คุณไม่รู้หรอกว่าคุณต้องการแบคทีเรียเหล่านี้มากแค่ไหน

หากไม่มีแบคทีเรียตรึงไนโตรเจน เราคงแย่แน่

โดย เอริน เฟนเนสซี | UPDATED 5 ต.ค. 2021 12:58 น.

ศาสตร์

มือของคนถือต้นไม้เล็ก ๆ ที่งอกออกมาจากดิน

แบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในดินคือวิธีที่เราทุกคนมีชีวิตอยู่ ridofranz ผ่านการฝากรูปภาพ

แบคทีเรียถูกประเมินต่ำเกินไป ตั้งแต่การทำฟาร์มไปจนถึงการปรุงแต่งกลิ่นรส จุลินทรีย์เหล่านี้มีความสำคัญในแบบที่คุณอาจไม่เคยรู้มาก่อน มีอีกสามเรื่องในซีรีส์นี้เกี่ยวกับการฟื้นฟูศิลปะ บทบาทของอี. โคไลในด้านชีววิทยาและการแพทย์ และจุลินทรีย์ที่ทำน้ำส้มสายชู

สิ่งมีชีวิตทั้งหมดต้องการไนโตรเจนเพื่อความอยู่รอด 

องค์ประกอบดังกล่าวสร้างโครงสร้างของโปรตีนที่ทำให้เรามีชีวิตอยู่และ DNA ที่กำหนดรหัสสำหรับพวกมัน โชคดีที่สิ่งเหล่านั้นอยู่รอบตัวเราเช่นกัน ซึ่งคิดเป็นร้อยละ 78 ของชั้นบรรยากาศโลก แต่มีสิ่งที่จับได้: สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ไม่สามารถใช้ไนโตรเจนที่พบในอากาศได้

โมเลกุลของก๊าซไนโตรเจนประกอบด้วยไนโตรเจนสองอะตอมที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะสามชนิด ซึ่งเป็นพันธะเคมีชนิดที่แรงที่สุด ต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการทำลาย และสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ไม่มีเครื่องมือที่จะตัดมันเอง

ดังนั้น สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่จึงขึ้นอยู่กับจุลินทรีย์กลุ่มหนึ่ง นั่นคือ แบคทีเรียตรึงไนโตรเจน

ไดอาโซโทรฟเหล่านี้เรียกว่าใช้โมเลกุลของก๊าซไนโตรเจนและ “แก้ไข” องค์ประกอบที่สำคัญลงในแอมโมเนีย NH3 ซึ่งสิ่งมีชีวิตอื่นสามารถใช้ได้ เอ็นไซม์ที่เรียกว่าไนโตรเจนเนสช่วยให้พวกมันทำการเปลี่ยนแปลงนี้ แม้ว่ามันจะยังต้องการพลังงานที่ป้อนเข้ามามากมาย

ไดอะโซโทรฟบางชนิดใช้อินทรียวัตถุในดินเพื่อเติมเชื้อเพลิงไนโตรเจน อื่น ๆ สร้างความสัมพันธ์ที่เป็นประโยชน์ร่วมกันกับพืชบางชนิด พืชมีจุดสำหรับแบคทีเรียที่จะเกาะอยู่บนรากของมัน เสียสละคาร์บอนบางส่วนเพื่อเลี้ยงจุลินทรีย์ และในทางกลับกันจะได้รับไนโตรเจนที่สม่ำเสมอ

หากปราศจากการกระทำตามธรรมชาติของไดอะโซโทรฟไม่ว่าจะอยู่ในดินหรือในความสัมพันธ์โดยตรง พืชป่าจะไม่มีไนโตรเจนเพียงพอสำหรับการอยู่รอด การพึ่งพาอาศัยกันนี้ส่งผลต่อห่วงโซ่อาหารทั้งหมด: พืชโปรตีนที่ผลิตโดยใช้ไนโตรเจนคงที่จะถูกใช้โดยสัตว์กินพืช ซึ่งจะทำให้โปรตีนนี้แก่สัตว์กินเนื้อ

แต่เมื่อความต้องการผลิตภัณฑ์ทางการเกษตรของโลกเพิ่มขึ้น สารอาหารที่จำเป็นในการปลูกพืชผลทั้งหมดของเราก็แซงหน้าอัตราที่แบคทีเรียสามารถเสริมสร้างดินได้มาก ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 มนุษยชาติต้องการวิธีการตรึงไนโตรเจนอย่างเร่งด่วน

กระบวนการของ Haber-Bosch คือวิธีแก้ปัญหา

 นักเคมี Fritz Haber และ Carl Bosch ได้คิดค้นวิธีการรวมไนโตรเจนและก๊าซไฮโดรเจนที่ความดันและอุณหภูมิสูง การแยกพันธะไนโตรเจน และทำให้อะตอมอิสระสามารถหลอมรวมกลับเป็นแอมโมเนียได้

ทุกวันนี้ กระบวนการผลิตของ Haber-Bosch ผลิตแอมโมเนียได้ประมาณ 160 ล้านเมตริกตันทุกปี ส่วนใหญ่กลายเป็นปุ๋ย เนื่องจาก 50% ของแหล่งอาหารของโลกขึ้นอยู่กับปุ๋ยที่มีแอมโมเนีย

[ที่เกี่ยวข้อง: สงครามแบคทีเรียกำลังโหมกระหน่ำในดิน และทำให้ระบบนิเวศสมบูรณ์]

นอกจากนี้ยังรับผิดชอบ 1 ถึง 1.5 เปอร์เซ็นต์ของการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทั่วโลกทุกปี ซึ่งเป็นสาเหตุที่นักวิจัยบางคนกำลังค้นหาวิธีการที่จะกลับไปใช้วิธีการตรึงทางชีวภาพ แทนที่จะต้องพึ่งพาการผลิตปุ๋ยในปริมาณมากต่อไป

หนทางหนึ่งที่อาจเป็นไปได้คือการเพาะพันธุ์แบคทีเรียให้ “สำส่อน” มากขึ้น ทำให้พวกมันไม่จู้จี้จุกจิกเกี่ยวกับการเลือกคู่พืชของพวกเขา Manish Raizada นักวิจัยด้านการเกษตรที่มหาวิทยาลัย Guelph ในแคนาดาอธิบาย “มีโอกาสที่จะทำให้ [แบคทีเรีย] เข้ากันได้กับโฮสต์พืชมากขึ้น” เขากล่าว “เราจะเรียกสายพันธุ์หัวกะทิเหล่านี้ และสายพันธุ์ชั้นยอดเหล่านี้ได้รับการอบรมเพื่อการคัดเลือกและการเพาะพันธุ์แบบดั้งเดิม ซึ่งไม่ใช่ GMOs”

จุลินทรีย์ยังสามารถปรับเปลี่ยนเพื่อผลิตไนโตรเจนคงที่มากขึ้นสำหรับโฮสต์ของพวกมัน เนื่องจากค่าใช้จ่ายด้านพลังงานสูงมาก แบคทีเรียตรึงไนโตรเจนจำนวนมากจะปิดตัวลงหากตรวจพบแอมโมเนียในดินเพียงพอ นักวิจัยได้ตั้งเป้าหมายการวนรอบความคิดเห็นเชิงลบนี้เพื่อให้เครื่องจักรเคลื่อนที่นั้นทำงานแม้ในสภาวะที่อุดมด้วยแอมโมเนียผ่านการดัดแปลงทางพันธุกรรม

