A mezőgazdaságban sokszor a legelső, a növekedést korlátozó elem a nitrogén. Ami elsőre paradoxonnak tűnhet, hiszen a levegőben gyakorlatilag korlátlan mennyiségben megtalálható, azonban a növények képtelenek megkötni a légköri nitrogént, azt csak vegyületeiben vehetik föl a talajból. Ennek következtében a nitrogénben gazdag, trágyaként használható anyagok kivételes becsben álltak a tizennyolcadik században. Annak idején amikor Justus von Liebig felfedezte, hogy a talajba kevert guanó (madarak felhalmozódott ürüléke) lényegesen növeli a termésátlagot, az egész világ megmozdult. 1856 -ban az USA külön törvényt hozott arra, hogy bármilyen lakatlan ″guanó szigetet″ azonnal birtokba vehet és a flottája az egész Csendes-Óceánt átfésülte ezek után a korábban értéktelennek tartott tengeri sziklák után kutatva. 1865 -ben Spanyolország igazi háborút vívott Peruval, Chilével, Ecuadorral és Bolíviával a Chincha szigetekért, pár kopár, lakatlan szikláért, amiknek egyetlen kincse az ott fészkelő madarak évezredek alatt felhalmozódott ürüléke az ekkori Peru bevételeinek kerek 60% -át adta.
A guanó, a fehér arany népszerűségét azonban derékba törte egy Fritz Haber nevű német kutató, aki kidolgozott egy eljárást, amivel 1909 -ben laboratóriumi körülmények között a levegő nitrogénjéből ammóniát állított elő. Ezt az eljárást Carl Bosch 1913 -ban már ipari méretekben is alkalmazhatóvá tette, nem túlzás ha azt állítjuk, hogy ők ketten találták ki a modern világot, nem véletlenül kaptak érte Nobel-díjat. A Haber-Bosch eljárással ugyanis magas nyomáson, magas hőmérsékleten, megfelelő katalizátor jelenlétében a légköri nitrogénhez hidrogéngázt adva, ammónia állítható elő, amiből nitrátvegyületek készíthetőek, amik már műtrágyaként használhatóak. A folyamathoz szükséges hidrogént földgázból nyerik. A folyamat energiaigényes, az egész emberiség üvegházhatású gázkibocsájtásának körülbelül 1-2% -át adja a Haber-Bosch eljárás. A jelentősége azonban tagadhatatlan, a mezőgazdaságban a termésátlag felét adja a hozzáadott műtrágya, e nélkül egyszerűen nem létezne a modern világ, főleg nem ekkora emberi népesség.
A trágya geopolitikai fontossága ezzel mit sem csökkent. Mivel a gyártás energiaigényes és földgázt használ nyersanyagként, éppen élőben láthatjuk, hogy az Orosz-Ukrán háború, két viszonylag kis gazdasági súlyú ország között hogyan kelt zavarokat az egész világ élelmiszerellátásában. Ugyan nem túl olvasott hírek, de a földgáz árának a drámai emelkedése miatt nem csak Magyarországon, de Európa-szerte leállították a műtrágyagyárakat. Sőt, láthatóan százötven év alatt mit sem csökkent a nitrogénvegyületek fontossága, a háború kitörésekor Oroszország leállította a műtrágyaexportot. A földgáz ugyan nem annyira ritka, különleges erőforrás, mint a guanó, de még mindig alapvetően meghatározza az életünket. Már ősz óta komoly élelmiszerválságra figyelmeztetnek a szakértők a műtrágyahiány miatt, de természetesen ez senkit sem érdekel egyelőre.
A műtrágyák használatának másik hátránya, hogy akármilyen gondosan adagolják is, valamennyi mindig megmarad, amit nem vesznek föl a növények, ez általában nitrogén-oxiddá alakul, ami kifejezetten káros üvegházhatású gáz, az emberiség kibocsájtásának a 6% -ért felelős. Vagyis a feladat adott: csökkenteni kellene a műtrágyafüggőségünket, de a jelenlegi rendszerben nem látható, hogyan lehetne kiváltani a műtrágyákat.
Ugyan létezik biológiai nitrogénkötés is, egyes baktériumok a pillangósvirágúak gyökérgümőiben élve a gazdával szimbiózisban légköri nitrogénből készítenek a növény számára hasznosítható vegyületeket. Mivel ezt baktériumok végzik, így eleve napenergiával működik, nem kell hozzá földgáz sem, ráadásul mivel ez egy szigorúan szabályozott együttműködés, így nem termel kezelhetetlen fölös mennyiségben nitrogénvegyületeket, vagyis megoldaná a Haber-Bosch eljárás energiaigényét, az üvegházhatású gázkibocsájtást és a geopolitikai feszültségek sem érintenének, ha a haszonnövények gyökérgümőiben élő baktériumok kötnének nitrogént helyettünk. Ez a mezőgazdaság Szent Grálja, nagyon régen keresik már a módját, hogyan lehetne mondjuk a kukoricán gyökérgümőket létrehozni, de sajnos a megoldás sokkal bonyolultabb annál, mint elsőre tűnik, éppen mivel ez egy szigorúan szabályozott együttélés.
