Naukowcy twierdzą, że wdrożenie nowej formuły pozwoliłoby zredukować o ponad połowę ilość stosowanych obecnie nawozów sztucznych. Jednocześnie tego rodzaju innowacja może przyczynić się do przywracania glebom równowagi mikrobiologicznej i zmniejszenia obciążeń środowiska naturalnego wywołanych nawozami sztucznymi.

W Instytucie Nauk o Środowisku UJ opracowano kompozycję związków bogatych w pierwiastki kluczowe dla prawidłowego rozwoju roślin, m.in. azot, potas, fosfor, sód i wapń. Naukowcy odkryli, że gdy połączy się te związki w odpowiednich proporcjach, w mieszaninie w sposób samoistny powstaje koloid złożony z nanocząstek. Mają one średnicę około 100 nm i nie są rozpuszczalne w wodzie. Badacze wskazują, że to właśnie wielkość tych struktur nadaje kompozycji pożądane właściwości. Chodzi o optymalne tempo, w jakim potrzebne roślinom pierwiastki i minerały są uwalniane do gleby w bezpośrednie sąsiedztwo korzeni roślin.

Opracowaną kompozycję naukowcy z UJ uzupełniają wyselekcjonowanym szczepem endofitycznych drożdży. Ich zadaniem jest stymulacja roślin naczyniowych do rozwijania mykoryzy z obecnymi w glebie strzępkami grzybów. Dzięki temu grzyby przyczyniają się do lepszego nawadniania roślin i przekazywania im różnego rodzaju substancji pochodzących z podłoża.

Nawóz, który stopniowo się uwalnia

Powolne uwalnianie cennych dla roślin pierwiastków i minerałów zwiększa efektywność nawozu, ponieważ zostaje znacznie wydłużony okres, w jakim raz podany nawóz skutecznie oddziałuje na rośliny.

„Gdy zastosujemy w nawożeniu cząstki o odpowiednich rozmiarach, uzyskujemy większą efektywność nawożenia w porównaniu do tradycyjnie stosowanych preparatów, które do gleby trafiają w formie jonów. Takie nawozy działają stosunkowo krótko, co powoduje, że są one nieefektywne, kosztowne, a dla środowiska mocno obciążające. Nawozy tradycyjne w niewielkim stopniu są wchłaniane przez rośliny, podczas gdy większość przenika do wód gruntowych lub też spływa do wód powierzchniowych po obfitszych opadach deszczu. Mimo to w rolnictwie wciąż stosuje się nadmiarowe ilości nieefektywnych nawozów, godząc się na negatywne skutki. Są nimi oczywiście wysokie koszty, konieczność częstszego opryskiwania i, co bardzo istotne, wręcz tragiczny wpływ na środowisko naturalne” – mówi prof. dr hab. Katarzyna Turnau z Instytutu Nauk o Środowisku UJ.

Gdy minerały dostarczane są do gleby w postaci umożliwiającej ich powolne uwalnianie, znacznie więcej z podanych substancji zostaje wykorzystane przez rośliny, a mniej marnuje się w procesie wypłukiwania. To przynosi szereg korzyści: dla uzyskania pożądanego efektu potrzeba znacznie mniej preparatu i jednocześnie można go rzadziej dostarczać. W konsekwencji chemiczne i mikrobiologiczne wspomaganie upraw może być o wiele tańsze, a stosowane nawozy w mniejszym stopniu mogą negatywnie oddziaływać na środowisko.

„W trakcie naszych badań dowiedliśmy, że opracowana przez nas kompozycja minerałów podana w formie nanocząstek ulega bardzo nieznacznemu wypłukiwaniu. Mówiąc dokładniej, około kilkunastokrotnie wolniej w porównaniu do tempa, w jakim wypłukiwane są z gleby minerały podawane w powszechnie stosowanych nawozach. Oznacza to, że nawóz podany w postaci cząstek o odpowiedniej wielkości może wspomagać rośliny przez znacznie dłuższy okres i nie trafi on do wód gruntowych czy powierzchniowych” – wyjaśnia prof. dr hab. Szczepan Zapotoczny z Wydziału Chemii UJ, współtwórca opracowanej technologii.

