DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07464-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38811724
تاريخ النشر: 2024-05-29
المؤلف: Elisabeth Gautefall Hiis وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم البيئة والفيزيولوجيا المجتمعية الميكروبية
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة المساهمة الكبيرة للتربة الزراعية في الاحتباس الحراري العالمي من خلال انبعاث أكسيد النيتروز (N₂O) والتحديات المرتبطة بتخفيفه. الآلية البيولوجية الوحيدة لتقليل N₂O هي من خلال الإنزيم NosZ، الذي يحول N₂O إلى نيتروجين (N₂). يقدم المؤلفون نهجًا جديدًا لتعزيز نشاط NosZ في التربة من خلال استخدام النفايات العضوية كركيزة للبكتيريا المتنفسة لـ N₂O، وبشكل خاص Cloacibacterium sp. CB-01. أظهرت التجارب الميدانية أن التسميد باستخدام نفايات إنتاج الغاز الحيوي، التي دعمت تركيزًا عاليًا من CB-01، أدى إلى تقليل انبعاثات N₂O بنسبة 50-95%، اعتمادًا على نوع التربة. يُعزى هذا الانخفاض إلى مرونة البكتيريا في التربة بدلاً من كفاءتها الحيوية.
تسلط الورقة الضوء على السياق التاريخي لاستخدام النيتروجين في الزراعة، مشيرة إلى أن عملية هابر-بوش أدت إلى تطبيق مفرط للنيتروجين، مما أدى إلى مشاكل بيئية مثل الإثراء الغذائي وزيادة انبعاثات N₂O. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى تحسين كفاءة استخدام النيتروجين في النظم الزراعية ويقترحون أن التلاعب بالميكروبات التربة يمكن أن يوفر استراتيجية أكثر فعالية لتقليل انبعاثات N₂O. يقدرون أن الانبعاثات الوطنية الناتجة عن الأنشطة البشرية لـ N₂O في أوروبا يمكن أن تُخفض بنسبة 5-20% من خلال تطبيق نتائجهم، مما يشير إلى طريق واعد لاستراتيجيات تخفيف فعالة من حيث التكلفة في مواجهة التحديات البيئية المستمرة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم التحقيق في النمط الظاهري التنفسي للبكتيريا المخفضة لـ N2O Cloacibacterium sp. CB-01 من خلال زراعات دفعات آلية، مع التركيز على إمكانياتها كمستودع صافي لانبعاثات N2O. كانت تقييم سلالات NNRB كمستودعات فعالة لـ N2O يعتمد على معاييرها الحيوية، وبشكل خاص الألفة الظاهرة (منخفضة الظاهرة $K_m$) لـ N2O ومعدل الحد الأقصى لتقليل N2O ($V_{max}$)، أو كفاءتها التحفيزية ($\frac{V_{max}}{K_m}$). تضمنت الإعدادات التجريبية نظام حضانة آلي قادر على استضافة ما يصل إلى 30 ثقافة دفعة مختلطة متوازية، مع أخذ عينات متكررة لقياس تركيزات الغاز (O2، N2، N2O، NO، و CO2) في الفضاء العلوي.
لتحليل النمط الظاهري التنفسي لـ CB-01، حدد الباحثون وزن الخلايا الجاف وعوائد النمو لكل من التنفس الهوائي ($Y_{O_2}$) والتنفّس اللاهوائي ($Y_{N_2O}$) من خلال تغيير كميات O2 و N2O المقدمة. سمح ذلك بحساب معدلات التنفس المحددة للخلايا، التي تم رسمها مقابل تركيزات الغاز لتقييم الألفة لـ O2 و N2O باستخدام نموذج مايكلس-مينتين. تم مراقبة الانتقال من التنفس الهوائي إلى اللاهوائي لتحديد التركيز الحرج لـ O2 الذي بدأت عنده CB-01 في التنفس N2O. تم تحليل حركيات تدفق الإلكترون خلال هذا الانتقال لتقدير نسبة الخلايا التي تعبر عن نازعة أكسيد النيتروز استجابةً لنقص O2. تم إجراء جميع التجارب عند 23 درجة مئوية باستخدام مرق مغذي GranuCult، مع اختبارات إضافية تتضمن هضم معقم.
المناقشة
تسلط فقرة المناقشة في ورقة البحث الضوء على إمكانيات البكتيريا المتنفسة لـ N2O (NRB)، وبشكل خاص NRB غير المنزوع النيتروجين (NNRB)، في تخفيف انبعاثات N2O من التربة. يمكن أن تعمل NNRB، التي تمتلك جين نازعة أكسيد النيتروز (nosZ) ولكن تفتقر إلى جينات نزع النيتروجين (nirS و nirK)، كمستودعات فعالة لـ N2O في ظل ظروف نقص الأكسجين واللاهوائية. تؤكد الدراسة أنه بينما يمكن لـ NNRB تقليل انبعاثات N2O بشكل كبير، فإن فعاليتها تتأثر بالعوامل البيئية وقدراتها الأيضية. تم تحديد سلالة Cloacibacterium sp. CB-01 كمستودع واعد لـ NNRB، حيث أظهرت القدرة على تقليل انبعاثات N2O في التجارب المخبرية والميدانية، خاصة عند زراعتها في الهضمات.
تستكشف الأبحاث أيضًا النمط الظاهري التنفسي لـ CB-01، كاشفةً أنها يمكن أن تتنفس N2O في ظل ظروف لاهوائية ولكن لديها نشاط محدود في ظل الظروف الهوائية. قامت الدراسة بقياس معايير حيوية مختلفة، مما يشير إلى أن CB-01 لديها قدرة معتدلة على تقليل N2O مقارنةً بـ NRB الأخرى. أظهرت التجارب الميدانية أن CB-01 قللت بشكل كبير من انبعاثات N2O بعد التسميد بالهضمات، خاصة خلال فترات الانبعاثات العالية. ومع ذلك، تضاءلت فعاليتها مع مرور الوقت، على الأرجح بسبب انخفاض أعداد الخلايا وتوافر الركيزة. تشير النتائج إلى أن تعزيز نمو وبقاء NNRB مثل CB-01 في التربة يمكن أن يوفر استراتيجية قابلة للتطبيق لتقليل انبعاثات N2O الزراعية عبر أوروبا، مع إمكانية تحقيق تخفيضات كبيرة عند دمجها مع تطبيقات النفايات العضوية. هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث لتحديد سلالات NNRB إضافية وتحسين استخدامها في أنواع وظروف التربة المختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07464-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38811724
Publication Date: 2024-05-29
Author(s): Elisabeth Gautefall Hiis et al.
Primary Topic: Microbial Community Ecology and Physiology
Overview
The section discusses the significant contribution of farmed soils to global warming through the emission of nitrous oxide (N₂O) and the challenges associated with its mitigation. The only biological mechanism for reducing N₂O is through the enzyme NosZ, which converts N₂O to nitrogen (N₂). The authors present a novel approach to enhance NosZ activity in soils by utilizing organic waste as a substrate for N₂O-respiring bacteria, specifically Cloacibacterium sp. CB-01. Field experiments demonstrated that fertilization with biogas production waste, which supported a high concentration of CB-01, resulted in a 50-95% reduction in N₂O emissions, depending on soil type. This reduction is attributed to the bacterium’s resilience in soil rather than its biokinetic efficiency.
The paper highlights the historical context of nitrogen use in agriculture, noting that the Haber-Bosch process has led to excessive nitrogen application, resulting in environmental issues such as eutrophication and increased N₂O emissions. The authors emphasize the need for improved nitrogen-use efficiency in agroecosystems and suggest that manipulating soil microorganisms could provide a more effective strategy for reducing N₂O emissions. They estimate that national anthropogenic N₂O emissions in Europe could be reduced by 5-20% through the application of their findings, indicating a promising avenue for cost-effective mitigation strategies in the face of ongoing environmental challenges.
Methods
In this study, the respiratory phenotype of the N2O-reducing bacterium Cloacibacterium sp. CB-01 was investigated through robotized batch cultivations, focusing on its potential as a net sink for N2O emissions. The assessment of NNRB strains as effective N2O sinks was based on their biokinetic parameters, specifically the apparent affinity (low apparent $K_m$) for N2O and the maximal rate of N2O reduction ($V_{max}$), or their catalytic efficiency ($\frac{V_{max}}{K_m}$). The experimental setup involved a robotized incubation system capable of hosting up to 30 parallel stirred batch cultures, with frequent sampling to measure gas concentrations (O2, N2, N2O, NO, and CO2) in the headspace.
To analyze the respiratory phenotype of CB-01, the researchers determined cell dry weight and growth yields for both aerobic ($Y_{O_2}$) and anaerobic ($Y_{N_2O}$) respiration by varying the amounts of O2 and N2O provided. This allowed for the calculation of cell-specific respiration rates, which were plotted against gas concentrations to evaluate the affinity for O2 and N2O using the Michaelis-Menten model. The transition from aerobic to anaerobic respiration was monitored to identify the critical concentration of O2 at which CB-01 began to respire N2O. The kinetics of electron flow during this transition were analyzed to estimate the fraction of cells expressing N2O reductase in response to O2 depletion. All experiments were conducted at 23 °C using GranuCult nutrient broth, with additional tests involving autoclaved digestate.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the potential of N2O-respiring bacteria (NRB), particularly non-denitrifying NRB (NNRB), in mitigating N2O emissions from soils. NNRB, which possess the gene for N2O reductase (nosZ) but lack the genes for denitrification (nirS and nirK), can act as effective sinks for N2O under hypoxic and anoxic conditions. The study emphasizes that while NNRB can significantly reduce N2O emissions, their effectiveness is influenced by environmental factors and their metabolic capabilities. The strain Cloacibacterium sp. CB-01 was identified as a promising NNRB, demonstrating the ability to reduce N2O emissions in laboratory and field experiments, particularly when grown in digestates.
The research further explores the respiratory phenotype of CB-01, revealing that it can respire N2O under anaerobic conditions but has limited activity under aerobic conditions. The study measured various biokinetic parameters, indicating that CB-01 has a moderate capacity for N2O reduction compared to other NRB. Field experiments showed that CB-01 significantly reduced N2O emissions following fertilization with digestate, especially during periods of high emissions. However, its effectiveness diminished over time, likely due to declining cell numbers and substrate availability. The findings suggest that enhancing the growth and survival of NNRB like CB-01 in soils could provide a viable strategy for reducing agricultural N2O emissions across Europe, with the potential for substantial reductions when combined with organic waste applications. Future research is needed to identify additional NNRB strains and optimize their use in various soil types and conditions.