Внесение азотных удобрений при возделывании сельскохозяйственных культур приводит к выбросам парникового газа — закиси азота (оксида азота (I), N2O). Закись азота является сильным парниковым газом, третьим по вкладу в парниковый эффект среди антропогенных газов, после углекислого газа и метана, при этом парниковый эффект оксида азота (I) в 270 раз сильнее углекислого газа. На сельское хозяйство приходится 3/4 выбросов N2O, и долгое время считалось, что избежать этих выбросов нельзя.
Ученые Норвежского университета естественных наук и Института прикладного системного анализа в Австрии обнаружили метод сокращения выбросов N2O. Ученые выявили бактерии, которые могут разлагать закись азота в процессе ее образования в почве, не позволяя газу улетучиваться в атмосферу. Исследователи считают, что только этот метод способен сократить выбросы закиси азота в сельском хозяйстве на треть.
Для роста растениям требуется много азота, поэтому продуктивное сельское хозяйство требует внесения азотных удобрений. Дефицит азота в почве был серьезной проблемой для сельского хозяйства до тех пор, пока агрохимик Фриц Габер не разработал технологию промышленного производства азотных удобрений из атмосферного азота. Благодаря этой технологии производство продовольствия в мире уже 120 лет не отстает от темпов роста населения.
Однако в почве есть микроорганизмы, которые производят парниковый газ N2O, а удобрения стимулируют его выработку.
Известно, что выбросы закиси азота регулируются в основном почвенными бактериями, что делает усилия по их сокращению сложными из-за их неуловимой природы. Ученые более 20 лет проводили фундаментальное исследование преобразования микроорганизмами азота в почве. За это время было тщательно изучено, что происходит, когда микроорганизмы не имеют доступа к достаточному количеству кислорода, то есть находятся в состоянии гипоксии.
Во время ливней и внесения удобрения некоторые участки почвы становятся гипоксичными. Поскольку микроорганизмы не имеют доступа к кислороду, они вынуждены искать другие способы получения энергии. Многие их них могут использовать нитрат вместо кислорода, и в ходе процесса, называемого денитрификацией, микроорганизмы превращают нитрат в другие газы. Один из них — закись азота, и таким образом микроорганизмы вносят свой вклад в выбросы парниковых газов.
Решение проблемы сокращения выбросов N2O заключается в использовании особого вида бактерий, которые не способны производить закись азота, но могут сокращать ее количество до безвредного газа азота (N2).
Найти подходящую бактерию было непросто. Она должна быстро расти на органических отходах, хорошо функционировать в почве и иметь длинный период жизни, чтобы сокращать выбросы N2O в течение вегетации растений.
В настоящее время продолжаются исследования по поиску разных видов бактерий, потребляющих закись азота, тестирование их на различных типах органических отходов, используемых в качестве удобрений в разных климатических зонах. Необходимо найти широкий спектр бактерий, которые могут функционировать в различных типах почвы и с различными смесями удобрений.
Эффективное природопользование и сохранение экосистемы в целом, являются важными задачами. Всероссийский центр карантина растений (ФГБУ «ВНИИКР»), как научный центр Россельхознадзора, в рамках выполнения исследовательских работ активно вовлечен в процессы поиска решений, которые через выстроенную систему карантинной фитосанитарной безопасности позволяют находить ответы на широкий спектр вопросов.
Источник: Elisabeth G. Hiis et al, Unlocking bacterial potential to reduce farmland N2O emissions, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07464-3