Китайские исследователи создали ингибитор азота 2-циклопентен-1-он (2-cyclopenten-1-one (CCO)) двойного действия: увеличение урожайности и снижение газообразных выбросов посредством микробной регуляции. Полевые испытания показывают, что CCO растительного происхождения повышает урожайность кукурузы и сокращает выбросы парниковых газов, изменяя гены азота и принося пользу таким полезным микробам, как Nocardioides и Nitrospira.
Ожидается, что в течение следующих пяти десятилетий население мира вырастет примерно на 35 %, что потребует значительного увеличения сельскохозяйственного производства.
Азотные (N) удобрения служат основным источником питательных веществ для сельхозкультур, но требуют ответственного применения. Примечательно, что средняя интенсивность внесения азотных удобрений в Китае более чем в три раза выше, чем в среднем по миру, что отражает усилия по наращиванию урожайности, однако, до растений доходит далеко не весь азот, и его избытки вызывают серьезные экологические проблемы.
Эти воздействия включают закисление почвы, загрязнение воды (например, загрязнение нитратами (NO 3 - -N) и аммонием (NH 4 + -N)), загрязнение воздуха (например, выбросы аммиака (NH 3) и оксидов азота (NO x )), а также выбросы парниковых газов, особенно закиси азота (N 2 O).
Кроме того, чрезмерное внесение азота ускоряет глобальное снижение содержания органического вещества в почве (SOM). В результате повышение эффективности использования азотных удобрений стало важнейшей глобальной задачей, особенно для Китая.
Применение добавок азота, таких как ингибиторы уреазы и ингибиторы нитрификации, предлагает более простую и экономичную альтернативу сложным стратегиям управления азотом.
По сравнению с обычными удобрениями, ингибиторы уреазы повышают эффективность азотного удобрения за счет задержки гидролиза мочевины.
Ингибиторы нитрификации повышают эффективность использования азота (Nitrogen use efficiency, NUE) и урожайность культур за счет замедления превращения NH 4 + -N в NO 3 - -N во время нитрификации и снижения последующей денитрификации в почве.
Для регулирования всего процесса преобразования азота комбинированное использование этих ингибиторов привлекло значительный исследовательский интерес из-за его результатов.
Например, сочетание мочевины с ингибитором уреазы N-бутилтиофосфорным триамидом (NBPT) или ингибитором нитрификации 3,4-диметилпиразолилянтарной кислотой (DMPSA) поддерживало сопоставимую урожайность и использование N, при этом значительно сокращая выбросы NH 3 и N 2 O.
Команда ученых из Института прикладной экологии Китайской академии наук представили новую экологически чистую добавку к удобрениям двойного назначения – стимуляция урожайности плюс снижение выбросов – которая могла бы работать одинаково хорошо в нормальных, дождливых или полузасушливых условиях.
С быстрым развитием зеленого сельского хозяйства растет интерес к новым материалам растительного происхождения как к устойчивым решениям для смягчения нитрификации почвы и потери N.
Исследователи все больше внимания уделяют этим стратегиям, что приводит к значительным открытиям. Например, пастбища или луга, на которых преобладает биогенные нитрифицирующие виды микробов, демонстрируют соответственно низкие показатели нитрификации почвы.
CCO, соединение, полученное из ромашки, является перспективным ингибитором на растительной основе.
CCO ингибирует уреазу, занимая ее активный сайт и хелатируя ионы меди в активном сайте аммиачной монооксигеназы, тем самым подавляя как активность уреазы, так и нитрификацию.
Однако, несмотря на потенциал, большинство исследований CCO остаются ограниченными лабораторными условиями. Систематические полевые испытания отсутствуют, а молекулярные механизмы его взаимодействия с почвенными микроорганизмами остаются неясными. Это подчеркивает критический пробел в знаниях и необходимость дальнейших исследований для полного использования потенциала CCO и других материалов растительного происхождения в зеленых сельскохозяйственных практиках.
Для устранения этих пробелов в знаниях исследователями Китайской академии наук был проведен на кукурузе полевой эксперимент на Национальной станции наблюдения за агроэкосистемами в Шэньяне, провинция Ляонин, расположенной на равнине Ляохэ.
Полевой эксперимент поставлен с целью, чтобы (i) охарактеризовать закономерности выбросов NH 3 и парниковых газов, включая метан (CH 4 ), углекислый газ (CO 2 ) и N 2 O, после применения различных ингибиторов и (ii) выяснить биологические механизмы, лежащие в основе улетучивания NH 3 и выбросов парниковых газов, путем анализа относительного обилия генов, связанных с циклом азота, и микробного разнообразия с помощью метагеномного секвенирования; метагеномного анализа функций биогеохимического цикла с упором на пути углерода, азота, фосфора и серы; и моделирования путей.
Эксперимент включал четыре обработки, каждая с тремя повторениями: (i) контроль (без внесения удобрений); (ii) химическое удобрение (NPK); (iii) NPK с традиционными ингибиторами NBPT и DMPP (NPK+ND) и (iv) NPK с CCO (NPK+CCO).
Результаты показали, что обе обработки CCO и ND эффективно увеличили урожайность и сократили выбросы.
По сравнению с обработкой NPK обработка CCO значительно снизила выбросы NH 3, N 2 O и CO 2 на 11,4 %, 9,9 % и 12,8 % соответственно и увеличила поглощение CH 4 на 27,32 г на га .
Кроме того, обработка ND эффективно регулировала относительное обилие и структуру микробных сообществ, связанных с такими генами, как amoB , nirS и nisK.
Напротив, обработка CCO действовала более специфично на такие гены, как norB и nirD .
Добавка CCO значительно повлияла на целевые микроорганизмы, включая Nocardioides и Nitrospira, за счет повышения бактериальной обилия и усиления конкуренции в сообществе.
Следовательно, микробный метаболизм почвы, особенно денитрификация, был подавлен, что снизило выбросы парниковых газов и повысило урожайность кукурузы. Эти результаты дают ценную информацию для оценки механизмов удержания питательных веществ новыми ингибиторами и стратегий по смягчению парникового эффекта.
Проще говоря, CCO повышает урожайность кукурузы и сокращает выбросы парниковых газов; изменяет гены азота, принося пользу таким микробам, как Nocardioides и Nitrospira, улучшает здоровье почвы и способствует ее долгосрочной стабильности. Сопоставим с традиционными ингибиторами, но превосходит их по своей длительной эффективности в снижении выбросов NH 3 и парниковых газов.
Источник: Chinese Academy of Sciences. DOI: 10.1016/j.still.2025.106668
Авторы: Яцюнь Ли, Жуюань Лянь, Вэнью Ван, Кун Чжан, Чжи Цюань, Кай Лю, Цзинъюань Ли, Дунвэй Ли, Дайцзя Ли, Лили Чжан, Цзе Ли.