A talajminőség és a talajegészség kimutatásának lehetőségei szimbionta (bioindikátor) mikroorganizmusokkal

Az eddigi figyelem a talajokkal kapcsolatosan leginkább azok termékenységére irányult. Napjainkra felismertük, hogy a talaj nemcsak a termelés elsődleges erőforrása. Fontossá vált, hogy termékenysége milyen összefüggésben van a talajok egyéb funkcióival és hogyan illeszkedik azok tágabb rendszerébe, azaz az ökológiai szemléletet is tükröző ökoszisztémaszolgáltatásainak a sorába.

Javaslatként fogalmazzuk meg a rendelkezésre álló „szimbionta tudás” alapján a mikroszkopikus baktériumok és gombák bevonását. Ezek a parányi élőlények (organizmusok) a leginkább összefüggésbe hozhatók nemcsak a talajegészséggel, de ismert a növénynövekedésre és a növényi egészségre és ezek által az emberi egészségünkre kifejtett számos kedvező hatásuk is. A jelen kor kihívása, hogy a szimbiózist, mint biológiai indikációs módszert a jelenlegi talajművelési rendszerek fizikai-kémiai tulajdonságaihoz hozzákapcsoljuk.

 

A talajok kulcsfontossága és a talajfunkciók vizsgálata

Hazánk egyik legfontosabb természeti erőforrása és nemzeti kincse a talaj, illetve még pontosabban a „termőtalaj”. Talajaink minőségének megőrzése ezért nemcsak feladatunk és felelősségünk, de mindannyiunk érdeke is. A rendelkezésünkre álló talajkészlet évről évre csökken, és a talajdegradációs folyamatok miatt minősége is romlik. Kedvező agroökológiai adottságaink ellenére a talajminőség romlása hazánkban sem elhanyagolható. A talajok fenntartható használatához szükséges, hogy érzékenységükről, terhelhetőségükről és regenerációs képességükről minél több információ álljon rendelkezésünkre, és ezek a döntéshozókhoz és felhasználókhoz egyaránt eljussanak. A talajok szolgáltatásai, funkciói és a talajminőség elválaszthatatlan kapcsolata szükségessé teszi a talajökológiai indikációs módszerek kutatását, és gyakorlati felhasználásuk széles körű elterjesztését. A talajok legfontosabb funkciói a következők:

1) a talaj fizikai-kémiai tulajdonságai által meghatározott élettér, élőhely,

2) víz- és tápanyagraktár, továbbá szabályozza a víz és tápanyagok áramlását és felhasználhatóságát,

3) biztosítja a biológiai folyamatok működésével a genetikai diverzitás fennmaradását,

4) szűrő, pufferoló és detoxikáló/lebontó szerepet tölt be, a szerves és szervetlen vegyületeket leköti és/vagy ártalmatlanítja,

5) mechanikai támaszték az élőlények számára és6) a kulturális örökségeink hordozója is.

A talajtermékenység és a talajegészség szempontjából a talajok saját, belső (bennszülött) mikrobiális közösségének nemcsak a sokfélesége (biodiverzitása) és mennyisége (biomasszája) nélkülözhetetlen, hanem azok funkcionális változatossága is, amely biztosítja a rugalmas alkalmazkodás képességét a változó környezeti feltételekhez. A bioindikáció az élőlények változó vagy károsodott/szennyezett környezetre – jelen esetben elsősorban a talajállapotra –adott visszajelzésein, válaszreakcióin alapul. Bioindikátorok azok a biológiai folyamatok, fajok vagy közösségek, amelyek közvetlenül vagy közvetve a talaj minőségének és annak időbeli változásának értékelésére szolgálnak. A környezet változása leggyakrabban az ember által okozott (antropogén) zavaroknak (pl. szennyezések, földhasználati változások) az eredménye, vagy a környezeti stressztényezők (pl. aszály, ózon, késő-tavaszi fagyás, talajsavasodás, szikesedés, erózió) okozzák. Ezek miatt az antropogén stresszorok a bioindikátorok kutatásának elsődleges fókuszát képezik.

