Азот необходим для существования жизни в том виде, в котором мы ее знаем. Он является существенным компонентом важнейших биомолекул, включая ДНК и белки.
Он также является самым распространенным элементом в атмосфере. Этот элемент циркулирует между атмосферой, поверхностью Земли и живыми организмами - подобно тому, как вода переправляется из атмосферы на Землю и, в конечном счете, обратно. Атмосферный азот существует в основном в виде газообразного азота (N2), который недоступен для большинства живых организмов, включая растения и животных. Однако азот может быть использован азотофиксирующими бактериями, которые с помощью специальных ферментов превращают азот в почве в оксид (NO) и диоксид (NO2) азота. Эти газы могут быть далее преобразованы в другие азотсодержащие соединения, такие как нитрат (NO3-) и аммоний (NH4+), последний из которых растения могут использовать для роста. Без достаточного количества азота растения не могут образовывать необходимые пигменты фотосинтеза, такие как хлорофилл.
Помимо полезных азотных продуктов, таких как NH4+, в процессе круговорота азота могут образовываться и некоторые более проблематичные газы, в том числе мощный парниковый газ закись азота (N2O), знакомый как «веселящий газ». Закись азота образуется как промежуточный продукт при де-нитрификации - процессе, в ходе которого микробы превращают нитраты в почве в газообразный азот, который выбрасывается обратно в атмосферу. Большая часть выбросов закиси азота в мире приходится на сельское хозяйство. В основном они связаны с азотными удобрениями, которые необходимы для поддержания уровня производства продуктов питания, необходимого для обеспечения планеты продовольствием. Эта напряженность подчеркивает необходимость поиска путей сокращения выбросов без ущерба для урожайности и продовольственной безопасности.
Круговорот азота в природе. Источник: Wikimedia Commons.
Исследователи вновь обращаются за ответами к почвенным бактериям, и, возможно, они нашли главного кандидата для этой работы. Cloacibacterium sp. CB-01 - неденитрифицирующая бактерия, выделяющая закись азота, что означает, что она может производить газообразный азот из закиси азота, но не может выполнять никаких других шагов в процессе денитрификации. Этот тип метаболизма важен, потому что он увеличивает потенциал CB-01 в качестве поглотителя закиси азота: бактерия может избежать метаболического отвлечения и направить больше клеточных ресурсов на эту желательную реакцию.
Многие бактерии участвуют в азотном цикле на разных стадиях, но известен только один фермент, производящий газообразный азот из закиси азота, под названием NosZ, который кодирует CB-01. Однако CB-01 - не единственная бактерия, выделяющая закись азота, и не самая лучшая из известных науке. Исследователи сравнили CB-01 с группой из 18 других штаммов, которые также кодируют ферменты для восстановления закиси азота, и обнаружили, что CB-01 находится в середине группы. Тем не менее, у CB-01 есть то, чего нет у других, - невероятные навыки выживания.
В отличие от многих других штаммов, восстанавливающих закись азота, CB-01 особенно приспособлена к жизни в почве. Изначально штамм был выделен в ходе эксперимента, целью которого было выведение выносливых бактерий, реагирующих на закись азота, из отходов биогазовых реакторов, где он доминировал над другими штаммами. Отходы биогазовых реакторов особенно подходят для этой цели, поскольку они часто богаты азотом, что создает идеальные условия для обнаружения бактерий, участвующих в переработке азота. CB-01 хорошо растет на отходах биогазового реактора, возможно, благодаря своей способности прикрепляться и питаться молекулами сахаров, содержащихся в отходах, а также осуществлять дыхание закисью азота.
Оценив способность CB-01 превращать закись азота в азот путем измерения концентрации этих двух газов (помимо прочих) во время роста в герметичных пробирках, исследователи поставили перед бактерией новую задачу. Они инокулировали CB-01 в емкости, содержащие различные типы почвы, семена райграса для имитации роста сельскохозяйственных культур и отходы биогазового реактора, которыми CB-01 любит питаться. Затем ученые наблюдали за выделением оксида азота из емкостей с различными типами почв в течение 90 дней. Кроме того, они периодически удобряли почву в контейнерах, чтобы вызвать скачки выбросов. Эта работа показала, что CB-01 может сократить выбросы оксидов азота из контейнеров на 94% по сравнению с контрольными контейнерами, удобренными инактивированными CB-01. Эффект CB-01 снижался со временем, показывая, что даже эта выносливая бактерия не может существовать вечно, хотя ее численность в емкостях сохранялась дольше, чем при лабораторной инкубации в аналогичных условиях.
После этих многообещающих результатов исследователи перешли к эксперименту на полевых участках, снова удобряя почву CB-01 и отходами биогазового реактора. Здесь CB-01 оказался наиболее эффективным на ранних этапах, а его влияние на выбросы закиси азота ослабевало на протяжении 280 дней эксперимента. В лучшем случае CB-01 смог снизить выбросы в почву на 64% по сравнению с контролем без CB-01. Исследователи объяснили такое снижение эффективности по сравнению с экспериментом с почвенным контейнером необычно низкими температурами почвы во время полевого эксперимента, подчеркнув, что погодные условия могут повлиять на эффективность такого рода вмешательств.
Прежде чем использовать микробы для борьбы с выбросами на сельскохозяйственных угодьях, необходимо решить ряд проблем, включая нежелательное воздействие на другие микроорганизмы, уже присутствующие в экосистеме, а также возможность того, что новые бактерии, реагирующие на закись азота, могут стать причиной возникновения резистентности к антибиотикам или вызвать заболевания. Однако исследователям не удалось выявить влияния на родную почвенную микробиоту, а также найти в геноме CB-01 какие-либо гены резистентности к антибиотикам или патогенности, что позволяет предположить, что эти бактерии имеют потенциал для использования в сельском хозяйстве.
Несмотря на многообещающую активность, исследователи признают, что необходимо найти больше штаммов, подобных CB-01, и выявить виды, способные процветать на других материалах, помимо отходов биогазовых реакторов, которые не всегда могут быть легко доступны в различных регионах. Также необходимо определить виды, способные переносить различные виды стрессов, которые могут встречаться в различных типах почв и средах. Многое еще неизвестно о том, как эти бактерии, восстанавливающие закись азота, живут в окружающей среде - например, до сих пор неясно, важны ли тесные взаимодействия между производителями и потребителями закиси азота для определения чистых выбросов закиси азота из почвы.
Становится все более очевидным, что многие из потенциальных решений современных проблем общества, включая выбросы парниковых газов на сельскохозяйственных угодьях, являются микробными. Многие из них, такие как CB-01, были обнаружены и описаны совсем недавно, а многие другие находятся совсем рядом, их потенциал еще не раскрыт и не использован. Это делает работу по обнаружению и выделению таких микробов из самых разных мест обитания невероятно важной для решения некоторых из самых насущных проблем современности. Бактерии также изучаются в качестве замены широко используемым синтетическим удобрениям, что позволит сократить расходы фермеров и выбросы CO2 при ресурсоемком производстве химических удобрений.
