Mikrobiese ensieme hou grond gesond

Op plaasvlak is grondgesondheid ’n uitdaging om die geïntegreerde konsep van chemie, fisiese faktore en biologie te implementeer.

Vir wetenskaplikes is dit ’n uitdaging om grondgesondheid te meet. Die histories bestaande benaderings is:

1. Struktuur: Die direkte meting van die grondbiota, wat ’n aanduiding van diversiteit van organismes is.
2. Funksie: Die gebruik van aanduiders wat wys dat biologiese aktiwiteit teenwoordig is.

Bio-aanwysers van grondfunksionaliteit

Weens die uitdagings om diversiteit te kwantifiseer, het die meting van biologiese aktiwiteit (byvoorbeeld respirasie of ensiemaktiwiteit) as indirekte aanduiding van die mikrobe-populasie vinniger ontwikkel. Die rol van mikrobes is om ’n reeks noodsaaklike funksies in die grond uit te voer deur middel van ’n reeks intrasellulêre of ekstrasellulêre ensieme.

Mikrobiese ensieme is veeldoelige drywers van verskeie reaksies of prosesse in die grond, byvoorbeeld:

• Biochemiese reaksies in plante, diere en mikrobes.
• Energie-oordrag.
• Voedingstofsirkulering.
• Afbreek en omskakeling van organiese materiaal.
• Stabilisering van die grondstruktuur.
• Verwydering of afbreek van gifstowwe (swamdoders, insekdoders, onkruiddoders).
• Biokontrole van patogene vir gewasbeskerming.

Ensieme, saam met ander spesifieke fisiese, chemiese en biologiese aanwysers, kan dus ’n aanduiding gee of huidige bestuurspraktyke ’n positiewe of negatiewe invloed op grondgesondheid het. Ensieme reageer op grondbestuursveranderings voor ander aanwysers van die grondgehalte, en is dus sensitief vir veranderings wat in die grond plaasvind.

Die teenwoordigheid en aktiwiteit van spesifieke ensieme gee insig in die grondgehalte, die doeltreffendheid van die voedingstofsiklus en die algehele metaboliese aktiwiteit van mikroörganismes.

Wat is ensieme?

Dit is proteïene wat as biologiese katalisators optree om sodoende chemiese en biochemiese reaksies te bespoedig deur die aktive­ringsenergie te verlaag. Sodra die reaksie voltooi is, word die produk vrygestel en die ensiem word beskikbaar vir herhaling van die proses.

Ensieme in die grond kan onder andere ontstaan deur (maar is nie beperk nie tot) mikro-organismes, beide lewend en dood, asook grondwortels. Ensieme wat in die grondmatriks gestabiliseer is, kan oor tyd opbou en vorm komplekse met organiese materiaal.

Elke ensiem het ’n spesifieke vorm, wat bepaal word deur die opeenvolging van aminosure waaruit dit opgebou is. Die vorm in ’n area, bekend as die reaksieplek, stem ooreen of is komplementêr tot die substraat of stof wat dit kataliseer.

Ensieme depolimeriseer langketting organiese verbindings na eenvoudige strukture wat deur mikrobes herken en ingeneem kan word. Die funksie van ensieme kan hidrolities (afbreek van chemiese binding tussen atome van groot molekules in die teenwoordigheid van water) of oksidatief (versnel oksidasiereaksies, met ander woorde die teenwoordigheid van suurstof) wees, wat spesifieke sleutelfunksies in die grond weerspieël. Soms is ko-faktore (helper-molekules) ook by die reaksie betrokke.

Faktore wat ’n rol speel by die werking van ensieme:

• pH: Elke ensiem het ’n spesifieke waarde of reeks waar dit optimaal funksioneer. Arylsulphatasa funksioneer optimaal by pH = 3. Fosfatase kan by pH = 3-5,5 (fungi geproduseer) sowel as pH = 9,5-11,5 (bakterieë geproduseer) funksioneer. Enige verandering in die pH beïnvloed dus die ensiemdinamika, substraatdegradasie, ko-faktorverandering deur ionisasie en oplosbaarheidseienskappe.
• Temperatuur: Ensiemaktiwiteit neem saam met die temperatuur toe. Drumpelwaardes waar ensiemaktiwiteit ophou, is ensiemspesifiek.
• ’n Toename in organiese materiaal in die grond lei tot ’n toename in ensiemaktiwiteit.
• Grondtekstuur: Alhoewel sandgrond meer deurlug is as kleigrond, is die lae organiese materiaal-inhoud van sandgrond ’n beperkende faktor vir die groei van mikroörganismes, wat die ensiemwerking direk beïnvloed.
• Gewasrotasie, die tipe gewas en die bewerkingstelsel het ’n groot invloed op die tipe ensieme en ensiemaktiwiteit.