A bioindikáció módszertanilag számos kérdést vet fel, különösen egy olyan komplex élőhely és „feketedobozként” értelmezhető közeg esetében, mint a talaj. Nehéz eldönteni, hogy melyik élőlény biológiai reakcióját vegyük figyelembe. A környezeti tényezők, szennyezők sokfélesége miatt több olyan tulajdonságot is felismerhetünk, amelynek a hatása a talajok működésére nem feltétlenül tisztázott. A termesztett növények és talajélőlények eltérő érzékenysége is igen nagy változatosságot mutat. A bioindikációban fontos, hogy az érzékenyebb élőlények vagy folyamatok képesek legyenek jelezni a változásokat, a káros, az optimálistól eltérő jelenségeket. A cél, hogy megismerjük azokat a vizualizálható és mérhető paramétereket, amelyek eredménye megmutatja a cselekvések, beavatkozások szükségességét. A talajhasználat vagy a talajművelés fenntarthatóságához összehasonlítható és időben is jól követhető vizsgálatokra van szükség.

 


1. kép. A szója gyökerén kifejlődött gyökérgümők száma, elhelyezkedése, rózsaszínbe hajló színe mutatja a Bradyrhizobium japonicum törzsek jelenlétét és nitrogénkötő képességét is (fotó: Takács T.)

 

A szimbiózis mint javasolható bioindikátor

A növény-mikroba kapcsolatok között a legszorosabb együttműködést a növényekkel szimbiózist kialakítani képes baktériumok és gombák tudják létrehozni. Ezek a (mikro)szervezetek csak a megcélzott gazdanövényben, a szimbiotikus kapcsolat kialakításával képesek növekedni és szaporodni; és ezáltal képeznek „élő hidat” a talaj és a növények gyökere között. Együttélésük a növényekkel egy kölcsönösen előnyös és hasznos dolog, mindkét fél, – az úgynevezett makroszimbionta gazdanövény – és a mikroszimbiontaként elnevezett mikroorganizmusok között. A szimbiózis során legtöbbször kétirányú, oda-vissza működő, tápanyagokat adok és kapok folyamatok zajlanak. A mikroszimbionták jelenléte a növények gyökérzetében számos előnnyel jár: – ellátják a termesztett növényeket tápanyagokkal, azaz a számukra szükséges makro-, mezo- és mikroelemekkel, – a növényi növekedést és védekezést stimulálják, – a növényi hormonok produkciójára gyakorolt hatással befolyásolják a növekedést és az életfolyamatokat, – gátolják a növényi kórokozók térfoglalását a gyökerekben, erősítik a gazdanövény védekezését, – és ismert a talajok másodlagos szerkezetére kifejtett kedvező hatásuk is.

 

A biológiai nitrogénkötés és a foszformobilizáló képesség

Talán a legismertebb és a legrégebben alkalmazott növényi növekedést serkentő mikroorganizmusok azok a rhizobiumbaktériumok, amelyek gyökérgümőket képeznek a hüvelyes/pillangós növényeken. Ezek a baktériumok képesek a levegő nitrogénjének biológiai úton történő megkötésére, szerves anyagokba, aminosavakba, fehérjékbe történő asszimilációjára. A nitrogénkötők az állati és emberi élelmezés szempontjából egyre nagyobb jelentőségűek a fehérjenövények állati és emberi táplálkozásban betöltött szükségessége miatt. Az arbuszkuláris mikorrhiza gombák (AMF) a növények vízellátását, makro- és mikroelem-felvételét segítik, legjelentősebb hatásuk mégis a gazdanövények foszforfelvételének fokozásában mutatkozik meg. Az AM-szimbiózis növeli továbbá a növények toleranciáját a gyökérkórokozókkal, a kártevőkkel és az abiotikus stresszkörülményekkel szemben. Egyre inkább figyelünk ezeknek a mikroszervezeteknek az aszály és a szikesedés elviselésében betöltött szerepére is. Az AM-gombák (AMF) gombafonalainak szövedéke, a kiterjedt hifahálózat is hozzájárul a talajok szervesszénkészletének a raktározásához. Nyilvánvalóvá vált ugyanakkor, hogy éppen a biológiai „önálló, önműködő” talajerő ellen teszünk a túlzott műtrágyázással és az intenzív talajhasználattal. A könnyen felvehető foszforformák az AM-gombákat, a túlzott nitrogén-műtrágyázás pedig a nitrogénkötő baktériumok aktivitását fogja vissza. A működőképesség vizsgálataAz egészséges talaj-növény rendszerekben ezeknek a szimbionta mikroorganizmusoknak a jelenléte és tevékenysége kulcsfontosságú. A Rhizobiumok jelenlétét, sokaságát és tényleges működését a pillangós növények gyökerén található gyökérgümők egyszerű számlálásával és a gümők helyének, valamint a színüknek a megfigyelésével állapíthatjuk meg.

