas, Bacillus, Paenibacillus, Arthrobacter a mnoho jiných) a jednak houby (např. Trichoderma, Penicillium, Aspergillus). Mikroskopické snímky vybraných zástupců jsou na obrázku 1 a 2. Tyto půdní mikroorganizmy hrají důležitou roli v půdních  procesech a představují tak významný podíl při mobilizaci živin, a proto mají značný potenciál pro využití v agronomické praxi, zejména v ekologickém zemědělství.

V mnohých studiích bylo prokázáno, že aplikace mikroorganizmů podílejících se na mobilizaci živin vedla k jejich zvýšenému příjmu i lepšímu využití rostlinou. Jako příklad lze uvést kombinaci Pseudomonas mallei a Pseudomonas capaceae s nanofosforečným hnojivem k fazolím pěstovaným na karbonátových půdách (Rady et al., 2019). Aplikace Fe-chelátu společně s Pseudomonas putida P159, Pseudomonas fluorescens T17-24 a Bacillus subtilis P96 zvýšilo produkci nadzemní biomasy i kořenů čiroku pěstovaného v chudých vápnitých půdách a později i jeho výnos a nutriční hodnotu (Abbaszadech-Dahaji et al., 2020). Velmi pozitivních výsledků bylo dosaženo v pokusech Borgi et al. (2020) s bakterií Serratia plymuthica BMA1. Aplikace tohoto kmene spolu s mletým fosfátem zvýšila výnos sušiny rostlin bobu o 76 % oproti kontrole hnojené pouze mletým fosfátem. Obsahy fosforu v kořenech i nadzemní hmotě byly navíc 3× vyšší ve srovnání s kontrolními rostlinami. Nutno však podotknout, že pokusy probíhaly na sterilizovaném písku.

Mechanizmy mobilizace živin lze spatřovat jednak ve zvýšení rozpustnosti minerálních sloučenin a jednak i mineralizaci organických forem živin.

V prvním případě mikroorganizmy produkují různé nízkomolekulární organické kyseliny (citronová, šťavelová, glukonová nebo vinná), které se podílejí na uvolňování živin následujícími způsoby:

a) chelatací kationtů,

b) snižováním hodnoty pH,

c) tvorbou komplexů s kovovými ionty, na kterých jsou živiny vázané,

d) soutěží o sorpční místa na půdních koloidech.

Zde lze jako příklad uvést Pseudomonas sp., kmen AZ15, u kterého byla prokázána produkce kyseliny šťavelové, glukonové, octové, mléčné a citronové. Tyto kyseliny se pak podílely na výrazném zvýšení rozpustnosti živin (Zaheer et al., 2019).

Dalším mechanizmem podílejícím se na lepší rozpustnosti živin je i produkce anorganických kyselin. Mikroorganizmy mohou produkovat kyselinu sírovou, dusičnou, chlorovodíkovou i uhličitou. První dvě zmiňované využívají k mobilizaci živin Thiobacillus a Nitrobacter. Mikrobiální kyselina chlorovodíková je dle Kim et al. (1997) schopna rozpouštět živiny na stejné úrovni jako organické kyseliny, ale s menší efektivitou.

Jiným principem mobilizace živin je například uvolňování vodíku z amonného kationtu. Vzniklý amoniak je využíván mikroorganizmy k syntéze aminokyselin. Odštěpený vodíkový kationt je uvolněn do cytoplazmy a následně do prostředí obklopujícího buňku. To pak vede k okyselení vnějšího prostředí a k zvýšení rozpustnosti vázaných živin. Tento mechanizmus je logicky závislý na koncentraci přístupného amonného iontu v půdě. V případě biostimulantů využívá uvedený mechanizmus např. Pseudomonas sp.

Za zmínku stojí rovněž přímá oxidace, kdy dochází k mimobuněčné oxidaci nerozpustných forem živin přítomných v půdě.

