حاصلخیزی و سلامت خاک با فعالیت‌های بیولوژیکی میکروجلبک ها و سیانوباکتری ها
میکروجلبک‌ها و سیانوباکتری‌های موجود در خاک نقش مهمی در حفظ تعادل مواد مغذی، ذخیره کربن و سلامت خاک بر عهده دارند. از جمله کاربردهای بیولوژیکی مفید این دو گروه از موجودات در خاک، می‌توان به تقویت رشد گیاهان، ایجاد روابط متقابل با سایر میکروب‌ها و سم‌زدایی از مواد شیمیایی مانند حشره کش‌ها و علف کش‌ها اشاره کرد.
پیش بینی می‌شود جمعیت بشر تا سال 2050 به بیش از 9 میلیارد نفر برسد. این امر ممکن است منجر به افزایش 70 درصدی تقاضا برای تولید مواد غذایی شود. توسعه و کاربرد کشاورزی پایدار با چشم انداز تعادل زیست محیطی و تغذیه‌ای، برای تغذیه جمعیت بشر از چالش‌های دانشمندان قرن بیست و یکم بوده است.
عدم علاقه به درک پدیده‌های طبیعی که به کشاورزی پایدار می‌انجامند، زمینه را برای نوعی کشاورزی تخریبگر به هدف افزایش بهره‌وری فراهم کرده است. بسیاری از خاک‌های کشاورزی فاقد مواد مغذی مهم مانند نیتروژن، فسفر، پتاسیم و آهن هستند که این امر منجر به مصرف 200 میلیون تنی کودهای شیمیایی می‌شود. بنابراین، برای تولید مقادیر موردنیاز کود، سرمایه گذاری عظیمی در سوخت‌های فسیلی صورت خواهد گرفت که علاوه بر ایجاد آلودگی زیست محیطی، از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه نیست.
اقبال به کشاورزی پایدار برای حفظ حاصلخیزی خاک و یک اکوسیستم سالم با ورودی‌های کم در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. اساس کشاورزی پایدار به شدت وابسته به خاک است که مهمترین عنصر تولید محصول بوده و برای ثبات و حاصلخیزی طولانی مدت خود به مواد مغذی احتیاج دارد. از آن‌جا که خاک بزرگترین ذخیره‌گاه کربن آلی می‌باشد و به تنظیم گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند، درک اکولوژی خاک برای پایداری اکوسیستم و احیای زیستگاه‌ها بسیار مهم است.
نقش میکروبیوتای خاک افزایش ترکیبات آلی مانند کربن، نیتروژن، فسفات و پتاسیم است. میکروجلبک‌ها و سیانوباکتری‌های موجود در خاک، ترکیبات مغذی، ارگانیک و اجزای فعال را آزاد می‌کنند. این ترکیبات می‌توانند به عنوان غذا برای ارگانیسم‌های دیگر مانند باکتری‌ها، قارچ‌ها و بی‌مهرگان مورد استفاده قرار گیرند.
این “میکروارگانیسم‌های مفید” از پتانسیل بالایی در بازیافت مواد مغذی، تجزیه مواد زائد آلی، سم‌زدایی از مواد شیمیایی مضر، کنترل عوامل بیماری‌زای گیاهی و تولید متابولیت‌هایی مانند هورمون‌ها، ویتامین‌ها و آنزیم‌ها برخوردار هستند. اگرچه اطلاعات مربوط به پویایی جمعیت میکروجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها به درک نقش آن‌ها در اکولوژی خاک کمک می‌کند، اما اثرات مفید این میکروارگانیسم‌ها در اکوسیستم‌های خاک از اهمیت بالایی برخوردار است و تاکنون به طور کامل توصیف نشده است.
حاصلخیزی خاک در اراضی کشاورزی تحت تأثیر فعالیت‌های کشاورزی تخریبگر، در معرض نابودی است. این امر ممکن است منجر به کاهش 30٪ از سطح اراضی قابل کشت شود. از میان میکروبیوتای خاک، میکروجلبک‌ها به تنهایی 27 درصد از کل زیست توده در زمین‌های کشاورزی را تشکیل می‌دهند. افزایش اکسیداسیون کربن از طریق رهاسازی اگزوپلی‌ساکاریدها در طی لیز سلول جلبک باعث افزایش ماده آلی خاک می‌شود.
تلقیح سیانوباکتری‌ها می‌تواند کربن آلی خاک (SOC) و دسترسی مواد مغذی موجود در خاک سطحی را افزایش دهد و سبب تقویت رشد گیاه بدون استفاده از کود شود. در زیستگاه‌های پرتنش، جنس سیانوفیسه با افزایش کربن آلی (300٪) و نیتروژن (400 %) باعث حفظ سیلت و رس می‌شود. جالب این‌جاست که جلبک‌های بومی در حال رشد، می‌توانند تنوع سایر موجودات دیازوتروفیک را کاهش داده و باعث تقویت تثبت نیتروژن شوند.
سیانوباکتری‌ها همچنین می‌توانند آنزیم‌هایی را که باعث کاهش فسفات معدنی در خاک می‌شوند، آزاد کنند تا دسترسی فراهمی زیستی آن در گیاهان افزایش یابد. استفاده از کود بیوفیلم سیانوباکتریال به دلیل کاهش مقدار استفاده نسبت به کود شیمیایی، مقرون به صرفه‌تر بودن و غیره بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.
