Ostatnio również wypowiedziałem się na temat wykorzystania azotu w przeszłości jak i przyszłości… Ten artykuł poświęcony będzie życiu wolnożyjących organizmów wiążących azot. Nie będzie to jednak opis życia bakterii z rodzin Azotobacter, Azospirrillum, Clostridium, Arthrobacter, Beijerinckia, Pseudomonas i… tylko praktyczny przepis jak te mikroorganizmy zaprząc do pracy, byśmy mieli tytułowy „azot za darmo”. Osoby niezainteresowane zbytnio zagadnieniem dlaczego musimy stworzyć takie warunki jakie musimy mogą przewinąć wpis na sam koniec – tam w 7 punktach opisane jest co należy zrobić „by było dobrze”.
Wolnożyjące bakterie wiążące azot mogą być istotnym źródłem azotu dla rolnictwa. Zarówno teraz jak i w dobie Peak Oil.
Rodzaje wolnożyjących organizmów wiążących azot:
Wolnożyjące mikroorganizmy wiążące azot możemy podzielić kilka grup:
-niefotosyntetyzujące tlenowe bakterie wiążące azot np. Azotobacter , Beijerinckia
-niefotosyntetyzujące
-beztlenowe bakterie wiążące azot np. Clostridiumfotosyntetyzujące sinice np. Anabaena and Nostoc.
Ile azotu mogą związać wolnożyjące bakterie i organizmy wiążące azot?
Jest o co walczyć, bo wg różnych źródeł ilość związanego azotu przez wolnożyjące bakterie może dochodzić w optymalnych warunkach nawet do 50 kg na ha/rok (1). To sporo, mniej więcej 30-50% rocznej dawki używanej do nawożenia zbóż, lub inaczej licząc azot zawarty w ponad 1,5 tony ziarna kukurydzy i odpowiedniej masie kukurydzianej słomy (2).Autorska uczciwość wymaga bym podkreślił jeszcze raz sformułowanie „do” 50 kg na ha/rok – wartość pięciu kg (taka ilość również występuje) teoretycznie całkiem prawdziwie mieści się w przedziale od zera „do 50 kg”.
Jakie czynniki wpływają na wydajność wiązania azotu przez wolnożyjące mikroorganizmy?
Główne czynniki, które wpływają na ilość oraz aktywność wolnożyjących bakterii i sinic wiążących azot to:
-pH gleby
-ilość molibdenu i jego substytutu – wanadu (3) w glebie
-ilość azotu w glebie
-wilgotność gleby
-struktura gleby
-temperatura gleby
-napowietrzenie gleby
-ilość i rozmieszczenie materii organicznej w glebie
-roślinność
-używanie (bądź nie) środków ochrony roślin (ŚOR)
-sposób użytkowania gleby/agrotechnika
-rodzaj organizmów wiążących azot, choć ten zwykle jest czynnikiem wtórnym do warunków glebowych
Postaram się rozwinąć poszczególne punkty… Nie będę ich jednak opisywał osobno, gdyż są one ze sobą bardzo mocno powiązane.
Właściwości chemiczne gleby wpływające na organizmy wiążące azot
Molibden jest pierwiastkiem potrzebnym bakteriom wiążącym azot do produkcji enzymu – nitrogenazy (4), bez jego odpowiedniej i dostępności proces wiązania azotu osłabia się. (Nie)dostępność molibdenu może zatem negatywnie wpływać na ilość związanego przez bakterie i sinice azotu. pH gleby wpływa na przystępność molibdenu – im niższe pH, tym mniejsza jest dostępność tego pierwiastka dla roślin. Ponadto na glebach lekkich (które zwykle są również kwaśne) molibden stosunkowo łatwo ulega wymyciu. Jako ciekawostkę (dla Polaków) można wspomnieć, że molibden jest często czynnikiem ograniczającym wzrost roślin na glebach piaszczystych w tropikach (5). Bill Mollison (twórca pojęcia permakultura) podaje (o molibdenie) w książce „Permaculture Designers’ Manual”, że:
…A few ounces per acre is used on many acid soils, and rarely again needed…
Tłumaczenie (W.M.): …Kilka uncji (uncja to około 28g) jest potrzebne na akr (akr to około0,4ha) i potem rzadko kiedy trzeba powtarzać ten (nawożenia molibdenem) proces…
Zatem podniesienie pH do rozsądnego poziomu (6-7) oraz nawożenie molibdenem powinno pod tym katem poprawić żywot wolnożyjących bakterii i sinic wiążących azot (tych współżyjących z roślinami również). W Polsce także czasami uzasadnione jest stosowanie tego pierwiastka, zwłaszcza wśród rolników konwencjonalnych (6). Wapnowanie gleb kwaśnych poprawi przy okazji również ich strukturę.
Ciekawym faktem jest również, że ilość i aktywność wolnożyjących organizmów wiążących azot zależy również od ilości azotu w glebie. Okazało się, że po przyoraniu bogatych w łatwo i szybko dostępny azot roślin bobowatych (dawne motylkowe) wysianych na nawóz zielony, geny związane z nitrogenazą (enzymem wytwarzanym przez bakterie do wiązania azotu) nie uaktywniają się (7).
