Jak sprawić, by uprawy przynosiły jeszcze większe plony, a jednocześnie ograniczyć wykorzystywanie nawozów i pestycydów? Na Politechnice Wrocławskiej trwają badania nad biostymulatorami wzrostu roślin. Naukowcy wykorzystują m.in. algi i pole magnetyczne.
Rosnąca chemizacja rolnictwa to jeden z poważniejszych środowiskowych problemów na całym świecie. Nawozy i pestycydy – które pozwalają gospodarstwom rolnym zwiększać plony – stosowane w dużych ilościach degradują glebę, przedostają się do wód podziemnych i szkodzą środowisku. Dlatego naukowcy szukają sposobów na stymulację wzrostu roślin, które nie będą wywoływały negatywnych skutków albo w znaczącym stopniu je ograniczą.
Czy zadziała efekt synergii?
Badacze z dwóch wydziałów Politechniki Wrocławskiej: Chemicznego i Mechanicznego jako pierwsi postanowili sprawdzić, jakie efekty dla wzrostu i rozwoju roślin przyniesie oddziaływanie na nie kilkoma stymulatorami jednocześnie, w tym biostymulatorami, czyli takimi, które zawierają tylko nietoksyczne substancje pochodzenia naturalnego.
Stosujemy bioprodukty na bazie alg oraz tzw. czynniki fizyczne, czyli pole magnetyczne i elektromagnetyczne. Tych metod nie należy mylić z nawożeniem roślin. Nawozy służą temu, by dostarczyć roślinom składniki odżywcze takie, jak potas, fosfor i azot. Nasze produkty odpowiadają natomiast za stymulowanie naturalnych procesów zachodzących w roślinie. Ich podstawowym zadaniem jest zwiększenie odporności roślin, np. marchewki czy soi, na stres abiotyczny związany z niekorzystnymi warunkami środowiskowymi, np. wysoką temperaturą, przymrozkami lub wysokim zasoleniem, oraz stres biotyczny, a więc różnego rodzaj choroby wywoływane przez bakterie, grzyby bądź owady. Dzięki biostymulatorom roślina może też lepiej pobierać składniki odżywcze z gleby, ale jest to niejako ich dodatkowa funkcja. W ten sposób są one czymś pośrednim między nawozami a pestycydami, ale bez negatywnych skutków dla środowiska – tłumaczy dr hab. inż. Izabela Michalak, prof. PWr z Katedry Zaawansowanych Technologii Materiałowych na Wydziale Chemicznym.
Z plaży do upraw
Naukowcy postanowili połączyć badania, które prowadzą w ramach kilku projektów, by określić, czy nasiona/rośliny stymulowane jednocześnie kilkoma czynnikami będą osiągały lepsze wyniki – a zatem będą rosły szybciej albo wyrastały na większe. Jeden z tych projektów to badania realizowane dzięki grantowi z programu OPUS Narodowego Centrum Nauki we współpracy z Laboratorium Biotechnologii i Chemii Morskiej w University of Southern Brittany (Francja). Zespół prof. Michalak skupia się w nim na wykorzystaniu biomasy alg: zielenic zbieranych na polskim wybrzeżu Bałtyku oraz zielenic, brunatnic i krasnorostów z Oceanu Atlantyckiego w rejonie Bretanii do wytwarzania bioproduktów dla rolnictwa.
Może się to wydawać dziwne, że do stymulacji roślin wykorzystujemy glony, które powszechnie traktowane są jako odpady i kojarzone są z koniecznością oczyszczania z nich plaż. Tymczasem te glony są bogate w wiele związków bioaktywnych. To m.in. mikro- i makroelementy, białka, aminokwasy, witaminy, karotenoidy czy polisacharydy – wyjaśnia badaczka.
To co najlepsze w algach
Na bazie alg naukowcy wytwarzają więc ekstrakty, a z nich nanocząstki metali/tlenków metali. Najpierw suszą glony, mielą i przesiewają, a potem poddają ekstrakcji w homogenizatorze ultradźwiękowym.
Otrzymany płynny ekstrakt jest więc tym, co absolutnie najlepsze w glonach. Mamy trzy drogi wykorzystywania ekstraktów glonowych w naszych badaniach. Możemy je wykorzystać do przedsiewnego namaczania nasion, możemy je stosować doglebowo lub jako oprysk dolistny. Z ekstraktu można również wytworzyć nanocząstki, np. tlenku cynku czy miedzi, które są lepiej przyswajane przez rośliny niż tradycyjnie stosowane sole nieorganiczne. Jeśli więc wiemy, że danej uprawie brakuje cynku, nanocząstki są lepszym rozwiązaniem niż sam cynk w postaci soli – zapewnia mgr inż. Katarzyna Dziergowska, doktorantka z Katedry Zaawansowanych Technologii Materiałowych.
Kolejną metodą przedsiewnej stymulacji nasion jest poddanie ich działaniu czynników fizycznych. Nasiona przed wysianiem są więc umieszczane w polu magnetycznym, elektromagnetycznym albo działa się na nie podczerwienią. Dlaczego? Bo w niesprzyjających warunkach stresu abiotycznego – takich jak susza czy zanieczyszczenie gleby metalami ciężkimi – pole magnetyczne łagodzi skutki tego stresu poprzez zwiększenie liczby antyoksydantów, a tym samym zmniejszenie stresu oksydacyjnego u roślin. Oprócz tego stymulacja nasion polem magnetycznym obniża wskaźnik chorób roślin (ze względu na modulację szlaków sygnałowych wapnia oraz prolin i poliamin).
Dlatego nasiona przed wysianiem umieszczamy w jednorodnym stałym polu magnetycznym wygenerowanym np. przez układy magnesów neodymowych albo w polu zmiennym generowanym przy pomocy cewek indukcyjnych – opisuje dr hab. inż. Jerzy Detyna, prof. PWr z Katedry Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej na Wydziale Mechanicznym.
Specjalna „lodówka” do upraw
Badacze weryfikują właściwości użytkowe ekstraktów algowych, otrzymanych z nich produktów i fizycznej stymulacji nasion w testach kiełkowania (na szklanych szalkach) i w testach wazonowych. Takie szalki trafiają potem do fitotronu – specjalnej „lodówki”, która ma stałą wilgotność i temperaturę, a do tego przez 12 godzin zapewnia oświetlenie, a przez 12 gwarantuje ciemność. To wstępne badania, które pozwalają sprawdzić, jakie stężenie ekstraktu może wywołać u rośliny efekt toksyczny, a jakie w największym stopniu wpływa na stymulację wzrostu.
Do tego jeśli mamy zbadać efekt hybrydowy wynikający z połączenia stymulacji algowej i fizycznej, to niezwykle ważnym, ale i trudnym zadaniem, jest określenie parametrów związanych z intensywnością pola magnetycznego i czasem ekspozycji nasion w tym polu – dodaje prof. Detyna.
Rośliny „pod lupą”
Weryfikacją pierwszych badań (służących określeniu wpływu testowanych bioproduktów na wzrost roślin) są testy doniczkowe, kiedy rośliny wyrastają już na glebie. Dzięki współpracy z dr hab. Sylwią Lewandowską z Katedry Genetyki, Hodowli Roślin i Nasiennictwa Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu część badań prowadzona jest w warunkach polowych.
Za każdym razem sprawdzamy ważne dla nas parametry – energię kiełkowania i zdolność kiełkowania i weryfikujemy budowę rośliny. Siewka może bowiem szybko wykiełkować, ale wyrosnąć nieprawidłowo, a przez to nie będzie w stanie dobrze funkcjonować w warunkach glebowych. Nasze procedury pomiarowe w tym zakresie są zgodne z wytycznymi International Seed Testing Association. Istotne są dla nas także inne parametry, m.in. długość korzenia czy łodygi albo zawartość chlorofilu w roślinie, która im jest większa, tym lepsza jest zdolność rośliny do fotosyntezy, a zatem i potencjalnie wyższe plony – zwraca uwagę prof. Detyna.
Do tej pory naukowcy prowadzili badania m.in. na ziarnach soi, lnu, marchewki czy pietruszki – bo są to rośliny albo strategiczne dla gospodarki, albo trudnowschodzące (czyli współczynnik wykiełkowania z nasion jest tam stosunkowo niski).
Nasze wyniki pokazują na razie, że dużo lepsze efekty dają ekstrakty o niższych stężeniach oraz krótsze czasy ekspozycji i indukcji magnetycznej. W kontekście ekonomicznym są to dobre informacje dla branży rolniczej – zapewnia prof. Michalak.
Soja, którą wystawiono na działanie pola magnetycznego o wartości indukcji magnetycznej o wartości 250 militesli (mT), ma zdecydowanie dużo więcej korzeni bocznych i są one bardziej rozgałęzione niż u roślin, które nie dostały dodatkowej stymulacji albo były umieszczone w polu magnetycznym o większej intensywności.
Taki rozbudowany system korzeniowy to dobra wiadomość, bo dzięki niemu roślina jest w stanie pobierać więcej m.in. wody i składników odżywczych, a w efekcie szybciej rosnąć – tłumaczy Katarzyna Dziergowska.
Szukanie najlepszych parametrów
Jak zapewniają naukowcy z Wrocławia, w badaniach można stosować wiele różnych stymulatorów, a do tego sterować ich parametrami – od stężeń ekstraktów, po wartość indukcji czy czas ekspozycji na nią.
Dodatkowo pracuję teraz zdr. inż. Rafałem Mechem nad generatorem, który pozwoli nam wytwarzać pole nie tylko o zmiennej wartości indukcji, ale także zmiennej częstotliwości (a także kształcie sygnału sterującego generatorem), więc będziemy mieli wpływ na jeszcze jeden czynnik. Wszystko to sprawia, że nasze eksperymenty są bardzo rozbudowane, a optymalnych rozwiązań szukamy często metodą prób i błędów, bo np. intensywność pola magnetycznego, która jest najlepsza dla soi, już niekoniecznie wpływa tak dobrze na pietruszkę itp. Mechanizmy oddziaływania pola magnetycznego na materiał biologiczny są bardzo skomplikowane i trudno jest w tym przypadku zbudować jakiś uniwersalny sparametryzowany model oddziaływań – przekonuje prof. Detyna.
Zaznacza przy tym, że prace zespołu mają charakter badań podstawowych – jako że koncentrują się na tym jak dobrać najlepsze parametry i weryfikują odpowiedź ze strony układu biologicznego rośliny.
Ale już jesteśmy w stanie wyobrazić sobie aplikacyjną wartość naszych ustaleń. W przyszłości nasiona przed sprzedażą mogłyby z konkretną prędkością przejeżdżać taśmą pod cewkami generującymi pole magnetyczne o ściśle określonej wartości indukcji magnetycznej, a następnie byłyby poddawane działaniu ekstraktów algowych o wybranym stężeniu. I dzięki temu gwarantowałyby najwyższe plony – dodaje.
Naukowcy badają też możliwość wykorzystywania samych alg, jak i pozostałości poesktrakcyjnej, czyli produktu ubocznego powstającego w czasie wytwarzania ekstraktu. Algi mają bardzo dobre właściwości sorpcyjne i są w stanie wiązać jony metali ciężkich. W laboratoriach PWr sprawdza się więc, czy algi i pozostałości ekstrakcyjne mogłyby być stosowane do oczyszczania ścieków z jonów metali ciężkich oraz bioremediacji gleby skażonej tymi jonami.
Lucyna Róg, źródło: PWr