Μικρόβια:Ο σωστός στόχος για να ταΐσετε τον κόσμο και να προστατέψετε τη φύση;
Στη γεωργία, το άζωτο (Ν) είναι ένα από τα πιο σημαντικά θρεπτικά συστατικά για τη βελτίωση της ανάπτυξης των φυτών και εφαρμόζεται με τη μορφή λιπάσματος. Τα φυτά μπορούν να προσλάβουν άζωτο με τη μορφή αμμωνίου (NH4 ) και νιτρικό (NO3). ). Ωστόσο, ένα παράγωγο του αμμωνίου, η αμμωνία (NH3 ), χρησιμοποιείται επίσης από εξειδικευμένα μικρόβια του εδάφους. Αυτό κάνει τα φυτά να βρίσκονται σε συνεχή διατροφικό πόλεμο με αυτά τα μικρόβια, μειώνοντας την ανάπτυξη και την απόδοσή τους.
Μόλις τραφούν, αυτά τα μικρόβια απελευθερώνουν νιτρικά πίσω στο χώμα. Σε σύγκριση με το αμμώνιο, τα νιτρικά άλατα διοχετεύονται εύκολα από το έδαφος στα υπόγεια ύδατα. Αυτό δημιουργεί πιθανούς κίνδυνους για την υγεία για τους ανθρώπους μειώνοντας την ποιότητα του πόσιμου νερού μας και νερό αναψυχής . Επιπλέον, μπορεί να μετατραπεί σε υποξείδιο του αζώτου (N2 O), ένα αέριο θερμοκηπίου με παγκόσμια θέρμανση δυναμικό 300 φορές μεγαλύτερο από το CO2 . Αυτές οι απώλειες ενδέχεται να μειώσουν τη διαθεσιμότητα αζώτου για τα φυτά έως και 50% και επομένως είναι εξαιρετικά αναποτελεσματική. Οι υπερβολικές ποσότητες λιπασμάτων που εφαρμόζονται για την αντιστάθμιση αυτών των απωλειών οδηγούν περαιτέρω σε απώλεια βιοποικιλότητας .
Ενώσεις που εμποδίζουν αυτά τα μικρόβια να χρησιμοποιήσουν το διαθέσιμο άζωτο, τους λεγόμενους αναστολείς νιτροποίησης , αναπτύχθηκαν τον 20ό αιώνα και συνήθως συνδέονται με χημικά λιπάσματα όταν εφαρμόζονται στο χωράφι. Ωστόσο, η γνώση σχετικά με τους μικροβιακούς παράγοντες που επηρεάζουν αυτή τη διαδικασία εξελίσσεται ταχέως, συμπεριλαμβανομένης της ανακάλυψης νέων και διαφορετικών μικροβίων. Για να καταστεί δυνατή η εξερεύνηση εναλλακτικών και πιο βέλτιστων στρατηγικών διαχείρισης αζώτου, μια περίπλοκη επισκόπηση της γνώσης σχετικά με τις διαφορετικές βιοχημικές οδούς που χρησιμοποιούνται από αυτά τα μικρόβια για την επεξεργασία του αζώτου, καθώς και τη σχετική σημασία τους στη γεωργία και τον πιθανό τρόπο δράσης της νιτροποίησης inhibitors, δημοσιεύτηκε στο Current Opinion in Biotechnology (Beeckman et al. 2018).
Τρεις κύριες ομάδες μικροβίων ανταγωνίζονται τα φυτά για το διαθέσιμο άζωτο:βακτήρια οξειδωτικά αμμωνίας (AOB), αρχαία οξειδωτικά αμμωνία (AOA) και βακτήρια comammox. Όλα εκτελούν οξείδωση αμμωνίας, δηλαδή τη μετατροπή της αμμωνίας σε νιτρώδη (NO2 ). Σε ένα δεύτερο στάδιο, τα νιτρώδη μετατρέπονται σε νιτρικά. Ο τρόπος με τον οποίο η αμμωνία μετατρέπεται σε νιτρώδη διαφέρει μεταξύ των τριών ομάδων.
Για το AOB, θεωρήθηκε ότι η αμμωνία μετατράπηκε αρχικά σε υδροξυλαμίνη (NH2 ΟΗ) από το ένζυμο AMO και στη συνέχεια σε νιτρώδες άλας μέσω του ενζύμου HAO. Αυτή η διαδικασία δύο σταδίων αμφισβητήθηκε πρόσφατα καθώς το μονοξείδιο του αζώτου (NO) μπορεί να είναι επίσης ένα υποχρεωτικό ενδιάμεσο, υπονοώντας την ύπαρξη ενός τρίτου αγνώστου ενζύμου που μετατρέπει το NO σε NO2 .
Το ένζυμο AMO αποτελείται από τρεις δομικές μονάδες ή υπομονάδες (amoA, amoB και amoC), όπου η υπομονάδα amoB πιστεύεται ότι δεσμεύει την αμμωνία και επομένως είναι ο κύριος στόχος για τους αναστολείς νιτροποίησης. Αυτή η υπομονάδα δεν διατηρείται στην ΑΟΑ, επομένως προτείνεται ένας διαφορετικός τρόπος δράσης των αναστολέων. Εδώ, μια τέταρτη υπομονάδα (amoX) ή amoC, μπορεί να είναι υπεύθυνη για την οξειδωτική δραστηριότητα της αμμωνίας, αλλά απαιτούνται περισσότερες βιοχημικές αναλύσεις για να γίνουν καλύτερες δηλώσεις.