K dalším mechanizmům zpřístupňování živin patří produkce sideroforů (sloučenin schopných přijmout železo z obtížně rozpustných forem). Těch je v současné době známo více než 500 druhů a produkují je mikroorganizmy i rostliny. I když je jejich role v mobilizaci ostatních živin stále nejasná, jejich tvorba byla prokázána i u bakterií mobilizujících fosfor.

Mikroorganizmy rovněž produkují řadu enzymů schopných mobilizovat konkrétní živiny. Je zřejmé, že takto mikroorganizmy získávají živiny primárně pro svou potřebu. Po jejich odumření se však živiny stávají přístupnými i pro rostliny. Není vyloučeno, že prostřednictvím enzymů mikroorganizmy získávají živiny i pro rostliny, a to výměnou za lehce rozpustné organické látky, např. glukózu.

Obr. 1: Mikroskopický snímek Bacillus amyloliquefaciens (zdroj: pixels.com)

Obr. 2: Mikroskopický snímek Trichoderma harzianum (zdroj: wikimedia.org)

Mikroorganizmy podporující příjem živin nepřímo

Skupina mikroorganizmů podporujících příjem živin nepřímou cestou ukazuje na to, jak široké spektrum mikroorganizmů mohou biostimulanty zahrnovat. Bylo již prokázáno, že některé mikroorganizmy produkují fytohormony typu auxinů a giberelinů, které podporují dělení buněk, růst nadzemní biomasy, vývoj kořenové soustavy, kvetení, vzcházení i diferenciaci xylému.

Jednou z podstatných vlastností některých mikroorganizmů podporujících příjem živin nepřímou cestou je produkce enzymů, tzv. ACC deamináz. Tyto enzymy jsou zodpovědné za snižování hladiny ethylenu, který vzniká ve stresových podmínkách a má negativní vliv na růst rostlin. Bakteriální ACC deamináza dokáže snížit množství ethylenu až o 50–70 %.

Podpora příjmu živin se děje nepřímo i působením mikroorganizmů proti chorobám. Příčinou tohoto působení je například soutěž v kolonizaci kořenů, syntéza různých lytických enzymů a detoxifikačně působících látek a dále i indukovaná rezistence proti rostlinným patogenům. Mnoho bakterií podporujících příjem živin produkuje zároveň fungicidní metabolity jako viscosiamid, daucan, gliovirin, terpenoidy, pyrrolnitrin aj. působící proti rostlinným chorobám. Bylo například prokázáno působení Pseudomonas putida PSDM3, Enterobacter hormaechei PSDM10 a Advenella sp. PSDM17 proti fusariózám. Přítomnost Pseudomonas fluorescens snižuje výskyt hnědé hniloby bramboru (Ralstonia solanacearum) způsobující bakteriální vadnutí lilkovitých (Mohemmed et al., 2020).

Mnohé mikrobiální kmeny se mohou spolu s mobilizací živin podílet rovněž na remediaci půd od xenobiotik, pesticidů, těžkých kovů a organických rozpouštědel.

Řadu mikroorganizmů nelze jednoznačně zahrnout do jmenovaných skupin, protože jsou schopny přímo mobilizovat živiny, a rovněž nepřímo působit na jejich odběr.

Jak se chovají biostimulanty v praxi?

Jednou z perspektivních možností využití biostimulantů je jejich aplikace společně s odpadními materiály, a to zejména pro mobilizaci fosforu. Fosfor je totiž z mnohých, jinak odpadních, materiálů (zejména popele a materiálů prošlých pyrolýzou) obtížně dostupný. Praktickou aplikací biostimulantů pro mobilizaci fosforu v půdě se zabýval projekt Biofector sedmého rámcového programu EU, na kterém se podílela i Katedra agroenvironmentální chemie a výživy rostlin FAPPZ ČZU.

V rámci projektu bylo v letech 2012–2017 uskutečněno více než 150 nádobových a polních experimentů a bylo testováno 38 různých biostimulantů. Experimenty probíhaly v Irsku, Dánsku, Švýcarsku, Německu, České republice, Maďarsku, Rumunsku, Itálii a Izraeli. V závěru projektu byly výsledky všech uskutečněných experimentů vyhodnoceny v rámci celkové meta-analýzy, která zahrnula více než 1 100 jednotlivých pozorování. Na obrázcích 3–5 jsou zobrazeny některé pokusy s kukuřicí realizovaných v ČR. Během projektu byly testovány především tři plodiny - rajče, kukuřice a pšenice.

