English
JANA OLIVOVÁ
Jemná vůně probouzející se země zjara, omamná vůně letní louky či zralého obilí nebo zoraného pole na podzim: tyto nezaměnitelné vjemy mají jednoho společného jmenovatele – půdu. Většinou si ji spojujeme se zajišťováním potravin pro lidi i potravy pro zvířata nebo s pěstováním rostlin jako zdrojů přírodních vláken a léčiv, půda však také uchovává a filtruje vodu, pomáhá stabilizovat klima na Zemi a má řadu dalších funkcí. Její kvalita se ale celosvětově zhoršuje, a to především v důsledku lidské činnosti. S cílem upozornit na tuto skutečnost vyhlásilo Valné shromáždění OSN rok 2015 Mezinárodním rokem půdy, jehož motto zní: „Zdravá půda pro zdravý život“.
Foto: Stanislava Kyselová, Archiv autorky
Půdy se staly – obrazně řečeno – denním chlebem vědců v Ústavu půdní biologie Biologického centra AV ČR v Českých Budějovicích: zkoumají je, a zejména jejich živou složku, od molekulární úrovně až po úroveň ekosystémů; od složení a struktury společenstev půdních organismů až po podrobnou biologii a ekologii jednotlivých druhů, včetně interakcí mezi půdními mikroorganismy a živočichy a interakcí mezi půdní biotou a abiotickými i biotickými strukturami a procesy. Řeší základní otázky spojené s tvorbou, úrodností a regenerací půd, včetně dopadů lidské činnosti. Jak upozornili v souvislosti s Mezinárodním rokem půdy, půdy na celém světě jsou ve stále horším stavu. Jeden z důsledků jsme mohli pozorovat v letošním suchém létě: vyschlá rozpraskaná půda už nedokázala zajistit rostlinám potřebnou vodu. To je přitom jedna z jejích významných rolí, jejíž plnění podle půdní bioložky dr. Jany Mackové úzce souvisí s půdní organickou hmotou: „Její obsah a kvalita se ale neustále snižují, stejně jako se zhoršují další vlastnosti půdy, zejména její struktura a pórovitost.“ Půda je totiž vlastně jakási houba – z poloviny se skládá z pevné hmoty (půdní částice a organická hmota), zatímco druhou polovinu objemu tvoří půdní póry naplněné vzduchem a vodou. Obsah pórů a jejich geometrie mají zásadní vliv na účinné vsakování vody a spolu s organickou hmotou regulují zadržování vody v půdě.
Zmíněné funkce však může dobře plnit jen půda zdravá a kvalitní – naneštěstí je jí stále méně. Jak v rozhovoru pro Akademický bulletin a Český rozhlas zdů-raznil ředitel Biologického centra AV ČR prof. Miloslav Šimek, sám půdní mikrobiolog, v České republice každoročně ubývají až tři tisíce hektarů půdy – jeden hektar přitom uživí dva až čtyři lidi. „Více než třetina půd je poškozena různými zásahy člověka, znečištěná různými polutanty nebo utužená těžkou mechanizací, je narušena struktura půdy, a co je zvlášť špatné, ubývá v ní organické hmoty.“
Vlastnosti půd negativně ovlivňuje necitlivé obdělávání spojené s jejich utužováním nebo rychlým rozkladem organické hmoty a poškozením mnoha půdních organismů v důsledku orby, která opakovaně promíchává svrchní vrstvy půdy a mění v ní probíhající fyzikálně-chemické procesy. Velká část půd je ohrožena také větrnou či vodní erozí, navíc do nich pronikají různé nepřirozené látky a zvyšuje se i obsah látek s antimikrobiálními účinky. Právě vztah mezi nežádoucími polutanty a půdními mikroorganismy českobudějovičtí badatelé studují: „Tyto látky se dostávají do půdy různými cestami, dlouho v ní přetrvávají a zpětně ovlivňují potravinové cykly. Takže půda potom slouží jako rezervoár zmíněných látek. Rostliny přijímají látky do ní vnesené a ty se tímto způsobem dostávají zase zpět do oběhu a bohužel do potravin. Nejde jen o antibiotika, jedná se i o hormony a jiné bioaktivní látky. Do půd pronikají různými cestami: spadem ze vzduchu, závlahovou nebo jinou vodou, například při záplavách; před několika lety byla rozsáhlá území ČR zaplavena povrchovou vodou, která přinesla i kontaminované sedimenty, bahno – a to vše zůstalo v půdě. Pronikají do ní také ve formě pesticidů nebo jiných umělých prostředků, jimiž člověk tzv. ošetřuje pole či rostliny – a bohužel tyto chemické a často i biologické látky následně v půdě přetrvávají a mají dalekosáhlé důsledky, které na první pohled vůbec nejsou vidět. Jenomže to vše trvá už desítky let. Většina oněch sloučenin vlastně ve velmi malých koncentracích v přírodě existuje – pokud mluvíme o přirozených látkách –, ale problémem je, že člověk svými aktivitami podstatně zvyšuje jejich koncentraci v životním prostředí. A tyto látky se potom stávají škodlivými,“ vysvětluje prof. Miloslav Šimek.
To platí i o antibiotikách v půdě: pocházejí z různých zdrojů a mají za následek rostoucí rezistenci některých půdních organismů k nim, jak dosvědčuje i vědecká práce týmu dr. Dany Elhottové.
Foto: Archiv BC AV ČR
Jedná se pouze o antibiotika, která se do půdy dostala uměle, nebo se v půdě vyskytují nějaká antibiotika také přirozeně a mikroorganismy, které zkoumáte, získávají odolnost i vůči nim?
Otázka rezistencí půdních bakterií k antibiotikům je velice široká. Důležité je si uvědomit, že půda je přirozeným prostředím, kde mikroorganismy při transformaci organické hmoty produkují nejrůznější bioaktivní látky včetně těch s antibiotickými účinky. A tak bakterie v půdě mívají odolnost k antibiotikům běžně, nemají ji sice všechny, ale jde o naprosto přirozenou záležitost, protože bakterie spolu vlastně prostřednictvím produkce antibiotik vzájemně komunikují. Z našeho pohledu spolu bojují o prostor – a možná si jen vyměňují informace, říkají si: ,Sem ty mi už nechoď, tady rostu já‘. Některé si dají říct, jiné však mají potřebnou odolnost, pronikají do daného prostoru a dostávají se do kontaktu s mikroorganismy, které antibiotika produkují. Ty, které se s nimi umí vypořádat, mají přirozenou rezistenci. Důležité je, že se v přírodě mezi nimi vytvoří přirozená rovnováha. Člověk ji však narušil: zjistil, že bakterie umí produkovat látky s antibiotickým charakterem a začal je používat nejen jako léčiva, ale také jako stimulátory růstu hospodářských zvířat i jako konzervanty k ochraně potravin. V důsledku toho je kolem nás velké množství antimikrobiálních látek. Jíme je s potravinami nebo užíváme jako léčiva – a ony se skrze náš zažívací trakt navracejí zpět do prostředí, a tady nastává první problém s rovnováhou. Přirozená mikroflóra v našem střevě se tímto způsobem dostává do kontaktu s celou řadou antimikrobiálních látek a musí se s nimi nějak vyrovnat. Dochází k selekci bakterií, které si vytvářejí geny odolnosti, jež pak s fekáliemi odcházejí do prostředí, kde rezistentní fekální mikroflóra umí tyto své geny předávat jiným bakteriím.
Fota: Archiv BC AV ČR
Testování růstu kultur vhodných pro konjugační experiment – I
Představuje z tohoto hlediska nebezpečí pouze fakt, že se tím šíří rezistence vůči antibiotikům mezi lidmi a na nás pak nebudou účinkovat, nebo spočívá nebezpečí také v tom, že se takto může měnit i složení půdní mikroflóry?
