เรื่องที่ 7 จุลินทรีย์กับการหมุนเวียนธาตุอาหารพืชในดิน

: แนวคิดเรื่องบทบาทของปุ๋ยชีวภาพ

รองศาสตราจารย์ ดร.ยงยุทธ โอสถสภา

อาจารย์พิเศษ ภาควิชาปฐพีวิทยา คณะเกษตร กำแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

    ในเรื่องที่ 5 “คุณภาพดินเพื่อการเกษตร” ได้อธิบายภาพรวมของจุลินทรีย์ต่อคุณภาพของดินไปส่วนหนึ่งแล้ว ในเรื่องที่ 7 ซึ่งเป็นเรื่องสุดท้ายในชุด “ดินกับการเจริญเติบโตของพืช” จะขยายความเรื่อง “จุลินทรีย์กับการหมุนเวียนธาตุอาหารในดิน” เพื่อเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจ “เรื่องปุ๋ยชีวภาพ” ซึ่งเป็นปุ๋ยที่จะมีบทบาทสำคัญต่อการผลิตพืชในอนาคต

1. ดินเป็นระบบนิเวศ

      “ระบบนิเวศ (ecosystem: eco=home)” ประกอบด้วยคำ 2 คำเชื่อมกัน คือ ระบบ + นิเวศ ซึ่งแต่ละคำมีความหมายดังนี้ “ระบบ” คือ กลุ่มของสิ่งต่างๆซึ่งมีความสัมพันธ์กัน ทำหน้าที่ในลักษณะประสานและเชื่อมโยงคล้ายเป็นสิ่งเดียวกัน  ส่วน “นิเวศ” แปลว่าบ้านหรือที่อยู่  การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตกับถิ่นที่อยู่และสิ่งแวดล้อม เรียกว่า “นิเวศวิทยา” ดังนั้น “ระบบนิเวศดิน” จึงเป็นระบบความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตต่างๆในดิน และระหว่างสิ่งมีชีวิตกับองค์ประกอบของดินอันเป็นสิ่งแวดล้อม

       สิ่งมีชีวิตในดินมี 3 กลุ่ม คือ พืช สัตว์ และจุลินทรีย์ ส่วนองค์ประกอบที่ไม่มีชีวิตได้แก่ของแข็ง (สารอนินทรีย์และสารอินทรีย์) กับช่องว่าง (มีน้ำและอากาศ) เป็นที่อยู่อาศัยและให้ปัจจัยที่จำเป็นต่อการดำรงชีพแก่สิ่งมีชีวิต (ภาพที่ 1) ความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตทั้งสามประเภทแสดงไว้ในตารางที่ 1

ภาพที่ 1 สิ่งมีชีวิตในดิน (1-4 แมลงชนิดต่างๆ, 5 ไส้เดือนดิน, 6 รากพืช, 7 ไส้เดือนฝอย, 8 เชื้อรา, 9 โปรโตซัว และ 10 แบคทีเรีย)

2. หน้าที่ของจุลินทรีย์ดิน

      จุลินทรีย์ดินทำหน้าที่  2 ประการ คือ ย่อยสลายสารอินทรีย์และขับเคลื่อนวงจรธาตุอาหาร ดังนี้

     2.1 ย่อยสลายสารอินทรีย์

           จุลินทรีย์ดินทำหน้าที่ย่อยสารอินทรีย์ซึ่งได้จากซากพืช ซากสัตว์และมูลสัตว์ โดยจุลินทรีย์ใช้เอ็นไซม์ย่อยสารประกอบโมเลกุลใหญ่ให้เล็กลง แล้วดูดซึมเอาสารอินทรีย์โมเลกุลเล็กๆเหล่านั้นไปเป็นอาหารและใช้เป็นแหล่งพลังงาน เชื้อรา แบคทีเรีย และแอคติโนไมซิสในดิน มีบทบาทสำคัญในเรื่องนี้ (ภาพที่ 2) ปัจจุบันมีการคัดเลือกจุลินทรีย์ที่มีประสิทธิภาพในการย่อยองค์ประกอบของผนังเซลล์พืช มาพัฒนาเป็น “เชื้อเร่งปุ๋ยหมัก”

