‘แบคทีเรีย’ นักผลิตไนโตรเจนใต้ดิน ลดปัญหาการขาดธาตุไนโตรเจน (N) ในนาข้าว เพิ่มผลผลิต และช่วยลดโลกร้อน 

ปัญหาการขาดธาตุไนโตรเจนในนาข้าว 

ปัจจุบันการผลิตข้าวของประเทศไทยประสบปัญหาเรื่องผลผลิตต่ำ โดยมีค่าเฉลี่ยผลผลิตต่อไร่คือ 425 กิโลกรัม ซึ่งโดยทั่วไปประเทศในแถบเขตร้อนผลผลิตเฉลี่ยต่อไร่อยู่ระหว่าง 300 ถึง 400 กิโลกรัม ทั้งนี้เพราะว่าในประเทศเหล่านี้การจัดการในการปลูกยังไม่ดีเท่าที่ควร 

การปลูกโดยทั่วๆ ไปยังจำกัดอยู่ในเขตเกษตรน้ำฝน นอกจากนี้สภาพทางภูมิอากาศยังไม่เอื้ออำนวย และที่สำคัญพื้นที่ปลูกส่วนใหญ่ขาดธาตุอาหาร โดยเฉพาะธาตุไนโตรเจน (N) ข้าวจะดูดไนโตรเจนในรูปของไนเตรท (NO3 – ) หรือแอมโมเนียม (NH4 + ) ปกติทั้ง NO3 – และ NH4 + มักจะมีอยู่ในดินในปริมาณต่ำ ไนโตรเจนจึงมักเป็นธาตุอาหารที่เป็นปัจจัยจำกัดสำหรับการเจริญเติบโต 

ปุ๋ยไนโตรเจนส่วนใหญ่ที่ใช้ในนาข้าว คือ ปุ๋ยยูเรีย ซึ่งให้ธาตุไนโตรเจน 46% แต่ไนโตรเจนส่วนใหญ่จะสูญเสียไปโดย วิธีการต่างๆ เช่น ขบวนการชะล้าง (leaching) ของ NO3 – เนื่องจาก NO3 – ไม่ถูกดูดไว้โดยอนุภาคดิน จึงเกิดการชะล้างได้ง่าย กระบวนการ Denitrification ซึ่งเป็นปฏิกิริยาการรีดิวส์ไนเตรตให้เป็นแก๊ส ไนโตรเจน (N2 ) โดยแบคทีเรีย denitrifying bacteria ในสภาพที่ขาดออกซิเจน ทำให้ไนเตรตถูกรีดิวส์เป็นแก๊สไนโตรเจนกลับคืนสู่บรรยากาศและเกิดการระเหยไปในรูปของแอมโมเนีย ในสภาพ ดินหรือน้ำที่มี pH สูง การสูญเสียไนโตรเจนในรูปของแก๊สทำให้เกิดมลพิษต่อบรรยากาศในรูปไนตรัสออกไซด์ (N2O) และแอมโมเนีย (NH3 ) ส่วนไนเตรท (NO3 – ) ที่ถูกชะล้าง จะตกค้างในน้ำทั้งบนดินและใต้ดิน

วิธีการตรึงไนโตรเจน (Nitrogen Fixation)

1.การตรึงไนโตรเจนโดยกรรมวิธีทางเคมี (Haber Bosch procees) เป็นกระบวนการ ผลิตแอมโมเนียโดยใช้ก๊าซไฮโดรเจนและไนโตรเจนเป็นวัตถุดิบก่อให้เกิดปฏิกิริยาภายใต้อุณหภูมิ สูงประมาณ 500 องศาเซลเซียส ความดัน 100-200 บรรยากาศ โดยใช้เหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

2.การตรึงไนโตรเจนที่เกิดจากฟ้าแลบ ฟ้าผ่า (Almospheric fixation) เป็นการเปลี่ยนไนโตรเจนในบรรยากาศ (N2 ) ให้เป็นไนโตรเจนออกไซด์ (NO+NO2 ) ฟ้าแลบฟ้าผ่าแต่ละครั้ง กระแสไฟฟ้าจะทำให้ไอน้ำและออกซิเจนแตกตัวเป็นอะตอมและอนุมูลอิสระของ OH- , H+ ,และ O – และเข้าทำปฏิกิริยากับไนโตรเจนในบรรยากาศอย่างรวดเร็ว ได้ผลผลิตเป็นกรดไนตริก (HNO3 ) ซึ่ง ถูกละลายในน้ำฝน และตกลงสู่พื้นดินกลายเป็นปุ๋ยไนเตรท ซึ่งพืชสามารถดูดไปใช้ได้

3.การตรึงไนโตรเจนโดยสิ่งมีชีวิต (Biological nitrogen fixation) เป็นกระบวนการ เปลี่ยนก๊าชไนโตรเจนในบรรยากาศ (N2 ) ไปอยู่ในรูปของแอมโมเนียและเปลี่ยนเป็นกรดอะมิโน ซึ่งเป็นสารประกอบอินทรีย์ไนโตรเจน (organic nitrogen) แบคทีเรียสามารถตรึงไนโตรเจนได้ เนื่องจากกิจกรรมของเอนไซม์ไนโทรจีเนส กระบวนการตรึงไนโตรเจนที่ถูกกระทำโดยเอนไซม์ไน โทรจีเนส ซึ่งการตรึงไนโตรเจนโดยสิ่งมีชีวิต (Biological N2 fixation) จึงเป็นกระบวนการที่มีความสำคัญมากในการเพิ่มไนโตรเจนให้แก่ดิน

