I contributi dei batteri ossidanti l'ammoniaca e degli archaea alla nitrificazione

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 19928 (2022) Citare questo articolo

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Si ritiene che la nitrificazione sia uno dei processi primari di emissione di N2O nel sistema agroecologico, che è controllato dai microbi del suolo e regolato principalmente dal pH del suolo, dal contenuto di ossigeno e dalla disponibilità di NH4+. Studi precedenti hanno dimostrato che i contributi relativi dei batteri ossidanti l’ammoniaca (AOB) e degli archaea (AOA) alla produzione di N2O variavano con il pH del suolo, tuttavia, non c’è ancora consenso sul meccanismo di regolazione della produzione di N2O derivata dalla nitrificazione in base al pH del suolo. In questo studio, 1-ottano (un inibitore selettivo di AOB) e acetilene (un inibitore di AOB e AOA) sono stati utilizzati in un esperimento di incubazione nel microcosmo per differenziare il contributo relativo di AOA e AOB alle emissioni di N2O in un ambiente neutro (pH = 6,75). ) e un terreno alcalino (pH = 8,35). Abbiamo scoperto che l'emendamento dell'ammonio (NH4+) ha stimolato in modo evidente la produzione di N2O correlato ad AOA e AOB e ha aumentato l'abbondanza del gene dell'ammoniaca monoossigenasi (AMO) di AOA e AOB nei due terreni test. Tra questi, l’AOB ha dominato il processo di ossidazione dell’ammoniaca nel terreno alcalino, contribuendo per il 70,8% alla produzione di N2O derivata dalla nitrificazione. Al contrario, il contributo di AOA e AOB rappresentavano rispettivamente circa un terzo dell’N2O correlato alla nitrificazione nel terreno acido. I risultati hanno indicato che il pH era un fattore chiave per modificare l’abbondanza e l’attività di AOA e AOB, il che ha portato alla differenziazione della derivazione della produzione di N2O nei terreni viola. Ipotizziamo che sia il contenuto di NH4+ che il pH del suolo abbiano mediato la specializzazione dei microrganismi che ossidano l'ammoniaca insieme; e sia i risultati della specializzazione che la resa di N2O hanno portato a diverse caratteristiche di emissione di N2O nei suoli viola. Questi risultati potrebbero aiutare a orientare lo sviluppo di strategie di riduzione di N2O in futuro.

L'N2O è un gas serra in traccia con un potenziale di riscaldamento 265 volte superiore a quello della CO2 (su una scala di 100 anni) nell'atmosfera e agisce riducendo l'ozono stratosferico1. Nel 2015 la concentrazione globale di N2O nell’atmosfera era pari a 328,8 ppb, con un aumento del 21% a partire dalla rivoluzione industriale2. Secondo le attuali proiezioni, le emissioni sostenute al ritmo attuale risulteranno in aumento di un altro 18% fino al 20303. Il suolo agricolo fertilizzato è un punto caldo per le emissioni consistenti di N2O nell’atmosfera, che rappresentano circa il 60% delle emissioni atmosferiche globali di N2O4. Tuttavia, la crescente domanda di cibo, zootecnia ed energia da biomassa accompagnerà inevitabilmente la continua applicazione di fertilizzanti chimici. Pertanto, è particolarmente importante comprendere il meccanismo responsabile della produzione di N2O dal terreno fertilizzato per trovare misure ottimali per regolare le emissioni di N2O per l’agricoltura sostenibile.

Negli agroecosistemi, l’N2O è prodotto mediante nitrificazione e denitrificazione condotta dai microrganismi del suolo5,6, e anche alcuni processi abiotici contribuiscono in piccola parte ad esso7. La nitrificazione è il principale processo di produzione di N2O con un adeguato contenuto di ossigeno nel suolo. L'ossidazione dell'ammoniaca (ovvero l'ossidazione di NH3 a NO2−, tramite il prodotto intermedio NH2OH) è considerata la fase primaria e limitante la velocità della nitrificazione. Sia gli archaea ossidanti l'ammoniaca (AOA) che i batteri ossidanti l'ammoniaca (AOB) hanno il potenziale genetico per l'ossidazione dell'ammoniaca che causa la produzione di N2O8,9. AOB potrebbe produrre N2O che funge da intermedio mediante l'ossidazione incompleta di NH2OH a NO10, o regolando la denitrificazione del nitrificatore della riduzione di NO2− a NO e N2O11. Al contrario, l’N2O prodotto dall’AOA è attribuibile a molteplici processi convenzionalmente rilevati nelle colture pure e di arricchimento, ma ad oggi non c’erano prove chiare a sostegno della produzione di N2O mediante la reazione catalitica enzimatica dell’AOA nei suoli12. Inoltre, gli ossidanti completi dell'ammoniaca (comammox) recentemente scoperti e diffusi, che agiscono come una delle associazioni funzionali ossidanti dell'ammoniaca, costituiscono ancora incertezze sull'influenza sulle emissioni di N2O, sebbene alcuni studi suggeriscano che svolgano un ruolo minore rispetto all'AOB13,14.