Wykorzystanie mikroorganizmów w wytwarzaniu nawozów

Agnieszka Saeid*, Małgorzata Labuda, Katarzyna Chojnacka, Henryk Górecki
Politechnika Wrocławska
Wykorzystanie mikroorganizmów
w wytwarzaniu nawozów fosforowych
Use of microorganism in production of phosphorus fertilizers
Zaproponowano nowy sposób produkcji nawozów fosforowych z surowców niskiej jakości z wykorzystaniem mikroorganizmów
naturalnie występujących w glebie, zdolnych
do solubilizacji fosforu. Porównano zdolność
do solubilizowania fosforu z kości przez dwa
szczepy, które różnią się mechanizmem działania. Dwukrotnie większe stężenie rozpuszczonego P uzyskano dla mikroorganizmu, który produkuje kwas siarkowy (Acidithiobacillus
ferrooxidans) w porównaniu z Bacillus megaterium, który produkuje mieszaninę słabych
kwasów organicznych.
Poultry bones were microbiol. treated with 2 soil microorganisms to solubilize the bones-contained P. Use of the
H2SO4-producing Acidithiobacillus ferroxidans was more
efficient than the use of weak acid-producing Bacillus
megaterium.
Średnie stężenie fosforu w typowych skałach osadowych wynosi
ok. 0,1%, podczas gdy w skałach fosforowych, które stanowią główny
surowiec w przemyśle fosforowym jest 300 razy większe1). Ze środowiskowego punktu widzenia następuje pobranie fosforu z rudy (fosforyty, apatyty) i skuteczne rozproszenie go w środowisku. Potrzeba
miliardów lat na odtworzenie tych nieodnawialnych zasobów.
Jedną z najbardziej skoncentrowanych form fosforu poza skałami
fosforowymi w przyrodzie są kości, które od czasu wykrycia choroby
Dr inż. Agnieszka SAEID w roku 2006 ukończyła
studia na Wydziale Chemicznym Politechniki
Wrocławskiej. Jest asystentem naukowo-dydak­
tycznym w Instytucie Technologii Nieorganicznej
i Nawozów Mineralnych Politechniki Wrocławskiej
– Zakład Chemii dla Rolnictwa. Specjalność
– procesy biotechnologiczne.
* Autor do korespondencji:
Politechnika Wrocławska, ul. Smoluchowskiego 25, 50-369 Wrocław,
tel.: (71) 320-37-93, fax: (71) 320-34-69, e-mail: [email protected]
956
„wściekłych krów” BSE (bovine spongiform encephalopathy) stały
się uciążliwym odpadem, trudnym do zagospodarowania. Zgodnie
z rozporządzeniem UE mączki kostne są dopuszczone do stosowania
wyłącznie jako nawozy2). Ich zastosowanie w produkcji nawozów
fosforowych jest atrakcyjnym rozwiązaniem znanym już od dawna. Do
połowy XIX w. kości wraz z guano były surowcem do produkcji kwasu
fosforowego i fosforu3), a w 1842 r. John B. Lawes uzyskał patent na
roztwarzanie kości kwasem siarkowym3).
Obiecujące wydaje się wykorzystanie mikroorganizmów solubilizujących fosfór w celu roztworzenia struktury apatytowej występującej
w kościach. Grzyby PSF (phosphate solubilizing fungi) i bakterie
PSB (phosphate solubilizing bacteria) są powszechnie wykorzystywane jako szczepionki mobilizujące (uwalniające związki fosforu)
stosowane jednocześnie z fosforytem. Sundara i współpr.4) zastosowali w doświadczeniach polowych surowiec fosforowy łącznie z PSB
Bacillus megaterium var. phosphaticum na pożywce zawierającej
lignit. Badania wykazały, że bez dodatkowego nawożenia fosforem,
zaszczepianie gleby bakteriami PSB może zwiększyć wydajność plonów trzciny cukrowej o 12,6%. Łączne zastosowanie nawozów fosforowych i PSB zmniejszyło zapotrzebowanie na P o 25%. Dodatkowo,
50% superfosfatu można zastąpić znacznie tańszymi mineralnymi
surowcami fosforowymi. PSB zwiększyły również wydajność produkcji cukru4). PSB mogą stanowić ogromną wartość użytkową, ponieważ
pozwalają na korzystanie z tańszych źródeł P (np. na stosowanie
tańszego surowca fosforowego zamiast superfosfatu).
