Dünya, bugün yaklaşık 4,54 milyar yaşındadır. Bugüne kadar geçirdiği birçok yıkıcı döneme ve olaya bir fazlasını da insan varlığı eklemiştir. Biz insanların antroposentrik, yani insan merkezli bakış açısı, doğayı kendi amaçları doğrultusunda fütursuzca kullanmamıza neden olmuş; bu kullanım da beraberinde getirdiği birçok problemin yanında toprak verimliliğine de sirayet etmiştir. Kullanılan yapay gübreler, tarım ilaçları, yanlış sulamalar, ekonomik kâr için bir bitkiyi ait olmadığı yerde yetiştirme çabaları gibi birçok faaliyet, toprağın doğal yapısının bozulmasına ve bitki verimliliğinin düşmesine sebep olmuştur. Bu düşüş, doğanın yapısının tahrip edilip biyoçeşitliliğin olumsuz etkilenmesine yol açmasının yanında ekonomik olarak da zararlar vermektedir. Ancak günümüzde, toprak verimliliğini doğal yollardan artırmaya yönelik birçok yeni yöntem geliştirilmektedir. Bu yazıda ise, bu yöntemlerden biri olan toprağı siyanobakteri kültürü açısından zenginleştirme işlemini konuşacağız.
İrem Karabayır
Siyanobakterilerin genel bir incelenmesi
Toprak verimliliğine olan etkilerden bahsetmeden önce, siyanobakterilerin genel özelliklerinden bahsetmek daha yerinde olacaktır. Siyanobakteriler, oksijenik fotosentez yapabilen ilk canlılardır. Bunlar, suyu yıkarak oksijen üretirler. Zaten atmosferin yaşam için uygun, günümüz koşullarına gelmesi de siyanobakterilerin eseridir. Fotosentetik olarak önemlerinin yanı sıra siyanobakteriler, azot fiksasyonunda da rol oynarlar. Morfolojik yapılarında bulunan heterosistler, moleküler azotun (N₂), amonyuma (NH₄⁺) veya nitrata (NO₃⁻) dönüşümünü sağlayarak azotu, bitki kullanımı için uygun forma getirir. Siyanobakterilerin, konumuz bağlamında bir diğer önemli özellikleri de ürettikleri ekzopolisakkaritler ve organik asitlerdir. Uzun, karbonhidrat yapılı biyopolimerler olan ekzopolisakkaritler, toprak yapılarında adeta bir tutkal görevi görerek stabiliteyi sağlamaktadır.
Siyanobakterilerin, konumuz bağlamında bir diğer önemli özellikleri de ürettikleri ekzopolisakkaritler ve organik asitlerdir. Uzun, karbonhidrat yapılı biyopolimerler olan ekzopolisakkaritler, toprak yapılarında adeta bir tutkal görevi görerek stabiliteyi sağlamaktadır.
Siyanobakteriler, ekolojik alanda da kullanımları olan canlılardır. Burada iki yöntem karşımıza çıkar: Bu canlılar, tekli kültür olarak — yani sadece tek bir türü içeren kültür yapısı olarak — veya birden fazla türün kombinasyonuyla oluşturulmuş kültür yapısı olarak işlenebilir. Örnek olarak Anabaena variabilis, Spirulina platensis, Nostoc communa, Systonema javanicum siyanobakterileri ile Bacillus sp. bakteri türü hem teker teker hem de kombinasyon hâlinde incelenmiş ve etkileri gözlemlenmiştir. Bu kültürlerin toprak verimliliğine olan etkileri; klorofil miktarındaki, ekzopolisakkarit miktarındaki, toprak asiditesindeki — özellikle kullanıma uygun fosfor miktarı olmak üzere — besin miktarındaki, organik madde ve organik karbon miktarındaki değişim ile toprak yapısına olan etkileri, toprağın porlu yapısı veya katı toprak partiküllerinin yoğunluğu bağlamında ele alınmıştır. Bu faktörleri tek tek incelemeden önce, topraktaki doğal yapıyı, döngüleri ve optimum koşulları konuşalım.
Toprak nedir?
Jeolojik açıdan toprak, büyük kaya parçalarının fiziksel, kimyasal veya biyolojik etkenlerle bozulması ve yaklaşık olarak 50 ila 250 mikrometre boyutlarına ulaşması ile oluşur. Sıcaklığın, iklim faktörlerinin, besin miktarının, içerdiği organizmaların, su geçirgenliğinin ve suyu tutma kapasitesinin yapısı bakımından hayati önem taşıdığı toprak, özellikle karasal yaşam için birincil habitattır. Bünyesinde, yapısına göre değişken şekilde bakterileri, mantarları, bitki ve hayvanları misafir eden toprak; minerallerin depolanmasında, üretilmesinde ve hem sucul hem karasal yaşamda kullanılmasında kilit rol oynamaktadır. Bahsedilen tüm bu faktörler bağlamında optimum koşullar, tüm toprak tipleri için bulundukları yere, iklim koşullarına, ana malzemenin (kaya yapısının) özelliklerine göre değişkenlik göstermektedir.
