Implicatii Practice ale Activitatii Microorganismelor din Sol

=== 92d679457ba0dec25c82bb91a3076b8e931debd2_549855_1 ===

Microorganismele din sol

Microorganismele aflate în sol, precum și activitatea lor de natură biochimă și fiziologică, sunt studiate de către disciplina microbiologia solului. Aceste microorganisme au rolul de a realiza procese care modifică caracteristicile de ordin fiziochimic și biologic ale solului.

Grupele de microorganisme caracteristice pentru sol sunt reprezentate de bacterii, actinomicete, ciuperci, alge, protozoare și virusuri, acestea avân un impact puternic asupra stării solului, datorită interacțiunilor care au loc între acestea, precum și între microorganisme și componentele organice și minerale ale solului. .

Microorganismele din sol realizaează două tipuri de procese biochimice, care influențează caracteristicile biologice, fizico-chimice și agricole ale solului. Acestea pot fi procese de degradare, care produc elliberarea substanțelor minerale accesibile planetelor din materiile organice, din această categorie făcând parte procesele de fermentație, amonificare etc. și procesele de sinteză, care au rolul de a produce o rezervă de nutrienți, mai ales de natură organică, cu impact asupra fertilității solului, cum sunt fixarea azotului molecular și humificarea.

Bacteriile sunt organisme procariote unicelulare foarte numeroase în sol, fiind cele mai numeroase organisme din micropopulația solului. Acest lucru se datorează capacității lor de a se înmulți foarte repede prin diviziune directă în cazul condițiilor favorabile dar și datorită adaptării acestora la condițiile de mediu.

Numărul bacteriilor din sol variază foarte mult de la câteva milioane la 2-3 miliarde de bacterii/gram sol. Bacteriile sunt foarte întâlnite în jurul rădăcinilor plantelor, acestea numindu-se și rhizobacterii.

Ca și distribuție în sol acestea pot fi întâlnite în straturile superficiale ale solului, aici se întâlnesc bacteriile aerobe(Rhizobium sp.) sau pot fi întâlnite și în straturile superficiale ale solului, aici fiind prezenți bacteriile anaerobe(Clostridium pasteurianum).

Nutriția bacteriilor este în principal de tipul chimioorganoheterotrofe dar mai există și specii chimiolitoautotrofe.

Ca și importanță aceste bacterii au un rol deosebit în descompunerea substanțelor organice prezente la nivelul solului în produși mai simpli, asigură fixarea azotului atmosferic în sol sub formă de compuși care pot fi asimilați de plante, participă la formarea humusului și are rol în autoepurarea solului prin descompunerea poluanților din sol la compuși mai simpli.

Actinomicete sunt bacterii filamentoase, aerobice care formează un miceliu ramificat superficial similar cu cele ale ciupercilor. Totuși, actinomicete sunt procariote și ciupercile sunt eucariote, astfel miceliul, format de actinomicete este considerabil mai mic.

Cel mai cunoscut gen actinomicete este Streptomyces, care conține circa 500 de specii. Speciile din genul Streptomyces sunt foarte predominante în sol, în cazul în care acestea pot degrada o gamă largă de substraturi organice complexe prin enzime extracelulare. O caracteristică este faptul că oferă solului un miros stătut datorat producției unui compus organic volatil numit geosmin. Se consideră că datorită acestei substanțe cămilele sunt capabile să găsească apă, ele simțind mirosul acestei substanțe organice produse de actinomicete în soluri umede.

Un număr ridicat de antibiotice utile provin din specii de Streptomyces, inclusiv streptomicina, eritromicina și tetraciclina. Cele mai multe actinomicete, inclusiv Streptomyces, sunt specii de aerobice; cu toate acestea, membrii genului Actinomyces sunt anaerobe facultative.

Cele mai reprezentative specii de actinomicete din sol aparțin genurilor Corynebacterium, Mycobacterium, Streptomyces și Nocardia. Actinomicetele din sol au un rol foarte important, ele prin nutriția lor chimioorganoheterotrofe asigură descompunerea substanțelor organice la compuși mai simpli, unele specii fixează simbiotic azotul atmosferic(Frankia sp.) și un rol foarte important îl au prin producerea de antibiotice în sol prin acestea ei limitează dezvoltarea excesivă a bacteriilor din sol.

Fungii ar putea fi definiți ca fiind primele organisme sporogene care au o nutriție heterotrofă prin absorția de substanțe organice din mediul în care trăiesc. Se cunosc aproximativ 80 000 de specii și se crede că posibil cel puțin un milion de ciuperci mai rămân a fi descrise.

În sol fungi sunt mai puțin numeroși ca și actinomicetele sau bacteriile, totuși acestea reprezintă ceea mai mare biomasă din sol datorită miceliului lor care este foarte ramificat în sol.

Împreună cu bacteriile, ciupercile sunt responsabile pentru descompunerea și de reprocesarea a unei mari cantități de substanțe organice complexe, o parte din acestea fiind descompuse complet până la CO2, în timp ce majoritatea substanțelor sunt descompuse la produși mai simpli asimilabili de către alte organisme, dar multe specii sunt cunoscute ca și specii micorizante, ele intră în simbioză cu rădăcinile plantelor superioare ajutându-se reciproc.

Fungii din sol se împart în 2 mari categorii: drojdiile și ciupercile propriu-zise. Drojdiile sunt unicelulare, nu au flagel și se reproduc asexuat prin înmugurire sau diviziune transversală, sexuat prin formarea de spori. Principalele genuri reprezentative de drojdii din sol sunt: Saccharomyces, Schizosaccharomyces, Torula, Candida.

Ciupercile din sol au un rol important în circuitul elementelor în natură datorită nutriției lor, datorită miceliului ramificat prezent în sol îmbunătățește structura solului prin legarea particulelor de sol, asigură dezvoltarea unor plante superioare prin simbioza produsă cu rădăcinile acestora și nu în ultimul rând are rol important în limitarea dezvoltării bacteriilor din sol prin antibioticele produse în sol.

Algele sunt întâlnite în special pe marginile temporar sau permanent umede ale râurilor, lacurilor sau a iazurilor, aici fiind prezente multe alge de apă dulce care se pot dezvolta pe sol dar nu departe de apă. Acestea pot fi menționate în continuare ca și alge hidroterestre.

Cu toate acestea, solurile diverse din zonele temperate și tropicale, pajiști, păduri,
tundra arctică și alpină, și chiar și deserturi, reprezintă locul unde se dezvoltă o diversă floră activă formată atât din alge eucariote cât și cianobacterii. Acestea sunt denumite în continuare alge terestre, sau, uneori, ca "algele edafice".

Se poate spune că ele joacă un rol important în producția primară netă și încorporarea de carbon organic și azot în sol, o importanță crucială în timpul succesiunii primare pe un teren creat de o activitate vulcanică sau descoperit de către retragerea ghețarilor. La moartea lor, o mare parte din această materie organică este, în general ușor asimilabilă de către microorganisme și intră în mod activ in circuitul de nutrienți.

Solul este un habitat comun pentru algele verzi imobile. Sunt întâlnite atât forme filamentoase de alge cât si forme cocoide, acesta din urmă sunt mai comune pe soluri din deșert. Algele verzi au tendința de a domina flora de alge de pe soluri acide.

Genurile frecvente sunt Actinochloris, Chlorella, Chlorococcum și Ulothrix. Cele mai multe sunt limitate la suprafață pe soluri umede, precum și unele sunt epifite pe alge sau mușchi.

Specii de Euglena verde sunt abundente în cazul în care umiditatea, cantitatea de materii organice și adesea de amoniu sunt mari. Specii de Xanthophytha sunt întâlnite în general pe soluri umede mai ales la suprafața acestora. Cele mai multe specii de xantofite întâlnite aparțin genurilor Botrydium, Bumilleria, Vaucheria, si Xanthonema

În soluri diatomeele apar în primul rând pe soluri neutre sau în soluri ușor alcaline, în cazul în care populațiile lor poate ajunge la 105 celule pe gram de substanță uscată de sol. Genurile reprezentative de diatomee din sol sunt: Cymbella, Fragilaria, Hantzschia, Navicula și Pinnularia.

In sol sunt prezente atât virusuri zoopatogene cât și fitopatogene precum si fagi. Ele nu se inmulțesc in sol in afara de fagi care se pot inmulți in celulele bacteriilor, actinomicetelor, cianobacteriilor și ciupercilor.

Virusurile ajung in sol odată cu restul plantelor și animalelor bolnave. In sol sunt inactive. Pot rezista câteva luni în stare inactivă, astfel multe tulpini sunt distruse până în sezonul urmator.

Principalii reprezentanți ai microfaunei din sol sunt protozoarele și rotiferele. Microfauna este mai puțin numeroasă decât microflora. Protozoarele sunt organisme unicelulare, se hrănesc cu bacterii, alte protozoare, materie organică și fungi. Densitatea lor este cuprinsă intre 1000 și 1 000 000 de indivizi/g sol .

Protozoarele din sol aparțin la 3 grupe: Flagellata, Ciliophora și Rhizopoda. Importanța protozoarelor constă in faptul că ele ajută la mineralizarea nutrienților făcându-i ușor disponibili pentru plante și alte organisme. Protozoarele controlează populațiile de bacterii și prezintă o sursă de hrană pentru alte organisme din sol

Factorii de mediu care influențează dezvoltarea microorganismelor din sol

Factorii principali de mediu care afectează dezvoltarea microorganismelor din sol sunt: temperature, umiditatea, pH-ul, aerația, activitatea umană.

Temperatura este un factor limitant în buna desfășurare a activității microorganismelor din sol. Microorganismele ca un grup sunt în măsură să se dezvolte într-o gamă largă de temperaturi, pornind de la temperaturi din jurul înghețului până la temperaturi mai mari decât punctul de fierbere.

Pentru orice organism, există minime și maxime de temperaturi de creștere acestea definind intervalul în care creșterea și dezvoltarea acelui organism este posibilă. Aceasta este de obicei în jurul valorii de 25-30° C. creșterea la temperaturi scăzute este mai lentă deoarece enzimele nu își pot face treaba eficient și de asemenea pentru că lipidele au tendința de a se întări și există o pierdere de fluiditate la nivelul membranei.