Aplikace biostimulantů se ukázala jako statisticky neprůkazná v případě pšenice, avšak velmi dobrých výsledků bylo dosaženo, pokud byly biostimulanty aplikovány k rajčeti. Kukuřice na aplikaci biostimulantů reagovala jen mírně pozitivně (o 4 % vyšší produkce biomasy), avšak statisticky průkazně. Celkově tyto výsledky dobře reflektují schopnost rostlin osvojovat si fosfor z půdy.

V rámci meta-analýzy byl pochopitelně sledován i vliv jednotlivých biostimulantů. V tomto případě nebyl pozorován zásadní rozdíl mezi kmeny bakterií nebo hub, pokud byly aplikovány jednotlivě. Mnohem účinnější se však ukázaly být produkty směsné, tedy ty, které byly založené na kombinaci více kmenů mikroorganizmů.

Dále byla v rámci projektu Biofector studována možnost společné aplikace biostimulantů s odpadními materiály a produkty za účelem zvýšení hnojivého účinku těchto materiálů (graf 1). Kombinace biostimulantů s většinou z testovaných materiálů nedosáhla v průměru statisticky průkazně rozdílné produkce ve srovnání s kontrolou bez biostimulantů. Dokonce negativních výsledků bylo dosaženo, pokud byly biostimulanty kombinovány s biocharem. Mírně pozitivní efekt vykázaly varianty, kdy byly biostimulanty aplikovány na kontrolní půdu, tedy varianty bez aplikace odpadních materiálů, a také varianty v kombinaci s rozpustným fosforečným hnojivem. U obou variant zvýšení výnosu v průměru dosahovalo přibližně 7 %. Nejslibnější se ukázala být kombinace biostimulantů s hnojem, kde v průměru bylo v rámci projektu dosaženo přibližně 16 % zvýšení výnosu.

Graf 1: Průměrná odezva rostlin (výnos sušiny, zrna, popř. plodu) na aplikaci biostimulantů dle kombinace s příslušným odpadním materiálem

Obr. 3: Pohled na tzv. screening experiment s kukuřicí (seřazeno dle variant), kde byla testována široká škála biostimulantů a odpadních materiálů - nejlepší varianty byly vybrány pro navazující pokusy

Obr. 4: Polní pokus v Humpolci - viditelně větší porost na variantě vpravo není bohužel způsoben aplikací biostimulantu, ale aplikací trojitého superfosfátu; vlevo je varianta směsi biostimulantů a uprostřed stejná směs aplikovaná spolu s mletým fosfátem

Obr. 5: Pokusy s biostimulanty a kukuřicí v Lípě (okres Havlíčkův Brod) v době sklizně

Úskalí využití biostimulantů

V současné době narůstá, občas až nesmyslný, tlak na zavedení tzv. zemědělství bez chemie. Nesmyslný proto, že chemie je prakticky odjakživa součástí přírody, nás samotných, a tak i našich životů. Výsledkem tohoto tlaku jsou množící se regulace a zákazy používání některých přípravků na ochranu rostlin, mořidel osiv i minerálních hnojiv.

Je tedy velmi pravděpodobné, že se časem, zejména v ochraně rostlin, budou stále více prosazovat mikrobiální přípravky. Když navíc zvolené biostimulanty budou zvládat zpřístupnění živin pro rostliny, bude to jedině dobře. Omezené zdroje některých minerálních hnojiv povedou k postupnému vyčerpání jejich zásob a mezitím i výraznému nárůstu jejich ceny.