VOEDINGSTOFBESKIKBAARHEID

Rhizosfeermikrobes speel ’n noodsaaklike rol in die beskikbaarstelling van voedingstowwe vir plantopname deur die organiese sure en ensieme wat afgeskei word om vasgelegde voedingstowwe in plantmateriaal of in verbindings in die grond na ’n plantbeskikbare vorm te verander. Deur komplekse organiese molekules in plantreste (sellulose, chitien en lignien) af te breek, laat ensieme noodsaaklike voedingstowwe, insluitend stikstof en fosfor, vir plantgebruik vry.

Stikstoffikserende bakterieë maak gebruik van ensieme om atmosferiese stikstof na ’n plantbeskikbare vorm om te skakel. Hierdie proses, bekend as biologiese stikstofbinding, kan moontlik ’n voortdurende voorsiening van stikstof aan plante bewerkstellig, wat hul proteïensintese en algehele groei ondersteun. Daar is heelwat faktore wat die doeltreffendheid hiervan beïnvloed.

Op dieselfde wyse speel die ensiemfosfatase ’n noodsaaklike rol in fosforbeskikbaarheid. Hierdie reeks van ensieme breek organiese fosforverbindings af en stel anorganiese fosfaat-ione (PO₄^3-) vry, wat maklik deur plante opgeneem kan word.

Die voldoende beskikbaarheid van fosfaat is noodsaaklik vir verskeie metaboliese prosesse in plante, insluitend energie-oordrag, DNS-sintese en wortelontwikkeling. Die teenwoordigheid van plantvoordelige mikrobes in die grond kan dus tot beter voedingstofverbruiksdoeltreffendheid bydra.

Enkele ensieme betrokke by die biochemiese reaksie van voedingstofsiklusse word in Tabel 1 aangedui.

AFBREEK VAN GIFSTOWWE

Grond kan op verskeie maniere “besoedel” word, byvoorbeeld deur swaarmetale, ’n oormaat mikro-elemente, polifosfaatrots, stysel en sellulose-residu, asook dier- en plantvette wat nie deur plante opgeneem kan word nie.

Chemiese plaagdoders vir gewasbeskerming teen insekte, plantpatogene en onkruid verbeter beslis landbouproduktiwiteit, maar die herhaalde gebruik van hierdie chemikalieë het negatiewe gevolge vir die omgewing en menslike gesondheid.

Benewens plaagdoders wat in die grond en water opgaar, word plantproduksie indirek benadeel deur skade aan die nie-teiken insek- en mikrobiese bevolking. Die impak van landbouchemikalieë sluit onder andere in:

• Die vernietiging van die mikrobiese habitat en ekologiese opvolging.
• Vermindering van die mikrobebevolkings en -gemeenskapsdiversiteit, wat tot swak veerkragtigheid van die grond aanleiding gee.
• Ontwikkeling van nuwe stamme en verskeie weerstandige mikrobes.
• Die nadelige invloed op ensieme wat grondgesondheid en -vrugbaarheid bevorder.

Die gevolg is verhoogde patogeenaktiwiteit, ’n verminde­ring in grondvrugbaarheid, verhoogde grondsuurheid, ’n afname en selfs vernietiging van natuurlike flora van ’n spesifieke ekologiese stelsel en ’n laer gewasopbrengs.

Fungi en bakterieë het die potensiaal om hierdie stowwe deur middel van ’n reeks ensieme na minder skadelike vorms af te breek. Die gebruik van ensieme vir die afbreek van plaagdoders in landbou is ’n belowende strategie vir die versekering van die volhoubaarheid en veiligheid van die landboubedryf.

PATOGEENONDERDRUKKING

Plantvoordelige mikrobes het die vermoë om ’n reeks plantpatogene te onderdruk. Een van die metodes van werking is deur die produksie van ’n reeks selwand-afbrekende ensieme. Selwande omring patogeenselle en gee aan die sel struktuur en beskerming. Ensieme soos chitinase, glukanase en protease breek al die komponente in die selwand af, wat dan hul groei en verspreiding inhibeer.

’n Tweede metode van patogeenonderdrukking is deur die produksie van ensieme (sellulase en xilanase), wat die plant se weerstand teen patogeenaanvalle stimuleer. Sodoende is die plant gereed om die aanval te beveg wanneer dit gebeur.

