Norske forskere vil bruke bakterier i jorda til å kutte klimagassutslipp fra matproduksjon. Nå er forskningen publisert i Nature.
Nitrogengjødsling fører til utslipp av klimagassen lystgass (N2O) fra landbruksjord, og dette står for en betydelig andel av landbrukets samlede klimagassutslipp. Det har vært en rådende oppfatning at disse lystgassutslippene ikke er til å unngå.
Nå har forskere ved NMBU funnet en måte å redusere utslippene. De har identifisert bakterier som kan «spise» lystgassen når den dannes i jorda, slik at gassen ikke finner veien ut i atmosfæren. Forskerne mener at denne metoden alene har potensial til å redusere europeiske lystgassutslipp fra landbruket med en tredjedel.
Forskningen vekker interesse også utenfor Norge. 29. mai 2024 ble den publisert i Nature, et av verdens mest anerkjente vitenskapelige tidsskrift.
Et gjennombrudd
Lars Bakken er professor ved NMBU og har ledet studien.
– Dette er en hyggelig anerkjennelse av at vi virkelig har fått til noe. Publisering i Nature viser at vi har gjort et gjennombrudd i bestrebelsene på å redusere N2O-utslipp til atmosfæren, og at det kunnskapsmessige grunnlaget for vår løsning er solid, sier Bakken.
I fagfellevurderingen av studien hos Nature skriver en av de eksterne ekspertene (oversatt fra engelsk, red.anm.):
«Forfatterne har utført enestående grunnforskning på bakteriell N2O-reduksjon, og har overført disse funnene til en viktig anvendelse i den virkelige verden. Dette er et viktig bidrag med transformativ karakter, og en bioteknologi for å dempe N2O-utslipp har vidtrekkende implikasjoner.»
– Studien som nå er publisert i Nature, viser hvor viktig det er at vi som samfunn investerer i grunnforskning. Resultatene bygger på forskning som ble startet for nesten 20 år siden og nå begynner vi å se hvilket potensial det har for å bidra til å løse viktige samfunnsutfordringer. Det er en utrolig flott anerkjennelse å publiseres i Nature, og jeg er veldig stolt over at våre forskere her på NMBU tar en så tydelig rolle i disse viktige problemstillingene, sier Sigrid Gåseidnes, dekan ved fakultet for kjemi, bioteknologi og matvitenskap ved NMBU.
Problemet lystgass
Planter trenger mye nitrogen for å vokse. Et produktivt landbruk må derfor ha rikelig tilførsel av nitrogenholdig gjødsel. Dette var en flaskehals i jordbruket inntil Fritz Haber utviklet teknologi for industriell produksjon av nitrogengjødsel fra luftens nitrogen. Denne teknologien har bidratt til at verdens matproduksjon har holdt tritt med befolkningsøkningen i 120 år.
Men det finnes mikroorganismer i jorda som produserer klimagassen lystgass (N2O), og gjødsling stimulerer denne produksjonen. Denne klimagassen har 300 ganger sterkere effekt enn CO2, og N2O-utslippet fra landbruksjord utgjør i dag cirka en tredjedel av landbrukets samlede klimagassutslipp.
Jordbruket er dermed blitt den viktigste bidragsyter til lystgass i atmosfæren.
Fordi det er bakteriene i jorda som regulerer lystgassutslippene, har det vist seg svært vanskelig å redusere disse utslippene. Jordbakteriene er vanskelige å kontrollere.
Bakterier kan gjøre jobben
Forskere ved NMBU har i over 20 år drevet grunnforskning på hvordan mikroorganismer i jorda omsetter nitrogen. De har blant annet studert grundig hva som skjer når mikrobene ikke har tilgang til nok oksygen, en tilstand kalt hypoksia.
Når vi gjødsler (og når det regner), blir noen deler av jorden hypoksisk. Ettersom mikrobene da ikke får tilgang til oksygen, tvinges de til å finne andre måter å skaffe seg energi på. Mange mikrober kan bruke nitrat i stedet for oksygen, og gjennom en prosess som kalles denitrifikasjon, gjør de nitratet om til andre gasser. En av disse er altså lystgass, og på denne måten bidrar mikroorganismene til klimagassutslippene.
Forskerne har funnet ut mye om hvordan denne prosessen reguleres, og de har utviklet en unik måte å studere denitrifikasjon på. De bruker blant annet robotiserte løsninger både i laboratoriet og ute i felt, og har utviklet en egen robot som kan gjøre sanntidsmålinger av lystgassutslipp fra jorda.
Løsningen for å redusere lystgassutslippene, er å bruke en spesiell type bakterie som mangler evnen til å produsere lystgass, men som kan redusere lystgassen til harmløs nitrogengass (N2).
– Hvis vi dyrker disse mikrobene i organisk avfall som brukes som gjødsel, kan vi redusere lystgassutslippet. Dette kan bety en løsning på problemet med lystgassutslipp fra landbruket, sier Lars Bakken.
– Men det var ikke lett å finne den rette bakterien. Den må kunne vokse raskt i organisk avfall, fungere godt i jord, og leve lenge nok til å redusere N2O-utslippet gjennom en hel vekstsesong. Det var også en utfordring å gå fra å teste dette i laboratoriet til å prøve det ute i naturen, og å sørge for at det faktisk reduserte lystgassutslippene i felt.
Les mer om metoden og forsøkene i denne saken: Ny metode kan redusere lystgassutslipp fra landbruket med 95 prosent
Potensiale for hele Europa
Forskerteamet jobber nå videre med å finne flere bakterier som «spiser» lystgass, og å teste disse i ulike typer organisk avfall som brukes til gjødsel verden over.
Målet er å kunne finne et bredt spekter av bakterier som kan fungere i forskjellig type jord og med ulike gjødselblandinger. I Nature-artikkelen skriver de at denne metoden alene har potensial til å redusere europeiske lystgassutslipp fra landbruket med opp mot en tredjedel.
I mars 2024 startet de et nytt forskningsprosjekt for å ta de bioteknologiske løsningene videre. Prosjektet har støtte fra Forskningsrådet og industripartnere er VEAS, Yara og N2Applied.
Veien videre
Forskningsteamet har store planer for veien videre.
– Vi skal gjøre teknologien mer robust ved å finne flere bakteriestammer, og ikke minst måle effekten på N2O-utslipp under varierende betingelser. Oppskalering fra felteksperimenter til landbruk blir en stor utfordring. Vi vil også utvikle teknologi som gjør det mulig å lage gjødselmidler som inneholder N2O-spisende bakterier. Dette kan bli et stort produkt internasjonalt, sier Lars Bakken.
Han forteller at de framover vil rekruttere flere forskere og fortsette arbeidet med å finne nye bakterier som kan være egnet for et bredt spekter av organisk avfall.
– Vi vil intensivere arbeidet med å gjøre det mulig å bruke teknologien i praktisk jordbruksdrift. Det er ikke trivielt, sier han.
– Vi vil også lage en ny generasjon feltroboter for måling av lystgass. Dette skal vi gjøre sammen med mekatronikk-firmaet ADIGO, som er en pionerbedrift for robotisering av landbruket, og som laget vår første feltrobot for 15 år siden. Den er fortsatt den eneste i sitt slag i verden, men gammel, sliten, og litt tungvinn.
Han understreker at behovet for nye og bedre feltroboter er presserende.
– Vi trenger dem for å dokumentere virkningen av våre tiltak mot N2O-utslipp under realistiske agronomiske betingelser. Vi er nå på jakt etter friske penger for utvikling av den nye generasjonen feltroboter. For å betjene vår egen forskning, men vi forventer internasjonal interesse, og dermed et marked.
Bakken mener det er to ting som må til før teknologien kan brukes av alle bønder i Europa.