A gümők minél nagyobbak és élénkebb rózsaszínűek, annál több bennük az oxigént szállító és megkötő hemoglobin. A gümők elhelyezkedése, megjelenésük ideje is tájékoztat arról, hogy a növénynek melyik életszakaszában lett szüksége a jótékony hatású szimbiózisra. Laboratóriumi vizsgálatokkal a nitrogénkötésért felelős nitrogenázenzim aktivitásának a mértéke, hatékonysága is vizsgálható ún. acetilén-redukciós teszttel. Az 1. kép a szóján kifejlődött gyökérgümőket mutatja.

 


2. kép. A mikorrhizagombák túlélőképességét mutatja a tél közeledtével a tápanyagokkal teli hólyagocskák száma és a spórák jelenléte a kukorica gyökerében (fotó: Takács T.)

 

Az AM-gombák gyökérbeni jelenléte a gyökerek festését követően – a gyökérkolonizáció becslésével – mikroszkópos vizsgálaton alapul, de gyakoriságuk  a talajból szitált spóráik vizsgálatai alapján is felmérhető. Számos mikrobiológiai tulajdonság tesztelésével lehet a mikorrhiza (AM-) gombák tulajdonságait vizsgálni. Következtetni tudunk az adott gombafaj adott talajhoz/növényhez adaptálódott törzseinek:

– a fertőzőképességére, („agresszivitására”), hogy mennyire képes vagy „akar” szimbiotikus kapcsolatot kialakítani. A gombahifák gyökérbelépési pontjai és a gombaképletek sűrűsége mutatja ezt az „infektivitási erőt”;

– a hatékonyságára, hogy a gombapartner milyen mértékű szolgáltatásokra, azaz növényi segítségnyújtásra képes. Az arbuszkulumok száma utal erre az „effektivitás”-ra, és közvetve a gazdanövékenyeken mérhető pozitív hatások révén  következtethetünk rá;

– a túlélőképességére, hogy a stresszidőszak (pl. a téli hideg) átvészelése érdekében mennyi szaporítóképletet, azaz spórát és azokon belül mennyi tápanyagot raktároz el magának. A gyökereken belül a tápanyagokat tartalmazó vezikulumhólyagocskák száma jelezheti ezt a fajta „vitalitás”-t, illetve a gyökérkörnyezetben képződő spórák száma is (2. kép).

Előfordul az is, hogy sokszor csak a szimbiotikus kapcsolat közvetett hatását tudjuk kimutatni a gazdanövényeken végzett összehasonlító vizsgálatok alapján. Sokat elárulnak a szimbiotikus kapcsolat működéséről, közvetve pedig a talajegészségről a növények növekedési mutatói, így például a gyökérzet morfológiája és produkciója, a magasság, a szártagok száma és hossza, a szárátmérő alakulása, a levelek száma, tö-mege és felülete; a virágok megjelenésének ideje, a virágok mérete és száma, a növénytömeg, a termés mennyisége és minősége stb. A talajok tápanyagellátásának problémáira utalnak a növények hiánybetegségei, amelyeket látható tipikus elváltozások jeleznek (pl. a kukorica kora tavaszi lilulása a foszforfelvétel hiányát). Ma már a gazdaboltokban is beszerezhetők élettani vagy beltartalmi tulajdonságokat kimutatni képes műszerek, amelyekkel következtethetünk a növények egészségi állapotára. Helyszíni vizsgálatokkal, a növények roncsolása nélkül fontos információkhoz juthatunk a növények klorofilltartalmának mérésével, ami a levelek, azaz a növény fotoszintetikus aktivitására és nitrogénellátottságára utal. A gázcserenyílások működésének porométeres vizsgálata a növény vízellátottságának lehet mutatója, a klorofill fluoreszcenciával pedig a fotoszintetikus hatékonyságot lehet mérni (3. kép).