Určitě s tím souvisí šíření rezistence k antibiotikům, šíření tzv. multirezistence nebo v některých případech až panrezistence, to znamená, že některé mikroorganismy – a jedná se nám hlavně o ty patogenní – mohou být odolné vůči úplně celé škále známých antibiotik a medicína potom nemá prostředky, jak proti patogenům bojovat. Půdní mikroflóra je pro svou přirozenou schopnost rezistence k látkám s antibiotickými účinky i v důsledku zmíněného vlivu živočišných odpadů skutečně velmi důležitým, ale stále málo známým hráčem z hlediska šíření a vývoje bakteriální odolnosti k antibiotikům. Jelikož do prostředí vstupují také rezidua antimikrobiálních látek, má smysl, aby bakterie tyto geny udržovaly také v prostředí. Nerovnováha se tak dál vychyluje ve prospěch antimikrobiální rezistence.
Na co konkrétně se zaměřujete ve svých výzkumech? Co a jak sledujete?
Rezistence vůči antibiotikům skýtá nesmírnou škálu zajímavých možností. Nás zajímají v první řadě bakteriální interakce a adaptace v půdě obecně. Nejvíce se zaměřujeme na hnojené půdy. Do nich se totiž dostávají skrze hnojiva nebo kaly z čistíren odpadních vod rezistentní bakterie a mohou tam pronikat i rezidua nežádoucích látek, jako jsou antibiotika. Co je ovšem daleko závažnější a co se vlastně zatím nijak nemonitoruje jakožto škodlivina v prostředí, jsou právě geny rezistence a genetický aparát zodpovědný za jejich šíření. Hlídá se, zda hnojiva nebudou obsahovat rezidua antibiotik, ale už se nesleduje, jestli obsahují také geny rezistence. Ovšem problém spočívá právě v tom, že zmíněné geny rezistence v půdě – ať už jsou přímo v živých bakteriích, anebo jako volné, navázané na organickou hmotu – mohou přírodní bakterie do sebe přijmout anebo si tuto informaci, tyto geny s fekálními bakteriemi vyměňovat a různě kombinovat. Přesně tento proces nás zajímá.
Testování růstu kultur vhodných pro konjugační experiment – II
Předpokládám, že nejprve odeberete vzorky půdy přímo v terénu – kde konkrétně a co specificky u daného vzorku sledujete, když ho přinesete do laboratoře?
Musíme mít už předem vytipováno, o co nám půjde: soustřeďujeme se na tzv. tetracyklinový rezistom, to znamená na geny spojené s rezistencí k tetracyklinu. Tetracyklinová antibiotika jsou vlastně přírodní, produkují je půdní bakterie – streptomycety, čili se vyskytují přirozeně v prostředí a my víme, které geny zmínění přirození obyvatelé půdy nesou. A pak známe geny rezistence vůči tetracyklinovým antibiotikům-léčivům, které se vyvinuly a rozšířily v důsledku masivního používání tetracyklinů v medicíně i zemědělství. Zabýváme se oběma skupinami. Nejvíc nás v současnosti zajímají geny rezistence k tetracyklinům, které se vyvinuly v důsledku profylaktické léčby hospodářských zvířat: jejich mikroflóra si vytvořila určitou škálu genů rezistence, o nichž víme, že nejsou přirozené. Sledujeme pak, jak dlouho jsou tyto geny schopny perzistovat, setrvávat v hnoji a půdě, jestli a s kým se vyměňují, mezi kterými bakteriemi se tato informace šíří. Zajímá nás, zda a jak fekální bakterie mohou interagovat s půdními.
To znamená jinými slovy, jestli si půdní bakterie dokážou z bakterií fekálních „vzít“ onen gen rezistence vůči tetracyklinu?