POTENSIËLE GEBRUIK VAN ENSIEM-AANVULLING IN GRONDVRUGBAARHEID EN PLANTVOEDING

Kommersieel word baie ensieme vanaf fungi- en bakteriekulture geproduseer. Mikrobes en ensieme is uiters belangrik in die herstel van vrugbaarheid of gehalte van grond deur die toediening daarvan bykomend tot kuns­mis. ’n Tipiese voorbeeld is die toevoeging van protease-ensieme om proteïen tot aminosure of urease af te breek, wat optree in die hidrolise van ureum vir die omskakeling daarvan na ammoniak en koolstofdioksied.

Benewens die alombekende Mychorrizae-fungi se rol in die beskikbaarstelling en opname van fosfaat, is Pseudomonas– en Bacillus-spesies erkende fosfaat-oplosbare mikrobes. Laasgenoemde speel ’n rol in die mineralisering van organiese fosfor. Hierdie organismes word ook vervaardig vir byvoeging tot die grond. Bacillus speel ook ’n rol in die afbreking van organiese materiaal in die grond met die vrystelling van kalium.

Pseudomonas-mikrobes kan ook patogene in die wortel­stelsel deur hormoonproduksie onderdruk, wat uiteindelik die plantbestandheid teen siektes bevorder. Ensieme wat rhizobakterieë stimuleer, sal plantgroei en -produksie bevorder.

Alhoewel dit baie potensiaal het, word die gebruik van ’n geregistreerde produk met kundige advies aanbeveel. Slanggif kos baie geld!

Samevatting

Alhoewel mikrobes en ensieme baie klein en onbeduidend lyk, het dit omvangryke en komplekse funksies in die natuur wat kan bydra tot die bevordering van grondgesondheid, ekosisteem-veerkragtigheid (tydperk vir herstel na versteu­ring) en landbouproduktiwiteit in ’n veranderende wêreld.

Die bydrae van Alicia Geyer (kommersiële mikrobioloog) tot hierdie artikel, word erken.

Bronnelys

• Anoniem, 2021. Understanding enzymes for plant growth. Best enzymes for plants | How enzyme helps in plant growth (infinitabiotech.com)
• Anoniem, 2022. Soil enzymes: Their importance and classes. Importance of soil enzymes & classes of soil enzyme
• Babaniyi BR, Thompson SO, Ogundele OD & Oluwole OF, 2022. Effects of agrochemicals on soil microbial enzymes. In: Maddela NR, Abiodun AS, Prasad R (eds) Ecological Interplays in Microbial Enzymology. Environmental and Microbial Biotechnology. https://doi.org/10.1007/978-981-19-0155-3_16
• Chettri D, Sharma B, Verma AK & Verma AK, 2021. Significance of microbial enzyme activities in agriculture. In: Soni R, Suyal DC, Bhargava P & Goel R (eds) Microbiological Activity for Soil and Plant Health Management. https://doi.org/10.1007/978-981-16-2922-8_15
• Dotaniya ML, Aparna K, Dotaniya CK, Singh M & Regar KL, 2019. Role of soil enzymes in sustainable crop production. In Eds: Mohammed Kuddus: Enzymes in Food Biotechnology, ISBN 9780128132807
• Du Plessis, L, Voordelige grondmikrobes
• Gunjal AB, Waghmode MS, Patil NN & Nawani NN, 2019. Significance of soil enzymes in agriculture. In Pankaj Bhatt (ed) Smart Bioremediation Technologies. ISBN 9780128183076
• Inamdar A, Sangawe V & Adhapure N, 2022. Enzymes in rhizosphere engineering. In Eds: Ramesh Chandra Dubey, Pankaj Kumar: Rhizosphere Engineering. ISBN 9780323899734
• Neemisha, Sharma S, 2022. Soil enzymes and their role in nutrient cycling. In: Giri B, apoor R, Wu QS & Varma A (eds) Structure and Functions of Pedosphere. https://doi.org/10.1007/978-981-16-8770-9_8
• Prasad JK & Raghuwanshi R, 2022. Mechanisms of multifarious soil microbial enzymes in plant growth promotion and environmental sustainability. In Pradeep Verma, Maulin P. Shah (Eds) Bioprospecting of Microbial Diversity. ISBN 9780323909587
• Sprunger C D & Martin TK, 2023. An integrated approach to assessing soil biological health. In Ed: Donald L. Sparks, Advances in Agronomy, Volume 182, Pages 131-168. ISBN 9780443192685