Mikroorganizmy glebowe jako wskaźniki stanu środowiska glebowego. Cykl: “Nauki Rolnicze XXI Wieku”

Gleba, stanowi podstawę naszego funkcjonowania, dlatego też monitorowanie jej jakości ma kluczowe znaczenie dla przetrwania cywilizacji. Pomocne w tym mogą być m.in. wskaźniki mikrobiologiczne.

Środowisko glebowe to bogaty i złożony ekosystem, charakteryzujący się ogromną bioróżnorodnością. Integralną jego część oraz fundament funkcjonowania stanowią przede wszystkim mikroorganizmy glebowe. Jest to najbardziej zróżnicowana zbiorowość biosfery, w której mieści się co najmniej jedna czwarta całkowitej różnorodności biologicznej Ziemi [1]. Ta ogromna bioróżnorodność sprawia, że drobnoustroje uczestniczą praktycznie we wszystkich kluczowych procesach biologicznych zachodzących w ekosystemach. Są ściśle związane m.in.: z rozkładem materii organicznej, uwalnianiem składników mineralnych, obiegiem składników odżywczych, detoksykacją czy sekwestracją węgla, przez co determinują stabilność i odporność ekosystemów. Wszelkie zmiany w składzie jakościowo-ilościowy mikrobiomu glebowego rzutują na prawidłowe funkcjonowanie ekosystemów [2].

Mikroorganizmy zasiedlające środowisko glebowe nie tylko kształtują je, ale również wykazują dużą wrażliwość nawet na niewielkie zmiany w nim zachodzące. Dlatego ich różnorodność, aktywność biochemiczna oraz enzymatyczna są powszechnie uznawane za czułe wskaźniki stanu gleb. Do najczęściej stosowanych zalicza się: aktywność enzymatyczną, aktywność biochemiczną związaną z przemianami głównych biogenów tj. węgla (C) i azotu (N), analizę różnorodności metabolicznej gleby (CLPP) oraz liczebność i bioróżnorodność populacji bakterii i grzybów.

Do ilościowego określania mikroorganizmów glebowych stosuje się wiele różnych metod, ale znalezienie, jak najbardziej optymalnej jest kwestią dyskusyjną. Jedną z nich jest tzw. ,,metoda płytkowa’’. Dostarcza ona bardzo cennych informacji na temat intensywności rozwoju bakterii i grzybów w glebie, ale posiada również pewne minusy. Liczebność oznaczana tą metodą może być niedoszacowana, ponieważ tylko pewna część drobnoustrojów jest zdolna do wzrostu na podłożach sztucznych [3]. Powszechne jest przekonanie, że techniki molekularne zapewniają dokładniejszy obraz społeczności drobnoustrojów. Jednak powstające obecnie nowe podłoża i warunki hodowli coraz bardziej przypominają naturalne środowisko drobnoustrojów, dlatego też metoda ta pozostaje nadal ważnym narzędziem w izolacji drobnoustrojów [4].

Istotnym, obok liczebności i różnorodności, wskaźnikiem aktywności biologicznej gleby jest również aktywność biochemiczna, mierzona zawartością produktów działalności mikroorganizmów glebowych, np. jonów N-NO₃, N-NH₄, czy dwutlenku węgla (CO₂)_.Pomiar ich stężenia pozwala na ocenę intensywności takich procesów, jak oddychanie, mineralizacja celulozy, amonifikacja czy nitryfikacja, czyli procesów związanych z obiegiem głównych biogenów, takich jak C i N. Za kontrolowaniem przebiegu ww. procesów przemawia również fakt, że powstające w ich wyniku gazowe produkty mogą przyczyniać się do pogłębiania efektu cieplarnianego. Szacuje się, że z gleby emitowane jest 21% NO, 53% N₂O, 35% CO₂ i 47% CH₄[5].Rys. 1. Jesierska-Tys S. i inni., 2021. [6]

