«Без посредников»: ученые обещают, что азотные удобрения уйдут в прошлое

В течение десяти лет ученые «научат» растения усваивать азот напрямую из воздуха, что постепенно позволит отказаться от азотных удобрений. Об этом заявил канадский биохимик Аллен Гуд на страницах научного журнала Science, 25 февраля сообщает корреспондент ИА Красная Весна.

За связывание атмосферного азота (N₂) отвечает фермент нитрогеназа. Она помогает азотфиксирующим бактериям восстанавливать молекулу N₂. Если встроить ген бактериальной нитрогеназы в геном растения, то теоретически можно «заставить» это растение связывать азот «без посредников». Такие попытки ведутся с 2016 года, однако пока ученым удалось лишь показать принципиальную возможность этого. Тем не менее Аллен Гуд настроен оптимистично. «При грамотном финансировании в течение десятилетия возможно создать трансгенное растение, которое будет усваивать азот с приемлемой скоростью», — считает он.

Отметим, что азот — основной химический элемент, влияющий на урожайность растений. Непосредственно усваивать атмосферный азот могут только бобовые, на корнях которых в качестве симбионтов живут азотфиксирующие бактерии. Все остальные растения всасывают его из почвы в растворенном виде — в форме ионов аммония (NH₄⁺) и нитрат-ионов (NO₃^-). Чтобы обеспечить растения требуемым количеством азота и повысить урожайность, с середины XX века в сельском хозяйстве широко применяются азотные удобрения.

Отметим также, что на них во всем мире ежегодно тратится около $100 млрд. Что же до косвенных убытков от сопутствующего загрязнения окружающей среды, то они еще больше. В одних только США экологический ущерб от применения азотных удобрений оценивается в $157 млрд. По оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC), из каждого килограмма азотных удобрений образуется около 10 г оксидов азота (NO_x). Эти соединения — прежде всего NO₂ — относят к числу основных промышленных загрязнителей атмосферы. Оксиды азота вызывают кислотные дожди, приводят к заболеваниям дыхательных путей, а по некоторым данным и разрушают озоновый слой.

Это порождает сразу две проблемы — если страны «третьего мира», которым азотных удобрений не хватает, страдают от неурожаев, то развитые государства сталкиваются с экологическими проблемами при их использовании. Гипотетический отказ от этих удобрений произвел бы в сельском хозяйстве революцию, которой не знала отрасль со времен так называемой «зеленой революции» 1940–1970 годов.

Маргарет Тетчер когда-то обмолвилась, что «одно открытие Фарадеем закона электромагнитной индукции дало доход больший, чем Лондонская биржа за все годы ее существования». Если ученые действительно сумеют «научить» сельскохозяйственные культуры усваивать азот из атмосферы, то это затмит экономическую выгоду от азотных удобрений за все десятилетия их применения. Однако исследователям придется столкнуться с множеством проблем, основных из которых три.

Во-первых, непонятно, сколько копий гена нитрогеназы нужно встраивать в геном растения, чтобы получить активный фермент.

Во-вторых, у нитрогеназы, как и большинства ферментов, есть кофакторы — вспомогательные молекулы, без которых азот усваиваться не будет. Гены этих кофакторов нужно вводить в геном растения наряду с геном самой нитрогеназы. Дизайн таких генно-инженерных манипуляций детально пока не проработан.

В-третьих, известно, что нитрогеназа превращает молекулу N₂ в ион NH₄⁺. Таким образом, в трансгенных растениях эти ионы будут не всасываться извне, а образовываться во внутриклеточном пространстве. И всё бы ничего, если бы они не были токсичны для растительных клеток.

Серьезность этих проблем позволяет усомниться, что они будут решены в ближайшие несколько лет. Но если подобные азотфиксирующие сельскохозяйственные культуры за это время и удастся создать, то они вряд ли будут доступны для стран третьего мира. Ведь беднейшие государства Африки и Латинской Америки не могут обеспечить себя даже азотными удобрениями, не говоря уже о чем-то большем.