Bünyesinde, yapısına göre değişken şekilde bakterileri, mantarları, bitki ve hayvanları misafir eden toprak; minerallerin depolanmasında, üretilmesinde ve hem sucul hem karasal yaşamda kullanılmasında kilit rol oynamaktadır.
Şimdi de siyanobakteri kültürlerinin, toprağı optimal koşullara getirmeye çalışırken elde ettikleri sonuçları her bir parametre için tek tek inceleyelim.
Siyanobakteriler, ürettikleri ikincil metabolitler sayesinde bir arada kalarak toprakta bir katman oluşturur.
Siyanobakteriler, ürettikleri ikincil metabolitler sayesinde bir arada kalarak toprakta bir katman oluşturur. Bu katmanın kalınlığına bağlı olarak üretilen ekzopolisakkarit miktarı, organik asit miktarı, klorofil yoğunluğu değişir. Bu değişim, bakteri kombinasyonunda olumlu yönde gerçekleşip kalın bir tabaka oluştururken, tekli kültürde daha ince bir tabaka oluşturacak şekilde seyreder.
Klorofile olan etkileri
Klorofil, siyanobakterilerde bulunan, fotosentezin gerçekleşmesini sağlayan bir elektron alıcısıdır. Işık enerjisiyle birlikte, H⁺ ve O₂ olarak atomlarına ayrıştırılan sudaki elektronlar, ilk durak olarak klorofil tarafından alınır ve diğer elektron taşıyıcılarına doğru yoluna devam eder. Organik madde ve glukoz üretimi için temel mekanizma olan fotosentez, klorofil miktarının artmasıyla daha verimli bir şekilde meydana gelir. Üretilen glukoz, diğer birçok mikro ve makro organizmanın ekosisteme girmesine ve simbiyotik etkileşimlerle bitkiler için en uygun ortamın oluşturulmasına yarar sağlar. Klorofil üretim miktarı, her iki grup için de incelenmiştir. Sonuçlara göre, siyanobakteri kombinasyonu ürettiği kalın katman ile daha fazla klorofilin bir arada tutulmasına ve fotosentez miktarının artmasına sebep olmuştur. Örnek bir çalışmadan bahsetmek gerekirse, tekli kültür için 29 katına çıkmış olan klorofil miktarı, kombinasyon durumunda 49 katına çıkmış olarak gözlemlenmiştir.
Ekzosakkarit üretimine olan etkileri
Ekzopolisakkaritler, siyanobakteriler başta olmak üzere birçok bakteri tarafından üretilen ikincil metabolitlerdir. Karbonhidrat yapılı olan bu metabolitler, toprakta tıpkı bir tutkal görevi görerek yapıların bir arada tutulmasını ve stabiliteyi sağlar. Aynı şekilde, bakteriler tarafından oluşturulan katman da bu metabolitler sayesinde bir arada tutulur. Bakteri katmanının, diğer bütün önemli fonksiyonları dışında bir fonksiyonu daha vardır ki evrimsel açıdan hayati öneme sahiptir. Bu katmanı oluşturan canlılar, toprağın üst kısmında hidrofilik, alt kısmında hidrofobik bir yapı oluşturacak şekilde madde salgılar. Bu sayede, üst katman su ile etkileşime girip içeriye su alımını sağlayacak; alt katman ise suyu ittirerek aşağı doğru hareket etmesini ve dolayısıyla suyun kaybedilmesini engelleyecektir. Bu mekanizma, özellikle kurak ve az yağış alan bölgelerde suyun verimli olarak tutulmasını sağlayarak su stresi yaşanmasını engeller. Yukarıda örneğini verdiğimiz çalışmaya göre, bakteri kombinasyonundaki ekzopolisakkarit üretim miktarı, tekli kültürlerden fazladır. Öyle ki, tekli kültürlerde en fazla 1,54 mikrogram/gram.hafta olarak seyreden değer, kombinasyonda 2,12 mikrogram/gram.haftaya çıkabilmektedir.