Τα βακτήρια Comammox αποκτούν τα γονίδια που κωδικοποιούν τα ένζυμα AMO και HAO μέσω μιας οριζόντιας μεταφοράς γονιδίου από το AOB. Η οριζόντια μεταφορά γονιδίων (HGT) είναι η μεταφορά γονιδίων μεταξύ μονοκύτταρων οργανισμών χωρίς αναπαραγωγή. Είναι, για παράδειγμα, ο ίδιος μηχανισμός που προκαλεί την εξάπλωση της αντίστασης στα αντιβιοτικά. Μέσω αυτού του HGT από το AOB σε βακτήρια comammox, τα βακτήρια comammox μπορεί να έχουν παρόμοια ευαισθησία προς τους αναστολείς νιτροποίησης. Ωστόσο, αναμένονται διαφορές με βάση τις παρατηρήσεις σχετικά με τον γενετικό τους κώδικα και τον τρόπο επεξεργασίας της αμμωνίας. Όλες οι διαφορές μεταξύ των βακτηρίων AOB, AOA και comammox δείχνουν ότι αυτά τα μικρόβια είναι προσαρμοσμένα σε διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες.
Ο τρόπος που προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους επηρεάζει την παρουσία και τη δραστηριότητά τους. Τα AOA, για παράδειγμα, είναι συνήθως πιο άφθονα από τα AOB σε γεωργικά εδάφη και η συγγένειά τους με την αμμωνία είναι επίσης υψηλότερη. Αυτό σημαίνει ότι έχουν πλεονέκτημα έναντι του AOB, ειδικά σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις αζώτου. Καθώς τα ΑΟΒ κορεσθούν λιγότερο γρήγορα με αμμωνία, η αφθονία τους συνήθως αυξάνεται περισσότερο σε υψηλές συγκεντρώσεις αζώτου. Παρόλο που αυτό μπορεί να υποδηλώνει έναν πιο σημαντικό ρόλο για το AOB σε εδάφη πλούσια σε άζωτο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα AOA εξακολουθούν να καταναλώνουν στο μέγιστο βαθμό αμμωνία και, επομένως, να ανταγωνίζονται τις ρίζες των φυτών.
Όταν εξετάζουμε το προφίλ του εδάφους, η σχετική σημασία των βακτηρίων AOB και comammox πιθανότατα ακολουθεί μια αντίστροφη σχέση, με το AOB να είναι πιο άφθονο στα ανώτερα στρώματα και τα βακτήρια να μοιάζουν βαθύτερα στο έδαφος. Το AOA, από την άλλη πλευρά, συνήθως θα είναι πιο σημαντικό στα ενδιάμεσα στρώματα του εδάφους. Η σημασία των βακτηρίων AOA και comammox ενδέχεται να αυξηθεί περαιτέρω με την αύξηση της θερμοκρασίας και προς το τέλος της καλλιεργητικής περιόδου, καθώς μειώνονται οι συγκεντρώσεις αζώτου στο έδαφος.
Αυτές οι ανακαλύψεις δείχνουν ότι η διακύμανση της ευαισθησίας σε διαφορετικούς τύπους αναστολέων που εμποδίζουν τη χρήση αζώτου από αυτά τα εξειδικευμένα μικρόβια μπορεί να προκύψει από διαφορές στον τρόπο επεξεργασίας του αζώτου, καθώς και από το πώς και πού το αισθάνονται. Αυτό και ο πιθανός σημαντικός ρόλος των μικροβίων που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα υποδηλώνουν μη βέλτιστη αποτελεσματικότητα για τους επί του παρόντος διαθέσιμους αναστολείς. Επομένως, οι συγγραφείς ισχυρίζονται ότι η επίδραση γενικότερων αναστολέων (ή μιγμάτων αναστολέων) που στοχεύουν όλες τις μικροβιακές ομάδες μπορεί να διαρκέσει περισσότερο και να μειώσει την πιθανότητα ανάπτυξης αντοχής.
Για να φτάσουμε εκεί, θα πρέπει να γίνουν επενδύσεις στην έρευνα για να χαρτογραφηθεί η σχετική σημασία όλων των παικτών με περισσότερες λεπτομέρειες, καθώς και σε έρευνα που προσπαθεί να αποσαφηνίσει πώς το άζωτο επεξεργάζεται βιοχημικά και ενζυμικά από αυτά τα μικρόβια. Ως εκ τούτου, ο έλεγχος της μικροβιακής δραστηριότητας στο έδαφος μπορεί να είναι ο πιο συναρπαστικός στόχος του 21ου αιώνα για την ενίσχυση της παραγωγικότητας των καλλιεργειών και τη μείωση των επιπτώσεων της γεωργίας στο περιβάλλον μας. Μικρόβια — ο τέλειος στόχος για να ταΐσετε τον κόσμο και να προστατέψετε τη φύση.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Νιτροποίηση σε γεωργικά εδάφη:επιπτώσεις, δρώντες και μετριασμός, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Current Opinion in Biotechnology . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Fabian Beeckman, Hans Motte και Tom Beeckman από το Πανεπιστήμιο της Γάνδης και το VIB Center for Plant Systems Biology.
