Master's Thesis

Optimization of the Methods for Assessing the Effects of Bacterial Inoculants on Soil Microbial Characteristics

Final Thesis 5.19 MB

Author of thesis: Ing. Barbora Hlaváčková

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Michal Kalina, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D.

Abstract:

The aim of this thesis was to quantify the effects of various carrier-based formulations containing plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) on the growth of the model plant common grade lettuce (Lactuca sativa) in a model soil with reduced soil organic matter content under conditions simulating drought. The rhizobacterium strain Azotobacter vinelandii CCM 289 was selected for this purpose. As part of the study, four treatment forms were prepared and subsequently experimentally studied: bacterial biomass in PBS, alginate gel without bacterial culture, gel with bacterial culture, and lyophilized gel with bacterial culture. The effect of each treatment was compared with those of the untreated control soil. Two types of soil differing in organic matter content were used in the cultivation experiments (4 wt.% in the first and 2 wt.% in the second cultivation experiment). During the cultivation experiments, the physicochemical characteristics of the soil (temperature, moisture, pH) and the growth characteristics of lettuce (number of leaves, height, and width of aboveground parts) were monitored. After the cultivation experiments were completed, the effect of these applied soil preparations on the physicochemical characteristics of the soil and on plant growth (number of leaves, length, fresh weight, and dry weight) was analyzed, along with an analysis of the root system. The study also determined the concentration and viability of microorganisms in the soil and the effect of the addition of soil preparations on the microbial activity of the soil microbiome using cultivation on solid Ashby medium, using the commercial BIOLOG EcoPlate kit to determine the average color development of the well (AWCD) and by respirometric measurement of biological oxygen consumption. After the cultivation experiments were completed, an analysis of PGP effects was also performed (atmospheric nitrogen fixation, phosphate solubilization, siderophore production, ACC deaminase enzyme activity). Physical-chemical soil characteristics (pH, conductivity, ICP-OES, TGA) were determined from the dried soils after the cultivation experiments were completed. The results indicate that the application of all treatment types led to an increase in the metabolic activity of the soil microbiome compared to the control sample without any addition.

Keywords:

Pot experiment, soil, rhizobacteria carriers, Azotobacter vinelandii CCM 289, alginate, microbial activity, PGP mechanisms

Date of defence

26.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

1. Studentka seznámila členy komise s náplní a cílem diplomové práce. 2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci. 3. Studentka akceptovala všechny připomínky oponenta a na všechny otázky odpověděla v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. Uvádíte přídavek organické hmoty, můžete to objasnit? Co tato hmota obsahovala? Víte, kolik obsahovala dusíku? Je možné, že dusík v organické hmotě mohl ovlivnit dané výsledky? doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. Myslíte, že muže mít pozitivní vliv i přídavek média s přidaným alginátem? Jaké další látky, které jsou součástí roztoků s bioinukolanetem, mohou podporovat růst rostlin? doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. Uvádíte biologickou spotřebu kyslíků v mg/L, můžete to objasnit? Jak vypadal provedený experiment? Jak byl kyslík měřen? Jednalo se o suspenzi? prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. Jaké další bakterie, které se přirozeně vyskytují v půdě, se řadí mezi PGPR kromě testovaného Azotobactera? Může se jednat i o nějaké houby? doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D. Jaké metody by bylo možné aplikovat, abyste zjistila změny složení mikrobiomu po aplikaci bioinokulatu? Je možné využít i molekulárně biologické metody? V práci uvádíte směrodatné odchylky, jak byla zpracována statistický analýza dat? Kolik opakování bylo provedeno? Studentka odpověděla na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. V diskusi studentka prokázala výbornou orientaci v dané problematice. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomantka prokázala nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Chemistry of Bioactive Substances (CHBL)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Kalina, Ph.D.

