Mikrob dalam Pertanian Lestari

Penulis: Maisarah Rosli¹, Nurulhikma Md Isa¹, Wan Asrina Wan Yahya²

¹Jabatan Sains Biologi dan Bioteknologi, Fakulti Sains dan Teknologi, UKM
² Department of Crop Science, Faculty of Agricultural Science and Forestry, UPM Bintulu Sarawak Campus

Bioteknologi merupakan satu bidang yang berkembang pesat dalam sains biologi dan turut menawarkan pelbagai aplikasi teknologi dalam usaha mencapai pertanian lestari. Salah satu cabang komponen bioteknologi ialah melibatkan aplikasi mikrob dalam pertanian. Mikrob yang hidup dalam tanah mempunyai potensi besar untuk meningkatkan pertumbuhan tanaman, memperbaiki pengambilan nutrien oleh tumbuhan, meningkatkan toleransi terhadap tekanan abiotik, meningkatkan kesuburan tanah, serta memperkukuh daya tahan terhadap penyakit.

Satu strategi yang menjanjikan pencapaian pengeluaran tanaman yang lestari ialah dengan meningkatkan kehadiran mikrobiom yang bermanfaat di dalam tanah dan penting untuk perkembangan tumbuhan melalui kejuruteraan genetik dan biologi sintetik. Biologi sintetik adalah merupakan satu bidang baru yang membolehkan pendekatan lebih strategik digunakan untuk mencipta fungsi biologi baharu, organisma, atau sistem yang tidak wujud secara semula jadi, atau untuk mereka- bentuk semula komponen biologi sedia ada bagi melaksanakan tugas tertentu.

Dalam usaha memenuhi keperluan makanan dunia, amalan pertanian secara konvensional sering bergantung kepada penggunaan baja kimia yang berisiko dan memberi impak negatif kepada alam sekitar. Antara kesan penggunaan baja kimia dan racun perosak secara berlebihan termasuk menyebabkan pencemaran, mengurangkan kesuburan tanah, dan mengganggu keseimbangan ekosistem. Selari dengan pelan tindakan Dasar Agromakanan Negara (DAN) 2.0 yang menekankan aspek kelestarian sektor agromakanan dan pemeliharaan alam sekitar, pendekatan baharu yang lebih mampan perlu diusahakan bagi meningkatkan hasil pertanian negara. Matlamat ini juga bertetapan dengan dasar Wawasan Kemakmuran Bersama 2030 (WKB 2030) dan prinsip Agenda Pembangunan Mampan 2030 (SDG 2030) yang mengutamakan sekuriti makanan bagi memacu pertumbuhan ekonomi dan menjamin kesejahteraan rakyat.

Sehubungan dengan itu, penggunaan mikroorganisma bermanfaat telah dicadangkan sebagai alternatif yang lebih mesra alam bagi menggantikan baja kimia dan racun perosak dalam aktiviti pertanian. Hal ini demikian kerana mikrob berupaya meningkatkan produktiviti dan hasil tanaman secara semula jadi tanpa menjejaskan alam sekitar. Pendekatan ini sekali gus menyokong usaha pembangunan pertanian lestari. Secara amnya, mekanisme tindakan yang digunakan oleh mikrob untuk meningkatkan pertumbuhan tumbuhan dapat dibahagikan kepada tiga kategori utama iaitu mobilisasi nutrien, penghasilan pengawal atur pertumbuhan (PGR), dan perlindungan terhadap tekanan persekitaran. Mikroorganisma seperti bakteria, kulat, dan alga memainkan pelbagai peranan penting dalam bidang pertanian. Antaranya ialah meningkatkan kandungan nutrien yang tersedia untuk tumbuhan, melindungi tanaman daripada serangan patogen dan penyakit, serta membaik pulih kesihatan dan kesuburan tanah. Kepelbagaian fungsi yang ditawarkan oleh mikrob menjadikannya pilihan ideal sebagai bioinokulan yang berpotensi untuk dikomersialkan secara meluas.