استفاده از روش‌های بهبود یافته توأم با استفاده از کودها سبب کاهش نرخ تخریب زمین می‌شود. بنابراین، استفاده از روش‌های جایگزین مانند استفاده از میکروارگانیسم‌های سودمند برای بازیابی خصوصیات خاک امری ضروری می‌باشد. القای BSCها به آغاز احیای تنوع میکروبی در پوشش خاک و پوشش گیاهی کمک می‌کند.
به عنوان مثال، استفاده ترکیبی از فرمولاسیون‌های سیانوباکتری‌ها با مواد افزودنی شیمیایی طبیعی به شکل‌گیری BSCها با سرعت بیشتری نسبت به فرآیندهای طبیعی کمک می‌کند. این امر سبب افزایش پایداری خاک و ظرفیت نگهداری آب (WHC) در خاک‌های تخریب شده می‌شود. علاوه بر این، ترکیبات آبگریز سنتز شده توسط جلبک‌های خاک نقش اصلی در مکانیسم جذب آب دارند. این ترکیبات تمایل به تثبیت تجمع آب، اتصال ذرات معدنی و کاهش تجزیه خاک دارند. تلقیح سیانوباکتری باعث افزایش WHC، در دسترس بودن مواد مغذی و تجمع ذرات خاک می‌شود. استفاده از میکروجلبک‌ها باعث افزایش هدایت هیدرولیکی در به حداقل رساندن سایر اصلاحات خاک به منظور بهبود باروری خاک می‌شود.
آنزیم‌های حاصل از میکروجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها برای افزایش حاصلخیزی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرند. فسفاتازها از جمله آنزیم‌هایی بوده که هیدرولیز ارگانوفسفات‌ها را در خاک کاتالیز می‌کنند و امکان دسترسی زیستی گیاهان را به فسفر فراهم می‌کنند. وجود میکروجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها با ایجاد فعالیت فسفاتازها (اسیدی و قلیایی) باعث افزایش فعالیت متابولیکی گیاهان می‌شوند. سیانوباکتری‌ها قادر به سنتز آنزیم‌های هیدرولیتیک می‌باشند. این آنزیم‌ها دارای فعالیت قارچ کشی هستند. از جمله این آنزیم‌ها می‌توان به پروتئاز، کربوکسی متیل سلولاز (CMCase)، سلوبیاز و فیلتر پیپرآز (Fpase) که همگی وظیفه تسریع در بازیافت مواد مغذی کربن، نیتروژن و فسفات را دارند و برای رشد گیاه ضروری هستند، اشاره کرد.
استفاده از تکنیک‌های پیشرفته در مهندسی جلبک به القای صفات برای تقویت نقش آن‌ها در عملکرد خاک کمک می‌کند. پروتئین hetR به طور عمده وظیفه تنظیم تثبیت نیتروژن در هتروسیست‌ها به‌ویژه در سویه‌های غالب تثبت کننده نیتروژن از جمله Anabaena و Nostoc را دارد. سینگ و همکاران،اثر ژنی که مسئول مقاومت به علف کش در گونه Gloeocapsa SP. می‌باشد، را بررسی کردند. این ترکیب می‌تواند بعداً در گونه Nostoc برای کاربرد به عنوان کود بیولوژیکی بیان شود.
کاراسیا و همکاران، از ژن linA2 حاصل از Sphinogomonas استفاده کردند و آن را در یک گونه آنابنا قرار دادند تا مقاومت در برابر سمیت لیندان را از طریق پروموتور القا کننده نور ایجاد کنند. هر دو راهکار وارد کردن ژن به ژنوم و استفاده از پروموتور القا شونده با نور شانس انتقال ژن جانبی به ارگانیسم‌های غیر هدف را به حداقل رسانده و آن‌ها را برای کاربرد در مزارع کشاورزی مناسب می‌سازد.
بیان ژن hsp برای تولید پروتئین شوک حرارتی که به عنوان یک عامل اصلی برای تحمل استرس در برخی سیانوباکتری‌ها در برابر خشکی و درجه حرارت عمل می کند، به خوبی در بهبود سویه‌ها برای کاربرد کودهای بیولوژیکی مورد استفاده قرار گرفته است. با این وجود، بیان اپران groESL کد کننده ژن‌های پروتئین شوک گرمایی، باعث افزایش سطح تثبیت نیتروژن و فعالیت فتوسنتزی حتی در محیط‌های تحت استرس می‌شود.
در نهایت می‌توان بیان کرد این میکروارگانیسم‌ها نقش اصلی در حفظ سلامت خاک و باروری لازم برای کشاورزی پایدار را دارا می‌باشند. مهمترین مزیت بهره‌برداری از میکروجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها تعادل در پویایی مواد مغذی مانند کربن، نیتروژن و فسفات برای بهره‌وری محصولات زراعی است. فعالیت‌های متابولیکی، مانند رهاسازی فیتوهورمون‌ها، آنزیم‌ها و آللوشیمیایی‌ها از میکروجلبک‌ها، نقش اساسی در تقویت رشد گیاهان، ایجاد روابط متقابل با دیگر میکروب‌ها و سم‌زدایی از مواد شیمیایی مانند سموم دفع آفات، علف کش‌ها و غیره دارد.
علاوه بر این، برنامه‌های کاربردی کودهای بیولوژیکی با استفاده از میکروجلبک‌ها یا سیانوباکتری‌ها یک رویکرد امیدوارکننده و سودمند برای اقتصاد بهتر نیتروژن در کشاورزی مدرن، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و حفظ باروری خاک است.
