Вы даже не представляете, насколько вам нужны эти бактерии

Без азотфиксирующих бактерий нам было бы плохо.

Бактерии незаслуженно недооценены. От сельского хозяйства до производства ароматизаторов, эти микробы играют важную роль в процессах, о которых вы, вероятно, даже не подозревали. В этой серии есть еще три статьи о реставрации произведений искусства , роли кишечной палочки в биологии и медицине , а также о микробах, из которых делают уксус .

Всем живым организмам для выживания необходим азот. Этот элемент формирует структуру белков, которые поддерживают нашу жизнь, и ДНК, которая их кодирует. К счастью, он также окружает нас повсюду, составляя 78 процентов атмосферы Земли. Но есть один нюанс: большинство живых организмов не могут использовать азот, содержащийся в воздухе.

Молекулы газообразного азота состоят из двух атомов азота, соединенных тройной связью — самым прочным типом химической связи. Для ее разрыва требуется много энергии, и большинство живых организмов не обладают необходимыми для этого механизмами.

Таким образом, большая часть жизни зависит от одной группы микробов: азотфиксирующих бактерий.

Эти так называемые диазотрофы поглощают молекулы газообразного азота и «фиксируют» этот жизненно важный элемент, превращая его в аммиак, NH₃ , который могут использовать другие организмы. Фермент, называемый нитрогеназой, помогает им осуществить это превращение, хотя оно по-прежнему требует значительных затрат энергии.

Для питания нитрогеназы некоторые диазотрофы потребляют органические вещества в почве. Другие образуют взаимовыгодные отношения с определенными видами растений. Растение предоставляет бактериям место для прикрепления к своим корням, жертвуя частью своего углерода для питания микробов, и взамен получает постоянный запас азота.

Без естественного действия диазотрофов, будь то в почве или в прямой связи с ними, диким растениям не хватало бы доступного азота для выживания. Эта зависимость влияет на всю пищевую цепь: белок, производимый растениями с использованием связанного азота, потребляется травоядными животными, которые, в свою очередь, передают этот белок хищникам.

Однако по мере роста мирового спроса на сельскохозяйственную продукцию количество питательных веществ, необходимых для выращивания всех наших культур, значительно превысило скорость, с которой бактерии могут обогащать почву. К началу XX века человечеству срочно понадобился искусственный способ фиксации азота.  

Решением стал процесс Хабера-Боша. Химики Фриц Хабер и Карл Бош изобрели метод соединения газообразных азота и водорода при высоком давлении и температуре, разрыва азотной связи и возможности освободившихся атомов снова соединиться, образуя аммиак. 

Сегодня в результате процесса Хабера-Боша ежегодно производится около 160 миллионов метрических тонн аммиака . Большая его часть превращается в удобрения, поскольку 50 процентов мирового продовольственного снабжения зависит от удобрений на основе аммиака. 

Кроме того, на этот метод приходится от 1 до 1,5 процента всех глобальных выбросов углекислого газа ежегодно, поэтому некоторые исследователи изучают способы возвращения к методу биологической фиксации, вместо того чтобы продолжать полагаться на массовое производство удобрений.

Один из потенциальных путей — это выведение бактерий с большей «неразборчивостью», то есть менее привередливыми в выборе растений-партнеров, объясняет Маниш Райзада, исследователь в области сельского хозяйства из Университета Гвельфа в Канаде. «Есть возможности сделать [бактерии] более совместимыми с большим количеством растений-хозяев», — говорит он. «Мы бы назвали их элитными штаммами. И эти элитные штаммы были выведены традиционными методами селекции, они не являются ГМО».

Микроорганизмы также можно модифицировать для производства большего количества связанного азота для своих хозяев. Поскольку энергетические затраты очень высоки, многие азотфиксирующие бактерии отключаются, если обнаруживают достаточное количество аммиака в почве. Исследователи целенаправленно используют эту отрицательную обратную связь, чтобы поддерживать работу клеточного механизма даже в условиях высокого содержания аммиака, посредством генетической модификации .

Хотя симбиоз диазотрофов с растениями наиболее распространен в бобовых культурах, таких как соя, появляется все больше свидетельств того, что эти бактерии совместимы и с небобовыми культурами, например, с кукурузой. Например, у одного из сортов местной кукурузы, выращиваемой народом Сьерра-Миксе на юге Мексики, есть «воздушные корни», расположенные внутри слизистой оболочки, содержащей азотфиксирующие бактерии и сахара для их питания. Исследователи пытаются перенести эту особенность на быстрорастущие сорта обычной кукурузы, не жертвуя при этом урожайностью.

В том же семействе, что и кукуруза, азотфиксирующие бактерии также заселяют стебли сахарного тростника и обеспечивают от 60 до 80 % азота, потребляемого растением. В результате, сахарный тростник является более устойчивым источником биоэтанола, чем кукуруза, поскольку для его выращивания требуется меньше удобрений, говорит Райзада.

Учитывая все эти потенциальные модификации, исследователи экспериментируют с добавлением в почву одного или нескольких видов диазотрофов для повышения содержания азота. Но простое добавление большего количества микроорганизмов в смесь мало что меняет в состоянии урожая, если в почве недостаточно питательных веществ для питания самих бактерий, объясняет Лиз ЛеБлан, основательница LP Consulting в Новой Шотландии, Канада, которая специализируется на исследовании и предоставлении фермерам доступа к устойчивым вариантам переработки отходов в ресурсы.

Азотфиксирующие бактерии и другие трудолюбивые почвенные микроорганизмы нуждаются в подкормке, чтобы обеспечить растения необходимыми для роста элементарными материалами. Фермеры должны обеспечивать своих микробных партнеров источником углеродной биомассы для поддержания их жизнедеятельности, и промышленные отходы — хорошее начало. Компания LP Consulting ЛеБлан связывает фермеров с промышленными партнерами, желающими избавиться от отходов, богатых биомассой. Она говорит, что ее команда уже работала с древесной золой, биоотходами и отходами бумажного производства. 

ЛеБлан и ее команда также работают с фермерами, чтобы убедиться, что у них есть ресурсы для правильного использования отходов в своих интересах. Простое добавление питательных веществ на поле не поможет, если фермеры не знают, как правильно распределять и хранить переработанные удобрения.

Даже при достаточном питании применение почвообогащающих бактерий все равно менее эффективно, чем химические удобрения. Бактерии также очень чувствительны к изменениям pH и температуры, которые сильно различаются в пределах одного поля, поэтому результаты часто бывают непоследовательными. Расстояние всего в один сантиметр может разделять совершенно разные почвенные системы, объясняет Райзада.

Бактериальные растворы более практичны в условиях, когда химические удобрения легко вымываются с полей обильными дождями и имеют слабую структуру почвы. Это обычно происходит на сельскохозяйственных угодьях в тропических и субтропических регионах, где сезон дождей интенсивный, а почва имеет слабый, песчаный характер и плохо удерживает питательные вещества. 

По словам Райзады, в отличие от химических удобрений, которые вымываются из почвы, бактерии закрепляются в корнях и стебле, что делает их менее восприимчивыми к вымыванию из почвы. «Бактерии, которые внедряются в клубеньки бобовых, уже находятся внутри растения, они будут проникать непосредственно в него», — объясняет он. «Возможно, в тропиках и субтропиках азотфиксирующие бактерии — это абсолютно предпочтительный вариант по сравнению с химическими азотными удобрениями». 

На пути к замене промышленных удобрений микроорганизмами еще предстоит преодолеть ряд препятствий, но ведется многообещающая работа по преодолению разрыва между биологической лабораторией и реальными полевыми условиями.

Erin Fennessy “You have no idea how much you need these bacteria”

Перевод статьи «You have no idea how much you need these bacteria» автора Erin Fennessy, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык