Půdní mikrobiologie je mezioborový předmět, který úzce souvisí s půdní biochemií a mikrobiální ekologií.
To zahrnuje pochopení principů pedologie, mikrobiologie a chemie biologických systémů.
Existují dva hlavní přístupy k půdní mikrobiologii. Prvním přístupem je studium organismů studiem jejich fyziologie a taxonomie, zatímco druhý přístup se zaměřuje na mikrobiální procesy, tedy to, co mikroorganismy dělají v půdě.
Půda je heterogenní stanoviště s neustále se měnícími podmínkami prostředí pro růst mikroorganismů.
Půdní mikroorganismy jsou přítomny ve velkém množství a mají širokou škálu metabolických aktivit a fyziologických vlastností, které hrají zásadní roli v koloběhu živin v půdě a jsou nezbytné pro odstraňování znečišťujících látek z půdy.
Půda obsahuje širokou škálu substrátů pro mikroorganismy, od jednoduchých cukrů až po nejsložitější materiály, jako je humus.
Půda se také skládá z mnoha mikromíst s hladinami živin, vlhkosti, pH a Eh, které se mění na velmi krátké vzdálenosti (mm nebo mm) a přesčas.
Důsledkem chemické a fyzikální heterogenity půdy je, že půda skrývá největší rozmanitost života.
Mikroorganismy vyskytující se v půdě
ИKvůli rozmanitosti živin a základních faktorů je půda domovem různorodé skupiny mikroorganismů.
Půdní mikroorganismy jsou klasifikovány do sedmi různých kategorií: bakterie, houby, viry, modrozelené řasy, aktinomycety, prvoci a hlístice.
Každá z těchto skupin má jiné vlastnosti a svou roli v půdě, ve které žije.
Takové mikroorganismy se nacházejí nejen v povrchové půdě, ale také v podpovrchové půdě stovky až tisíce metrů pod zemí.
Obecně se počet mikroorganismů snižuje s rostoucí hloubkou v půdním profilu, především v důsledku úbytku organické hmoty v půdě.
Přesné složení mikrobiálního společenství v půdě se může měnit se změnami v prostředí.
Distribuce mikroorganismů v půdě se liší od jedné oblasti půdy k druhé. Úzká oblast půdy přímo vystavená kořenům rostlin, nazývaná rhizosféra, obsahuje více mikroorganismů než jiné části půdy.
Rhizosféra je dynamické prostředí, ve kterém kořeny rostlin vylučují různé sloučeniny, které podporují vyšší mikrobiální populace a aktivitu než v objemné půdě.
Bakterie v půdě
Co je to bakterie?
Bakterie jsou nejmenší a nejhojnější buněčné organismy v půdě. Jsou to prokaryotické organismy, které jsou typicky 0,5 až 1 mm široké a 1 až 2 mm dlouhé.
Drobné bakterie nazývané ultramikrobakterie, mohou mít průměr pouhých 0,3 mm s objemem buněk menším než 0,1 mm3.
Ačkoli mají bakterie mnoho buněčných tvarů, včetně tyčinkových, kulovitých, spirálovitých a vláknitých, nejběžnějším buněčným tvarem nalezeným v půdě je krátká tyčinka (kokoidní tyčinka).
Bakterie jsou jednou z nejběžnějších skupin mikroorganismů nacházejí se v půdě, přičemž většina z nich je přítomna v oblasti rhizosféry.
Bakterie v rhizosféře jsou větší a mají vyšší podíl gramnegativních a denitrifikačních bakterií než v objemné půdě.
Příklady bakterií nalezených v půdě
Biomasa bakterií nacházející se v půdě se pohybuje od 300 do 3000 kg/ha. Na gram půdy připadá přibližně 10 8 až 10 9 bakterií, z nichž většina (> 99 %) nebyla nebo nemůže být pěstována v laboratoři.
Běžné bakteriální izolované z půdy zahrnují Bacillus, Arthrobacter, Pseudomonas, Agrobacterium, Alcaligenes, Clostridium, Flavobacterium, Corynebacterium, Micrococcus, Xanthomonas a Mycobacterium.
