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

Der Boden unter unseren Füßen ist eine geschäftige Fabrik unsichtbarer Chemie, die ständig die Nährstoffe, die wir unseren Feldern hinzufügen, in Formen umwandelt, die Pflanzen nutzen können. Einer der kritischsten Prozesse in dieser unterirdischen Welt ist die Nitrifikation, bei der spezifische Mikroben Ammonium, eine gängige Form von Düngemittel, in Nitrat umwandeln. Während diese Umwandlung zwar die Nutzpflanzen ernährt, hat sie auch einen Nebeneffekt: Sie setzt Gase in die Luft frei. Zwei dieser Gase sind dabei besonders wichtig. Distickstoffmonoxid (Lachgas) ist ein starkes Treibhausgas, das Wärme in der Atmosphäre einschließt, während Stickstoffmonoxid eine große Rolle bei der Bildung von Smog und saurem Regen spielt, was die Luftqualität und die menschliche Gesundheit beeinflusst. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass zwei verschiedene Arten von mikroskopischem Leben – Bakterien und Archaeen – diesen Prozess vorantreiben. In vielen modernen landwirtschaftlichen Böden sind die Archaeen weitaus zahlreicher, was Forscher zu der Annahme führte, dass sie die primären Treiber der Gasemissionen sind. Die genaue Rolle der weniger häufig vorkommenden Bakterien bei der Freisetzung dieser spezifischen Gase blieb jedoch ein Rätsel, was Landwirte und Wissenschaftler gleichermaßen ratlos zurückließ, wie sie diese Emissionen stoppen können, ohne das Pflanzenwachstum zu beeinträchtigen.

Um dieses Rätsel zu lösen, wandte ein Forscherteam seine Aufmerksamkeit auf einen Graslandboden im Vereinigten Königreich, in dem die Archaeen die Bakterien deutlich überwiegen. Sie richteten ein kontrolliertes Experiment ein, um zu beobachten, was geschah, wenn sie Harnstoff, einen Standard-Stickstoffdünger, dem Boden hinzufügten. Sie wollten sehen, ob die dominierenden Archaeen oder die seltenen Bakterien für die Freisetzung von Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid verantwortlich waren. Um dies zu testen, führten sie zwei verschiedene chemische Inhibitoren ein, Substanzen, die darauf ausgelegt sind, den Prozess der Nitrifikation zu verlangsamen. Einer dieser Inhibitoren, eine Verbindung namens DMPP, ist dafür bekannt, besonders effektiv darin zu sein, die Bakterien gezielt anzugreifen. Durch den Vergleich von Boden, der nur mit Dünger behandelt wurde, mit Boden, der mit Dünger plus dem Inhibitor behandelt wurde, konnte das Team beobachten, welche Mikroben die Hauptarbeit bei der Gasproduktion leisteten. Sie überwachten den Boden kontinuierlich über einen Zeitraum von achtundzwanzig Tagen, wobei sie den Fluss der aus der Oberfläche entweichenden Gase maßen und die Veränderungen der Populationen dieser mikroskopischen Gemeinschaften im Laufe der Zeit verfolgten.

Die Ergebnisse enthüllten eine überraschende Wendung in der Geschichte der Bodenchemie. Obwohl die Archaeen etwa zwei Drittel der ammoniakoxidierenden Gemeinschaft im Boden ausmachten, waren es die Bakterien, die unverhältnismäßig stark für die Freisetzung von Stickstoffmonoxid verantwortlich waren. Als die Forscher den Inhibitor DMPP anwendeten, unterdrückte dieser erfolgreich die Population der Bakterien, während die Archaeen weitgehend unberührt blieben. Diese selektive Wirkung führte zu einem dramatischen Rückgang der Stickstoffmonoxid-Emissionen, die an bestimmten Punkten während des Experiments um bis zu siebzig Prozent sanken. Die Tatsache, dass das Stoppen der Bakterien zu einem solch starken Rückgang der Gasabgabe führte, trotz ihrer geringen Anzahl, deutet darauf hin, dass diese seltenen Mikroben hocheffizient bei der Produktion von Stickstoffmonoxid sind. Es scheint, dass die Bakterien als eine potente, hochproduktive Quelle dieses Gases fungieren, während die zahlreicheren Archaeen wesentlich weniger zu dieser spezifischen Emission beitragen.

Die Geschichte war beim Distickstoffmonoxid anders. Obwohl der DMPP-Inhibitor die Freisetzung dieses Gases reduzierte, war der Effekt viel bescheidener, mit Reduktionen, die von fast gar nichts bis zu etwa siebenundzwanzig Prozent reichten. Dieser Unterschied verdeutlicht, dass die beiden Gase aus unterschiedlichen Quellen und Pfaden im Boden stammen. Stickstoffmonoxid scheint eng mit der Aktivität der Bakterien verknüpft zu sein; wenn die Bakterien verlangsamt werden, stoppt das Gas. Distickstoffmonoxid hingegen wird durch eine Vielzahl verschiedener Prozesse erzeugt, einschließlich der Aktivitäten von Archaeen und anderen Bodenorganismen, die der Inhibitor nicht stoppte. Da der Inhibitor nur eine spezifische Gruppe ins Visier nahm, setzten die anderen Pfade weiterhin Distickstoffmonoxid frei, was eine vollständige Einstellung der Emissionen verhinderte. Dieser Befund legt nahe, dass die Steuerung eines Gases nicht automatisch das Problem des anderen löst, da sie durch unterschiedliche biologische Mechanismen angetrieben werden.

Die Studie bestätigte auch, dass der Inhibitor DMPP effektiver und länger anhaltend war als ein anderer gebräuchlicher Inhibitor, Dicyandiamid. Der mit DMPP behandelte Boden hielt den Stickstoff des Düngers in seiner Ammoniumform über einen längeren Zeitraum fest, was für Nutzpflanzen vorteilhaft ist, da die Pflanzen mehr Zeit haben, die Nährstoffe aufzunehmen, bevor sie an die Luft verloren gehen oder weggeschwemmt werden. Diese verbesserte Stickstoffretention, kombiniert mit der signifikanten Reduzierung von Stickstoffmonoxid, deutet auf einen klaren Vorteil für den Einsatz dieses spezifischen Inhibitors in der Landwirtschaft hin. Die Forschung zeigt, dass es nicht ausreicht, lediglich zu zählen, wie viele jeder Art von Mikroben im Boden vorhanden sind, um vorherzusagen, welche Gase freigesetzt werden. Stattdessen ist die funktionelle Aktivität der weniger häufigen Bakterien der entscheidende Treiber für die Stickstoffmonoxid-Emissionen. Diese Erkenntnis bietet den Landwirten und Wissenschaftlern ein neues Ziel: Indem man sich auf die Unterdrückung dieser spezifischen bakteriellen Pfade konzentriert, kann es möglich sein, die Stickstoffmonoxid-Verschmutzung drastisch zu senken, ohne notwendigerweise die anderen Gase zu beeinflussen, was zu saubererer Luft und einer effizienteren Nutzung von Düngemitteln führt.