土壤氮的根源

的人口是如此的力量比地球的力量生产自给,过早死亡必须在某些形状或其他访问人类。所以写道英国经济学家托马斯•马尔萨斯在1798年他的影响力的文章,展示他的观点为什么线性增长的粮食供应无法跟上人口的几何增长。

你可以想象,他会惊讶地发现肥胖作为世界的挑战在200年之后,尽管全球人口增加近10倍。

这对食品供应的需求才可能满足由于。哈勃-博施方法商业化在1910年由弗里茨·哈伯(德国巴斯夫(BASF)和卡尔·博世,这种能源密集型的反应将氮和氢转化为氨,可利用氮对植物的一个重要来源。据估计当前作物生产只能维持目前世界上一半的人口没有以这种方式产生的合成化肥。

这种能力,被巴斯夫描述为“面包从空气”,严重的环境代价的。氨的生产肥料约占世界上1%的能源消耗。一旦应用于现场,大约一半的全球使用的氮肥对环境失去了。更糟的是,一些丢失的一氧化二氮,N₂啊,一种强效温室气体对气候的影响,进一步的化合物。

我们如何调整土壤过程,植物会使大部分的化肥吗?

氮也会渗进水道以硝酸盐的形式。这引起的藻类大量繁殖,饿死水中的氧气,杀死鱼类。有成百上千的缺氧的“死区”在沿海水域,其中最大的是60000公里²波罗的海。

土壤中硝酸盐泄漏的问题是一个很大的问题在欧盟层面上,一些国家有重大问题,“Herve Vanderschuren说,生物科学教授从KU比利时鲁汶工程。

繁殖性状

解决这些问题并不简单:禁止合成化肥会导致全球粮食短缺。然而,使用生物过程可用在本质上可以提高植物的效率利用氮。

这个难题练习玛丽亚埃尔南德斯,约翰英纳斯中心的土壤科学家在诺维奇,英国。“我们如何调整土壤过程,植物会使大部分的化肥吗?这每一分钱的化肥我们进入屈服,也不会去污染环境,”她说。

氮损失的根源之一是土壤中的微生物,如细菌亚硝化单胞菌。这些化能无机营养物使用酶氧化成硝酸盐,铵为他们提供能量。为了减少损失,农民和化肥制造商试图减缓这一过程,使氮以氨的形式。离子的正电荷帮助它持续的时间会更长,土壤中的植物更多的时间把它。这样做的一个方法是通过添加化肥合成硝化抑制剂,广泛应用。然而,一些抑制剂已经停止使用,因为环境毒性。

“你不想完全抑制过程因为积累铵也是有风险的。植物生长不可能因为植物需要两种形式(氮),”赫尔南德斯说。合成(抑制剂)的风险,也有可能太强劲,是为其他细菌在土壤中有毒,你不想伤害。

当小麦育种公司正在改善,例如,他们只是提供氮然后选择表现最好的

虽然手动管理这个过程是一个微妙的平衡,幸运的是大自然给了我们一个头开始。植物可以通过分泌物质影响土壤中细菌的活动称为渗出液。有些植物的分泌物含有生物硝化抑制剂,或bni减缓微生物转化为铵。虽然仍有很多了解这个过程是如何工作的,植物似乎产生更多的研究会有高水平的土壤中铵。

四五年前,我们开始看到小麦。这很重要,因为它是一个作物,”赫尔南德斯说。“问题是,这只是一个品种,很少有这种感觉。”她现在试图在老品种的小麦识别基因负责硝化抑制剂,可以培育成商业品种。她是波斯与现代小麦和小麦杂交监测对硝酸细菌和可用的影响。

商业开发的小麦品种一直精心提炼对农民产生最大的收益,Vanderschuren说。相比之下,生产bni的能力就不会被注意。肯定,这不是特征随着时间的推移被选择。当小麦育种公司正在改善,例如,他们管理这一以非常传统的方式。他们只是提供氮-铵硝酸盐情节,然后选择表现最好的,”他说。

如果环境问题、法规使用氮肥的增加,然而,可能需要新的作物品种,以适应环境。这个点子是有先例:当担忧杀虫剂和杀菌剂使用增长在1990年代末,它提供了激励引入新的抗病性状的作物。

抓住作物

添加BNI小麦可能会减少肥料浪费生产能力,但它仍然是只有一个作物。另一种方法与bni种子领域更广泛地使用作物。之前在春天播种庄稼,农民往往会抓住种植量提高土壤在冬天。这些作物帮助防止水土流失,但是他们可以在减少硝化作用中发挥作用。

Vanderschuren正致力于一个项目与合作伙伴在欧洲识别植物可以生产总值和了解如果他们能提高土壤受精。想法是,农民可以播种这些植物捕捉作物保持可用的土壤中氮和防止它迷路进入水道或大气。

与捕捉作物释放BNI的化合物,这个想法是创造一种缓慢的硝化环境土壤中[…]因为这个渗出物已经发布了整个冬天和春天的开始,”塞西尔说Thonar,列日大学的植物学家,比利时人与Vanderschuren合作。

毫无疑问少努力赶上作物育种和特征

不仅这些抓农作物可以帮助在土壤中的氮已经锁定,但他们可以变成有机肥料与天然硝化抑制剂。的假设是,这些研究会的化合物也在地上生产组织,“Thonar说。我们想看我们是否能从这抓作物产生一种堆肥和铵含量是否有机材料也可以保存或者维持更长一段内存在的BNI组织。”