Na rozdíl od jednoduché morfologie, bakterie mají největší metabolickou rozmanitost.
Z hlediska využití uhlíku se rozlišují autotrofy a heterotrofy a z hlediska spotřeby energie se rozlišují chemoorganotrofy, chemolithotrofy a fototrofy.
Aerobní bakterie použít kyslík jako akceptor elektronů; anaerobní bakterie používají alternativní akceptory elektronů, jako je dusičnan, železité železo, síran, uhličitan a organická hmota.
Protože půda je oligotrofní (na živiny chudé) prostředí, většina bakteriálních buněk je považována za spící.
Jedinou oblastí v půdě, kde se typicky vyskytují metabolicky aktivní mikroorganismy, je rhizosféra, kde živiny nejsou omezeny.
V podmáčených nebo silně utužených půdách počet aerobních bakterií klesá, zatímco mikroaerofilních a nakonec anaerobních bakterií přibývá.
Na rozdíl od jiných půdních mikroorganismů většina bakterií preferuje půdy bohaté na živiny s neutrálním nebo mírně zásaditým pH a podobnými poměry C/N.
Pozitivní účinky prvoků v půdě
elementární jsou rozhodující v suchozemských ekosystémech, kde působí jako bakteriální spotřebitelé, což vede k mineralizaci organického půdního dusíku za vzniku amonia.
Společenstvo prvoků v půdě lze také použít k hodnocení a sledování změn v biotických a abiotických složkách půdy, čímž působí jako půdní bioindikátory.
Bylo zjištěno, že prvoci zvyšují rostlinnou biomasu bez ohledu na obsah živin v rostlinné tkáni.
Mnoho druhů prvoků se živí bakteriemi a další mikroorganismy, což zlepšuje koloběh živin a tok energie mezi mikroorganismy, zvířaty a rostlinami.
Negativní účinky prvoků v půdě
Protože většina bakteriálních společenství v půdě poskytuje potravu pro prvoky, přítomnost prvoků v půdě ovlivňuje bakteriální diverzitu.
Někteří prvoci mohou být pro rostlinu škodliví, snižují zdraví rostlin a výnos.
Modrozelené řasy (sinice) v půdě
Co je modrozelená řasa?
Sinice jsou fototrofní bakterie, které jsou důležité v půdách, kde je dostupné světlo a voda.
Sinice jsou autotrofní eukaryota, která se skládají jak z volně žijících fotosyntetických bakterií, tak z endosymbiotických organismů.
Modrozelené řasy existují ve formě pohyblivých vláken buněk, které jsou odstraněny za účelem vytvoření nových kolonií.
Modrozelené řasy se vyskytují v koloniální nebo vláknité formě a vláknité formy vykazují heterocystická nebo neheterocystická vlákna.
Heterocysty jsou tlustostěnné, velké buňky, zodpovědný za fixaci dusíku za anaerobních podmínek.
Příklady modrozelených řas nalezených v půdě
Modrozelené řasy v půdě jsou přítomny v široké škále vlhkých půd, hlavně kolem kořenů rostlin ve formě symbiotické asociace.
Tyto organismy se mohou vyskytovat buď volně v půdě, nebo ve formě symbiotických vztahů s rostlinami lišejníků.
Druhy sinic mají určité struktury, jako jsou heterocysty, které se podílejí na fixaci dusíku a jsou tak přítomny v anaerobní zóně půdy.
Některé z běžných sinic zahrnují Nostoc, Prochlorothrix, Anabaena, Nodularia et al.
Cyanobakterie byly hlášeny z široké škály půd, které se daří nad i pod povrchem.
Modrozelené řasy v půdě přežívají při mezofilních teplotách, který je citlivý na kyselost/nízké pH (optimální rozsah pH 6,5-8,0) a podmáčené půdní podmínky.
Pozitivní účinky modrozelených řas v půdě
Sinice patří mezi první mikrobiální společenstva, která kolonizují suchozemské ekosystémy.
Tyto mikroorganismy hrají důležitou roli v půdě fixací dusíku a uhlíku prostřednictvím syntézy exopolysacharidů, které zvyšují úrodnost půdy a schopnost zadržovat vodu.
