New biofertilization approach based on the microbial multispecies biocatalytic aggregates

Kakovost tal se po vsem svetu zmanjšuje zaradi erozije in intenzivne rabe kmetijskih zemljišč. Kmetijske rastline niso prilagojene zmanjšani vsebnosti hranil, zato moramo razviti nove pristope za gnojenje tal, ki hranila dovajajo v bližino korenin. V alpskih oligotrofnih tleh se v ""žariščih"" v rizosferi kopičijo bakterije, da bi povečale svojo učinkovitost in pospešile postopek raztapljanja podlage in luženje nutrientov. S simulacijo tega sistema bomo izvedli umetno inkapsulacijo in imobilizacijo mikrobnega konzorcija, ki vključuje rizobakterije z s sposobnostjo luženja, fiksatorje N2, razgrajevalce virov ogljika in seve za rastlinski biokontrolo. Celice bomo imobilizirali na površine nosilcev, da preučimo njihov vpliv na razpoložljivost hranil in promocijo rasti rastlin. Preprost vnos bakterij v kmetijske sisteme ni enostaven in učinkovit. Da bi rešili to težavo, predlagamo pristop, pri katerem bakterije lokalno skoncentriramo z imobilizacijo na zaščitni nosilec, skupaj z mineralnim in organskim virom hranil, da tvorijo umetno ""žarišče"" za sporščanje hranil. Imobilizacija celic pomaga posnemati razmere v naravnih sistemih, kjer bakterije niso prosto živeče, ampak večinoma neposredno pritrjene na površine delcev tal ali ujete v zunajcelični matriks biofilma. Za približevanje izbranih bakterijskih celic in površine hranilnega substrata bo uporabljenih več tehnik imobilizacije celic. Naše prototipna ""žarišča"", t.j. mikrosfere in makronosilci, bodo zgrajeni tako, da omogočajo preučevanje bakterijske aktivnosti in dostavo hranil v bližino korenin. Za spreminjanje celične površine ter za inkapsuliranje in imobilizacijo celic bodo uporabljene tehnike, kot so elektroplastično nanašanje nabitih polielektrolitov po plasteh (LBL) in konvencionalno ujetje v polimerni matriks. Imobilizacija celic bo zagotovila preživetje bakterij in povečala aktivnost celic. V preteklih študijah takšnega pristopa še niso obravnavali niti sistematično preučevali kako lahko bakterija v interakciji s površino vira hranil izloči zadostne količine hranil, ki so na voljo rastlini. V predlaganem projektu bomo zbrali veliko zbirko bakterijskih sevov in gensko in kemijsko okarakterizirali izbrane kandidate. Nadalje bomo površino celic izbranih kandidatov elektrostatično spremenili tako, da bo ustvarila celične agregate in umetne biofilme, ki bodo osnova za prototip ""žarišč"". Z uporabo najbolj aktivnih izolatov združenih v konzorij bomo preučili interakcijo bakterij s površino substrata na nosilcih, in sicer neposredno z merjenjem proizvodnje spojin za luženje, razpoložljivosti N, P, C, mikrohranil in kovin. Scale-up postopka za pripravo prototipnih sistemov za izločanje hranil bo končno pomagalo izvesti študijo z rastlinskimi poskusi. Rastline, kot so koruza, enokaličnica in kmetijsko pomembna rastlina, in arabidopsis, dvokaličnica primerna za biokemijske raziskave, bodo pomagale oceniti izboljšanje rastlinske pridelave v rastlinjakih, kjer bodo uporabljene različne vrste dostave bakterijskih imobiliziranih sistemov. Predlagana študija bo pospešila splošno znanstveno znanje o delovanju bakterij, fiziologiji bakterijskih celic in interakcijah rastlin z mikrobi, zlasti tako, da bo dobila boljši vpogled v značilnosti celične površine, delitev, rast in aktivnost celic, interakcije bakterijskih celic in površine ter spodbujanje rasti rastlin z bakteirjami. Vrednost predlaganega dela je temeljna, bo osnova za prihodnje aplikativne rešitve in bo prenosljiva na druga področja, kot sta industrijska biotehnologija in medicina.