Plant Growth Promoting Rhizobacteria หรือ PGPR แบคทีเรียที่สามารถส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืช สามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท 

1. พวกที่อาศัยแบบอิสระ (free-living organism) พบอยู่ใกล้ ๆ บริเวณรากพืช ได้แก่ Rhodospirillum, Azotobacter, Azospirillium, Beijerinckiaและ Clostridium เป็นต้น 

2. พวกที่มีความสัมพันธ์แบบพึ่งพาอาศัยกันกับพืช (Symbiotic nitrogen fixer) หรือเรียกว่า Symbiosisคือ แบคทีเรียจำพวกที่สามารถเข้าสู่รากพืชแล้วเกิดกระบวนการต่างๆ ที่จะช่วยกระตุ้น การเจริญเติบโตของพืชได้ เช่น Rhizobium, Frankia, Nostoc และ Anabaena เป็นต้น 

โดยกลุ่มของแบคทีเรียที่สามารถตรึงไนโตรเจนในอากาศ (ความเป็นปุ๋ยชีวภาพ Biofertilizer) ให้อยู่ในรูปที่พืชสามารถนำไปใช้ได้ เช่น Rhizobium, Azotobacter, Azospirillium, Acetobacter, และ Pseudomonas เป็นต้น

การนำ Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR) ไปใช้ในนาข้าว

ในการผลิตข้าวได้มีการนำแบคทีเรียที่สามารถตรึงไนโตรเจนได้มาใช้กันมากขึ้น โดยมี รายงานว่า Azotobacter, Azospirillum, Clostridium, Herbaspirillum,และ Beijerinckia มี ประสิทธิภาพในการตรึงไนโตรเจน และสามารถนำมาใช้ในการปลูกข้าวทดแทนการใช้ปุ๋ยยูเรียได้ดี สามารถแบ่งได้ 3 ประเภทคือ

1.แบคทีเรียที่ต้องการออกซิเจนในการเจริญเติบโต

ซึ่งแบคทีเรียดังกล่าวจะเป็นแบคทีเรียที่สามารถตรึงไนโตรเจนได้ โดยอาศัยอยู่อย่างอิสระในดิน มีทั้งพวกที่เป็น aerobe, anaerobe, และ facultative anaerobe แบคทีเรีย aerobe ที่ตรึงไนโตรเจนได้เป็นแบคทีเรียที่ต้องการออกซิเจนในการเจริญเติบโตและสามารถตรึงไนโตรเจนได้ ได้แก่ Azotobacter sp., Azomonas sp., Beijerinckia sp., Derxia sp., Mycobacterium sp., และ Azospirillum sp. (micro-aerophile) เป็นต้น 

2.แบคทีเรียที่ไม่ต้องการออกซิเจนในการเจริญเติบโต

แบคทีเรีย anaerobe ที่ตรึงไนโตรเจนได้หมายถึงแบคทีเรียที่ไม่ต้องการออกซิเจน หากมีออกซิเจนอยู่จะยับยั้งการเจริญเติบโต ได้แก่ Clostridium, Desulfovibrio, Chlorobium, และ Chromatium เป็นต้น 

3.แบคทีเรียที่เจริญเติบโตได้โดยที่มีออกซิเจนและไม่มีออกซิเจน

แบคทีเรีย falcultative anaerobe ที่ตรึงไนโตรเจนได้ เป็นแบคทีเรียที่ต้องการออกซิเจนในการเจริญเติบโต แต่สามารถเติบโตในสภาพที่ปราศจากออกซิเจนได้เช่นกัน ได้แก่ Bacillus sp., Enterobacter sp., Escherichia sp., Klebsiell sp., Rhodopseudomonas sp. และ Rhodospirillum sp. 14 เป็นต้น 

แบคทีเรียเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็น heterotroph ได้พลังงานจากการเข้าสลายสารอินทรีย์ต่างๆ เช่น ซากพืช แบคทีเรียกลุ่มตรึงไนโตรเจนที่มีรายงานการนำมาใช้ในการปลูกข้าว คือ แบคทีเรียใน สกุล Azotobacter เป็นจีนัสของแบคทีเรียที่เคลื่อนที่ได้ สร้างซิสต์ที่มีผนังหนา และผลิตสารเมือกจำนวนมาก ใช้ออกซิเจนในการเจริญเติบโต อยู่อย่างเป็นอิสระในดิน และ Azospirillum เป็นแบคทีเรียที่เจริญเติบโตบริเวณรอบรากพืชที่ตรึงไนโตรเจนได้โดยอิสระชนิดหนึ่งพบมากในพืชตระกูลถั่ว

อ้างอิงจากงานวิจัย: ประสิทธิภาพการตรึงไนโตรเจนของ Azospirillum largimobileและ Azotobacter vinelandii ในการปลูกข้าวระบบประณีต, อาภากร หล่องทองหลาง, สาขาวิชาเทคโนโลยีการผลิตพืช, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี,  2553.