pH’a olan etkileri
Toprakta bulunan mineraller, her koşulda kullanıma uygun değillerdir. Bu mineraller, koşullar iyileştikçe, gerektiği miktarlarda uygun formlara dönüştürülürler. Bu dönüşümlerden ve besin döngülerinden ilerleyen bölümlerde detaylıca bahsedeceğiz. Ancak burada vurgulanması gereken, bu döngüler ve besinlerin emilimi için toprak asiditesinin kritik önem taşıdığıdır. Siyanobakteriler, özellikle ürettikleri humik asit ve fulvik asit ile toprağın pH’ını düzenler, daha doğru ifadeyle düşürürler. Ancak burada önemli olan, optimum değerin kaç olduğudur. Yine, ele aldığımız çalışma kapsamında hem tekli kültürler hem de kombinasyonlar incelenmiş ve normalde 8,81 olan toprak pH’ı, tekli kültürler ile en fazla 7,36’ya düşürülürken; kombinasyonlarda bu durum 7,0 ila 7,6 arasında seyretmiştir ki, incelemenin yapıldığı toprak özelinde uygun pH, 7 civarlarıdır.
Elektrik iletkenliği ve tuzluluğa olan etkileri
Elektrik iletkenliği ve tuzluluk, birbirleriyle bağlantılı değişen parametrelerdir. Toprağın asiditesinden direkt etkilenen bu iki parametre, bitki gelişimi açısından önemli etkilere sahip olup, gereğinden fazla miktarlara ulaşınca toksik etki yaratırlar. İyon hâlindeki metal miktarının artması, elektrik iletkenliğinin de artmasına yol açar. Ancak aynı zamanda bu fazla tuz miktarı, bitkiler tarafından emilerek bitkinin su alım kapasitesini düşürür ve stres durumu yaşatarak büyümeyi engeller. Bu durum, doğal bir sürecin sonucu olup, toprakta bulunan organizmaların saldıkları tuzlarla meydana gelir. Ancak bu, siyanobakteriler için geçerli değildir. Bahsettiğimiz çalışmada, siyanobakteri etkisi hem tekli kültür hem de kombinasyon için incelenmiş ve söz konusu parametrelerde düşüşler gözlenmiştir. Öyle ki, işlem öncesi 0,06 1/hafta olan iletkenliğin, tekli kültürlerde 0,05 1/haftaya, kombinasyonlarda ise 0,02 1/haftaya kadar düştüğü belirtilmiştir.
Organik karbon miktarına ve organik madde üretimine olan etkileri
Besin ya da diğer organik maddelerin üretimi için uygun olan organik karbon miktarı; topraktaki biyoçeşitlilik, bu organizmaların kurduğu mutualistik ilişkiler ve toprağın verimi açısından oldukça önemlidir. Topraktaki organik maddenin artmasıyla heterotrofik beslenen canlıların artışı; organik karbonun artışıyla da bu karbonu kullanarak besin üreten ototrofik canlıların artışı meydana gelir. Bu artışlarla beraber, canlılar arasındaki simbiyotik ilişkiler de artar ki bu ilişkiler; besinlere ulaşım, toksik etkilerden kaçınma ve ekosistemde çevresel olarak uygun bir yer edinme bağlamında yarar sağlar. Miktarlardaki artış, siyanobakteri varlığıyla kendini gösterir. Üretilen EPS’ler, organik maddeleri tutkal gibi tutarak ayrıştırıcılar tarafından ayrıştırılmalarını engeller. Bu da maddelerin birikimine neden olur. Öyle ki, yukarıda bahsettiğimiz çalışma kapsamında, tekli kültürler için en fazla %2,79 olan artış, kombinasyonda %3,20 civarında seyretmiştir.
Besin döngüsüne olan etkileri
Besin, tüm canlılar için yaşama devamı sağlayan en önemli kriterlerden biridir. Bu, ototroflar için besleyici mineraller olurken, heterotroflar için başta glukoz temelli karbonhidratlar olmak üzere diğer birçok organik madde olabilir. Bu yazıda, konunun bağlamı gereği besini, besleyici minerallerin döngüsü açısından inceleyeceğiz ve siyanobakterilerden etkilenimlerine bakacağız.
Bitkiler, alınım miktarlarına göre ikiye ayrılabilen mikro ve makronütrientlerle beslenirler. Mikronütrientler, miktarları %0,1 mg’ın altında olan temelde elementlerden oluşur. Bu elementler; bor (B), demir (Fe), klor (Cl), bakır (Cu), mangan (Mn), çinko (Zn) ve nikel (Ni)’dir. Makronütrientler ise alınım miktarları yüksek olan karbon (C), hidrojen (H), oksijen (O), azot (N), fosfor (P), potasyum (K), magnezyum (Mg) ve kükürttür (S).
Bu, ototroflar için besleyici mineraller olurken, heterotroflar için başta glukoz temelli karbonhidratlar olmak üzere diğer birçok organik madde olabilir.
Bu maddelerin her biri, bitkiler için uygun olan belirli formlara sahiptir. En önemli elementlerden olan azot ve fosfor özelinde inceleyecek olursak, azot, bitkilerle yalnızca amonyum (NH₄)⁺¹ ve nitrat (NO₃)⁻¹ formları ile etkileşime girebilir. Halihazırda moleküler azot (N₂) olarak bulunan bu element, azot fiksasyonu işlemiyle, azotu fikse eden bakterilerin de yardımıyla bu formlara dönüştürülür. Fosfor ise doğal olarak kayalarda bulunan ve dış etkenler ile hem suya hem toprağa karışan bir elementtir. Tek başına bitki tarafından alınamayıp ‘’şelatlayıcılar’’ (İngilizce anlamıyla chelator) sayesinde vücuda girer. Alüminyum, demir ve kalsiyum bu elementlere örnektir ve oluşturulan FePO₄, Ca₃(PO₄)₂ ve AlPO₄ molekülleri ile fosfor, bitkiler için uygun hale getirilir. Bu işlem, siyanobakteriler tarafından da gerçekleştirilebilir olup, sitrik asit, tartarik asit, oksaloasetik asit, malik asit gibi organik asitlerle fosfor, diğer elementlerle bağ kurmaya uygun hale gelerek şelatörleri oluşturur. Öyle ki söz konusu olan çalışmada incelenmiş olan tekli kültürlerde bu yapıların konsantrasyonları 1,5 ila 3,3 ppm civarlarında gözlenirken, kombinasyonlarda 7,96 ppm’e kadar gözlemlenebilmiştir.
Su alım mekanizmasına ve toprağın su tutma kapasitesine olan etkileri
Su, hayatta her şeyin olduğu gibi topraktaki yaşamın da temel taşıdır. Yukarıda tüm o bahsettiğimiz parametreler; besinler, tuzlar vs. ancak suyun varlığıyla mümkün olabilir. Toprak, katı partiküllerinin yanında su da içermektedir. Bu su, toprağın porlu yapısı sayesinde ekosisteme girer. Siyanobakteriler de bu noktada devreye girerler. Organizmalar ve ürettikleri EPS’ler sayesinde, topraktaki katı partikül yoğunluğu azalıp por yapısı artar ve bu artış su alma kapasitesini artırır. Aynı zamanda EPS’in yapısı gereği sahip olduğu o tutucu, tutkal benzeri hal ile su, toprakta tutulur ve kaybedilmesi engellenir. Bu sayede toprak, zorlu koşullar dahil her dönem nemli kalmakta ve bitkilerin stres durumları en aza indirilmektedir. Bu parametreleri, yukarıda bahsettiğimiz çalışma kapsamında da değerlendirmek gerekirse, tekli kültürlerde en fazla %6 civarında bir artış göstermiş olan topraktaki por yapısı, kombinasyonlarda %7 ila %10’a kadar çıkmaktadır. Bu por yapısıyla bağlantılı olarak, katı toprak yoğunluğu da %16 ila %20’lere kadar düşürülebilmiştir.
Özet olarak, siyanobakteriler, her anlamda toprağın gelişmesi, verimini artırması ve yaşama daha uygun hale getirilmesi için yararlı organizmalardır. Farklı türlerin bir araya gelmesiyle artan etkisiyle; asiditeyi, tuzluluğu, besin döngülerini düzenleme ve toprak yapısına olumlu yönden yaklaşma konusunda ilk başvurulacak yöntemlerden biri olmuştur. Nitekim bu yöntem; Hindistan, Çin, Mısır, Avrupa ve Afrika ülkeleriyle beraber, Türkiye’de de kendini göstermiş ve uygulama çalışmalarına başlanmıştır. İnsanların, doğanın her yerine müdahalede bulunup tarumar ettiği bu dönemde, doğal ve biyolojik yöntemlerle çevreyi geri getirme çabaları oldukça yoğunluk kazanmış ve ilerleyen dönemlerde de kendini göstereceği belli olmuştur.
Kaynakça
https://link.springer.com/article/10.1007/s10811-024-03437-1
https://www.webofscience.com/wos/woscc/full-record/WOS:A1991GU20800011
https://www.webofscience.com/wos/woscc/full-record/WOS:000227269800048
https://www.webofscience.com/wos/woscc/full-record/WOS:A1991GU20800013