– Først og fremst må vi finne praktiske løsninger, og så må vi kunne dokumentere at det virkelig reduserer N2O-utslippet under realistiske agronomiske betingelser. Slik dokumentasjon er utrolig viktig: forutsetningen for at vår teknologi skal tas i bruk er at myndighetene etablerer insentiver (pisk eller gulrot) som sikrer lønnsomhet for bonden. Myndigheten vil ikke innføre slike insentiver før de vet at det virker; forståelig nok.
Om artikkelen
Se også Nature News and Views: Nitrogen-hungry bacteria added to farm soil curb greenhouse-gas emissions
Artikkelforfattere:
Fra NMBUs fakultet for kjemi, bioteknologi og matvitenskap: Lars R Bakken, Elisabeth Gautefall Hiis, Silas H. W. Vick, Lars Molstad, Kristine Røsdal
Fra VEAS WWTP, Slemmestad: Kjell Rune Jonassen
Fra International Institute for Applied Systems Analysis i Østerrike og Institute of Environmental Engineering ved University of Zielona Góra i Polen: Wilfried Winiwarter
Om lystgass
- Lystgass regnes som den tredje viktigste klimagassen, etter CO2 og metan.
- Lystgass har kjemisk formel N₂O og har kjemisk navn dinitrogenoksid.
- I Norge kommer mesteparten av de menneskeskapte lystgassutslippene fra bruk og produksjon av gjødsel.
- Både nitrogenholdig mineralgjødsel (kunstgjødsel) og husdyrgjødsel fører til utslipp av lystgass.
- I 2020 kom 77 prosent av lystgassutslippene fra bruk av gjødsel og andre kilder i jordbruket, mens 10 prosent kom fra industriell produksjon av mineralgjødsel. Det viser tall fra Statistisk sentralbyrå (SSB).
Kilder: Store norske leksikon og Miljødirektoratet
Om forskningsgruppen NMBU Nitrogen Group
- Forskere i NMBU Nitrogen Group (NMBUNG) har drevet strategisk grunnforskning på mikrobiell nitrogenomsetning i 20 år.
- Dette for å forstå mikrobenes økologi og fysiologi, og ikke minst hvordan de takler hypoksia, dvs. manglende tilgang på oksygen. Den regulatoriske responsen på hypoksia spiller nemlig en nøkkelrolle for N2O-utslippet fra jord: Hver gang det regner, og hver gang vi tilfører organisk gjødsel, blir deler av jordvolumet hypoksisk, og dette tvinger bakteriene til å finne en erstatning for oksygen. Mange bakterier kan bruke nitrat (NO3-) som erstatning for oksygen, og reduserer dette trinnvis til N2 via N2O. Dette kalles denitrifikasjon. Gjennom forskning på det genetiske og regulatoriske grunnlaget for denitrifikasjon har NMBUNG etablert en viktig kunnskapsbase.
- Forskningsgruppen har også utviklet en unik eksperimentell plattform, med robotiserte løsninger både for laboratoriet og for måling av N2O utslipp i feltforsøk. Begge deler er viktige forutsetninger for at gruppen har kommet frem til en mulig løsning på landbrukets N2O-problem.
- Forskerne har funnet en denitrifiserende bakterie som mangler genene for produksjon av N2O, og som dermed er et netto «sluk» for N2O: En slik N2O-respirerende bakterie (NRB) kan ikke lage N2O, men kan «spise» N2O som produseres av andre bakterier. Man dyrker NRB i organisk avfall, som så brukes som gjødsel, som dermed reduserer N2O-utslippet.
- Det har tatt lang tid å finne en passende NRB: den må kunne vokse til ca en milliard pr g i det organiske avfallet, være aktiv i jord, og ikke minst overleve lenge nok til å redusere N2O-utslippet gjennom en hel vekstsesong.
- En annen utfordring har vært å «skalere opp» fra laboratorie- til feltforsøk, og ikke minst å dokumentere robust reduksjon av N2O utslipp i felt.