Rata de creștere urcă odată cu temperatura până când temperatura optimă este atinsă,
apoi rata scade din nou . Temperatura optimă și temperaturile de limitare reflectă domeniul de temperatură a sistemelor sale enzimatice, care, la rândul său este determinat de structurile 3D ale proteinelor. Temperatura optimă este, în general, mai aproape de temperatura maximă de creștere decât de ceea minimă.

Majoritatea bacteriilor din sol sunt specii mezofile, ele dezvoltându-se la temperaturi cuprinse între 25-45° C. Temperatura solului depinde foarte mult de vegetație de anotimp tipul de climat.

Foarte puține soluri pot menține o temperatură uniformă în straturile lor superioare. Variațiile pot fi fie sezoniere sau diurne. Din cauza căldurii specifice foarte mari a apei solurile umede prezintă o fluctuație mai mică de căldură raportat la alternanța zi/noapte față de solurile cu o umiditate scăzută.

Un studiu recent a demonstrat faptul că trebuie obligatoriu să fie luat în calcul și istoricul temperaturii în zona în care s-au recoltat probele pentru a determina exact influența temperaturii asupra microorganismelor din sol. Studiul a fost făcut de un grup de cercetători chinezi care au preluat 3 probe de sol din 3 zone diferite ale Chinei mai exact din nordul tării din centrul acesteia și din sud. Solurile au fost colectate de la nord (Provincia Heilongjiang), central (provincia Jiangsu), și din sud (provincia Guangxi) China, aceste soluri având istorii de temperatură foarte diferite. Solul din Heilongjiang a fost într-o regiune cu o temperatură medie anuală de 1.2° C, solul Jiangsu a fost intermediar, cu o temperatură medie anuală a 15.7° C, Guangxi a fost cea mai fierbinte zona, cu o temperatură medie anuală de 21.2° C. Aceste 3 probe preluate au avut un istoric de temperatură foarte diferit, acestea au fost puse la incubat la temperaturi mai mari, a fost monitorizată biomasa din sol pe baza fosfolipidelor din sol, iar după un anumit timp aceste probe au fost extrase și s-au efectuat niște analize, observându-se scăderea drastică a biomasei din sol dar mai ales la proba din nordul tării care avea regimul termic cel mai scăzut. Incubarea probelor s-a făcut timp de 56 de zile la o temperatură de 35 ° C respectiv în zilele 0, 3, 7, 14, 28, și 56 s-au făcut analize de fosfolipide pentru a urmări dinamica biomasei.

Studiul a demonstrat astfel faptul că regimul termic de unde se face prelevarea solului are o influentă asupra activității microbiene, solurile provenite dintr-un regim termic mai ridicat au avut o scădere mai mică a biomasei ca și probele din zone cu regim termic mai scăzut, sugerând faptul că microorganismele din solurile cu regim termic mai ridicat sunt mult mai adaptate la căldură dar a mai precizat faptul că pentru observarea clară a acestor lucruri ar fi necesare niște analize genotipice.

Un alt factor foarte periculos pentru microorganismele din sol sunt incendiile, un studiu efectuat în acest sens ne demonstrează faptul că incendierile de vegetație au un efect dezastruos asupra microorganismelor prezente la nivelul solului.

Starea biotei solului a fost evaluat de intensitatea de respirație bazată pe conținutul de carbon al biomasei microbiene și coeficientul metabolic microbian. Studiul a evidențiat că efectul incendierilor asupra solului a fost mai mare în cazul pădurilor de pin decât în cazul pădurilor defoliate de anumite specii de defoliatori (Lymantria dispar). Cele mai mari schimbări ale complexelor microbiale au fost înregistrate după incendii de intensitate ridicată și medie. În litieră conținutul de biomasă microbiană, intensitatea respirației microbiene și a coeficientului metabolic a fost restaurat după 15 ani de la incendii în timp ce în stratul superficial al solului acești parametri încă diferă de cele inițiale din probele martor în special după incendii foarte puternice.

Apa prezentă la nivelul solului este foarte importantă pentru microorganisme, lipsa apei din sol determinând limitarea dezvoltării acestora sau chiar moartea lor. Apa din sol afectează umiditatea disponibilă pentru microorganisme, precum și de aerarea solului, natura și cantitatea de materiale solubile dizolvate în apă, presiunea osmotice, precum și pH-ul soluției solului.

Apa fizic acționează ca un agent de transport și ca un mediu prin care reactanții difuzează la și de la locurile de reacție. El / ea chimic acționează ca un solvent, ca un reactant în importante reacții chimice și biologice. Apa din sol poate fi descrisă ca și potențial de energie liberă bazat pe conceptul că forțele osmotice, gravitaționale afectează potențialul de apă. Potențialul de apa a solului este exprimat în pascali (Pa) sau mai adesea în kilopascali (kPa).

Forțele motrice sunt forțele de adsorbție de apă pe suprafețe sau pe particule minerale sau organice. Din moment de aceste forțe reduc statutul de energie, potențialul de energie apare ca valori negative. Umiditatea și cantitatea de apă prezentă în sol mai este influențată și de pori prezenți în sol. Potențialul de apă a solului reprezintă energia pe care un organism trebuie să o folosească pentru a obține apă din soluția solului. În general activitatea microbiologică aerobică valoarea optimă a potențialului de apă a solului este de -50kPa.

