A kén talajbeli körforgásának mikrobiológiája

A mûtrágyázási szokásokban beállt változások, valamint az egyre szigorodó környezetvédelmi elõírások hatására Európa számos mezõgazdasági területén a kén visszapótlásával is számolniuk kell már a gazdálkodóknak. Eddig Magyarországon nem okozott különösebb fejtörést a tápanyagellátással foglalkozó szakemberek számára a kén pótlásának kérdése, mára azonban idehaza is egyre nagyobb területeken kell felkészülnünk a kénnel folytatott tápanyagellátásra. Ez számos „tudomány” egyidejû alkalmazását követeli meg a növényélettani vonatkozásokon túl a kén talajbeli körforgalmának ismeretéig.

A kén rendkívül fontos makroelem. A nitrogént, a foszfort és a káliumot követõen a 4. legnagyobb mennyiségben található alkotóeleme a növényi szervezetnek. Esszenciális tápelem, mely közvetlenül, vagy közvetve számos növényi és állati életfunkcióban szerepet játszik és alapvetõ kihatással van a mennyiségi- és minõségi mutatók alakulására.

Termesztett növényeink kénigénye meglehetõsen eltérõ, de kijelenthetjük, hogy valamennyi növényünk számára alapvetõ jelentõségû a megfelelõ kénellátás. A magas fehérjetartalmú pillangósok, illetve a keresztesvirágúak megfelelõ kénellátottságához a gabonák kénigényének többszörösére van szükség.

Legnagyobb kénigénnyel talán az õszi káposztarepce bír.

Az õszi káposztarepce vetésterületének növekedése, valamint a növény magas kénigénye következtében várhatóan egyre több és egyre nagyobb területeken látunk majd a jövõben kénhiányra utaló sárgulásokat. Az õszi káposztarepce kénigénye elérheti akár az évi 30–80 (90) kg/ha-os értéket is. Ez mintegy duplája kalászos gabonáink kénszükségletének.

Kénhiány esetén a repcenövények növekedése lassul, tartásuk merevvé válik, színük klorotikusra vált. Az állomány „bozontos” benyomást kelt.

A gabonafélék kénhiányára is jellemzõ tünetek legelõször a tábla lazább talajú részein jelentkeznek rendszertelen alakú, tónusukat vesztett, a nitrogén hiányára emlékeztetõ foltok formájában. A hiánytünetek alapján így nagy valószínûséggel nitrogénhiányra fog asszociálni a gazda. Kénhiány esetén a kiegészítõ nitrogén fejtrágyázás hatására a tünetek nem enyhülnek, sõt a táguló N:S arány következtében azok erõsödését figyelhetjük meg.

A kénhiányos õszi káposztarepce ellenálló képessége gyengül, gombás fertõzések ütik fel fejüket az állományban. A zavar következtében, azzal egyenes arányban csökken a növények becõszáma és a becõnkénti szemszám.

A kénhiány legobjektívebben növényvizsgálatokkal detektálható. A kifejlett repcelevél száraz anyagra vonatkoztatott megfelelõ kéntartalma az állomány záródásakor, illetve a virágzás kezdetén 0,35 mg/g. A maximális termés letéteményese – amennyiben más faktorok nem limitálják annak kialakulását – 0,65 mg/g S sza. Javasolt a vizsgálatok minél korábbi elvégeztetése, mivel a kén pótlásának hatékonysága az állomány fejlettségével fokozatosan csökken. Jegyezzük meg, hogy a talajvizsgálatok során alkalmazott mérések önmagukban nem alkalmasak a kéntrágyázás szükségességének megítélésére, segítségükkel csupán az esetleges kénhiány lehetõségét tárhatjuk fel.

A gabonafélék kénhiányára jellemzõ tünetek szintén legelõször a tábla lazább talajú részein jelentkeznek rendszertelen alakú, tónusukat vesztett, a nitrogén hiányára emlékeztetõ foltok formájában.

Ezt követõen aszálykárra utaló tünetek jelennek meg, majd a csökkent ellenállóképesség miatt gombás fertõzések (Septoria sp.) ütik fel fejüket az állományban, sötétebb színárnyalatot kölcsönözve a növényzetnek. A kénhiányos búza lisztjébõl készített tészta nyújtási ellenállása nõ, nyújthatósága csökken. A csökkenõ cisztintartalom következtében a sikér diszulfid kötései nem elegendõek a megfelelõ rugalmasság biztosításához és a tészta szívóssá válik. A jelenség maga után vonja a sütõipari értékmérõk romlását és a kenyértérfogat csökkenését.

