Maria Mazurek: Rozmawia pan ze mną z Niemiec, ale wiem, że zawodowo i naukowo związany jest pan z Norwegią. Co zatem robi pan w Niemczech?
Paweł Łycuś*, mikrobiolog: Przyjechałem tu, żeby kontynuować badania w ramach dwuletniego grantu. Przywiozłem kolegom z uniwersytetu we Freiburgu pewną bakterię, którą teraz wspólnie dalej chcemy badać. Bakteria ta świetnie sobie radzi z redukcją podtlenku azotu, który - z czego być może wielu nie zdaje sobie sprawy - jest jednym z głównych gazów cieplarnianych.
Jestem z wykształcenia mikrobiologiem, studiowałem w Szczecinie, a doktorat zrobiłem w Norwegii. Ten doktorat był częścią dużego projektu europejskiego dotyczącego emisji podtlenku azotu. Po jego zakończeniu zaproponowano mi w Norwegii pracę w tej samej grupie badawczej, która od lat zajmuje się badaniem emisji podtlenku azotu z gleby.
Przypomnijmy, że poza dwutlenkiem węgla, głównym gazem cieplarnianym, który z powodu emisji pochodzących od działalności człowieka przyspiesza globalne ocieplenie, mamy jeszcze metan i podtlenek azotu właśnie - N2O [więcej na jego temat piszemy na końcu tego tekstu]. Bezwonny gaz wykorzystywany w medycynie do narkozy - popularny gaz rozweselający - w środowisku napędza kryzys klimatyczny. Tego gazu w atmosferze jest coraz więcej.
IPCC, Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu, w swoim raporcie przewiduje, że z podtlenkiem azotu będzie nam znacznie trudniej poradzić sobie niż z emisjami dwutlenku węgla i metanu. Problem w tym, że jest on bezpośrednio powiązany z produkcją żywności, a jej produkujemy coraz więcej, bo globalna populacja ludności rośnie. Zwiększone emisje podtlenku azotu wynikają głównie z nadużywania nawozów azotowych. Około 60-70 proc. emisji tego gazu powiązanych z człowiekiem pochodzi bezpośrednio z rolnictwa właśnie. Podanie więcej nawozu, niż rośliny są w stanie przyjąć, powoduje, że staje się on łatwo dostępny dla mikroorganizmów, które są w glebie. W tym procesie azotany przekształcane są w podtlenek azotu.
W tym miejscu zaczynają się pana badania.
Tak, zaczynają się w glebie. Ludzie nie są świadomi, jak złożone i aktywne jest to środowisko. W jednym gramie gleby mamy miliardy bakterii, to jest naprawdę ścisk. Trzeba też wiedzieć, że gleba, pomimo tego, że wygląda na żyzną, jest środowiskiem niezwykle ubogim, jeśli chodzi o dostępność składników pokarmowych. W związku z tym ze względu na tłok, który tam panuje, bakterie w glebie są ciągle głodne. Biją się o cokolwiek, co mogą wykorzystać jako pokarm - konkurują między sobą, ale także z roślinami. I konkurują bardzo efektywnie, również o związki azotowe.
Do tego dochodzi jeszcze jednak kwestia. Gleba jest dość wrogim środowiskiem dla bytowania organizmów, w którym warunki ciągle się zmieniają. Jeżeli spadnie deszcz i gleba zostaje wysycona wodą, poziom i dostępność tlenu w niej spada. Bakterie w pierwszej kolejności preferują oddychanie tlenem, ale mogą też używać innych związków. Gdy dostęp tlenu jest uniemożliwiony, zaczynają sięgać po azotany - to ulubione substytuty tlenu dla wielu bakterii. A tak się składa, że głównym nawozem, którego używamy, jest azotan amonowy. Te azotany przekształcane są przez bakterie w azotyny, potem w tlenek azotu i podtlenek azotu.
Bakterie glebowe Paracoccus denitrificans - model w badaniach nad przemianami azotowymi w glebie. Komórki wybarwione na czerwono produkują N2O, natomiast komórki zabarwione na niebiesko redukują N2O. Jak widać, niektóre bakterie są w stanie tylko produkować a inne tylko redukować N2O, są też takie, które produkują i redukują. Poziom emisji N2O zależy miedzy innymi od proporcji pomiędzy grupami. Fot. Paweł Łycuś
Czy bakterie biorą się za azot dopiero w sytuacjach "kryzysowych", czyli wtedy, gdy gleba jest przesycona wodą?
