Med en stadig voksende befolkning og matbehov forventes økt bruk av N-gjødsel og dermed økte N2O-utslipp, og det er behov for løsninger som minimerer bruken av syntetisk N og samtidig øker jordens evne til å konsumere N2O. Studiene i denne avhandlingen har identifisert flere lovende kandidater for utvikling av inokulanter med dobbel kapasitet, nemlig å øke belgvekstproduksjonen og å redusere klimagassutslippene.
Belgvekster bidrar til biologisk nitrogenfiksering
Økt bruk av biologisk N-fiksering ved å dyrke mer belgvekster i jordbruket er et attraktivt og bærekraftig alternativ til syntetisk N-gjødsel som svarer til behovet av å øke produksjonen av plantebaserte proteiner for mat og dyrefôr, nylig fremstilt av Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2019). Biologisk nitrogenfiksering innebærer at rhizobier (gram-negative jordbakterier) fikserer atmosfærisk nitrogen (N2) i symbiose med belgvekster og derved tilfører fiksert N til jorden, noe som minker behovet for syntetisk gjødsel. Dette leder ikke automatisk til minkede N2O emisjoner siden en del av tilført N alltid vil bli tapt fra jorden via denitrifikasjon. Mange rhizobier kan imidlertid denitrifisere, og poding av belgvekster med rhizobier som både er effektive N2-fikserere og N2O reduserere åpner muligheter for økt belgvekstproduksjon og samtidig reduksjon av N2O utslippene.
Avhandlingen til Kedir Woliy ved Fakultet for kjemi, bioteknologi og matvitenskap ved NMBU hadde som mål å utrede genetisk variasjon, N2O reduksjon og N2 fikseringseffektivitet hos rhizobier i slektene Bradyrhizobium og Ensifer, som er kjent for å danne nitrogenfikserende symbioser med flere av de globalt viktigste belgvekstene som soyabønner, peanøtt og luserne.
Bakterier fra biobank i Etiopia
Bakteriene som ble undersøkt inngår i en stor biobank av rhizobier som vår forskergruppe tidligere har isolert fra belgvekster i Etiopia. Fylogenetiske analyser viste at de representerer en stor diversitet. Blant ca 40 Bradyrhizobium-stammer, som representerte syv sk genospecies, fant vi at halvparten var komplette denitrifikanter, mens resten dannet N2O som sluttprodukt og altså vil fungere som kilder for denne klimagassen. Analyser av gass-kinetikk under overgang fra aerob respirasjon til denitrifikasjon avslørte et fremtredende trekk ved alle komplette denitrifikanter: kraftig preferanse for N2O fremfor NO3-. Videre undersøkelser peker på at dette beror på at elektrontransportveien til N2O reduksjon vinner over den til nitrat, noe som gjør disse bakteriene til sterke sluk for N2O. Resultatene, som gir ny forståelse av mekanismer som er involvert i å regulere N2O-utslipp, ble nylig publisert i tidsskriftet Environmental Microbiology. I en annen studie valgte vi fjorten av de N2O-reeduserende stammene og inokulerte dem med seks ulike belgvekster, for å bestemme vertvekst-spektrum og symbiotisk effektivitet. Resultatene viste at flere av dem også var effektive N2-fikserere.
Leter etter effektive "N2O sluk" i naturlige miljø
Vi undersøkte også denitrifikasjonsprodukter til ca 70 taksonomisk diverse Ensifer stammer og fant kun fem som klarte å redusere NO2- til N2. Ingen av disse fem kunne redusere NO3-, noe som gjør dem spesielt interessante siden de kunne konsumere, men ikke produsere, N2O. Samdyrking av en «NO2--til-N2» reduserende stamme med en «NO3-til-N2O» reduserende stamme viste effektiv reduksjon av NO3- til N2. Dette gir ytterligere støtte til oppfatningen at Ensifer stammer med N2O-reduserende kapasitet kan fungere som effektive N2O sluk i naturlige miljø.
Lovende kandidater identifisert
Samlet gir studiene i denne avhandlingen økt innsyn i diversiteten, N2O reduksjonskapasiteten og den assosierte reguleringen av denitrifikasjon, i tillegg til den symbiotiske N2-fikseringseffektiviteten til et stort antall taksonomisk forskjellige stammer innenfor slektene Bradyrhizobium og Ensifer. Flere av disse ble identifisert som lovende kandidater for utvikling av inokulanter med dobbel kapasitet, nemlig å øke belgvekstproduksjonen og å redusere klimagassutslippene. Den brede forekomsten innenfor disse slektene av organismer med trunkert denitrifikasjon, derved potensielle kilder for N2O, understreker behovet for å undersøke N2O-reduksjonskapasitet når man ønsker å utvikle nytt podemateriale for ulike belgvekster.