Drożdże zbawienne dla roślin i środowiska

Dodawane do mieszaniny minerałów wyselekcjonowane drożdże mają dwojaką rolę. Po pierwsze silnie stymulują rozwój mykoryzy w obrębie roślin. Sprawiają, iż nawożone rośliny chętniej wchodzą w symbiotyczne związki z grzybami, które w zamian za niektóre składniki odżywcze mogą przekazać roślinom wodę oraz substancje, do których mają one ograniczony dostęp. Po drugie, drożdże te, z racji wytwarzania znaczących ilości polisacharydów, z których zbudowana jest ich otoczka, stanowią swoisty podziemny rezerwuar wody, który może służyć roślinom w okresie niedoboru opadów.

„Rolnictwo coraz częściej boryka się z anomaliami pogodowymi. Jedną z nich jest susza i systematycznie rosnące średnie temperatury. To oczywiście nie sprzyja uprawie roślin, dlatego retencja wody w obrębie systemów korzeniowych ma kluczowe znaczenie dla efektywności rolnictwa. Obecność drożdży powoduje, że rośliny lżej przechodzą okresy suszy. Co więcej, gdy po suszy woda deszczowa trafi do gleby, rośliny wspomagane drożdżami znacznie szybciej wracają do formy, a później wzrastają w o wiele lepszej kondycji” – dodaje prof. dr hab. Szczepan Zapotoczny.

Dostęp do wody to jedno, natomiast trudno przecenić wspomnianą mykoryzę, czyli korzystną, obopólną współpracę grzybów i roślin. Dlaczego mykoryza jest tak ważna? Jest to przerastanie tkanek korzeni roślin strzępkami grzybów. Zjawisko to powoduje, że roślina czerpie z rozległego systemu grzybni, której podziemny zasięg jest znacznie szerszy od jej własnego systemu korzeniowego. Dzięki temu ma ona dostęp do wody i różnego rodzaju substancji obecnych w glebie. Co więcej, mykoryza powoduje różnego rodzaju procesy biochemiczne wspomagające mikrobiotę zawartą w glebie. W jej rezultacie różnego rodzaju bakterie glebowe zaczynają produkować substancje, z których korzystają zarówno rośliny, jak i grzyby.

„We współczesnym rolnictwie powszechnym problemem jest zanik mykoryzy w podłożach, na których uprawiane są rośliny. Jej brak osłabia uprawy i jednocześnie obniża jakość mikrobiologiczną gleb. W rezultacie producenci żywności i hodowcy roślin zmuszeni są stosować coraz większe ilości nawozów. To z kolei osłabia w roślinach te geny, które stymulują rozwój mykoryzy. To rodzaj błędnego koła, z którego trudno dziś wyjść. Jako ludzkość chcemy mieć efektywną produkcję żywności i jest to zrozumiałe, natomiast jednym z głównych wyzwań dla rolnictwa jest również zrównoważony rozwój i troska o to, by żywność była zdrowa, a rośliny pochodziły z gleb obfitujących w mikroorganizmy. Zdrowa gleba to zdrowa żywność” – mówi prof. dr hab. Katarzyna Turnau.

Naukowcy z UJ twierdzą, że poprzez przywracanie równowagi mikrobiologicznej gleb możliwe będzie systematyczne odchodzenie od stosowania w niektórych rodzajach produkcji podłoży torfowych. Z punktu widzenia ochrony środowiska to ważne, ponieważ używanie torfu powoduje szybkie niszczenie zasobów, które powstawały w naturalnych warunkach przez wiele lat.

Mocniejszy aromat, bardziej efektywna fotosynteza, więcej biomasy

Zastosowane w nawozie drożdże zostały wyizolowane z babki lancetowatej porastającej hałdy miedziowe zlokalizowane w Norwegii. Naukowcy z UJ od lat badają różne szczepy drożdży stymulujących mykoryzę z roślinami bytującymi w ekstremalnie trudnych warunkach środowiskowych. W tych poszukiwaniach ważne jest odkrycie takich szczepów grzybów, które w maksymalny sposób chronią rośliny i pomagają im przetrwać uciążliwe warunki – właśnie dzięki „współpracy w podziemiu”, czyli mykoryzie. W opinii naukowców ten konkretny wyizolowany szczep drożdży spełnia najwięcej kryteriów i najlepiej nadaje się jako dodatek wzmacniający rośliny uprawne i ich grzyby mykoryzowe. Trzeba przy tym podkreślić, że same drożdże nie tworzą mykoryzy. Ich rolą jest stymulacja mykoryzy wytwarzanej przez zupełnie inne grzyby o budowie strzępkowej.

„W tworzeniu mykoryzy zachodzi bardzo ciekawe zjawisko. Kiedy grzyb zaczyna przerastać roślinę, uruchamia w niej szereg procesów, w tym rodzaj procesów obronnych. Te powodują, że roślina wydziela różnego rodzaju aromaty. Gdy mamy do czynienia z roślinami, takimi jak mięta czy bazylia, wyraźnie możemy odczuć, że uprawa z mykoryzą powoduje, iż rośliny mocniej pachną i lepiej smakują. Stosując opracowany przez nas preparat można zatem nie tylko przywracać równowagę mikrobiologiczną w glebie, ale też uzyskać bardziej aromatyczne rośliny” – dodaje dr hab. Katarzyna Turnau. Inną korzyścią wynikającą z mykoryzy i zastosowania mineralnych nawozów jest efektywniejsza fotosynteza i wynikający z niej lepszy przyrost biomasy.

Potencjalne zastosowanie nowego nawozu

Opracowany na UJ nawóz nadaje się do zastosowania w rolnictwie przemysłowym, uprawach szklarniowych, ogrodnictwie, a także w ekologicznych hodowlach roślin. Zastosowane drożdże oddziałują najlepiej na rośliny naczyniowe, które z natury chętnie tworzą mykoryzę typu arbuskularnego. Należy do nich cała gama gatunków: zioła, pomidory, zboża, rośliny jagodowe (truskawka, jeżyna, aronia, jagoda kamczacka), drzewa owocowe (jabłoń, grusza). Do roślin niemykoryzowych zalicza się m.in. rośliny takie jak kapusta, rzodkiewka, kalarepa czy seler, natomiast warto dodać, że nawożenie ich takim preparatem zawierającym drożdże w dalszym ciągu jest przydatne ze względu na poprawę dostępności wody w okresach suszy.

„Kompozycja związków mineralnych wykorzystanych w nowym nawozie składa się z łatwo dostępnych składników, które dla procesów produkcji nie powodują bariery kosztowej. Również wyselekcjonowany szczep drożdży można bez ograniczeń namnażać w skali przemysłowej. Mamy zatem pewność, że opracowany nawóz da się wdrożyć do produkcji i stosowania w rolnictwie” – wyjaśnia dr inż. Garbiela Konopka-Cupiał, dyrektorka Centrum Innowacji Transferu Technologii i Rozwoju UJ.

Obecnie UJ pracuje nad wdrożeniem nowej technologii do zastosowania w rolnictwie. Konieczne jest m.in. przeprowadzenie szerszych testów na różnego rodzaju podłożach w różnych typach hodowli. 

„Opracowany nawóz rozwiązuje szereg problemów związanych z dostarczaniem składników mineralnych do stymulacji wzrostu i odporności roślin. Pozwala zmniejszyć zarówno ilość zużywanych nawozów, jak i wody do nawadniania upraw, dlatego ufam, że szybko znajdziemy podmioty zainteresowane wdrożeniem tej technologii. Po zabezpieczeniu wynalazku od strony prawnej, nawiązujemy kontakty z branżą agro, aby przeprowadzić testy na uprawach w większej skali” – dodaje dr inż. Garbiela Konopka-Cupiał.