V rámci experimentální části se studentka zaměřila na posouzení vlivu různých aplikačních forem rhizobakterií podporujících růst rostlin na růst modelové rostliny lociky seté a na fyzikálně-chemické a mikrobiální charakteristiky modelové půdy se sníženým obsahem organické hmoty. Pracovala s bakteriální biomasou kmene Azotobacter vinelandii, alginátovým hydrogelem bez bakterií, gelem s bakteriální kulturou a lyofilizovaným gelem s bakteriální kulturou. Stěžejní částí práce byl návrh, realizace a optimalizace modelových pěstebních experimentů v řízených podmínkách, včetně sledování růstových parametrů rostlin, půdního pH, vlhkosti, mikrobiální aktivity a vybraných PGP efektů.
Jednalo se bezesporu o rozsáhlé a experimentálně náročné téma, které vyžadovalo zvládnutí širokého spektra metodických přístupů, od kultivačních experimentů přes analýzu půdních vzorků až po hodnocení mikrobiální aktivity pomocí sady BIOLOG EcoPlate a respirometrických měření. Studentka se tohoto úkolu zhostila výborně. Po celou dobu řešení práce pracovala velmi samostatně, cílevědomě a zodpovědně. Oceňuji zejména její schopnost systematicky plánovat experimenty, průběžně vyhodnocovat získaná data a aktivně přispívat k optimalizaci použitých metodik.
Velmi pozitivně hodnotím také skutečnost, že se Bc. Barbora Hlaváčková aktivně zapojovala i do dalších činností souvisejících s řešeným projektem. Významně pomohla s rozvojem a optimalizací techniky měření půdní respirace na FCH VUT, podílela se na konzultacích mladších studentů a účastnila se popularizačních aktivit fakulty. Zároveň úspěšně reprezentovala FCH VUT na mezinárodních studentských soutěžích a konferencích, kde za svou práci získala ocenění. Jsem také velmi rád, že společně s dalšími studenty pomohla v našem půdně orientovaném výzkumném týmu vytvořit výborně fungující kolektiv, který si velmi dobře sedl nejen odborně, ale i lidsky. To považuji za důležitý předpoklad dlouhodobě úspěšné vědecké práce. Tyto aktivity dokládají nejen její odborné kvality, ale také výrazný zájem o vědeckou práci a schopnost výsledky svého výzkumu srozumitelně prezentovat. Věřím, že studentka bude tyto své dovednosti dále úspěšně rozvíjet v rámci plánovaného doktorského studia na FCH VUT.
Předložená diplomová práce je po obsahové i odborné stránce zpracována na velmi dobré úrovni. Získaný soubor experimentálních dat představuje cenný základ pro další výzkum v oblasti aplikace půdních nosičů rhizobakterií a hodnocení jejich vlivu na mikrobiální charakteristiky půdy. Bc. Barbora Hlaváčková podle mého názoru splnila všechny cíle stanovené v zadání diplomové práce. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm „výborně“ (A).
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Study and Processing of the Literature A
Use of Knowledge Gained from the Literature A
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results A
Conclusions and Their Formulation A
Use of Consultations during the Preparation of the Thesis A
Overall Approach to the Assigned Tasks A

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce studentky Bc. Barbory Hlaváčkové se věnuje možnostem využití bakterie Azotobacter vinelandii jako bioinokulantu, přičemž bakteriální kultura byla enkapsulována do alginátového gelu tvořeného alginátem produkovaným samotnou kulturou. Jedná se o aktuální a významné téma, které reaguje na současnou potřebu hledání udržitelných přístupů v zemědělství a současně reflektuje problematiku degradace půd a potřebu podpory půdní úrodnosti.

Práce je založena na časově velmi náročných a experimentálně rozsáhlých pěstebních testech, které byly doplněny komplexní analýzou rostlin i půdy. Studentka dále realizovala respirometrická měření, kultivační experimenty, přípravu inokulantů a další související experimentální činnosti. Na poměry diplomové práce se jedná o mimořádně rozsáhlý objem experimentální práce, který svědčí o vysokém pracovním nasazení i dobré orientaci studentky v řešené problematice.


