Hortikulturell mikrobiologi

Senast ändrad: 14 februari 2018

Ämnesområdet "Hortikulturell Mikrobiologi" belyser samspelet mellan hortikulturella produktionssystem och mikroorganismer. Vår forskning syftar till hållbar hortikulturell produktion ur ett brett perspektiv, närmare bestämt friska hortikulturella plantor, goda odlings- och tillverkningssätt, säkra och hälsofrämjande produkter samt en sund miljö. Vår forskning bygger på ett systemperspektiv.

Mikroorganismer är oundvikliga och nödvändiga för friska växter men kan också vara skadliga för både plantor och människor. Vi undersöker användningen av mikroorganismer för att förhindra angrepp av växtsjukdomar (biologisk bekämpning) samt hur den naturliga växtassocierade mikrobiotan kan hjälpa till (habitat management) att förebygga utbrott av växtsjukdomar, och till att nå ökad skörd och växtprodukter av hög kvalitet på både friland och i växthus.

Utbrott av magsjukor efter förtäring av färska eller frysta grönsaker, bär, groddar eller örter har rapporterats i ökande takt. Vi identifierar kritiska punkter för överföring av sjukdomsalstrarna bakom utbrotten (t.ex. shigatoxin producerade E. coli m.fl.) och nya faror (antibiotikaresistenta gener, nanopartiklar) inom primärproduktion av trädgårdsprodukter och utvecklar åtgärder för att motverka deraa överföring.

Hortikulturell mikrobiologi sysslar med hortikulturella produktionssystem, både i kontrollerad miljö (växthus, tunnel) och på friland, för väletablerade kulturer, såsom grönsaker, frukt och bär, prydnadsväxter, och för nya kulturer. Odlingssystemen kan befinna sig på landsbygd eller i staden (stadsodling). Både låg- och högteknologiska produktionssystem (akvaponik, hydroponik) ingår i vår forskning. Vi är involverade i utvecklingen och optimeringen av nya uthålliga produktionssystem, särskilt vad gäller resurseffektivitet för användning av bl.a. vatten, växtnäringsämnen, odlingssubstrat och energi, så väl som effektivit utnyttjande av utrymme.

Vår forskning riktas mot stora globala utmaningar, d.v.s. livsmedelssäkerhet och -trygghet, hållbarhet, vattenbrist, markanvändning såväl som urbanisering ur ett hortikulturellt perspektiv.

Delområden:

Vatten/Bevattning

Hydroponiska odlingssystem

Integrerad produktion i växthus utförs vanligtvis i hydroponiska system. Dessa kan designas som öppna eller slutna system. Öppna system har en avsevärd inverkan på miljön i anslutning till växthuset eftersom den avrinnande lösningen som har höga halter av näringsämnen och är laddad med pesticider riskeras att bli utsläppt. Till skillnad av öppna system, recirkulerar och på så sätt återanvänds det näringsrika vattnet i slutna hydroponiska system. Slutna hydroponiska odlingssystem är bra för miljön och – genom besparing av gödselmedel och vatten – ekonomiska för företaget.

Det finns fyra generella tillvägagångssätt för att lösa överskott av näringsrikt dräneringsvatten i intensiva hortikulturella produktionssystem:

  1. Uppsamling av avrunnen näringslösning och förstöring i kommunala reningsverk  
  2. Uppsamling av avrunnen näringslösning och användning för bevattning av fältgrödor
  3. Konsekutiva odlingssystem
  4. Återanvändning av dränerad näringslösning i s.k. slutna system

Rådgivare och forskare rekommenderar den senare. Slutna odlingssystem kallas ofta för odlingssystem med recirkulerande näringslösning. Efter att näringslösningen (vatten + lösta gödselmedel) har passerat växtrötterna samlas den upp, kompletteras med näring och vatten i proportion till växternas upptag samt pH-justeras före återpassage genom växtrötterna.

Återanvändning av näringslösningen i slutna system är en väletablerad teknik inom modern växthusodling. Teknologin är inte ny men introduktionen i Sverige har varit seg trots teknologins erkända miljömässiga och ekonomiska fördelar. Tre anledningar som ofta nämns i dessa sammanhang:

  • Risk för spridning av rotsjukdomar via den återanvända näringslösningen
  • Risk för ackumulering av organiska komponenter i näringslösningen
  • Korrekt dosering av växtnäring

Det finns lösningar till alla dessa farhågor!

Risk för spridning av rotsjukdomar via den återanvända näringslösningen

Teknologi för rening av näringslösningen i slutna odlingssystem finns. Det finns flera alternativ att välja mellan. Valet av utrustning beror på ett antal faktorer, så som:

  • Kultur som odlas i det slutna systemet
  • patogen/patogener som utsätter kulturen för störst hot?
  • Förhållanden i odlingssystemet
  • Ekonomiska omständigheter

Rening sker på en särskild plats i odlingssystemet. Reningsutrustningen hjälper till att ta bort den rotskadegöraren som utrustningen är designad för. Spridningen mellan plantor påverkas dock inte. Generellt kan reningsutrustning grupperas utifrån effekten på mikrofloran (inkl. växtskadegörare) i aktiva (som dödar målorganismen) och passiva (som tar bort målorganismen) metoder. Biologisk bekämpning kan förebygga spridning av rotpatogener mellan plantor.