Külföldi szakirodalmak alapján az õszi búza bokrosodáskor végzett teljes föld feletti hajtás növényvizsgálati eredményei 1,2 mg/g száraz anyagnál alacsonyabb S koncentráció esetén egyértelmûen kénhiányt jeleznek. A maximális termés és minõség eléréséhez szükséges kénmennyiség 3,2–4,0 mg/g S száraz anyagra tehetõ a bokrosodáskori búzanövény teljes föld feletti hajtását vizsgálva.

A talajban a kén szervetlen és szerves formában egyaránt megtalálható. A két forma egymáshoz viszonyított aránya erõsen változó: talajtípustól, mélységtõl és gazdálkodási módtól függõ. Míg a humid régiók talajainak SO42-koncentrációja a 10 mg/kg talajértéket sem éri el, addig szárazabb környezetben (szántóföldi vízkapacitáshoz közeli értéken) mennyiségük meghaladhatja az 1000 mg/kg-os mennyiséget.

Az eltérések a szerves anyag mineralizációjának, az oldható szulfátok kimosódásának, valamint a növényi kénfelvétel, a klíma, a talajtípus és az agrotechnika (talajmûvelés, öntözés-öntözõvíz, mûtrágyázás) különbségeibõl adódnak. A szabad szulfátoknak fõleg kationokkal alkotott (Na+, K+, Mg2+, Ca2+) vízoldható sói, valamint a fõleg amorf anorganikus Al3+-nal kapcsolódó oldhatatlan szulfátok mellett – mely kiteheti egyes talajok összes kimutatható szulfáttartalmának mintegy 90%-át – jelentõs az 1:1 agyagásványok, valamint az Al- és Fe-oxidok (oxihidrátok) felületén adszorbeált szulfátmennyiség is. A szulfátionok kötõdése a talajkolloidokhoz azonban meglehetõsen gyenge, így a nitrátionokhoz hasonlóan különösen laza talajokon könnyen kimosódhatnak.

A talajok kénforgalmát (1. ábra), tekintve alapvetõ jelentõségû a talaj kéntartalmának a növények által felvehetõ részét képezõ, vízben oldható szulfáttartalma.

A talaj szerves anyaga, a talajba bejutó és bevitt növényi maradványok, szerves trágyaanyagok a mineralizáció során a talajtani jellemzõktõl, a mikroflóra összetételétõl és aktivitásától függõen elõször rövidebb szénláncú egységekre szakadnak, majd szervetlen vegyületekre, köztük szulfátokra tagolódnak. A talaj szerves kötésben található kéntartalmának ily módon való feltáródása évi 2%-ra tehetõ. Durva becsléssel ez a talaj felsõ 30 cm-es rétegében 5% szervesanyag-tartalom mellett, ha 0,5% kéntartalommal számolunk évi 15 kg/ha-os feltáródást jelent, mely önmagában aligha elég termesztett növényeink kénigényének kielégítésére. A szerves trágyaanyagok által talajainkba juttatott kénmennyiség sem haladja meg a 10 kg S/ha-os mennyiséget.

A kén biológiai körforgalmában a talajbiota központi jelentõségû. A talajba jutott, juttatott, illetve ott található kénvegyületeket a mineralizáció során kénhidrogénné alakítják a lebontó szervezetek. A talaj kénhidrogénje, és egyéb redukáltsági fokú kénvegyületei szintén mikrobiológiai hatásra, a növények számára felvehetõ szulfáttá oxidálódhatnak, melynek egy része a talajok adszorpciós komplexumához kötõdhet, illetve mélyebb rétegekbe mosódhat. Az átalakított szulfát bizonyos hányada a mikrobák testépítõ folyamataihoz használódik fel. Anaerob körülmények között az elõzõ reakciók ellentéte játszódik le. A kéntartalmú vegyületeket más mikrobaközösségek redukálják, kivonva ezeket bizonyos idõre a körforgalomból. Ezen „poolból” megfelelõ körülmények között, döntõen mikrobiológiai hatásra a kén ismét visszajuthat a körforgalomba. A szulfátredukáló baktériumok közremûködnek a természetes kénlerakódások létrejöttében, szerepük meghatározó a nem magmás eredetû szulfidércek kialakulásában és településében is. Az összefüggéseket a 2. ábra szemlélteti.

A kénforgalomban szerepet játszó mikroorganizmusok száma meglehetõsen nagy (1. táblázat), az általuk katalizált reakciók pedig sokrétûek. A ciklus számos fizikai, kémiai és biológiai folyamat eredõjeként válik egésszé, melynek számos mozzanata mindezidáig kellõképpen még fel nem tárt. Alapjaiban két nagy reakciósort különíthetünk el: a különbözõ redukáltsági fokú kénvegyületek oxidációját, valamint a redukciós folyamatokat.

A természetben elõforduló ásványok közül a szulfidok (pirit, kalcopirit, pirrhotit) és a szulfátok (gipsz, barit) kémiai bomlásáért is mikroorganizmusok (legnagyobb számban baktériumok) tehetõk felelõssé. Az általuk katalizált reakciók által (1. táblázat) elõsegítik a kénvegyületek oxidációját, melyet azok oldódása, növények számára felvehetõvé válása követ. Heterotróf mikroorganizmusok is képesek redukált kénvegyületek oxidációjára, azonban az obligát, vagy fakultatív kemolitotróf és fototróf mikroorganizmusok tevékenysége jár együtt nagyobb mennyiségû anyagátalakítással. Ez utóbbi baktériumok köre a Thiobacillus, Thiomicrospira génuszokra korlátozódik, valamint a Beggiatoa génusz egyes fajaira, melyek többsége heterotróf, illetve mixotróf anyagcserét folytat. Egyes kutatások alapján ezen fajok jelenléte kedvezõ körülmények között akár hatszorosára is gyorsíthatja a kéntartalmú ásványok bomlását speciális enzimjeik segítségével. Az átalakulás fontosabb lépcsõit az 3. ábra mutatja be.

Az egyes fajok alkalmazása igen sokoldalú. A mikrobiológiai bányászat, azaz a hidrometallurgia mellett radioaktív anyagokkal szennyezett építmények megtisztítására is használnak kénbaktériumokat. Míg Rethmeier (1997) kutatásaiban galvániszapok réztartalmát vonják ki egy speciálisan erre a célra készített biofermentorban, Löffler (1998) ugyanakkor hulladékgumi kéntartalmát hasznosítja velük. Franciaországban Thiobacillus denitrificans segítségével végzik néhány tengeri akvárium nitráttalanítását is.

 

Az oxidációra képes autotróf mikroorganizmusok közül a talajokban legnagyobb jelentõséggel a Thiobacillus génusz tagjai – Thiobacillus thiooxidans, Th. thioparus, Th. ferrooxidans, Th. novellus, Th. intermedius, Th. perometabolis, Th. denitrificans, Th. coproliticus, valamint Baj (1993) által izolált Th. capsulatus, Th. cuprinus, Th. halophilus, Th. hydrothermalis, Th. plumbophilus és Th. prosperus – bírnak. A 0,5 µm vastag és 1-4 µm hosszú Gram-negatív pálcikák magányosan, párban, vagy láncokban fordulnak elõ. Aerob, vagy fakultatív aerob baktériumok, melyek többsége egy poláris csillóval mozog. A génuszba tartozó két fontosabb faj fõbb jellemzõit a 2. táblázat mutatja be.

Az említett baktériumokkal, azok talajbeli mûködésének tanulmányozásával Meyer (1864), Bechamp (1868), Jegunov (1896) óta számos kutató foglalkozott. Moser és Olson (1953) vizsgálatai alapján a fentebb említett baktériumokkal bíró talajba kevert elemi kén annál gyorsabban oxidálódott, minél nagyobb volt a talaj agyagtartalma és legintenzívebb akkor volt, mikor a talaj nedvességtartalma lényegesen felülmúlta a minimális vízkapacitásnak megfelelõ értéket. Kittams (1963) felhívja a figyelmet, hogy a különbözõ talajok jelentõsen különbözhetnek kénoxidáló képességükben. Ezeket a talajokat Thiobacillus-okkal beoltva minden esetben az oxidáció erõsödését figyelhetjük meg. Vizsgálatai alapján a hõmérséklet emelkedése 40°C-ig minden esetben fokozta az oxidáció intenzitását, mely leggyorsabban a szántóföldi vízkapacitáshoz közeli nedvességtartományban és savas viszonyok mellett megy végbe. Az alkalmazott kénpor finomsága az exponált felület nagyságán keresztül alapvetõ jelentõségû az átalakulás dinamikájában. A részecskeméret és az oxidáció gyorsasága közötti erõteljes összefüggést Sholeh et al. (1997) laboratóriumi kísérletei is alátámasztják kiemelve ugyanakkor az egyéb tápanyagoknak – kiemelten a foszfornak – a Thiobacillus ferrooxidans szaporodására és ezáltal az elemi kén oxidációjára kifejtett erõteljes pozitív hatását.

Számos kísérlet foglalkozik az elemi kénnek, mint trágyaanyagnak a felhasználásával. Oxidáló szervezetekkel beoltva, vagy anélkül vizsgálják különbözõ növényeink termésének kvalitatív és kvantitatív paramétereire gyakorolt hatását.

