Biostimulanty nebo biosimulanti? Mohou být mikrobiální preparáty prospěšné nejen ve výživě rostlin?

26. 07. 2024 Doc. Ing. Martin Kulhánek, Ph.D. a kol. Stimulace Zobrazeno 419x

V éře narůstajícího tlaku na zemědělské výrobní systémy vyplývajícího ze změny klimatu, rostoucí lidské populace a potřeby ochrany přírodních zdrojů hledají vědci, farmáři a průmysloví lídři udržitelné způsoby, jak zvýšit produktivitu a zdraví rostlin. V tomto kontextu nabývají na významu biostimulanty - látky a materiály přírodního původu, které stimulují přirozené procesy rostlin, podporují jejich růst a zlepšují příjem živin.

Tento článek se zaměří na jejich rozdělení, mechanizmy účinku, praktické využití a výhody. Jak již ale název článku napovídá, nemalá pozornost bude věnována i možným rizikům použití biostimulantů ve výživě rostlin.

Co jsou biostimulanty?

Jedním z potenciálních rizik hned začneme, protože biostimulanty jsou legislativně ukotveny celkem nově, a je zde stále řada nejasností. Proto může snadno dojít ke špatné interpretaci vedoucí i k nevhodné aplikaci.

Většina definic biostimulanty charakterizuje následovně: jsou to látky nebo mikroorganizmy, které v případě aplikace na rostliny, semena, půdu nebo substrát, podporují přirozené procesy rostlin vedoucí k lepším růstovým podmínkám a zvýšené odolnosti vůči stresu. Tyto produkty mohou zlepšit využití živin, stimulovat růst kořenů, zvýšit odolnost proti abiotickému stresu, a podporovat celkové zdraví rostlin.

Rozdělení biostimulantů

Biostimulanty se dají klasifikovat podle jejich původu, složení a způsobu účinku. Mezi hlavní kategorie patří:

• humátové biostimulanty,
• biostimulanty na bázi mořských řas,
• mikrobiální biostimulanty,
• proteinové hydrolyzáty a aminokyseliny,
• ostatní (chitosan, peptidy, oligosacharidy aj.).

Mechanizmy účinku biostimulantů

Zlepšení příjmu živin

Biostimulanty zvyšují schopnost rostlin přijímat živiny z půdy tím, že ovlivňují její fyzikálně-chemické vlastnosti a mikrobiální diverzitu (obr. 1). Stimulují tvorbu jemnějších kořenů a zvětšují kořenovou plochu, což usnadňuje přístup k vodě a minerálním látkám. Navíc mohou zlepšovat aktivitu enzymů zapojených do příjmu a metabolizmu živin, což umožňuje rostlinám efektivněji využívat dostupné živiny.

Obr. 1: Ilustrace mikrobiálního společenstva obklopujícího kořeny (ChatGPT, 2024)

Stimulace růstu kořenů

Aktivní složky, jako jsou humáty, auxiny nebo různé mořské řasy, podporují tvorbu kořenového vlášení a zlepšují vývoj kořenového systému. Zdravý a rozvětvený kořenový systém potom rostlinám kromě zmíněného lepšího příjmu živin a vody pomáhá rovněž zvládat stres v nepříznivých podmínkách (zejména sucho).

Zlepšení fotosyntézy

Biostimulanty mohou optimalizovat fotosyntetickou aktivitu rostlin tím, že zvyšují koncentraci chlorofylu v listech nebo podporují otevírání a zavírání průduchů, což zlepšuje výměnu plynů. To vede k efektivnějšímu využití světelné energie a oxidu uhličitého pro syntézu cukrů a dalších organických sloučenin, což zvyšuje růstový potenciál a výnosy rostlin.

Posílení odolnosti vůči stresu

Zvyšování odolnosti rostlin proti abiotickému stresu (např. suchu, teplotním extrémům, zasolenosti půdy) i biotickému stresu (např. patogenům, škůdcům) je jedním z dalších možných způsobů využití biostimulantů. Děje se tak mj. prostřednictvím podpory produkce obranných látek, jako jsou antioxidanty, které pomáhají neutralizovat volné radikály a ochranné bílkoviny, jež zvyšují rezistenci vůči patogenům a škůdcům.

