Development of an enrichment protocol for isolation of N2O reducing bacteria from highly weathered, acidic African soils

M-KB

English. N2O is known to be one of the most potent greenhouse gases due to its long residence time in the atmosphere and with a global warming potential almost 300 times larger than CO2. Emissions of N2O are one of the biggest contributors to global warming and so developing methods to mitigate N2O emissions is therefore needed. Denitrification in agricultural soils is one of the major sources of anthropogenically produced N2O. Denitrification is a respiratory process of many organisms where NO3 - is reduced to N2 through several redox reactions and intermediates. The process is performed by a wide range of organisms carrying a full-fledged or truncated set of denitrification enzymes. Soil pH is one of the major controllers of the denitrification process, and particularly the N2O reduction step. At soil pH < 6.1 the synthesis of functional N2O reductase is significantly hampered thus contributing to increased N2O emissions. Acidic soils are found in over 30 % of the world's ice-free land and are formed through the influence of climate and geology, but soil acidification can also be strongly enhanced by human activities. Africa holds large regions of old, highly weathered acidic soil with low nutrient contents. Increasing the crop yields is necessary here to feed a growing population, and although fertilizers are generally unaffordable to small-scale farmers, subsidizing programs have increased fertilizer use, mostly of ammonium-based fertilizers. This has led to enhanced soil acidification and increased N2O emissions in many areas. In this study, I developed a protocol to enrich and isolate N2O reducing bacteria from acidic soils. Until now, only bacteria in the genus Rhodanobacter found in acidic European soils have shown the ability reduce N2O at low pH. One main goal of this work was to find out if this capacity is found also among other bacterial groups, and to obtain isolates that could be used for further studies of pH effects on N2O reduction. Such bacteria could potentially be used for the development of novel methods for N2O mitigation in acidic environments.

En av de viktigste årsakene til global oppvarming i dagens samfunn er utslipp av N2O. Gassen er regnet som en av de farligste klimagassene på grunn av sin lange levetid i atmosfæren og et globalt oppvarmingspotensial nesten 300 ganger større enn CO2. Denitrifikasjon i landbruksjord er en av de viktigste årsakene til N2O utslipp. Dette er en respiratorisk prosess hvor NO3 - blir redusert til N2 gjennom flere redoksreaksjoner og mellomprodukter. Prosessen utføres av et bredt spekter av organismer som kan inneha et fullt eller trunkert sett med denitrifikasjonsenzymer. Jord pH er en faktor som påvirker denitrifikasjonsprosessen, og spesielt reduksjonen av N2O. En jord pH lavere enn 6.1 fører til at syntesen av det funksjonelle N2O reduktase enzymet blir hemmet og dermed økte utslipp av drivhusgassen N2O. Jord med lav pH er et problem i over 30 % av verdens is-frie land og er forårsaket av flere naturlige årsaker, blant annet av klimaet og geologi, men også menneskelige aktiviteter som overbruk av kunstgjødsel som bidrar til ytterligere forsuring. Flere regioner i Afrika har sur jord ettersom den afrikanske jorden er gammel og forvitret og består av lite næringsstoffer. Økte avlinger i kontinentet er nødvendig for å tilfredsstille et økende behov for matproduksjon til en voksende populasjon, og selv om gjødsel generelt er for dyrt for småbønder, bidrar substituerings programmer med å øke bruken av gjødsel, hovedsakelig bestående av ammonium-basert kunstgjødsel. Dette har ført til forsuring av jordene og dermed økt utslipp av N2O i mange regioner. I denne studien var målet å utvikle en protokoll for å anrike og isolere organismer som kan redusere N2O ved lav pH fra sur jord. Foreløpig er det kun bakterier fra slekten Rhodanobater som er kjent for å utføre N2O reduksjon ved lav pH. Et mål i denne studien var derfor å undersøke om flere bakterier kan utføre denne reduksjonen, og i så fall identifisere isolater som kan brukes til å utvikle nye metoder for å redusere N2O utslippene.