Salah satu aplikasi mikrob dalam pertanian adalah sebagai biobaja yang berfungsi untuk menggalakkan pertumbuhan tanaman. Biobaja merupakan formulasi baja berasaskan mikrob yang bertindak sebagai pengganti atau pelengkap kepada baja kimia. Kebanyakan biobaja mengandungi bakteria penggalak pertumbuhan tumbuhan atau plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) yang berupaya untuk meningkatkan ketersediaan nutrien penting seperti nitrogen, fosforus, dan kalium. Misalnya, sesetengah bakteria seperti Azospirillum dikomersialkan sebagai baja bio-organik kerana kebolehannya untuk mengikat nitrogen daripada atmosfera. Bakteria pengikat nitrogen menambah baik kandungan nitrogen yang tersedia dalam tanah dengan menukarkan  kepada bentuk yang dapat diserap oleh akar tumbuhan seperti ion . Antara contoh biobaja yang telah dikomersialkan di Malaysia termasuk Baja Milagro dan Bioliquifert M100. Biobaja tersebut mengandungi mikrob seperti Bacillus subtilis dan Acinetobacter sp. yang  berperanan dalam melarutkan nutrien dalam tanah dan menukarkannya kepada bentuk yang lebih mudah diserap oleh akar tumbuhan.

Selain itu, mikrob dalam biobaja mengaruh pertumbuhan tanaman dengan menghasilkan pengawal atur pertumbuhan (PGR) dan mengubah suai kepekatan fitohormon dalam tumbuhan. PGR merupakan sebatian kimia yang menyerupai hormon tumbuhan dan mempunyai peranan penting dalam mengawal proses fisiologi tanaman. Antara hormon penting yang diperlukan untuk perkembangan tumbuhan dan turut dihasilkan oleh mikrob adalah Auksin (IAA), Sitokinin (CK), Asid Giberellik (GA), Asid Absisik (ABA), Asid Jasmonik (JA), Asid Salisilik (SA), dan Etilena (ET). Sebagai contoh, mikroorganisma seperti Bacillus spp., Pseudomonas spp., dan Azospirillum spp. menghasilkan hormon IAA yang merangsang pembahagian dan pemanjangan sel. Hormon pertumbuhan ini mempunyai fungsi penting dalam perkembangan pucuk dan akar tumbuhan sekali gus membantu mempertingkatkan produktiviti tanaman. Jelaslah bahawa penggunaan biobaja dapat meningkatkan pertumbuhan tanaman dan memberikan hasil yang tinggi. Hal ini secara tidak langsung mengurangkan kebergantungan terhadap penggunaan baja kimia dalam aktiviti pertanian.

Seterusnya, mikrob digunakan dalam bidang pertanian sebagai alternatif kepada racun perosak dan herbisid. Keupayaan sebilangan mikroorganisma untuk menghasilkan bahan antimikrob dan peranannya sebagai agen biokawalan dapat digunakan untuk mengawal populasi serangga perosak dan penularan penyakit tanaman dengan berkesan. Mikrob seperti bakteria dan kulat dikaji secara meluas untuk mengenal pasti potensinya sebagai biopestisid. Mekanisme tindakan biopestisid termasuk penghasilan toksin spesifik dan perencatan pertumbuhan patogen. Misalnya, biopestisid yang dibangunkan oleh JQ Biotech Meta BT memanfaatkan kebolehan Bacillus thuringiensis untuk menghasilkan toksin Bt bagi melindungi tanaman daripada serangga Lepidoptera. Biopestisid mempunyai kelebihan unik iaitu ia hanya membunuh serangga perosak dan patogen spesifik tanpa memudaratkan organisma lain yang bermanfaat seperti lebah dan cacing tanah. Hal ini menjadikannya pilihan yang lebih selamat dan mesra alam berbanding racun perosak biasa. Penggunaan biopestisid juga dapat mengurangkan risiko kepada kesihatan manusia dan haiwan di samping menjamin keseimbangan ekosistem.

Ada juga kajian menunjukkan bahawa mikrob dapat meningkatkan daya tahan tumbuhan terhadap serangan patogen dan tekanan abiotik. Hal ini dicapai melalui pengaktifan sistem pertahanan tumbuhan serta penghasilan metabolit dan bahan antibiotik. Misalnya, beberapa bakteria daripada genus Bacillus, Pseudomonas, dan Arthrobacter menghasilkan sebatian organik meruap (VOC) yang merangsang kerintangan sistemik teraruh (ISR) terhadap patogen. Bakteria seperti Bacillus subtilis dan Pseudomonas fluorescens menghasilkan antibiotik seperti iturin, fengisin, dan pyoluteorin yang mempunyai ciri antikulat. Hal ini membantu melindungi tumbuhan daripada patogen kulat seperti Fusarium dan Rhizoctonia. Mikroorganisma tersebut juga boleh menghasilkan siderofor yang menghalang pembiakan patogen dengan mengikat ion besi di persekitaran tanah dan membekalkannya kepada tanaman. Tambahan lagi, sebilangan mikrob turut mensintesis enzim seperti ACC deaminase bagi melindungi tumbuhan daripada tekanan abiotik seperti kemarau, banjir, saliniti, suhu yang melampau, dan tekanan oksidatif.