Biostimulanty zlepšující hospodaření s živinami mohou být velmi perspektivní i v tomto ohledu, ale je nutné varovat před mnohdy zkresleným pohledem, který je způsoben zejména následujícím:

• Většina dosud publikovaných studií pochází z laboratorních nebo nádobových pokusů, kde je díky řízeným podmínkám mnohem snazší dosáhnout průkazných výsledků.
• Mnohem snazší publikovatelností průkazně pozitivních výsledků. Na jeden publikovaný článek s prokázaným pozitivním vlivem biostimulantů tak může připadat mnohem více zamítnutých studií s jejich neprůkazným, popř. i negativním vlivem.
• (Ne)záměrně špatně založenými pokusy, myšleno zejména ve vztahu ke kontrolní variantě, se kterou je aplikace biostimulantů porovnávána. Lze narazit i na studie, kde biostimulanty byly aplikovány v roztoku představujícím současně dávku tisíců litrů vody na ha. Oproti tomu ke kontrole nebylo aplikováno nic. Otázkou pak je, zda pozitivní efekt na ošetřené variantě způsobila aplikace biostimulantu či prostá zálivka.
• Tlakem producentů, kteří se logicky snaží prodat svoje výrobky.

Další úskalí použití představují i následující faktory:

• Přirozené prostředí v půdě zhoršuje přežití introdukovaných mikroorganizmů z důvodu konkurence s původními mikroorganizmy. To lze parafrázovat slovy: „Přirozené půdní mikroorganizmy netolerují vetřelce“.
• Mikroorganizmy mohou „myslet“ především na sebe a o živiny si tak s rostlinami konkurovat, což jsme pozorovali na živinově velmi chudých půdách.
• Půdní vlastnosti cílového pozemku se mohou výrazně lišit od těch, ze kterých byly biostimulanty izolovány. Nepřirozené prostředí tak omezuje životaschopnost biostimulantu.
• Nevhodný termín a způsob aplikace biostimulantů výrazně snižuje jejich životaschopnost a často vede pouze ke krátkodobému kontaktu biostimulantu s kořeny rostlin.
• Značný vliv na účinnost může mít i průběh počasí (změny teplot, srážky) a abiotický stres rostlin.
• V polních podmínkách je kvůli vysoké ceně biostimulantů (a zachování rentability) možné aplikovat pouze několikanásobně nižší dávky biostimulantů ve srovnání s dávkami běžně aplikovanými v nádobových pokusech.

Závěrem pár praktických tipů pro využití biostimulantů

Z vlastních zkušeností si dovolujeme uvést pár praktických doporučení pro využití biostimulantů:

• Více než u jiných přípravků je třeba dbát na dodržení pokynů výrobce.
• Zjistit, z jakých podmínek aplikovaný mikroorganizmus pochází (pH půdy, klimatické charakteristiky apod.). Podmínky stanoviště, na které chcete biostimulant aplikovat, by měly být podobné.
• V souvislosti s předchozím bodem lze vyšší výkonnost očekávat ve skleníkových provozech, kde jsou podmínky pěstování kontrolovatelnější.
• Aplikovat biostimulanty s dalšími látkami, které živiny obsahují (např. hůře rozpustnými hnojivy, popř. odpadními materiály), tj. dodávat je spolu s živinami, protože kde živiny nejsou, biostimulanty je nemohou zpřístupnit.
• Lepší výsledky lze očekávat se společenstvím mikroorganizmů, než s jednotlivými kmeny.
• Zohlednit pěstovanou plodinu - musí umět s daným mikroorganizmem spolupracovat.
• Nečekat zázraky v podobě zvýšení výnosů o desítky procent, ale spíše stabilizaci výnosů.

S ohledem na výše uvedené skutečnosti lze doporučit zpočátku „testovací“ aplikaci biostimulantů na malou plochu pozemku, porovnat výsledky s adekvátní neošetřenou kontrolou, a až v případě průkazně pozitivního efektu přejít na širší použití.

Příspěvek byl zpracován v rámci projektu Biofector (č. 312117) sedmého rámcového programu Evropské Komise a projektu MŠMT ČR - GA FAPPZ č. SV21-2-21140: „Podpora výzkumu, publikační činnosti a transferu vědeckých poznatků do praxe při studiu faktorů ovlivňujících půdní úrodnost.“

Použitá literatura je k dispozici u autorů.