ปุ๋ยชีวภาพ: จุลินทรีย์ตรึงไนโตรเจน

สาระน่ารู้เรื่องปุ๋ยชีวภาพ

จุลินทรีย์ตรึงไนโตรเจนในปุ๋ยชีวภาพ

การตรึงไนโตรเจน โดยจุลินทรีย์ เรียกว่า การตรึงไนโตรเจนด้วยชีววิธี (biological nitrogen) จุลินทรีย์ที่ตรึงไนโตรเจน มี 2 กลุ่ม คือ จุลินทรีย์ที่มีภาวะอยู่ร่วมกันกับสิ่งมีชีวิตอื่นและจุลินทรีย์ที่อยู่แบบอิสระ

 

1.จุลินทรีย์ที่มีภาวะอยู่ร่วมกัน (sysbiosis) กับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ

จุลินทรีย์ที่มีภาวะร่วมกับสิ่งมีชีวิตหลายชนิด เช่น ไรโซเบียม (Rhizobium) เป็นแบคทีเรียที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาที่ปมรากถั่ว แฟรงเกีย (Frankia) เป็นแบคทีเรียประเภทแอกติโนไมซีต ที่อยู่ร่วมกับพืชที่มิใช่พืชตระกูลถั่วบางชนิด อะนาบีนา (Anabaena) เป็นแบคทีเรียที่อยู่ร่วมกับแหนแดง แต่สามารถดำรงชีวิตอย่างอิสระและตรึงไนโตรเจนได้ด้วย สำหรับจุลินทรีย์กลุ่มที่มีประสิทธิภาพสูงในการตรึงไนโตรเจนและถูกนำมาผลิตเป็นปุ๋ยชีวภาพเป็นเวลานานแล้ว ได้แก่ ไรโซเบียม

ไรโซเบียม (Rhizobium) เป็นชื่อสามัญของแบคทีเรียกลุ่มหนึ่งที่อยู่ในอันดับ Eubacteriales วงศ์ Rhizobiaceae ปัจจุบันจำแนกเป็นหลายสกุล (genus) ระบบการจำแนกแบคทีเรียกลุ่มนี้ปรับเปลี่ยนเรื่อยมา จากที่เคยใช้ลักษณะพื้นฐาน เช่น ลักษณะสัณฐาน ลักษณะทางเสรี ลักษณะการเจริญเติบโต หรือลักษณะทางพันธุกรรม แต่เนื่องด้วยแบคทีเรียกลุ่มนี้เป็นกลุ่มที่มีลักษณะพิเศษในความจำเพาะเจาะจง (specificity) กับชนิดของพืช ด้านความสามารถในการเกิดปมและตรึงไนโตรเจน ดังนั้นการจำแนกชนิด (species) จึงมักเชื่อมโยงกับพืชชนิดที่ไรโซเบียมสามรถทำให้เกิดปมและตรึงไนโตรเจน เมื่อเป็นเช่นนี้การจำแนกโดยพิจารณาลักษณะความเชื่อมโยงกับพืชตระกูลถั่วจึงมีความสำคัญในแง่ของการนำไรโซเบียมมาใช้ทำเป็นปุ๋ยชีวภาพ การจำแนกชนิดของไรโซเบียมในปัจจุบัน แบ่งออกได้เป็น 6 สกุล (genus) คือ Rhizobium, Bradyrhizobium, Sino rhizobium, Azorhizobium, Mesorhizobium และ Allorhizobium รวมจำนวนชนิด (species) ได้ถึง 48 ชนิด นอกจากการจำแนกในระดับชนิดแล้ว เนื่องจากประสิทธิภาพในการตรึงไนโตรเจนของไรโซเบียมมีความแตกต่างกันไป ระหว่างไรโซเบียมซึ่งอยู่ในชนิดเดียวกัน จึงมีการจำแนกย่อยลงไปเป็นสายพันธุ์ (strains) ซึ่งไรโซเบียมที่มีการเพาะเลี้ยงมาจากแหล่ง (sources) ที่ต่างกัน จะจำแนกเป็นสายพันธุ์ที่แตกต่างกันด้วย เช่น  ที่แยกมาจากปมถั่วเหลืองต่างกัน ก็จะจำแนกออกเป็นอีกสายพันธุ์หนึ่ง ซึ่งโดยปกติจะมีประสิทธิภาพในการตรึงไนโตรเจนไม่เท่ากัน ดังนั้นการนำเอาไรโซเบียมและจุลินทรีย์อื่นๆมาทำเป็นปุ๋ยชีวภาพ จึงต้องจำแนกลงไปเป็นระดับสายพันธุ์ทั้งสิ้น การนับปริมาณเชื้อทีมีประสิทธิภาพในปุ๋ยชีวภาพจึงค่อนข้างยุ่งยาก เพราะต้องนับเฉพาะสายพันธุ์ที่ระบุไว้เท่านั้น ทำให้กระบวนการนับเฉพาะจุลินทรีย์ที่มีในปุ๋ยชีวภาพ ต้องมีขั้นตอนที่แตกต่างจากการนับเชื้อจุลินทรีย์โดยทั่วไป