Risk för ackumulering av organiska komponenter i näringslösningen

Organiska ämnen eller organiskt material i sig påverkar inte plantornas tillväxt. De är i motsats en väsentlig del av en välmående jord. Tidiga misstag däremot i slutet av 1980-talet och början på 1990-talet ledde till antagandet att fenoliska föreningar skulle kunna ackumulera i den recirkulerande näringslösningen och därmed orsaka fytotoxiska effekter. Innan denna hypotes kunde vetenskapligt bevisas spreds det som ett faktum och ifrågasattes inte. Vår forskning visar dock att fenoliska syror

  • Förekommer i väldigt låga halter i näringslösningen
  • Effektivt bryts ner av mikroorganismer närvarande i näringslösningen i det slutna odlingssystemet
  • I små mängder främjar plantutvecklingen

En förutsättning är dock att en passande syrenivå upprätthålls i näringslösningen!

Däremot finns det visst stöd för ackumulering av organiska ämnen i den recirkulerande näringslösningen. Bekämpningsmedel som används för att kontrollera patogener på blad eller rötter kan hamna i den recirkulerande näringslösningen. Vår forskning visar att mikroorganismerna som lever i näringslösningen misslyckades med att bryta ner bekämpningsmedelsrester.

Aquaponik

Akvakultur är ett viktigt och ekonomiskt alternativ till konventionellt fiskestrategier, i synnerhet med tanke på minskande fiskbestånd och dess avsevärda påverkan på akvatiska miljöer. Genom integrering av produktionssystem för fisk (akvakultur) med moderna produktionssystem för grönsaker och bär av hög kvalitet kan denna miljöpåverkan minskas resp. undvikas. Sådana integrerade produktionssystem kallas akvaponiska system och produktionssättet akvaponik. Det näringsrika vattnet återcirkulerar mellan fisktankar och växternas rotsystem.

I dagens läge är akvaponiska system övervägande anpassade för fiskarnas behov, vilket leder till sämre kvalitet på plantorna. Inom ramen för detta projekt använder vi erfarenheten vi har samlat under mer än 20 år för att optimera den växtorienterade delen av akvaponiska system. Vårt fokus tar hänsyn till

  • Human- och växtpatogener så väl som mikrobiella föroreningar
  • Optimerade växtnärings- och gödslingsstrategier
  • Användning av rester från akvaponik för produktion av fiskföda
  • Mikrobiell biogeografi i akvatiska system

Odlingssubstrat

Hortikultur sätter växten i fokus och optimerar dess miljö för att kunna producera produkter av hög kvalitet. Vid produktion av grönsaker, frukt och bär så väl som prydnadsväxter och småplantor av hög kvalitet i växthus använder man sig av odlingssubstrat. I folkmun kallas odlingssubstrat ofta för ”jordar”, men de har väldigt lite med naturlig jord att göra.

Odlingssubstrat kan vara av organiskt (d.v.s. torv, träfibrer, kokos) eller oorganiskt (d.v.s. mineralull, pimpsten) ursprung. Vanligtvis bedöms de efter deras fysikaliska och kemiska egenskaper. Standarder för biologisk bedömning av dessa substrat är fortfarande undermåliga. En mer noggrann biologisk karaktärisering av odlingssubstrat är nödvändig

  1. För återanvändning av odlingssubstrat som följd av extern tillförsel till hortikulturella odlingssystem och
  2. Med tanke på planthälsa relaterad till odlingssubstrat i olika stadier av användningen.

Våra aktiviteter fokuserar på den mikrobiella optimeringen av odlingssubstrat. Av särskilt intresse är i detta sammanhang biologiska egenskaper som hjälper till att motverka rotsjukdomar hos substratodlade växter. Vårt arbete utgör basen för utveckling av GenIII-odlingssubstrat, med biologiska egenskaper.

Vi har visat att vattenhalten i odlingssubstratet och den elektriska konduktiviteten i näringslösningen är effektiva faktorer för att förstärka den biologiska bekämpningseffekten av den kommersiella produkten Binab T med Trichoderma arter som aktiva stammar. Den biologiska bekämpningseffekten av Binab T, indikerad genom produktionen av extracellulära enzymer och reduceringen av mängden patogener i odlingssystemet, förstärktes på nivåer av elektrisk konduktivitet mellan 2,5 och 5,0 mS cm-1 i närings- och vatteninnehålls nivåer i odlingssubstratet på 50% och 70%.

Stadsodling

Ekologisk odling

Kunder efterfrågar i ökande utsträckning ekologiskt odlade frukter och grönsaker. Internationellt har ekologisk produktion av trädgårdskulturer fördubblats från 2003 till 2013 till följd av den ökande efterfrågan. Miljövinster av ekologisk trädgårdsodling är väldokumenterade. En stor begränsning för expanderingen av ekologisk odling finns hos begränsade effektiva verktyg och strategier för hantering av skadedjur och sjukdomar. Antalet biologiska bekämpningsmedel mot skadedjur och sjukdomar ökar, men det är inte alltid som de är effektiva i produktionen på friland och i växthus.

Hälsoeffekterna av ekologisk mat generellt är omtvistade. Ekologiskt producerade frukter och grönsaker har lägre nitrathalt och bekämpningsmedelsrester. Men få studier har emellertid befattat sig med strategier som främjar eller försämrar mikrobiell livsmedelssäkerhet.

Vår forskning fokuserar på tre olika modeller:

  • Biologisk bekämpning och strategier för växtskydd mot rot- (oomyceter) och bladburna (gråmögel, mjöldagg) sjukdomar. Tomater är modellkulturen för rotsjukdomar medan jordgubbar är för bladsjukdomar. Habitat management för att gynna välgörande mikrober är ett av våra tillvägagångssätt.
  • Mikrobiella faror i värdekedjan av ekologiska trädgårdsprodukter, främst med hänsyn till bladgrönsaker och groddar
  • Ekologisk växthusodling 

Säkra/hälsobefrämjande livsmedel

Växthus - CO2 fotavtryck

Produktion av växthuskulturer i den norra hemisfären (>60°) är beroende av uppvärmning och kompletterande assimilationsbelysning under hösten, vintern och tidigt på våren. Detta har en stor inverkan på växthusproduktionens koldioxidfotavtryck. Nya strategier för att reducera koldioxidfotavtrycket hos hortikulturell växthusodling måste utvecklas. Istället för fossilbränsle har alternativt råmaterial introducerats som uppvärmningsmaterial. Ljusemitterande dioder (LEDs) har testats som alternativ för konventionella lampor så som högtrycksnatriumlampor.

Förändringar i miljöförhållanden i växthus kan påverka strukturen på den mikrobiella uppsättningen. Etableringen och överlevnaden av patogener och biologiska bekämpningsorganismer kan i sin tur störas.

Inom ramen för detta tema studerar vi inverkan av energireducerande åtgärder på den mikrobiella biogeografin hos växthusodlade kulturer. Vårt huvudsakliga fokus ser till sampelet mellan alternativa ljuskällor och mikrobiotan som associeras med prydnadsväxter, biologiska bekämpningsmedel och svampsjukdomar som påverkar bladen.

Övergödning

Övergödning av yt- och grundvatten, vattendrag och bevattningsdammar så väl som kustområden är ett betydande miljöproblem som leder till algblomning och utarmade vattenmiljöer. Den unika miljön i Östersjön är hotad. Den negativa trenden påskyndas av kväve- och fosforutsläpp.

Flera faktorer bidrar till ackumulering av kväve och fosfor till vattendrag i Östersjöns upptagningsområde. Fosforhaltiga tvättmedel, bristande avloppssystem och avloppsrengöring är några. En del av problemet härrör från jord- och trädgårdsbruk genom läckage av kväve- och fosforhaltiga gödselmedel.

Särskilt ansvar läggs i detta sammanhang på hortikulturella produktionssystem, både på friland och i växthus. De mest känsliga områdena för övergödning i Sverige sammanfaller med områden med intensiv produktion av trädgårdsgrödor. Metoder för att förebygga näringsläckage varierar i förhållande till produktionsplatsen (hortikultur inomhus och utomhus). En generell faktor är emellertid att justera tillsatsen av gödningsmedel och näringstillgängligheten till grödans krav.

I vår forskning arbetar vi främst med förebyggande av näringsläckage från växthus (slutna produktionssystem hydroponics och aquaponics).

Kvalitetsmarkörer

Traditionell hortikulturell forskning i Sverige har fokuserat på antingen faktorer före skörd (som gödningsstrategier, växtföljd, bevattningsstrategier) eller efter skörd (som förvaringstemperatur, fuktighet och atmosfärssammansättning). Vi försöker använda ett mer integrerat tillvägagångssätt genom att vara en del av projekt som berör hela värdekedjan var faktorer före och efter skörd har ett integrerat fokus på produktkvaliteten. Då produktkvalitet är en väldigt bred term vill vi vara en del av samarbetsprojekt som är kopplade till andra SLU fakultet så väl som andra universitet. För tillfället fokuserar de flesta projekt på faktorer före skörd som påverkar produktkvaliteten hos frilandsodlade grönsaker.

Forskningsprojekt:

Sidansvarig: andrus.kangro@slu.se