Po jazykové stránce je práce zpracována na velmi dobré úrovni. Text je odborný, čtivý a srozumitelný, pouze místy se objevují poněkud kostrbaté formulace, které však nijak zásadně nesnižují kvalitu ani srozumitelnost práce. Struktura práce je logická a jednotlivé kapitoly na sebe dobře navazují.

Teoretická část je napsána velmi zajímavě a čtivě, přičemž oceňuji zejména logické uspořádání informací a kvalitně zpracovanou kapitolu věnovanou současnému stavu řešené problematiky. Drobné připomínky mám pouze k názvům některých kapitol. Kapitola 2.3 by podle mého názoru mohla být vhodněji nazvána například „Bakterie podporující růst rostlin“ namísto „Růst podporující bakterie“. Obdobně by kapitola 2.5 mohla nést název „Nosiče půdních bakterií“ spíše než „Půdní nosiče bakterií“.


Kapitola „Materiál a metody“ je zpracována velmi pečlivě, logicky a dostatečně podrobně. Experimentální postupy jsou popsány tak, že je možné experimenty na jejich základě zopakovat. Je zřejmé, že studentka má velmi dobrý přehled o prováděných experimentech i širším kontextu své práce.

Výsledky jsou prezentovány přehledně a systematicky a jsou doplněny podrobnou diskusí. Získaná data naznačují, že testovaný koncept má významnější pozitivní vliv především při aplikaci bioinokulantu v méně kvalitní půdě, kde se efekt přídavku bioinokulantu projevuje výrazněji. Tento poznatek považuji za důležitý zejména v kontextu problematiky degradace půd, která je v práci rovněž diskutována.

Za zajímavý považuji rovněž fakt, že i samotný gel bez mikrobiální kultury vykazuje v řadě parametrů pozitivní účinky. Nabízí se možnost, že alginátový gel může fungovat jako určité půdní prebiotikum nebo ovlivňovat půdní prostředí i jinými mechanismy.

K práci mám několik drobných připomínek a dotazů. Na obrázku 9 postrádám chybové úsečky nebo jinou charakteristiku variability měřeného parametru mezi vzorky. Nabízí se tedy otázka, zda byl obsah organické hmoty měřen pro každý vzorek pouze jednou. Dále se domnívám, že kapitola 6.2.6 by mohla být vhodněji nazvána například „Analýza aktivity půdního mikrobiomu pomocí respirometrie“, protože současný název může naznačovat spíše analýzu složení mikrobiomu.


Závěry práce jsou formulovány velmi poctivě, detailně a přiměřeně interpretují získané výsledky. Možná by bylo možné některé závěry formulovat s větším nadhledem a mírně odvážnější generalizací, nicméně opatrnost studentky při interpretaci výsledků považuji vzhledem k fázi její odborné kariéry spíše za pozitivní aspekt.

Celkově hodnotím práci jako velmi kvalitní a přínosnou.
Diplomová práce splňuje požadavky kladené na tento typ kvalifikačních prací, doporučuji ji k obhajobě a hodnotím známkou A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Logical Structure of the Thesis A
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results A
Use of Literature and Citations A
Language Quality A
Overall Formal Quality of the Thesis A
Conclusions and Their Formulation A
Topics for thesis defence:
  1. 1. V práci je diskutována terminologie „biohnojivo“ jako překlad anglického termínu „bioinokulant“. Považuje studentka tento překlad za správný a vhodný? Existuje podle ní vhodnější český ekvivalent?
  2. 2. Jak si studentka vysvětluje pozitivní účinky samotného alginátového gelu bez přítomnosti mikrobiální kultury? Je možné alespoň orientačně odhadnout koncentraci alginátu aplikovaného do půdy (např. v hmotnostních procentech nebo g/kg půdy)?
  3. 3. Při analýze půdních extraktů pomocí cytometrie – byly buňky nějak specificky barveny, aby bylo možné je odlišit od abiotických částic přítomných v půdních extraktech?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová