Чому класичні моделі циклів азоту застаріли: відкриття органічного азоту

Вступ: чому цикл азоту має таке важливе значення

Цикл азоту є одним із найважливіших понять в екології та сільському господарстві. Він пояснює, як азот переміщується міжатмосферою, ґрунтом, рослинами та мікроорганізмами. Зазвичай у підручниках показано, що азот проходить через низку неорганічних форм — амоній, нітрат, нітрит — перш ніж рослини можуть його засвоїти.

Однак останні відкриття показали, що цей спрощений цикл є неповним. Завдяки новаторським дослідженням шведського вченого Торгні Нешольма, лауреата премії імені Маркуса Валленберга, ми тепер знаємо, що рослини можуть поглинати органічний азот безпосередньо з ґрунту у вигляді амінокислот, таких як гліцин та аргінін.

Це змінює наше уявлення про родючість ґрунту, моделювання екосистем і навіть про стале сільське господарство.

Які помилки містяться в підручниках щодо азоту

Майже в кожному підручнику з біології чи сільського господарства цикл азоту описується так:

1. Мікроорганізми перетворюють атмосферний азот на амоній.

2. В результаті нітрифікації амоній перетворюється на нітрат.

3. Рослини засвоюють азот лише у вигляді нітратів або амонію.

4. Денитрифікуючі мікроорганізми повертають атмосферний азот назад в атмосферу.

Чого бракує? Органічного азоту. Протягом десятиліть вважалося, що рослини не можуть безпосередньо засвоювати амінокислоти і що їм доводиться чекати, поки мікроорганізми «мінералізують» органічну речовину до неорганічних форм.

Відкриття Нешольма: рослини безпосередньо засвоюють амінокислоти

Нешольм та його колеги спростували цю гіпотезу за допомогою витончених досліджень із використанням індикаторів. Вводячи ізотопно мічені амінокислоти в ґрунти бореальних лісів, вони продемонстрували:

• Дерева поглинули щонайменше 42 % міченого гліцину в незміненому вигляді.

• Трави поглинули 64 %.

• Кущі поглинули 91 %.

Це продемонструвало, що рослини можуть поглинати амінокислоти безпосередньо, без їх мінералізації. Пізніші дослідження підтвердили поглинання інших амінокислот, зокрема аргініну, у різних екосистемах. Поглинання аргініну коренями є набагато вищим порівняно з іншими амінокислотами. Це улюблене джерело органічного азоту для рослин.

Це відкриття довело, що традиційна модель циклу азоту була неповною і що в підручниках не враховувався один із основних шляхів обміну азотом.

Чому це важливо для науки та сільського господарства

1. Моделювання екосистем

Поглинання органічного азоту змінює підхід до моделювання потоків поживних речовин у лісах, луках та сільськогосподарських ґрунтах. Рослини та мікроорганізми не лише конкурують за неорганічний азот, а й ділять між собою або змагаються за амінокислоти.

2. Сільське господарство та ефективність використання добрив

Соя та інші бобові культури отримують азот завдяки утворенню бульбочок. Високі дози синтетичних добрив гальмують утворення бульбочок. Однак добрива на основі амінокислот, такі як препарати аргініну (наприклад, Arevo®), постачають азот у немікробній, неконкурентній формі, яку рослини можуть засвоювати, не порушуючи при цьому активність бульбочок.

3. Стійкість до зміни клімату

У сухих ґрунтах рухливість нітратів знижується, а мікробна мінералізація сповільнюється. Поглинання органічного азоту дає рослинам можливість отримувати стабільне джерело азоту навіть вумовах посухи, що підвищує їхню стійкість.

Оновлена модель циклу азоту

Сучасний цикл азоту повинен включати:

• Шляхи атмосферної фіксації → амоній → нітрати (класичний варіант).

• Симбіотичне фіксування азоту бобовими культурами.

• Запас органічного азоту (амінокислоти, пептиди).

• Пряме засвоєння амінокислот рослинами, минаючи стадію мінералізації.

Ця оновлена концепція відображає справжню складність взаємодій між ґрунтом, рослинами та мікроорганізмами та визнає відкриття Нешольма, яке змінило парадигму.

Поширені запитання щодо оновленого циклу азоту

1. Чи всі рослини безпосередньо засвоюють амінокислоти?
   Так, дані свідчать про те, що амінокислоти засвоюються деревами, травами, чагарниками та сільськогосподарськими культурами, хоча ефективність цього процесу варіюється.

2. Чому раніше про це не згадували в підручниках?
   Ця концепція не набула широкого визнання, доки експерименти з індикаторами у 1990-х роках не надали відповідних доказів.

3. Чи означає це, що синтетичні добрива не потрібні?
   Не зовсім — але це означає, що органічні джерела азоту можуть відігравати більшу роль у сталому управлінні поживними речовинами.

4. Які амінокислоти досліджуються найчастіше?
   Гліцин та аргінін були ретельно вивчені, але рослини, ймовірно, засвоюють широкий спектр амінокислот.

5. Як це відкриття допоможе фермерам?
   Воно відкриває шлях до нових стратегій удобрення (наприклад, підживлення на основі амінокислот), які доповнюють мікроорганізми, а не конкурують з ними.

Висновок: переосмислення циклу азоту

Дослідження Торгні Нешольма змусили вчених переглянути одну з найосновніших схем в екології. Опис циклу азоту в підручниках є неповним без урахування поглинання органічного азоту. Визнаючи амінокислоти прямим джерелом поживних речовин, ми отримуємо більш точне уявлення про екосистеми та відкриваємо нові можливості для сталого сільського господарства.

Посилання та джерела

• Näsholm, T. та ін. (1998). Рослини бореальних лісів поглинають органічний азот. Nature, 392, 914–916.

• Näsholm, T. та ін. (2009). Поглинання органічного азоту рослинами — огляд Танслі. New Phytologist, 182(1), 31–48.

• Перссон, Дж. та ін. (2006). Поглинання, метаболізм та розподіл органічного та неорганічного азоту рослинами. Journal of Experimental Botany, 57(11), 2651–2661.

• Сальваджотті, Ф. та ін. (2008). Поглинання та фіксація азоту, а також реакція сої на азотні добрива: огляд. Field Crops Research, 108(1), 1–13.

• Премія імені Маркуса Валленберга. (2007). Нагорода Торгні Нешольму за відкриття у сфері засвоєння азоту рослинами.