ภาพที่ 2 เชื้อราและแบคทีเรียทำหน้าที่ย่อยสารอินทรีย์ในดิน

     2.2 ขับเคลื่อนวงจรธาตุอาหาร

           เนื่องจากธาตุอาหารในดินมีอยู่ 2 แบบ คือ แบบที่ 1 อยู่ในรูปที่เป็นประโยชน์ ซึ่งพืชและจุลินทรีย์ดูดไปใช้ได้ ธาตุอาหารในดินส่วนนี้จึงกลับเข้ามาอยู่ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตอีกครั้งหนึ่ง และ ส่วนที่ 2 ธาตุอาหารรูปที่ไม่เป็นประโยชน์ ได้แก่ (1) ส่วนที่เป็นองค์ประกอบในหินและแร่  (2) ส่วนที่ถูกตรึงอยู่ในดิน และ (3) ส่วนที่เป็นองค์ประกอบในสารอินทรีย์โมเลกุลใหญ่ ซึ่งต้องใช้กระบวนการทางเคมีและชีวเคมี เพื่อเปลี่ยนแปลงธาตุอาหารในสารประกอบดังกล่าวต่อไป            

ตารางที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างพืชสัตว์และจุลินทรีย์ในระบบนิเวศดิน

3. ภาพรวมบทบาทของจุลินทรีย์ในวงจรไนโตรเจน

   วงจรของไนโตรเจน (ภาพที่ 3) แสดงการเปลี่ยนแปลงของไนโตรเจนในดินไว้ 4 ส่วน คือ (1) ดินได้รับไนโตรเจนจากอากาศ จากกระบวนการตรึงตามธรรมชาติ (2) การเปลี่ยนแปลงของสารประกอบไนโตรเจนในดิน (3) การดูดใช้ไนโตรเจนจากดินของรากพืช และ (4) การสูญเสียไนโตรเจนจากดินโดยการกร่อนดิน และออกไปในรูปของแก๊ส ในบทความนี้จะอธิบายเกี่ยวกับส่วนที่ 1 และ 2 โดยละเอียด

ภาพที่ 3 วงจรของไนโตรเจน

4. การเปลี่ยนแปลงของสารประกอบไนโตรเจนในดิน

    ซากพืชและซากสัตว์ทุกชนิดมีโปรตีนและสารอินทรีย์ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ ซึ่งไนโตรเจนส่วนนี้มีขนาดของโมเลกุลใหญ่และซับซ้อนมาก พืชนำมาใช้ประโยชน์ไม่ได้ แต่จุลินทรีย์บางชนิดมีบทบาทสำคัญที่ช่วยย่อยสลายและเปลี่ยนแปลงออกมาในรูปที่พืชใช้ประโยชน์ได้ ดังนี้

    1) จุลินทรีย์ดินหลายชนิด มีเอนไซม์ซึ่งสามารถย่อยโปรตีนและสารอินทรีย์ไนโตรเจนโมเลกุลใหญ่ให้เล็กลง เป็นกรดอะมิโนและอะมีน (amine) ซึ่งเป็นประโยชน์กับจุลินทรีย์ชนิดอื่น หากกรดอะมิโนอยู่ใกล้ราก ก็เป็นประโยชน์ต่อพืชเช่นเดียวกัน  

    2) แบคทีเรียและเชื้อราใช้เอ็นไซม์แปรสภาพกรดอะมิโนและอะมีน ให้เป็นแอมโมเนียมไอออน (NH₄⁺) ซึ่งพืชดูดไปใช้ประโยชน์ได้

    3) แบคทีเรียสกุล Nitrosomonas เปลี่ยนแอมโมเนียมไอออนไปเป็นไนไทรต์ไอออน (NO₂^-) และแบคทีเรียสกุล Nitrobacter เปลี่ยนไนไทรต์ไอออน (NO₂^-) ไปเป็นไนเทรตไอออน (NO₃^-) ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อพืชเช่นเดียวกัน

    กระบวนการทั้ง 3 ขั้นตอนนี้ช่วยเปลี่ยนไนโตรเจนจากรูปของสารอินทรีย์ซึ่ง (1) มีอยู่เดิมในดิน และ (2) มาจากปุ๋ยอินทรีย์ที่ใส่ ให้กลายมาเป็นสารอนินทรีย์ที่พืชดูดไปใช้ได้ และเซลล์พืชก็นำไปสังเคราะห์เป็นสารอินทรีย์เพื่อใช้ในการเจริญเติบโตอีกครั้งหนึ่ง