 

การจำแนกไรโบโซเบียม มีหลายวิธีโดยใช้เกณฑ์ที่แตกต่างกัน เช่น จำแนกตามสัณฐาน สมบัติทางสรีระ ลักษณะทางพันธุกรรม อัตราการเจริญเติบโตหรือตามกลุ่มของพืชตระกูลถั่วที่เกิดปม (cross – inoculation group) เนื่องจากไรโซเบียมมีความจะเพาะเจาะจงกับถั่วที่จะทำให้รากเกิดปมและตรึงไนโตรเจน เช่น Rhizobium meliloti ทำให้ถั่วในกลุ่มอัลฟัลฟาเกิดปมและ Rhizobium japonicum ทำให้ถั่วในกลุ่มถั่วเหลืองเกิดปม ดังนั้นการจำแนกตามกลุ่มของพืชตระกูลถั่วที่เกิดปมไรโซเบียม จึงเป็นประโยชน์ในแง่การใช้ปุ๋ยชีวภาพ

การเกิดปมรากและการตรึงไนโตรเจน สำหรับไรโซเบียมที่มีอยู่เดิมในดิน (indigenous rhizobium) หรือจากการใส่เชื้อ (inoculation) เริ่มตอบสนองต่อสารฟลาโวนอยด์ (flavonoid) และไอโซฟลาโวนอยด์ (isoflavonoid) ที่ถูกขับออกมาจากรากถั่ว สารดังกล่าวจะกระตุ้นกลุ่มยีนที่ควบคุมกระบวนการเกิดปมหรือเรียกว่า nod genes (nodulation genes) ของไรโซเบียมให้ผลิต “Nod factor “ อันจำเป็นสำหรับการกระตุ้นการเกิดและพัฒนาปมรากของพืชให้อาศัย รากถั่วตอบสนองต่อ Nod factor โดยเพิ่มขนราก ม้วนหรืองอปลายขนราก จากนั้นไรโซเบียมก็จะแทรกตัวเข้าไปในรากพืช โดยสร้าง infection thread เป็นเส้นทางสำหรับการแทรกเข้าไปในเซลล์ของเนื้อเยื่อชั้นผิวและคอร์เท็ก Infection thread จะแตกแขนงคล้ายเส้นใยของราแทรกเข้าไปในเซลล์ของคอร์เท็ก ช่วงนี้เซลล์ของคอร์เท็กจะแบ่งตัวอย่างรวดเร็วและมีขนาดของเซลล์โตขึ้นจนกลายเป็นปมรากโดยสมบูรณ์ จากนั้นเซลล์ไรโซเบียมจะถูกปลดปล่อยออกจาก inflection thread เข้าไปอยู่ในไซโทพลาสซึมโดยมีเยื่อ (membrane) ห่อหุ้มโดยรอบ ไรโซเบียมจะแบ่งเซลล์จำนวนมากในเซลล์ของปมราก แล้วจะค่อยๆเปลี่ยนสภาพจากเซลล์ปกติไปเป็นเซลล์พิเศษที่เรียกว่า แบคทีรอยด์ (bacteroids) ซึ่งสามารถสังเคราะห์เอนไซม์ไนโตรจีเนส (nitrogenase) แล้วตรึงไนโตรเจนได้ การตรึงไนโตรเจนของจุลินทรีย์ เป็นกระบวนการรีดักชันของแก๊สไนโตรเจนให้กลายเป็นแอมโมเนีย โดยมีเอนไซม์ไนโตรจีเนสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา กระบวนการตรึงไนโตรเจนเป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานมาก ในการเปลี่ยนแก๊สไนโตรเจนเพียง 1 โมเลกุลไปเป็นแอมโมเนียต้องใช้พลังงานอย่างน้อยที่สุดจาก ATP 16 โมเลกุล แต่โดยทั่วไปมักใช้ ATP ประมาณ 20-30 โมเลกุล ดังนั้นปัจจัยใดที่มีผลต่อการสังเคราะห์ ATP จึงส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพการตรึงไนโตรเจน เนื่องจากเหล็กและโมลิบดีนัมเป็นองคืประกอบในโครงสร้างของเอนไซม์ไนโตรจีเนส ดังนั้นถั่วต้องได้รับ 2 ธาตุนี้อย่างพอเพียง จึงมีการตรึงไนโตรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากเอนไซม์ไนโตรจีเนสจะรีดิวซ์แก๊สไนโตรเจนให้กลายเป็นแอมโมเนียแล้ว ยังรีดิวซ์แก๊สแอเซทีลีน (acetylene) ให้เป็นเอทิลีน (etylene) ได้ด้วย จึงมีการพัฒนาเทคนิค acetylene reduction assay เพื่อวัดกิจกรรมของเอนไซม์ไนโตรจีเนส หรือ acetylene reduction activity (ARA) โดยใช้เครื่องแก๊สโครมาโตกราฟีวัดปริมาณเอทิลีนที่เกิดขึ้น

