Soluri vii: rolul microorganismelor în sănătatea solului

Solurile fertile sunt pline de microorganisme, care contribuie direct la fertilitatea biologică a solului respectiv.
Fertilitatea biologică este sub-studiată, iar cunoștințele noastre științifice despre aceasta sunt incomplete.
În plus față de fertilitate, microorganismele solului joacă, de asemenea, roluri esențiale în ciclurile nutrienților, care sunt fundamental importante pentru viața de pe planetă.
În trecut, practicile agricole nu au reușit să promoveze populații sănătoase de microorganisme, limitând producțiile și amenințând durabilitatea.
Cercetarea științifică explorează posibilități noi și interesante pentru refacerea și promovarea populațiilor microbiene sănătoase din sol.
‘Solul este esențial pentru menținerea biodiversității deasupra și sub pământ. Bogăția biodiversității subterane este vastă și neapreciată: milioane de microorganisme trăiesc și se reproduc în câteva grame de sol vegetal, un ecosistem esențial pentru viața de pe pământ … ”
De la: Australian Soils and Landscape, An Illustrated Compendium
Fertilitatea solului cuprinde trei componente interdependente: fertilitatea fizică, fertilitatea chimică și fertilitatea biologică. Fertilitatea biologică, organismele care trăiesc în sol și interacționează cu celelalte componente, variază foarte mult în funcție de condiții și este foarte complexă și dinamică. Este cea mai puțin bine înțeleasă componentă a fertilității. În plus față de fertilitatea solului, microorganismele solului joacă roluri esențiale în ciclurile nutrienților care sunt fundamentale pentru viața de pe planetă. Solurile fertile sunt pline de microorganisme specifice. Pot exista sute de milioane până la miliarde de microorganisme într-un singur gram de sol. Cele mai numeroase microorganisme din sol sunt bacteriile, urmate în ordine numerică descrescătoare de actinomicete, fungi, alge de sol și protozoare de sol. O mai bună înțelegere a microbiologiei solului este esențială pentru ca producția agricolă să răspundă nevoilor unei populații mondiale în creștere. În multe regiuni, populația sănătoasă de microorganisme este încă amenințată și nu promovată de practicile agricole.
Introducere
În iulie 2015, ISD a publicat o lucrare de analiză strategică intitulată Sub picioarele noastre: microorganismele solului ca factori principali ai proceselor ecologice esențiale. De la publicarea acestui articol a existat o tendință moderată spre studiul solurilor în mod holistic, mai degrabă decât spre studiul detaliat al componentelor solului izolat. Studiul holistic este deosebit de pertinent pentru înțelegerea microbiologiei solului. Microorganismele sunt doar influențate direct de caracteristicile fundamentale ale solului, cum ar fi umezeala, oxigenul și chimia Devenind conștienți holistic de importanța fundamentală a microorganismelor solului și apoi dezvoltând și înțelegând modul în care procesele biologice din sol sunt influențate de schimbările din mediu, putem învăța cum să gestionăm solul într-un mod care sporește beneficiile oferite de organismele solului.
Fertilitatea solului, sau capacitatea sa de a îmbogăți plantele naturale și agricole, depinde de trei componente care interacționează și depinde unde de alta: fertilitatea fizică, fertilitatea chimică și fertilitatea biologică. Fertilitatea fizică se referă la proprietățile fizice ale solului, inclusiv structura, textura și capacitatea de absorbție și reținere a apei, precum și penetrarea rădăcinilor. Fertilitatea chimică implică niveluri de nutrienți și prezența unor condiții chimice, cum ar fi aciditatea, alcalinitatea și salinitatea, care pot fi dăunătoare sau toxice pentru plantă. Fertilitatea biologică se referă la organismele care trăiesc în sol și interacționează cu celelalte componente. Aceste organisme trăiesc pe sol, materie organică sau alte organisme din sol și initiaza multe procese vitale în sol. Unele dintre ele îndeplinesc funcții critice în ciclurile nutrienților și carbonului. Foarte puține organisme din sol sunt dăunătoare.
Dintre cele trei componente ale fertilității, este elementul microbiologic, diversitatea bogată a organismelor, cum ar fi bacteriile, virușii, ciupercile și algele, care formează colonii microbiene interactive, care sunt cele mai complexe și, paradoxal, cele mai puțin bine înțelese. O colaborare de aproape un deceniu între CSIRO și compania Bio-platforme Australia clasifică înțelegerea comunităților microbiene ale solului la fel de importantă ca si cartarea galaxiilor din univers sau a biodiversității oceanelor. Oferă ocazia de a descoperi noi specii necunoscute în prezent de știință. Comunitățile microbiene ale solului stau la baza productivității tuturor lucrarilor agricole și sunt factori principali în procesele ecologice, cum ar fi ciclul nutrienților și al carbonului, degradarea contaminanților și suprimarea bolilor transmise de sol. De asemenea, plantele sunt dependente de simbioza cu microorganismele.