        การย่อยสลายสารอินทรีย์ในดินและปุ๋ยอินทรีย์ เพื่อปลดปล่อยธาตุอาหารอื่นๆ ให้ออกมาเป็นประโยชน์ต่อพืช ก็เป็นบทบาทสำคัญของจุลินทรีย์ดินเช่นเดียวกัน

       ข้อ 5-7 จะอธิบายบทบาทของจุลินทรีย์ ด้านการเพิ่มความเป็นประโยชน์ของธาตุอาหารต่างๆในดิน 3 เรื่อง คือ (1) ไนโตรเจน ( 2) ฟอสฟอรัส และ (3) จุลธาตุบางธาตุ เพื่อแสดงให้เห็นว่าจุลินทรีย์ มีบทบาทสำคัญในการขับเคลื่อนวงจรธาตุอาหารในระบบนิเวศดิน ช่วยให้พืชได้ใช้ประโยชน์จากธาตุอาหารที่มีอยู่ในดินอย่างต่อเนื่อง การส่งเสริมให้จุลินทรีย์มีประชากรมากขึ้น เพิ่มความหลากหลายทางชีวภาพและมีกิจกรรมสูง “โดยการใช้ปุ๋ยชีวภาพที่เหมาะสม” จึงมีความสำคัญต่อการผลิตพืชอย่างยั่งยืน

5. การตรึงไนโตรเจนของจุลินทรีย์

        จุลินทรีย์บางชนิดมีเอ็นไซม์พิเศษที่พืชชั้นสูงไม่มี คือ เอ็นไซม์ไนโตรจีเนส (nitrogenase) ซึ่งเร่งปฏิกิริยาชีวเคมี เปลี่ยนแก๊สไนโตรเจน (N₂) จากอากาศ เป็นแอมโมเนีย (NH₃) แล้วเปลี่ยนต่อไปเป็นกรดอะมิโน อันเป็นสารตั้งต้นที่จุลินทรีย์และพืชใช้ในการสังเคราะห์โปรตีน การตรึงไนโตรเจนของจุลินทรีย์มี 2 แบบ คือ ตรึงเมื่อจุลินทรีย์อยู่ร่วมกับพืช และตรึงได้แม้จุลินทรีย์จะอยู่อย่างอิสระในดิน 

         5.1 การตรึงไนโตรเจนของจุลินทรีย์ที่อยู่ร่วมกับพืช จุลินทรีย์ประเภทนี้เดิมอยู่ในดิน แต่วงจรชีวิตช่วงหนึ่งได้เข้ามาอยู่ร่วมกับพืช เพื่ออาศัยน้ำตาลจากพืชเป็นอาหาร แล้วเปลี่ยนแก๊สไนโตรเจนเป็นแอมโมเนียและแบ่งปันให้พืชใช้ประโยชน์ จุลินทรีย์ในกลุ่มนี้แบ่งเป็น 2 พวก คือ

              1) แบคทีเรียอยู่ร่วมกับรากพืชและสร้างปมราก ได้แก่ไรโซเบียม (Rhizobium) ซึ่งมีชนิด (species) ที่เจาะจงต่อการสร้างปมรากในพืชตระกูลถั่วแต่ละประเภท เช่น ถั่วเหลือง ถั่วเขียวและถั่วลิสง (ภาพที่ 4) ปริมาณไนโตรเจนที่ตรึงได้เมื่อไรโซเบียมอยู่ร่วมกับพืชตระกูลแต่ละชนิด คือ ถั่วเหลือง ถั่วเขียวและถั่วลิสง 18, 32 และ 16 กิโลกรัมไนโตรเจน/ไร่/ปี ตามลำดับ ไนโตรเจนที่ตรึงได้นี้ส่วนหนึ่งจะติดไปกับเมล็ดถั่วที่เก็บเกี่ยว ส่วนที่เหลือในใบ ลำต้นและราก จะคืนกลับลงสู่ดินเมื่อไถกลบซากถั่ว และหมุนเวียนให้พืชที่ปลูกตามมาได้ใช้ประโยชน์อีกครั้งหนึ่ง

ภาพที่ 4 ปมรากถั่วเหลืองซึ่งไรโซเบียมเข้าไปสร้างขึ้น ใช้เป็นที่อยู่และตรึงไนโตรเจน

