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

हमारे पैरों के नीचे की मिट्टी अदृश्य रसायन विज्ञान की एक हलचल भरी फैक्ट्री है, जो हमारे खेतों में डाले गए पोषक तत्वों को लगातार उन रूपों में बदलती रहती है जिनका पौधे उपयोग कर सकें। इस भूमिगत दुनिया में होने वाली सबसे महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं में से एक नाइट्रीफिकेशन (nitrification) है, जहाँ विशिष्ट सूक्ष्मजीव अमोनियम (जो कि एक सामान्य उर्वरक है) को नाइट्रेट में बदल देते हैं। हालाँकि यह परिवर्तन फसलों का पोषण करता है, लेकिन इसका एक दुष्प्रभाव भी है: यह हवा में गैसें छोड़ता है। ये दो गैसें विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं। नाइट्रस ऑक्साइड एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस है जो वायुमंडल में गर्मी को रोक लेती है, जबकि नाइट्रिक ऑक्साइड स्मॉग और अम्लीय वर्षा (acid rain) बनाने में प्रमुख भूमिका निभाता है, जो वायु गुणवत्ता और मानव स्वास्थ्य को प्रभावित करता है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि दो अलग-अलग प्रकार के सूक्ष्म जीव—बैक्टीरिया (जीवाणु) और आर्किया (archaea)—इस प्रक्रिया को संचालित करते हैं। कई आधुनिक कृषि मृदाओं में, आर्किया बहुत अधिक संख्या में होते हैं, जिससे शोधकर्ताओं ने यह मान लिया था कि वे गैस उत्सर्जन के प्राथमिक चालक हैं। हालाँकि, इन विशिष्ट गैसों को छोड़ने में कम संख्या वाले बैक्टीरिया की सटीक भूमिका एक रहस्य बनी रही, जिससे किसान और वैज्ञानिक इस बात को लेकर अनिश्चित रहे कि फसल वृद्धि को नुकसान पहुँचाए बिना इन उत्सर्जनों को कैसे रोका जाए।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने यूनाइटेड किंगडम की एक घास के मैदान वाली मिट्टी की ओर ध्यान केंद्रित किया जहाँ आर्किया स्पष्ट रूप से बैक्टीरिया से अधिक संख्या में थे। उन्होंने एक नियंत्रित प्रयोग स्थापित किया ताकि यह देखा जा सके कि जब मिट्टी में यूरिया (एक मानक नाइट्रोजन उर्वरक) मिलाया जाता है तो क्या होता है। वे यह देखना चाहते थे कि नाइट्रिक ऑक्साइड और नाइट्रस ऑक्साइड के उत्सर्जन के लिए प्रमुख आर्किया जिम्मेदार थे या दुर्लभ बैक्टीरिया। इसका परीक्षण करने के लिए, उन्होंने दो अलग-अलग रासायनिक अवरोधकों (inhibitors) को पेश किया, जो नाइट्रीफिकेशन की प्रक्रिया को धीमा करने के लिए डिज़ाइन किए गए पदार्थ हैं। इनमें से एक अवरोधक, DMPP नामक यौगिक, ज्ञात है कि विशेष रूप से बैक्टीरिया को लक्षित करने में प्रभावी है। केवल उर्वरक से उपचारित मिट्टी की तुलना उर्वरक और अवरोधक दोनों से उपचारित मिट्टी से करके, टीम यह देख सकती थी कि गैस उत्पादन के मामले में कौन से सूक्ष्मजीव भारी काम कर रहे थे। उन्होंने बीस여 आठ दिनों तक मिट्टी की निरंतर निगरानी की, सतह से निकलने वाली गैसों के प्रवाह को मापा और सूक्ष्मजीव समुदायों की आबादी में समय के साथ होने वाले बदलावों को ट्रैक किया।

परिणामों ने मिट्टी के रसायन विज्ञान की कहानी में एक आश्चर्यजनक मोड़ प्रकट किया। भले ही आर्किया मिट्टी के अमोनिया-ऑक्सीकरण समुदाय का लगभग दो-तिहाई हिस्सा थे, लेकिन बैक्टीरिया ही नाइट्रिक ऑक्साइड छोड़ने के लिए असमान रूप से जिम्मेदार थे। जब शोधकर्ताओं ने DMPP अवरोधक का प्रयोग किया, तो इसने बैक्टीरिया की आबादी को सफलतापूर्वक दबा दिया जबकि आर्किया को काफी हद तक अप्रभावित छोड़ दिया। इस चयनात्मक कार्रवाई के कारण नाइट्रिक ऑक्साइड के उत्सर्जन में भारी गिरावट आई, जो प्रयोग के कुछ बिंदुओं पर मामूली रूप से नहीं बल्कि पिच सत्ताह प्रतिशत तक गिर गया। यह तथ्य कि बैक्टीरिया को रोकने से गैस उत्पादन में इतनी तीव्र गिरावट आई, उनके कम संख्या होने के बावजूद, यह सुझाव देता है कि ये दुर्लभ सूक्ष्मजीव नाइट्रिक ऑक्साइड बनाने में अत्यधिक कुशल हैं। ऐसा प्रतीत होता है कि बैक्टीरिया इस गैस के एक शक्तिशाली, उच्च-आउटपुट स्रोत के रूप में कार्य करते हैं, जबकि अधिक संख्या वाले आर्किया इस विशिष्ट उत्सर्जन में बहुत कम योगदान देते हैं।

नाइटस ऑक्साइड के लिए कहानी अलग थी। हालाँकि DMPP अवरोधक ने इस गैस के उत्सर्जन को कम किया, लेकिन इसका प्रभाव बहुत मामूली था, जिसमें कमी लगभग शून्य से लेकर लगभग सत्ताईस प्रतिशत तक रही। यह अंतर इस बात को रेखांकित करता है कि दोनों गैसें मिट्टी के भीतर अलग-अलग स्रोतों और मार्गों से आती हैं। नाइट्रिक ऑक्साइड बैक्टीरिया की गतिविधि से गहराई से जुड़ा हुआ लगता है, इसलिए जब बैक्टीरिया की गति धीमी होती है, तो गैस रुक जाती है। हालाँकि, नाइट्रस ऑक्साइड विभिन्न प्रकार की प्रक्रियाओं द्वारा निर्मित होता है, जिसमें आर्किया और अन्य मृदा जीवों की गतिविधियाँ शामिल हैं जिन्हें अवरोधक ने नहीं रोका। क्योंकि अवरोधक ने केवल एक विशिष्ट समूह को लक्षित किया था, अन्य मार्गों ने नाइट्रस ऑक्साइड छोड़ना जारी रखा, जिससे कुल उत्सर्जन को पूरी तरह से बंद होने से रोका जा सका। यह निष्कर्ष बताता है कि एक गैस का प्रबंधन करने से स्वतः ही दूसरी समस्या हल नहीं हो जाती, क्योंकि वे अलग-अलग जैविक तंत्रों द्वारा संचालित होती हैं।

अध्ययन ने यह भी पुष्टि की कि अवरोधक DMPP, दूसरे सामान्य अवरोधक, डायसाइएंडियामाइड (dicyandiamide) की तुलना में अधिक प्रभावी और लंबे समय तक चलने वाला था। DMPP से उपचारित मिट्टी ने अपने अमोनियम रूप में उर्वरक नाइट्रोजन को लंबे समय तक बनाए रखा, जो फसलों के लिए फायदेमंद है क्योंकि इसका अर्थ है कि पौधों के पास पोषक तत्वों को हवा में खोने या बह जाने से पहले अवशोषित करने के लिए अधिक समय होता है। इस बेहतर नाइट्रोजन प्रतिधारण (retention), नाइट्रिक ऑक्साइड में महत्वपूर्ण कमी के साथ मिलकर, खेती में इस विशिष्ट अवरोधक के उपयोग के लिए एक स्पष्ट लाभ की ओर संकेत करता है। अनुसंधान यह प्रदर्शित करता है कि मिट्टी में प्रत्येक सूक्ष्मजीव की संख्या गिनना ही यह अनुमान लगाने के लिए पर्याप्त नहीं है कि कौन सी गैसें छोड़ी जाएंगी। इसके बजाय, कम सामान्य बैक्टीरिया की कार्यात्मक गतिविधि नाइट्रिक ऑक्साइड उत्सर्जन के लिए मुख्य चालक है। यह अंतर्दृष्टि किसानों और वैज्ञानिकों को एक नया लक्ष्य प्रदान करती है: इन विशिष्ट बैक्टीरियल मार्गों को दबाने पर ध्यान केंद्रित करके, संभवतः नाइट्रिक ऑक्साइड प्रदूषण को नाटकीय रूप से कम किया जा सकता है, बिना अन्य गैसों को प्रभावित किए, जिससे स्वच्छ हवा और उर्वरक का अधिक कुशल उपयोग सुनिश्चित हो सके।