Život v půdě
7. 4. 2010
Půda v zimě spí – ale jen zdánlivě. Vědci z Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích nám ukážou, že ani pod sněhem půda neodpočívá, ale žije bohatým životem. Ukážeme si houby a bakterie, které jsou přímými zdroji skleníkových plynů, v terénu budeme odebírat a měřit množství plynů vzniklých na pastvinách hovězího dobytka. Zjistíme, že chov skotu znamená produkci skleníkových plynů (CO2, N2O a CH4) srovnatelnou s emisemi z dopravy a energetiky.
Půda prý v zimě spí. Je to ale pravda?
Půda je totiž komplikované prostředí mnoha organizmů. Za chvíli se přesvědčíme, že život tu nespí ani pod sněhem. Nacházíme se na farmě Borová u Českého Krumlova. Tady vědci už deset let zkoumají emise skleníkových plynů z půd.
Prof. Ing. Miloslav Šimek, CSc., Biologické centrum AV ČR, Ústav půdní biologie a Přírodovědecká fakulta JU: Tady na té farmě jsme si vybrali zvláštní ekosystém, zvláštní případ pastevní půda, a to je zimoviště skotu. Vybrali jsme si zimoviště proto, že na něm je případný vliv skotu na půdu a potom na emise skleníkových plynů zvláště dobře patrný.
Připomeňme si: nejznámějším ze skleníkových plynů je oxid uhličitý. Mezi skleníkové plyny patří i oxid dusný a metan. Oba mohou vznikat následkem lidské činnosti, v našem případě chovu skotu.
Prof. Ing. Miloslav Šimek, CSc., Biologické centrum AV ČR, Ústav půdní biologie a Přírodovědecká fakulta JU: Aby byl pokud možno rovně a zakropte ho vodou.
A právě na lov oxidu dusného a metanu vyrazili pracovníci Jihočeské univerzity. Jednoduché zařízení dovoluje zachytit plyny, které se z půdy pastviny uvolňují do ovzduší. Po instalaci jímací nádoby se plyny odebírají po jedné, dvou minutách. Tady na poli v Borové jsme příliš nevěřili, že je možné za tak krátkou chvíli zachytit nějaké měřitelné množství. Vzorky se odvážejí do laboratoří Ústavu půdní biologie v Českých Budějovicích. Chromatografy poskytují důkaz.
I spící půda pod sněhem produkuje oba plyny – oxid dusný a metan – a to v poměrně velkém množství. Potvrzuje to skutečnost, že koloběh dusíku stejně jako uhlíku probíhá v přírodě dynamicky a že se na něm výraznou měrou podílejí živé organizmy.
Prof. Ing. Miloslav Šimek, CSc., Biologické centrum AV ČR, Ústav půdní biologie a Přírodovědecká fakulta JU: Mnoho lidí je překvapeno tím, že poměrně velká část emisí skleníkových plynů vzniká v půdě nebo při využívání půdy při pěstování zemědělských plodin a chov hospodářských zvířat.
V emisích skleníkových plynů u nás převažuje oxid uhličitý z průmyslu a dopravy. Ale oxid dusný a metan – oba vyrobené zemědělstvím – nejsou zanedbatelné.
Celosvětově je však jejich poměr jiný. Plyny ze zemědělství tvoří téměř třetinu všech emisí – jsou tedy důležité z hlediska celé planety.
RNDr. Karel Tajovský, Csc., Ústav půdní biologie AV ČR: Řada studií opravdu potvrdila, že to hlavní, co se odehrává v té půdě, tak se děje v těch nesvrchnějších vrstvách. Uvádí se tak zhruba do deseti centimetrů pod povrchem je soustředěno až devadesát procent všech těch půdních bezobratlých živočichů a logicky v návaznosti na jejich přítomnost jsou tam i další mikroorganizmy, jako jsou bakterie, aktinomycety, zejména řasy, půdní řasy, které jsou navíc závislé na dostupnosti světla, které do těch hlubších vrstev už neproniká. Takže to gró, co se odehrává, je na povrchu.
Oráním se ale profil půdy obrátí. Urychluje se tím začleňování hrubých organických materiálů a rozšiřuje se zóna života pro mnohé organizmy. Pastviny jsou zase zatíženy exkrementy zvířat. I to mění skladbu a množství půdní flóry i fauny. Takže, které organizmy skleníkové plyny „vyrábějí“? Začněme metanem.
RNDr. Alice Chroňáková, Ústav půdní biologie AV ČR: Produkce metanu asi ze 75 % je výlučně biogenního původu. Produkují ho mikroorganizmy, kterým říkáme metanogeni a které se nacházejí ve specifických ekosystémech.
Jsou to především zavlhčené půdy přírodních mokřadů, věčně zamrzlá půda permafrostů, nádrže rýžovišť, a samozřejmě veškerá zemědělsky užívaná půda. Metanogenní organizmy žijí také v bachorech přežvýkavců, a ve střevech termitů a jiných bezobratlých.
RNDr. Alice Chroňáková, Ústav půdní biologie AV ČR: Kdyby neexistovaly mikroorganizmy, které dokážou tento metan také spotřebovávat a využívat ho pro svůj růst, ty emise metanu by byly mnohem vyšší, než jsou.
