Prof. Dr . hab. Stefan Russel
Zakład Mikrobiologii Rolniczej
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie

W ostatnich latach zwraca się na całym świecie coraz większą uwagę, w tym również w Polsce, na zdrową żywność produkowaną w tak zwanych gospodarstwach ekologicznych. Produkcja ekologiczna żywności związana jest z technologiami wykorzystującymi naturalną zdolność gleby do samoreprodukcji, czyli spontanicznego odnawiania pobranych przez rośliny w okresie wegetacji składników pokarmowych.

W ekosystemach lądowych składniki pokarmowe dla roślin występują w czterech podstawowych rezerwuarach :

• w atmosferze,
w glebie (w postaci związków dostępnych dla roślin),
• w związkach organicznych (organizmy żywe, martwe resztki),
• w minerałach glebowych i skałach.

W rezerwuarze, jaki stanowi gleba istnieją mechanizmy stale uzupełniające, w warunkach naturalnych, glebowe zasoby związków dostępnych dla roślin i zapewniające – na zasadzie samoregulującego się sprzężenia zwrotnego – ciągłą wymianę z pozostałymi rezerwuarami pokarmowymi.

Dzięki tym mechanizmom zarówno elementy odżywcze zawarte w minerałach jak i czasowo zakumulowane w związkach organicznych są uwalniane w postaci dostępnej dla roślin. Dzięki tym siłom, mimo stałego pobierania z gleby przez rośliny znacznych ilości składników odżywczych, nie następuje - w warunkach przyrodniczych – wyczerpanie gleby i możliwa jest ciągła wegetacja.

Na siły zapewniające glebie zdolność do spontanicznego uzupełniania zasobów substancji odżywczych składają się zarówno czynniki biologiczne jak i abiotyczne, takie jak wietrzenie minerałów i skał, erozja itp.. Nie pomniejszając znaczenia czynników abiotycznych dla kształtowania stosunków żywieniowych, trzeba stwierdzić, że w glebie (traktowanej jako jeden z czterech rezerwuarów pokarmowych ekosystemu) istotnym, – jeśli niedecydującym – członem aparatu zapewniającego stałe, spontaniczne uzupełnianie zasobów związków dostępnych są żyjące w niej organizmy a wśród nich przede wszystkim mikroorganizmy. Drobnoustroje stanowią naturalny składnik każdej gleby, bez nich gleba nie byłaby niczym innym jak jedną martwą formacją geologiczną.

Można przyjąć, zakładając szerokie wahania tych wskaźników, że liczba komórek bakterii w 1 g gleby wynosi około 105 – 109, promieniowce są reprezentowane wskaźnikiem 104 – 108, analogiczny wskaźnik dla grzybów wynosi kilka tysięcy do kilku milionów, liczba komórek glonów waha się w granicach do 10 000 a pierwotniaków kilkadziesiąt tysięcy w 1 g gleby. Ogólna masa organizmów na 1 ha gleby wynosi od kilku do kilkunastu ton w zależności od typu gleby, okresu sezonu wegetacyjnego itp.

Już same tylko stosunki ilościowe wyznaczają rolę drobnoustrojów w procesach zachodzących w glebie. Czynnik ilościowy jest spotęgowany dzięki ukształtowaniu się ogromnej powierzchni styku między masą mikroskopijnych organizmów żywych a substratami znajdującymi się w glebie. Właściwością, która rozstrzygająco decyduje o roli drobnoustrojów glebowych jest wielostronność ich uzdolnień biochemicznych, plastyczność wyposażenia enzymatycznego, możliwość przeprowadzania najprzeróżniejszych przemian.

Chemiczne możliwości drobnoustrojów są tak rozległe, że same one tylko, bez udziału innych organizmów mogą zapewnić krążenie wszystkich pierwiastków – prócz tlenu – wchodzących w skład organizmów żywych. Drobnoustroje glebowe mogą egzystować zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych, wśród nich są organizmu samożywne zdolne do wiązania CO2 z powietrza przy udziale energii słonecznej (fotoautotrofy) jak i energii pochodzącej z utlenienia związków mineralnych (chemoautotrofy) oraz cudzożywne odżywiające się związkami organicznymi. Mikroflora glebowa składa się z organizmów saprofitycznych (roztoczy) żyjących na martwej substancji organicznej i pasożytów, powodujących procesy chorobowe i atakujących inne organizmy. Występujące w glebie mikroorganizmy mogą wiązać azot atmosferyczny z powietrza i nawiązywać przeróżne układy symbiotyczne, uczestniczą w rozkładzie przeróżnych związków chemicznych w tym najbardziej skomplikowanych, wytwarzają substancje biologicznie aktywne ( antybiotyki, substancje stymulujące wzrost i rozwój roślin, witaminy, toksyny) są aktywne w procesach syntezy zachodzących w glebie np. odpowiadają za biosyntezę próchnicy glebowej. Gleba jest niewyczerpanym śródłem drobnoustrojów dla biotechnologii.

Drobnoustroje glebowe są w zasadzie kosmopolitami. Te same gatunki można znaleść w wielu, nawet odległych, rejonach świata. Gleba jest siedliskiem, do którego w ostatecznym rachunku trafiają wszystkie drobnoustroje, ale, w którym niekoniecznie muszą znaleść warunki rozwoju.

Z pewnymi uproszczeniami drobnoustroje izolowane z gleby można podzielić na trzy grupy:

• Te, które przeżywają w glebie swój pełny cykl życiowy, – dla których gleba jest środowiskiem naturalnym;
• Te, które przez pewien, krótszy lub dłuższy okres życia przebywają w glebie, mogą się w niej rozmnażać, ale których przeżywalność jest uwarunkowana obecnością w glebie roślin lub zwierząt podatnych na zakażenie tymi drobnoustrojami. Do tej grupy należą obligatoryjne patogeny roślin i zwierząt;
• Te, które znajdują się w glebie przypadkowo, mogą w niej przebywać przez dłuższy czas w stanie spoczynku, nie ujawniając swojej aktywności.

Przeciętne dane obrazujące ilościowo i jakościowo skład mikrobiologiczny określonej próbki gleby nie daje podstaw do bezpośredniego wnioskowania o mechanizmach rządzących kształtowaniem się stosunków między różnymi organizmami glebowymi. Dane te, uzyskiwane z analizy reprezentatywnych próbek, umożliwiają jedynie ogólny wgląd w stosunki glebowe, nie odzwierciedlając przyrodniczych układów ekologicznych panujących w mikroniszach glebowych, będących zgodnie z aktualnymi poglądami – naturalnymi terenami bytowania drobnoustrojów.

Mikronisze ekologiczne kształtują się na zasadzie bazy żywieniowej. Są one różne dla różnych grup fizjologicznych (żywieniowych) drobnoustrojów. Mają odmienne rozmiary zależnie od struktury podłoża. Są niestale, gdyż wraz z wyczerpywaniem się substratu i pojawianiem się produktów jego przemian zmienia się w sposób ciągły ich charakter chemiczny. Zmianom chemicznym towarzyszą przesunięcia w składzie populacji opanowującej niszę. Wraz z dostawaniem się do gleby resztek roślinnych i ciał zwierząt pojawiają się nowe mikronisze. Niszami są również obumierające, a dla niektórych grup żywe, drobnoustroje.

Ta różnorodność i zmienność sprawia, że gleba stanowi zbiór olbrzymiej liczby gęsto zasiedlonych mikronisz, stanowiąc – jak to się w gleboznawstwie określa – skomplikowaną i dynamiczną mozaikę mikrobiologiczną. Mozaikowość gleby jest pogłębiona przez fakt, że drobnoustroje glebowe nie są związane z aktualnym miejscem występowania, że są przenoszone przez wiatr (same lub ze swoimi niszami) z miejsca na miejsce, zarówno aktywnie jak i biernie przez faunę glebową i ruchy wody.

Mikronisze ekologiczne są przyrodniczym terenem działania drobnoustrojów. W nich toczą się złożone przemiany chemiczne nadające glebie jej przyrodnicze właściwości, czyniące z niej naturalne siedlisko roślin, umożliwiające stałą wegetację. Aktywność biologiczna, cecha odróżniająca glebę od innych tworów geologicznych jest sumą, a ściślej wypadkową, procesów zachodzących, przede wszystkim, w poszczególnych mikroniszach.