 

ปริมาณการตรึงไนโตรเจนและสัดส่วนของไนโตรเจนที่ได้จากการตรึงของถั่วในประเทศไทยมีด้วยกัน 4 ชนิด คือ ถั่วลิสง ถั่วเหลือง ถั่วเขียวผิวมันและถั่วเขียวผิวดำ ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการตรึงไนโตรเจน ได้แก่ สายพันธุ์ไรโซเบียม พันธุ์ของถั่ว อายุการเก็บเกี่ยวของถั่ว และสภาพแวดล้อม เช่น ปริมาณและการกระจายของฝนในฤดูการปลูก สำหรับสัดส่วนขงไนโตรเจนที่ได้จากการตรึงหรือเปอร์เซ็นต์ไนโตรเจนจากบรรยากาศ (%N derived from atmosphere, Ndfa) นอกจากจะขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพการตรึงของถั่วนั้นแล้ว ยังขึ้นอยู่กับปริมาณไนโตรเจนที่เป็นประโยชน์ในดินด้วย ถ้ามีมากไป พืชจะใช้ไนโตรเจนจากดินมาก สัดส่วนที่ได้จากการตรึงก็น้อย นอกจากนี้การใส่ปุ๋ยไนโตรเจนอัตราสูงยังอาจทะให้เกิดปมและการตรึงไนโตรเจนลดลงด้วย ปริมาณไนโตรเจนในพืชทั้งหมดซึ่งมาจากดินและจากการตรึง แบ่งได้เป็น 2 ส่วนคืออยู่ในเมล็ด (seed N) และอยู่ในส่วนอื่นของพืช เนื่องจากมีการนำเมล็ดออกจากพื้นที่ แต่ในต้น ใบและรากจะกลับคืนสู่ดินเมื่อพรวนกลบ สำหรับผลต่างระหว่างปริมาณไนโตรเจนที่ไรโซเบียม – ถั่วตรึงได้กับปริมาณไนโตรเจนในเมล็ด (seed N) เรียกว่าสมดุลไนโตรเจนเมื่อเก็บเกี่ยว (N balance) สำหรับเม็ดถั่วที่มีโปรตีน 20-40 % ปริมาณไนโตรเจนที่ติดไปกับเม็ด 1 ตัน ประมาณ 60 กิโลกรัม หากผลผลิตถั่ว 500 กิโลกรัม/ไร่ ปริมาณไนโตรเจนที่ตรึงได้ต้องมากกว่า 30 กิโลกรัม.N/ไร่ จึงจะมีส่วนเกินกลับคืนสู่ดิน ผลการประเมินการสมดุลของไนโตรเจนในถั่วบางชนิด ได้ผลดังนี้ ถั่วเหลือง-5 ถึง +12 กิโลกรัม.N/ไร่, ถั่วลิสง -5 ถึง +10 กิโลกรัม.N/ไร่ และถั่วลูกไก่ (chickpea) -5 ถึง +12 กิโลกรัม.N/ไร่ ค่าดังกล่าวจะเป็นค่าลบหรือบวกขึ้นอยู่กับปริมาณไนโตรเจนที่ตรึงได้และปริมาณไนโตรเจนที่ติดไปกับเมล็ดดังที่ได้กล่าวไปแล้ว แต่ยังไม่รวมไนโตรเจนในต้น ใบและราก ซึ่งส่วนนี้จะกลับคืนสู่ดินเมื่อพรวนซากพืช ดังนั้นปุ๋ยชีวภาพไรโซเบียมคลุกเมล็ดถั่วก่อนปลูก จะมีส่วนในการเพิ่มสมดุลของไนโตรเจนและเมื่อพรวนกลบซากถั่วหลังจากการเก็บเกี่ยวเมล็ด ย่อมเพิ่มไนโตรเจนส่วนหนึ่งในดินซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อพืชที่จะปลูกตามมา

 

