The nitrification inhibitor DMPP preferentially suppresses ammonia-oxidising bacteria and reduces nitric oxide emissions in an archaeal-dominated grassland soil

إن التربة تحت أقدامنا هي مصنع صاخب من الكيمياء غير المرئية، حيث تعمل باستمرار على تحويل المغذيات التي نضيفها إلى حقولنا إلى أشكال يمكن للنباتات استخدامها. وتعد عملية "النترتة" (nitrification) واحدة من أكثر العمليات حيوية التي تحدث في هذا العالم تحت الأرض، حيث تقوم كائنات مجهرية محددة بتحويل الأمونيوم، وهو شكل شائع من أشكال الأسمدة، إلى نترات. وبينما تغذي هذه العملية المحاصيل، فإن لها أثراً جانبياً أيضاً: وهو إطلاق غازات في الهواء. وهناك غازان تحديداً لهما أهمية خاصة؛ فأكسيد النيتروز هو غاز دفيئة قوي يحبس الحرارة في الغلاف الجوي، بينما يلعب أكسيد النتريك دوراً رئيسياً في تكوين الضباب الدخاني والمطر الحمضي، مما يؤثر على جودة الهواء وصحة الإنسان. ولعقود من الزمن، عرف العلماء أن نوعين مختلفين من الحياة المجهرية — البكتيريا والعتائق (archaea) — هما اللذان يقودان هذه العملية. وفي العديد من الترب الزراعية الحديثة، تكون العتائق أكثر عدداً بكثير، مما دفع الباحثين إلى افتراض أنها المحرك الرئيسي لانبعاثات الغازات. ومع ذلك، ظل الدور الدقيق للبكتيريا الأقل شيوعاً في إطلاق هذه الغازات المحددة لغزاً، مما ترك المزارعين والعلماء غير متأكدين من أفضل السبل لوقف هذه الانبعاثات دون الإضرار بنمو المحاصيل.

ولحل هذا اللغز، وجه فريق من الباحثين اهتمامهم إلى تربة عشبية في المملكة المتحدة حيث تفوق فيها عدد العتائق بوضوح على البكتيريا. وقد أقاموا تجربة محكومة لمراقبة ما يحدث عند إضافة اليوريا، وهو سماد نيتروجيني قياسي، إلى التربة. أرادوا معرفة ما إذا كانت العتائق المهيمنة أم البكتيريا النادرة هي المسؤولة عن إطلاق أكسيد النتريك وأكسيد النيتروز. ولاختبار ذلك، أدخلوا نوعين مختلفين من المثبطات الكيميائية، وهي مواد مصممة لإبطاء عملية النترتة. أحد هذه المثبطات، وهو مركب يسمى (DMPP)، معروف بكونه فعالاً بشكل خاص في استهداف البكتيريا. ومن خلال مقارنة التربة المعالجة بالسماد وحده مقابل التربة المعالجة بالسماد بالإضافة إلى المثبط، استطاع الفريق مراقبة أي من الميكروبات كان يقوم بالعمل الشاق فيما يتعلق بإنتاج الغاز. وقد راقبوا التربة باستمرار لمدة ثمانية وعشرين يوماً، حيث قاموا بقياس تدفق الغازات المتسربة من السطح وتتبع كيفية تغير مجتمعات هذه الكائنات المجهرية بمرور الوقت.

كشفت النتائج عن تحول مفاجئ في قصة كيمياء التربة. فبالرغم من أن العتائق كانت تشكل حوالي ثلثي مجتمع أكسدة الأمونيا في التربة، إلا أن البكتيريا كانت هي المسؤولة بشكل غير متناسب عن إطلاق أكسيد النتريك. وعندما طبق الباحثون مثبط (DMPP)، نجح في كبح مجتمع البكتيريا مع ترك العتائق دون مساس تقريباً. وقد أدى هذا العمل الانتقائي إلى انخفاض حاد في انبعاثات أكسيد النتريك، والتي انخفضت بنسبة تصل إلى خمسة وسبعين بالمائة في نقاط معينة خلال التجربة. إن حقيقة أن إيقاف البكتيريا تسبب في هذا الانخفاض الحاد في إنتاج الغاز، رغم أعدادها الصغيرة، تشير إلى أن هذه الميكروبات النادرة فعالة للغاية في إنتاج أكسيد النتريك. ويبدو أن البكتيريا تعمل كمصدر قوي وعالي الإنتاج لهذا الغاز، بينما تساهم العتائق الأكثر عدداً بشكل أقل بكثير في هذا الانبعاث المحدد.

كانت القصة مختلفة بالنسبة لأكسيد النيتروز. فبينما قلل مثبط (DMPP) من إطلاق هذا الغاز، كان التأثير أكثر تواضعاً، حيث تراوحت التخفيضات بين لا شيء تقريباً وحوالي سبعة وعشرين بالمائة. يسلط هذا الاختلاف الضوء على أن هذين الغازين يأتيان من مصادر ومسارات مختلفة داخل التربة. يبدو أن أكسيد النتريك مرتبط ارتباطاً وثيقاً بنشاط البكتيريا، لذا عندما تتباطأ البكتيريا، يتوقف الغاز. أما أكسيد النيتروز، فيتم إنتاجه من خلال مجموعة متنوعة من العمليات، بما في ذلك أنشطة العتائق وكائنات التربة الأخرى التي لم يوقفها المثبط. ولأن المثبط استهدف مجموعة محددة فقط، استمرت المسارات الأخرى في إطلاق أكسيد النيتروز، مما منع الإغلاق التام للانبعاثات. تشير هذه النتيجة إلى أن إدارة غاز واحد لا تحل تلقائياً مشكلة الآخر، حيث يتم توجيه كل منهما بواسطة آليات بيولوجية مختلفة.

كما أكدت الدراسة أن المثبط (DMPP) كان أكثر فعالية واستدامة من مثبط آخر شائع وهو "الديسياندياميد" (dicyandiamide). فقد احتفظت التربة المعالجة بـ (DMPP) بمزيد من نيتروجين السماد في شكل الأمونيوم لفترة أطول، وهو أمر مفيد للمحاصيل لأنه يعني أن النباتات لديها المزيد من الوقت لامتصاص المغذيات قبل أن تُفقد في الهواء أو تُجرف بعيداً. وهذا التحسن في الاحتفاظ بالنيتروجين، جنباً إلى جنب مع الخفض الكبير في أكسيد النتريك، يشير إلى ميزة واضحة لاستخدام هذا المثبط المحدد في الزراعة. ويظهر البحث أن مجرد عد عدد كل ميكروب موجود في التربة ليس كافياً للتنبؤ بالغازات التي سيتم إطلاقها. بدلاً من ذلك، يعد النشاط الوظيفي للبكتيريا الأقل شيوعاً هو المحرك الرئيسي لانبعاثات أكسيد النتريك. وتوفر هذه الرؤية هدفاً جديداً للمزارعين والعلماء: فمن خلال التركيز على كبح مسارات بكتيرية محددة، قد يكون من الممكن خفض تلوث أكسيد النتريك بشكل كبير دون التأثير بالضرورة على الغازات الأخرى، مما يؤدي إلى هواء أنقى واستخدام أكثر كفاءة للأسمدة.