Научный взгляд: какие бактерии могут сократить выбросы парниковых газов в сельском хозяйстве

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