Инженерные штаммы бактерий могут удобрять посевы и снижать загрязнение водоемов
Исследователи из Университета штата Вашингтон создали штаммы повсеместной почвенной азотфиксирующей бактерии Azotobacter vinelandii, которые производят аммиак и выделяют его в высоких концентрациях, передавая его сельскохозяйственным культурам вместо традиционных химических удобрений.
«Мы представили убедительные доказательства того, что выделяемый аммиак передается растениям риса», — сказала Флоренс Мус, доктор философии, доцент-исследователь Института биологической химии. «Наш уникальный подход направлен на предоставление новых решений для задачи замены промышленных удобрений на бактерии, созданные на заказ».
Этот подход может смягчить серьезный источник загрязнения окружающей среды. Исследование опубликовано в журнале Applied and Environmental Microbiology Американского общества микробиологии.
Исследователи использовали методы редактирования генов, чтобы создать штаммы A. vinelandii, которые производят аммиак на постоянном уровне независимо от окружающих условий и выделяют его в концентрациях, достаточных для эффективного удобрения культур.
Использование методов редактирования генов вместо вставки трансгенов в геном A. vinelandii позволило обойти регуляторные требования, которые сделали бы процесс разработки медленнее, сложнее и дороже.
Научной мотивацией для исследования было стремление лучше понять процесс азотфиксации — химические процессы, с помощью которых атмосферный азот включается в органические соединения в рамках азотного цикла. «Наша работа помогает получить более полное фундаментальное понимание факторов, лежащих в основе экспрессии генов в модельном азотфиксирующем микроорганизме, и определяет биохимию, которая приводит к выделению аммиака у A. vinelandii», — сказала Мус.
Практической мотивацией было сокращение серьезных проблем с загрязнением воды, возникающих, когда избыток азотных удобрений попадает в водоемы. Это вызывает цветение водорослей, которые истощают кислород и убивают рыбу и другую водную жизнь, создавая «мертвые зоны» в озерах, реках и морях. Мертвая зона в северной части Мексиканского залива занимает почти 6400 квадратных миль.
Для этого исследователи разрабатывают бактерии, производящие аммиак с постоянной скоростью. Но они ожидают, что смогут создать разные группы A. vinelandii для производства аммиака с разной скоростью, соответствующей потребностям разных видов сельскохозяйственных растений. Это позволит растениям использовать весь произведенный аммиак, а не смывать его в водоемы.
«Широкое успешное внедрение этих биоудобрений в сельское хозяйство снизит загрязнение, обеспечит устойчивые способы управления азотным циклом в почве, снизит производственные затраты, увеличит прибыль фермеров и повысит устойчивость производства продуктов питания за счет улучшения плодородия почвы», — сказала Мус.