کود زیستی چیست جلبک در خدمت کشاورزی
رشد مستمر جمعیت جهان چالش های بزرگی را بر کشاورزی بوجود آورده است. اگرچه این محصولات به بسیاری از کشورهای در حال توسعه کمک کرده است تا عملکرد محصول خود را افزایش دهند، اما به طور همزمان منجر به مشکلات زیادی از جمله، کاهش حاصلخیزی خاک و تخریب اکوسیستم های محلی به دلیل آلودگی خاک، آب و هوا، همراه با ماهیت تجدید ناپذیر بودن آنها. افزایش هزینه ها برای پایدارتر شدن کشاورزی، استفاده از محصولات بیولوژیکی جایگزین، با اثرات مفید شناخته شده بر عملکرد و سلامت گیاه، ملزم به گسترش است. در این زمینه، ریزجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها منابع غنی مواد مغذی و متابولیت‌های فعال زیستی هستند که به دلیل توانایی‌شان در بهبود تغذیه، رشد و تحمل گیاه در برابر استرس مورد توجه محققان و شرکت‌ها قرار گرفته‌اند.
کودهای زیستی محصولات بیولوژیکی هستند که حاوی میکروارگانیسم هایی مانند جلبک، قارچ یا باکتری یا ترکیبات طبیعی مشتق شده از آن میکروارگانیسم ها هستند که در سطح خاک عمل می کنند. این محصولات رشد گیاه و حاصلخیزی خاک را از طریق افزایش عرضه یا در دسترس بودن مواد مغذی ضروری از جمله عناصر ماکرو و ریز مغذی ها و با بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی و بیولوژیکی خاک افزایش می دهند. از سوی دیگر، محرک‌های زیستی با تعدیل متابولیسم‌های رشد گیاه، مانند جوانه‌زنی، تنفس، فعالیت فتوسنتزی، جذب مواد مغذی، و تولید گل و میوه و غیره، رشد گیاه را تحریک میکنند. آنها همچنین نقش مرتبطی در گسترش تحمل و مقاومت گیاه در برابر شرایط مختلف تنش محیطی (به عنوان مثال، خشکسالی، گرما، شوری و غیره) ایفا می کنند.
یک گروه از میکروارگانیسم ها که می توانند به عنوان محصولات زیستی در کشاورزی نام برد، ریزجلبک ها هستند. این موجودات اسیدهای آلی را دفع میکنند، دسترسی و جذب فسفر را افزایش می‌دهند، تثبیت نیتروژن را فراهم میکنند و محتوای مواد آلی خاک را برای ایجاد حاصلخیزی خاک افزایش می‌دهند. ریزجلبک‌ها مواد خارج سلولی فعال بیولوژیکی تولید میکنند که بر رشد گیاه تأثیر می‌گذارند، همچنین به عنوان تنظیم‌کننده رشد گیاه (PGRs) شناخته می‌شوند که در غلظت‌های بسیار پایین (مانند فیتوهورمون‌ها، اسیدهای آمینه، پلی پپتیدها، پلی‌ساکاریدها و ویتامین‌ها) عمل میکنند، در حالی که ریزجلبک‌های یوکاریوتی خاص نیز ضد باکتریایی و ضد قارچی نشان داده‌اند. چندین ترکیب فعال زیستی در پشت این مکانیسم های ضد میکروبی مانند اسیدهای چرب و ترکیبات فنلی قرار دارند.
توزیع جغرافیایی نشریات
در 5 سال گذشته، تحقیقات بر روی کاربرد کشاورزی ریزجلبک ها رشد زیادی را ثبت کرده است و تعداد مطالعات در سال 2021 در مقایسه با سال 2018 تکرار شده است (شکل 1A). این نشان دهنده ظهور ریزجلبک ها در زمینه کشاورزی است که ممکن است یکی از مرتبط ترین کاربردها در فناوری ریزجلبک ها در سال های بعد باشد (شکل 1B).
شکل 1 (A) تکامل انتشارات در مورد کاربرد ریزجلبک ها در کشاورزی در سراسر جهان. (B) تکامل انتشارات در مورد کاربردهای مختلف ریزجلبک ها در سراسر جهان و (C) تعداد انتشارات در مورد کاربرد ریزجلبک ها در کشاورزی بر اساس کشور، طی 21 سال (2001-2022).
توزیع مطالعات مربوط به کاربرد ریزجلبک ها در کشاورزی، توسط گیاهان هدف
کاربرد کشاورزی ریزجلبک ها و سیانوباکتری ها
کودهای زیستی: بهبود کیفیت خاک
برخی از گونه های ریزجلبک و سیانوباکتری نیز به دلیل تأثیر مثبتشان بر کیفیت خاک، با توجه به توانایی آنها در تثبیت نیتروژن جو، افزایش دسترسی به مواد مغذی ضروری یا بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی خاک، شناخته شده هستند. علاوه بر این، میکروارگانیسم‌های فتوسنتزی، ریزجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها می‌توانند مواد مغذی را از منابع مختلف بازیابی کنند، بنابراین استفاده از کودهای سنتی کاهش می‌یابد.
اصلاح خاک
ریزجلبک ها و سیانوباکتری ها همچنین می توانند خواص خاک (تجمع، تخلخل، نفوذپذیری، تهویه و رطوبت) را افزایش دهند. همانطور که قبلاً گفته شد، برخی از گونه‌های ریزجلبک و سیانوباکتری‌ها می‌توانند پلی‌ساکاریدهایی را دفع کنند که یک شبکه چسبنده و ژلاتینی تشکیل می‌دهند، که ذرات خاک را روی سطح آنها می‌بندد، بنابراین حفظ آب و هوادهی خاک را بهبود می‌بخشد. این توانایی نقش مهمی در تنظیم pH، دما و همچنین محافظت در برابر فرسایش دارد. این پیشرفت‌ها بر بهره‌وری محصول تأثیر مثبت می‌گذارند زیرا رشد ریشه و فعالیت میکروبی خاک را تحریک میکنند. بنابراین، ریزجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها می‌توانند به ایجاد حاصلخیزی خاک کمک کنند. علاوه بر این، میکروجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها می‌توانند با ریشه‌های گیاه ارتباط برقرار کنند که برای دو طرف، مفید هستند. آنها با تولید آنزیم های خارج سلولی که مواد آلی در خاک را تجزیه می کنند و مواد مغذی ضروری برای رشد گیاه مانند نیتروژن و فسفر را آزاد می کنند، برای گیاهان مفید هستند. آنها همچنین می توانند هورمون های محرک رشد تولید کنند که رشد گیاه را تحریک می کند. به نوبه خود، ریشه های گیاهان ترشحاتی (مانند قندهای ساده، اسیدهای آمینه، اسیدهای آلی و سایر ترکیبات) آزاد می کنند، که منبع غذایی برای میکروارگانیسم ها فراهم می کند. سپس این میکروارگانیسم‌ها می‌توانند کلنی‌هایی را در اطراف ریشه‌های گیاه تشکیل دهند، که می‌تواند به محافظت از ریشه‌ها در برابر عوامل بیماری‌زا و سایر عوامل استرس‌زا کمک کند و در عین حال ساختار خاک را نیز بهبود بخشد. ساختار خاک بهبود یافته امکان نگهداری بهتر آب و مواد مغذی را فراهم می کند، که بیشتر از رشد گیاه حمایت می کند.
تحریک رشد گیاه
استفاده از ریزجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها (ویا عصاره‌های آنها) می‌تواند مستقیماً رشد و نمو گیاهان را با بهبود سرعت جوانه‌زنی و ویژگی‌های گیاه، مانند طول ساقه و ریشه، سطح برگ و محتوای مواد مغذی تحریک کند. این پیشرفت‌ها به دلیل متابولیت‌های ریزجلبک و سیانوباکتری (مانند فیتوهورمون‌ها، اسیدهای آمینه، ویتامین‌ها، پلی‌ساکاریدها، پلی‌آمین‌ها و غیره) انجام می‌شوند که می‌توانند چندین واکنش متابولیک مانند تنفس، فتوسنتز، سنتز اسید نوکلئیک، تولید کلروفیل و جذب یون‌ها را تحریک کنند. این یافته ها پتانسیل این موجودات را برای جایگزینی کودهای شیمیایی نشان می دهد و به عنوان یک منبع پایدار و دوستدار محیط زیست از ترکیبات بیولوژیکی فعال عمل می کند.