ผลิตภัณฑ์ปุ๋ยชีวภาพไรโซเบียม การปลูกถั่วครั้งแรกในพื้นที่หนึ่ง รากถั่วอาจมีปมน้อย เนื่องจากดินมีจำนวนของไนโซเบียมที่เหมาะกับพืชนั้นน้อยเกินไป แม้ว่าต้นถั่วที่ปลูกจะกระตุ้นให้ไรโซเบียมที่มีอยู่เพิ่มจำนวนขึ้น แต่ไรโซเบียมที่มีอยู่แล้วในดินมักมีประสิทธิภาพต่ำ การคลุกเมล็ดถั่วก่อนปลูกด้วยเชื้อไรโซเบียมสายพันธุ์ที่มีประสิทธิภาพและแข่งขันได้ดี (efficient and competitive strain) จึงมีความสำคัญมาก เพราะทำให้ไรโซเบียมที่มีประสิทธิภาพสูงเพิ่มจำนวนมากขึ้นและไปแข่งกันไรโซเบียมทั่วไปในดิน ซึ่งจะช่วยให้ถั่วมีปมที่รากมากและสามารถตรึงไนโตรเจนได้สูงขึ้น ดังนั้นจึงได้ผลิตปุ๋ยชีวภาพไรโซเบียมสำหรับใช้เฉพาะพืชตระกูลถั่วแต่ละชนิด ที่สำคัญมีอยู่ 3 ชนิด คือ ปุ๋ยชีวภาพไรโซเบียมถั่วเหลือง ถั่วลิสง และถั่วเขียว นอกจากนี้ยังมีผลิตภัณฑ์อื่นๆ เช่น ปุ๋ยชีวภาพไรโซเบียมสำหรับปลุกพืชตระกูลถั่วที่ปลูกเพื่อการบริโภคผลผลิต เช่น ถั่วฝักยาว ถั่วลันเตา ถั่วพุ่ม ถั่วแดงหลวง ถั่วเหลืองฝักสดและถั่วแขก ถั่วที่ปลูกเพื่อบำรุง เช่น ปอเทือง โสนอาฟริกา ถั่วเซนโตรซีมา ถั่วเชอราโตและถั่วเพอราเซีย ไม้ยืนต้นและไม้โตเร็ว เช่น กระถินณรงค์และกระถินเทพา การใช้ปุ๋ยชีวภาพไรโซเบียม คือ การคลุกเมล็ดถั่ว (seed ionculation) อย่างทั่วถึงด้วยไรโซเบียมสายพันธุ์ดีและเหมาะสมกับถั่วนั้น ให้ทุกเมล็ดได้เชื้อไรโซเบียมมีชีวิตติดไปในจำนวนที่มากพอเพื่อให้ต้นถั่วทุกต้นมีปมรากที่ดีจำนวนมาก วิธีใช้ที่ประหยัดและให้ผลดีคือ การคลุกเมล็ดด้วยผลิตภัณฑ์ชนิดผงหรือชนิดเหลวตามอัตราและวิธีการที่แนะนำไว้บนฉลาก นอกจากนี้ยังต้องปฏิบัติตามคำแนะนำว่าด้วยการเก็บรักษาผลิตภัณฑ์และขั้นตอนอย่างเคร่งครัด เพื่อให้เชื้อไรโซเบียมยังคงมีชีวิตทั้งก่อนคลุกเมล็ดและหลังจากหยอดเมล็ดลงหลุมปลูกแล้ว

 

2. จุลินทรีย์ตรึงไนโตรเจนที่ดำรงชีพแบบอิสระ

จุลินทรีย์ตรึงไนโตรเจนแบบอิสระมี 2 ชนิด คือ แบคทีเรียและสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน

 

2.1.แบคทีเรียที่ตรึงไนโตรเจนที่ดำรงชีพแบบอิสระ (free living fixing bacteria)

มีบทบาทในการตรึงไนโตรเจนโดยไม่ต้องอาศัยอยู่ในปมรากพืชตระกูลถั่ว อาจดำรงชีวิตอย่างอิสระในดินหรืออาศัยอยู่กับรากพืชที่ไม่จำเป็นต้องเป็นพืชตระกูลถั่วเท่านั้น จึงพบในบริเวณรากพืชอื่นๆ เช่น พืชตระกูลหญ้าและผักต่างๆ โดยไม่ทำให้เกิดปมราก การเจริญเติบโตในบริเวณรากก็อาจสร้างโคโลนีในดินรอบผิวรากหรือไรโซสเฟียร์ (rhizophere) บนผิวรากหรือแทรกตัวเข้าไปอาศัยอยู่ระหว่างเซลล์ของรากพืช แบคทีเรียที่ดำรงชีวิตในดินนอกบริเวณรากจะตรึงไนโตรเจนได้น้อยมากเนื่องจากมีอาหารไปเลี้ยงไม่เพียงพอ แต่พวกที่อาศัยบริเวณรากพืชมักตรึงไนโตรเจนได้มากกว่า เนื่องจากได้รับสารอาหารต่างๆจากรากพืช แบคทีเรียพวกนี้แบ่งออกเป็น 3 กลุ่ม ตามลักษณะการสร้างโคโลนีกับรากพืช คือ แบคทีเรียในดินรอบผิวราก (rhizophere bacteria) เป็นพวกที่สร้างโคโลนีในดินรอบผิวรากและผิวที่ราก เช่น Azotobacter spp, Beijerinckia spp. สำหรับดินรอบผิวรากหรือไรโซสเฟียร์ หมายถึง ดินที่อยู่ใกล้ผิวรากโดยรอบ ซึ่งรากมีอิทธิพลต่อชนิดและประชากรของจุลินทรีย์ที่มีอยู่ในดินส่วนนั้น กลุ่มที่ 2 คือ แบคทีเรียที่อาศัยในรากแบบไม่แท้ (facuitive endophytes) เป็นพวกที่สร้างโคโลนีที่ผิวรากหรือเจริญอยู่ระหว่างเซลล์ในราก เช่น เช่น Azospirillum spp. และกลุ่มสุดท้าย คือ แบคทีเรียที่อาศัยในรากแท้ (obligate endophytes) เป็นพวกที่สร้างโคโลนีระหว่างเซลล์ในรากเท่านั้น เช่น Azotobacter diazotrophicus, Herbaspillum spp. และ Azoarcus spp. แบคทีเรียตรึงไนโตรเจนที่ดำรงชีวิตอย่างอิสระมีไม่น้อยกว่า 26 สกุล ใน 11 วงศ์ พบในดินทั่วไปแทบทุกสภาพแวดล้อม แม้จุลินทรีย์เหล่านี้จะมีจำนวนมากในดิน แต่ตรึงไนโตรเจนได้น้อยเมื่อเปรียบเทียบกับไรโซเบียมสายพันธุ์ที่มีประสิทธิภาพสูง สำหรับข้อจำกัดที่สำคัญของแบคทีเรียตรึงไนโตรเจนที่ดำรงชีวิตอย่างอิสระ คือไม่มีระบบควบคุมความเข้มข้นของแก๊สออกซิเจนที่มีประสิทธิภาพ เมื่อความเข้มข้นของออกซิเจนสูงเกินไป จะมีผลยับยั้งการสังเคราะห์หรือกิจกรรมของเอนไซม์ไนโตรจีเนส แต่ถ้าความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำเกินไป กิจกรรมการสร้างพลังงานในกระบวนการหายใจก็จะลดลง นอกจากนั้นยังมีแหล่งอาหารที่ใช้สร้างพลังงานเพื่อการตรึงไนโตรเจนไม่เพียงพออีกด้วย จึงไม่ค่อยมีผู้สนใจนำจุลินทรีย์กลุ่มนี้มาใช้ในการบำรุงดิน ส่วน Azospirillum แม้จะอาศัยอยู่ระหว่างเซลล์รากพืชและได้รับสารอาหารจากรากพืชก็ตาม แต่เนื่องจากไม่มีระบบป้องกันผลกระทบของออกซิเจนต่อเอนไซม์ไนโตรจีเนส จึงตรึงไนโตรเจนได้น้อยเช่นเดียวกัน