Di samping itu, mikrob juga bertindak sebagai agen bioremediasi yang boleh menghapuskan bahan cemar seperti logam berat dan sisa racun berbahaya daripada tanah pertanian. Sebagai contoh, bakteria tertentu seperti Priestia aryabhattai mampu mengurangkan kandungan logam berat seperti kromium dalam tanah tercemar dalam tempoh yang singkat. Selain itu, terdapat juga bakteria yang berupaya menguraikan herbisid seperti glifosat melalui penghasilan enzim glikosat oksidase. Pengurusan sisa toksik dalam tanah adalah langkah penting bagi mengekalkan persekitaran yang sihat untuk pertumbuhan tanaman. Tambahan lagi, bakteria tanah lain juga mempunyai kebolehan untuk menghasilkan enzim oksidoreduktase seperti tyrosinase dan laccase yang memainkan peranan dalam penguraian bahan organik. Proses ini menghasilkan bahan humus yang membekalkan nutrien penting untuk menyokong pertumbuhan tanaman serta meningkatkan aktiviti mikroorganisma bermanfaat dalam tanah. Hal ini mewujudkan ekosistem yang lebih seimbang dan produktif bagi pertumbuhan dan perkembangan tumbuhan.

Bioremediasi tanah pertanian menggunakan mikrob menawarkan pelbagai kelebihan berbanding rawatan tanah secara mekanikal atau kimia. Kaedah ini terbukti lebih mampan dan mesra alam kerana dapat mengurangkan kebergantungan kepada bahan kimia sintetik yang memberi kesan negatif kepada ekosistem. Mikrob bukan sahaja membantu memulihkan tanah yang tercemar malahan berupaya membaik pulih struktur tanah secara semula jadi. Hal ini sekali gus meningkatkan kesuburan tanah dan seterusnya menggalakkan produktiviti tanaman. Selain itu, penggunaan mikrob sebagai agen bioremediasi juga mengurangkan kos yang menjadikannya pendekatan yang lebih efektif dalam jangka masa panjang. Hal ini demikian kerana mikrob mempunyai kebolehan untuk beradaptasi dengan pelbagai keadaan persekitaran serta berupaya untuk berfungsi tanpa perlu dikawal selia secara berlebihan. Justeru, bioremediasi menjadi satu pendekatan yang holistik dalam memastikan kelestarian pertanian dengan memelihara keseimbangan ekosistem tanah.

Selain daripada itu, mikroorganisma juga berfungsi dengan lebih berkesan apabila digabungkan dalam satu konsortium berbanding secara individu. Konsortium mikrob merujuk kepada kombinasi pelbagai jenis mikroorganisma seperti bakteria, kulat, dan alga yang bertindak secara sinergi untuk meningkatkan kesuburan tanah dan menggalakkan pertumbuhan tanaman. Berbeza dengan penggunaan mikroorganisma tunggal, konsortium mikrob menggabungkan kekuatan unik setiap mikrob untuk meningkatkan kandungan nutrien tersedia dalam tanah, melindungi tanaman daripada serangan patogen, dan meningkatkan ketahanan terhadap tekanan persekitaran. Setiap mikrob dalam konsortium mempunyai peranan penting dalam mengaruh pertumbuhan tumbuhan. Sebagai contoh, bakteria pengikat nitrogen seperti Rhizobium membantu mengikat nitrogen dari atmosfera untuk kegunaan tanaman, manakala kulat mikoriza membantu meningkatkan penyerapan fosforus dan mineral penting lain dari tanah. Kehadiran mikroorganisma ini juga melindungi akar tanaman daripada serangan patogen melalui penghasilan bahan bioaktif atau melalui persaingan ruang dan nutrien. Konsortium mikrob merupakan pendekatan yang lebih holistik untuk meningkatkan hasil tanaman dengan lebih mampan, sekali gus menyokong usaha global untuk memulihara ekosistem pertanian.

