Новый метод может значительно сократить выбросы парниковых газов в сельском хозяйстве

Исследование Норвежского университета естественных наук (NMBU) и Международного института прикладного системного анализа (IIASA) предлагает использовать почвенные бактерии для сокращения выбросов парниковых газов от производства продуктов питания. Работа опубликована в журнале Nature.

Азотные удобрения приводят к выбросам парникового газа закиси азота (N₂O) из сельскохозяйственных почв, что составляет значительную часть общих выбросов парниковых газов от сельского хозяйства. Долгое время считалось, что эти выбросы N₂O неизбежны.

Однако международная группа исследователей под руководством NMBU обнаружила метод их сокращения. Они идентифицировали бактерии, которые могут «потреблять» закись азота по мере её образования в почве, не позволяя газу уйти в атмосферу. Исследователи полагают, что этот метод сам по себе может сократить выбросы N₂O в европейском сельском хозяйстве на треть.

Проблема N₂O

Растениям для роста нужно много азота. Продуктивное сельское хозяйство требует обильного снабжения азотными удобрениями. Это было узким местом, пока Фриц Габер не разработал технологию промышленного производства азотных удобрений из атмосферного азота. Эта технология 120 лет помогала мировому производству продуктов питания идти в ногу с ростом населения.

Однако в почве есть микроорганизмы, производящие парниковый газ N₂O, и удобрение стимулирует это производство.

«Этот парниковый газ обладает эффектом примерно в 300 раз сильнее, чем CO₂, и на сельское хозяйство приходится около трех четвертей выбросов N₂O в Европе», — объясняет Вильфрид Винивартер, соавтор исследования и старший научный сотрудник Исследовательской группы по управлению загрязнением Программы IIASA по энергетике, климату и окружающей среде.

«Кроме того, в глобальном масштабе сельское хозяйство является основным источником закиси азота в атмосфере. Выбросы N₂O в основном регулируются почвенными бактериями, что затрудняет усилия по их сокращению из-за их неуловимой природы», — добавляет он.

Бактерии могут выполнить эту работу

Исследователи из NMBU более 20 лет проводят фундаментальные исследования о том, как микроорганизмы в почве преобразуют азот. Они, среди прочего, тщательно изучили, что происходит, когда у микробов нет доступа к достаточному количеству кислорода — состояние, называемое гипоксией.

При внесении удобрений (и во время дождя) некоторые части почвы становятся гипоксичными. Поскольку у микробов тогда нет доступа к кислороду, они вынуждены искать другие способы получения энергии. Многие микробы могут использовать нитрат вместо кислорода, и в процессе, называемом денитрификацией, они преобразуют нитрат в другие газы. Один из них — закись азота, и таким образом микроорганизмы способствуют выбросам парниковых газов.

Исследователи сделали важные открытия в отношении регуляции этого процесса и разработали уникальный способ изучения денитрификации. Они используют, среди прочего, роботизированные решения как в лаборатории, так и в полевых условиях, и создали специального робота, который может проводить измерения выбросов N₂O из почвы в реальном времени.

Решение для сокращения выбросов N₂O заключается в использовании особого типа бактерий, которые не способны производить закись азота, но могут восстанавливать N₂O до безвредного газообразного азота (N₂).

«Если мы вырастим этих микробов в органических отходах, используемых в качестве удобрения, мы сможем сократить выбросы N₂O. Это может означать решение проблемы выбросов N₂O от сельского хозяйства», — говорит Ларс Баккен, ведущий автор исследования и профессор NMBU.

«Но найти нужную бактерию было непросто. Она должна быстро расти в органических отходах, хорошо функционировать в почве и жить достаточно долго, чтобы сокращать выбросы N₂O в течение всего вегетационного сезона. Также было сложно перейти от тестирования этого в лаборатории к испытаниям в природе и убедиться, что это действительно сокращает выбросы N₂O в полевых условиях», — добавляет Баккен.

Исследовательская группа сейчас работает над поиском большего количества бактерий, потребляющих закись азота, и тестирует их на различных типах органических отходов, используемых в качестве удобрений по всему миру. Цель — найти широкий спектр бактерий, которые могут функционировать в разных типах почв и с различными смесями удобрений.