Förbisedda mikroorganismer kan hjälpa till att bevara kväve i jordbruksmark

Mikrober som omvandlar växttillgängligt kväve i marken till gaser som försvinner upp i luften har stor betydelse för jordbruket, och klimatet. Men det finns även en förbisedd mikrobgrupp som bevarar kvävet i marken, s.k. ammonifierare. Nu har forskare från SLU kartlagt dessas utbredning och genetik. Forskarna hoppas att kunskap om vad som gynnar ammonifierare kan användas för att hushålla med kväve i jordbruket.

Kartläggningen av ammonifierarnas förekomst i markekosystem i olika världsdelar, och av deras genetiska förutsättningar att medverka i olika delar av kvävets kretslopp, har publicerats i tidskriften Nature Communications. Två av forskarna, Sara Hallin och Aurélien Saghaï, har även publicerat en artikel där de diskuterar förutsättningarna för att nitratammonifiering ska kunna utnyttjas för att öka hållbarheten i jordbruket, inklusive de utmaningar och kunskapsluckor som finns.

– Våra studier visar att de här mikroorganismerna är mer mångsidiga och har mer komplexa ekologiska roller i marken än man tidigare trott, säger Sara Hallin som har lett forskargruppen.

Två processer konkurrerar om nitrat i marken

Vissa mikroorganismer kan använda nitrat för att andas om det inte finns något syre, och det finns två mikrobiella processer som konkurrerar om detta nitrat, denitrifikation och ammonifiering. Denitrifiering leder till att kväve förloras i gasform, varav en del i form av växthusgasen lustgas, som också bryter ned ozon i stratosfären. Markens mikrobiella aktivitet bidrar med ungefär 60 procent av de totala lustgasutsläppen.

Ammonifiering genererar däremot bara små mängder lustgas och merparten av nitratet omvandlas i stället till ammonium som binds till jordpartiklar så att kvävet bevaras i marken. Detta är särskilt viktigt i åkermark, där stora mängder kväve tillförs vid gödsling.

En miljon arvsmassor genomsökta

Trots ammonifierarnas viktiga roll i marken har lite varit känt om dem. Vilken konkurrens finns mellan denitrifierare och ammonifierare? Den styr vad som händer med överskottet av nitrat i jorden. Och var hittar vi dem och vilken roll spelar de ute i naturen?

– Vi tittade på arvsmassan hos mer än en miljon bakterier och arkéer för att kartlägga mångfalden bland ammonifierarna. Nästan hälften av de ca 1300 unika arvsmassorna som bar på gener för ammonifiering bar också gener för denitrifikation, och många kan producera lustgas. Tidigare trodde vi att ammonifierare som kan denitrifiera var ovanliga. Nu har vi ett paradigmskifte som öppnar ett nytt forskningsfält, berättar Aurélien Saghaï, studiens huvudförfattare.

Dagens jordbruksmetoder skapar förhållanden som ger kväveförluster

Forskargruppen analyserade också nästan 2000 jordprover från en rad olika typer av miljöer runt om i världen, som till exempel gräsmarker, skogar, öknar och jordbruksmark. De flesta jordar visade sig ha lägre kapacitet för ammonifiering än för denitrifikation.

Ammonifierare upptäcktes i alla jordar, men de var bara avlägset besläktade med dem som hittills har odlats i labb. Ammonifierare fanns särskilt rikligt i jordbruksmark och runt grödors rötter, men det fanns ännu fler denitrifierande mikroorganismer. Undantaget var tundrajordar, där ammonifierare verkar ha en fördel framför denitrifierare.

– I jordbruksmark var skillnaden mellan mängden denitrifierare och ammonifierare minst dubbelt så stor som i andra markmiljöer. Det betyder att de jordbruksmetoder vi använder idag skapar förhållanden som ger kväveförluster från marken. En förbättrad kvävehantering i jordbruket är alltså nyckeln för att hålla kvar kvävet i marken, säger Aurélien Saghaï.

Mer forskning om de viktiga ammonifierarna på gång

– Nu behöver vi mer forskning för att se om vi kan utnyttja den här processen för ett hållbart jordbruk, och hur det i så fall skulle kunna gå till. Vi behöver veta om ammonifieringen producerar tillräckligt med ammonium för att vara relevant i odlingssystemen. Vi behöver också veta mer om ammonifierarnas bidrag till lustgasutsläppen, säger Sara Hallin.

I nya projekt finansierade av Vetenskapsrådet och Formas ska forskargruppen nu undersöka detta. Dessutom ska de ta reda på om grödornas egenskaper kan styra konkurrensen om nitrat mot ammonifiering vid rötterna och om grödor i så fall kan förädlas för att locka till sig fler ammonifierare.

Kontaktpersoner

Dr Aurelien Saghaï (svarar på frågor på engelska)
Institutionen för skoglig mykologi och växtpatologi
Sveriges lantbruksuniversitet, Uppsala
072-871 46 75, 018-67 15 75, aurelien.saghai@slu.se
https://www.slu.se/en/ew-cv/aurelien-saghai/

Professor Sara Hallin
Institutionen för skoglig mykologi och växtpatologi
Sveriges lantbruksuniversitet, Uppsala
070-251 51 07, 018-67 32 09, sara.hallin@slu.se
https://www.slu.se/en/ew-cv/sara-hallin/

De vetenskapliga artiklarna

Saghaï, A, Pold, G, Jones, CM, Hallin, S. 2023. Phyloecology of nitrate ammonifiers and their importance relative to denitrifiers in global terrestrial biomes. Nature Communications, 14:8249. https://www.nature.com/articles/s41467-023-44022-3

Hallin, S., Saghaï, A. 2023. Can nitrate reducing ammonifiers increase nitrogen retention in soil and support ammonium-based cropping systems? Journal of Sustainable Agriculture and Environment, 2:541-545. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sae2.12073

Pressbilder

(Får publiceras fritt i anslutning till artiklar om denna nyhet. Klicka för högupplöst bild. Fotograf ska anges.)

(vinjettbilden) Mikroorganismer som omvandlar nitrat till växttillgängligt ammonium är särskilt vanliga i åkermark, men där finns samtidigt ännu fler mikroorganismer som omvandlar nitrat till gaser som försvinner från marken. Nu söker forskarna sätt att gynna ammonifierarna, så att mer kväve kommer grödorna till godo. Foto: Jenny Svennås-Gillner

Ammonifierare hittades i alla typer av jordar, men det är bara i tundrajordar som de tycks ha en fördel framför denitrifierare. Foto: Sara Hallin