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

De bodem onder onze voeten is een bruisende fabriek van onzichtbare chemie, die voortdurend de voedingsstoffen die we aan onze velden toevoegen omzet in vormen die planten kunnen gebruiken. Een van de meest cruciale processen die zich afspelen in deze ondergrondse wereld is nitrificatie, waarbij specifieke microben ammonium, een veelvoorkomende vorm van meststof, omzetten in nitraat. Hoewel deze transformatie gewassen voedt, heeft het ook een bijeffect: het laat gassen in de lucht vrij. Twee van deze gassen zijn bijzonder belangrijk. Lachgas (stikstofoxide) is een krachtig broeikasgas dat warmte in de atmosfeer vasthoudt, terwijl stikstofmonoxide (nitric oxide) een belangrijke rol speelt bij de vorming van smog en zure regen, wat de luchtkwaliteit en de menselijke gezondheid beïnvloedt. Decennialang wisten wetenschappers dat twee verschillende soorten microscopisch leven — bacteriën en archaea — dit proces aansturen. In veel moderne landbouwgronden zijn de archaea veel talrijker, wat heeft geleid tot de aanname van onderzoekers dat zij de primaire drijvers zijn van gasemissies. Echter, de exacte rol van de minder voorkomende bacteriën bij het vrijkomen van deze specifieke gassen is een mysterie gebleven, waardoor boeren en wetenschappers er niet zeker van waren hoe ze deze emissies het beste konden stoppen zonder de gewasgroei te schaden.

Om dit puzzelstuk op te lossen, richtte een team van onderzoekers zijn aandacht op een graslandbodem in het Verenigd Koninkrijk waar de archaea duidelijk de overhand hebben op de bacteriën. Ze zetten een gecontroleerd experiment op om te kijken wat er gebeurde wanneer ze ureum, een standaard stikstofmeststof, aan de bodem toevoegden. Ze wilden zien of de dominante archaea of de zeldzame bacteriën verantwoordelijk waren voor de vrijgave van stikstofmonoxide en lachgas. Om dit te testen, introduceerden ze twee verschillende chemische inhibitoren, stoffen die ontworpen zijn om het nitrificatieproces te vertragen. Een van deze inhibitoren, een verbinding genaamd DMPP, staat erom bekend bijzonder effectief te zijn in het gericht aanpakken van de bacteriën. Door de bodem die alleen met meststof werd behandeld te vergelijken met de bodem die met zowel meststof als de inhibitor werd behandeld, kon het team observeren welke microben het zware werk verrichtten bij de gasproductie. Ze monitorden de bodem continu gedurende achttien dagen, waarbij ze de stroom van gassen die het oppervlak ontsnapten maten en de populaties van deze microscopische gemeenschappen in de loop van de tijd volgden.

De resultaten onthulden een verrassende wending in het verhaal van de bodemchemie. Hoewel de archaea ongeveer twee derde van de ammoniak-oxiderende gemeenschap in de bodem vormden, waren het de bacteriën die evenredig verantwoordelijk waren voor de vrijgave van stikstofmonoxide. Toen de onderzoekers de DMPP-inhibitor toepasten, onderdrukte deze succesvol de populatie van de bacteriën, terwijl de archaea grotendeels onaangetast bleven. Deze selectieve werking leidde tot een dramatische daling van de stikstofmonoxide-emissies, die op bepaalde punten tijdens het experiment met wel zeventig vijf procent daalden. Het feit dat het stoppen van de bacteriën een dergelijke scherpe daling in gasuitstoot veroorzaakte, ondanks hun kleine aantallen, suggereert dat deze zeldzame microben zeer efficiënt zijn in het produceren van stikstofmonoxide. Het lijkt erop dat de bacteriën fungeren als een krachtige, hoogproductieve bron van dit gas, terwijl de meer talrijke archaea veel minder bijdragen aan deze specifieke emissie.

Het verhaal was anders voor lachgas. Hoewel de DMPP-inhibitor de vrijgave van dit gas verminderde, was het effect veel bescheidener, met reducties variërend van bijna niets tot ongeveer zevenentwintig procent. Dit verschil benadrukt dat de twee gassen afkomstig zijn van verschillende bronnen en paden binnen de bodem. Stikstofmonoxide lijkt nauw verbonden te zijn met de activiteit van de bacteriën; wanneer de bacteriën worden vertraagd, stopt het gas. Lachgas wordt echter geproduceerd door een breder scala aan processen, inclusief activiteiten van de archaea en andere organismen in de bodem die de inhibitor niet tegenhield. Omdat de inhibitor slechts één specifieke groep aanpakte, gingen de andere paden door met het vrijgeven van lachgas, wat een totale stopzetting van de emissies voorkwam. Dit inzicht suggereert dat het beheren van het ene gas niet automatisch het probleem van het andere oplost, aangezien ze door verschillende biologische mechanismen worden gedreven.

De studie bevestigde ook dat de inhibitor DMPP effectiever en langduriger was dan een andere veelvoorkomende inhibitor, dicyandiamide. De bodem die met DMPP werd behandeld, hield meer van de stikstof uit de meststof in de vorm van ammonium vast gedurende een langere periode, wat gunstig is voor gewassen omdat dit betekent dat de planten meer tijd hebben om de voedingsstoffen op te nemen voordat ze verloren gaan aan de lucht of wegspoelen. Deze verbeterde retentie van stikstof, gecombineerd met de significante vermindering van stikstofmonoxide, wijst op een duidelijk voordeel voor het gebruik van deze specifieke inhibitor in de landbouw. Het onderzoek toont aan dat het simpelweg tellen hoeveel van elk microbe aanwezig is in de bodem niet voldoende is om te voorspellen welke gassen vrijkomen. In plaats daarvan is de functionele activiteit van de minder voorkomende bacteriën de belangrijkste drijfveer voor de stikstofmonoxide-emissies. Dit inzicht biedt een nieuw doelwit voor boeren en wetenschappers: door de focus te leggen op het onderdrukken van deze specifieke bacteriële paden, kan het mogelijk zijn om de stikstofmonoxidevervuiling drastisch te verminderen zonder noodzakelijkerwijs de andere gassen te beïnvloeden, wat leidt tot een schonere lucht en een efficiënter gebruik van meststoffen.