Bakterie, které metan spotřebovávají, se nazývají metanotrofní. Odhalit, které bakterie metan vyrábějí – a jak to dělají, je poměrně těžké. Stejně náročné je zjistit, které bakterie ho naopak spotřebovávají. Uvědomme si, že v umělém prostředí Petriho misek se zatím daří pěstovat jen necelé jedno procento všech půdních bakterií. Na ty ostatní se musí jinak.
RNDr. Alice Chroňáková, Ústav půdní biologie AV ČR: Proto my využíváme moderní zobrazovací techniky pomocí fluorescenčně značených buněk, abychom mohli sledovat abundanci, to znamená množství a aktivitu těchto metanogenních a metanotrofních mikroorganizmů v půdách.
Připravené vzorky filtrátu z půdy můžeme pozorovat v různých vlnových délkách. Například fluorescence pod modrým světlem ukazuje přítomnost všech bakterií. Přepnutím na druhou vlnovou délku se nám zviditelní pouze bakterie, které se živí metanem. Tady pod mikroskopem začínáme postupně dostávat odpovědi, které bakterie a za jakých podmínek metan vytvářejí, a které metan pohlcují.
Toto jsou bezobratlí, kteří žijí v půdě našich lesů, luk a strání, najdeme je také na pastvinách a v ornici: roztoči, stejnonožky, mnohonožky, chvostoskoci a žížaly. O termitech se ví, že jejich střevní bakterie produkují metan. Jsou na tom naši bezobratlí podobně? Nebo jsou za to zodpovědné ještě jiné pochody?
RNDr. Karel Tajovský, Csc., Ústav půdní biologie AV ČR: Živočichové a mikroorganizmy nevstupují do těch vzájemných vztahů nejenom v tom otevřeném půdním prostředí, ale takové ty vzájemné vztahy, ty interakce se odehrávají i přímo v těch živočiších.
Liniemi je zvýrazněný profil střeva mnohonožky. Uvnitř se nachází natrávená potrava. Tenká blanka obalující obsah střeva je takzvaná peritrofická membrána. Jí prostupuje natrávená potrava k vlastní střevní stěně mnohonožky. A právě mezi membránou a stěnou střeva žijí mnohé bakterie.
RNDr. Karel Tajovský, Csc., Ústav půdní biologie AV ČR: Tak jak vidíte na těchto řezech z transmisní elektronové mikroskopie, jsou zde přítomny bakterie právě mezi tou vlastní stěnou střeva a tou membránou aktivně se tu pohybují, rozmnožují, využívají produktů metabolismu, toho trávení té mnohonožky. Mnohonožka sama je netráví, naopak je využívá to, co sežrala, co má v tom střevě, a tito symbionti zůstávají jako taková střevní mikroflóra, dokonce u takovýchto živočichů jako jsou mnohonožky.
Půda nám staví jeden otazník vedle druhého. Jsou právě bakterie žijící za peritrofickou membránou těmi pravými výrobci metanu? A co další skleníkový plyn – oxid dusný – jak ten vzniká v půdě?
Mgr. Jiří Jirout, Ústav půdní biologie AV ČR: Kromě nitrifikančích a denitrifikačních bakterií, které byly donedávna považovány za jedinou skupinu mikroorganizmů v půdě, které jsou schopné produkovat plynné oxidy dusíku, byla tato schopnost v posledních dvaceti až třiceti letech nalezena i u dalších skupin organizmů, mezi něž patří třeba archae, což jsou starobylé mikroorganizmy, prakticky unikátní v přírodě, dále jsou to vláknité bakterie neboli aktinomycety a třetí skupinou, u které to bylo zjištěno, jsou půdní vláknité houby a kvasinky.
Houby, ale možná i další mikroorganizmy, produkují oxid dusíku, když se zbavují toxinů obsažených v půdě. Především dusičnanů a dusitanů. Přetvoří je na plyn, který volně uniká z půdy do atmosféry a může přispívat k tvorbě skleníkového efektu. Za posledních deset let se prokázala tato schopnost u více než padesáti procent všech zkoumaných hub.
Před týmem zoologů, mikrobiologů, mykologů a dalších vědních oborů Ústavu půdní biologie Akademie věd je jistě hodně zajímavých objevů z prostředí půdy. Půdy, která nás živí, po které chodíme, ale o které toho stále ještě mnoho nevíme …
Prof. Ing. Miloslav Šimek, CSc., Biologické centrum AV ČR, Ústav půdní biologie a Přírodovědecká fakulta JU: Smyslem našeho výzkumu je poznat zákonitosti tvorby skleníkových plynů v půdách. Tyto plyny vznikají většinou činností mikroorganizmů, a pokud pochopíme mikrobiální procesy jejich vzniku, můžeme uvažovat o cílené regulaci těchto procesů.
Na farmě v Borové začíná letos jihočeským vědcům jedenáctá sezóna. A my si odnášíme poznání, že půda skutečně nikdy nespí.
Autor: Václav Dvořák