 

สำหรับ Azotobacter นั้นนอกจากจะตรึงไนโตรเจนแล้ว บางชนิดยังอาจสร้างสารที่ส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืช เช่น สังเคราะห์ Indol – 3 – acetic acid (IAA) จิบเบอเรลลิน (gibberellins) และสารคล้ายจิบเบอเรลลิน สังเคราะห์สารที่มีฤทธิ์ต้านเชื้อราหรือละลายสารอนินทรีย์ฟอสเฟต ช่วยให้พืชได้รับฟอสเฟตในรูปที่เป็นประโยชน์มากขึ้น มีรายงานว่า Azotobacter paspali ซึ่งอยู่อย่างจำเพาะเจาะจงในดินรอบผิวรากของ Paspalum notatum ช่วยให้พืชนี้เจริญเติบโตได้ดีขึ้นจากการตรึงไนโตรเจนและผลิตฮอร์โมนพืช กล่าวคือ ประมาณ 11% ของไนโตรเจนที่พืชใช้มาจากการตรึงของอะโชโตแบคเตอร์ สำหรับ Azospirillum นั้นตรึงไนโตรเจนได้น้อยเพียง 0.8 กิโลกรัม.N/ไร่ การใช้จุลินทรีย์หลายชนิดร่วมกัน ก็ส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืชบาชนิดได้ดีเช่นเดียวกัน เช่น การใช้ Azospirillum ร่วมกับไรโซเบียมในถั่วบางชนิด และ Azospirillum ร่วมกับราอาร์บัสคิวลาร์ไมคอร์ไรซา (arbuscular mycorrhizal fungi) กับข้าวสาลี ข้าวฟ่างและข้าวโพด

 

สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน (blue green glae, BGA) สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินหรือไซยาโนแบคทีเรีย (cyanobacteria) เป็นแบคทีเรียที่สังเคราะห์แสงได้และบางชนิดมีความสามารถในการตรึงไนโตรเจน จำแนกได้เป็น 2 กลุ่ม ตามลักษณะการเจริญเติบโต คือ พวกเซลล์เดียว (unicellular forms) และพวกที่มีลักษณะเป็นเส้นสาย (filamentous forms) สาหร่ายทั้ง 2 กลุ่มนั้น สามารถตรึงไนโตรเจนได้ มีอยู่ทั่วไปในนาข้าวน้ำขัง แต่ที่มีมากคือพวกเฮเทอโรซีสต์ในเส้นสาย (heterocystous filamentous forms) และไซยาโนแบคทีเรียก็ยังสามารถอยู่ได้ในดินเช่นกัน เนื่องจากสามารถทนแล้งได้ดีพอสมควร แต่ในสภาพน้ำขังช่วยให้เจริญและตรึงไนโตรเจนได้ดีกว่า เมื่อไซยาโนแบคทีเรียอยู่ในสภาพที่มีออกซิเจน การตรึงไนโตรเจนจะเกิดในเฮเทอโรซีสต์ซึ่งเป็นเซลล์ที่มีลักษณะเฉพาะ มีผนังเซลล์หนา เพื่อป้องกันออกซิเจนจากภายนอกเซลล์ ไม่มีระบบแสง 2 (Photosystem 2) ที่ทำให้เกิดออกซิเจนภายในเซลล์ ดังนั้นภายในเซลล์นี้จึงปลอดออกซิเจน ซึ่งเหมาะสมกับกิจกรรมของเอนไซม์ไนโตรจีเนส เซลล์เฮเทอโรซีสต์จึงทำหน้าที่ตรึงไนโตรเจนและส่งไนโตรเจนที่ได้จากการตรึงไปให้เซลล์ข้างเคียง สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินที่มีในนาข้าวจึงช่วยเพิ่มไนโตรเจนในดินนาอย่างต่อเนื่อง สำหรับปริมาณการตรึงไนโตรเจนในแต่ละฤดูของการปลูกข้าวไม่สูงนักคือ อยู่ในช่วง 2.4 – 4.0 กิโลกรัม.N/ไร่ นาข้าวน้ำขังในแถบร้อนมีสภาพที่ทำให้สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินเจริญเติบโตรวดเร็ว จึงพบมากมายหลายชนิด แต่การตรึงไนโตรเจนไม่สูงนัก กล่าวคือ มีอัตราการตรึงไนโตรเจนเพียง 2.4 – 4.0 กิโลกรัม.N/ไร่ วึ่ไม่เพียงพอต่อความต้องการของข้าว แต่ช่วยลดการใช้ปุ๋ยไนโตรเจนลงได้บ้าง ในอินเดียมีการใช้สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินแบบผสมเป็นปุ๋ยชีวภาพ ประกอบไปด้วย Anabaena Variabilis, Tolypothix tenuis, Nostox muscorum และ Aulosira fertilissima สาหร่ายบางชนิด เช่น  มีลักษณะพิเศษคือเจริญและตรึงไนโตรเจนได้ดีในดินเค็มระดับปานกลาง ผลการทดลองใช้สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินในนาข้าว แสดงว่า มีการตรึงไนโตรเจนสูงในช่วงที่ข้าวเริ่มแตกจนถึงแตกกอสูงสุด จึงอาจช่วยเพิ่มจำนวนแขนงที่มีรวง (reproductive tiller) ได้เล็กน้อย

 

แม้ว่าการทดลองในสภาพควบคุมจะแสดงว่าสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินมีศักยภาพในการใช้เป็นปุ๋ยชีวภาพ แต่ผลการทดลองในภาคสนามยังไม่แน่นอน ส่วนมากยังไม่ปรากฏผลสัมฤทธิ์ถึงระดับที่น่าพอใจ เนื่องจากพวกที่มีความสามารถในการตรึงไนโตรเจนได้ดี คือ พวกที่มีเซลล์เฮเทอโรซีสต์มาก แต่ดดยทั่วไปสัดส่วนของเซลล์เฮเทอโรซีสต์ซึ่งมีประสิทธิภาพในการตรึงไนโตรเจนในเส้นสายมีจำนวนน้อยเมื่อเทียบกับเซลล์ธรรมดาซึ่งไม่ตรึงไนโตรเจน ดังนั้นปริมาณไนโตรเจนที่สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินตรึงได้จึงค่อนข้างต่ำ ประกอบกับยังต้องมีการแข่งขันกับจุลินทรีย์ในธรรมชาติอีกด้วย ดังนั้นสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินที่ดีจึงต้องมีความสามารถในการเพิ่มประชากรสูงพอที่จะตรึงไนโตรเจนในปริมาณที่คาดหมายด้วย หากมีสายพันธุ์สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินที่ดีสำหรับแต่ละท้องที่หรือการส่งเสริมให้สาหร่ายเหล่านี้เจริญเติบโตได้มากในนา ก็จะช่วยลดปริมาณการใช้ปุ๋ยไนโตรเจนได้ในระดับหนึ่ง

 

แหนแดง (azolla)/อะนาบีนา (anabaena)

