Näin maaperän mikrobiston tutkimusta tehdään

Ilmastonmuutoksen hidastaminen ja hiilen sidontaa lisäävien toimenpiteiden toteuttaminen ovat nyt ja tulevat tulevaisuudessa olemaan osa arkipäivän ihmistoimintaa. Pariisin ilmastokokouksen yhteydessä 2015 asetettiin kansainvälinen tavoite lisätä vuosittain maaperän hiilivarastoa 0.4 %. Tavoitteen toteutuessa maahan saataisiin sidottua saman verran hiiltä kuin ihmiskunta sitä vuosittain vapauttaa ilmakehään.

Konkreettisia ja toimivia keinoja vaikuttaa hiilivarastoihin tulee löytää, jotta ilmastonmuutosta hidastavat teot eivät jäisi vain puheiksi. Yksi mahdollinen keino on lisätä hiilen sitoutumista sen luonnollisiin varastoihin, kuten maahan. Tämä kuitenkin vaatii aktiivisia toimenpiteitä. Tällaisten toimenpiteiden toteuttaminen jo muutenkin muokattavilla mailla, kuten viljeltävillä pelloilla, on kokeilunarvoista.

On esitetty, että peltojen hiilen sidontaa, hiilivarastoa ja kasvukuntoa voitaisiin parantaa esimerkiksi jatkuvalla kasvipeitteisyydellä tai lisäämällä pellolle orgaanisia maanparannusaineita. Suomalaisten peltomaiden, joista suuri osa on ollut aikoinaan metsiä tai soita, hiilitase heikentyy koko ajan. Niistä vähenee hiiltä joka vuosi n. 1 %. Tästäkin syystä hiilen määrää peltomaissa on lisättävä kasvukunnon säilyttämiseksi. Pyrkimyksenä on, että peltomailla hiilen sidonnan lisäämiseksi tehtävät toimenpiteet hyödyttäisivät myös viljelijää.

Biologin silmin peltomaat ovat eliöiden elinympäristöjä. Peltomaissa tapahtuvien prosessien ymmärtäminen vaatii niin fysikaalisten, kemiallisten kuin biologisten tekijöiden huomioimista, mikä tekee peltotutkijan työstä haastavaa ja mielenkiintoista. Kasvien kasvua edistävät tekijät tunnetaan hyvin, onhan mahdollisimman hyvän sadon saanti viljelyn päämäärä. Viljeltävät kasvit ja rikkakasvit eivät kuitenkaan elä pelloilla yksin, vaan pelloilla elää myös muita. Esimerkiksi viljakasvien kanssa symbioosin muodostavat keräsienet voivat parantaa kasvin ravinteiden ottoa ja suojata kasvia taudeilta. Juurten lisäksi peltomaissa elää paljon muita eliöitä, joista pienimpiä ovat mikrobit. Varsinkaan peltomaiden mikrobien merkitystä hiilen sitoutumisen kannalta ei tunneta vielä riittävän hyvin.

Tässä artikkelissa kerromme vuosina 2018-2019 tapahtuneesta tutkimuksestamme siitä, miten peltomaan hiilivarastoa mahdollisesti lisäävät maanparannusaineet vaikuttavat maaperän sienten ja bakteerien yhteisöihin ja toimintaan. ”Me” käsittää Helsingin yliopistossa työskentelevät tutkijat FT Karoliina Huuskon ja MMT Outi-Maaria Sietiön. Tutkimusta ovat rahoittaneet Varsinais-Suomen ELY-keskus & Soilfood (Mikrobikunto-hanke), sekä Maj ja Tor Nesslingin säätiö (Hiilen sitominen peltomaahan: maanparannusaineiden vaikutus mikrobiologiaan? -hanke). Tutkimus on toteutettu yhteistyössä Soilfoodin kanssa ja se on osa Carbon Action toimintaa.

