Bakterie glebowe i mikroorganizmy: co robią i jak je wspierać

Sprzedawcy oferują dziś bakterie do gleby w workach i kanistrach, a na szkoleniach coraz częściej mówi się o „życiu gleby”. Rolnik ma prostsze pytania: co właściwie robią bakterie glebowe, ile azotu dają bakterie brodawkowe i azotowe, co je niszczy i czy warto płacić za szczepionki. Odpowiadamy na podstawie badań Instytutu Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa (IUNG-PIB) w Puławach i rozdziału 5 książki Francisa Bucaille’a „Rewitalizacja gleby”. Artykuł dotyczy pól uprawnych, nie ogrodu.

Ile życia jest w glebie?

W jednym gramie gleby żyje co najmniej miliard bakterii z kilku tysięcy gatunków („Rewitalizacja gleby”, przedmowa prof. Marca-André Selosse’a, s. XVII). Według Francisa Bucaille’a mikroorganizmy glebowe ważą w glebie prawie tyle co korzenie roślin, a ich powierzchnia wymiany z otoczeniem jest znacznie większa niż powierzchnia korzeni (s. 82). Skalę życia mikroorganizmów na Ziemi pokazuje rycina niżej.

Rycina pochodzi z zestawienia biomasy Ziemi, które autor przytacza za Bar-On i in. (2018). Węgiel w biomasie roślin to ok. 450 Gt, bakterii ok. 70 Gt, grzybów ok. 12 Gt, archeonów ok. 7 Gt, a zwierząt tylko ok. 2 Gt^[01]. Rycina nie pokazuje jednak samej gleby: autorzy zestawienia podają, że większość biomasy bakterii i archeonów żyje głęboko pod powierzchnią, w warstwach wodonośnych i pod dnem morza^[01]. Liczby z ryciny mówią więc o skali, a nie o tym, ile bakterii jest w Twoim polu. To, co dzieje się w polu, opisują trzy liczby z książki:

• 1 mld: co najmniej tyle bakterii żyje w gramie gleby, z kilku tysięcy gatunków (s. XVII).
• 10 %: tylko tyle mikroorganizmów glebowych dotąd poznano, bo większości nie da się hodować w laboratorium (s. 63).
• 15-50 %: taką część produktów fotosyntezy roślina oddaje mikroflorze w ryzosferze, czyli wokół korzeni (s. 89).

Co robią bakterie glebowe w polu?

Bakterie glebowe rozkładają martwą materię organiczną, uwalniają z niej składniki pokarmowe, wiążą azot z powietrza i przekształcają związki mineralne. Są znacznie mniejsze od grzybów i lepiej znoszą skrajne warunki: suszę, zalanie i intensywną uprawę roli, bo zawsze znajdą w glebie mniej skrajne mikrosiedlisko (s. 87).

Francis Bucaille dzieli bakterie glebowe na cztery grupy („Rewitalizacja gleby”, s. 87-88):

1. Rozkładacze trawią najprostsze związki: cukry, skrobię i tłuszcze, i wykorzystują z nich tylko 15-25 % węgla.
2. Symbionty wiążą azot z powietrza. Część żyje w glebie samodzielnie (Azotobacter, Azospirillum), a część w ścisłej symbiozie z roślinami, jak Rhizobium u roślin strączkowych. Autor opisuje przy nich także promieniowce, które nadają glebie przyjemny, grzybowy zapach.
3. Patogeny, np. Erwinia i Pseudomonas, wykorzystują osłabienie roślin.
4. Litotrofy czerpią energię z przemian związków mineralnych; należą do nich bakterie nitryfikacyjne Nitrosomonas oraz bakterie siarkowe i żelazowe.

Bakterie są koncentratem białka: zawierają 10-30 % azotu, a w dobrych warunkach ich populacja podwaja się w 20 minut (s. 87). Zjadają je pierwotniaki, które przy tym uwalniają azot w formie amonowej, dostępnej dla roślin (s. 88). Tak działa szybki obieg składników pokarmowych, czyli mineralizacja.