Definiție
Microbiologia solului reprezinta studiul organismelor din sol, funcțiile lor și modul în care acestea afectează proprietățile solului. Microorganismele solului pot fi clasificate ca bacterii, actinomicete, ciuperci, alge, protozoare și viruși. Fiecare dintre aceste grupuri are caracteristici diferite care definesc organismele și funcții diferite în solul în care trăiește. Important, aceste organisme nu există izolat; acestea interacționează și aceste interacțiuni influențează fertilitatea solului la fel de mult sau mai mult decât activitățile individuale ale organismului.

Bacterii

Bacteriile sunt organisme care au o singură celulă și, prin urmare, sunt microscopice. Există de la 100 de milioane la un miliard de bacterii în doar o linguriță de sol fertil și umed. Acestea descompun, consumă materia vegetala moarta și deșeurile organice. Făcând acest lucru, bacteriile eliberează substanțe nutritive pe care alte organisme nu le pot accesa. Bacteriile fac acest lucru schimbând nutrienții din forme inaccesibile la forme utilizabile. Procesul este esențial în ciclul azotului.

Actinomicete

Actinomicetele sunt microorganisme ale solului, precum bacteriile și ciupercile, și au caracteristici care le leagă de ambele grupuri. Se crede adesea că sunt legătura evolutivă lipsă dintre bacterii și ciuperci, dar au mult mai multe caracteristici comune cu bacteriile decât au cu ciupercile. Actinomicetele conferă solului mirosul caracteristic. De asemenea, acestea sunt sursa mai multor medicamente terapeutice semnificative.

Ciuperci

Ciupercile sunt organisme neobișnuite, prin faptul că nu sunt plante sau animale. Se grupează în șiruri fibroase numite hife. Hifele formează apoi grupuri numite miceliu care au o lățime mai mică de 0,8 mm, dar pot ajunge până la câțiva metri. Acestea sunt utile, dar ar putea fi și dăunătoare, pentru organismele din sol. Ciupercile sunt utile, deoarece au capacitatea de a descompune substanțele nutritive pe care alte organisme nu le pot descompune. Apoi le eliberează în sol, iar alte organisme ajung să le folosească. Ciupercile se pot atașa de rădăcinile plantelor. Majoritatea plantelor cresc mult mai bine când se întâmplă acest lucru. Aceasta este o relație benefică numită micoriză. Ciupercile ajută planta oferindu-i nutrienții necesari, iar ciupercile obțin carbohidrați din plantă, aceeași hrană pe care plantele o dau oamenilor. Pe de altă parte, ciupercile pot obține hrană fiind paraziți și atașându-se de plante sau alte organisme din motive egoiste.
Unele dintre funcțiile îndeplinite în sol de ciuperci sunt:
Descompun – ciuperci saprofite – convertesc materialul organic mort în biomasă fungică, dioxid de carbon (CO2) și molecule mici, cum ar fi acizii organici.
Creeaza simbioza– ciupercile micorizale – colonizează rădăcinile plantelor. În schimbul carbonului din plantă, ciupercile ajută fosforul sa devina solubil și aduc nutrienți ai solului (fosfor, azot, micronutrienți și, poate, apă) la plantă. Un grup major de micorize, ecto-micorize, cresc pe straturile de suprafață ale rădăcinilor și sunt asociate în mod obișnuit cu copacii. Al doilea grup major de micorize sunt endo-micorizele care cresc în celulele rădăcinii și care sunt asociate în mod obișnuit cu ierburi, culturi în rânduri, legume și arbuști.
Paraziți: al treilea grup de ciuperci, agenții patogeni sau paraziți, produc pagube insemnate culturilor cand colonizeaza radacinile sau alte organisme.

Alge

Algele sunt prezente în majoritatea solurilor unde sunt disponibile umiditatea și lumina soarelui. Numărul lor în sol variază de obicei între 100 și 10.000 pe gram de sol. Sunt capabile de fotosinteză, prin care obțin dioxid de carbon din atmosferă și energie din lumina soarelui și isi sintetizează propria hrana.
Rolurile și funcțiile majore ale algelor în sol sunt:
Joacă un rol important în menținerea fertilității solului, în special în solurile tropicale.
Adăugarea de materie organică în sol atunci când mor și astfel creșterea cantității de carbon organic din sol.
Acționând ca agent de cimentare prin legarea particulelor de sol și prin aceasta reducerea și prevenirea eroziunii solului.
Ajutând la creșterea capacității de reținere a apei a solului pe perioade mai lungi de timp.
Eliberarea unor cantități mari de oxigen în mediul solului prin procesul de fotosinteză și, astfel, facilitând aerarea profunda.
Ajutând la verificarea pierderii de nitrați prin levigare și drenaj, în special în solurile necultivate.
Ajutând la degradarea rocilor și la construirea structurii solului.

