MIKROBIOLOGIE PŮDY Úvod Hlavní skupiny mikroorganismů

1. MIKROBIOLOGIE PŮDY • Úvod • Hlavní skupiny mikroorganismů • Vztahy mezi půdními mikroorganismy a rostlinami • Funkce půdních mikroorganismů • Vznik půdy • Koloběh C-látek • Koloběh N-látek • Koloběh S-látek • Koloběh P-látek • Mineralizace • Imobilizace • Humifikace, humus • Samočištění • Detoxikace xenobiotik • Únava půdy • Produkce fytoalexinů • Možnosti ovlivnění

2. Úvod • Půda: • hlavní rezervoár mikroorganismů • „živý organismus“ = hlavní místo biotransformace biogenních prvků • Složky půdy: • minerální podíl – cca 45% (skelet – písek . prach – jíl) • organické látky – obvykle 1-3%, občas 8%, výjimečně více (organogenní až 80%); z toho organismy <1%, častěji <0,3% • póry – 50% (voda 2/3, vzduch 1/3)

4. Hlavní skupiny mikroorganismů • základní dělení • podle výživy • podle získávání energie • fyziologické skupiny • Systematicky • základní dělení • Bakterie (pravé, aktinomycety) • Houby

5. podle výživy • autotrofní: zdrojem C je CO2 • heterotrofní: zdrojem C org. látka • saprofytické: využívají odumřelou organickou hmotu • zymogenní: využívají odumřelou rostlinnou hmotu • oligotrofní – žijí při nízkých koncentracích živin • eutrofní (kopiotrofní) vyžadují prostředí bohaté živinami • autochtonní: typické pro dané prostředí, vyskytují se pravidelně, • množí se(Caulobacter, Hyphomicrobium…) • alochtonní: mikroorganismy do prostředí zavlečené, kontaminující • podle získávání energie • fototrofní: zdr oj E světelné záření (fotolitotrofní, fotoorganotrofní) • chemotrofní: zdroj E energie chemických vazeb(chemolitotrofní, chemoorganotroní)

6. fyziologické skupiny • koloběh C: celulolytické, amylolytické, máselné… • koloběh N: amonifikační, nitrifikační, denitrifikační, diazotrofní… • koloběh S: sulfurikační, desulfurikační, (sirné)… • koloběh P: fosfáty solubilizující… • systematicky (rody) • kokovité: Staphylococcus, Micrococcus... • tyčinky sporulující: Bacillus, Clostridium • tyčinky nesporulující (řada plejomorfních): Arthrobacter, Mycobacterium, Nitrosomonas, Nitrobacter, Pseudomonas, Rhizobium… • aktinomycety: Streptomyces, Nocardia… • houby: Mucor, Rhizopus; Aspergillus, Fusarium, Penicillium, Trichoderma…

7. Vztahy mezi mikroorganismy a rostlinami • Všechny varianty: od mutualismu po parasitismus • Spermosféra • = mikroflora povrchu semen • Může být antagonistou patogenních mikroorganismů • Může ohrožovat klíční rostlinku (zvláště houby) • Využití chitinolytických mikroorganismů (Pseudomonas) pro regulaci = biologické moření • Epifytní mikroflora • = mikroflora nadzemních částí rostlin • U zdravé rostliny často antagonista nežádoucích mikroorganismů • U poškozené se může podílet na nežádoucích procesech • Z hlediska krmivářského složení nepříznivé • Hnilobné bakterie (až 90%) – dominantní rod Pseudomonas • Mikromycety – zastoupení do 10%, negativní – rozklad živin a produkce mykotoxinů (Mucor, Rhizopus; Aspergillus, Fusarium, Penicillium…) • Sporulující tyčinky – zastoupení až 10%, negativní - rozklad živin, produkce kyseliny máselné (Bacillus, Clostridium) • Bakterie mléčného kvašení – obvykle do 1(3)% - pozitivní, významné pro silážování (Lactobacillus, Lactococcus)

8. Rhizosféra • = mikroflora povrchu kořenů a přiléhající půdy (< 1mm) • Ovlivněna kořenovými exudáty • Ovlivňuje výživu rostlin • Může mít podíl na únavě půdy • Odlišné složení – dominantní nesporulující tyčinky • Odlišný počet (rhizosférní efekt = R/S), poměr výrazně > 1 • (obvykle 10-100 /1000/x) • Mykorhiza • = mutualistické (symbiotické) soužití mycelia hub a kořenů rostlin, pro některé rostliny až obligatorní • Různá úroveň vzájemného vztahu: peritrofní – ektotrofní – endotrofní • VAM = vesikulo-arbuskulární mykorhiza, průnik vláken • do buněk kořenu rostliny • Význam: • R - Zvětšení povrchu kořenů • R - Zlepšený příjem vody a živin • R – Zvýšení mineralizace v blízkosti kořenů (dostupnost živin) • R – Zlepšená dostupnost P • H – Zlepšené zásobování glycidy