Podpora imunitního systému rostlin

Biostimulanty mohou aktivovat obranné mechanizmy rostlin tím, že stimulují produkci signálních molekul, které jsou zapojeny do rostlinné imunitní odpovědi. Tyto molekuly pomáhají rostlinám rychleji a efektivněji reagovat na napadení patogeny nebo na přítomnost škůdců. Dále mohou zvyšovat produkci fytoalexinů, což jsou antimikrobiální látky, jež přispívají k ochraně rostlin před různými patogeny.

Z výše uvedeného textu jasně vyplývá, že se jednotlivé kategorie prolínají a biostimulanty komplexně mohou představovat důležitý nástroj pro podporu zdraví a výkonnosti rostlin, umožňují lepší využití dostupných zdrojů a zvyšují odolnost rostlin vůči stresovým faktorům. Jejich použití je součástí integrovaného přístupu k pěstování rostlin, který zdůrazňuje udržitelnost a minimalizaci negativních dopadů na životní prostředí.

Podle mnohých literárních zdrojů si tak biostimulanty v zemědělství můžeme představit jako superhrdiny, kteří spasí svět. V oblasti informačních technologií je za podobného superhrdinu považována umělá inteligence. Z toho vznikla idea propojit v předloženém článku biostimulanty s umělou inteligencí. Výsledkem jsou obrázky 1, 2 a 3, kde obrázek 2 představuje právě superhrdinu biostimulanta a obrázek 3 situaci, kdy jde rostlina ruku v ruce s mikrororganizmy.

Obr. 2: Představa umělé inteligence o efektivitě biostimulantů (ChatGPT, 2024)

Obr. 3: Ilustrace spolupráce rostliny s mikroorganizmy (ChatGPT, 2024)

Možnosti využití jednotlivých skupin biostimulantů

Jako perspektivní se ukazuje aplikace huminových kyselin přímo na rostlinu (foliárně, máčení kořenů). V těchto případech byl prokázán přímý pozitivní vliv na růst rostlin. V půdě došlo i ke zlepšení její struktury v podobě zvýšení stability půdních agregátů. To pomáhá udržovat vlhkost a usnadňuje průchod vzduchu. To je obzvláště důležité pro kořenový růst a zdraví rostlin. Fulvokyseliny se vyznačují vysokou schopností chelatace, díky čemuž mohou zvyšovat dostupnost a využití živin pro rostliny, například zlepšením příjmu železa a dalších mikroelementů.

Extrakty z mořských řas jsou bohaté na růstové stimulátory, vitamíny, aminokyseliny a mikroživiny. Jako konkrétní příklad lze uvést řasu Ascophyllum nodosum. Tento druh mořské řasy je často využíván právě pro své bioaktivní látky. Aplikace extraktu z Ascophyllum nodosum může zlepšit klíčení semen, stimulovat růst kořenů a zvýšit odolnost rostlin proti abiotickému stresu.

Mikrobiální biostimulanty jsou zřejmě nejširší skupinou. Mezi ně lze zařadit bakterie a mykorhizní houby, které interagují s rostlinami a podporují jejich růst prostřednictvím dříve zmíněných mechanizmů. Mezi již osvědčené patří tzv. hlízkové bakterie Rhizobium spp., napomáhající rostlinám poutat vzdušný dusík. Dalším velmi perspektivním biostimulantem jsou symbiotické mykorhizní houby, které v podstatě „prodlužují“ rostlinné kořeny. Všeobecně platí, že hyfy hub dokážou pokrýt až neuvěřitelný prostor. Bylo prokázáno, že jediná houba druhu Armillaria ostoyae pokryla svým myceliem rozlohu 2,4 km² (240 ha!). Kromě Rhizobií a symbiotických hub jsou v současnosti testovány takzvané asociované bakterie a houby. Jsou to mikroorganizmy přirozeně žijící v těsné blízkosti kořenů a v mnoha případech napomáhající příjmu živin. Jejich aplikace nebo podpora v půdě by tak mohla pozitivně ovlivnit výnosy i kvalitu produkce. Některé příklady najdete v tabulce 1. Záměrně je zde uvedeno jen testování v provozních podmínkách, neboť výsledky laboratorních testů i nádobových pokusů nemusejí odrážet reálnou situaci v praxi.