Difuzarea de pe substraturi la microorganisme este mult încetinită prin uscare; cu toate acestea, umiditatea relativă în sol rămâne ridicat. Schimbările rapide în potențialul apei din sol pot cauza microorganismelor un șoc osmotic și induce liza celulelor. Scăderea drastică a umidității din sol cauzează deshidratarea și inhibarea activității enzimatice.

Ciupercile sunt în general considerate să fie mai tolerante la potențiale mai mici ale apei din sol, bacteriile de sol sunt relativ imobile și să se bazeze mai mult asupra proceselor de difuzie pentru nutriție. Tabelul de mai jos arată diferențele în capacitatea diferitelor organisme de a tolera stresul de apă.

Umiditatea este strâns legată de temperatură, aceasta din urmă prin creșterea ei duce implicit la scăderea temperaturii. Un studiu important care a încercat sa evidențieze răspunsul microorganismelor la variațiile de temperatură și umiditate a fost efectuat de o echipă de oameni de știință din SUA. Această cercetare este axată pe elucidarea răspunsurile microorganismelor din sol la modificări sezoniere și anuale ale umidității solului, temperatură și la nutrienți selectași ai solului și proprietățile edafice pe un teren pentru pășunat în Sotol, Deșertul Chihuahua de la Parcul Național Big Bend. Probele de sol au fost culese într-o perioadă de 3 ani în martie și în septembrie. Consumul bacterian si fungal de carbon a fost legată de modelele de umiditate din sol care au variat între 3 și 14%.

În plus față de umiditatea din sol variația sezonieră și anuala a bacteriilor a fost strâns asociată cu alți factori ca și conținutul de substanțe organice sau conținutul de NH4 și pH-ul solului. Aceste rezultate indică faptul că modificările de umiditate a solului, împreună cu modificările de temperatură și disponibilitatea resurselor în sol stau la baza dinamicii sol-microorganisme în aceste pășuni.

Tiparele temporale în activitatea microbiană pot reflectă diferențele în capacitatea bacteriilor și ciupercilor de a răspunde la tiparele sezoniere de umiditate și temperatură. Bacteriile au fost mai în măsură de a răspunde la impulsuri de umiditate, indiferent de
temperatură, în timp ce ciupercile au răspuns doar la impulsurile de umiditate în timpul sezoanelor mai reci, cu excepția creșterilor substanțiale de precipitații din lunile calde. Modificări în calendarul și cantitatea precipitațiilor vor modifica contribuția proporțională a bacteriilor și ciupercilor la descompunerea de azot și de mineralizare
în aceste pășuni.

Rolul microorganismelor din sol

Procesul de formare a solului începe imediat ce roca ia contact cu mediul extern, cu agenții fizici și chimici, precum și cu acțiunea microorganismelor vii.

Caracteristica principală a solidificării constă în acumularea materiei organice și a humusului, care determină capacitatea de reținere a substanțelor nutritive. Elementele chimice eliberate în urma alterării, cu tendința de a fi spălate (levigate), spre structurile mai adânci ale rocii detagregate și alterate. Pe de altă parte organismele vii – plantele superioare și microorganismele se opun acestui proces, ducând la reținerea și chiar acumularea substanțelor minerale în partea superioară a solului sub formă de materie organică și de humus.

În cursul solidificării, în esență se întâlnesc o serie de procese în urma cărora ia naștere solul ca sistem complex și biologic în care se desfășoară permanent fenomene contradictorii, de al căror echilibru depind proprietățile solului.

Astfel, în toate solurile se desfășoară procesul de alterare a unor minerale primare și secundare concomitent cu formarea altor minerale secundare caracteristice; descompunerea resturilor vegetale și animale paralel cu sinteza acizilor humici; levigarea substanțelor în paralel cu bioacumularea; procesul de acumulare a apei în sol și pierderea ei prin evaporare și prin transpirația plantelor; absorbția energiei solare ce duce la încălzirea solului, paralel cu iradierea și deci pierderea acestei energii.

În felul acesta intervenția organismelor vii asupra rocii dezagregate, marchează începutul procesului de solidificare și aduce modificări importante în marele circuit geologic ce se desfășoară în natură. Intervenția organismelor face ca peste marele circuit geologic să se suprapună micul circuit biologic care este de sens contrar cu primul. Ca rezultat al acestui proces, descompunerile substanțelor organice și minerale sunt însoțite de intense procese de sinteză organică, efectuate de organismele vii.

Astfel se acumulează diferitele elemente necesare nutriției plantelor și în special, azotul, element important care lipsește din rocile inițiale.

Materia organică este reprezentată din resturile vegetale care se mineralizează de către microorganisme dar mai ales prin humus care este un complex de substanțe amorfe în stare coloidală, rezultat din transformări biochimice – descompuneri și sinteze ale resturilor organice, vegetale și animale sub acțiunea microflorei solului.