9. Funkce půdních mikroorganismů • Vznik půdy • Půda = přírodně historický útvar; vzniká působením • půdotvorných činitelů na mateční horninu • Půdotvorní činitelé: - fyzikální • - chemické • - biologické (hlavně mikroorganismy) • Organismy ovlivňují: • zvětrávání hornin – vnik kyselin (org. i anorg.) • syntéza organických látek zvláště humusu • rozklad org. látek • tvorba struktury (agregace) • míšení org. a min. látek (hlavně makroedafon)

10. Koloběh C-látek Úplná aerobní respirace Máselné kvašení Koloběh S-látek Mineralizace Imobilizace Sulfurikace Desulfurikace Koloběh N-látek Amonifikace Nitrifikace Denitrifikace Fixace N2 Imobilizace Koloběh P-látek Mineralizace Imobilizace Solubilizace fosfátů

11. Mineralizace úloha mikroorganismu nazastupitelná C Úplná aerobní respirace = org. C-látky CO2 + H2O = úplná mineralizace Máselné kvašení = org. C-látky CO2 + H2 + org. kyseliny (máselná..) + alkoholy = neúplná mineralizace typická pro anaerobní podmínky, vysoký podíl organických látek N Amonifikace = přeměna org. N látek NH4+ Aerobní i anaerobní proces P Org. P-látky minerální (H2PO42-, HPO4-, PO43-) Aerobní i anaerobní proces S Org. S-látky minerální (H2S, SO42-) Aerobní i anaerobní proces

12. Priming efekt (objeven při studiu mineralizace) = urychlení mineralizace obtížně mineralizovatelné látky v přítomnosti snadno mineralizovatelné (po jejím přídavku)

13. Imobilizace = příjem látek živými (mikro)organismy z půdního roztoku a jejich zabudování do buněk Výsledek = nárůst biomasy (počet buněk či jejich hmotnost) Při nadbytku živiny jednoznačně pozitivní Při nedostatku konkurence s rostlinami Výrazný vliv ve vazbě C Optimální poměry: C:N 25 (30) : 1 C:P 100 : 1 C:S 400 : 1 Širší poměr znamená výraznější imobilizaci

14. Humifikace • = proces transformace primární organické hmoty na humus • Humus = stabilní organická hmota s užším poměrem C:N a s dlouhým poločasem mineralizace (proto nemůže sloužit jako aktuální významný zdroj živin) • Základní podmínky: • Přísun organické hmoty • Vnější podmínky • Přítomnost aktivních mikroorganismů

15. Přísun organické hmoty (OH) • Organická hmota je zároveň zdrojem meziproduktů (M) pro synthesy • a zdrojem E • Hlavní zdroje OH (především rostliny): • kořenové exudáty (1300-1600 kg/ha), • poločas rozkladu 1-3 dny, zdroj E+ • odumřelé kořínky za vegetace (1000-1300 kg/ha), • poločas rozkladu 1-3 týdny, zdroj E+, M± • odumřelé rostliny /posklizňové zbytky/ (3500-4000 kg/ha), • poločas rozkladu 6-40 měsíců, zdroj E+, M+ • organická hnojiva (dávka variabilní), • poločas rozkladu: močůvka 3-5 dnů, • kejda 3-6 týdnů, • hnůj 3-6 měsíců, • kompost 10-40 měsíců; • zdroj E i M • odumřelý edafon – velmi variabilní • (např. při 5t bakterií + 5t hub/ha to může být cca 21t/ha), poločas rozkladu – dny

17. Tři fáze přeměny organických látek: 1) transformace vodorozpustných látek (značná část mineralizována Energie) 2) transformace nerozpustných látek (vznik fenol - proteinových komplexů) 3) „zrání“ převážně fyzikálně-chemické reakce: kondenzace, polymerace, tím stabilizace