افزایش تحمل گیاه به تنش غیرزیستی
در شرایط بدون تنش، گیاهان بیشترین انرژی را در فرآیندهای لازم برای نگهداری، رشد رویشی و زایشی مصرف می کنند. با این حال، زمانی که در معرض شرایط محیطی شدید (مانند سرما، گرما، خشکسالی، شوری)، منابع گیاهی به کاهش تنش اختصاص می‌یابد که باعث کاهش رشد گیاه و عملکرد نهایی می‌شود.
دما
دمای بسیار پایین یا بالا بر فعالیت متابولیک گیاهان تأثیر منفی می گذارد و به غشای سلولی آسیب می رساند، بنابراین بر ترکیب غذایی گیاهان و سرعت فتوسنتز و تعرق تأثیر می گذارد. برای بهبود پاسخ گیاه به این شرایط محیطی مضر، یک گزینه بسیار امیدوارکننده می‌تواند استفاده از محرک‌های زیستی ریزجلبکی باشد، زیرا آنها منبعی غنی از آنتی اکسیدان‌ها و سایر ترکیبات زیست فعال هستند که می‌توانند مکانیسم‌های واکنش گیاه را برای مقابله با شرایط نامطلوب تعدیل کنند. استفاده از محصولات مبتنی بر جلبک به عنوان محرک های زیستی قبلاً با موفقیت در محصولات تحت شرایط تنش دما به کار گرفته شده است.
خشکسالی
تنش خشکی بر چندین عامل تأثیر منفی دارد. گوجه فرنگی به ویژه به این نوع تنش بسیار حساس است که به شدت بر فتوسنتز و در نتیجه رشد و عملکرد گیاه تأثیر می گذارد. در پژوهشی برای کاهش تنش خشکی، اثرات پارامیلون از ریزجلبک Euglena gracilis را بررسی کرد. گیاهان تیمار شده با پارامیلون در مقایسه با گیاهان تیمار نشده هیچ نشانه ای از پژمردگی نشان ندادند و در حالی که تراکم و طول سیستم ریشه به شدت کاهش یافت، افزایش ریشه های جانبی مشاهده شد. با این حال، تیمار پارامیلون به گیاهان گوجه فرنگی اجازه داد تا پس از 1-2 هفته به مقادیر گیاهان شاهد (بدون تنش) بازگردند. اندازه میوه گیاهان تیمار شده با پارامیلون مانند گیاهان تحت رژیم آب بهینه بود، اگرچه اولی دو هفته زودتر از دومی به مرحله اول رسیدن رسید. علاوه بر این، محتوای ترکیبات آنتی اکسیدانی (کاروتنوئیدها، اسید فنولیک و ویتامین ها) و کربوهیدرات های محلول (گلوکز، فروکتوز و ساکارز) میوه های گیاهان تیمار شده نسبت به گیاهان تیمار نشده دو برابر شد.
اثر کنترل زیستی
ارگانیسم های بیماری زا مانند حشرات، نماتدها، باکتری ها و قارچ ها به شدت بر بهره وری کشاورزی تأثیر می گذارند. برخی از گیاهان مکانیسم‌های دفاعی و مقاومتی خود را دارند که شامل تنظیم مسیرهای بیان ژن و القاء، یا مهار مسیرهای متابولیک خاص برای تولید متابولیت‌های ثانویه با فعالیت‌های آنتی‌اکسیدانی و ضد میکروبی است. با این حال، استفاده از عوامل حفاظتی خارجی برای دستیابی به بهره‌وری بیشتر، برای برآوردن نیازهای غذایی رو به رشد، حیاتی است. با توجه به طیف گسترده ای از ترکیبات فعال زیستی که در ریزجلبک ها و سیانوباکتری ها یافت می شوند، استفاده از این میکروارگانیسم ها (یا عصاره های آنها) می تواند حفاظت کافی از محصولات را در برابر این عوامل زیستی ارتقا دهد.