Gleba jest tworem żywym metabolizującym. Można w niej znaleść analogie do żywego organizmu. Analogie nie ograniczają się tylko do niewątpliwie występującego w glebie zjawiska przemiany materii, ale wyrażają się również obecnością określonych powiązań i zależności pomiędzy wielokierunkowymi torami metabolizmu glebowego. Metabolizm glebowy jest oczywiście niemal wyłącznie zawartych w niej organizmów (korzeni roślin, fauny i drobnoustrojów). Gleba zawiera jednakże pewien zasób wolnych enzymów. Są one, co jest oczywiste, również pochodzenia biologicznego (przyżyciowo wydalane poza komórkę egzoenzymy i uwalniane w procesach litycznych endoenzymy) ale działają już niezależnie od komórek macierzystych i aktywność ich jest regulowana stosunkami panującymi w glebie a nie w komórkach.

Czynnikiem nadającym glebie jej właściwoąci biologiczne są przede wszystkim (ze względy na ilość, masę, powierzchnię i aktywność) drobnoustroje. O charakterze przemian biochemicznych zachodzących w poszczególnych „komórkach” gleby, w mikroniszach decydują: chemizm podłoża, skład populacji zasiedlającej niszę oraz takie czynniki jak wilgotność, odczyn, temperatura itp. Elementem nadrzędnym wiążącym różne procesy chemiczne w jedną całość i warunkującym swoistą homeostazę są wzajemne zależności pomiędzy grupami (fizjologicznymi) drobnoustrojów działających w glebie. Od układu wewnętrznych stosunków w obrębie asocjacji drobnoustrojów, od charakteru sukcesji mikrobiologicznych zależy całość procesów zachodzących w glebie, jej aktualne właściwości, a więc jej stan, który obecnie określamy mianem „zdrowia” gleby. Wyeliminowanie czy ograniczenie, wskutek nieracjonalnego działania człowieka, jakiejś grupy fizjologicznej drobnoustrojów rozrywa i narusza cały łańcuch żywnościowy.

Rolnictwo ekologiczne starające się nawiązywać do naturalnej gospodarki rolnej funkcjonuje na zasadzie równowagi bilansu składników pokarmowych w glebie. Często obecnie rolnictwo ekologiczne określa się mianem rolnictwa zrónoważonego. Rolnictwo zrównoważone oparte jest na gruntownej znajomości procesów mikrobiologicznych i biochemicznych zachodzących w glebie.

Rolnictwo to eliminuje do niezbędnego minimum nawozy mineralne i sztuczne pestycydy i wykorzystuje potencjalne siły przyrody do odnawiania składników pokarmowych i walki ze szkodnikami i chorobami roślin.

W latach 80-tych profesor ogrodnictwa na Uniwersytecie w Ryukyus na Okinawie w Japonii, Teruo Higa, opracował dla rolnictwa naturalnego technologię EM – Efektywnych Mikroorganizmów. Wyizolował on z gleby szereg szczepów drobnoustrojów, należących do różnych jednostek systematycznych i fizjologiczno-biochemicznych ( bakterie, promieniowce, grzyby, bakterie fototroficzne itp.), które wykazywały korzystne i pożyteczne właściwości tak z punktu widzenia funkcjonowania ekosystemu glebowego jak i intensywności wzrostu i rozwoju roślin. Drobnoustroje te wykorzystał do opracowania preparatów mikrobiologicznych (szczepionek), zawierających mieszane hodowle drobnoustrojów pożytecznych i efektywnych, które aktualnie znamy jako tzw. preparaty EM. Przy pomocy technologii EM modyfikuje się rodzimą mikroflorę gleby w kierunku intensyfikacji procesów biochemicznych w niej zachodzących oraz biologicznej walki z chwastami, chorobami i pasożytami. Technologia EM całkowicie respektuje ekologię drobnoustrojów glebowych i opisane na wstępie prawa nimi rządzące. Preparaty EM znalazły zastosowanie na całym świecie nie tylko w rolnictwie, ale i w wielu innych dziedzinach życia człowieka np. ochronie środowiska naturalnego, medycynie i weterynarii itp.