בלי חיידקים מקבעים חנקן, היינו נדפקים.
חיידקים אינם מוערכים באופן פראי. מחקלאות ועד חומרי טעם וריח, החיידקים הללו חיוניים בדרכים שכנראה אפילו לא הבנתם. יש עוד שלושה סיפורים בסדרה הזו על שחזור אמנות, ה. קולי'תפקידו בביולוגיה ורפואה, ו החיידקים שמייצרים חומץ.
כל היצורים החיים זקוקים לחנקן כדי לשרוד. היסוד יוצר את מבנה החלבונים השומרים אותנו בחיים ואת ה-DNA שמקודד להם. למרבה המזל, זה גם מסביבנו, ומהווה 78 אחוז מהאטמוספירה של כדור הארץ. אבל יש מלכוד: רוב היצורים החיים אינם יכולים להשתמש בחנקן המצוי באוויר.
מולקולות גז חנקן מורכבות משני אטומי חנקן המחוברים בקשר משולש, הסוג החזק ביותר של קשר כימי. זה דורש הרבה אנרגיה כדי להישבר, ולרוב האורגניזמים החיים אין את הכלים לנתק את זה בעצמם.
וכך, חלק גדול מהחיים תלוי בקבוצה אחת של חיידקים: חיידקים מקבעים חנקן.
מה שנקרא דיאזוטרופים אלה לוקחים מולקולות גז חנקן ו"מקבעים" את היסוד החיוני לאמוניה, NH3, אשר אורגניזמים אחרים יכולים להשתמש בהם. אנזים הנקרא ניטרוגנאז עוזר להם לעשות את השינוי הזה, אם כי זה עדיין דורש הזנה של אנרגיה רבה.
כדי לתדלק ניטרוגנז, כמה דיאזוטרופים צורכים חומר אורגני באדמה. אחרים יוצרים קשרים מועילים הדדיים עם מיני צמחים מסוימים. הצמח מספק מקום לחיידקים לעגן על שורשיו, להקריב חלק מהפחמן שלו כדי להזין את החיידקים, ובתמורה לקבל אספקה קבועה של חנקן.
ללא הפעולה הטבעית של דיאזוטרופים, בין אם זה באדמה או בקשר ישיר, לצמחי בר לא יהיה מספיק חנקן נגיש כדי לשרוד. תלות זו משפיעה על כל שרשרת המזון: הצמחים החלבוניים מייצרים באמצעות חנקן קבוע נצרך על ידי בעלי חיים אוכלי צמחים, אשר בתורם מניבים חלבון זה לטורפים.
אבל ככל שהביקוש העולמי למוצרים חקלאיים גדל, חומרי ההזנה הדרושים לגידול כל היבולים שלנו עלו בהרבה על הקצב שבו חיידקים יכולים להעשיר קרקעות. עד תחילת ה-20ה' המאה, האנושות הייתה זקוקה בדחיפות לדרך מלאכותית לקיבוע חנקן.
תהליך הבר-בוש היה הפתרון. הכימאים פריץ הבר וקרל בוש המציאו שיטה לשילוב גז חנקן ומימן בלחץ גבוה וטמפרטורה, מפרקים את קשר החנקן ומאפשרים לאטומים המשוחררים להתמזג בחזרה יחד. אַמוֹנִיָה.
כיום, תהליך האבר-בוש מייצר מסביב 160 מיליון טונות אמוניה כל שנה. הרוב הופך לדשן, שכן 50 אחוז מאספקת המזון בעולם תלויה בדשן מבוסס אמוניה.
[קָשׁוּר: מלחמות חיידקים משתוללות באדמה, וזה שומר על בריאות המערכות האקולוגיות]
הוא גם אחראי על בין 1 ל-1.5 אחוז מכל פליטת הפחמן הדו חמצני העולמי מדי שנה, וזו הסיבה שחלק מהחוקרים בוחנים דרכים לחזור לשיטת הקיבוע הביולוגי, במקום להמשיך להסתמך על ייצור המוני של דשנים.
אחת הדרכים הפוטנציאליות היא גידול החיידקים להיות יותר "מופקרים", מה שהופך אותם פחות בררנים לגביהם בחירת השותף לצמח, מסביר מאניש רייזאדה, חוקר חקלאות מאוניברסיטת גואלף ב קנדה. "יש הזדמנויות להפוך את [החיידקים] למתאימים יותר ליותר מארחים צמחיים", הוא אומר. "היינו קוראים לזה זני עילית. וזני העילית האלה גידלו לבחירה וגידול מסורתיים, הם לא GMO."
