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

Il suolo sotto i nostri piedi è una fabbrica frenetica di chimica invisibile, che trasforma costantemente i nutrienti che aggiungiamo ai nostri campi in forme che le piante possono utilizzare. Uno dei processi più critici che avvengono in questo mondo sotterraneo è la nitrificazione, in cui specifici microbi trasformano l'ammonio, una forma comune di fertilizzante, in nitrato. Sebbene questa trasformazione nutra le colture, ha anche un effetto collaterale: rilascia gas nell'aria. Due di questi gas sono particolarmente importanti. L'ossido di diazoto è un potente gas serra che intrappola il calore nell'atmosfera, mentre l'ossido nitrico gioca un ruolo fondamentale nella formazione dello smog e delle piogge acide, influenzando la qualità dell'aria e la salute umana. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che due diversi tipi di vita microscopica — batteri e archei — guidano questo processo. In molti terreni agricoli moderni, gli archei sono molto più numerosi, portando i ricercatori a presumere che siano i principali responsabili delle emissioni di gas. Tuttavia, il ruolo esatto dei meno comuni batteri nel rilascio di questi gas specifici è rimasto un mistero, lasciando agricoltori e scienziati nell'incertezza su come ridurre al meglio queste emissioni senza danneggiare la crescita delle colture.

Per risolvere questo enigma, un team di ricercatori ha rivolto la sua attenzione a un terreno prativo nel Regno Uncreto dove gli archei superano chiaramente i batteri. Hanno allestito un esperimento controllato per osservare cosa accadesse quando aggiungevano urea, un fertilizzante azotato standard, al terreno. Volevano vedere se gli archei dominanti o i rari batteri fossero i responsabili del rilascio di ossido nitrico e ossido di diazoto. Per testare questo, hanno introdotto due diversi inibitori chimici, sostanze progettate per rallentare il processo di nitrificazione. Uno di questi inibitori, un composto chiamato DMPP, è noto per essere particolarmente efficace nel colpire i batteri. Confrontando il terreno trattato solo con fertilizzante rispetto al terreno trattato con fertilizzante più l'inibitore, il team ha potuto osservare quali microbi stessero compiendo il lavoro pesante in termini di produzione di gas. Hanno monitorato il suolo continuamente per ventotto giorni, misurando il flusso di gas che usciva dalla superficie e tracciando come cambiavano nel tempo le popolazioni di queste comunità microscopiche.

I risultati hanno rivelato un colpo di scena sorprendente nella storia della chimica del suolo. Nonostante gli archei costituissero circa due terzi della comunità che ossida l'ammoniaca nel terreno, i batteri erano quelli sproporzionatamente responsabili del rilascio di ossido nitrico. Quando i ricercatori hanno applicato l'inibitore DMPP, questo ha soppresso con successo la popolazione di batteri lasciando gli archei ampiamente intatti. Questa azione selettiva ha portato a un drastico calo delle emissioni di ossido nitrico, che sono diminuite fino al settanta per cento in determinati punti durante l'esperimento. Il fatto che fermare i batteri abbia causato un calo così netto della produzione di gas, nonostante il loro numero ridotto, suggerisce che questi microbi rari siano altamente efficienti nella produzione di ossido nitrico. Sembra che i batteri agiscano come una fonte potente e ad alta resa di questo gas, mentre gli archei, pur essendo più numerosi, contribuiscono molto meno a questa specifica emissione.

La storia era diversa per l'ossido di diazoto. Sebbene l'inibitore DMPP abbia ridotto il rilascio di questo gas, l'effetto è stato molto più modesto, con riduzioni che variavano da quasi nulla a circa il ventisette per cento. Questa differenza evidenzia che i due gas provengono da fonti e percorsi differenti all'interno del suolo. L'ossido nitrico sembra essere strettamente legato all'attività dei batteri, quindi quando i batteri vengono rallentati, il gas si ferma. L'ossido di diazoto, tuttavia, è prodotto da una varietà più ampia di processi, incluse le attività degli archei e di altri organismi del suolo che l'inibitore non ha bloccato. Poiché l'inibitore ha preso di mira solo un gruppo specifico, gli altri percorsi hanno continuato a rilasciare ossido di diazoto, impedendo un totale spegnimento delle emissioni. Questa scoperta suggerisce che gestire un gas non risolve automaticamente il problema dell'altro, poiché sono guidati da meccanismi biologici differenti.

Lo studio ha anche confermato che l'inibitore DMPP era più efficace e duraturo di un altro inibitore comune, la dicandiamide. Il terreno trattato con DMPP ha trattenuto una maggiore quantità di azoto del fertilizzante nella sua forma di ammonio per un periodo più lungo, il che è benefico per le colture poiché significa che le piante hanno più tempo per assorbire i nutrienti prima che vadano persi nell'aria o vengano lavati via. Questa migliore ritenzione dell'azoto, combinata con la significativa riduzione dell'ossido nitrico, indica un chiaro vantaggio nell'uso di questo specifico inibitore in agricoltura. La ricerca dimostra che contare semplicemente quanti di ciascun microbo sono presenti nel suolo non è sufficiente per prevedere quali gas verranno rilasciati. Invece, l'attività funzionale dei meno comuni batteri è il driver chiave per le emissioni di ossido nitrico. Questa intuizione offre un nuovo obiettivo per agricoltori e scienziati: concentrandosi sulla soppressione di questi specifici percorsi batterici, potrebbe essere possibile tagliare drasticamente l'inquinamento da ossido nitrico senza necessariamente influenzare gli altri gas, portando a un'aria più pulita e a un uso più efficiente del fertilizzante.