W ostatnich latach przeprowadzono wiele badań nad izolowaniem
i selekcją mikroorganizmów posiadających właściwości solubilizacji surowców fosforowych, szczególnie pod kątem możliwości
zastosowania łącznie z mikroorganizmami zdolnymi do asymilacji
azotu. Bakterie wiążące azot mogą bowiem współdziałać z mikroor-
Mgr inż. Małgorzata LABUDA w roku 2011 ukoń­
czyła studia na Wydziale Chemicznym Politechniki
Wrocławskiej, kierunek – biotechnologia środo­
wiska. Jest doktorantką w Instytucie Technologii
Nieorganicznej i Nawozów Mineralnych. Spec­jal­
ność – mikrobiologia środowiska.
91/5(2012)
Mieszanina acidofilnych bakterii utleniających żelazo
(Acidithiobacillus ferrooxidans) i siarkę (Acidithiobacillus thiooxidans) solubilizuje fosforyt dzięki swojemu metabolizmowi, którego
produktem jest kwas siarkowy. Te bakterie utleniają elementarną
siarkę, redukują składniki zawierające siarkę i minerały siarczkowe, co
w wyniku daje kwas siarkowy i rozpuszczalne siarczany metali stwarzając w ten sposób kwaśne środowisko solubilizacji11, 12). Już wcześniej
zaproponowano koncepcję bionawozów zawierających naturalny fosfor i siarkę oraz bakterie Acidithiobacillus do nawożenia gleb o niskiej
dostępności fosforu5). Wytworzono P-bionawozy na bazie naturalnych
fosforanów (B5, B10, B15, B20), przy jednoczesnym zastosowaniu
różnych ilości siarki (5, 10, 15 i 20%). Preparat zaszczepiono bakteriami Acidithiobacillus (S*) i przeprowadzono doświadczenia szklarniowe zmieniając czas inkubacji w celu określenia wpływu bionawozów
na glebę zawierającą niewielkie ilości dostępnego fosforu. W badaniach wykorzystano naturalny fosforyt (NP), bionawozy wytworzone
w warunkach laboratoryjnych (B5, B10, B15, B20) zawierające
siarkę, Acidithiobacillus (NP+S) i superfosfat potrójny (TSP) oraz
kontrolę nie zawierającą fosforu. Rośliny zaszczepiono mieszaniną
szczepów Rhizobium (NFB 747 i NFB 748). W przypadku niektórych
roślin nie zastosowano zaszczepiania. Analizowano odczyn pH oraz
stężenie dostępnego P w bionawozach. Oznaczono również suchą masę
korzeni, azot i fosfor ogólny w korzeniach, pH gleby oraz dostępny
P. Największe ilości dostępnego P uzyskano w bionawozach z siarką
oraz bakteriami Acidithiobacillus (NP+S*), a także w przypadku
superfosfatu potrójnego oraz w bionawozie z siarką, Acidithiobacillus
(FN+S*) i superfosfatem potrójnym. Zaobserwowano również poprawę parametrów wzrostu roślin. Natywne Rhizobium charakteryzowały
się podobną wydajnością jak szczepy zastosowane w zaszczepianiu.
Po drugich zbiorach pH gleby obniżyło się przy jednoczesnym
zwiększeniu udziału dostępnego fosforu, w przypadku zastosowania
bionawozów B15 i B20 z siarką oraz Acidithiobacillus5).