Proteinové hydrolyzáty a aminokyseliny jsou biostimulanty, které přímo ovlivňují metabolické procesy v rostlinách, podporují růst, odolnost stresu a efektivitu využívání živin. Jedním z příkladů je zlepšení odolnosti proti stresu, kde aplikace aminokyselin prolinu nebo glycinu pomohla rostlinám překonat stres způsobený suchem nebo vysokou salinitou půdy. Dalším příkladem je podpora fotosyntézy, při které aminokyseliny mohou zvýšit fotosyntetickou aktivitu a energetickou efektivitu rostlin.

Do kategorie ostatních biostimulantů patří široká škála látek, včetně chitosanu, peptidů, oligosacharidů a dalších, které mají specifické účinky na růst a zdraví rostlin. Chitosan získávaný z krunýřů korýšů, má fungicidní a indukční účinky na obranyschopnost rostlin. Aplikace chitosanu může zvýšit odolnost rostlin vůči některým patogenům. Dalším potenciálním biostimulantem jsou křemičitany. Ačkoli křemík není tradičně považován za nezbytnou živinu, aplikace rozpustných forem křemíku může zlepšit pevnost buněčných stěn, což rostlinám pomáhá odolávat napadení škůdci a chorobami.

Tab. 1: Vliv bakteriálních nebo houbových biostimulantů na růst rostlin (převzato a upraveno z Kulhánek et al. 2023)

Rizika spojená s použitím biostimulantů

Termín biostimulanti v názvu článku má své opodstatnění. Kdyby biostimulanty fungovaly dle principů, které jsou uvedeny výše, pravděpodobně by jimi trh byl už dávno zaplaven. Stejně jako umělá inteligence (možná jste si všimli chyb v textu a obr. 2), i biostimulanty mají své nedostatky. A není jich zrovna málo. Mezi ty hlavní lze zařadit následující:

Konkurence o živiny s rostlinami

Prezentované výhody biostimulantů se snadno mohou otočit v nevýhody. Aplikované mikroorganizmy se v půdě pochopitelně snaží přežít. K tomu potřebují přibližně stejné živiny jako rostlina, a proto namísto spolupráce může dojít i ke vzájemné kompetici. To bylo prokázáno například u biostimulantů podporujících růst kořenů. Mikroorganizmy podpořily růst kořenového vlášení právě tím, že ochudily půdní roztok o živiny. Rostlina pak hledala zdroj živin právě prostřednictvím vyšší tvorby kořenů. Tato skutečnost ovšem nemusí být v zásadě nevýhodou, neboť rostliny s hustší kořenovou sítí jsou více odolné proti suchu.

Kompetice s ostatními půdními organizmy

V půdě je prostředí, které se vyvíjelo miliony let. Proto mohou mít nově introdukované mikroorganizmy značnou nevýhodu v boji o přežití. Dále zpravidla platí, že na jedné kávové lžičce půdy je tolik mikroorganizmů, kolik je obyvatel na planetě. Ekonomicky únosné aplikační dávky biostimulantů jsou tak nesrovnatelně nižší v poměru s přirozenou půdní mikroflórou. Logicky tak celkem snadno může dojít k likvidaci introdukovaných mikroorganizmů těmi přirozeně se vyskytujícími. Aplikace biostimulantů obsahujících specifické druhy mykorhizních hub může rovněž narušit existující symbiotické vztahy mezi rostlinami a původními druhy hub v půdě. Tato nerovnováha potlačuje růst některých rostlin tím, že omezuje jejich přístup k přirozeným symbiotickým partnerům.

Selhání v nepřirozených podmínkách

Využití humátových biostimulantů ve velmi kyselých půdách může být méně efektivní, protože nízké pH může omezit jejich schopnost zlepšovat strukturu půdy a podporovat příjem živin. Přírodní účinnost humátových kyselin je tak v extrémních podmínkách redukována. Podobně to platí v případě aplikace mikrobiálních biostimulantů do půdy, která je odlišná od jejich přirozeného prostředí. Týká se to především pH a struktury půdy. Významnou roli hraje i přítomnost kořenů rostlin. Většina mikrobiálních biostimulantů je založena na kooperaci s kořeny. Jejich aplikace v době, kdy rostliny ještě nezakořeňují (před nebo zároveň se setím), je tak často neefektivní.