这种方法的优点之一是,它还可以帮助有机农业。氮损失对环境也是一个问题为有机化肥,特别是泥浆和肥料,富含氮。有机认证,但是,农民不能用化学抑制剂,所以将受益于最自然存在的生物机制。有越来越多的用于有机农业的趋势。有一个社会的浓厚兴趣,所以这些问题只会进一步增加在未来,Vanderschuren说。

虽然谷类作物已经密集调整改善它们的属性,抓住作物得到的关注要少得多。如果你想赶上作物,那里绝对是省力的育种和特征,你可以想象这是一个巨大的潜在的如果你能确定需要改进的特征用于农业,“Vanderschuren说。

在他们的搜索,Vanderschuren和Thonar将检查种质收集发现植物有效的硝化抑制剂。它甚至可能是杂草,它不需要是一个有用的作物,”Vanderschuren说。我们建立了bio-assays对硝化细菌有效衡量这些分泌物。我们现在所有的分析工具来评估特征,可能被忽视了。”

透明的土壤

然而,植物只是一半的方程。细菌是在所有这些隐藏的伙伴。通过基因测序的土壤样本,Thonar可以监视硝化细菌的人口规模和有机肥料添加合成抑制剂的影响。“我们已经看到,在抑制剂的存在,人口的规模确实减少了,”她说。

抓住作物,小组计划调查土壤细菌的生物抑制剂的影响。而亚硝化单胞菌在硝化细菌的一个主要研究,一些物种目前已知的贡献。”还有许多其他细菌,我们刚刚描述的也参与氮循环,”赫尔南德斯说。但问题是,我们一直非常关注只有少数(物种)。我们只是学习,因为看着土壤微生物告诉我们更多,根分泌物产生巨大的影响。

莱昂内尔Dupuy称:"现在工厂环境研究员巴斯克Neiker研究所科学基金会在西班牙,也是细菌的行为感兴趣。很难看到微生物作为一种物种做一件事,另一种类型的物种做另一件事——这是一个非常复杂的网络互动,”他说。当你挖土壤,你失去了所有的这些相互作用发生。

Dupuy称:"现在正在开发新技术,使土壤科学家研究这些交互,而不需要一个镘刀。他是制造塑料粒子,可以作为一种透明的土壤,使荧光细菌的研究在不影响脆弱的结构。土壤的主要挑战做一个透明的不透明度。否则,我们只会用玻璃珠。这是材料的折射率是非常接近水,”他说。

此外,塑料需要类似的化学性质,土壤颗粒,包括允许矿物离子附着在表面,亲水。聚四氟乙烯有正确的折射率,但它是著名的疏水性。然而,通过化学修改它成立,Dupuy称:"现在已成功使用它在他的透明的土壤。

虽然在一致性描述为土壤,它更像沙子,他说:“现在,有这么小的土壤,我们乐意与沙工作。(农业土壤)在未来就可以完成,但很多工作。”

植绒像鸟

将荧光蛋白基因加入感兴趣的细菌,Dupuy称:"现在和他的团队可以按照他们的动作通过透明的土壤。他们可以建立一个三维重建与一种名为纸张显微技术,它利用激光产生一层很薄的光创造的光学等效截面切片同时保留原状。“我们正在取得惊人的观察微生物在土壤中迁移的,”他说。“我们看到微生物表现得像一群飞鸟。

Dupuy称:"现在是特别感兴趣的细菌生活在根和他们如何与植物和彼此互动。我们想了解是什么让微生物在根如果是有益的(微生物)。因为土壤是竞争激烈;已经有大量的微生物。所以如何保持正确的类型的微生物?Dupuy称:"现在说。

我们看到微生物表现得像一群小鸟

虽然基因测序使得它容易识别细菌存在,它仍然是一个巨大的挑战来预测这将生存和保持。的我们根本不了解哪些细菌在土壤与作物,”Dupuy称:"现在说。

市面上一些微生物甚至卖供农民使用。所谓biofertilisers可以包含真菌和细菌修复氮、磷和氮溶解,或改善植物的健康。但是Dupuy称:"现在说这些biofertilisers并不广泛使用。的一个主要原因是,它有点难以预测。在某些情况下,它会工作,在其他一些情况下行不通。这是一个问题对于一个农民;他想确保他会有提高产量。”

我们无法预测,我们无法理解,因此我们无法控制。这是一个拥有生物肥料的主要限制。

数据开花

全球使用氮和燃烧化石燃料释放二氧化碳进入大气。这些元素随处可见,但是被困在一种限制他们改变周围环境的能力。大气氮从三键解锁大量免费让它深刻变化的生态系统。

这是一个非常有力的论点说生物多样性是非常重要的

正如改善能源效率导致减少化石燃料的使用,帮助作物氮肥的使用最大化应该减少对环境的影响。幸运的是,这些工具可以在大自然已经给了我们一个头开始,现在我们知道去哪里看。

我认为这是一个非常有力的论点说生物多样性是非常重要的,因为它可能是在10年的时间,我们发现另一个非常有趣的特质有关的土壤和根,我们还需要促进和这可能是在遗传学在植物种质资源收集,Vanderschuren说。

秩序井然的,研究植物遗传学库贝尔形成鲜明对比,加深了我们对微生物在土壤中。这两种方法可能是互补的,然而;开发新的植物特征可以帮助改善氮利用效率在不久的将来,而我们的微生物知识的快速增长提供了希望的下一个大的进步以避免马尔萨斯陷阱。

出来的信息的数量是蓬勃发展。在某种程度上,我们不知道如何处理它。这几乎是太多,”Dupuy称:"现在说。我们不能抓住它,但是有一种感觉,是在这里被发现的东西。”

是一个基于科学作家伊恩Le Guillou统计在巴黎,法国