Az első nehézség éppen ebből adódik: ismertek nitrogénkötő talajlakó baktériumok, azonban mivel a nitrogénkötés roppant energiaigényes feladat, ha a környezetükben nitrogénvegyületek találhatóak, lekapcsolják ezt a működésüket, felhagynak a nitrogénkötéssel. A mai cikkünk szerzői éppen ezen akartak segíteni.
Először kerestek egy talajlakó, nitrogénkötő baktériumot, ami eleve a kukorica gyökérzetében élt. Ez a már ismert Klebsiella variicola nevű baktérium általuk a költői 137 -esnek elnevezett törzse. Ennek a baktériumnak leírták már különböző törzseit, amik a gyökér felületén éltek, ám olyanok is amik a növényi szövetek közé is beköltöznek, a százharminchetes azonban csak a gyökér felületén szaporodott el. Ezek után kezdődött a munka cselesebb része. Ebben a Kv137 -es baktériumtörzsben két rövid genomi szakaszt kicseréltek, így kikapcsolhatatlanná tették a baktérium nitrogénkötő működését. Ezt nevezték el Kv137-1036 -nak, míg ellenőrzésképpen egy másik törzset is létrehoztak, amiben ugyanezen mutációk mellett egy hosszabb genomi szakasz kivágásával bekapcsolhatatlanná tették a nitrogénkötést, ez lett a Kv137-3738 törzs. Először a laboratóriumban próbálták ki a terméküket, a három baktériumtörzs nitrogénkötését egy szokásos mérési módszerrel tették láthatóvá (acetilén redukáló esszé), amin szépen látszik, hogy a bal szélső, talajból gyűjtött törzs ammónia hiányában nitrogént köt (1. ábra bal oldala), míg ammónia jelenlétében nem (1. ábra jobb oldala). Ám a középső Kv137-1036 törzs valamivel több nitrogént köt ammónia hiányában, ám ammónia jelenlétében is folytatja ezt a működést. A kontrollként használt harmadik törzs pedig egyáltalán nem köt nitrogént.
Ezek után megmérték, mennyi ammóniát juttatnak a környezetükbe ezek a baktériumtörzsek. Mint a második ábrán látható, a módosított baktériumtörzs választ ki ammóniát, a másik kettő nem. Ezek alapján ez sokkal alkalmasabb mezőgazdasági növények trágyázására, mint a vadonban talált baktérium. Ez látható a második ábrán.
A kifejlesztett baktériumtörzsből egy fagyasztva szárított terméket készítettek, így porként forgalmazható, sokkal tovább eláll, elég a szántóföldön feloldani táptalajban. A mérések szerint a port harminckét hétig szobahőn tárolva is még használható mennyiségű élő baktériumsejtet tartalmaz, így alkalmazható üzemi körülmények között is.
Az új baktériumot a szántóföldön is kipróbálták, 2019-2020 -ban az USA területén harmincnyolc gazdaságban trágyázták ezzel a vetést, kontrollként a szokásos módon kezelt táblákat használtak. Így körülbelül három százalékos termésátlag-növekedés tapasztaltak. Ami önmagában szerintem nagyon hülye kísérlettervezés, ugyanis az anyagok és módszerek fejezetben kifejtik, hogy a kontrollként használt és a kísérleti táblákon is ugyanúgy a szokásos mennyiségű nitrogénműtrágyát használták. Ami ugye éppen az a mennyiségű nitrogén, ami mellett a nitrogénhiány már nem korlátozza a növények növekedését. Így pont az nem látszik ezekből az adatokból, hogy csökkentené a műtrágyafelhasználást ez a technológia, mivel eleve elég nitrogént szórtak ki a földekre. Ha én terveztem volna a vizsgálatot, én a szokásos mennyiségű műtrágyával kezelt táblák mellé több kísérleti szántást terveztem volna, egyre csökkenő mennyiségű műtrágyakezelésekkel, hogy láthatóvá tegyék, mennyivel lehet ezzel a baktériummal nitrogénnel ellátni a terményeket, mennyi műtrágya spórolható meg vele.
A másik kérdés a munkával kicsit messzebbre vezet: a hamarosan életbe lépő szabályozás szerint ez a baktérium nem számít GMO -nak az USÁ -ban, hamarosan korlátlanul használhatják majd az ottani farmerek. Az EU -ban viszont továbbra is GMO -nak minősül, szándék sincs a szabályozás módosítására, az itteni parasztok belátható időn belül nem fognak műtrágya helyett Kv137-1036 baktériumport szórni a földjükre. Ez bizony egy újabb környezetbarát technológia, amit eleve betiltottunk, tisztán ideológiai okokból.
Wen, A., Havens, K. L., Bloch, S. E., Shah, N., Higgins, D. A., Davis-Richardson, A. G., ... & Temme, K. (2021). Enabling Biological Nitrogen Fixation for Cereal Crops in Fertilized Fields. ACS Synthetic Biology, 10(12), 3264-3277.