Protozoare

Acestea sunt organisme incolore, unicelulare. Sunt mai mari decât bacteriile, variind de la câțiva microni la câțiva milimetri. Populația lor în sol arabil variază de la 10.000 la 100.000 pe gram de sol și sunt abundente în solul de suprafață. Ele pot rezista condițiilor adverse ale solului, deoarece sunt caracterizate printr-un stadiu protejat, inactiv în ciclul lor de viață.
Funcțiile majore, rolurile și caracteristicile protozoarelor sunt:
Majoritatea protozoarelor se hranesc cu bacteriile din sol și, prin urmare, joacă un rol important în menținerea echilibrului microbian / bacterian în sol.
Unele protozoare au fost folosite recent ca agenți de control biologic împotriva organismelor care cauzează boli.
Mai multe protozoare specifice solului cauzează boli oamenilor, fiind transportate prin apă și alți vectori. Disenteria amebică este un exemplu.

Viruși

Virusurile solului au o mare importanță, deoarece pot influența ecologia comunităților biologice ale solului atât prin capacitatea de a transfera gene de la gazdă la gazdă, cât și ca o cauză potențială a mortalității microbiene. În consecință, virușii sunt actori majori în ciclurile globale, influențând concentrația de substanțe nutritive și gaze.
În ciuda acestei importanțe, subiectul virologiei solului este prea putin studiat. Pentru a explora rolul virușilor în sănătatea plantelor și în calitatea solului, se efectuează studii privind diversitatea și abundența virusurilor în diferite zone geografice (ecosisteme). S-a constatat că virusurile sunt foarte abundente în toate zonele studiate până acum, chiar și în circumstanțe în care populațiile bacteriene diferă semnificativ în aceleași medii.
Solurile adăpostesc probabil multe specii virale noi care, împreună, pot reprezenta un rezervor mare de diversitate genetică. Unii cercetători consideră că investigarea acestei diversități în mare parte neexplorate a virusurilor solului are potențialul de a ne transforma înțelegerea rolului virușilor în procesele ecosistemului global și evoluția vieții microbiene în sine.

Nematode

Nu microorganisme (strict vorbind), viermii nematodici au în mod obișnuit 50 de microni în diametru și un milimetru în lungime. Speciile responsabile de bolile plantelor au primit multă atenție, dar se știe mult mai puțin despre o mare parte din comunitatea nematodelor, care sunt benefice solului. S-a constatat că o varietate incredibilă de nematode funcționează la mai multe niveluri ale lantului trofic din sol. Unele se hrănesc cu plante și alge (primul nivel), altele care se hrănesc cu bacterii și ciuperci (al doilea nivel), iar altele se hrănesc cu alte nematode (niveluri superioare).
Nematozii pot fi împărțiți în patru mari grupuri pe baza dietei lor. Consumatoarele de bacterii – consumă bacterii. Cele care se hranesc cu fungi- se hrănesc prin perforarea pereților celulari ai ciupercilor și prin aspirarea conținutului intern. Nematodele prădătoare mănâncă toate tipurile de nematode și protozoare. Mănâncă organisme mai mici întregi sau se atașează de cuticula nematodelor mai mari, răzuind până când părțile interne ale corpului prăzii pot fi extrase.
La fel ca protozoarele, nematodele sunt importante în mineralizarea sau eliberarea substanțelor nutritive în formele disponibile pentru plante. Când nematodele mănâncă bacterii sau ciuperci, se eliberează amoniu deoarece bacteriile și ciupercile conțin mult mai mult azot decât necesită nematodele.
Rol și funcții
În mod colectiv, microorganismele solului joacă un rol esențial în descompunerea materiei organice, ciclul nutrienților și fertilizarea solului. Fără circuitul elementelor, continuarea vieții pe Pământ ar fi imposibilă, deoarece substanțele nutritive esențiale ar fi rapid preluate de organisme și blocate într-o formă care nu poate fi folosită de alții. Reacțiile implicate în circuitul elementelor sunt adesea de natură chimică, dar reacțiile biochimice, facilitate de organisme, joacă, de asemenea, un rol important în circuitul elementelor. microorganismele solului sunt de primă importanță în acest proces.
Microorganismele solului sunt, de asemenea, importante pentru dezvoltarea unei structuri sănătoase a solului. Microbii solului produc o mulțime de substanțe (polizaharide și mucilagii, de exemplu) care ajută la cimentarea agregatelor din sol. Acest liant face ca agregatele să fie mai puțin susceptibile de a se sfărâma atunci când sunt expuse la apă. Filamentele fungice stabilizează, de asemenea, structura solului, deoarece aceste structuri asemănătoare firelor se ramifică în tot solul, literalmente înconjurând particulele și agregatele ca o plasă . Ciupercile pot fi considerate „firele” țesăturii solului. Trebuie subliniat faptul că, în general, microorganismele exercită o influență redusă asupra schimbării structurii fizice reale a solului; care este realizat de organisme mai mari.
Microorganismele solului sunt componente și producători de carbon organic din sol, o substanță care blochează carbonul în sol pentru perioade lungi de timp. Carbonul organic din sol îmbunătățește fertilitatea solului și capacitatea de reținere a apei. Există un număr tot mai mare de cercetări care susțin ipoteza că microorganismele solului și, în special, ciupercile, pot fi folosite pentru a extrage carbonul din atmosferă și a-l sechestra în sol. Microorganismele solului pot oferi un mijloc semnificativ de reducere a gazelor de seră atmosferice și pot contribui la limitarea impactului schimbărilor climatice induse de gazele de seră.
Nematodele pot fi, de asemenea, indicatori utili ai calității solului datorită diversității lor extraordinare și a participării lor la multe funcții la diferite niveluri ale lantului trofic.

