Naukowcy z Wydziału Biologii UW planują udostępniać rolnikom, hodowcom roślin i branży ogrodniczej nowe rozwiązania. Są to biopreparaty oparte na kompozycjach szczepów bakteryjnych i grzybowych oraz na ich metabolitach. Mają one w naturalny sposób przywracać w glebach równowagę mikrobiologiczną, przyśpieszać obieg węgla, działać przeciwgrzybiczo, a także ułatwiać roślinom dostęp do takich pierwiastków jak azot, fosfor, potas czy żelazo.
Nowe biotechnologie – biopreparaty powstały w wyniku projektów badawczych prowadzonych w ostatnich latach pod kierunkiem dr Klaudii Dębiec-Andrzejewskiej oraz dr. Kumara Pranaw z Instytutu Mikrobiologii, Wydziału Biologii UW. Zespół naukowców opracował szereg rozwiązań, takich jak bionawozy, biostymulatory czy regeneratory gleby. Rozwiązania zostały przebadane pod kątem potencjalnego zastosowania i funkcjonalności, co stworzyło pewną perspektywę udostępniania ich do praktycznego zastosowania w rolnictwie, ogrodnictwie czy przemyśle. Obecnie nowe technologie są w fazie certyfikacji, co umożliwi im wprowadzenie ich na rynek w najbliższej przyszłości.
„Wykształciliśmy szereg biopreparatów, które w istotny sposób mogą wspierać rolników, ogrodników i indywidualnych hodowców roślin. Jako badacze nie chcemy poprzestać na publikowaniu prac naukowych, lecz sprawić, by odkrycia znalazły zastosowanie w szeroko rozumianym rolnictwie przemyśle” – wyjaśnia Klaudia Dębiec-Andrzejewska z Wydziału Biologii UW, która finalizuje jeden z projektów naukowych.
Zespoły biologów z UW równolegle badały właściwości różnego rodzaju glebowych szczepów bakteryjnych i grzybów, w tym szczepów endemicznych, występujących tylko w określonych strefach klimatycznych – np. w Antarktyce. Większość badanych szczepów bytuje w trudnych warunkach środowiskowych, np. w kopalni czy na pustyni. Na etapach ewolucyjnego dostosowania wykształciły one cechy i właściwości, które pozwalają im przetrwać, a które z punktu widzenia hodowców roślin mogą być pożądane lub przydatne. Na tym właśnie koncentrowali się badacze z UW opracowując nowe rozwiązania. Niektóre z opracowanych rozwiązań mają szersze zastosowanie. Naukowcy opracowali bowiem również produkty mikrobiologiczne dla przemysłu. Mogą one przyśpieszać efektywność kompostowania czy utylizację osadów ściekowych.
Spis treści:
Równowaga mikrobiologiczna w glebie
„Testowaliśmy różnego rodzaju zestawy szczepów bakterii i grzybów, które po podaniu do gleby nie konkurują o zasoby, lecz poprzez swoje właściwości w bezpośredni lub pośredni sposób wspierają rozwój roślin. W ten sposób opracowaliśmy kompozycje szczepów, które zapewniają roślinom większą dostępność głównych pierwiastków niezbędnych do wzrostu – azotu, fosforu i potasu. Utworzyliśmy też takie zestawienia bakterii, które znacząco skracają naturalne procesy kompostowania, nawet od 40 do 50 procent. To przyczynia się do zwiększenia w glebie zawartości węgla przyswajalnego przez rośliny, a także powoduje, że w mikrobiocie gleby szybciej przywracana jest równowaga, tak bardzo pożyteczna dla roślin” – mówi dr Kumar Pranaw z Instytutu Mikrobiologii na Wydziale Biologii UW, który prowadził jeden z projektów naukowych.
Naukowcy zaznaczają, że obecnie sztuczne nawożenie upraw już nie wystarczą, by uzyskać zbiory w skali oczekiwanej przez branżę rolniczą. Rolnicy zmuszeni są poszukiwać kompromisu między ilością dozowania coraz droższych nawozów sztucznych, a tym, co finalnie uzyskają na etapie zbiorów. Jednocześnie intensywne rolnictwo systematycznie prowadzi do wyjałowienia gleb, obniżając ich zasobność w pożyteczne bakterie i grzyby, co w konsekwencji niesie konieczność zwiększania nawożenia w kolejnych cyklach upraw. To rodzaj błędnego koła. Dlatego preparaty oparte na składnikach naturalnych, które mogą stosunkowo szybko przywracać homeostazę mikrobiologiczną gleb, są bardzo pożądane.
„Opracowane przez nas biopreparaty należy odbierać jako uzupełnienie dostępnego już dziś panelu środków, w tym przemysłowych, stosowanych dla zapewnienia uprawom odpowiedniej kondycji i wzrostu oraz do utrzymania w glebach równowagi mikrobiologicznej. Z naszych badań wynika, że dzięki zastosowaniu preparatów bakteryjno-grzybowych można zmniejszyć ilość potrzebnych nawozów sztucznych nawet o 40 procent, by uzyskać takie same rezultaty w uprawach” – dodaje dr Klaudia Dębiec-Andrzejewska.
Inny przykład opracowanej na UW biotechnologii to preparat złożony z pożytecznych szczepów bakterii, który ogranicza rozwój fitopatogenów – w szczególności grzybów z rodziny Fusarium. Po zaaplikowaniu do gleby preparatu, w którego składzie są pożyteczne bakterie i grzyby, te intensywnie się mnożą, po czym mocno konkurują z fitopatogenami o zasoby, skutecznie hamując i redukując ich rozwój. Naukowcy zbadali, że w zabiegach takiej profilaktyki antygrzybicznej do uzyskania odpowiedniej skuteczności wystarczy dozować od 2 do 3 litrów preparatu na hektar upraw.
Bezcenne metabolity
Gleba jest środowiskiem dynamicznym, na które wpływa mnóstwo czynników. W niektórych sytuacjach wprowadzanie do niej określonych szczepów bakterii czy grzybów, nawet gdy w danym okresie są one pożyteczne, nie zawsze jest najlepszym rozwiązaniem. Dla przykładu: w niektórych uprawach producentom może zależeć na tym, by rośliny uzyskały naturalne wspomaganie mikroorganizmów w zakresie dostarczania przyswajalnego żelaza, które bierze udział w syntezie chlorofilu. Jednak w innych rodzajach upraw nadmiar tego pierwiastka może roślinom szkodzić. Zastosowanie metabolitów zamiast komórek mikroorganizmów rozwiązuje kilka problemów, które mogą się pojawić, gdy do gleby wprowadzone zostaną nowe szczepy bakterii czy grzybów. Przede wszystkim nie zachodzi konkurencja gatunkowa mikroorganizmów, nie ma też kłopotu z ewentualnym niedoborem substratów odżywczych potrzebnych mikroorganizmom do rozwoju. Nie pojawia się też ryzyko zubożania gleby, które mogłaby nastąpić w sytuacji, gdyby mikroorganizmy zaczęły nadmiernie pobierać minerały potrzebne roślinom.
Jeśli zatem do gleby wprowadzone zostaną szczepy bakterii, których metabolity ułatwiają roślinom asymilację żelaza, ich obecność nie musi być pożądana w przyszłości. Dlatego niekiedy lepiej jest pozyskać w laboratorium określone metabolity i zamiast bakterii wprowadzać je do gleby w postaci odpowiednio przygotowanego naturalnego biostymulatora. Po zaaplikowaniu takiego preparatu, w glebie oczywiście nie pojawią się określone gatunki bakterii, natomiast uzyskany zostanie pożądany efekt w postaci wsparcia uprawy w bardzo konkretnym zakresie. Wprowadzone do gleby metabolity mogą wspomagać nie tylko wzrost i rozwój roślin, ale także odżywiać naturalną mikrobiotę glebową, co sprawia, ze rośliny są stymulowane bezpośrednio oraz pośrednio.
Tak też jest w przypadku innej biotechnologii opracowanej na UW, która oparta jest na produktach przemiany materii bakterii. Zespół naukowców z UW izolował metabolity mikroorganizmów, a następnie badał ich wpływ na rośliny i mikrobiotę gleby. Tak powstała metoda pozyskiwania sideroforów. Są to wytwarzane przez różne szczepy bakteryjne związki organiczne, które służą im do transportu żelaza – z gleby do wnętrza bakterii. Żelazo jest dla roślin pierwiastkiem stosunkowo trudno dostępnym, jest ono natomiast potrzebne do wytwarzania chlorofilu. Niektóre bakterie wychwytują żelazo z gleby za pomocą sideroforów, które dla roślin są doskonałym dostawcą żelaza.