Część bakterii udostępnia roślinom fosfor, potas i krzem z form słabo rozpuszczalnych (s. 70). Autor zalicza je do PGPR, czyli bakterii wspierających wzrost roślin uprawnych, i jako przykład podaje Bacillus mucilaginosus, który w sprzyjających warunkach przyspiesza przepływ składników mineralnych z gleby do korzeni. Po szczepieniu gleby takimi bakteriami oczekuje też przywrócenia odporności gleby na choroby (s. 190). Inne pożyteczne bakterie z rodzaju Bacillus, np. Bacillus subtilis i Bacillus thuringiensis, wykorzystuje się w biologicznej ochronie roślin (s. 67). Badacze IUNG-PIB opisują podobne działanie bakterii Azotobacter: wytwarzają fitohormony i związki hamujące rozwój patogenów, zwłaszcza grzybów chorobotwórczych, oraz udostępniają fosforany^{[02, s. 10]}.

Czy próchnicę budują grzyby, czy bakterie?

Trwałą próchnicę budują głównie grzyby: wbudowują w nowe związki 40-55 % węgla z rozkładanej materii organicznej, a bakterie tlenowe 5-15 %, a niektóre składniki pochodzenia grzybowego, np. glomalina, utrzymują się w glebie 20-50 lat i dłużej („Rewitalizacja gleby”, s. 88, 91). Uprawa roli i nadmiar azotu i fosforu pobudzają bakterie, a hamują grzyby, dlatego Francis Bucaille zwraca uwagę na stosunek F:B, czyli proporcję biomasy grzybów do bakterii (s. 89).

Bakterie nie są przez to gorsze: symbionty, w tym bakterie azotowe, bezpośrednio zwiększają plony, choć ich większa aktywność przyspiesza też mineralizację próchnicy (s. 111). Porównanie grzybów i bakterii z doświadczeniem przytoczonym w książce opisujemy w artykule o próchnicy gleby, a grzyby, które dostarczają roślinom fosfor i wodę, w artykule o mikoryzie w uprawach polowych.

Ile azotu wiążą bakterie azotowe z powietrza?

Bakterie azotowe przekształcają azot atmosferyczny w formy przyswajalne dla roślin. Najwięcej azotu wiążą bakterie brodawkowe w symbiozie z roślinami strączkowymi: w Polsce średnio 40-250 kg N/ha rocznie^{[03, s. 128]}.

Badacze IUNG-PIB dzielą bakterie wiążące azot na wolno żyjące w glebie (np. Azotobacter), żyjące w asocjacji z korzeniami roślin (np. Azospirillum) i symbiotyczne z roślinami bobowatymi (np. Rhizobium); te ostatnie dają 70-80 % azotu wiązanego biologicznie^{[02, s. 8, 16]}.

• 30 kg N/hado tylu azotu wiąże Azotobacter, najczęstsza w glebach wolno żyjąca bakteria azotowa^{[04, s. 7]}.
• 43 %taki odsetek gleb w Polsce zasiedla Azotobacter, według badania 1 140 próbek w IUNG-PIB^{[04, s. 7]}.

Francis Bucaille szacuje, że wolno żyjące bakterie azotowe i bakterie brodawkowe mogą wiązać 30-40 kg N/ha rocznie, czego bilans nawożenia prawie nigdy nie uwzględnia (s. 70), a same wolno żyjące mogą według niego pokryć do 30 % potrzeb roślin na azot (s. 191). Polscy badacze są ostrożniejsi: Azotobacter wiąże w glebie tylko 20 mg N na 1 g zużytej glukozy, a glebę wzbogaca w azot dopiero po obumarciu komórek^{[02, s. 9]}.

Enzym wiążący azot, nitrogenaza, działa z molibdenem i kobaltem i wymaga siarki, a bakterie potrzebują też fosforu (s. 63, 191); polskie opracowanie o nawożeniu roślin strączkowych podaje to samo^{[03, s. 134]}. Roślina przestaje karmić bakterie cukrami, gdy w glebie jest dużo azotu albo brakuje innego składnika, np. fosforu (s. 63).

Które rośliny współpracują z bakteriami brodawkowymi i kiedy szczepić nasiona?

Bakterie brodawkowe tworzą w korzeniach roślin bobowatych brodawki, w których wiążą azot, a w zamian dostają od rośliny związki węgla z fotosyntezy^{[02, s. 15]}. Każdy gatunek bakterii współpracuje z określonymi roślinami^{[02, s. 16]}.

Rozpiętość jest duża, bo ilość związanego azotu zależy od szczepu bakterii, odżywienia rośliny i warunków siedliska, więc z tabeli nie da się odczytać dawki azotu dla konkretnego pola^{[03, s. 129-130]}.