To ciekawe sprzężenie zwrotne zapobiega choć częściowo przenawożeniu azotem „naturalnego” pochodzenia, gdyż wolnożyjące bakterie wiążące azot nie „pracują” w środowisku obfitości azotu. Spowodowane jest to tym, że proces nitrogenazy jest energetycznie rzecz biorąc dla bakterii, sinic i roślin (w przypadku roślin jest to koszt „żywienia” bakterii symbiotycznych) bardzo kosztowny. Te organizmy preferują jeśli to jest możliwe azot w formie mineralnej czy organicznej niż wytwarzać go z powietrza. Przykładowo bakterie Azotobacter potrzebują 100 g glukozy do związania 1 g azotu(8). W pewnym stopniu tłumaczy to dlaczego w czasie ugorowania trójpolówki gleba regenerowała się i wzbogacała w azot – organizmy, które potrafiły stworzyć swój własny azot miały we środowisku duża przewagę więc i szybko się rozmnażały, mimo swojej „niewydajności” w sposobie pozyskiwania energii.
Właściwości fizyczne gleby wpływające na wolnożyjące organizmy wiążące azot
Właściwości fizyczne gleby mają bardzo duży wpływ na to jaki rodzaj organizmów wiążących azot będzie występował w danej glebie. Przykładowo gleba w której stoi woda (100% wilgotności) siłą rzeczy zawiera bardzo mało powietrza. To zaś sprawia, że są w niej w stanie rozwijać się tylko beztlenowe organizm wiążące azot (np. Clostridium). Oznacza to, że mimo tego, że bakterie te mogą wiązać azot atmosferyczny, to z racji:
-dużej energochłonności procesu wiązania azotu atmosferycznego
-niskiej wydajności metabolicznej procesu oddychania beztlenowego…
…wiązanie azotu atmosferycznego w warunkach beztlenowych jest mało wydajne. Empirycznym potwierdzeniem tego zjawiska jest marna jakość siana (czy to w ogóle można tak nazwać?) pozyskiwanego z cały czas podtopionych łąk czy sitowi . Ta niska wartość siana objawia się m.in. w niskiej zawartości białka… do którego wytworzenia potrzebny jest azot. Nie da się oczywiście oddzielić czynnika ciągłego zalania gleby od niskiego pH, nie mniej wpływ braku powietrza na rozwój odpowiedniej flory bakteryjne gleby jest jednoznaczny. Zbyt wysoka wilgotność nie jest jedynym czynnikiem, który może spowodować powstanie warunków niedostatecznego natlenienia gleby. Niemal równie skutecznie powietrze z przestworów glebowych usuwa silne ubicie gleby.
By sam proces wiązania azotu zachodził wszystkie organizmy tlenowe muszą stworzyć w odpowiednich strukturach komórkowych warunki beztlenowe, co również pochłania energię, choć one dysponują jej większą ilością z racji wydajnego (tlenowego) spalania glukozy.
Skrajność w drugą stronę tzn. zbyt suchej gleby również jest niepożądana. Dla Azotobacter optymalna wilgotność gleby wynosi około 60% (9) Wolnożyjące bakterie wiążące azot najwięcej są w stanie go wiązać na glebach gliniastych (7). Gleby piaszczyste są również pod tym względem gorsze.
Właściwości biologiczne gleby wpływające na wolnożyjące organizmy wiążące azot
Kolejna grupa czynników wpływająca na wiązanie darmowego azotu to czynniki biologiczne – ilość i miejsce w glebie materii organicznej. Jej rozmieszczenie w dużej ilości w glebie powoduje, że bakterie wiążące azot mogą żywić się nią na większej głębokości. Gdy ta występuje tylko powierzchniowo, to i wolnożyjace organizmy wiążące azot występować będą tylko powierzchniowo, wiec z powodu mniejszej ilości mikroorganizmów wydajność całego procesu jest również mniejsza.
Gleby w których większość materii organicznej jest uboga w azot a przez to trudno rozkładalne przez bakterie występuje dużo grzybów. Grzyby wytwarzają dużo sporo różnorodnych substancji antybakteryjnych (antybiotyków chociażby). Z tego powodu w przypadku produktywnego leśnego ogrodu lepiej jest jednak polegać na roślinach wieloletnich współżyjących z bakteriami wiążącymi azot niż na organizmach wolnożyjących.
Szata roślinna może również mieć wpływ na ilość związanego przez bakterie wiążące azot. Rośliny z rodziny czosnkowatych (cebula, por, czosnek…) wydzielają do gleby substancje antybakteryjne. Powodują one gorszy wzrost roślin z rodziny bobowatych (fasoli, grochu bobu), które to współżyją z bakteriami wiążącymi azot. Przyczyną gorszego wzrostu jest właśnie antybakteryjne wydzieliny roślin z rodziny czosnkowatych. Jestem skłonny przypuszczać (choć nie znalazłem danych to potwierdzających), że efekt ten rozciąga się również na wolnożyjące bakterie wiążące azot. Rośliny (te nie posiadające brodawek również) wytwarzają różne wydzieliny, którymi np. bakterie Azotobacter się żywią.