Aplikace sinic jako inokulantů k vyvolání tvorby bioprášku na půdě je nová technologie, která obnovuje neúrodné, degradované oblasti a zabraňuje procesům dezertifikace.
Hrají důležitou roli při zvyšování fyzikální struktury půdy, pórovitosti a zadržování půdní vlhkosti díky své vláknité struktuře.
Tyto organismy také produkují slizovité látky, vylučují v půdě fytohormony, vitamíny, aminokyseliny a sekundární metabolity.
Mnoho druhů sinic má vnitřní schopnost fixovat atmosférický dusík pomocí velmi specializované buňky zvané heterocysta.
Použití sinic fixujících N2 jako potenciálního zdroje biohnojiva N2 v polních podmínkách působí jako alternativa k běžně používaným organickým a chemickým hnojivům.
Negativní účinky modrozelených řas v půdě
V některých případech mohou modrozelené řasy tvořit květy řas a uvolňovat do půdy toxiny, které přímo nebo nepřímo ovlivňují vegetaci.
Úbytek velkého množství společenstva sinic v půdě ovlivňuje bakteriální společenstva, protože způsobuje nedostatek kyslíku.
Viry v půdě
Co jsou viry?
Viry – Jedná se o genetické prvky, které se mohou replikovat nezávisle na chromozomech buňky, nikoli však nezávisle na buňkách samotných.
Viry jsou menší než bakterie a mají velikost 20 až 30 nm v průměru. Viry jsou obligátní parazité bakterií, hub, hmyzu, rostlin a zvířat, kteří obývají půdu.
Viry mohou působit jako spící struktury nebo částice, které mohou přežívat po dlouhou dobu v různých biotopech.
Protože viry jsou obligátní parazité, lze je nalézt kdekoli na světě, kde je život.
Příklady virů nalezených v půdě
Viry jsou nejběžnější biologické objekty na naší planetě a převyšují počet buněčných organismů v mořských a půdních biotopech.
Koncentrace virů v půdě se odhaduje na 10 virových částic na gram sušiny.
Většina půdních virů jsou ocasaté bakteriofágy, které preferují podmáčené lesní půdy před suššími zemědělskými půdami.
Některé z běžných virů nalezených v půdě jsou zahrnují malé kulovité virové částice podobné velikosti jako jednovláknová (ss) RNA obsahující bakteriofágy rodiny Leviviridae nebo některé rostlinné viry a větší kulovité viry podobné dvouvláknové (ds) DNA obsahující viry rodin Partitiviridae, Chrysoviridae a Totiviridae.
Různé rodiny virů Myoviridae, Siphoviridae a Podoviridae s genomy o velikosti od 45 do 270 kb byly nalezeny v povrchových píscích saharské pouště.
Půdy fungují jako rezervoáry pro viry, ale pravděpodobně se nejedná o zcela statické rezervoáry, protože se zdá, že alespoň některé viry se mezi prostředími snadno pohybují.
Hlavním způsobem, jakým viry působí příznivě v půdě, je přenos genů mezi mikrobiálními hostiteli prostřednictvím horizontálního přenosu genů. Přenos genů umožňuje přenos prospěšných vlastností mezi různými komunitami.
Dalším způsobem, jak mohou viry v půdě potenciálně prospívat rostlinám, je infikování rostlinných patogenních organismů.
Viry různých mikrobů v půdě jako patogeny hrají důležitou roli v regulaci populační struktury jejich mikrobiálních hostitelů.
Virové populace mohou také působit jako rezervoáry genů zapojených do všech biochemických funkcí jejich mikrobiálních hostitelů a vzájemnou rekombinací během koinfekcí mohou být zdrojem nových genových variant.
Negativní účinky virů v půdě
Mezi virovým společenstvím v půdě jsou jasně viditelné rostlinné patogeny, které vstupují do rostliny mechanicky, přenašeči háďátek nebo přenašeči hub.
Viry ovlivňují i další mikrobiální společenstva bakterií, hub a prvoků, která způsobují nerovnováhu v biotické složce půdy.
