ORGANİK TARIMDA YARARLI MİKROORGANİZMA KULLANIMI
( MİKROBİYAL GÜBRELER )

Mikroorganizmalar, herbirinin kendine özgü oluşları, özel kültür ve çevre koşulları altında önceden tahmin edilemeyen yapı ve biyosentetik yetenekleri ile canlı bilimlerinde ve diğer bazı alanlardaki zor problemlerin çözülmesinde öncelik almışlardır. Son elli yıl içerisinde, medikal teknolojinin gelişiminde, insan ve hayvan sağlığında, gıda işlenmesinde, gıdaların güvenli ve kaliteli oluşlarında, genetik mühendisliğinde, çevrenin korunmasında, tarımsal biyoteknolojide ve özellikle tarımsal ve evsel atıkların değerlendirilmesinde mikroorganizmaların başarılı kullanım örneklerini görmek mümkündür. Bütün bu teknolojik gelişmeler, doğrudan kimyasal ve fiziksel mühendislik metotlarını kullanarak sağlanmamıştır. Bu nedenle mikroorganizmalar, uygulamaya dönük ve ekonomik olarak değer bulmuştur.

Mikrobiyal teknolojiler, çeşitli tarımsal ve çevresel problemlerin çözümünde son yıllarda kayda değer başarılar elde etmesine rağmen bilimsel çevrelerde yaygın bir kabul görmemiştir. Çünkü, mikroorganizmaların faydalı etkilerini göstermelerinde bir süreklilik yoktur. Mikroorganizmaların etkin çalışmaları, ancak substratlarını metabolize etmeleri için uygun ve optimal koşullar olduğunda gerçekleşmektedir. Bu koşullardan bazıları yeterli su ve oksijen (mikroorganizmaların zorunlu aerob veya fakültatif anaerob olmalarına bağlı olarak değişebilir), pH ve bulundukları ortamın sıcaklığı gibi faktörlerdir. Günümüzde, yeni teknolojiler sayesinde, çok çeşitli mikrobiyal kültürler ve aşılama materyallerini piyasada ticari olarak bulabilmekteyiz. Teknik kılavuzluk ile mikrobiyal ürünlerin koordineli çalışması sistemin başarılı olmasını sağlayacaktır. Mikroorganizmaların, kimyasal gübreler ve pestisitlerin oluşturduğu problemleri çözmede alternatif olmaları nedeni ile doğal çiftçilik ve organik tarımda kullanılmaları oldukça yaygınlaşmıştır.
Toprak mikrobiyologları ve mikrobiyal ekologlar, yıllardır toprak mikroorganizmalarını faydalı ve zararlı diye sınıflandırmaya çaba harcamışlardır. Bu sınıflandırmada, mikroorganizmaların işlevleri ve toprak kalitesine, bitki gelişimi ve verimine, bitki sağlığına olan etkileri değerlendirilmiştir. Atmosfer azotunu fikseden, organik atık ve kalıntıları parçalayan, pestisitlerin zehirli etkisini yokeden, bitki hastalıklarını ve toprak kökenli patojenleri baskılayan, besin maddesi döngüsünü arttıran ve bitki gelişimini teşvik eden vitamin, hormon ve enzim gibi biyoaktif maddeleri üretenler yararlı mikroorganizmalar sınıfına; bitki hastalıklarına neden olan, toprak kökenli patojenleri teşvik eden, besin maddelerini yarayışsız hale getiren, bitki gelişimi ve sağlığını bozabilecek zehirli (toksik) ve çürütücü madeleri üretenler zararlı mikroorganizmalar sınıfına dahil edilmişlerdir.
Faydalı mikroorganizmaların kullanılması, diğer yönetim uygulamalarının yerini tutmamaktadır. Aksine bitki ekim nöbeti, organik iyileştiricilerin kullanılması, koruyucu sürüm, bitki artıklarının dönüşümü ve zararlı böceklerin biyokontrolu gibi en iyi toprak ve bitki yönetim uygulamalarının optimizasyonuna bir başka boyutla eklenik etki yapmaktadır. Yani doğru şekilde uygulandığında, bu mikroorganizmalar, sayılan bu yönetim uygulamalarının faydalı etkilerini artırmaktadır.