Szczepionka z bakteriami brodawkowymi, np. nitragina, ma największy sens tam, gdzie właściwych bakterii w glebie brakuje albo jest ich mało:

• przy soi, bo w polskich glebach brakuje jej bakterii, a bakterie lucerny występują w zbyt małej liczbie^{[03, s. 130]};
• na glebach lekkich i zakwaszonych, w których nie stwierdzono bakterii symbiotycznych grochu, bobiku i soi^{[03, s. 129]};
• gdy na polu przez długi czas nie uprawiano danej rośliny albo pH gleby jest niższe niż 5,0^{[02, s. 22]}.

Bakterie brodawkowe grochu, łubinu, bobiku i fasoli są w glebach zwykle obecne w dostatecznej liczbie^{[03, s. 131]}, a na glebach z dużą ich populacją szczepionka zwykle nie zwiększa istotnie plonu^{[05, s. 111]}. Pod rośliny strączkowe podaje się przed siewem zwykle tylko 20-30 kg N/ha jako dawkę startową, bo większe dawki ograniczają wiązanie azotu z powietrza^{[03, s. 129, 131]}. Przy niskim odczynie gleby liczba i masa brodawek wyraźnie spadają^{[03, s. 129]}.

Co niszczy bakterie i grzyby w glebie?

Życie w glebie najmocniej osłabiają nadmiar azotu, kwaśny odczyn, fungicydy i miedź, zbita gleba bez tlenu oraz częsta, głęboka uprawa. Każdy z tych czynników działa inaczej na bakterie, a inaczej na grzyby.

• Nadmiar azotu. Bakterie wiążące azot są wrażliwe na nadmiar azotu z nawozów, który całkowicie hamuje ich pracę; przy masowym nawożeniu azotem rośliny zależą w 100 % od azotu z zewnątrz („Rewitalizacja gleby”, s. 70). Duże dawki azotu, w formie organicznej i mineralnej, sprzyjają też bakteriom kosztem grzybów (s. 92).
• Kwaśny odczyn. Azotobacter jest wrażliwy na pH niższe niż 6,0^{[04, s. 7]}; w badanej przez IUNG-PIB glebie o pH 4,3 nie stwierdzono go wcale^{[05, s. 114]}. W doświadczeniu na glinie lekkiej nawożonej NPK samo dodanie wapnia zwiększyło liczebność bakterii brodawkowych grochu z 6 do 1 700, a Azotobacter z 0 do 150, według danych S. Martyniuka i in. z 2007 r.^{[04, s. 8]}.
• Fungicydy i miedź. Grzyby glebowe są bardzo wrażliwe na środki grzybobójcze, a bakterie na nie obojętne (s. 88). Związki miedzi, np. ciecz bordoska, niszczą bakterie azotowe, gdy w glebie jest ponad 50 ppm miedzi; zdarzają się gleby z ponad 200 ppm, a nawet 800-900 ppm miedzi, a skażenie utrzymuje się przez dziesiątki i setki lat, bo miedź się nie wypłukuje. Problem dotyczy gospodarstw konwencjonalnych i ekologicznych (s. 70).
• Środki ochrony roślin bez oceny wpływu na glebę. Pośredniego wpływu wielu substancji chemicznych stosowanych w rolnictwie, w tym pestycydów, na pożyteczne mikroorganizmy nie oceniono, bo ich aktywność uważano za nieistotną (s. 70).
• Zbita, podmokła gleba. Grzyby są ściśle tlenowe i źle znoszą zagęszczenie oraz nadmiar wody (s. 85). W glebie bez tlenu rozwijają się bakterie beztlenowe, a wiele bakterii chorobotwórczych to właśnie beztlenowce (s. 87).
• Częsta i głęboka uprawa. Uprawa roli pobudza bakterie i hamuje grzyby (s. 88), a autor wymienia głęboką orkę wśród praktyk, które systematycznie uszkadzają grzyby budujące próchnicę (s. 79).

Jak ocenić biologię gleby w polu?

Biologię gleby ocenisz w polu szpadlem, nosem i okiem: przyjemny zapach, gruzełkowata struktura, białe korzenie z włośnikami i szybki rozkład resztek pożniwnych to oznaki aktywnych mikroorganizmów. Do porównania dwóch pól albo dwóch miejsc na jednym polu laboratorium nie jest potrzebne.