Viry mohou dokonce ovlivnit fyzikální a chemické vlastnosti půdy ovlivněním biotických a abiotických složek půdy.
Vytvořte si na webu přihlášku, co nejdříve vás budeme kontaktovat a zodpovíme všechny vaše dotazy.
Tenké mulčovací polyetylenové fólie se používají v zemědělství v mnoha zemích a způsobují značné znečištění půdy. Nedávno vědci z Curychu našli alternativu k tomuto způsobu mulčování půdy: fólie vyrobené z biologicky odbouratelného polymeru PBAT.
Po několika týdnech, kdy filmy PBAT zůstaly v půdách, kolonizovaly jejich povrch četné půdní mikroorganismy a začala biodegradace polymeru. (Elektronová mikroskopie).
Náš svět se topí v záplavě plastu. Každý rok skončí v oceánech osm milionů tun plastu. Zemědělské půdy jsou také ohroženy kontaminací polymery. Zemědělci na celém světě používají obrovské množství polyetylenových (PE) mulčovacích fólií k hubení plevele, zvyšování teploty půdy a udržování půdní vlhkosti, což výrazně zvyšuje výnosy plodin. Po sklizni je často pro zemědělce nemožné posbírat všechny použité fólie, zvláště když jsou velké jen několik mikrometrů. Fólie se dostávají do půdy a časem se v ní hromadí, protože PE nepodléhá biologickému rozkladu. Zbytky filmu v půdách snižují jejich úrodnost, narušují transport vody a brzdí růst zemědělských plodin.
Výzkumníci z ETH Zurich a Švýcarského federálního institutu vodní vědy a technologie (Eawag) nedávno v mezioborové studii ukázali, že existuje důvod doufat, že půdní mikrobi jsou schopni mineralizovat filmy alternativních polymerů. Pomocí specializovaného zařízení pro testování půdy a chemické analýzy prokázali, že půdní mikroorganismy zcela degradovaly filmy složené z nového polymeru polybutylen adipát tereftalátu (PBAT). Jejich práce byla nedávno publikována v časopise Science Advances. Ve výzkumném projektu koordinovaném Michaelem Sanderem, Christopherem McNeilem a Hansem-Peterem Kohlerem a doktorandem ETH Zurich Michael Zumstein prokázali, že půdní bakterie mohou tento polymer využít jak pro výrobu energie, tak pro tvorbu mikrobiální biomasy. „Tato studie poprvé ukazuje, že půdní mikroorganismy mineralizují PBAT filmy v půdách a přenášejí uhlík z polymeru do jejich biomasy,“ říká Michael Sander, vedoucí výzkumník v Environmental Chemistry Group v Environmental Systems Research Unit na ETH Zurich. PBAT je polymer na bázi ropy, který se používá k výrobě různých produktů, včetně mulče. Protože PBAT byl již v kompostu klasifikován jako biologicky rozložitelný, výzkumníci ETH a Eawag se snažili posoudit, zda je PBAT biologicky rozložitelný v zemědělských půdách. Pro srovnání, PE se biologicky nerozkládá ani v kompostu, ani v půdě.
Ve svých experimentech vědci použili materiál PBAT, který je speciálně syntetizován z monomerů, a proto obsahuje určité množství stabilního izotopu uhlík-13. Tato izotopová značka umožnila vědcům sledovat uhlík získaný z polymeru, jak se biodegraduje v půdě. Po biologickém rozkladu PBAT uvolnily půdní mikroorganismy uhlík-13 z polymeru. Pomocí izotopově citlivého analytického zařízení vědci zjistili, že uhlík-13 z PBAT se nejen změnil na oxid uhličitý (CO2) v důsledku mikrobiálního dýchání, ale byl také zahrnut do biomasy mikroorganismů kolonizujících povrch polymeru.