Substanțele organice vegetale și animale ajunse în sol după moartea organismelor, nu sunt în întregime supuse degradării complete până la compușii finali (CO2, H2O, NH3). O parte din ele sunt transformate în produși noi, mai mult sau mai puțin rezistenți la descompunerea de către microorganisme – substanțele humice. Acestea se acumulează în cantități mari ca rezerve, condiționând proprietatea cea mai importantă a solului – fertilitatea. În felul acesta, pe lângă acțiunea lor de distrugere a substanțelor organice vegetale și animale, microorganismele contribuie la formarea unor tipuri noi de substanțe organice. Datorită acestui fenomen, paralel cu dezagregarea enzimatică a substanțelor organice, microorganismele din sol efectuează sinteza unor compuși noi care se acumulează temporar în sol, formând adevărate rezerve de C,N, P, S, K, etc. absolut necesare vieții din sol.

Dar microorganismele solului participă nu numai la formarea substanțelor humice de rezervă, ci contribuie și la descompunerea lor lentă, prin care se asigură plantelor elementele indispensabile pentru noile sinteze organice.

Procesele de dezagregare și sinteză care au drept rezultat formarea complexelor humice se datorează acțiunii bacteriilor aerobe, anaerobe a actinomicetelor și ciupercilor microscopice.

Bacteriile anaerobe acționează asupra substanțelor organice aflate sub formă de mase dense în profunzimea solului. Procesul este inhibat în momentul când cantitatea de acid ulmic acumulat este atât de mare încât oprește dezvoltarea microorganismelor respective și este reluat după degradarea acestuia. În condiții naturale, denaturarea acidului ulmic se produce după acțiunea frigului, iarna. Datorită acestui fapt, sinteza anaerobă a compușilor humici are un caracter periodic, fiind mai activă primăvara și vara și scăzând în intensitate spre toamnă și iarnă.

Acest proces reprezintă forma cea mai importantă de acumulare a substanțelor humice în natură.

Sinteza aerobă a substanțelor humice se realizează în stratele mai superficiale ale solului și cu condiția ca acumularea substanțelor organice vegetale să se fi făcut în masa afânată. Ea este efectuată de bacterii, în cazul resturilor de plante ierboase și de ciupercile microscopice, atunci când substanța organică provine din plante lemnoase. Rezultă în urma acestui proces acizi humici care nu omoară microorganismele deoarece sunt neutralizați de NH3 format în paralel.

Compoziția chimică a humusului este variabilă și heterogenă, neputând fi definită prin nici o formulă chimică; ea constă din acizi ulmici și fulvici (70-80%) și din reziduu insolubil (20-30%).

Conținutul bogat în N al humusului, în jur de 5% cu raportul C : N = 10:1, denotă caracterul său de produs de sinteză. El conține în special acid ulmic (acid hulmic brun) rezultat din acțiunea bacteriilor anaerobe, acid humic (acid humic negru) produs de ciuperci.

Una dintre particularitățile cele mai importante ale substanțelor humice este aceea de a fi mai stabile, în condiții termodinamice date, decât substanțele naturale din care s-au format. În același timp ele sunt într-o permanentă evoluție; pe de o parte, pornind de la diferite substanțe organice animale și vegetale se formează substanțe noi sub acțiunea microorganismelor, iar pe de altă parte, complexele humice sintetizate sunt mineralizate de microflora solului.

Datorită acestui proces continuu, formarea humusului se poate afla în diferite stadii de evoluție, sub formă de:

– substanțe prohumice, capabile să agrege particulele de sol;

– humus activ, cel mai important pentru fertilitate, care prin descompunere formează ușor substanțe nutritive pentru plante și reprezintă aproximativ 1% din greutatea solului;

– humus stabil, care cimentează agregatele de sol, dar se descompune greu și nu participă activ la nutriția plantelor;

– humus inactiv, cu capacitate redusă de mineralizare și fără rol în nutriția plantelor ca și în formarea structurii stabile a agregatelor de sol.

Humusul îndeplinește numeroase funcții de importanță excepțională, din care se poate deduce rolul microorganismelor care participă la sinteza și descompunerea lui.

Astfel, humusul formează în sol rezerve imense de N, C, P, S, K, Fe, care pot fi folosite după mineralizarea prealabilă. După S. Waksman cantitatea de substanțe organice sub formă de humus depășește cu mult pe cea prezentă în toate formele vii.

Humusul favorizează nutriția plantelor superioare, furnizându-le substanțe nutritive, rezultate din descompunerea lui treptată și lentă de către microorganisme.

Humusul influențează caracteristicile fizice ale solului căruia îi conferă structura granulară și culoarea întunecată care favorizează absorbția razelor solare și determina creșterea temperaturii.

De asemenea el reduce vâscozitatea argilelor și ușurează formarea de agregare care ameliorează aerarea și drenajul solului, mărind în același timp capacitatea de reținere a apei din sol.

Humusul, influențează proprietățile chimice ale solului prin faptul că menține echilibrul general între ionii adsorbiți și cei dizolvați și dă solului putere tampon.

Prin participarea sa la sinteza și transformările substanțelor humice, microflora solului îndeplinește un rol de o importanță vitală, deoarece, datorită proprietăților amintite, humusul conferă solului proprietatea sa de bază – fertilitatea care-l deosebește de roca sterilă.

După definiția dată de A. Thaer „Humusul este produsul materiei vii și izvorul acestuia”, sau după cum afirmă S. Waksman, „Humusul este o rezervă și un stabilizator al vieții organice pe pământ”.

Bioremedierea solului prin compostare

Bioremedierea este un proces natural de tratament ce foloseste microorganisme (drojdie, ciuperci sau bacterii) pentru a degrada substanțe periculoase, în substanțe mai puțin toxice sau netoxice. Microorganismele, la fel ca și oamenii, mănâncă și digeră substanțe organice pentru nutrienți și energie. In termeni chimici, ”compușii organici” sunt compuși care conțin carbon și atomi de hidrogen.

Anumite microorganisme pot digera substanțe organice, cum ar fi combustibilii sau solvenții care sunt periculoși pentru om. Microorganismele descompun contaminanții organici în produse inofensive – în principal dioxid de carbon si apă.

Fig.1 Diagrama schematică de biodegradare aerobă în sol

Odată ce contaminanții sunt degradați, populația de microorganisme este redusă, deoarece acestea au folosit toate sursele lor de hrană. Microorganismele trebuie să fie active și sănătoase, pentru ca bioremedierea să aibă loc. Tehnologiile de bioremediere ajută creșterea microorganismelor și creșterea populațiilor microbiene prin crearea condițiilor optime de mediu. Tehnologia de bioremediere specific utilizată este determinată de mai mulți factori, de exemplu, tipul de microorganisme prezente, condițiile situ-ului, precum și cantitatea de produse chimice și de toxicitatea contaminanților. Diferite microorganisme degradează diferite tipuri de compuși și supravietuiește în condiții diferite.

Microorganismele indigene sunt acele microorganisme care se găsesc deja într-un anumit situ. Pentru a stimula creșterea acestor microorganisme indigene, este necesar să fie furnizate temperatura solului, oxigenul și conținutul de nutrienți.

Bioremedierea poate avea loc în condiții aerobe și anaerobe. In condiții aerobe, microorganismele utilizează oxigenul atmosferic disponibil în scopul de a funcționa. Cu suficient oxigen, microorganismele vor converti contaminanții organici în dioxid de carbon și apă în condiții anaerobe sprijinind activitatea biologică, în care nu este prezent oxigenul, astfel încât microorganismele descompun compușii chimici în sol pentru a elibera energia de care au nevoie.

Bioremedierea poate fi folosită ca o metodă de curățare a solului și a apei contaminate. Cererile de bioremediere se împart în două mari categorii: in-situ sau ex-situ. In bioremedierea in-situ tratează solul contaminat sau a apelor subterane în locul în care a fost găsit. Bioremedierea în ex-situ necesită excavarea solului contaminat sau pomparea apelor subterane înainte de a putea fi tratate.

Știința și tehnologia de bioremediere în curs de dezvoltare oferă o metodă alternativă la detoxifierea contaminanților. Bioremedierea a fost demonstrată și este folosită ca un mijloc eficient de atenuare a:

• hidrocarburilor

• solvenți halogenați organici

• compuși organici halogenați

• pesticide non-clorurate și erbicide

• compuși de azot

• metale (plumb, mercur, crom)

• radionuclizi

Tehnologia de bioremediere exploatează diverse procese naturale de reducere:

atenuare naturală;

biostimulare,;

bioaugumentare.

Bioremedierea care apare, fără intervenție umană, alta decât cea monitorizată este adesea numită atenuare naturală. Această atenuare naturală se bazează pe condițiile naturale și comportamentul microorganismelor din sol care sunt indigene.

Biostimularea utilizează, de asemenea, populațiile indigene microbiene pentru remedierea solurilor contaminate. Biostimularea constă în adăugarea nutrienților și alte substanțe pe sol pentru a cataliza procesele naturale de atenuare.

Bioaugmentarea implică introducerea de microorganisme exogenice capabile de detoxifiere a unui contaminant special, folosind uneori microorganisme modificate genetic.

In timpul bioremedierii, microbii utilizați contaminanților chimici în sol ca o sursă de energie și, prin oxido-reducere a reacțiilor, metabolizează ținta contaminată în energie utilizabilă pentru microbi. Subprodusele (metaboliții) eliberați înapoi în mediul înconjurător sunt, de obicei într-o formă mai puțin toxică decât contaminanții mamă. De exemplu, hidrocarburile petroliere pot fi degradate de microorganisme în prezența oxigenului prin respirație aerobă.

Hidrocarburile pot fi degradate de microorganisme în prezența oxigenului prin respirație aerobă. Rezultatul este formarea de dioxid de carbon și apă (Nestor et al., 2001).

Când oxigenul este limitat sau absent, precum și în soluri saturate sau anaerobe sau sedimente ale unor lacuri, respirația anaerobă (fără oxigen), predomină. In general, compușii anorganici, cum ar fi nitratul, sulfatul, ionul feric, manganul, dioxidul de carbon servesc drept terminale acceptoare de electroni pentru a facilita biodegradarea. (State of Mississippi, Department of Environmental Quality, 1998).

Principalele ingrediente pentru bioremediere sunt:

1) prezența unui contaminant;

2) un acceptor de electroni;

3) prezența unor microorganisme care sunt capabile să degradeze noxe specifice.

In general, un contaminant este mult mai usor și mai rapid degradat în cazul în care este un compus natural în mediu sau chimic similar cu un compus natural, deoarece microorganismele capabile de biodegradare sunt mult mai susceptibile. (statul Mississippi, Departamentul de Mediu calitate, 1998)

Hidrocarburile petroliere sunt în mod natural substanțe chimice, de aceea, microorganismele sunt capabile de a atenua sau degrada hidrocarburile existente în mediul înconjurător. Dezvoltarea tehnologiilor de biodegradare a substanțelor chimice sintetice, depinde de rezultatele cercetării care caută tulpini naturale de microorganisme sau îmbunătățite genetic care se pot degrada în forme mai puțin toxice.

Microorganisme au limite de toleranță pentru condiții speciale de mediu, precum și condițiile optime pentru performanța culminantă. Factorii care afectează succesul și rata de biodegradare microbiană sunt: disponibilitatea nutrienților, continutul de umiditate, pH-ul, temperatura și matricea solului. Nutrienții anorganici, precum azot, fosfor sunt necesari pentru activitatea microbiană și creșterea celulelor. Acesta a arătat că ”tratarea solului contaminat cu petrol, cu azot, poate crește rata de creștere a celulelor, reduce faza de latență microbiană, ajută la menținerea populațiilor microbiene, și crește rata de degradare a hidrocarburilor" (Walworth et al., 2005 ).

Cu toate acestea, a fost de asemenea demonstrat că cantități excesive de azot în sol duc la inhibarea microbiană. Walworth et al. (2005) sugerează menținerea nivelurilor de azot sub 1800 mg azot / kg H2O pentru biodegradarea optimă a hidrocarburilor petroliere. Adaosul de fosfor are beneficii similare cu cele de azot. (State of Mississippi, Department of Environmental Quality, 1998).

Toate microorganismele din sol au nevoie de umezeală pentru creșterea celulară. Cu toate acestea, excesul de umiditate, cum ar fi în solurile saturate, nu este de dorit deoarece reduce cantitatea de oxigen disponibilă pentru respirație aerobă. Respirația anaerobă, care produce mai puțină energie pentru microorganisme (de respirație aerobă) și încetinește rata de biodegradare, devine procesul predominant. Conținutul de umiditate a solului este cuprins între 45% și 85% din capacitatea de apă. (US EPA, 2006, "Landfarming").

PH-ul solului este important, deoarece cele mai multe specii microbiene pot supraviețui numai într-un anumit interval al pH-ului. In plus, pH-ul solului poate afecta disponibilitatea elementelor nutritive. Biodegradarea hidrocarburilor petroliere este optimă la un pH 7 (neutru); interval acceptabil este pH 6-8 (US EPA, 2006, "Landfarming"; statul Mississippi, Departamentul de Calitate a Mediului, 1998).

Temperatura influențează rata de biodegradare prin controlul ratei de reacții enzimatice în cadrul microorganismelor. In general, ”viteza de reacție enzimatică din celulă este aproximativ dublă pentru fiecare creștere cu 10° C a temperaturii" (Nestor et al, 2001.).

Nu există o limită superioară a temperaturii la care microorganismele pot rezista. Cele mai multe bacterii găsite în sol, inclusiv multe bacterii care degradează hidrocarburile petroliere, sunt mezofile care au o temperatura optimă variind de la 25 ºC la 45º C (Nestor et al., 2001).

Bacterii termofile (cei care supraviețuiesc și prosperă la temperaturi relativ ridicate), sunt în mod normal găsite în izvoare calde și grămezile de compost existe pe piața internă în medii reci și pot fi activate pentru a degrada hidrocarburile, cu o creștere a temperaturii la 60 ºC. Acestă constatare ”a sugerat un potențial intrinsec de atenuare naturală în solurile reci prin tehnici de bioremediere termice îmbunătățite”.(Perfumo et al., 2007)

In anumite circumstanțe, biodisponibilitatea contaminanților depinde nu numai de natura contaminantului, ci, de asemenea, de tipul de sol. Contaminanții hidrofobi, cum ar fi hidrocarburile petroliere, au solubilitate scăzută în apă și au tendința de a absorbi puternic în sol un conținut ridicat de materie organică. In astfel de cazuri, agenții tensioactivi sunt utilizați ca parte a procesului de bioremediere de creștere a solubilității și mobilității acestor contaminanți (Stat din Mississippi, Departamentul de Calitate a Mediului, 1998).

Constatările suplimentare de cercetare ale existenței bacteriilor termofile în sol rece, de asemenea, sugerează că temperaturile ridicate sporesc rata de biodegradare prin creșterea biodisponibilității de contaminanți. Se sugerează că contaminanții absorbiți de particulele de sol sunt mobilizați și solubilitatea lor crește odată cu temperaturile ridicate (Perfumo et al., 2007).