yararlı mikroorganizmalarIN İşlevleri:
Atmosfer azotunu fikse etmek
Organik atıklar ve kalıntıları parçalamak (Dekompozisyon)
Toprak kökenli patojenleri baskılamak
Bitki besin maddelerinin yarayışlılığını arttırmak ve dönüşümlerini sağlamak
Pestisitler de dahil olmak üzere toksik etki yapan bileşiklerin bozunumunu sağlamak
Antibiyotik ve diğer biyoaktif maddeleri üretmek
Bitkilerin alabileceği basit organik molekülleri üretmek
Ağır metal iyonlarını bağlayarak bitkilerce daha az alımını sağlamak
Çözünemeyen besin kaynaklarını çözünür hale getirmek
Polisakkarit üreterek toprak agregasyonunu artırmak

zararlı mikroorganizmalarIN İşlevleri:
Bitki hastalıklarına neden olmak
Toprak kökenli patojenleri teşvik etmek
Bitki besin maddelerini yarayışsız hale getirmek
Tohum çimlenmesini engellemek
Bitki büyüme ve gelişmesini engellemek
Fitotoksik maddeler üretmek

Çizelge-1. Tarımda halihazırda mikrobiyal gübre olarak kullanılmakta olan bakteriler ve daha iyi bir performans için genetik modifikasyon yapılmış yeni bakteriler

Doğal tip bakteriler Uygulandıkları bitkiler Kullanım amacı
Anabaena-Azolla Azospirillum brasilense and A. lipoferum Çeltik Tahıllar Biyogübre Biyogübre
Bradyrhizobium japonicum Rhizobium spp. Yemlik ve yemeklik baklagil bitkiler Biyogübre Biyogübre
Frankia spp. Baklagil olmayan ağaçlar (Alnus) Biyogübre
Bacillus subtilis and B. thuringiensis Psuedomonas fluorescens Pseudomonas spp. Değişik bitkiler Biopestisit Biopestisit
Islah edilmiş bakteriler Değiştirilen özellikler Islahın amacı
Agrobacterium radiobacter Transfer genlerin yok edilmesi crown gall'in biyolojik kontrolunda emniyetli kullanım
Clavibacter spp. Bacillus thuringiensis'ten elde edilmiş endotoxin ilavesi Böceklerin bitkiye zararlarının biyolojik kontrolu
Bradyrhizobium japonicum "nif" gen kopyasının ilavesi Azot fiksasyonunu arttırmak
Pseudomonas syringae " ice nucleation" geninin yok edilmesi Bitkilerde don zararını kontrol altına almak
Rhizobium meliloti "nif" ve/veya "dct" genlerinin kopyasının ilavesi Azot fiksasyonunu arttırmak

Toprak mikroorganizmaları, toprakta meydana gelen pek çok kimyasal değişimin içinde aktif rol almaktadırlar. Özel olarak ta bitki gelişmesi için gerekli olan örneğin azot ve karbon besin elementlerinin döngüsünde görev aldıkları için toprak verimliliğinin önemli unsurlarıdırlar. Toprak mikroorganizmaları, herhangi bir yolla toprağa dahil olan organik maddelerin parçalanmasından ve dolayısı ile besin elementlerinin döngüsünden sorumludurlar. Bazıları örneğin, mikoriza mantarları bazı mineral besin maddelerinin (ör.fosfor) yarayışlılığını arttırmaktadırlar. Bazıları, toprakta mevcut besin maddelerinin miktarını arttırmaktadır. Mesela, azot fikseden bakteriler, toprak havasında gaz halinde bulunan azotu, bitkilerin gelişmesi için bitki köklerinin kullanabilecekleri çözünebilir azotlu bileşikler haline dönüştürürler. Toprak verimliliğini arttıran ve bitki gelişimine katkıda bulunan bu tip mikroorganizmalar, "biyogübreler" olarak adlandırılıp tarımda mikrobiyal aşı materyallerinin hazırlanmasında kullanılmaktadırlar. Benzer şekilde diğer bazı mikroorganizmalar da bitki sağlığını arttıran ve yüksek verim alınmasına katkı sağlayan maddeleri (ör. Vitaminler ve bitki hormonları gibi) üretmektedirler. Bu mikroorganizmalar, "fitostimulatorlar" olarak adlandırılmakta ve ürün verimini arttırmak için mikrobiyal aşı olarak üretimleri üzerine çalışmalar yürütülmektedir. Diğer bir grup mikroorganizma, bitkinin doğal savunma mekanizmasını teşvik edecek bileşikleri üreterek bitkinin patojenlere karşı direncini geliştirmektedir. Bu mikroorganizmalar da "biyopestisitler" olarak adlandırılmakta ve biyolojik kontrolu sağlamaktadırlar.