Vyvolání stresu u rostlin

Mezi faktory vyvolávající stres patří mj. už zmíněná kompetice o živiny. Nadměrná aplikace biostimulantů obsahujících aminokyseliny může rovněž vyvolat stresovou reakci u rostlin, zvláště pokud je koncentrace některých aminokyselin příliš vysoká. To může vést k inhibici růstu nebo dokonce k poškození rostlinných pletiv.

Nekonzistentní účinky

Použití extraktů z mořských řas vykazuje v různých pěstebních podmínkách variabilní účinky. Zatímco na jedné lokalitě může aplikace těchto biostimulantů výrazně zlepšit růst rostlin, v jiné následuje minimální nebo žádný efekt kvůli odlišnému složení půdy nebo klimatickým podmínkám.

Vysoké ekonomické náklady

V současné době jsou prozatím známy základní pilíře výnosu. Nová opatření, včetně biostimulantů, vedou spíše k jejich stabilizaci a zvýšení výnosu se pohybuje řádově v rámci jednotek procent. Je tak celkem pravděpodobné, že ke zvýšení výnosu o pár procent povedou náklady řádově vyšší. Dále většinou platí, že proces vývoje a certifikace nových mikrobiálních biostimulantů je finančně náročný, což zvyšuje cenu těchto produktů na trhu.

Otázka legislativní regulace

Nedostatek jasné legislativní regulace pro biostimulanty může vést k nejistotě ohledně kvality a bezpečnosti produktů. Například v Evropské unii se právní rámec pro biostimulanty teprve formuje, což může vést k různým interpretacím kvality a efektivity mezi státy.

Nadhodnocení

Jistě jste se již setkali s publikacemi, kde jsou některé z biostimulantů představovány jako zázračné. Příčin může být několik. Jednou z nich je pochopitelný zájem producentů a distributorů prodat svůj výrobek. Ke zkreslení ale dochází i ve vědecké literatuře. Ve vědeckých časopisech je mnohem jednodušší publikovat průkazné výsledky. Na jeden publikovaný pozitivní výsledek tak mohou připadat desítky nepublikovaných neprůkazných výsledků. Další zkreslení pochází z laboratorních a nádobových pokusů v řízených podmínkách. Zde se průkazných výsledků dosahuje mnohem lépe než v podmínkách provozních. V neposlední řadě lze jmenovat nevhodně založené pokusy. Příklad: v případě, že je biostimulant aplikován ve vodném roztoku, měla by být na kontrolní variantu aplikována samotná voda ve stejném množství. Nelze pak posoudit, zda přírůstek výnosu pramení z přídavku biostimulantu nebo jen vydatnější zálivky v kritickém momentu vývoje rostliny.

Souhrn

S praktickým využitím biostimulantů, i přes jejich možnou perspektivu do budoucna, je spojeno stále více otázek než odpovědí. Proto je v případě zájmu lepší volit spíše obezřetnost, aby nedošlo k jejich proměně v biosimulanty.

Celkově lze doporučit následující:

• nejprve otestovat biostimulanty na menší ploše a až v případě pozitivních výsledků jejich využití rozšířit,
• více než u jiných přípravků respektovat doporučení výrobce,
• informovat se o původu a principu účinku z důvodu volby vhodných podmínek,
• čekat spíše stabilizaci výnosů a jejich mírné zvýšení než jejich prudký nárůst,
• zvolit vhodné plodiny pro daný biostimulant.

Podobně jako o umělé inteligenci platí i pro biostimulanty následující: ačkoliv jsou stále v počátcích vývoje, mohou v budoucnosti představovat rozhodující nástroje k posunu lidstva kupředu.

Použitá literatura je k dispozici u autorů.

Doc. Ing. Martin Kulhánek, Ph.D., Ing. Jindřich Černý, Ph.D., Ing. Ondřej Sedlář, Ph.D., Prof. Ing. Jiří Balík, CSc., dr. h. c., Ing. Kryštof Stýblo; Česká zemědělská univerzita v Praze

Příspěvek vznikl za podpory projektu pro specifický výzkum (S Grant, MŠMT).