Nitơ oxide, một sản phẩm của việc sử dụng phân bón, có thể gây hại cho các loài vi khuẩn sống trong đất

Mặc dù N₂O được sinh ra tự nhiên từ rễ cây nhưng các hoạt động sản xuất nông nghiệp có thể làm tăng nồng độ N₂O và gây ảnh hưởng đến các loài vi sinh vật có ích cho sự sinh trưởng của cây trồng.

Khí N₂O (các phân tử màu cam và màu xanh lá cây) được sinh ra từ rễ cây có thể gây hại cho các loài vi khuẩn sống trong đất, theo một nghiên cứu mới - tiết lộ một tương tác sinh thái đáng ngạc nhiên có thể được tận dụng để cải thiện sức khỏe cây trồng.

Sự phát triển của cây trồng được hỗ trợ bởi hàng triệu vi sinh vật nhỏ bé trong đất, chúng có thể cạnh tranh hay hợp tác với nhau khi thực hiện các vai trò quan trọng ở rễ cây bao gồm cải thiện khả năng tiếp cận các chất dinh dưỡng và bảo vệ cây trồng chống lại các tác nhân gây bệnh. Là một sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất, các loài vi sinh vật đất cũng sinh ra khí N₂O, một loại khí nhà kính chủ yếu được nghiên cứu về những tác động của nó đến sự biến đổi khí hậu. Mặc dù, có một lượng nhỏ N₂O được sinh ra một cách tự nhiên, lượng khí N₂O có thể tăng đột biến do sử dụng phân bón hay các yếu tố khác.

Mặc dù từ lâu, người ta tin rằng khí N₂O không ảnh hưởng đáng kể đến các sinh vật sống nhưng một bài báo gần đây cho biết khí N₂O có thể định hình các quần xã vi sinh vật, làm cho một số chủng có thể phát triển nhanh hơn các chủng khác. Dựa trên sự lan rộng của các quá trình sinh học bị đứt gãy bởi khí N₂O, các nhà nghiên cứu ước tính khoảng 30% các loài vi khuẩn đã được giải trình tự gen đều bị nhiễm N₂O, cho thấy chất này đóng một vai trò quan trọng nhưng chưa được đánh giá đúng trong hệ sinh thái vi sinh vật phức tạp ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng.

Các nhà nghiên cứu đã công bố những phát hiện mới của họ trên tạp chí mBio, một tạp chí của Hiệp hội Vi sinh vật học Hoa Kỳ. Nếu những phát hiện trong phòng thí nghiệm của họ có thể áp dụng vào sản xuất nông nghiệp, nó có thể ảnh hưởng đến cách người nông dân thực hiện các công việc hằng ngày làm cho cây trồng tiếp xúc với N₂O chẳng hạn như tưới nước hay bón phân.

“Nghiên cứu này cho thấy việc sản sinh N₂O trong nông nghiệp gây ảnh hưởng đến sức khỏe cây trồng là điều đáng được quan tâm”, Darcy McRose - thành viên chính của nghiên cứu cho biết. “Vấn đề này chưa được nhiều người chú ý nhưng nó đặc biệt gây hại cho một số loài vi sinh vật nhất định. Đây là điểm điểm trừ nữa đối với khí N₂O, ngoài những tác động đến khí hậu. Cần thêm nhiều nghiên cứu hơn nữa để chúng ta biết được  thời điểm sinh N₂O ảnh hưởng như thế nào đến các vi sinh vật này và thời điểm đó có thể được kiểm soát để cải thiện sức khỏe cây trồng”.

Một loại khí độc

Khí nitơ oxide (N₂O) đã được chứng minh gây độc hại từ nhiều thập kỷ trước, khi các nhà nghiên cứu nhận ra nó có thể làm mất hoạt tính vitamin B12 trong cơ thể người. Kể từ đó, khí N₂O thu hút sự chú ý giống như một loại khí nhà kính tồn tại lâu sẽ gây suy giảm tầng ozone. Nhưng khi đề cập đến môi trường nông nghiệp, hầu hết mọi người cho rằng nó không tương tác với các vi sinh vật vùng đất xung quanh rễ cây - được gọi là rhizosphere.