W Nowej Zelandii jest dostępny nawóz granulowany o nazwie
handlowej Biosuper, który został otrzymany przez granulację
fosforytu z siarką i zaszczepienie bakteriami utleniającymi siarkę. W wielu badaniach potwierdzono
korzystne działanie tego preparatu, jednak istnieją obawy, że przy wydłużonym stosowaniu może
znacznie obniżyć pH gleby, co z kolei zmniejszy
plony roślin uprawnych. Innym przykładem jest
fosfobakteryna z bakteriami Bacillus megaterium,
które mineralizują związki fosforu i wydzielają substancje rozpuszczające te związki. Wykorzystanie
tych naturalnych zdolności mikroorganizmów wraz
z surowcami fosforowymi o niskiej jakości (dzisiaj
jeszcze postrzeganymi jako odpady) może stanowić
próbę rozwiązania problemu fosforowego w produkcji nawozów.
Takie rozwiązanie ma wiele zalet pod względem
ekonomicznym i środowiskowym. Możliwe jest
uzyskanie nawozów o powolnym, średnim i szybkim
Rys. 1. Mechanizm roztwarzania hydroksyapatytu zawartego w zębach przez bakterie
Steptococcus i Lactobacillus
uwalnianiu składników odżywczych (P) w zależności od użytych proporcji surowców fosforowych,
Fig. 1. Mechanism of dissolution of hydroxyapatite in theeth by Steptococcus i Lactobacillus
bacteria
PSB i PSF. Głównym etapem w produkcji nawozów
ganizmami roztwarzającymi niedostępne dla roślin związki fosforu,
w szczególności z bakteriami z rodzaju Acidithiobacillus, które
w obecności siarki wytwarzają kwas siarkowy, powodując w ten
sposób intensywne roztwarzanie surowca fosforowego i zwiększenie
dostępności fosforu w glebie. To z kolei ma znaczenie w procesach
symbiozy i wzrostu roślin5).
Biorąc pod uwagę całkowitą zawartość fosforu w glebie, nie ma
konieczności jej dalszego nawożenia. Należy jedynie uruchomić
wprowadzone wcześniej przez człowieka ilości, gdyż znaczna część
rozpuszczalnych nieorganicznych fosforanów wprowadzona do
gleb ulega szybkiej immobilizacji i staje się niedostępna dla roślin.
Mechanizm działania PSB i PSF polega na produkcji kwasów
organicznych, takich jak kwas glukonowy (Rhodococcus erythropolis, Serratia marcescens), kwas cytrynowy (Bacillus megaterium,
Arthrobacter, S. marcescens, Aspergilus niger), kwas mlekowy (B.
megaterium, S. marcescenes), kwas bursztynowy (S. marcescens)
i kwas propionowy (S. marcescens, B. megaterium), oraz kwasów
nieorganicznych, takich jak kwas siarkowy (Thiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans)6–8). Kwasy obniżają pH gleby,
co ułatwia uwalnianie fosforu, a także dzięki swojej budowie (grupy
hydroksylowe i karboksylowe) chelatują kationy (głównie Ca)
związane z fosforanami i w ten sposób przekształcają je w formy
rozpuszczalne. Proces ten jest złożonym zjawiskiem i zależy od
wielu czynników, m.in. od warunków odżywczych, fizjologicznych
i warunków wzrostu9).
Mechanizm działania mikroorganizmów solubilizujących fosfor
można porównać z procesem demineralizacji zachodzącym w jamie
ustnej na skutek rozwoju m.in. bakterii Streptococcus i Lactobacillus10),
które produkują zewnątrzkomórkowe polisacharydy z sacharozy i tworzą płytkę nazębną, a także kwasy organiczne, które są przyczyną
uszkodzenia zębów. Kwasy organiczne (m.in. kwas mlekowy) produkowane przez bakterie w jamie ustnej powodują roztwarzanie
hydroksyapatytu, który jest głównym składnikiem zębów. Mechanizm
ten został przedstawiony na rys. 1.
