Միկրոօրգանիզմները, որոնք ունակ են ինքնուրույն ազոտ արտադրել բույսերի համար, կարող են այլընտրանք դառնալ ավանդական պարարտանյութերին, որոնց արտադրությունը կախված է հանածո վառելիքից։ Սակայն, չնայած տասնամյակների հետազոտություններին, մշակողներին առայժմ չի հաջողվել գյուղատնտեսության մեջ հասնել նման լուծումների կայուն արդյունավետության։ Գիտնականների միջազգային խումբն առաջարկել է չորս առաջնահերթ ուղղություն, որոնք պետք է մոտեցնեն կենսաբանական ազոտային պարարտանյութերի ստեղծումը առևտրային կիրառմանը։ Աշխատանքը հրապարակվել է Nature Biotechnology ամսագրում։

«Հաջորդ սահմանագիծը ազոտի ֆիքսման գործում» վերնագրով մեկնաբանությունը ղեկավարել է ամերիկյան Switch Bioworks կենսատեխնոլոգիական ընկերությունը։ Նյութի պատրաստմանը մասնակցել են ընկերության մասնագետները, ինչպես նաև Օքսֆորդի համալսարանի, Վիսկոնսին-Մեդիսոնի համալսարանի, Բրազիլիայի Պարանայի դաշնային համալսարանի և Ջոն Ինեսի կենտրոնի հետազոտողները։

Ինչու բակտերիաները դեռ չեն դարձել պարարտանյութերի լիարժեք այլընտրանք

Ազոտային պարարտանյութերն առանցքային նշանակություն ունեն ժամանակակից գյուղատնտեսության համար։ Հացահատիկային մշակաբույսերը, ներառյալ եգիպտացորենը, ցորենը և բրինձը, ապահովում են մարդկության կողմից սպառվող կալորիաների մոտ կեսը և բարձր բերքատվությունը պահպանելու համար կախված են ազոտի մատակարարումից։ Ընդ որում, ավանդական պարարտանյութերի արտադրությունը մեծապես հիմնված է հանածո վառելիքի օգտագործման վրա, իսկ դրանց կիրառումն ուղեկցվում է ջերմոցային գազերի արտանետումներով և ջրամբարների աղտոտմամբ։

Որոշ բակտերիաներ ունակ են ֆիքսել մթնոլորտային ազոտը՝ այն վերածելով միացությունների, որոնք կարող են օգտագործել բույսերը։ Սակայն բնական միկրոօրգանիզմներն ունեն մի առանձնահատկություն. արտադրված ազոտի մեծ մասը դրանք պահում են սեփական աճի համար։

Գենետիկական ճարտարագիտությունը թույլ է տալիս փոխել դրանց վարքագիծը և ստիպել արտազատել բույսերին հասանելի ամոնիակ։ Բայց այստեղ առաջանում է մեկ այլ խնդիր. ազոտի արտադրությունը կարող է թուլացնել բակտերիաների բազմանալու, արմատների վրա ամրանալու և այլ միկրոօրգանիզմների հետ մրցակցելու ունակությունը։

Լրացուցիչ բարդությունները կապված են այն բանի հետ, որ բակտերիաները միշտ չէ, որ հավասարապես հաջող են գաղութացնում արմատները հողի տարբեր տեսակների մեջ։ Բացի այդ, նրանց կարող է չբավականացնել էներգիան, որը ստացվում է բույսերի արմատային արտազատուկներից։ Այս ամենը խանգարում է ապահովել կենսաբանական պարարտանյութերի կայուն աշխատանքը իրական դաշտային պայմաններում։

Տեխնոլոգիայի զարգացման չորս առաջնահերթությունները

Հետազոտության հեղինակներն առանձնացրել են չորս ուղղություն, որոնք պետք է օգնեն հաղթահարել առկա սահմանափակումները։

Առաջինը բազմազան մանրէային համայնքների ստեղծումն է, որոնք ունակ են ամրանալ արմատներին և արդյունավետ աշխատել հողային տարբեր պայմաններում։ Միկրոօրգանիզմների մի քանի տեսակների օգտագործումը կարող է բարձրացնել տեխնոլոգիայի կայունությունը դաշտերի միջև եղած տարբերությունների նկատմամբ։