ลักษณะและการจำแนก แหนแดง เป็นปุ๋ยพืชสดสำหรับนาข้าวซึ่งชาวนาในทวีปเอเชียรู้จักใช้มาช้านานแล้ว ในทางพฤกษศาสตร์แหนแดงเป็นเฟิร์นน้ำจืดสกุล (ภาษากรีกแปลว่า “ตายเมื่อแห้งแล้ง”) พบอยู่ตามแหล่งน้ำจืดทั้งในแถบร้อนและแถบอบอุ่น แหนแดงมีสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน ชื่อ Anabaena azollae ซึ่งตรึงไนโตรเจนจากอากาศได้ อาศัยและเจริญเติบโตในโพรงใต้ผิวใบด้านบนของแหนแดง การอยู่ในสภาพนี้อะนาบีนามีเฮเทอโรซีสต์ประมาณ 20-30% ของจำนวนเซลล์ทั้งหมดซึ่งเป็นสัดส่วนที่มากกว่าเมื่ออยู่อย่างอิสระ แสดงว่าสภาวะอยู่ร่วมกันระหว่างแหนแดงกับอะนาบีนา ทำให้สาหร่ายชนิดนี้ตรึงไนโตรเจนได้มากขึ้น เมื่อแหนแดงเจริญเติบโตเต็มทีจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1-3 เซนติเมตร และเพิ่มจำนวนจนแน่นเป็นผืนบนผิวน้ำ ในช่วงนี้เฟิร์นจะมีสีแดงอิฐหรือม่วงซึ่งเป็นสีม่วงซึ่งเป็นสีของแอนโทไซยานิน (antocyanins) สำหรับแหนแดงและอะนาบีนามีภาวะอยู่ร่วมกันอย่างจำเพาะเจาะจง กล่าวคือ ในโพรงของใบแหนแดงมีขนที่แตกแขนง 2 เส้นและไม่แตกแขนงประมาณ 25 เส้น ลักษณะคล้ายเซลล์ถ่ายโอน (transfer cells) ของพืชชั้นสูง ทำหน้าที่เชื่อมโยงสาหร่าย 2 ประการ คือ เป็นทางส่งคาร์โบไฮเดรตให้สาหร่าย ขณะเดียวกันก็สามารถกลายเป็นทางรับแอมโมเนียที่สาหร่ายได้มาจากการตรึงไนโตรเจน แหนแดงมีไนโตรเจน 2-5% ของน้ำหนักแห้งและเมื่อแหนแดงเพิ่มจำนวนไม่ว่าโดยวิธีใดก็ตาม จะมีอะนาบีนาติดไปตั้งแต่ต้นและมีภาวะอยู่ร่วมกันต่อไป

 

เฟิร์นน้ำสกุล Azolla แบ่งออกเป็น 2 สกุลย่อย (subgenus) คือสกุลย่อย Azolla และสกุลย่อย Tetrasporocapia ซึ่งในแต่ละสกุลย่อยยังแบ่งเป็นหลายชนิดดังนี้ สกุลย่อย Azolla มี 2 ตอน (subgenus) คือ ตอนที่ 1 Azolla มี 5 ชนิดได้แก่ Azolla carolinoana,  Azolla filiculoides,  Azolla Mexicana, Azolla microphylla และ Azolla rubra ส่วนตอนที่ 2 Rhizosperma มีชนิดเดียว คือ Azolla pinnata ซึ่งเป็น 2 ชนิดย่อย คือ Azolla pinnata subsp. Pinnata กับ Azolla pinnata subsp. Imbricate ส่วนสกุลย่อย Tetrasporocapia มีชนิดเดียว คือ Azolla nilotica สำหรับแหนแดงในประเทศไทยส่วนใหญ่เป็นชนิด Azolla pinnata อาศัยอยู่ในน้ำนิ่งและนาข้าวทั่วไป เจริญได้ดีในน้ำที่มี pH 5.7-7.8 อุณหภูมิ 18-26 องศาเซลเซียส การนำไฟฟ้าของน้ำ 0.17-2.9 เดซิซีเม็น/เมตร ที่ 25 องศาเซลเซียส แม้จะมีโซเดียม 430 มิลลิกรัม/ลิตร ก็ไม่เป็นอุปสรรคต่อการเจริญเติบโต แหนแดงดูดใช้ไอออนของธาตุอาหารที่ละลายอยู่ในน้ำโดยตรง ดังนั้นแหล่งน้ำที่มีธาตุอาหารอุดมสมบูรณ์จึงมีแหนแดงขึ้นหนาแน่น เนื่องจากความเข้มข้นของฟอสฟอรัสในน้ำต่ำ หากแหนแดงขึ้นหนาแน่นเกินไปมักจะขาดฟอสฟอรัสและใบมีสีแดง การเจริญเติบโตลดลงและปลายรากคดงอ ในสภาพแวดล้อมซึ่งเหมาะสม แหนแดงเพิ่มชีวมวลได้หนึ่งเท่าภายในเวลา 2-3 วัน ใบสีเขียวเข้มจนถึงแดง น้ำหนักแห้ง 6.5-8.1% และไนโตรเจน 2-5 % ของน้ำหนักแห้ง อะนาบีนาที่อยู่กับแหนแดงตรึงไนโตรเจนได้มากพอสมควร การเลี้ยงในนาช่วง 30-40 วัน แหนแดงจะสะสมไนโตรเจน 6-15 กิโลกรัม.N./ไร่ หากเก็บเกี่ยวออกแล้วเลี้ยงใหม่ตลอดปี จะได้ไนโตรเจน 80-190 กิโลกรัม.N./ไร่ การใส่แหนแดงนาข้าวให้มีอยู่ตลอดฤดูปลูก จะได้ไนโตรเจน 3.8-24.5 กิโลกรัม.N./ไร่ หรือเฉลี่ย 6.2 กิโลกรัม.N./ไร่