Rizosfer: Bitki kökleri ve toprak arasında karşılıklı etkilerin (interaksiyon) yoğun olduğu yer.
Bilindiği gibi bitkilerin kökleri, mineral besin maddelerini almaktadırlar. Ayrıca kendilerini çevreleyen toprağa çok çeşitli organik bileşikler salma özellikleri de mevcuttur. Dolayısı ile "rizosfer" dediğimiz ve bitki kökü ile yakın temasta olan toprak kısmında mikrobiyal aktivite de oldukça yoğundur. Bu nedenle bitki köklerinin yüzeyinde ve rizosfer bölgesinde çok sayıda mikroorganizma bulunmasına karşılık bitki kökleri bulunmayan bir toprakta bu sayı oldukça düşmektedir.
Rizosfer, içerisinde yaşayan mikroorganizmalar ile bitkilerin gelişme koşullarında etkili olan çok sayıda intreaksiyonların gerçekleştiği önemli bir toprak habitatıdır. Sonuç olarak, faydalı mikroorganizmaların mikrobiyal aşı olarak, ürün verimi ve ürün kalitesinde iyileştirme sağlaması için verilecekleri toprak habitatı rizosfer olmaktadır.

Sürdürülebilir tarım için mikrobiyal aşılar:
Günümüzün modern tarım uygulamaları olarak yoğun mineral gübre ve kimyasal pestisit kullanımı sonucunda ortaya olumsuzluklar çıkmıştır. Bunlardan özellikle azotlu gübrelerin fazla kullanımı ile toprak profilinden yıkanan nitratın yeraltı sularını kirlettiği, belli toprak koşulları altında uygulanan azotlu gübrelerin denitrifikasyonu sonucunda azotlu gazların topraktan atmosfere geçtiği ve bu gazlardan bazılarının (örneğin, nitroz oksit) sera etkisi yarattığı ve/veya ozon tabakasını değiştirdiği ortaya çıkmıştır. Benzer şekilde kimyasal pestisitlerin besin zincirinde ve çevrede muhtemelen varlığı veya artığının bulunduğu görüşü değer kazanmaya başlamıştır. Bu gelişmeler doğrultusunda mikrobiyal aşılar gözde olmaya başlamışlardır.

Havanın serbest azotunun biyolojik yolla tespiti (Fiksasyon)
Havanın hacim esasına göre % 79,08'ini azot teşkil eder. Bir dekar arazi üzerindeki havada yaklaşık olarak 9 bin ton azot gazı bulunur. Bitkiler, hayvanlar ve mikroorganizmaların büyük bir kısmı element halindeki bu azottan yararlanamazlar. Bunların yararlanabilmesi için gaz halindeki azotun diğer elementlerle bileşikler haline dönüşmesi gerekmektedir. Bu da az miktarda elektriksel olaylarla ve çok daha fazla miktarda ise bazı toprak mikroorganizmaları vasıtası ile azotun biyolojik yolla tespiti yoluyla sağlanmaktadır. Biyolojik azot fiksasyonu (BAF), iki grup mikroorganizma tarafından gerçekleştirilmektedir. Birinci gruba girenler, toprakta serbest yaşayarak havanın azotunu tespit ederler. İkinci grupta yer alanlar ise, bir bitki ile ortak yaşayarak azot tespit ederler. Bunlardan Rhizobium bakterileri baklagil bitkilerin köklerinde simbiyotik yaşayarak azot tespit ederler. Aktinomisetler ise orman ağaçlarından kızılağaç, ılgın, yabani iğde gibi ağaç ve çalıların köklerinde nodozite meydana getirerek azot tespitini gerçekleştirirler.