Nie tylko. Gleba jest bardzo niejednorodna, są w niej wilgotne grudki, do których tlen dociera wolniej, zawsze więc będą ogniska, w których warunki będą sprzyjały konsumpcji azotu. Tak że im głębiej, tym mniej tlenu, więc głębiej proces ten będzie zachodził zawsze.
Mamy w Norwegii specjalnego robota, który jeździ po polu i mierzy emisje i widzimy, że występują one również zimą. Więc nawet jeśli na polu nic nie rośnie, rolnik od dawna go nie nawoził, emisje są widoczne, gleba na zimę nie zasypia.
A jak to wygląda geograficznie? Są jakieś miejsca na Ziemi bardziej narażone na to zjawisko?
W trakcie badań zauważyliśmy, że istotnym czynnikiem wpływającym na emisje N2O jest pH gleby. Im większa kwasowość, tym emisje podtlenku azotu są wyższe. A gleby są kwaśne w dużej mierze wszędzie tam, gdzie prowadzona jest intensywna działalność rolnicza oraz na terenach, które mają bezpośredni dostęp do wybrzeża, gdzie dochodzi do acydyfikacji, czyli naturalnego zakwaszania.
Pomóc może mądre nawożenie, czyli stosowanie nawozów, które się wolno rozkładają tak, że dawki azotu uwalniane są do gleby w dłuższym czasie. Wtedy rośliny są w stanie więcej tego azotu pobrać. Lepiej też nawozić kilka razy w mniejszych porcjach. Powinniśmy również powrócić do praktyki wapnowania pól uprawnych w celu zapobiegania zakwaszaniu.
Tutaj też wchodzi pan i pana współpracownicy oraz pewna wyjątkowa bakteria.
Chodzi o Rhodanobacter. Wyizolowaliśmy ją z naszego pola doświadczalnego na wybrzeżu Norwegii i jest ona jak dotąd jedyną z testowanych przez nas bakterii, która jest w stanie redukować podtlenek azotu w środowisku o niskim pH, czyli w kwaśnej glebie. Liczne bakterie występujące w glebach o kwaśnym pH teoretycznie mają możliwość redukcji podtlenku azotu, mają odpowiedni enzym, czyli białko rozkładające ten gaz. Tyle że w przypadku niskiego pH ten enzym u większości nie działa, działa za to u Rhodanobactera. Musimy rozwiązać tę zagadkę, dowiedzieć się, co jest niezwykłego z tym enzymem, i trzeba to zrobić na poziomie cząsteczki.
Model reduktazy podtlenku azotu. Na żółto zaznaczono jony miedzi, które są niezbędne dla aktywności enzymu. Enzym zbudowany jest dwóch identycznych podjednostek i tylko jako tandem jest w stanie redukować N2O. Graf. Paweł Łycuś, model wygenerowany w programie Swiss-PdbViewer - ref. (Guex, N. and Peitsch, M.C. (1997)
Naszą hipotezą jest, że przy niskim pH bakterie nie są w stanie inkorporować miedzi do tego białka, a metal jest kluczowy do tego, by było ono aktywne. Dlatego przyjechałem do Niemiec. My jesteśmy mikrobiologami, a to jest już zagadnienie z zakresu biochemii, nasi koledzy tutaj mają większe doświadczenie w prowadzeniu takich badań. Chcemy razem ustalić, co jest wyjątkowego w Rhodanobacterze, że jako jedyny jest w stanie poradzić sobie tam, gdzie cała reszta nie dała rady.
Jakie to może mieć przełożenie praktyczne - wykorzystanie pracy naukowej w rozwiązaniu problemu zwiększonych emisji? Jak bardzo można obniżyć emisje, wykorzystując bakterie? Czy jest nią zainteresowany biznes?