„Na naší studii je nejvíce vzrušující to, že jsme použili stabilní izotopy k přesnému sledování uhlíku odvozeného od PBAT prostřednictvím různých biodegradačních drah polymeru v půdě,“ říká Michael Zumstein. Díky tomu vědci jako první s vysokou vědeckou přesností prokázali, že tento polymerní materiál účinně biodegraduje v půdě. To je důležité, protože ne všechny materiály, které byly v minulosti označeny jako „biologicky rozložitelné“, skutečně splňovaly nezbytná kritéria. „Biodegradace podle definice vyžaduje, aby mikroby metabolicky využily veškerý uhlík v polymeru k výrobě energie a vytvoření biomasy, jak jsme nyní ukázali u PBAT,“ říká Hans-Peter Kohler, environmentální mikrobiolog ze společnosti Eawag. Definice zdůrazňuje, že biologicky odbouratelné plasty se zásadně liší od plastů, které nemineralizují, ale jednoduše se rozpadají na drobné plastové částice, například když je plast vystaven slunečnímu záření. „Mnoho plastů se jednoduše rozpadne na drobné úlomky, které jsou pouhým okem neviditelné, ale přetrvávají v prostředí jako mikroplasty,“ říká Kohler. Ve svém experimentu vědci naplnili skleněné láhve o objemu 0,1 litru 60 gramy půdy a poté do půdy umístili filmy PBAT a bezpečně je zajistili. Po šesti týdnech inkubace vědci zhodnotili stupeň kolonizace povrchu PBAT půdními mikroorganismy. Poté určili množství CO2který se vytvořil v inkubačních lahvích, a množství izotopu uhlíku-13 obsaženého v tomto objemu CO2. A konečně, aby jasně prokázali začlenění uhlíku z polymeru do mikrobiální biomasy, spolupracovali s výzkumníky z Vídeňské univerzity.
V této fázi práce vědci ještě nemohou s jistotou říci, v jakém období se PBAT rozkládá v půdě za přirozených podmínek, protože své experimenty prováděli v laboratoři a ne v terénu. Pro hodnocení biodegradace filmů PBAT za reálných podmínek prostředí jsou zapotřebí dlouhodobé studie, které budou prováděny na různých typech půdy a za různých podmínek prostředí. “Bohužel je příliš brzy na oslavu vítězství: jsme stále daleko od nalezení řešení globálního ekologického problému znečištění plasty, ale udělali jsme velmi důležitý první krok k biologické rozložitelnosti polymerů v půdě,” říká Sander. . Zároveň varuje před nereálnými očekáváními bezproblémového biologického rozkladu plastů v životním prostředí: „Jak jsme ukázali, existuje jen naděje, že je možné vytvořit polymery, které jsou biologicky rozložitelné v půdě. Výsledky získané z testování materiálů v půdách však nelze přímo přenést do jiných přírodních prostředí. Například biodegradace polymerů v mořské vodě může být mnohem pomalejší kvůli různým podmínkám a různým typům mikrobiálních komunit.“
Vědci očekávají, že si jejich objevu všimnou průmyslové kruhy. „Vyvinuli jsme analytické metody, které pomáhají průmyslům testovat dopad jejich plastových výrobků na životní prostředí,“ říká spoluautor studie Christopher McNeil. „S naším vývojem mohou přejít na používání biologicky odbouratelných materiálů při výrobě tenkých mulčovacích fólií namísto biologicky nerozložitelného polyethylenu,“ dodává. To je ale ještě daleko, jen pár chemických firem začalo vyrábět a prodávat ekologičtější, ale bohužel dražší PBAT filmy. Mezi nimi i německá společnost BASF, která jako jedna z prvních tento výzkum podpořila. „Ve srovnání s celkovým objemem plastů uváděných do oběhu nehrají biologicky odbouratelné mulčovací fólie zdaleka primární roli. Tyto produkty jsou však důležitým výchozím bodem pro snížení stresu na zemědělských půdách a z dlouhodobého hlediska je mohou chránit před hromaděním plastů, říká Sander. Další možností, jak snížit množství zemědělských půd znečišťujících plasty, je použití silnějších mulčovacích fólií, které se mimochodem často používají ve švýcarském zemědělství. Tyto filmy lze po použití shromáždit a poté buď znovu použít, nebo zlikvidovat spálením.