A) Simbiyotik Olmayan Azot Tespiti
Bu yolla azot tespit eden mikroorganizmalar, diğer bir canlı organizmanın yardımına gereksinim duymadan toprakta çoğalırlar. Kendileri için gerekli enerjiyi, karbonu ve diğer elementleri topraktan alırlar. Toprakta kendisi için uygun olan azot bileşiklerini bulamadığı takdirde havanın azotunu kullanırlar.
Simbiyotik olmadan azot tespit eden mikroorganizmalar aşağıdaki gibi sınıflandırılmıştır :

Bakteriler
Aerobik olanlar:
Azotobacter
Anaerobik olanlar:
Fotosentetik Olmayanlar:
Clostridium
Desulfovibrio
Fotosentetik Olanlar:
Rhodospirillum
Chromatium

Algler
Nostoc, Calothrix (mavi-yeşil alg)

Bu organizmaların genel özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir:

Azotobacter
Aerobik bakterilerdir. Bazen çubuk bazen de yuvarlak şekilde görülürler. Ekseriya hareketlidirler. Endospor ihtiva etmezler. Fakat bazı türler, kalın duvarlı mikrosist oluştururlar. Hücreler genellikle gram negatiftir. Uygun karbonhidrat veya diğer enerji kaynakları bulunduğu takdirde aerobik şartlarda atmosferik azotu tespit etme gücüne sahiptirler. Bir gram şekerin parçalanmasına karşılık 10-20 mg azot tespit ederler. Ilıman iklim kuşağında 1 gram topraktaki Azotobacter sayısı 200 kadardır. Optimum sıcaklık isteği 30-35°C; pH isteği 7-8 arasındadır. Bu bakterilerden A.chroococcum en önemlisidir. Yıllık azot tespit düzeyleri 2-3 kg N da-1 'dır.

Clostridium
Anaerobik bakterilerdir. Spor meydana getiren, gram pozitif, çubuk şeklinde bakterilerdir. Havanın molekül halindeki azotunu tespit edebilmek için humus maddeleri, pektin bileşikleri ve selüloz gibi maddeleri karbon kaynağı olarak kullanırlar. Azot tespiti için optimum sıcaklık isteği 25°C 'dir. C.butyricum, 1 gram karbonhidratın parçalanmasına karşılık 27 mg azot tespit etmektedir. Yıllık azot tespit düzeyleri 0,5-3 kg N da-1 'dır.

Diğer Bakteriler
Fotosentetik bakteriler, azot tespit etmek, topraktaki bazı toksik maddeleri absorbe ederek bitki için zararsız hale getirmek, bitkide ürün artışı sağlayan bir takım metabolik maddeler ifraz etmek sureti ile toprak verimliliğini arttırmada önemli derecede etkili olmaktadırlar.
Aerob olarak azot bağlama yeteneğinde olan diğer heterotrof bakteri grupları Pseudomanas, Bacillus, Klebsiella, Mycobacterium ve Spirillum' dur.
Azot bağlama yeteneğinde olan bazı fakültatif anaerob bakteriler de vardır. Bacillus, Klebsiella, Pseudomanas ve Arthrobacter bunlara örneklerdir. Bunların azot bağlama güçleri yani tespitleri fazla değildir.

Mavi-Yeşil Algler
Azot tespit eden mavi-yeşil algler, ışık enerjisini kullanarak fotosentetik mekanizma ile enerji sağlayan ve bunun bir kısmını azot tespitinde kullanan organizmalardır. Bu organizmalar, toprak ekosistemindeki yüksek bitkilere benzer fotosentez yolu ile oksijen üreten ve karbondioksit fiksasyonu yapan ve azot fikse eden tek organizmadır. Alglerin azot bağladığı ilk kez Frank (1889) tarafından ileri sürülmüş ve 1928'de Drewes saf kültürde mavi-yeşil alglerden Nostoc ve Anabaena türlerinin azot bağladığını göstermiştir.
Mavi-yeşil alglerin özellikle çeltik tarlalarında önemli rolleri vardır. Yağmurlu dönemlerde nemli pirinç tarlalarında azot miktarının 15-50 kg N ha-1 seviyeleri arasında değiştiği belirtilmektedir. Ayrıca arid bölgelerde ve çöl alanlarında gelişen alg türlerinin yılda bağladıkları atmosfer azotu 3 kg N ha-1 seviyesindedir. Mavi-yeşil algler, fotosentetik olmaları nedeni ile fotosentez koşullarına bağımlı olmaktadırlar. Kış koşullarında sıcaklık ve fotosentez koşulları yeterli olmadığından azot fiksasyonu çok önemsiz düzeyde gerçekleşmektedir. Bahar aylarında fiksasyonun ayda 8 kg N ha-1 seviyesine ulaştığı belirlenmiştir.

B) Simbiyotik Azot Tespiti
Simbiyotik yol ile azot fikse eden organizmaları iki büyük grupta toplayabiliriz. Bunlardan birincisini baklagil bitkileri ile simbiyoz oluşturan Rhizobium bakterileri, ikinci grubunu ise baklagil dışındaki ağaç türünden yüksek bitkiler ile simbiyoz oluşturan aktinomisetler oluşturmaktadır.

B1) Rhizobium-Baklagil Simbiyozu
Baklagil (Leguminosaea) familyasının türleri çok yaygın olup, kültüre alınmış 200 civarında türü bulunmaktadır. Yalnızca insan besini olarak değil, hayvan yemi, kereste, dokuma ve diğer çeşitli ürünleri veren bitkileri içerirler. Bu familyadaki bitki türleri, köklerini enfekte ederek yerleşen ve oluşturduğu kök yumruları (nodül) içinde azot fiksasyonu yapan Rhizobium bakterileri ile simbiyoz oluştururlar. Bir baklagil bitkisi bu yolla çoğunluk bir hektar toprağa 200-300 kg bitkiye yarayışlı azot sağlar. Bazen bu miktar çok daha fazla olabilir. Ancak bu işlev, toprak azotça doğal olarak fakir ve simbiyozu oluşturacak üyeler ortamda birlikte bulunabiliyorlarsa gerçekleşir. Gerçekte baklagiller, azot gereksinimlerini iki yolla sağlamaktadır:
Toprak azotunun özümlemesi
Nitratların absorbsiyonu kökler yolu ile olur.
Atmosfer azotunun fiksasyonu
Atmosfer azotu toprak havasından nodüllere geçer ve burada nitrogenaz enzimi tarafından indirgenerek amonyağa çevrilir. Bu amonyak daha sonra amino asit ve proteinleri oluşturmak üzere bitki içindeki madde dönüşümlerine katılır. Şayet bitkiler nitrat ve moleküler azot (N2) kaynaklarına aynı zamanda sahipseler, öncelikle nitrat kullanıldığından azot fiksasyon oranı düşer.
Rhizobium bakterisi, spor oluşturmayan bir türdür. Kültür topraklarında genellikle bulunmakla beraber topraktaki yaşam gücü pek bilinemez. Baklagil-nodül bakterisi işbirliğinin uygun ve sağlıklı gerçekleşmesi simbiyotik azot fiksasyonu çalışmalarının en önemli konusudur. Bu sistemde bakteri havadan bağlamış olduğu azotu bitki kullanımına verirken, kendisi de bitkiden karbonhidrat ve diğer bazı gelişim faktörlerini sağlamaktadır. Simbiyotik sistem yolu ile dünya azot kazanımının 80 milyon ton olduğu, bunun 35 milyon tonunun yemeklik baklagiller ve 45 milyon tonunun çayır, mera ve orman sistemindeki baklagiller ile sağlandığı hesaplanmaktadır. Buna rağmen simbiyotik sistemin her zaman sağlıklı işlediği ve gerekli azot kazancını sağladığı söylenemez. Bunun başlıca iki nedeni olduğu söylenebilir.
Topraklarda yaygınlık gösteren ve azot fikse etme güçleri iyi olan bakterilerin sayısal dağılımı yeterli olmayabilir, diğer bir deyimle, yaygın poulasyonların büyük kısmı azot fikse etme bakımından etkisiz olabilir.
2. Genellikle yeni kültüre alınan bir alanda veya ilk kez yeni bir baklagil çeşidi ekilen alanlarda bitki türünü enfekte etme veya simbiyotik azot fiksasyonunu gerçekleştirecek uyumlu bakteri türü bulunmayabilir. Her iki durumda da baklagil bitkilerinin atmosfer azotundan yeterince yararlanabilmeleri mümkün olmayacaktır. Baklagil bitkilerinde-tarım alanlarında- gelişmenin ve biyolojik azot fiksasyonunun garanti altına alınabilmesi için, doğal ortamlardan izole edilmiş bakteri soylarının mikrobiyal aşı olarak üretilmesi ve tohum aşılaması yolu ile toprağa verilmesi gerekmektedir.
Simbiyotik sistem yolu ile fikse edilen azot miktarı, baklagil türü ile ilgilidir. İnsan
beslenmesinde kullanılan daneli baklagiller daha az azot bağladıkları gibi azotun büyük bir kısmı ürünle birlikte kaldırılır. Buna karşılık çayır baklagilleri hem kök salgıları, hem de organik kalıntıları ile ortama daha fazla azot bırakırken fiksasyon güçlerinin de daha fazla olduğu dikkat çekicidir.

Çizelge-2. Çeşitli baklagil türlerinin azot fiksasyon düzeyleri

Baklagil bitkileri kg ha-1 yıl-1
Bezelye 52-77
Fasulye 97
Soya 64-121
Fiğ 100-170
Yonca 150-400

Nodül oluşum mekanizması
Baklagil bitkilerinde nodül oluşumu, bitki ile Rhizobium bakterileri arasında karşılıklı etkileşimler sonucu gerçekleşir. Rhizobium bakterileri, bitki kök sistemindeki nodülleri üç kademede oluştururlar:
1. Enfeksiyon öncesi dönem: Bu dönemde bitki ile bakteri arasında bazı interaksiyonlar gerçekleşir. Önce bitki kökünden triptofan maddesi salgılanır. Bu madde rizosferde bakteri çoğalmasını uyarırken bakterler de indol asetik asit (IAA) üretirler. Bu bir kök gelişim hormonu olup bitki kökünün hızlı gelişmesine ve aynı zamanda kılcal köklerin özel bir şekil almasına neden olur. Daha sonra bakteri tarafından kök hücrelerini esnek duruma getiren poligalaktorunaz (PG) enzimi salgılanır. Her iki metabolit kök hücrelerini bakterinin girebileceği esnek bir yapıya çevirir.
2. Enfeksiyon şeridinin oluşması: Bakterinin kök hücrelerine girmesi ile birlikte kılcal köklerde korteks hücrelerine ulaşan bir borucuk oluşur. Buna enfeksiyon şeridi veya iplikçiği adı verilmektedir. Bu oluşumun görevi kök meristem hücrelerindeki bakterileri korteks hücrelere taşımaktır. Bu sırada bakteriler hızla çoğalır ve aynı zamanda konukçu bitki hücreleri de çoğalmaya devam ederek nodül oluşumunu başlatırlar.
3. Nodül oluşumu: Enfeksiyon şeridi, korteks bölgesinde tetraploid (genel kromozom sayısının iki kat fazla olduğu hücre) hücreye ulaşır. Bu hücre ve etrafındaki komşu hücreler hızlı bir bölünme ile çoğalır ve kök yapısı şekil değiştirir. Enfeksiyon şeridinin yarılması ile bakteriler hücre sitoplazması içinde dağılırlar. Çoğalma olayından sonra bakteriler karakteristik çubuk veya kısa çubuk şekillerini kaybederek iri yapılı X, Y veya düzensiz pleoformik nitelik kazanırlar. Rhizobium bakterilerinin bu formuna bakteroid adı verilir. Bakteroidler nodül içinde bölünmeye uğramazlar. Yapay besin ortamlarında geliştirilememişlerdir. Azot fiksasyonu yalnızca bakteroid formlarda gerçekleşir.
Baklagil bitkisinin kökleri üzerindeki büyük ve ana kök kısmına yakın oluşan nodüller çoğunlukla azot fiksasyonu bakımından etkin bir bakteri soyunun varlığını gösterir. Aksine olarak küçük, beyaz renkli