 


3. kép. A növény fotoszintetikus hatékonyságát mutatja a klorofill fluoreszcenciát mérő műszer. Az adatokból a növény vitalitására következtethetünk (fotó: Takács T.)

 

A gyökérszkennerek és a talaj-növény rendszer elektromos kapacitásának mérése a gyökérrendszer fejlettségét és működőképességét mutatja. A roncsolásmentes technikák között dinamikusan fejlődő módszert jelent a távérzékeléses technikák alkalmazása is. A növényállományról és a talaj felszínéről visszavert sugárzás mértéke hullámhossztól függően változik, eltérő értéket mutat a látható (VIS: 350–780 nm) és a közeli infravörös (NIR: 800–2 500 nm) tartományban. Az NDVI a legszélesebb körben használt spektrális adatokból nyert vegetációs index, mely a felszín „zöldességével”, a növények fotoszintetikus aktivitásával van kapcsolatban. Értéke 0 és 1 között mozog, minél magasabb az érték, annál sötétebb zöld a növényzet, ami nagyobb növénytömeget, vízzel és tápanyaggal jól ellátott, növekedésben lévő növényállományt jelez. A növények kémiai analízisével nyerhető információk, az egyes növényi részek nitrogén-, foszfor-, kálium- és egyéb mikroelem-tartalma is indikatív, és jól mutatja a talajok tápanyag-ellátottságát. A szimbionták hatékonyságát és a növénynövekedésben betöltött szerepét a növényeknek a legérzékenyebb növekedési szakaszában, a virágzáskor érdemes megvizsgálni.

A tudomány, az előrejelző és a hatékonyságvizsgáló módszerek állandó fejlődésben vannak. A növényi szimbiózisok működőképessége azon túl, hogy a talajok egészségi állapotát is képes kimutatni, közvetve és közvetlenül a növényi produkciót és a növényi egészséget/ellenálló képességet is fokozza. Nem nélkülözhetők, és jelenlétükkel a növényi, állati és emberi egészségünkhöz jelentősen hozzájárulnak, biológiai „életerőt” biztosítanak; mikroszinten működnek, de a makrogazdaságra és földi életünkre is nagy befolyással vannak.

 

További ismeretek és továbbképzési információ a talajegészséggel kapcsolatban:

EJP SOIL honlapon (www.ejpsoil.org) a magyar nyelvű National Library-ban, valamint László Péter, az EJP SOIL projekt nemzeti kommunikációs képviselőjétől: , és Biró Borbála, a Talajerőgazdálkodó szakirányú képzés szakfelelősétől:

 

SZERZŐK: TAKÁCS TÜNDE(1), LÁSZLÓ PÉTER(2), BIRÓ BORBÁLA(3)

 

(1) AGRÁRTUDOMÁNYI KUTATÓKÖZPONT TALAJTANI INTÉZET (ATK TAKI), TUDOMÁNYOS FŐMUNKATÁRS
(2) AGRÁRTUDOMÁNYI KUTATÓKÖZPONT TALAJTANI INTÉZET (ATK TAKI), TUDOMÁNYOS FŐMUNKATÁRS ÉS AZ EJP SOIL PROJEKT NEMZETI KOMMUNIKÁCIÓS KÉPVISELŐJE
(3) SZENT ISTVÁN EGYETEM (SZIE); A „BIOLÓGIAI TALAJERŐ-GAZDÁLKODÓ” SZAKIRÁNYÚ TOVÁBBKÉPZÉS SZAKFELELŐSE ÉS AZ EU „EGÉSZSÉGES TALAJ ÉS ÉLELMISZER” MISSZIÓ SZAKÉRTŐJE

 

agrár baktérium biodiverzitás bioindikáció gomba mezőgazdaság mikorrhiza mikrobiális közösség mikroorganizmus rhizobium stressztényezők szimbionta talaj-növény rendszer talajegészség talajerő-gazdálkodó talajminőség