Keberkesanan konsortium mikrob dalam pertanian lestari bergantung kepada keserasian antara mikroorganisma yang digunakan, faktor persekitaran, dan interaksi di antara mikrob dengan tanaman. Kajian juga menunjukkan bahawa konsortium yang dirumus dengan betul dapat membantu tanaman menghadapi tekanan persekitaran seperti tanah yang tercemar, kemarau, dan keasidan yang tinggi. Antara contoh produk pertanian yang mengandungi konsortium mikrob adalah RealStrong GanoEF 4 IN 1 Biofertilizer dan FN Rich Bio-Organic Fertilizer. Kedua-dua produk ini merupakan biobaja yang menggabungkan pelbagai jenis mikroorganisma bermanfaat termasuk mikoriza, trichoderma, dan bakteria NPK. Gabungan mikrob tersebut bertindak secara serentak untuk membekalkan nutrien kepada tanaman, meningkatkan kecekapan penyerapan air dan nutrien oleh tanaman serta melindungi tumbuhan daripada serangan patogen. Inisiatif menggunakan konsortium mikrob ini sejajar dengan prinsip pertanian lestari kerana ia tidak hanya meningkatkan produktiviti tanaman tetapi juga menyokong pemuliharaan sumber alam secara menyeluruh. Dengan mengintegrasikan konsortium mikrob dalam aktiviti pertanian, petani bukan sahaja dapat mengurangkan kos pengeluaran tetapi juga menyumbang kepada pembangunan sektor pertanian yang mesra alam dan mampan. sumber alam dapat dipelihara untuk generasi akan datang.

Inovasi Masa Depan

Seiring dengan perkembangan penyelidikan dan kemajuan sektor pertanian, pelbagai teknologi dan inovasi baharu telah diperkenalkan dengan tujuan untuk meningkatkan pengeluaran makanan secara mampan. Antara teknologi yang sedang giat dibangunkan adalah biologi sintetik, kejuruteraan genetik, dan penggunaan nanoteknologi dalam penghantaran bioformulasi. Biologi sintetik merujuk kepada bidang sains yang menggabungkan aspek biologi, kejuruteraan, dan teknologi untuk mereka bentuk organisma atau sistem biologi dengan fungsi baharu. Pendekatan ini melibatkan manipulasi bahan genetik dan integrasi gen sintetik untuk menghasilkan organisma yang mempunyai ciri-ciri diingini. Dalam konteks penggunaan mikrob dalam pertanian, teknologi biologi sintetik dan kejuruteraan genetik diaplikasikan bagi membangunkan mikrob yang yang lebih cekap menguraikan bahan organik serta berupaya meningkatkan penyerapan nutrien oleh tanaman, dan melawan patogen dengan lebih efektif. Misalnya, teknik penyuntingan genom seperti CRISPR/Cas9 digunakan untuk meningkatkan keupayaan mikrob untuk menghasilkan metabolit sekunder dan enzim yang berfungsi sebagai bahan antimikrob atau pengawal atur pertumbuhan tanaman. Mikrob yang telah diubah suai membentuk konsortium yang saling melengkapi dan bekerja secara sinergistik untuk meningkatkan hasil tanaman.

Selain itu, penggunaan nanoteknologi untuk penghantaran bioformulasi juga semakin mendapat perhatian dalam sektor pertanian. Nanoteknologi membolehkan penghantaran mikrob yang telah diubah suai dengan lebih tepat dan berkesan. Penggunaan nanoteknologi membolehkan mikrob yang berperanan sebagai biobaja, biopestisid, dan agen bioremediasi untuk dihantar ke bahagian tanaman tertentu. Hal ini penting bagi memastikan pelepasan nutrien dan agen biologi secara terkawal. Tambahan lagi, penggunaan nanopartikel membantu melindungi mikrob daripada persekitaran yang kurang sesuai seperti suhu yang tinggi dan tanah berasid. Hal ini membolehkan mikrob untuk bertahan lebih lama dalam tanah bagi memastikan keberkesanannya dalam memberikan manfaat kepada tanaman. Berdasarkan kelebihan tersebut, penggunaan nanoteknologi dalam penghantaran bioformulasi menawarkan potensi besar untuk meningkatkan hasil pertanian secara mampan, mengurangkan pergantungan kepada bahan kimia, dan menyokong amalan pertanian yang mesra alam.

Secara kesimpulannya, jelaslah bahawa mikroorganisma memainkan peranan penting dalam meningkatkan produktiviti pertanian secara lestari dan menjamin masa hadapan sektor agromakanan negara. Penggunaan konsortium mikrob sebagai biobaja, biopestisid, dan agen bioremediasi dalam aktiviti pertanian dapat meningkatkan hasil tanaman, melindungi alam sekitar, dan mengurangkan kebergantungan terhadap baja kimia dan racun perosak. Tambahan lagi, perkembangan dan kemajuan dalam bidang biologi sintetik, kejuruteraan genetik, dan nanoteknologi mempunyai potensi yang lebih besar dalam meningkatkan kecekapan penggunaan mikroorganisma dalam pertanian. Oleh itu, kerjasama antara penyelidik, penggubal dasar, dan petani amat diperlukan untuk merealisasikan manfaat penuh mikroorganisma dalam sektor pertanian.