ניתן גם לשנות את החיידקים כדי להפיק יותר חנקן קבוע עבור המארחים שלהם. מכיוון שהעלות האנרגטית כה גבוהה, חיידקים רבים המקבעים חנקן ייסגרו אם יזהו מספיק אמוניה באדמה. חוקרים התמקדו בלולאת המשוב השלילי הזו כדי לשמור על המנגנון הסלולרי הזה לעבוד גם בתנאים עשירים באמוניה שינוי גנטי.
בעוד שסימביוזה של דיאזוטרופה-צמח היא הנפוצה ביותר בגידולי קטניות כמו פולי סויה, יש כמות הולכת וגוברת של עדויות המצביעות על כך שהחיידקים תואמים לגידולים שאינם קטניות כמו תירס. מגוון של תירס ילידים גדל על ידי אנשי סיירה מיקס בדרום מקסיקו, למשל, "שורשי אוויר" ספורטיביים הכלולים בתוך כיס של ריר המכיל חיידקים מקבעים חנקן וסוכרים להאכיל אותם. חוקרים מנסים להעביר את התכונה הזו לתירס קונבנציונלי שצומח במהירות, מבלי להקריב את יבול היבול.
באותה משפחה כמו תירס, חיידקים מקבעי חנקן מאכלסים גם את גבעולים של קנה סוכר ו לספק 60 עד 80 אחוז מהחנקן הנצרך על ידי צמח נתון. כתוצאה מכך, קני סוכר הם מקור בר-קיימא לביואתנול יותר מאשר תירס מכיוון שהוא דורש פחות כמות דשנים כדי לגדול, אומר רייזאדה.
עם כל השינויים הפוטנציאליים הללו זמינים, החוקרים מתנסים בהוספת זן אחד או מרובים של דיאזוטרופים לאדמה כדי לתת דחיפה לאספקת החנקן. אבל הוספת עוד חיידקים לתערובת תורמת מעט להגביר את בריאות היבול אם אין באדמה מספיק חומרים מזינים כדי להאכיל את החיידקים עצמם, מסבירה ליז לבלנק, מייסדת LP Consulting בנובה סקוטיה, קנדה, המתמחה במחקר וחיבור חקלאים לפסולת-משאב בר-קיימא אפשרויות.
יש להאכיל חיידקים מקבעים חנקן וחיידקי אדמה קשים אחרים כדי לספק את החומרים היסודיים שהיבולים צריכים לגדול. חקלאים חייבים לספק לשותפים המיקרוביאליים שלהם מקור לביומסה פחמן כדי לשמור על אנרגיה, ופסולת תעשייתית היא מקום טוב להתחיל בו. LP Consulting של LeBlanc מחבר בין חקלאים לשותפים תעשייתיים המעוניינים להיפטר ממוצרי פסולת עשירים בביומסה. היא אומרת שהצוות שלה עבד עד היום עם אפר עץ, מוצקים ביולוגיים ופסולת מייצור נייר.
LeBlanc והצוות שלה גם עובדים עם חקלאים כדי לוודא שיש להם את המשאבים להשתמש נכון במוצרי הפסולת לטובתם. עצם השלכת חומרים מזינים נוספים לשדה לא עוזרת אם החקלאים לא יודעים כיצד להפיץ ולתחזק כראוי את הדשן הממוחזר.
אפילו עם מספיק ארוחות, היישום של חיידקים מעשירי אדמה עדיין פחות אמין מדשנים כימיים. חיידקים רגישים מאוד גם לשינויים ב-pH ובטמפרטורה, המשתנים במידה רבה על פני שדה בודד, כך שהתוצאות לרוב אינן עקביות. מרחקים קצרים כמו סנטימטר אחד יכולים להפריד בין יקומי קרקע שונים לחלוטין, מסביר רייזאדה.
פתרונות חיידקיים מעשיים יותר בסביבות שבהן ניתן לנקות בקלות דשנים כימיים משדות באמצעות גשם כבד ומבנה קרקע חלש. זה קורה בדרך כלל באדמות חקלאיות באזורים טרופיים וסובטרופיים, שם עונת הגשמים אינטנסיבית, ולאדמה יש איכות חולית חלשה שאינה נאחזת בחומרי הזנה בחוזקה.
בעוד שדשנים כימיים נשטפים, אומר Raizada, חיידקים מתקבעים לשורשים ולגבעול, מה שהופך אותם פחות רגישים לשטיפה מהאדמה. "החיידקים שמחדירים לתוך גושי קטניות כבר נמצאים בתוך הצמח, הם הולכים ישירות לתוך הצמח", הוא מסביר. "ייתכן שבאזורים הטרופיים והסובטרופיים, חיידקים מקבעי חנקן הם בהחלט הדרך ללכת, בהשוואה לדשני חנקן כימיים."
יש עדיין מכשולים להתגבר בהחלפת דשנים המיוצרים תעשייתית בחיידקים, אבל נעשית עבודה מבטיחה כדי לגשר על הפער בין המעבדה לביולוגיה לתחום בפועל.