Koekenttä ja koeasetelma, näytteenotto pellolla

Maanparannusaineiden vaikutusta maaperän mikrobeihin ja hiilivarastoon tutkittiin kesällä 2018 Paraisilla Qvidjan kartanon pellolla sijaitsevalla Soilfood Oy:n koekentällä, joka on perustettu 2016 aiemmin toteutetun Päästösäästö-hankkeen puitteissa. Koekentällä kasvatetaan viljakasveja normaalin viljelykäytännön mukaisesti kolmella rinnakkaisella kerranteella, joilla on käytetty erilaisia maanparannusaineita. Maanparannusaineiden vaikutuksien lisäksi tutkitaan, miten siemenille tehtävä humusvesikäsittely vaikuttaa kasvien kasvuun ja mikrobiyhteisöön. Koekäsittelyt on toteutettu satunnaistetusti kunkin kerranteen sisällä. Tutkimukseen sisältyvät seuraavat kontrollit ja tutkimuskäsittelyt (Kuva 1): 1) Käsittelemätön 0-ruutu, 2) Kontrolli 80 kg N/ha, 3) Kontrolli 120 kg N/ha, 4) Ravinnekuitu, 5) Nollakuitu, 6) Pajubiohiili, 7) Kuusibiohiili ja 8) siementen humusvesikäsittely. Kaikki käsittelyruudut on lannoitettu samoin kuin Kontrolli 80 kg N/ha.

Keräsimme maanäytteitä koeruuduista lokakuun alussa samoin kuin vuosina 2016 ja 2017 oli kerätty pitemmän aikavälin muutoksien tutkimiseksi. Lokakuun näytteenoton lisäksi keräsimme maanäytteet viisi kertaa kesän 2018 aikana touko-, kesä-, heinä-, elo- ja syyskuussa kasvukauden aikaisten muutoksien havaitsemiseksi. Kesä oli poikkeuksellisen kuiva. Pölisevä pelto takasi nopean rusketuksen ja maanäytteiden kairaaminen sai hien virtaamaan. Näytteet kerättiin maakairalla kairaamalla mukaan ylimmät 10 cm maata. Yksi näyte muodostui useammasta kairallisesta maata, jotka yhdistettiin kokoomanäytteeksi (Kuva 2).

Maanäytteiden lisäksi keräsimme näytteitä kaurasta kesä-, heinä- ja elokuussa siten, että kasvinäytteet olivat sijainniltaan ja ajaltaan yhdistettävissä maanäytteisiin. Koeruutujen välissä pesimme näytteenottovälineet vedellä, minkä jälkeen pyyhimme ne etanolilla. Pakkasimme näytteet puhtaisiin valmiiksi merkittyihin muovipusseihin kylmälaukkuihin, jotta ne eivät sekoittuisi toisiinsa ja pysyisivät viileinä. Näytteenottoihin osallistui aina 6-7 ihmistä, jotta näytteenotto saatiin tehtyä päivässä. Maastonäytteenoton jälkeen jatkoimme työskentelyä seuraavana päivänä laboratoriossa.

Laboratoriokokeet

Pellolla hikoilun ja näytteenoton jälkeen palasimme labraan, poistimme isoimmat kivet, oljet ja madot maan seasta ja jaoimme maan valmiiksi eri putkiin ja pusseihin odottamaan jatkoanalyyseja. Jotkin analyysit piti tehdä saman tien tuoreesta näytteestä ja näihin kuuluivat bakteerien hiilenkäyttöprofiilista yhteisön ”sormenjäljen” antava BioLog sekä kasviperäisen aineksen hajotukseen ja mikrobien ravinteiden ottoon liittyvien entsyymien aktiivisuusmittaukset. Lisäksi maanäytteistä määritettiin multavuus, hiili-typpi-suhde sekä pH.

Kesällä kasvukauden aikana kokonaisia kauroja kerättiin versoineen ja juurineen eri käsittelyaloilta ja pakastettiin. Syksyllä talven lähestyessä alkoikin sitten juurien pesu- ja värjäysurakka (Kuvat 1 ja 2). Pesun yhteydessä juurista pestiin pois kaikki maapartikkelit ja hienojuuria poimittiin erilleen kauran juurissa olevien keräsienijuurisienten määrien arviointia varten (Kuva 3) sekä tulevia DNA-töitä varten.

Maan ja juurien mikrobiyhteisön rakenteen selvittämiseksi, maa- ja juurinäytteistä eristettiin myös kokonais-DNA, joka sisältää kaikkien näytteessä olleiden mikrobien perintöaineksen eli genomin. Kokonais-DNA:han perustuvien menetelmien avulla voidaan havaita myös tuntemattomia ja laboratorio-olosuhteissa kasvamattomia lajeja.

Eristetystä kokonais-DNA:sta selvitettiin näytteiden bakteeri- ja sieniyhteisöjen rakenteet hyödyntäen MiSeq-sekvensointia, jossa yhteisön mikrobit on mahdollista tunnistaa sukutasolle niiden ribosomaalisten DNA-jaksojen perusteella. Lisäksi näytteistä määritettiin niiden sieni-bakteerisuhteet hyödyntämällä kvantitatiivista-PCR-menetelmää, joka perustuu näytteen fluoresenssin mittaukseen. Kohdegeenin monistuessa fluoresoiva väriaine sitoutuu monistettuun DNA:han ja mittauslaite antaa jokaiselle reaktiolle arvon, joka kuvaa hetkeä, jolloin näytteen fluoresenssi ylittää raja-arvoksi määritellyn tason. Mitä suurempi näytteen antama arvo on, sitä vähemmän kohdegeeniä reaktiossa on.

Tulokset

Lokakuussa 2018 kerätyistä maanäytteistä määritettiin hiili-typpi-suhteet, maan multavuus sekä pH samoin kuin vuonna 2017 ja 2016 kerätyistä näytteistä. Lisäksi kaikkien vuosien syksynäytteistä määritettiin sieni-bakteerisuhteet hyödyntämällä kvantitatiivista PCR-menetelmää. 2017 ja 2018 kerätyistä maanäytteistä saatuja tuloksia verrattiin 2016 kerättyjen alkutilaa kuvaavien maanäytteiden tuloksiin.

Miksi meitä kiinnostaa, miten eri maanparannusaineet vaikuttavat maan multavuuteen, sieni-bakteerisuhteeseen, tai happamuuteen?

Maan multavuus on viljelymailla tärkeä suure, sillä se kuvaa, miten paljon maa sisältää orgaanista ainesta. Mitä suurempi maan orgaanisen aineen osuus eli mitä multavampi maa on, sitä suurempi maan ravinteiden ja veden pidätyskyky on ja sitä pienempi maan typpilannoituksen tarve on. Sienien ja erityisesti sienijuurisienten arvellaan lisäävän maan multavuutta sillä, että ne pilkkovat kasvien jäänteitä ja muuntavat niitä samalla vaikeammin hajotettavaan muotoon, jota kutsutaan myös yleisnimellä humus. Kun maaperän mikrobit käyttävät kasveista peräisin olevaa hiiltä kasvuunsa, osa hiilestä sitoutuu mikrobibiomassaan ja stabiloituu maaperään mikrobien jäänteissä.

Koska sienet ja bakteerit kasvavat parhaiten erilaisissa pH:issa, maaperän happamuudella voidaan vaikuttaa siihen, kuinka paljon sieniä maaperässä kasvaa. Yleisesti bakteerien kasvulle ja toiminnalle optimaalisin pH on hieman neutraalin alapuolella (pH 6-7), kun taas sienet suosivat happamampaa ympäristöä (pH 4-5).

Me havaitsimme, että kahden vuoden aikana käytetyt maanparannusaineet eivät vaikuttaneet suuresti maan happamuuteen ja multavuuteen, mutta biohiilikäsittelyt nostivat maan hiili-typpi-suhdetta, vaikkakin pajubiohiilellä hiili-typpi-suhde laski hieman ensimmäisen ja toisen kasvukauden välillä. Mielenkiintoisesti pajubiohiili käsittelyissä sienten suhteellinen osuus verrattuna bakteereihin kasvoi hieman viitaten siihen, että pidemmällä aikavälillä vaikutukset voisivat olla selkeämpiä ja aiheuttaa muutoksia myös maan multavuuteen.

Alustavien tulosten perusteella kuitukäsittelyt (Ravinnekuitu ja Nollakuitu) vaikuttavat maan sieniyhteisöön ja sen monimuotoisuuteen eri tavalla kuin muut tutkitut käsittelyt.

Artikkelin ovat kirjoittaneet Helsingin yliopistossa työskentelevät tutkijat FT Karoliina Huusko ja MMT Outi-Maaria Sietiö.

Soilfoodin ja Helsingin yliopiston Mikrobikunto-yhteistyöhankkeessa (2018-2019) tutkittiin erilaisten maanparannusaineiden vaikutuksia maaperämikrobistoon ja sen toimintaan. Hanke sai tukea Maaseutuohjelman vesiensuojelun ja ravinteiden kierrätyksen erillisrahoituksesta (Varsinais-Suomen ELY-keskus).