Prof. dr hab. inż. Katarzyna CHOJNACKA
w roku 1999 ukończyła studia na Wydziale
Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. W 2003 r.
uzyskała stopień doktora nauk technicznych
w Instytucie Inżynierii Chemicznej i Urządzeń
Cieplnych Politechniki Wrocławskiej a w 2008 r.
stopień doktora habilitowanego na Wydziale
Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Od
2009 r. jest zatrudniona na stanowisku profe­
sora nadzwyczajnego w Instytucie Technologii
Nieorganicznej
i
Nawozów
Mineralnych
Politechniki Wrocławskiej. W 2012 r. uzyskała
tytuł profesora nauk technicznych. Specjalność
– technologie biologiczne.
91/5(2012)
Prof. dr hab. inż. Henryk GÓRECKI w roku
1970 ukończył studia na Wydziale Chemicznym
Politechniki Wrocławskiej. Jest kierownikiem
Zakładu Chemii dla Rolnictwa w Instytucie
Technologii Nieorganicznej i Nawozów Mineralnych
tej uczelni. Od 2005 r. pełni funkcję wiceprzewod­
niczącego Rady Nauki w Ministerstwie Edukacji
i Nauki, będąc jednocześnie przewodniczącym
Komisji Badań na Rzecz Rozwoju Gospodarki.
Specjalność – technologia nieorganiczna, techno­
logia wytwarzania nawozów.
957
Część doświadczalna
Materiały i metody
W celu sprawdzenia możliwości wykorzystania mikroorganizmów do solubilizacji fosforu z substancji odpadowych, przeprowadzono
doświadczenie z wykorzystaniem dwóch szczepów: Bacillus megaterium i Acidithiobacillus
ferrooxidans na kościach drobiowych.
Doświadczenia zostały przeprowadzone zgodnie
z procedurą przedstawioną w pracy Labudy
i współpr.14).
900
Bacillus megaterium
Acidithiobacillus ferrooxidans
800
700
Stężenie P2O5 , mg/dm3
fosforowych jest przejście formy niedostępnej
dla roślin do form przyswajalnych. Stosując
organizmy PSO (phosphate-solubilizing organisms) i surowce fosforowe, etap przejścia
między formą nieprzyswajalną i przyswajalną jest kontrolowany przez stałą równowagi.
Jedną z możliwości jest wprowadzenie do gleb
kości wraz z mikroorganizmami. Polepsza to
jej wartości użytkowe poprzez dostarczenie
organicznego źródła węgla i azotu13), przez co
uzyskuje się lepsze warunki do rozwoju mikroflory, która jest odpowiedzialna za roztwarzanie wprowadzonego surowca fosforowego.
600
500
400
300
200
100
0
0
4
6
8
10
12
Czas, doba
Rys. 2. Wzrost stężenia rozpuszczonego P (P2O5) w hodowlach mikroorganizmów solubilizujących fosfor z kości drobiowych: Bacillus megaterium i Acidithiobacillus ferrooxidans
Fig. 2 Increase in the concentration of dissolved P (P2O5) in cultures of phosphate-solubilizing microorganisms from poultry bones by Bacillus megaterium and Acidithiobacillus ferrooxidans
Wyniki badań
Na rys. 2 przedstawiono porównanie solubilizacji fosforu z kości
drobiowych przy udziale Bacillus megaterium i Acidithiobacillus
ferrooxidans. Mikroorganizmy te różnią się mechanizmem solubilizacji. Pierwszy szczep produkuje kwasy organiczne, a drugi
kwas siarkowy. Zaobserwowano, że wykorzystanie A. ferrooxidans
pozwala na uzyskanie dwa razy większych stężeń P2O5 w pożywce.
Jest to wynik działania na kości dużo mocniejszym kwasem, jakim
jest kwas siarkowy, w porównaniu z kwasami organicznymi produkowanymi przez B. megaterium. Wykorzystanie kwasu siarkowego
do roztwarzania kości nie jest tematem nowym, lecz w przedstawionym przypadku kwas siarkowy był metabolitem mikroorganizmów.
Konwencjonalnie stosowany jest kwas siarkowy.
Uzyskane wyniki pokazują możliwość zastosowania różnych
mikroorganizmów w zależności od potrzeby uzyskania preparatu
o szybszym lub spowolnionym uwalnianiu składnika. Preparaty
wytworzone na bazie B. megaterium mogą uwalniać fosfor związany
w strukturze apatytowej w dłuższym wymiarze czasu dla roślin, które
potrzebują fosforu przez cały okres wzrostu. Natomiast A. ferrooxidans
może być stosowany w uprawach roślin o zwiększonych wymaganiach
odżywczych.
Podsumowanie
Obecnie prowadzone badania w Instytucie Technologii
Nieorganicznej i Nawozów Mineralnych Politechniki Wrocławskiej
pokazują, że Bacillus megaterium i Acidithiobacillus ferooxidans
solubilizują fosfor z hydroksyapatytu, będącego głównym składnikiem kości, uzyskując wzrost stężenia rozpuszczalnego fosforu.
Wykorzystanie szczepu A. ferrooxidans daje dwa razy większe stężenie
rozpuszczonego fosforu w takim samym czasie.
958
2
Przedstawiona koncepcja umożliwia wykorzystanie mikroorganizmów do roztwarzania niskiej jakości surowców fosforowych, postrzeganych obecnie jako odpady bardzo często trudne do zagospodarowania. Bakterie i grzyby mają naturalną zdolność do produkcji kwasów
organicznych, które z kolei mogą być wykorzystane do roztwarzania
niedostępnych form fosfor.
Praca finansowana z projektu MNiSW nr N N209 117237 pt.
„Alternatywna metoda wytwarzania nawozów fosforowych za pomocą
biologicznego roztwarzania surowców niskiej jakości” i przez Unię
Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
Otrzymano: 10-04-2012
LITERATURA
1. G.M. Filippelli, Chemosphere 2011, 84, 759.
2. European Commission, Council Regulation (EEC) nr 2092/91 z 24 czerw­
ca 1991 r. Organic production of agricultural products and indications
referring thereto on agricultural products and foodstuffs.
3. A. Demirbaş, Y. Abalı, E. Mert, Resour. Conserv. Recy. 1999, 26, 251.
4. B. Sundara, V. Natarajan, K. Hari. Field Crops Res. 2002, 77, 43.
5. N.P Stamford, P.R. Santos, A.M. Moura. Sci. Agric. 2003, 60, 767.
6. N. Vassilev, M. Vassileva, Appl. Microbiol. Biotechnol. 2003, 61, 435.
7. R. Ivanova, D. Bojinova, K. Nedialkova, J. University Chem. Technol.
Metal. 2006, 41, 297.
8. A.A. Khan, G. Jilani, M.S. Akhtar, S.M.S. Naqvi, M. Rasheed, J. Agric.
Biol. Sci. 2009, 1, 48.
9. D. Bojinova, R. Velkova, R. Ivanova, Bioresour. Technol. 2008, 99, 7348.
10. L. Xu, R. Liu, D. Li, S. Tu, J. Chen, Food Chem. 2011, 126, 911.
11. C.J. Dawson, J. Hilton, Food Policy 2011, 36, S14.
12. T. M. Bhatti, W. Yawar, Hydrometallurgy 2010, 103, 54.
13. M.L. Cayuela, T. Sinicco, C. Mondini, Appl. Soil Ecol. 2009, 41, 118.
14. M. Labuda, A. Saeid, K. Chojnacka, H. Górecki, Przem. Chem. 2012,
91, nr 5, 837.
91/5(2012)