Pozyskiwanie kompleksujących żelazo sideroforów, wytworzonych przez bakterie, to dobry przykład na zobrazowanie tego, jak można wykorzystać pracę określonych mikroorganizmów do pomagania roślinom. Mamy możliwości pozyskiwania również innych potrzebnych substancji będących produktami metabolizmu mikroorganizmów, na przykład różnego rodzaju kwasy organiczne, estry, ligandy, krótkołańcuchowe peptydy, kwasy tłuszczowe i wiele innych. Choć metodę można stosować w laboratorium i skalować ją na potrzeby przemysłu, dla użytkowników końcowych nie zawsze będzie to jednak optymalne rozwiązanie.
„Należy pamiętać, że zastosowanie metabolitów produkowanych przez mikroorganizmy w wielkiej skali może być problematyczne, ponieważ ze względu na ich lokalne działanie ich efektywność może być niewystarczająca. Dlatego trzeba się liczyć z tym, że stosowanie preparatów z metabolitami w uprawach wielkopowierzchniowych może wiązać się z pewnymi barierami. Niemniej, to bardzo dobra opcja dla upraw mniejszych, prowadzonych na przykład w szklarniach, czy na potrzeby ogrodnictwa czy sadownictwa. Poza tym dobrze mieć w zasięgu te opcje wspierania roślin i być świadomym, że poprzez stosowanie produktów metabolizmu mikroorganizmów można uzyskiwać bardzo konkretne i pozytywne rezultaty w uprawach” – dodaje dr Klaudia Dębiec-Andrzejewska.
Prezentowane rezultaty badań zostały wypracowane w ramach programu naukowego Lider XI (finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju) kierowanego przed dr Klaudię Dębiec-Andrzejewską oraz w ramach projektu TEAM-NET, finansowanego przez Fundację Nauki Polskiej, kierowanego przez dr Kumara Pranaw.
Transfer biotechnologii – wyjść poza uniwersytet
Naukowcy z Wydziału Biologii UW uznali, że kilkuletnia praca badawcza przyniosła na tyle dużo obiecujących wyników, iż warto podzielić się nimi ze światem zewnętrznym. Aby jednak tego dokonać, potrzeba wykonać szereg kroków, które umożliwią skuteczne wytransferowanie nowych biotechnologii z laboratoriów uniwersytetu do ostatecznych odbiorców.
„W celu komercjalizacji zespoły naukowe zdecydowały się powołać uniwersytecki startup. Jest nim spółka spin-off, w której UW obejmuje mniejszościowe udziały poprzez swoją spółkę celową UWRC sp. z o.o. Samo założenie podmiotu gospodarczego to dopiero początek. Obecnie naukowcy przechodzą proces certyfikacji opracowanych przez siebie preparatów i jednocześnie intensywnie pracują nad budowaniem listy potencjalnych odbiorców nowych biotechnologii. Już na tym etapie zainteresowanie jest duże. Jednym z kamieni milowych będzie pozyskanie inwestora, który przyczyni się do skalowania produkcji biopreparatów” – mówi dr hab. inż. Przemysław Dubel, dyrektor Centrum Transferu Technologii i Wiedzy Uniwersytetu Warszawskiego.
Jak podkreślają naukowcy, nowe bioprpeparaty wpisują się w obecne wyzwania stojące przed branżą agro. Uniwersytet Warszawski dysponuje bogatym repozytorium szczepów mikroorganizmów, z czego znaczną część stanowią szczepy własne, wyizolowane podczas badań prowadzonych na uczelni. Warto też zaznaczyć, że dzięki wykorzystaniu szczepów ekstremotolerancyjnych, w tym psychrotolerancyjnych, opracowane biopreparaty można w polskiej strefie klimatycznej stosować już od marca, a wprowadzane do gleby szczepy będą sobie w niej świetnie radzić.
