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

私たちの足元の土壌は、目に見えない化学反応が絶え間なく行われている活気ある工場であり、農地に投入された栄養素を植物が利用できる形態へと常に変化させています。この地下の世界で起きている最も重要なプロセスの一つが硝化作用であり、そこでは特定の微生物が、一般的な肥料であるアンモニウムを硝酸塩へと変えています。この変化は作物を育てる一方で、副作用も伴います。それは、空気中へとガスを放出することです。これらの中で特に重要なガスが2つあります。一酸化窒素は、大気中に熱を閉じ込める強力な温室効果ガスであり、二酸化窒素は、空気の質や人間の健康に影響を与えるスモッグや酸性雨の形成において主要な役割を果たします。数十年にわたり、科学者たちは、細菌（バクテリア）と古細菌（アーキア）という2種類の異なる微生物がこのプロセスを動かしていることを知っていました。多くの現代的な農業用土壌では、古細菌の方がはるかに数が多いため、研究者たちは彼らがガス放出の主な要因であると考えてきました。しかし、より数の少ない細菌がこれらの特定のガスを放出する正確な役割については謎のまま残されており、農家や科学者は、作物の成長を損なうことなく、どのようにしてこれらの排出を食い止めるのが最善の方法なのか確信を持てずにいました。

このパズルを解くために、研究チームは、古細菌が明らかに細菌を圧倒的に上回るイギリスの草原の土壌に注目しました。彼らは、尿素（標準的な窒素肥料）を土壌に添加したときに何が起こるかを観察するための制御された実験を設定しました。彼らは、優占種である古細菌と、希少な細菌のどちらが一酸化窒素と一酸化二窒素の放出に責任を持っているのかを知りたいと考えました。これをテストするために、彼らは硝化プロセスを遅らせるように設計された2種類の化学的阻害剤、すなわち物質を導入しました。DMPPと呼ばれる化合物の一つは、特に細菌を標的にすることに効果的であることで知られています。肥料のみを添加した土壌と、肥料に阻害剤を加えて添加した土壌を比較することで、チームは、どの微生物がガス生成において主導的な役割を果たしているのかを観察することができました。彼らは、地表から逃げるガスの流れを測定し、微生物コミュニティの個体数が時間の経過とともにどのように変化するかを追跡しながら、28日間にわたって土壌を継続的に監視しました。

結果は、土壌化学の物語における驚くべき展開を明らかにしました。古細菌が土壌中のアンモニア酸化コミュニティの約3分の2を占めていたにもかかわらず、一酸化窒素の放出に不釣り合いなほど大きな責任を負っていたのは細菌でした。研究者がDMPP阻害剤を適用した際、それは古細菌にはほとんど影響を与えずに、細菌の個体数を抑制することに成功しました。この選択的な作用により、一酸化窒素の排出量は劇的に減少し、実験中の特定の時点では最大75パーセントも減少しました。細菌を止めることが、その少ない数にもかかわらず、ガス出力の急激な低下を引き起こしたという事実は、これらの希少な微生物が、一酸化窒素を生成する上で非常に効率的であることを示唆しています。細菌は、このガスの強力で高出力な供給源として機能している一方で、より数が多い古細菌はこの特定の排出にはあまり貢献していないようです。

一酸化二窒素については、物語は異なっていました。DMPP阻害剤は、このガスの放出を減少させましたが、その効果ははるかに緩やかであり、ほとんどゼロに近いものから約27パーセントの減少にとどまりました。この違いは、これら2つのガスが土壌内の異なる供給源と経路から来ていることを浮き彫りにしています。一酸化窒素は細菌の活動と密接に関連しているため、細菌の活動が抑制されると、ガスは止まります。しかし、一酸化二窒素は、古細菌やその他の土壌生物の活動を含む、より幅広いプロセスによって生成されます。阻害剤は特定のグループのみを標的にしたため、他の経路が引き続き一酸化二窒素を放出し続け、完全な停止を防いだのです。この発見は、一つのガスを管理しても、それらが異なる生物学的メカニズムによって駆動されているため、自動的にもう一つの問題が解決されるわけではないことを示唆しています。

また、この研究は、阻害剤DMPPがもう一つの一般的な阻害剤であるジシアンジアミドよりも効果的で持続性が高いことも確認しました。DMPPで処理された土壌は、肥料の窒素をアンモニウムの形でより長い期間保持することができ、これは植物が空気中に失われたり洗い流されたりする前に栄養素を吸収する時間をより長く持てることを意味するため、作物にとって有益です。この窒素保持力の向上は、一酸化窒素の大幅な削減と相まって、農業におけるこの特定の阻害剤の使用における明確な利点を示しています。この研究は、土壌にそれぞれの微生物がどれだけ存在するかを単に数えるだけでは、どのようなガスが放出されるかを予測するには不十分であることを実証しています。むしろ、より数の少ない細菌の機能的な活動こそが、一酸化窒素放出の主要な要因なのです。この洞察は、農家や科学者に新たなターゲットを提供します。つまり、これらの特定の細菌の経路を抑制することに焦点を当てることで、必ずしも他のガスに影響を与えることなく、一酸化窒素による汚染を劇的に削減し、よりクリーンな空気とより効率的な肥料利用を実現できる可能性があるのです。