Երկրորդը գենետիկական համակարգերի մշակումն է, որոնք թույլ կտան տարանջատել բակտերիաների աճի և ազոտի արտադրության գործընթացները։ Առաջարկվող մոտեցումը ենթադրում է, որ միկրոօրգանիզմները նախ պետք է բազմանան և ամրանան արմատներին, իսկ հետո ակտիվացնեն ազոտի արտադրությունը։ Սա թույլ կտա խուսափել այն իրավիճակից, երբ ազոտի արտադրությունը խանգարում է բակտերիաների հաջող զարգացմանը։

Երրորդ ուղղությունը հենց բույսերի բնութագրերի փոփոխումն է, որպեսզի դրանք ավելի լավ աջակցեն ազոտֆիքսող միկրոօրգանիզմներին և ապահովեն դրանց անհրաժեշտ ռեսուրսներով։

Չորրորդը արդյունավետության ստուգման խիստ չափանիշների մշակումն է։ Գիտնականներն ընդգծում են, որ բույսերի աճի ավելացումն ինքնին դեռ չի ապացուցում, որ բակտերիաներն իսկապես փոխանցել են նրանց ֆիքսված ազոտը։ Արդյունքը հաստատելու համար անհրաժեշտ են հատուկ հետազոտություններ, իսկ այնուհետև՝ դաշտային փորձարկումներ՝ արմատների գաղութացման և բույսերում ազոտի պարունակության վերահսկմամբ։

Լաբորատոր մշակումներից դեպի դաշտեր

Միկրոօրգանիզմների աճի և ազոտի արտադրության տարանջատումն արդեն ընկած է Switch Bioworks-ի տեխնոլոգիայի հիմքում։ Ընկերությունն օգտագործում է գենետիկական անջատիչներ, որոնք թույլ են տալիս բակտերիաներին նախ ամրանալ և բազմանալ արմատների վրա, իսկ հետո անցնել ազոտի արտադրության։ Զուգահեռաբար այն մշակում է մեքենայական ուսուցման մեթոդներ՝ միկրոօրգանիզմների բազմազան համայնքներ ստեղծելու համար, որոնք պետք է պահպանեն արդյունավետությունը դաշտային տարբեր պայմաններում։

Ընկերությունը նաև հայտարարել է Bayer Crop Science-ի հետ ռազմավարական համագործակցության մասին։ Այն կապված է կենսաբանական ազոտային պարարտանյութերի ստեղծման մոտեցումների զարգացման հետ։

Մեկնաբանության հեղինակների գնահատականներով՝ նույնիսկ ավանդական պարարտանյութերի մասնակի փոխարինումը կարող է տալ էական բնապահպանական արդյունք։ Եթե կենսաբանական լուծումները կարողանան փոխարինել սովորական ազոտային պարարտանյութերի 10–20%-ը, դա թույլ կտա տարեկան կրճատել արտանետումները տասնյակ միլիոնավոր տոննաներով՝ CO₂-ի համարժեքի վերահաշվարկով։ Բացի այդ, կնվազեն ազոտի կորուստները գյուղատնտեսական դաշտերից, իսկ ֆերմերները կկարողանան կրճատել ծախսերը։

Ընդ որում, նման մշակումների առևտրային կիրառման ճանապարհը կպահանջի հետագա գենետիկական ճարտարագիտություն, լայնածավալ դաշտային փորձարկումներ և կարգավորող ընթացակարգերի անցում։ Switch Bioworks-ը հայտնում է, որ արդեն ստացել է իր տեսակի մեջ առաջին թույլտվությունները ԱՄՆ գյուղատնտեսության նախարարությունից և ԱՄՆ շրջակա միջավայրի պահպանության գործակալությունից, ինչպես նաև Բրազիլիայի կենսաանվտանգության ազգային տեխնիկական հանձնաժողովի հավանությունը։