Tipul de sol este un aspect important atunci când se determină cea mai bună abordare de bioremediere potrivită pentru o anumită situație. Bioremedierea in-situ se referă la tratarea solului în loc. Tratamentele in-situ biostimulatoare, de obicei, implică bioventilarea, în care oxigenul și/sau nutrienții sunt pompați prin puturi de injectare în sol. Este absolut necesar ca oxigenul și nutrientii să fie distribuiți uniform de-a lungul solului contaminat. Textura solului afectează în mod direct utilitatea bioventilării, la fel de mult ca și permeabilitatea solului în aer și apă este o funcție de textură a solului. Solurile cu textură fină, cum ar fi argila au permeabilitate redusă, astfel împiedică oxigenul și substanțele nutritive de la bioventilare să fie dispersate de-a lungul solului. De asemenea, este dificil de controlat conținutul de umiditate în sol cu textura fină, deoarece porii lor mai mici și suprafața mare permite reținerea apei. Solurile cu textura fină sunt lente pentru scurgerea în condițiile de sol saturat cu apă, prevenind astfel oxigenul să ajungă la sol de-a lungul zonei contaminatr cu microbi. (US EPA, 2006, "Bioventing").

Bioremedierea in-situ provoacă perturbări minime a mediului la locul de contaminare. In plus, acesta suportă costuri mai reduse decât remedierea solului convențională sau tratamente de mutare și de înlocuire, deoarece nu există niciun transport de materiale contaminate pentru tratarea din afara amplasamentului.

Cu toate acestea, bioremedierea in-situ are unele limitări:

1) nu este potrivită pentru toate tipurile de solurile;

2) degradarea completă este dificil de realizat;

3) condițiile naturale (de exemplu temperatura) sunt greu de controlat.

In utilizarea unui bioreactor, solul contaminat este amestecat cu apă și substanțe nutritive și amestecul este agitat de un bioreactor mecanic pentru a stimula acțiunea microorganismelor. Această metodă este mai potrivită pentru solurile argiloase decât alte metode și, în general, este un proces rapid (US EPA, 2006, "Ghidul").

In fiecare dintre aceste metode, condițiile trebuie să fie monitorizate și ajustate periodic pentru biodegradare optimă. Utilizarea bioreactoarelor prezintă, de asemenea, problema monitorizării și conțin volatilizarea contaminanților.. Cu toate acestea, ele pot necesita o cantitate mare de teren și, similar cu bioremedierea in-situ, degradarea completă este dificil de realizat, și evaporarea componentelor volatile este un motiv de îngrijorare (US EPA, 2006, "Landfarming" US EPA, 2006, "Biopiles ").

In cazul în care provocările legate de bioremediere, în special tehnicile de situ, pot fi depășite, bioremedierea are potențial pentru a oferi un cost redus, metode naturale de a face substanțelor toxice în sol mai puțin nocive sau inofensive de-a lungul timpului. In prezent, se desfășoară cercetări pentru a îmbunătăți și de a depăși limitările care împiedică bioremedierea de hidrocarburile petroliere. Pe un domeniu de aplicare mai larg, mult de cercetare a fost și continuă să fie dezvoltată o mai bună înțelegere a esenței comportamentului microbian. Suplimentarea cercetării continuă să evalueze condițiile pentru introducerea cu succes a microbilor modificați genetic într-un mediu contaminat, precum și cum să traducă succesul în laborator pentru succesul în domeniu.

Bibliografie:

Biobasics: The Science and the Issues. 9 Feb 2006. 24 Nov 2006 www.biobasics.gc.ca/english/View.asp?x=741

Eliade Gh., Ghinea L., Ștefanic Gh. – Bazele biologice ale fertilității solului. Ed. CERES, București, 1983.

Eliade Gh., Ghinea L., Ștefanic Gh. – Microbiologia solului, Ed. CERES, București, 1975.

Hatman M. – Microbiologie – Lucrări practice, Universitatea Agronomică Iași – Centrul de multiplicare, Iași, 1990.

Hatman M., Ulea E. – Microbiologie – Curs, Universitatea Agronomică Iași – Centrulde multiplicare, Iași, 1993.

http://eco-citizen.org

http://waterquality.montana.edu

http://waterquality.montana.edu

Acasa

Mihăescu Gh., Gavrilă L. – Biologia microorganismelor fixatoare de azot, Ed. CERES, București, 1989.

Nester, Eugene W., Denise G. Anderson, C. Evans Roberts Jr., Nancy N. Pearsall, and Martha T. Nester. ,,Microbiology: A Human Perspective” 3 rd ed. New York: McGraw-Hill, 2001

Papacostea P. – Biologia solului. Ed. Științifică și Enciclopedică, București, 1976.

Perfumo, Amedea, Ibrahim M. Banat, Roger Marchant, and Luigi Vezzulli.. “Thermally Enhanced Approaches for Bioremediation of Hydrocarbon-Contaminated Soils.”, 2007

State of Mississippi. Department of Environmental Quality, ,,Fundamental Principles of Bioremediation” April 1998.

United States. Environmental Protection Agency. ,,A Citizen’s Guide to Bioremediation.” , April 1996

Zarnea Gh. – Tratat de microbiologie generală, Ed. Academiei Române, București, Vol. I – 1983, Vol. II – 1984, Vol. III – 1986, Vol. IV – 1990,Vol.V – 1994.