                2) แบคทีเรียบางชนิดอยู่ร่วมกับพืชโดยไม่สร้างปม แต่อยู่ตามผิวรากหรือในช่องระหว่างเซลล์ของราก ได้รับสารอาหารโมเลกุลเล็กจากรากพืช เช่น น้ำตาล เพื่อการเจริญเติบโตและเป็นแหล่งพลังงานสำหรับการตรึงไนโตรเจน ตัวอย่างของจุลินทรีย์ในกลุ่มนี้ ได้แก่แบคทีเรีย ชื่อ ว่า Gluconacetobacter diazotrophicus  อยู่ร่วมกับอ้อย (ภาพที่ 5) และพืชอีกหลายชนิด เมื่ออยู่ร่วมกับอ้อย สามารถตรึงไนโตรเจนได้ประมาณปีละ 16 กิโลกรัมต่อไร่ 

ภาพที่ 5 แบคทีเรีย ชื่อ ว่า Gluconacetobacter diazotrophicus  อยู่ร่วมกับอ้อยและตรึงไนโตรเจนได้

          5.2 จุลินทรีย์ที่ตรึงไนโตรเจนแบบอิสระ

                จุลินทรีย์ในกลุ่มนี้ได้แก่สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินและแบคทีเรียหลายชนิด ซึ่งอยู่ในดินโดยไม่ต้องพึ่งพาพืช และสามารถตรึงไนโตรเจนได้ปีละ 7-8 กิโลกรัมต่อไร่

6. จุลินทรีย์กับความเป็นประโยชน์ของฟอสฟอรัส

     เนื่องฟอสฟอรัสในดินรูปที่เป็นประโยชน์มีเพียงเล็กน้อย ส่วนมากอยู่ในรูปที่พืชใช้ประโยชน์ไม่ได้ คือ 1) สารอนินทรีย์ที่ละลายยาก คือ หิน แร่และฟอสฟอรัสที่ถูกตรึงไว้ในดิน และ 2) สารอินทรีย์ฟอสเฟตที่มีโมเลกุลใหญ่ แต่จุลินทรีย์ดินหลายชนิดก็มีส่วนช่วยให้รากพืชได้รับฟอสฟอรัสจากดินมาใช้ประโยชน์มากขึ้น ทั้งทางตรงและทางอ้อม ดังนี้

      6.1 บทบาททางตรงของจุลินทรีย์  ที่ช่วยให้พืชได้รับฟอสฟอรัสมากขึ้นมี 2 ประการ คือ

           1) เชื้อราบางชนิดเรียกว่าเชื้อราไมคอร์ไรซา (mycorrhizal fungi) อยู่ร่วมกับรากพืช แล้วแผ่ขยายเส้นใยออกไปในดินโดยรอบ (ภาพที่ 6) เส้นใยรามีความสามารถพิเศษในการดูดใช้ฟอสฟอรัสในดินส่วนที่รากพืชทั่วไปดูดมาใช้ไม่ได้ ซึ่งรากพืชได้รับส่วนแบ่งฟอสฟอรัสเหล่านี้จากราจึงไม่ขาดแคลน

ภาพที่ 6 เชื้อราไมคอร์ไรซา ช่วยให้รากได้รับฟอสฟอรัสที่เป็นประโยชน์จากดินมากขึ้น

           2) จุลินทรีย์หลายชนิดละลายสารประกอบที่ละลายยาก โดยกลไก 2 แบบ คือ (ก) ขับกรดออกมาจากเซลล์เพื่อละลายสารฟอสเฟตอนินทรีย์ที่ละลายยาก เช่น หินฟอสเฟต และ (ข) ขับเอ็นไซม์ฟอสฟาเทส (phosphatase) เพื่อย่อยสารประกอบฟอสเฟตอินทรีย์ กิจกรรมทั้งสองแบบนี้ช่วยปลดปล่อยฟอสเฟตไอออนออกมาให้พืชใช้ประโยชน์

      6.2 บทบาททางอ้อมของจุลินทรีย์  เป็นบาทต่อเนื่องของจุลินทรีย์ดินในการย่อยสลายสารอินทรีย์ต่างๆ ผลจากกระบวนการย่อยสลายสารอินทรีย์ดังกล่าว ได้กรดอินทรีย์หลายชนิด และสารฮิวมิกที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ สารเหล่านี้มีบทบาทเพิ่มความเป็นประโยชน์ของฟอสเฟตในดิน โดย 1) แอนไอออนของกรดอินทรีย์ เข้าไปไล่ที่ฟอสเฟตที่ถูกตรึงให้ออกมาเป็นอิสระอีกครั้งหนึ่ง และ 2) สารฮิวมิกยังไปห่อหุ้มบางบริเวณของผิวแร่ดินเหนียว จึงลดการตรึงฟอสเฟตของแร่ดินเหนียวนั้นด้วย   

7. จุลินทรีย์กับความเป็นประโยชน์ของธาตุอาหารอื่นๆ

    จุลินทรีย์ดินสามารถละลายแร่โพแทชและสารประกอบอื่นๆดังนี้

     7.1 จุลินทรีย์ละลายแร่โพแทสเซียม

            จุลินทรีย์พวกแบคทีเรียที่ละลายโพแทสเซียม (potassium solubilizing bacteria, KSB) มีอยู่ในดินและช่วยย่อยสลายแร่โพแทชต่างๆที่มีอยู่ในดินได้ โดยการขับกรดอินทรีย์บางชนิดออกมาจากเซลล์แล้วย่อสลายแร่โพแทชอย่างช้าๆแบคทีเรียที่มีบทบาทดังกล่าวได้แก่ Acidothiobacillus ferrooxidans, Paenibacillus spp., Bacillus mucilaginosus, B. edaphicus, and B. circulans ซึ่งมีความสามารถย่อยสลายแร่โพแทช เช่น  biotite, feldspar, illite, muscovite, orthoclase และ mica ได้โพแทสเซียมรูปที่เป็นประโยชน์ต่อพืช

     7.2  จุลินทรีย์กับความเป็นประโยชน์ของธาตุอื่นๆในดิน

        ส่วนนี้เป็นบทบาททางอ้อมของจุลินทรีย์ดินเช่นเดียวกัน กล่าวคือสารอินทรีย์บางชนิดรวมทั้งสารฮิวมิก ที่ได้จากกระบวนการย่อยสลายซากพืชและสัตว์ดังที่ได้กล่าวแล้ว จะทำหน้าที่ 2 ประการ คือ 1) สารฮิวมิกมีทั้งประจุลบและประจุบวก จึงดูดซับธาตุอาหารทั้งพวกที่มีประจุบวกและประจุลบให้เป็นประโยชน์ต่อพืช และ 2) สารอินทรีย์บางส่วน จับกับจุลธาตุ เช่น เหล็ก ทองแดง แมงกานีส และสังกะสี ในรูปคีเลต ซึ่งรากพืชดูดไปใช้ประโยชน์ได้ง่าย   

8. สรุป

   แม้ว่าจุลินทรีย์ในฐานะที่เป็นองค์ประกอบหนึ่งของระบบนิเวศดิน ได้ทำหน้าที่ย่อยสลายซากพืช ซากสัตว์และมูลสัตว์ รวมทั้งขับเคลื่อนวงจรของธาตุอาหารต่างๆในดินตามธรรมชาติแล้วก็ตาม แต่ถ้ามนุษย์สามารถกระตุ้นให้มีประชากร ความหลากหลายทางชีวภาพและกิจกรรมของจุลินทรีย์ที่เป็นประโยชน์สูงขึ้น ก็จะทำให้คุณภาพของดินดี และเกิดผลดีต่อการผลิตพืชในระยะยาว

                                                                ............................................

หมายเหตุ: เรื่องที่ 7 นี้ เป็นเรื่องสุดท้ายของ “บทความตอนที่ 1 ดินกับการเจริญเติบโตของพืช” ซึ่งประกอบด้วย 7 เรื่อง คือ

เรื่องที่ 1 องค์ประกอบและธรรมชาติของดิน

เรื่องที่ 2 ความสำคัญของเนื้อดินต่อพืช

     เรื่องที่ 3 ความสำคัญของอินทรียวัตถุในดิน

เรื่องที่ 4 สิ่งมีชีวิตและอินทรียวัตถุในดินกับโครงสร้างของดิน

เรื่องที่ 5 คุณภาพดินเพื่อการเกษตร

เรื่องที่ 6 ดินดีและดินเลว

เรื่องที่ 7 จุลินทรีย์กับการหมุนเวียนธาตุอาหารพืชในดิน : แนวคิดเรื่องบทบาทของปุ๋ยชีวภาพ

อีก 2 สัปดาห์ ติดตามบทความตอนที่ 2 หลักการของธาตุอาหารพืช เริ่มด้วย

     เรื่องที่ 8 ที่มาของธาตุอาหารพืช

----------------------------------------------