Ano, jde o to, jestli se spolu tyto bakterie umí spojit a předat si danou informaci. Sledujeme, jaký vliv na to mají právě rezidua antibiotik, ale i další faktory. Ukazuje se, že mikrobiální a genetická složka živočišných odpadů je pro šíření rezistence v prostředí zásadní. O této otázce se už sice ví poměrně dost, ale stále se jí věnuje relativně málo pozornosti. Pokud se hovoří o hrozbě šíření rezistence k antibiotikům, tak se v praxi pozornost zaměřuje na to, aby se rezidua antibiotik nedostávala do prostředí, ale nikdo moc neřeší, co vlastně dělají samy rezistentní bakterie – co se děje s příslušnými geny, jak si je kdo dál předává. Velmi důležitou úlohu v naznačeném procesu hrají mobilní složky genetické výbavy bakterií, které umožňují výměnu, sdílení a šíření genů rezistence. Těmto genům souhrnně říkáme mobilom; v jeho poznání a zejména ve studiu ekologických vazeb mezi různými bakteriemi a jejich nikami, ale i specifity k přenosu určitých typů genů rezistence stojíme více méně na začátku. Také komplexní povaha půdního prostředí vyžaduje důslednost a trpělivost při studiu, jakou roli hrají jednotlivé půdní faktory pro ekologii bakteriální rezistence, její šíření včetně poznání bariér tohoto šíření. Nemalou výzvou je pro nás též získání informací o obtížně kultivovatelné složce rezistentních bakterií v prostředí.
Testování růstu kultur vhodných pro konjugační experiment – III
Co by se s tím ale dalo vůbec dělat? Vždyť půdní mikroflóra ještě není zdaleka podrobně známá a jedná se o natolik komplexní a citlivý soubor mikroorganismů, že by asi nebylo nejmoudřejší ho měnit nějakým umělým zásahem?
Nedá se zabránit, aby fekální mikroorganismy pronikaly do půdy a vstupovaly do kontaktu s půdními bakteriemi, už jen z toho důvodu, že musíme půdy hnojit. Za důležité ale považuji identifikaci bariér, které šíření rezistence co nejvíc omezí. Souvisí s ekologickým výzkumem rezistence v prostředí, který rozvíjíme. Logickou cestou je samozřejmě omezit všechny látky s antimikrobiálními účinky, které mají za následek šíření rezistentních bakterií a jejich příslušných genů. Zcela zásadní a urgentní je nepoužívat antibiotika pro jiné než léčebné účely. Používání antibiotik jako růstových stimulátorů v živočišné výrobě je v Evropské unii již zakázáno, ale není to běžná praxe po celém světě. Realitou zůstává jejich preventivní používání pro zabránění šíření infekcí ve velkochovech hospodářských zvířat, v akvakulturách či v rostlinné výrobě. Je urgentně nutné najít účinné postupy, které by si s tímto problémem poradily a antibiotika z této praxe vyloučily.
Antibiotika jsou pro nás stále nezbytná a nenahraditelná v medicíně a musíme udělat všechno, abychom je dál mohli používat. Proto se jedním směrem postupuje k výzkumu takových, která zabraňují snadnému šíření rezistencí: třeba hned rozruší bakterii membránu či buněčnou stěnu. Jeden z evolučně velmi starých, účinných a rozšiřujících se mechanismů rezistence totiž spočívá v tom, že rezistentní bakterie, pokud má příslušné geny, umí antibiotikum ze sebe „vyplivnout“. Udělá si speciální pumpičku, proteinový kanálek a v prostředí, kde je antibiotik hodně – třeba ve střevě –, si těchto tzv. efluxních pump vytvoří víc a prostě antibiotikum pumpuje ze svého bakteriálního těla a v klidu se dál množí. Jednou z cest, jak uvedený problém řešit, je tudíž hledat antibiotika, která patogenní buňku skutečně hned zlikvidují, nedostanou se do ní dovnitř, ale ihned rozruší její obaly. V takovém případě se rezistence nemůže vyvíjet. Další možností je, aby se antibiotika rychle rozkládala – jedná se o tzv. „zelená antibiotika“, díky čemuž by v prostředí nevznikal selekční tlak na bakterie a jejich přizpůsobení se. A pak samozřejmě, jak už bylo řečeno, tam, kde antibiotika nejsou naprosto nezbytná, se skutečně nesmí používat.