Test szpadla w siedmiu krokach (na podstawie obserwacji z rozdziałów 5, 12 i 13 książki):

1. Wykop bryłę gleby na pełną głębokość szpadla w dwóch miejscach: tam, gdzie rośliny rosną dobrze, i tam, gdzie słabo. Najlepiej jesienią albo wiosną, gdy gleba jest wilgotna, ale nie mokra.
2. Powąchaj glebę. Przyjemny, grzybowy zapach nadają glebie promieniowce (s. 88). Przykry zapach, np. amoniaku albo siarkowodoru (zgniłych jaj), oznacza rozkład materii organicznej bez tlenu, najczęściej przy zbitej glebie i głęboko przyoranej świeżej masie roślinnej (s. 156).
3. Rozkrusz bryłę w dłoni. Struktura drobnogruzełkowa jest często oznaką aktywności biologicznej: gruzełki sklejają m.in. polisacharydy wytwarzane przez grzyby, a taka struktura sprzyja obiegowi wody, wymianie gazów i oddychaniu korzeni (s. 157). Skorupa na powierzchni świadczy o słabej stabilności struktury (s. 157). Więcej o ocenie struktury i żyzności w polu piszemy w artykule o żyzności gleby.
4. Obejrzyj system korzeniowy. Zdrowe korzenie są zwykle białe, z jasnymi włośnikami, które pobierają składniki odżywcze; korzenie żółte, spłaszczone albo zwinięte w pustkach między grudami wskazują na zbitą glebę (s. 154).
5. Poszukaj resztek pożniwnych. Łatwo rozpoznawalne resztki starsze niż rok oznaczają słabe natlenienie i powolny rozkład (s. 156).
6. Policz korytarze dżdżownic. Korytarz używany ma błyszczące ściany pokryte śluzem, a opuszczony jest matowy albo zasypany (s. 149).
7. Na polu z roślinami strączkowymi wykop kilka roślin i sprawdź brodawki na korzeniach: są pośrednią miarą wiązania azotu^{[03, s. 130]}.

Gdy potrzebujesz liczb, laboratoria naukowe oznaczają liczebność drobnoustrojów (bakterii, promieniowców, Azotobacter i grzybów) metodą wysiewu rozcieńczeń gleby oraz aktywność enzymów glebowych^{[05, s. 112]}. W badaniu IUNG-PIB gleba o najniższym pH miała niższą aktywność dehydrogenaz, jednego z enzymów glebowych^{[05, s. 114]}. Francis Bucaille opisuje też szybki test równowagi bakterii i grzybów zestawem terenowym z aplikacją w telefonie i sam zaznacza, że taki test wykrywa tylko duże masy mikroorganizmów, bez informacji o gatunkach (s. 181).

Czy preparaty z bakteriami do gleby działają?

To zależy od tego, czego w glebie brakuje. Szczepionki z bakteriami brodawkowymi mają uzasadnienie tam, gdzie właściwych bakterii nie ma, a skutki preparatów z bakteriami wolno żyjącymi zależą od gleby, rośliny i warunków.

Badacze IUNG-PIB traktują preparaty mikrobiologiczne jako jeden ze sposobów realizacji rolnictwa zrównoważonego: mają chronić rośliny przed patogenami i wspierać ich wzrost i rozwój^{[02, s. 3]}. W przytaczanych przez nich doświadczeniach polowych i wazonowych szczepienie kukurydzy, pszenicy, jęczmienia i żyta bakteriami Azospirillum zwiększało plon ziarna o 10-35 % i poprawiało rozwój systemu korzeniowego^{[02, s. 25]}. Ci sami badacze zaznaczają jednak, że skuteczność biopreparatów z bakteriami Azotobacter różni się w zależności od rodzaju gleby, odmiany rośliny i innych parametrów fizycznych, chemicznych i biologicznych^{[02, s. 13]}. Bakterie brodawkowe żyjące w glebie są mniej liczne, ale skuteczniej wiążą azot niż szczepy z preparatów dostępnych na rynku^{[02, s. 20]}.

Francis Bucaille widzi miejsce dla szczepienia gleby. Wolno żyjące bakterie azotowe trzeba według niego doszczepiać co roku (s. 191), a w planie rewitalizacji zaleca ponowne wprowadzenie brakujących grup mikroorganizmów, w razie potrzeby po analizie mikrobiologicznej (s. 238). Zaznacza też, że zarodników grzybów mikoryzowych jest wystarczająco w każdej glebie, której nie odkażano wielokrotnie fumigacją ani parą wodną (s. 238). Autor współtworzył firmę Gaïago, która zajmuje się rozwiązaniami do rewitalizacji gleb, a w opisie jednego z testów wskazuje ją jako źródło bakterii do badania (s. 180). Dlatego zalecenia o szczepieniu gleby warto sprawdzić na własnym polu, zanim kupisz preparat.