การใช้ในนาข้าว มี 2 ขั้นตอน คือ การเลี้ยงและการใส่ การเลี้ยงแหนแดงมีวิธีคือ รวบรวมแหนแดงจากธรรมชาติมาเลี้ยงในพื้นที่ซึ่งกันไว้โดยเฉพาะให้ได้ปริมาณมาก โดยหว่านตารางเมตรละ 0.3-0.4 กิโลกรัม ภายใน 2-3 สัปดาห์จะมีแหนแดงขึ้นเต็มพื้นที่ ได้น้ำหนักสด 1.3 – 2.4 ตันต่อไร่ การนำไปใส่ในนาทำได้โดย หลังจากไถดะแล้วหว่านแหนแดงตารางเมตรละ 0.3-0.4 กิโลกรัม ปล่อยให้ขึ้นเต็มพื้นที่จึงไถแปรและคราดตามลำดับ แหนแดงจะเริ่มสลายตัวภายใน 7 – 8 วันจากคราดกลบและปลดปล่อยธาตุอาหารออกมาเป็นประโยชน์ต่อพืชภายใน 20-30 วัน สำหรับแหนแดงบางส่วนที่ยังไม่ตายจะเจริญเติบโตจนเต็มผิวน้ำอีกครุ้ง หากปริมาณแหนแดงที่เหลือหลังจากการเตรียมดินมีน้อย อาจใส่เพิ่มเติมได้อีกในระยะที่ต้นข้าวแตกกอ ภายหลังจากการสลายตัวของแหนแดง ข้าวสามารถดูดไนโตรเจนที่ปลดปล่อยออกมา 33-69 % ทัง้นี้ขึ้นอยู่กับวิธีการใส ช่วงเวลาที่ใส่ ปริมาณแหนแดงที่มีในนาและวิธีการคราดกลบ

 

ไรโซแบคทีเรียเร่งการเจริญเติบโตของพืช

พืชหลายชนิดมีกลวิธีในการแสวงหาพันธมิตรมาช่วยในการเจริญเติบโตให้ดีขึ้น โดยการขับของเหลวจากราก (root exudation) เพื่อสร้างสภาพแวดล้อมในดินบริเวณรอบรากหรือไรโซสเฟียร์ (rhizosphere) ให้เหมาะสมอย่างจำเพาะเจาะจงต่อแบคทีเรียที่ส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืชนั้น จึงมีไรโซแบคทีเรียหลายชนิดที่มีคุณค่าต่อพืชในบริเวณดังกล่าว เรียกว่า ไรโซแบคทีเรียเร่งการเจริญเติบโตของพืช (plant growth promoting rhizobacteria, PGPR) เมื่อมีการนำมาพัฒนาและใช้ประโยชน์ในระบบการผลิตพืชเศรษฐกิจ แบคทีเรียกลุ่มนี้จึงได้รับการจำแนกปุ๋ยชีวภาพและตัวกระตุ้นด้านสรีระ (physiological stimulators) กลุ่มใหม่ เนื่องจากมีกลไกการเร่งการเจริญเติบโตของพืชทั้งโดยตรงและทางอ้อม สำหรับการเร่งการเจริญเติบโตของพืชโดยตรง เกิดขึ้นเมื่อไรโซแบคทีเรียผลิตอินทรียสารบางชนิด ซึ่งเป็นฮอร์โมนพืช (phytohormones) หรือสารที่ช่วยละลายธาตุอาหารให้รากพืชสามารถดูดไปใช้ได้ง่าย ส่วนผลทางอ้อมได้แก่การสังเคราะห์สารปฏิชีวนะ (antibiotics) ซิเดโนฟอร์ (siderophores) และไฮโตรเจนไซยาไนต์ (HCN) ซึ่งมีฤทธิ์ยับยั้งการสร้างกิจกรรมของจุลินทรีย์ศัตรูพืชจึงทำให้พืชเจริญเติบโตได้ดี แต่อย่างไรก็ตามผลทั้ง 2 อย่างนี้มีความสำคัญและอาจเกิดควบคู่กันไป เช่น ไรโซแบคทีเรียที่คัดเลือกมาเพื่อควบคุมโรคพืช แต่ในภาวะปลอดโรคก็สามารถเปลี่ยนเป็นช่วยให้พืชเจริญเติบโตได้ดีเช่นกัน ในทางกลับกัน ถ้าไรโซแบคทีเรียที่ตัดเลือกมาเพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืชในสภาวะปลอดโรค เมื่อพืชเกิดโรคก็สามารถเปลีย่นเป็นช่วยควบคุมโนรคของพืชโดยวิธีชีววิธีได้ด้วยเช่นกัน

 

เราได้รู้จักจุลินทรีย์ตรึงไนโตรเจนกันแล้ว ในบทความต่อไปเราจะมาพูดถึงปุ๋ยชีวภาพกับ PGPRกันค่ะ

 

สาระน่ารู้เรื่องปุ๋ยชีวภาพ