Istotnym narzędziem, w monitorowaniu zmian zachodzących w glebie również ściśle związanym z mikrobiomem glebowym jest także aktywność enzymatyczna. Źródłem enzymów w glebie są bowiem głównie mikroorganizmy. Enzymy glebowe to naturalne katalizatory wielu procesów zachodzących w środowisku glebowym, odgrywają ważną rolę w rozkładzie materii organicznej i obiegu składników odżywczych. Uczestniczą w wielu cyklach biogeochemicznych m.in.: w obiegu węgla – dehydrogenazy, β-glukozydaza, azotu – proteaza, uraza; fosforu – fosfatazy, czy siarki – arylosulfataza. Szybka reakcja tego parametru, wywołana różnymi praktykami powoduje, że aktywność enzymatyczna uznawana jest za istotny wskaźnik wykorzystywany w ocenie jakości gleb [7,8]

Parametry aktywności mikroorganizmów mogą służyć m.in. do monitorowania żyzności gleb, procesów degradacji, jak i procesów rewitalizacyjnych środowiska glebowego. Pomiar ich aktywności dostarcza nam również informacji o możliwości ponownego wykorzystywania odpadowej materii organicznej, np. zawartej podłożu po uprawie pieczarek czy w osadzie ściekowym do rekultywacji czy nawożenia gleb [7,8].

Ze względu na różnorodność mikroorganizmów i procesów przez nie przeprowadzanych, związanych z ww. zagadnieniami, jak również wady i zalety, jakie wykazują poszczególne metody (tradycyjne, jak i nowoczesne) wskazane jest wykorzystywanie różnych wskaźników mikrobiologicznych do monitorowania stanu środowiska glebowego.

dr hab. Jolanta Joniec, prof. uczelni
dr inż. Edyta Kwiatkowska
Katedra Mikrobiologii Środowiskowej
Wydział Agrobioinżynierii

Wu H., Cui H., Fu C., Li R., Qi F., Liu Z., … & Qiao M. 2024. Unveiling the crucial role of soil microorganisms in carbon cycling: A review. Science of The Total Environment, 168627. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168627
Cavigelli M.A. & Robertson G.P. 2000. The functional significance of denitrifier community composition in a terrestrial ecosystem. Ecology, 81, 1402-1414. https://doi.org/10.1890/0012-9658(2000)081[1402:TFSODC]2.0.CO;2
Wydro U. 2022. Soil microbiome study based on DNA extraction: A review. Water, 14, 3999. https://doi.org/10.3390/w14243999
Bonnet M., Lagier J.C., Raoult D., Khelaifia S. 2019. Bacterial culture through selective and non-selective conditions: the evolution of culture media in clinical microbiology. New Microbes New Infect., 34, 100622. https://doi.org/10.1016/j.nmni.2019.100622
Basheer S., Wang X., Farooque A.A., Nawaz R.A., Pang T., Neokye E.O. 2024. A review of greenhouse gas emissions from agricultural Soil. Sustainability, 16, https://doi.org/10.3390/su16114789
Jezierska-Tys, S.; Joniec, J.; Bednarz, J.; Kwiatkowska, E. 2021. Microbiological nitrogen transformations in soil treated with pesticides and their impact on soil greenhouse gas emissions. Agriculture, 11, 787. https://doi.org/10.3390/agriculture11080787
Joniec J., Oleszczuk P., Jezierska-Tys S., Kwiatkowska E. 2019. Effect of reclamation treatments on microbial activity and phytotoxicity of soil degraded by the sulphur mining industry. Pollut., 252 Part B, 1429-1438. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.06.066
Kwiatkowska E.; Joniec J. 2022. Effects of agricultural management of spent mushroom waste on phytotoxicity and microbiological transformations of C, P, and S in soil and their consequences for the greenhouse effect. Int. J. Environ. Res. Public Health, 19, 12915. https://doi.org/10.3390/ijerph191912915