Bakterie przemieszczają się w glebie, więc na małych poletkach efekt preparatu się zaciera; autor zaleca porównania na powierzchniach co najmniej 12 × 12 m, najlepiej 24 × 24 m (s. 60). Prostą metodę sprawdzania zabiegów refraktometrem opisujemy w artykule o biostymulatorach i nawozach dolistnych. Ta sama zasada dotyczy preparatów EM, czyli mieszanek tzw. efektywnych mikroorganizmów: pas z preparatem i pas kontrolny bez zabiegu na tym samym polu.

Jak wspierać mikroorganizmy glebowe w gospodarstwie?

Zamiast dokładać bakterie, popraw im warunki: odczyn, tlen, umiar w azocie, rośliny strączkowe w zmianowaniu i resztki bogate w ligninę. Takie zmiany wymagają innego planu, a nie nowych zakupów.

• Odczyn. Na kwaśnych glebach wapnowanie jest warunkiem uprawy roślin strączkowych, bo w glebach zakwaszonych brakuje ich bakterii symbiotycznych^{[03, s. 129]}.
• Azot według potrzeb. Po zmniejszeniu dawek azotu do poziomu, przy którym grzyby odzyskują swoje miejsce w glebie, rośliny lepiej wykorzystują azot, a mniej go się wymywa; autor przypomina, że wykorzystanie azotu w systemach konwencjonalnych wynosi ok. 35 % (s. 92).
• Rośliny strączkowe w zmianowaniu. Przyorane resztki pożniwne bobiku wzbogacają glebę średnio w 50-100 kg N/ha, 80-120 kg K/ha i 30-50 kg Ca/ha^{[03, s. 128]}.
• Resztki z ligniną dla grzybów. Słoma i inne resztki bogate w ligninę dają przewagę grzybom, a świeża, zielona masa bogata w łatwo rozpuszczalne składniki pobudza bakterie (s. 85).
• Żywe korzenie. Rośliny karmią mikroorganizmy wydzielinami korzeniowymi (s. 89), więc każdy okres z żywymi roślinami w polu to okres, w którym bakterie i grzyby mają pożywienie.
• Mikroelementy według analizy. Wiązanie azotu wymaga dostępnego fosforu, molibdenu, kobaltu i siarki (s. 191), a brodawki także boru (s. 230); ich zawartość trzeba zmierzyć i w razie potrzeby uzupełnić (s. 191).
• Mniej fungicydów i miedzi. Autor zaleca ograniczenie programów fungicydowych, bo działają także na pożyteczne grzyby glebowe. Równowagę mineralną i mikrobiologiczną gleby nazywa nutriprotekcją, czyli ochroną odżywczą: to według niego pierwsza linia obrony zdrowia roślin i sposób na mniejsze dawki ostatniego fungicydu przed żniwami (s. 192).
• Bez ugniatania mokrej gleby. Grzyby są bardzo wrażliwe na brak tlenu, zagęszczenie i uprawę roli (s. 85).

Co zrobić w tym sezonie

Bez kupowania czegokolwiek:

• Zrób test szpadla na dwóch polach o różnej historii i zapisz zapach, strukturę, stan korzeni i liczbę korytarzy dżdżownic.
• Sprawdź w ostatniej analizie pH pól, na których planujesz rośliny strączkowe; przy kwaśnym odczynie zaplanuj najpierw wapnowanie.
• Jeśli planujesz soję albo strączkowe na polu, na którym od lat ich nie było, zaplanuj szczepienie nasion bakteriami brodawkowymi właściwymi dla gatunku.
• Wypisz zabiegi fungicydami i preparatami miedziowymi z ostatnich trzech sezonów.
• Pod rośliny strączkowe zaplanuj dawkę startową 20-30 kg N/ha; więcej azotu tylko pod groch i bobik na glebach ubogich.
• Przy każdym preparacie mikrobiologicznym zostaw pas kontrolny bez zabiegu.

Zdrowa gleba nie wymaga zakupu bakterii, tylko warunków dla nich: tlenu, właściwego odczynu i azotu w ilości, jakiej potrzebują rośliny. Trwałą próchnicę budują z nimi grzyby, dlatego te same decyzje o uprawie, nawożeniu i fungicydach decydują o obu grupach. Kolejność zmian na kilka sezonów pokazuje artykuł Poprawa gleby w 7 krokach, a pełny opis grzybów, bakterii i stosunku F:B zawiera bezpłatny rozdział 5 książki „Rewitalizacja gleby”.