Intr-un sol viu, nematodele patogene sunt devorate de ciupercile solului.

Condiții
Putem vedea că solurile sănătoase conțin un număr enorm de microorganisme și cantități substanțiale de biomasă microbiană. Acest lucru se traduce printr-un potențial enorm de activitate microbiană atunci când condițiile solului (surse de carbon disponibile, umiditate, aerare, temperatură, aciditate / alcalinitate și nutrienți anorganici disponibili, cum ar fi azotul), sunt favorabile.
Aproape toate organismele solului (cu excepția unor bacterii) au nevoie de aceleași lucruri de care avem nevoie si noi pentru a trăi: hrană, apă și oxigen. Mănâncă o sursă de hrană pe bază de carbon, care le furnizează toți nutrienții, inclusiv azot și fosfor. Acestea necesită un habitat umed, cu acces la oxigen în spațiile aeriene din sol. Aceste motive explică de ce 75% din organismele solului se găsesc în primii cinci centimetri de sol. De asemenea, explică de ce multe dintre populațiile noastre de microorganisme agricole din sol sunt epuizate. Din păcate, unele dintre practicile agricole standard până în anii 1980, cum ar fi eliminarea excesivă a terenurilor, arderea miriștilor, aplicarea necorespunzătoare a îngrășămintelor și prelucrarea excesivă a solului, au degradat solurile și au produs condiții precum salinitatea, acidificarea, erodarea structurii solului și deșertificare.
Remediere
În timp ce în multe zone, solurile noastre agricole sunt încă considerate a fi amenințate, în ultimele decenii, modificările practicilor agricole detaliate mai sus contribuie la crearea unor soluri mai sănătoase. Până de curând, aceasta era considerată singura modalitate de îmbunătățire a fertilității biologice. Creati condițiile potrivite și microorganismele vor veni și, alternativ, dacă condițiile nu sunt corecte, eforturile de introducere a microorganismeleor benefice sunt sortite eșecului. Recent, însă, cercetările științifice au obținut un succes semnificativ în inocularea solurilor și semințelor cu ciuperci benefice bacteriene și, în special, micorizice, pentru a îmbunătăți randamentele și pentru a promova soluri mai sănătoase. În timp ce încă se aflau într-un stadiu incipient de dezvoltare, studiile pe teren au fost pozitive și pot, în viitor, să conducă la o gamă largă de beneficii bazate pe îmbunătățirea fertilității biologice a solului.
Concluzie
În trecut, știința microbiologică a solului s-a concentrat pe amenințarea microorganismelor daunatoare sau patogene reprezentată de un număr mic de microorganisme specifice solului. Acest lucru ne-a deviat atentia de la majoritatea microorganismelor solului care nu reprezintă o amenințare pentru sănătatea umană sau pentru producția agricolă și care îndeplinesc roluri esențiale în mecanisme care sunt fundamental importante pentru sustenabilitatea civilizației umane și a vieții pe planetă în general. Acest accent, însă, se schimbă. Cercetarea interdisciplinară a solului din viitor trebuie să abordeze o regiune dinamică a proceselor de interacțiune: natura holistică a solului viu și faptul că această porțiune a solului nu este decât o parte a unui sistem mai mare. Prin utilizarea metodelor integrative, inclusiv imagistica nedistructivă, analiza chimică de generație următoare cu rezoluție substanțială de spațiu și timp și modelare prin simulare, secretele relației dinamice a solului și biologice vor fi dezvăluite. Știința holistică a solului are potențialul de a spori substanțial înțelegerea sistemelor plante-sol și de a oferi îndrumări pentru probleme urgente ale secolului 21, cum ar fi durabilitatea agricolă și schimbările de mediu.