แม้ว่าการอยู่ร่วมกันของพืชตระกูลถั่วกับไดอาโซโทรฟจะพบได้บ่อยในพืชตระกูลถั่ว เช่น ถั่วเหลือง แต่ก็มีหลักฐานเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ที่บ่งชี้ว่าแบคทีเรียเข้ากันได้กับพืชที่ไม่ใช่พืชตระกูลถั่ว เช่น ข้าวโพด ข้าวโพดพื้นเมืองหลากหลายชนิดที่ปลูกโดยชาวเซียร์ราผสมทางตอนใต้ของเม็กซิโก เช่น กีฬา “รากอากาศ” ที่บรรจุอยู่ในถุงน้ำมูกที่มีแบคทีเรียตรึงไนโตรเจนและน้ำตาลเป็นอาหาร นักวิจัยกำลังพยายามถ่ายทอดลักษณะนี้ไปยังข้าวโพดธรรมดาที่เติบโตอย่างรวดเร็ว โดยไม่สูญเสียผลผลิต

ในตระกูลเดียวกับข้าวโพด แบคทีเรียตรึงไนโตรเจนยังเติมลำต้นของอ้อยและให้ไนโตรเจน 60 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ที่พืชแต่ละต้นบริโภค เป็นผลให้อ้อยเป็นแหล่งไบโอเอทานอลที่ยั่งยืนมากกว่าข้าวโพดเนื่องจากต้องใช้ปุ๋ยน้อยกว่าในการเติบโต Raizada กล่าว

ด้วยการดัดแปลงที่เป็นไปได้ทั้งหมดเหล่านี้ นักวิจัยกำลังทดลองด้วยการเพิ่มไดอาโซโทรฟหนึ่งหรือหลายสายพันธุ์ลงในดินเพื่อเพิ่มปริมาณไนโตรเจน Lise LeBlanc ผู้ก่อตั้ง LP Consulting ในเมือง Nova Scotia ประเทศแคนาดา ซึ่งเชี่ยวชาญด้านการวิจัยและเชื่อมโยงเกษตรกร อธิบาย ทางเลือกของขยะสู่ทรัพยากรอย่างยั่งยืน

แบคทีเรียที่ตรึงไนโตรเจนและจุลินทรีย์ในดินที่ทำงานหนักอื่นๆ จำเป็นต้องได้รับอาหารเพื่อที่จะจัดหาวัสดุธาตุที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช เกษตรกรต้องจัดหาพันธมิตรจุลินทรีย์ของตนด้วยแหล่งของชีวมวลคาร์บอนเพื่อให้พวกเขาได้รับพลังงาน และขยะอุตสาหกรรมเป็นจุดเริ่มต้นที่ดี LP Consulting ของ LeBlanc เชื่อมโยงเกษตรกรกับพันธมิตรอุตสาหกรรมที่ต้องการกำจัดของเสียที่อุดมด้วยชีวมวล เธอบอกว่าทีมของเธอทำงานกับขี้เถ้าไม้ สารชีวภาพ และของเสียตั้งแต่การผลิตกระดาษจนถึงปัจจุบัน

เลอบลังและทีมงานของเธอยังทำงานร่วมกับเกษตรกรเพื่อให้แน่ใจว่าพวกเขามีทรัพยากรที่จะใช้ของเสียอย่างเหมาะสมเพื่อประโยชน์ของตน การเทสารอาหารลงในแปลงเพียงอย่างเดียวไม่ได้ช่วยอะไรหากเกษตรกรไม่ทราบวิธีการแจกจ่ายและบำรุงรักษาปุ๋ยที่นำกลับมาใช้ใหม่อย่างเหมาะสม

แม้จะมีอาหารเพียงพอ แต่การใช้แบคทีเรียที่ทำให้ดินอุดมสมบูรณ์ก็ยังน่าเชื่อถือน้อยกว่าปุ๋ยเคมี แบคทีเรียยังไวต่อการเปลี่ยนแปลงของ pH และอุณหภูมิ ซึ่งแตกต่างกันอย่างมากในฟิลด์เดียว ดังนั้นผลลัพธ์มักไม่สอดคล้องกัน ระยะทางที่สั้นเพียง 1 เซนติเมตรสามารถแยกจักรวาลดินที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง Raizada อธิบาย

Credit : themutteringmuse.com eltinterocolectivo.com washingtoninternsgonebad.com westernpacifictravel.com