Pożyteczne mikroorganizmy

Biologiczne wiązanie azotu jest procesem, w którym mikroorganizmy przekształcają enzymatycznie azot atmosferyczny (N2) w jon amonowy, łatwo przyswajalny przez korzenie roślin. Bakterie, m. in Azotobacter, wykazujące takie właściwości określane są jako diazotrofy lub bakterie azotowe. Bakterie Azotobacter są mikroorganizmami wolno żyjącymi, bardzo zróżnicowanymi i szeroko rozpowszechnionymi w glebie, dlatego stanowią kluczowe naturalne źródło azotu (N) w ekosystemach naturalnych i rolniczych. Bakterie Azotobacter ze względu na właściwości wiązania azotu pełnią bardzo ważną rolę w odżywianiu roślin oraz w utrzymaniu biologicznej żyzności gleby. Azotobacter stymulują wzrost i plonowanie roślin dzięki takim cechom jak zwiększenie efektywności wykorzystania składników odżywczych przez rośliny, ochrona roślin przed fitopatogenami, biosynteza substancji biologicznie czynnych, takich jak witaminy z grupy B, kwas nikotynowy, kwas pantotenowy, biotyna, auksyna (IAA), giberelina, udostępnianie fosforu z form niedostępnych dla roślin w glebie. Bakterie Azotobacter zwiększają tolerancję roślin na stresy środowiskowe, takie jak zasolenie gleby i susza. Gatunki Azotobacter posiadają pewne unikalne cechy, takie jak formowanie cyst w warunkach niesprzyjających, np. w wysokich lub niskich temperaturach, zasoleniu i suszy. Proces ten może mieć duże znaczenie przy stosowaniu bionawozów. Tworzenie się cyst na dużą skalę podczas wytwarzania bionawozów zawierających Azotobacter wydłuża okres przydatności produktu przy zachowaniu jego skuteczności. Prowadzone są dalsze badania nad formowaniem cyst w naturalnych warunkach glebowych, ponieważ ta cecha czyni gatunki Azotobacter bardziej odpornymi na warunki glebowe i środowiskowe. Dzięki swoim właściwościom bakterie Azotobacter są elementem zintegrowanej strategii odżywiania roślin jako składniki bionawozów, co pozytywnie przyczynia się do zrównoważonej produkcji rolnej.

Rodzaj Bacillus Cohn (1872) obejmuje Gram-dodatnie, pałeczkowate komórki bakteryjne o wielkości od 0,3-2,2 do 1,2-7,0 μm. Bakterie te są chemoheterotrofami, które mogą wykorzystywać różne substraty odżywcze, mogą być obligatoryjnymi tlenowcami lub fakultatywnymi beztlenowcami. Morfologia i wielkość kolonii są bardzo zmiennymi cechami, w zależności od warunków środowiskowych. W obecności określonych składników odżywczych niektóre gatunki mogą wytwarzać pigmenty. Większość gatunków jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie. Wiele gatunków z rodzaju Bacillus tworzy endospory, które są strukturami uśpionymi, niereprodukcyjnymi, mogą przetrwać bez składników odżywczych i są odporne na ekstremalne czynniki fizyczne i chemiczne.

Rodzaj Bacillus jest taksonem heterogenicznym, wszechobecnym w przyrodzie. Bakterie z rodzaju Bacillus wykazują korzystne cechy dla ochrony i wzrostu roślin ponieważ są zdolne do syntezy aktywnych metabolitów o szerokim spektrum działania, łatwo adaptują się w różnych warunkach środowiskowych, w ryzosferze wchodzą w interakcje z korzeniami roślin poprzez wytwarzane wydzieliny korzeniowe. Pożyteczne szczepy Bacillus spp. wykazują właściwości ochronne dla roślin  poprzez konkurencję o niszę z mikroorganizmami fitopatogenicznymi, antagonizm w stosunku do fitopatogenów lub indukcję systemu obronnego rośliny żywicielskiej przed patogenami. Pożyteczne szczepy Bacillus spp. stymulują wzrost i plonowanie roślin poprzez poprawę pobierania składników pokarmowych oraz ograniczanie  negatywnego wpływu środowiska, np. suszy lub wysokich temperatur. Z powodu swoich właściwości bakterie z rodzaju Bacillus znajdują zastosowanie przy opracowaniu bionawozów i stymulacji wzrostu roślin za pomocą środków biologicznych oraz  biologicznej ochronie roślin. Takie rozwiązania przyczyniają się do zrównoważonych upraw roślin z uwzględnieniem ochrony środowiska.

Grupę Bacillus subtilis tworzą takie gatunki jak: Bacillus subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus siamensis, Bacillus velezensis, Bacillus atrophaeus, Bacillus inaquosorum, Bacillus licheniformis, Bacillus mojavensis, Bacillus halotolerans, Bacillus paralicheniformis, Bacillus sonorensis, Bacillus spizizenii, Bacillus stercoris, Bacillus tequilensis, Bacillus vallismortis.

Gatunki z grupy Bacillus subtilis, w szczególności B. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. licheniformis, znajdują zastosowanie w rolnictwie, jako bakterie które mają zdolność kolonizowania korzeni, stymulowania wzrostu i plonowania roślin oraz wykazujące działanie ochronne dla roślin. Bakterie z grupy Bacillus subtilis poprawiają stan fizjologiczny roślin poprzez produkcję fitohormonów lub uwalnianie korzystnych związków organicznych. Do takich związków należą np. poliaminy, które odgrywają ważną rolę fizjologiczną roślin, biorąc udział w podziale i różnicowaniu komórek, syntezie białek i stabilności błony komórkowej, a ponadto pełnią rolę ochronną przed różnymi stresami abiotycznymi. Bakterie z grupy Bacillus subtilis ułatwiają roślinom pobieranie jonów ze związków trudno rozpuszczalnych lub trudno przyswajalnych, takich jak fosfor, cynk, krzem oraz ograniczają negatywne skutki stresów biotycznych I abiotycznych roślin. Oprócz stymulacji wzrostu roślin, bakterie z grupy Bacillus subtilis biorą udział w ochronie roślin przed atakami fitopatogenów. Mechanizm działnia tech bakterii polega na działaniu bezpośrednim  przeciwko patogenom poprzez wytwarzanie enzymów litycznych i wtórnych metabolitów o działaniu hamującym wzrost patogenów, poprzez wygaszanie kworum w celu ograniczenia komunikacji między komórkami bakterii patogennych lub poprzez konkurencję z patogenami roślin o niszę I dostępne składniki odżywcze. Inną ważną rolą bakterii z grupy Bacillus subtilis jest ograniczenie procesu infekcji komórkami patogena poprzez indukowanie odpowiedzi obronnych w roślinie żywicielskiej.

Bakterie z gatunku Priestia megaterium wykazują szereg właściwości, dzięki którym znajdują zastosowanie w przemyśle biotechnologicznym oraz jako komponenet bionawozów. Zastosowanie Priestia megaterium w bionawozach I biostymulatorach poprawia wzrost i plonownanie roślin, fizjologię rośliny oraz cechy jakościowe warzyw i owoców. Bakterie z tego gatunku wykazują zdolność do  poprawy wzrostu i plonowania roślin poprzez udostępnianie roślinom jonów cynku. Dzięki biofortyfikacji roślin cynkiem za pomocą bakterii Priestia megaterium można uzupełnić niedobór Zn w sposób ekonomiczny i przyjazny środowisku. Szczepy Priestia megaterium mają potencjał łagodzenia stresu suszy u roślin poprzez zwiększenie zawartości potasu w roślinach, obniżenie przewodnictwa aparatów szparkowych lub akumulację proliny w tkankach roślinnych. Szczepy bakterii Priestia megaterium wykazują właściwości ochronne dla roślin, dlatego wchodzą w skład biofungicydów przeciwko patogenom grzybowym z rodzaju Alternaria (BioArc).

Bakterie celulolityczne są grupą mikroorganizmów produkujących enzymy celulolityczne, o właściwościach hydrolizy cząsteczek celulozy i wykorzystywania produktów jej rozkładu jako źródła węgla i energii. Bakterie celulolityczne różnią się postacią występowania enzymów, szyb¬kością i zakresem aktywności celulolitycznej oraz aktywnością enzymów pomocniczych. Bakterie celulolityczne znajdują zastosowanie w preparatach do ochrony roślin z powodu właściwości degradacji celulozy ściany komórkowej patogenów, np. Pythium i Phytophthora. Bakterie celulolityczne znajdują także zastosowanie do degradacji odpadów lignocelulozowych, takich jak pozostałości z upraw rolniczych, traw i odpadów leśnych. Zastosowanie tych mikroorganizmów w biopreparatach przyczynia się do wykorzystania odpadów i przekształcenia ich w użyteczne źródła energii. Do degradacji celulozy są zdolne m. in. gatunki występujące w glebie takie jak Streptomyces, Bacillus, Micromonospora, Thermobifida.

Fosfor bierze udział we wszystkich procesach życiowych zachodzących w roślinie, takich jak  fotosynteza, oddychanie, przemiany materii, synteza białek i substancji zapasowych. Niedobór fosforu skutkuje zaburzeniami podstawowych procesów fizjologicznych roślin, w wyniku czego następuje zahamowanie wzrostu i rozwoju roślin. Większość gleb rolniczych zawiera duże rezerwy fosforu, ale wiązanie i wytrącanie fosforu powoduje jego niedobór, co z kolei poważnie ogranicza wzrost roślin. Uzupełnianie fosforu, zwłaszcza w zrównoważonych systemach produkcji, pozostaje poważnym wyzwaniem, i zależy głównie od nawozów. Fosfor, pobierany z gleby przez rośliny w formie jonów kwasu fosforowego, często jest niedostępny dla roślin z powodu niskiej zawartości fosforu przyswajalnego. Z tego powodu w rolnictwie znajdują zastosowanie bakterie fosforowe, zwiększajace dostępność jonów fosforu dla roślin (PSB-Phosphate Solubilizing Bacteria). Głównym mechanizmem rozpuszczania fosforanów mineralnych jest produkcja kwasów organicznych, a kwaśne fosfatazy odgrywają główną rolę w mineralizacji fosforu organicznego w glebie. Do bakterii fosforowych należą m. in.: Bacillus spp., Pseudomonas spp., Rhizobium spp, Priestia spp. (Priestia megaterium).

Ryzobakterie promujące wzrost roślin (PGPR) to naturalnie występujące bakterie glebowe, które mogą stymulować wzrost i plonowanie roślin oraz pełnić rolę ochronna dla roślin przed patogenami. Bakterie Pseudomonas, w tym grupa Pseudomonas fluorescens są grupą bakterii PGPR z bardzo dużym potencjałem do wykorzystania w rolnictwie z powodu szybkiego wzrostu, niewielkich wymagań, zdolności wykorzystania różnorodnych substratów organicznych, w tym wydzielin korzeniowych. Bakterie Pseudomonas fluorescens produkują związki o działaniu przeciw fitopatogenom grzybowym, działając w ten sposób jako skuteczne środki biobójcze. Fluorescencyjne Pseudomonas wykazują różnorodne mechanizmy biokontroli które obejmują antybiozę, wytwarzanie sideroforów, rywalizację o przestrzeń i składniki odżywcze oraz indukowanie odporności roślin. Wykazują one zdolność do kolonizacji ryzosfery i trwałości w ryzosferze przez cały sezon wegetacyjny poprzez kolonizację powierzchnię korzeni. Pseudomonas fluorescens stymulują wzrost roślin poprzez syntezę fitohormonów takich jak auksyny, gibereliny, cytokininy. Bionawozy zawierające bakterie Pseudomonas wpływają na poprawę kiełkowania nasion, wzrost wegetatywny i plonowanie roślin rolniczych i ogrodniczych.

