Vi khuẩn giúp giảm lượng khí thải nitơ oxit trong nông nghiệp?

STNN - Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Trung tâm Khoa học Hệ thống Môi trường và Vi sinh vật (CeMESS) tại Đại học Vienna dẫn đầu đã phát hiện ra rằng vi khuẩn comammox, lần đầu tiên được họ xác định vào năm 2015, có thể phát triển bằng cách sử dụng chất guanidine - một hợp chất hữu cơ giàu nitơ, làm nguồn năng lượng và nitơ duy nhất của chúng.

• Phát hiện cơ chế ức chế phân tử trong vi khuẩn phá hủy chuối

Khả năng độc đáo này mở ra những con đường mới cho việc nuôi cấy có mục tiêu các vi khuẩn bí ẩn này và cũng có thể cung cấp chìa khóa để giảm phát thải nitơ oxit trong nông nghiệp. Các phát hiện nghiên cứu gần đây đã được công bố dưới dạng một bài báo trên tạp chí Nature.

Nitrat hóa, quá trình chuyển đổi amoniac thông qua nitrit thành nitrat, được thực hiện bởi các vi sinh vật chuyên biệt gọi là vi khuẩn nitrat hóa. Quá trình này cực kỳ quan trọng đối với chu trình nitơ sinh địa hóa toàn cầu trong hầu hết mọi hệ sinh thái, nhưng nó đóng vai trò chưa rõ ràng trong sự thay đổi toàn cầu. Một mặt, quá trình nitrat hóa góp phần phát thải khí nhà kính mạnh và chất làm suy giảm tầng ôzôn là nitơ oxit và dẫn đến tình trạng mất phân bón nghiêm trọng trong nông nghiệp. Mặt khác, quá trình nitrat hóa là bước thanh lọc sinh học không thể thiếu để loại bỏ chất dinh dưỡng còn tồn tại trong các nhà máy xử lý nước thải để bảo vệ các vùng nước khỏi lượng nitơ dư thừa từ nước thải. Các tác giả nghiên cứu hiện đã tìm ra cách có thể thúc đẩy vi khuẩn nitrat hóa trong môi trường thải ra ít nitơ oxit hơn.

Vi khuẩn nitrat hóa "xanh"

Vi khuẩn Comammox được coi là vi khuẩn nitrat hóa "xanh" vì không giống như nhiều vi khuẩn nitrat hóa khác, chúng chỉ tạo ra một lượng nhỏ nitơ oxit như một sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất và loại bỏ hiệu quả các hợp chất nitơ khỏi nước thải trong các nhà máy xử lý. Kể từ khi phát hiện ra vi khuẩn nitrat hóa vào thế kỷ 19, người ta cho rằng các vi sinh vật này chỉ có thể hô hấp amoniac và urê. Năm 2015, các nhóm nghiên cứu do Michael Wagner và Holger Daims đứng đầu đã chứng minh rằng một số vi khuẩn nitrat hóa cũng có thể sử dụng xyanat không ổn định về mặt hóa học để chuyển hóa năng lượng. "Trong bài báo mới công bố, nhóm của chúng tôi hiện đã chỉ ra rằng vi khuẩn comammox cũng có thể phát triển với chất nền không thông thường là guanidine. Vi khuẩn comammox sử dụng chất vận chuyển và enzyme, được chúng tôi mô tả chi tiết về cấu trúc và chức năng, cho phép chúng sản xuất amoni từ guanidine theo cách tiết kiệm năng lượng cao bên trong tế bào." - Marton Palatinszky, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, giải thích.

Guanidine là sản phẩm chuyển hóa của vi sinh vật và thực vật. Người ta biết rất ít về vai trò của nó trong quá trình chuyển hóa của con người và động vật. Nó được hình thành trong đất trong quá trình phân hủy các chất phụ gia phân bón tổng hợp và trong nước thải trong quá trình phân hủy thuốc metformin thường dùng. Tuy nhiên, người ta biết rất ít về sự phân bố và quá trình xử lý tiếp theo của guanidine trong môi trường. Nhóm nghiên cứu quốc tế, bao gồm các nhà vi sinh vật học từ Trung tâm nghiên cứu môi trường Helmholtz ở Leipzig; Đức và Đại học Aalborg ở Đan Mạch, đã chứng minh rằng guanidine không chỉ có trong nước tiểu của con người mà còn có trong chất thải của gia súc. Vi khuẩn comammox sử dụng guanidine trong các nhà máy xử lý nước thải. Họ cũng chỉ ra rằng guanidine được chuyển hóa bởi các vi khuẩn nitrat hóa trong đất nông nghiệp.

Cơ hội mới cho việc nuôi cấy và giảm thiểu oxit nitơ

Các nhà vi sinh vật học tại Vienna hiện đang cố gắng làm giàu và phân lập vi khuẩn comammox phổ biến từ các mẫu môi trường bằng cách sử dụng guanidine, vì hiện chỉ có một chủng vi khuẩn có thể nuôi cấy tinh khiết trên toàn thế giới. "Điều này có vẻ đặc biệt hứa hẹn vì không có chủng vi khuẩn nitrat hóa nào khác mà chúng tôi đã thử nghiệm có thể phát triển với guanidine là nguồn năng lượng và nitơ duy nhất", Katharina Kitzinger, Nhà khoa học cao cấp tại CeMESS giải thích. Nhóm nghiên cứu cũng muốn tìm hiểu xem việc thêm guanidine vào phân bón nông nghiệp có thể làm tăng số lượng vi khuẩn comammox trong đất canh tác hay không, do đó làm giảm lượng khí thải oxit nitơ trong nông nghiệp.

"Công trình này sẽ không thể thực hiện được nếu không có sự hợp tác chặt chẽ của nhiều nhà nghiên cứu tham gia vào Nhóm nghiên cứu xuất sắc Microbiomes Drive Planetary Health. Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quỹ khoa học Áo (FWF) vì sự hỗ trợ đặc biệt này", trưởng nhóm nghiên cứu Michael Wagner cho biết.

https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240814124425.htm

Nguyên Hương