Alespoň trochu dobrá zpráva je, že některé z nežádoucích látek nebo těch, které se vyskytují v příliš vysokých koncentracích, jsou biologicky odbouratelné, doplňuje slova dr. Dany Elhottové prof. Miloslav Šimek:
V půdě existuje obrovské množství mikroorganismů, které mají velké schopnosti rozkládat různé látky, jež se do půdy dostanou, a tím je zničit. Takže výzkum se může zaměřovat i na způsob, jak pomoci odbourávat dané látky víceméně přirozenými cestami – třeba tím, že podpoříme příslušné mikroorganismy.
Půdní mikroorganismy zajímají biology i z dalších hledisek. Kupříkladu projekt nazvaný „Využití přístupů metagenomiky a metatranskriptomiky k charakterizaci mikrobiální diverzity člověkem ovlivněných půd“ má za cíl zhodnotit diverzitu půdního mikrobiálního společenstva v rozličných ekosystémech zasažených lidskou činností, ať již jde o intenzivní zemědělství související s organickým hnojením a vysušováním, nebo o odledňování související s oteplováním klimatu. Vědci studují mimo jiné vnitřní heterogenitu rašelinných smrčin ve střední Evropě a její vliv na funkční diverzitu půdních mikrobiálních společenstev, na půdní organickou hmotu a na půdní procesy ovlivňující kvalitu rozpuštěné organické hmoty. K tomu též vyvíjejí speciální metodu extrakce RNA pro hluboké vrstvy půd i pro hnojené půdy.
Také v souvislosti s globálním oteplováním už v Ústavu půdní biologie řešili několik projektů zabývajících se mikroorganismy, které produkují jako své metabolity metan a oxid dusný s cílem najít možnosti jak aktivity těchto mikrobů usměrnit tak, aby se snížila produkce zmíněných skleníkových plynů. Metan vzniká za nepřítomnosti kyslíku, v důsledku anaerobního rozkladu organické hmoty: značné množství ho produkují v anaerobních podmínkách svými normálními metabolickými procesy metanogenní druhy mikroorganismů patřící do domény Archea, a to nejen v půdě, ale i v trávicí soustavě přežvýkavců a termitů. Badatelé zkoumali produkci a spotřebu metanu v suchozemských ekosystémech se zvláštní pozorností věnovanou právě procesům vzniku, stability a odolnosti mikrobiálních společenstev zodpovědných za produkci a spotřebu metanu, ale studovali též interakci mezi půdními bezobratlými živočichy a metanogenními mikroorganismy.
Také další skleníkový plyn – oxid dusný (N2O) – se v přírodě uvolňuje ve značném množství v důsledku činnosti půdních mikroorganismů – zejména bakterií, ale i mikroskopických hub. Jejich podíl na emisích N2O byl tématem projektu „Půdní houby přispívající k emisím oxidu dusného (N2O) z půdy podhorské pastviny a jejich in situ detekce“. Významná část se zaměřila na klíčový enzym denitrifikační dráhy hub (unikátní cytochrom P450nor), který katalyzuje přeměnu NO na N2O. Z půdy pastviny zatížené přezimujícím skotem byly izolovány téměř čtyři desítky druhů mikroskopických hub; v laboratorních podmínkách se potvrdilo, že 23 druhů z nich produkuje oxid dusný.
Nabízí se myšlenka, zda by bylo možné utlumit nebo pozměnit procesy, jimiž skleníkové plyny vznikají, ovlivněním skladby mikrobiálního společenstva v půdě například tím, že se pozmění prostředí, v němž žijí, nebo se do půdy vnesou jiné mikroorganismy, kupříkladu takové, které budou spotřebovávat skleníkové plyny vytvořené jinými mikroby či tyto mikroby potlačí. Půda je však nesmírně složitý systém a při jakékoli manipulaci s ní je na místě velká opatrnost. Zatím jsou takové postupy předmětem teoretických úvah a vědeckých výzkumů, nedá se však vyloučit, že v budoucnosti bude možné cíleně ovlivňovat složení půdních mikrobiálních společenstev a jejich aktivity.