Promieniowce należą do grupy bakterii Gram-dodatnich, mają budowę prokariotyczną, ale morfologią, cyklem rozwojowym i sposobem rozmnażania przypominają eukariotyczne grzyby strzępkowe. Grupa promieniowców ryzosferowych, Actinomycetes, została uznana za bardzo przydatną do produkcji bionawozów. Do promieniowców zaliczane są Actinoplanes, Streptomyces i Micromonospora, z których Streptomyces są najbardziej zbadane pod względem działania stymulującego wzrost roślin. Bakterie Streptomyces stymulują wzrost roślin dzięki takim właściwościom jak wytwarzanie sideroforów, solubilizacja fosforanów i produkcja auksyny IAA oraz pełnią rolę ochronną dla roślin dzięki antybiozie. Promieniowce znajdują szerokie zastosowanie w bionawozach stosowanych w celu poprawy wzrostu i plonowania roślin oraz zwiększenia żyzności gleby.

Trichoderma (Hypocrea) to rodzaj grzyba występujący w wielu ekosystemach. Niektóre szczepy mają zdolność ograniczania chorób roślin poprzez hamowanie patogenów roślin, głównie w glebie lub na korzeniach roślin, dzięki dużemu potencjałowi antagonistycznemu i mykopasożytniczemu. Grzyby Trichoderma wykazują zdolności do ograniczania szerokiego zakresu patogenów roślin, w tym grzybów, lęgniowców, bakterii i chorób wirusowych, poprzez wywoływanie indukowanej odporności systemicznej (ISR). Ryzosferowe szczepy Trichoderma ryzosfery zwiększają potencjał wzrostu i pobieranie składników odżywczych, efektywność wykorzystania nawozów, procent i szybkość kiełkowania nasion oraz stymulują mechanizmy obronne roślin przed uszkodzeniami biotycznymi i abiotycznymi. Szczepy Trichoderma spp. stosowane jako środek do kontroli biologicznej działają poprzez zajęcie niszy i ograniczenie namnażania się patogenów, wytwarzanie enzymów degradujących ściany komórkowe i antybiotyki przeciwko patogenom.  Ten antagonistyczny potencjał jest podstawą skutecznego stosowania różnych szczepów Trichoderma jako alternatywy dla chemicznego zwalczania szerokiego zestawu grzybowych patogenów roślin.

Ekstrakt drożdżowy to naturalne i bogate źródło fitohormonów, cukrów, witamin, enzymów, aminokwasów i minerałów. Ponadto drożdże działają stymulująco na podziały komórkowe i syntezę białek, kwasów nukleinowych i chlorofilu. Działanie drożdży można przypisać ich pobudzającemu wpływowi na aktywność enzymów, produkcję fitohormonów, poprawę pobierania składników pokarmowych, co zwiększa wzrost wegetatywny roślin. Składniki ściany komórkowej drożdży, takie jak polisacharydy, mogą działać jako elicytory w roślinnych szlakach transdukcji sygnału jako odpowiedź obronna roślin. Drożdże Saccharomyces cerevisiae są rodzajem bionawozów stosowanych w nawożeniu doglebowym lub dolistnie na pędy roślin warzywnych, ze względu na zawartość stymulujących regulatorów wzrostu związków, takich jak cytokiny, gibereliny, auksyny i składniki odżywcze, te regulatory wzrostu związki poprawiające podział i wzrost komórek roślinnych zawiera również aminokwasy, białka, witaminy i cukier. Ekstrakty drożdżowe, ze względu na swoje naturalne pochodzenie, są produktami przyjaznymi dla środowiska, które mogą być stosowane w rolnictwie do stymulacji mechanizmu obronnego roślin i poprawy jakości odżywczej roślin.

Drożdże Yarrowia lipolytica wykazują specyficzne cechy fizjologiczne, metaboliczne i genomiczne, które odróżniają je od modelowych drożdży Saccharomyces cerevisiae. Dimorficzne drożdże oleiste Yarrowia lipolytica znajdują coraz szeresze zastosowanie w produkcji bionawozów zw względu na bogate źródło witamin, aminokwasów, enzymów, fitohormonów, cukrów i minerałów. Zastosowanie Yarrowia lipolytica w formie ekstraktów drożdżowych w bionawoach jest czynnikiem promującym naturalne, przyjazne dla środowiska technologie w rolnictwie, stosowane do stymulacji wzrostu I plonowanie roślin.