“Nhìn chung, người ta cho rằng N₂O không có hại mặc dù những nghiên cứu trước đây cho thấy nó có thể gây độc ở những điều kiện cụ thể”, McRose cho biết. “Người ta chưa mở rộng các nghiên cứu về tác động của N₂O đến những quần xã vi sinh vật vùng rễ”.

Trong khi một số nghiên cứu cho thấy N₂O nhạy cảm với số ít vi sinh vật thì cách N₂O ảnh hưởng đến sự phân bố các quần xã vi sinh vật vùng rễ cây vẫn còn ít được biết đến. McRose và Wasson đã lấp đầy những khoảng trống đó.

Họ bắt đầu xem xét một quá trình phổ biến mà các tế bào sử dụng để sinh trưởng được gọi là quá trình sinh tổng hợp methionine. Quá trình sinh tổng hợp methionine có thể được thực hiện bởi các enzyme phụ thuộc và không phụ thuộc vào vitamin B12. Nhiều loài vi khuẩn có cả hai loại enzyme này.

Sử dụng vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa, các nhà nghiên cứu đã loại bỏ về mặt di truyền enzyme không phụ thuộc vào vitamin B12 và phát hiện chủng vi khuẩn này trở nên nhạy cảm với N₂O, sự sinh trưởng của nó bị hạn chế bởi chính N₂O mà nó sinh ra.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã quan sát một quần xã vi sinh vật ở cây mô hình Arabidopsis thaliana và phát hiện nhiều vi sinh vật vùng rễ cũng nhạy cảm với N₂O. Việc kết hợp các loài vi khuẩn nhạy cảm với nitơ oxide và các loài vi khuẩn sinh ra nitơ oxide đã ngăn cản sự phát triển của chúng.

“Điều này cho thấy các loài vi khuẩn sinh N₂O có thể ảnh hưởng đến sự sống của các sinh vật lân cận”, Wasson giải thích. Những thí nghiệm đã xác nhận sự nghi ngờ của các nhà nghiên cứu rằng việc sản sinh nitơ oxide có thể ngăn chặn sự sinh trưởng của các loài vi khuẩn sống trong đất phụ thuộc vào vitamin B12 để sinh tổng hợp methionine.

“Những kết quả này cho thấy các vi sinh vật sản sinh nitơ oxide định hình các quần xã vi sinh vật”, McRose nói. “Các kết quả trong phòng thí nghiệm rất rõ ràng và nghiên cứu này không dừng lại ở việc quan sát một sinh vật riêng lẻ. Các thí nghiệm đồng nuôi cấy không giống như những nghiên cứu trên đồng ruộng nhưng đó là một minh chứng mạnh mẽ”.

Từ phòng thí nghiệm đến nông trại

Trong nông trại, thông thường đất sẽ trải qua vài ngày hoặc vài tuần có sự gia tăng lượng khí nitơ oxide do việc sử dụng phân bón nitơ, mưa, băng tan và những sự việc khác. Các nhà nghiên cứu cảnh báo rằng các thí nghiệm của họ chỉ là bước đầu để hiểu nitơ oxide ảnh hưởng đến các quần thể vi sinh vật trong nông nghiệp như thế nào.

Wasson gọi bài báo này là bằng chứng về khái niệm và dự định sẽ nghiên cứu về đất nông nghiệp.

Wasson nói: “Trong nông nghiệp, lượng khí N₂O luôn ở mức cao. Chúng tôi muốn xem liệu chúng tôi có thể phát hiện một dấu hiệu của việc tiếp xúc N₂O này thông qua các nghiên cứu giải trình tự gen, trong đó chỉ có những vi sinh vật không nhạy cảm với N₂O”.

McRose cho biết những phát hiện này có thể dẫn đến một cách tiếp cận mới cho các nhà nghiên cứu và nông dân trong việc nghiên cứu về nitơ oxide.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Đại học Công nghệ Massachusetts.