18. Vnější podmínky • Teplota • Optimální mesofilní podmínky • Nižší teplota zpomaluje proces • Vyšší teplota urychluje humifikaci, ale vyšší mineralizace, • vzniká kvalitní humus v menším množství • Vyšší teplota přispívá k hygienizaci (likvidace patogenů) • snižuje klíčivost semen • pH • Optimální kolem 7,0 • Nižší zpomaluje humifikaci, zvýšený rozvoj mikromycet, méně kvalitní humus • Velmi vysoké pH přispívá k hygienizaci (vápnění např. kalů, ztráty NH3) • Aerace • Vysoká aerace podporuje mineralizaci, vzniká méně ale kvalitního humusu, proces rychlejší – dostatek energie • Nedostatečná aerace neposkytuje dostatek energie, více meziproduktů, • proces pomalejší, méně kvalitní humus ve větším množství • Doporučení – kombinace aerobních a anaerobních podmínek s dominancí aerobních (překopávání kompostu) • Vlhkost • Nutný faktor – příjem živin • V protikladu s aerací (zaplnění pórů) • Optimum – 60% max. vodní kapacity • V kompostu cca 65 rel. % • Další faktory • Klimat, erose, půdotvorný substrát…

19. Přítomnost aktivních mikroorganismů • Nejsou specializované mikroorganismy • Nutná komplexní aktivní mikroflóra • Řada katabolických a anabolických procesů • Výsledek – humus, stabilní komplexní organická hmota • Stadia procesu: • bakterio-plísňové • aktinomycetové • HUMUS • Stabilní organická hmota s dlouhým poločasem rozpadu • Složení – pestrá chemická struktura, • popis založen na srážení a rozpouštění v alkaliích a kyselinách • Komponenty humusu: • Fulvokyseliny • Huminové kyseliny • Huminy • Hymatomelanové kyseliny

20. Samočištění • = přirozená eliminace alochtonních • (kontaminujících, zavlečených) (mikro)organismů • Princip: - konkurence o živiny • - konkurence o prostor • Rozhodující faktor = komplexní aktivní půdní mikroflora • Stimulace: • Diversita rostlin (osevní postup) • Agrotechnika (regulace pH, vlhkosti, aerace, aj.) • Dostatek organických látek (organické hnojení) • Optimální poměr živin C : N : P

21. Detoxikace xenobiotik • = Bioremediace • = mikrobiální odstranění kontaminujících chemických látek • V zemědělství hlavními kontaminanty pesticidy a ropné produkty • Možnosti detoxikace: • Hlavní metabolismus (kontaminant je zdrojem E či biogenních prvků) • Kometabolismus (kontaminant je přiřazován do metabolických drah bez významnějšího přínosu) • Rychlost detoxikace velmi variabilní; • poločasy rozkladu týdny až roky • (triaziny 6-18 měsíců, chlorované uhlovodíky i 17 let) • Obecná opatření: • Optimalizace volby (biodegradabilita) • Způsob použití • Agrotechnika (regulace pH, vlhkosti, aerace, aj.) • Dostatek organických látek (organické hnojení) • Optimální poměr živin C : N : P

22. Řízená dekontaminace: • In situ • Kontaminace prostředí (půdy) není vysoká, řešení • = optimalizace faktorů a tím využití běžně přítomné mikroflory • Ex situ • Kontaminace překračuje únosnou míru pro biotu • Postup na modelu „půda“: • Zeminu vytěžit • Umístit na zabezpečené místo • Zeminu naředit (nekontaminovaná zemina; rostlinné odpady – sláma, kůra, piliny; hnůj; apod. • Upravit poměr živin – C : N : P • Upravit fyzikální charakteristiky (pH, vlhkost ….) • Doplnit vhodné mikroorganismy = inokulace; např. Pseudomonas • Většinou aerovat (podle použitého mikroorganismu • Technologické varianty: • Land farming • Kompostování • Bioventing • Bioreaktor

23. Únava půdy • = fytotoxicita • zhoršený růst rostlin nejčastěji jako důsledek pěstování monokultur • Příčiny: • Jednostranné vyčerpání živin • Hromadění metabolitů (= poškozena samočistící schopnost půdy) • Posuny v mikroflóře • Hromadění fytopatogenů • Citlivost rostlin rozdílná: • Citlivé: jabloň, vojtěška, jetel • Málo citlivé: obilniny • Nejméně: citlivá kukuřice • Opatření: • Diversita rostlin (osevní postup) • Agrotechnika (regulace pH, vlhkosti, aerace, aj.) • Dostatek organických látek (organické hnojení) • Optimální poměr živin C : N : P • Sterilace

24. Produkce fytoalexinů • = látky produkované mikroorganismy ovlivňující rostliny • Stimulátory růstu • Obdobné růstovým hormonům • (auxiny, gibereliny, indolyloctová kyselina, aj.) • Produkce hlavně v rhizosféře • Cca 20 % bakterií (např. Pseudomonas, Xantomonas, Bacillus…) • Inhibitory růstu • Největší frekvence pod monokulturami • Někdy až 50 % izolátů • Producenti: např. Pseudomonas, Bacillus, Penicillium, Aspergillus