Ja zajmuję się wyjaśnieniem mechanizmów na poziomie molekularnym, w laboratorium. Moi koledzy starają się znaleźć zastosowanie praktyczne dla tej wiedzy. Jeden z projektów, który realizuje nasza norweska grupa, związany jest ze ściekami. Rolnicy zaczynają wykorzystywać produkty uboczne oczyszczania ścieków, czyli osad, który jest oczyszczany, fermentowany i wykorzystywany jako nawóz. Ten nawóz można by zaszczepić bakteriami takimi jak Rhodanobacter. Oczyszczalnia ścieków, z którą współpracujemy w Oslo, buduje fabrykę gleby, produkt, który tworzą, chcą przekształcić tak, by był przyjazny dla środowiska.
Używając osadów pościekowych wzbogaconych wyspecjalizowanymi "zjadaczami N2O", możemy obniżyć emisje tego gazu nawet o 90 proc. Tutaj ważne zastrzeżenie: badania zostały wykonane w warunkach laboratoryjnych - inkubacja gleby z dodatkiem osadu i bakterii - i muszą być powtórzone w dużej skali w normalnych warunkach i praktyce rolnej.
Współpracujemy także z firmami, które produkują sztuczne nawozy azotowe. Na razie jesteśmy jeszcze na etapie badań, nie jest to opatentowany, dostępny produkt. Dla mnie ważne jest to, że przynosimy pytania, które wyrosły ze środowiska, potem przeszły przez laboratorium, a teraz musimy użyć metod biochemicznych, by na te pytania odpowiedzieć i przenieść rozwiązanie problemu znów do środowiska.
>>>>Podtlenek azotu - gaz cieplarniany, o którym mało słychać
Podtlenek azotu - N2O - to gaz wykorzystywany między innymi w medycynie przy narkozie, popularnie nazywany "gazem rozweselającym". Ma też jednak drugie oblicze, jest wśród gazów cieplarnianych, których wywołane działalnością emisje przyspieszają globalne ocieplenie. I to jednym z głównych, na trzecim miejscu po węglu i metanie, jego udział to około 7 proc. Co gorsza, stężenie podtlenku azotu w atmosferze rośnie, według badań opublikowanych w 2019 roku, ten wzrost w latach 2000-2005 i 2010-2015 wyniósł około 10 proc. N2O ma też wpływ na warstwę ozonową.
Podtlenek azotu jest gazem 300 razy mocniejszym niż dwutlenek węgla. Jest też jednak od niego mniej żywotny (choć nadal w grupie tych z dłuższą żywotnością, pozostaje w atmosferze przez ponad 100 lat), więc ograniczanie jego emisji będzie przynosić szybsze efekty. Problem w tym, że największym "ludzkim" źródłem podtlenku azotu w atmosferze jest działalność rolnicza, związana przede wszystkim z nawożoną glebą i zwierzęcymi odchodami. Stąd dyskusja o jego ograniczeniu jest tak trudna.
"Widzimy, że emisje N2O znacznie wzrosły w ciągu ostatnich dwóch dekad, a zwłaszcza od 2009 roku" - mówi Rona L. Thompson z NILU-Norwegian Institute for Air Research, w odniesieniu do wspomnianych powyżej badań nad podtlenkiem azotu, opisanych w czasopiśmie "Nature Climate Change" jesienią ubiegłego roku. Naukowcy ustalili, że wzrost stężenia N2O jest ściśle powiązany z ilością uwalnianych do środowiska substratów azotowych, czyli w dużej części nawozów, ale też zwiększoną uprawą wiążących azot roślin, takich jak soja, orzeszki ziemne i koniczyna. Dzięki azotowi możliwe jest produkowanie większej ilości żywności, ale ma to też konsekwencję w postaci rosnącego poziomu N2O w atmosferze.
*Dr inż. Paweł Łycuś pracę nad emisjami podtlenku azotu rozpoczął w 2013 roku jako stypendysta europejskiego programu "działania Marie Curie" i ukończył go w 2017 roku obroną doktoratu. Od 2017 r. jest pracownikiem naukowym Norweskiego Uniwersytetu Nauk Przyrodniczych w Ås, gdzie prowadzi badania nad nowymi aspektami bakteryjnych przemian azotowych w glebach oraz ich wpływie na emisje podtlenku azotu. Jest na dwuletnim stażu na Uniwersytecie we Freiburgu w Niemczech, w ramach Grantu Norweskiej Rady ds. Badań, gdzie prowadzi badania nad budową i aktywnością nowej nietypowej reduktazy podtlenku azotu.
Paweł Łycuś Fot. archiwum prywatne