Jak działalność agrotechniczna wpływa na wolnożyjące organizmy wiążące azot?
Stosowanie środków ochrony roślin wpływa negatywnie na ilość i aktywność wolnożyjących organizmów wiążących azot. Nie wszystkie testowane herbicydy wpływają na organizmy wiążące azot jednakowo – niektóre wpływają gorzej, niektóre mniej szkodzą. Również wpływ testowanych herbicydów na poszczególne gatunki bakterii wiążących azot jest różny (10).
Orka wpływa pośrednio na temperaturę, wilgotność, ubicie, zawartość materii organicznej w glebie, zatem jest czynnikiem, który wpływa również na wolnożyjące organizmy wiążące azot.
Kolejnym czynnikiem, który ma wpływ na to ile azotu zwiążą nam wolnożyjące organizmy wiążące azot jest sam gatunek występujących w danej glebie bakterii wiążących azot. Te są jednak zwykle konsekwencją występujących warunków klimatyczno-glebowych, choć w przypadku gospodarowania na Antypodach często ma sens zaszczepienie gleby odpowiednim szczepem.
Komercyjne produkty zawierające wolnożyjące organizmy wiążące azot
Istnieją na rynku produkty wykorzystujące produkty zawierające wolnożyjące organizmy wiążące azot. Na rynku amerykańskim istnieje nawet taki wyłącznie temu celowi poświęcony inokulant (szczepionka) glebowy zwany Twin N™ – z opisu producenta wynika, że czyni cuda (11).
W Polsce jedyny mi znany środek zawierający wolnożyjące bakteria wiążące azot dostępny w sprzedaży to tzw. Efektywne Mikroorganizmy (EM) (12).
Jak zwykle powinniśmy być nieco bardziej sceptyczni w przypadku pozyskiwania informacji na temat korzyści danego środka/sposobu jeżeli uzyskujemy informacje od osoby, która dany środek/sposób/metodę sprzedaje.
Proces wiązania azotu przez organizmy wolnożyjące najprawdopodobniej zawsze pozostanie w granicach do kilkudziesięciu kg N/ha/rok z powodu małej ilości dostępnych węglowodanów w glebie (czy to poprzez wydzieliny roślin czy też z rozkładu materii organicznej). Mikroorganizmy wiążące azot są niewydajne w wykorzystywaniu tego źródła energii co powoduje, że w wysoce konkurencyjnym środowisku żyznej gleby zawierającej przecież sporo azotu nie są w stanie osiągnąć przewagi nad organizmami specjalizującymi się w wydajnym wykorzystywaniu węglowodanów (13).
Wartość ekonomiczna zjawiska wiązania azotu przez wolnożyjące organizmy
W chwili obecnej do 50 kg azotu na ha na rok, jakie można uzyskać dzięki aktywności wolnożyjących organizmów wiążących azot warte jest w uprawie konwencjonalnej około kilkadziesiąt – sto kilkanaście złotych. Uwzględnić trzeba jednak, że tego azotu nie trzeba rozrzucać (brak kosztów paliwa i zmniejszona amortyzacja maszyn) oraz fakt, że jest on wykorzystywany dużo skuteczniej niż nawozy azotowe powoduje, że jego wartość jest wyższa. Kolejny plusem, który przemawia za azotem pozyskiwanym ze źródeł naturalnych jest jego „ekologiczność” – azot, który można wykorzystać w produkcji ekologicznej jest po prostu droższy. Uwzględniając również, że ceny gazu ziemnego mamy najwyższe w Europie (14) (to on jest źródłem energii do produkcji sztucznych nawozów azotowych) i raczej będą one tylko rosły, warto uwzględnić choć kilka sposobów, które poprawią warunki życia wolnożyjących organizmów wiążących azot.
Ostatecznie większość z przedstawionych sposobów na poprawę im życia to po prostu poprawa jakości i sposobu gospodarowania glebą i jako skutek uboczny osiągnie się również:
-lepszą retencję wodną gleby
-większe utrzymywanie składników mineralnych w glebie
-zdrowsze, lepsze i możliwe, że większe plony
-ograniczenie kosztów
Podsumowując by zwiększyć wydajność wiązania azotu poprzez wolnożyjące organizmy wiążące azot należy:
1.Zadbać o dobrą strukturę gleby poprzez zwiększenie poziomu materii organicznej
2.Unikaj ubicia gleby
3.Podnieś pH gleby i rozważ (ze względu na potencjalną toksyczność tylko po teście gleby!!!) nawożenie molibdenem
4.Zadbać o meliorację gleby
5.Zwiększyć poziom materii organicznej w glebie
6.Nie uprawiać zbyt dużo i zbyt często roślin z rodziny czosnkowatych
7.Wyeliminować/ograniczyć/zracjonalizować używanie środków ochrony roślin (herbicydów i fungicydów), zwłaszcza na glebach lekkich