Attia és Dosuky (1996) meszes-homokos talajon végzett szántóföldi kísérlet keretében bizonyítja, hogy szerves trágya, nitrogén és Thiobacillus ssp.-vel beoltott elemi kéntrágyázás hatására az õszi búza hozama és tápelemtartalma egyaránt nõtt. Hasonló eredményre vezettek Shinde et al. (1996) zödségfélékkel végzett tenyészedényes kísérletei is. Arkansasban Slaton et al. (1998) alkalikus homoktalajon rizzsel (Oryza sativa) végzett kísérleteiben is a kéntrágyázás egyértelmû kedvezõ hatásairól számol be. A rizs termésmennyisége 7%-kal növekedett, ellenállósága a kezelés hatására nõtt.

A szinte megszámlálhatatlan kísérlet, pozitív kutatási eredmény mind a téma egyre fokozódó aktualitását jelzi.

Gazdásztársadalmunk számára nem az lesz a kérdés, hogy szükséges-e a kénpótlás, hanem az, hogy azt milyen formában (elemi kén, vagy szulfát) és módon (közvetlen felvehetõ formában, vagy a talaj természetes folyamatait kihasználva) tesszük. Ennek megítélése összetett, számos ismeret egyidejû alkalmazását megkívánó feladat, mely nem nélkülözheti a gyakorlati szempontokat sem. Bízunk benne, hogy jelen cikk egyfelõl praktikus mankót nyújt a hiánytünetek detektálásához és a növényvizsgálati eredmények értelmezéséhez, másfelõl elegendõ lexikális ismeretet ad át a probléma iránt érdeklõdõ és megoldást keresõ gyakorló gazdásztársunk számára a probléma továbbgondolásához.



Dr. Kalocsai Renátó1–Dr. Schmidt Rezsõ2

–Dr. Szakál Pál2–Giczi Zsolt1

1UIS Ungarn Laborvizsgálati és Szolgáltató Kft, Mosonmagyaróvár, 2Nyugat-Magyarországi Egyetem, Mezõgazdaság-és Élelmiszertudományi Kar,

Mosonmagyaróvár

Felhasznált irodalom:

Bloem, E.–Paulsen, H.M.–Schnug, E. (1995): Schwefelmangel nun auch in Getreide. DLG-Mitteilungen, 8:18–19.

Ericksen, J. (1994): Soil organic matter as a source of plant avialable sulfur. Norwegian J. Agric. Sci.: Suppl. 15:28–149.

Hekstra, A. (1996): Sustainable Nutrient Management in Agriculture. Nutrient limited yield. HANDICOM, Netherland p. 104–109.

Junius, M.M. (1979): Alchimia verde –Spagyrica vegetale. Roma

Kajdi, F. (2000a): A „minõség” szerepe a búza termesztésében (I.). Növényvédelmi Tanácsok, Mosonmagyaróvár 9:11, 8-9.

Kajdi, F. (2000b): A „minõség” szerepe a búza termesztésében (II.). Növényvédelmi Tanácsok, Mosonmagyaróvár 9:12, 19-23.

Kalocsai, R.–Schmidt, R.–Földes, T.–Szakál, P. (2002): Az elemi kén talajbeli oxidációjának vizsgálata. Acta Agronom. Óváriensis 44:1, p. 19–28.

Kalocsai, R.–Schmidt, R.–Földes, T.–Szakál, P. (2002): Az elemi kén és a baktériumos talajoltás hatása a talaj kémhatására. VIII. Ifjúsági Tud. Fórum. Veszprémi Egyetem Georgikon Mezõgazdaságtudományi Kar Keszthely 2002. márc. 28.

Kalocsai, R.–Schmidt, R.–Szakál, P. Kerekes, G. (2000): A kén – a környezetszennyezõ esszenciális makroelem (szemle) Acta Agronomica Óváriensis 42:2,261–286.

Kalocsai, R.–Schmidt, R. (2002): Az elemi kén, valamint a baktériumos (Thiobacillus sp.) talajoltás hatása a talaj kémhatására és felvehetõ SO42- tartalmára. Acta Agr. Óváriensis 44:1, 3–18.

Patócs, I. (1989): A növények táplálkozási zavarai és betegségei. Agroinform, Budapest

Schnug, E.–Bloem, E.–Haneklaus, S. (2000): Schwefelmangel in Getreide. Getreide 6. Jg. 1:60-61.

Schnug, E.–Haneklaus, S.–Murphy, D. (1993): Impact of sulphur supply on the baking quality of wheat. Aspects of Appl. Biol. 36. Cereal Quality III. p.337–346.

Sjöquist, T. (1994): Mineralization of organic sulphur compounds in soil. Norw. J. Agric. Sci. Suppl. 15:146–178.