Reduktion av diffus förorening för en hållbar användning av bekämpningsmedel

Sammanfattning av slutrapport
Syftet med studien är att snabbt minska mängden av glyfosatrester genom samtidig tillförsel av mikroorganismer och herbiciden i fält. Tre glyfosatnedbrytande bakterier isolerades som gav ökad nedbrytning av glyfosat efter tillsats till sand. Frystorkning av isolaten gav produkter av god kvalitet och överlevnad. Identifiering av stammarna visade dock att det mest effektiva isolatet var till 99 % identisk med en opportunistisk humanpatogen tillhörande skyddsklass 2. De två andra stammarnas effektivitet var för låg. De isolerade stammarna studerades därför inte vidare. En isolerad Bradyrhizobium japonicum visade sig vara en lovande organism för den tilltänkta applikationen, men mer studier krävs för att finna hur dess kapacitet att bryta ner glyfosat kan ökas ytterligare. Konceptet med samtidig tillsats av glyfosat och glyfosatnedbrytande mikroorganismer kan ge en väsentligt snabbare nedbrytning av herbiciden jämfört med nedbrytningshastigheten utan tillsats av mikroorganismer.

Populärvetenskaplig sammanfattning
Titel
Reduktion av diffus förorening för en hållbar användning av bekämpningsmedel

Syfte med studien
Syftet med studien är att snabbt minska mängden av de glyfosatrester i fält som har hamnat på platser (växtrester, mark) där de ej har avsedd effekt utan endast utgör ett potentiellt hot för yt- och grundvattenförorening. Detta åstadkommes genom tillförsel av optimalt formulerade mikroorganismer i samband med applicering av herbiciden i fält. Denna samtidiga tillförsel av glyfosat och mikroorganismer säkerställer en nära kontakt mellan dem och ger därmed gynnsamma förutsättningar för nedbrytningen, eftersom resterna är som mest tillgängliga för nedbrytning omedelbart efter applicering.

Resultat
Isolering av glyfosatnedbrytande bakterier. Glyfosatnedbrytande bakterier isolerades från en svensk åkerjord och från en blandkultur som erhölls från Dr J. Quinn, Queen’s University, Belfast. Tre stammar som gav den största glyfosatnedbrytningen i vätskekultur valdes ut för vidare undersökningar.

Nedbrytning av glyfosat i sand och jord. De tre stammarna odlades i minimalmedium varefter celler (ca 109 celler/g) och 20 µg glyfosat/g sattes till 10 g jord eller sand. Efter två dygn gav stammarna 52, 20 och 10 % nedbrytning i sanden. Ingen nedbrytning erhölls i jorden.

Fosforbrist för induktion av glyfosatnedbrytande enzymer. Tidigare studier har visat att fosforbrist kan öka upptag och nedbrytning av glyfosat. Därför inkuberades cellerna i minimalmedium utan fosfat innan glyfosat sattes till som enda fosforkälla. Denna fosforbrist ökade nedbrytningen hos ett av isolaten märkbart.

Formulering. För att ge hög överlevnad, god lagringsstabilitet och för att göra det möjligt att sprida glyfosatnedbrytande bakterier tillsammans med formulerad glyfosat, krävs det att bakterierna är ”förpackade” (formulerade). Därför frystorkades stammarna med sackaros som bärarmaterial. De erhållna produkterna var av god kvalitet, med en överlevand mellan 50-93 % efter 3 veckors lagring vid 25 ºC.

Identifiering och karakterisering av bakterieisolaten. Identifiering av stammarna visade att det mest effektiva isolatet var till 99 % identisk med bakterien Ochrobactrum anthropi som har beskrivits som en opportunistisk humanpatogen tillhörande skyddsklass 2. Den studerades därför inte mer i detta projekt. De två andra stammarna identifierades som Microbacterium oxydans och Brevundimonas sp. Vidare studier visade att glyfosatnedbrytningen med dessa stammar inte kunde göras mer effektiv genom att t ex byta substrat (pyruvat, glykos, gluconat). Dessutom var nedbrytningen av glyfosat försumbar i närvaro av andra fosforkällor. Dessa två bakteriestammar var därför inte heller lämpliga för vårt ändamål och studerades därför inte vidare.

En glyfosatnedbrytande Bradyrhizobium japonicum. Eftersom de tre isolerade stammarna var olämpliga för vårt syfte, undersökte vi om de kunde ersättas med någon annan organism tillhörande skyddsklass 1. Bakterier tillhörande släktena Rhizobium och Bradyrhizobium har sedan länge spridits ut på åkermark för att öka kvävefixeringen hos baljväxter. Det har också rapporterats att de kan bryta ner glyfosat. Därför undersökte vi förmågan att bryta ner glyfosat hos arter tillhörande dessa släkten från kultursamlingen vid institutionen för mikrobiologi, SLU. En av dessa, Bradyrhizobium japonicum 10169, kunde bryta ner glyfosat – även i närvaro av oorganiskt fosfor. Snabbast var nedbrytningen med arabinos som substrat, men fortfarande krävdes 3-4 veckors inkubering för att erhålla fullständig nedbrytning. I sand erhölls 43,4 % nedbrytning efter 5 dygn.

Slutsats och behov av vidare studier
Konceptet med samtidig tillsats av glyfosat och glyfosatnedbrytande mikroorganismer fungerar i princip eftersom det kan ge en väsentligt snabbare nedbrytning av herbiciden jämfört med nedbrytningshastigheten utan tillsats av mikroorganismer. Det är också möjligt att isolera naturligt förekommande mikroorganismer som kan bryta ner glyfosat. Den mest effektiva organismen vi kunde isolera, Ochrobactrum anthropi, visade sig dock tillhöra skyddsklass 2 och har beskrivits som en opportunistisk humanpatogen. Den kan därför inte användas för praktisk applikation i fält och studerades därför inte mer i detta projekt.

Bradyrhizobium japonicum 10169, kunde bryta ner glyfosat – även i närvaro av oorganiskt fosfor. Nedbrytningen var emellertid mycket långsam men ökade när bakterien odlades på arabinos. Tillsats av bakterien till sand tillsammans med arabinos som substrat gav 43,4 % nedbrytning efter 5 dygn. Bradyrhizobium japonicum 10169 är därför en lovande organism för den tilltänkta applikationen, men mer studier krävs för att finna hur dess kapacitet att bryta ner glyfosat kan ökas ytterligare. En möjlig väg kan vara att identifiera det enzym som katalyserar glyfosatnedbrytningen och därefter undersöka om odling i närvaro av detta enzyms naturliga substrat ökar enzymets mängd eller aktivitet i bakterien.