Nitrous oxide reduction in acidic environments

I dette prosjektet har vi studert biogenesen til lystgass-reduktase (N2OR), det eneste enzymet som kan nøytralisere den potente klimagassen lystgass (N2O). Denne gassen har et stort globalt oppvarmingspotensiale, mye sterkere enn metan (CH4) og karbondioksid (CO2). Samtidig som vi finner måter for å begrense utslippene av de to sistnevnte, er de antropogene utslippene av N2O økende, og de vil fortsette å øke med mindre vi setter inn tiltak. Hovedkilden til de antropogene lystgassutslippene er landbruk, og disse er direkte knyttet til matproduksjon som en følge av tilførsel av nitrogengjødsel. Lystgass (N2O) bidrar til ~ 35 % av det totale klimapådrivet fra matproduksjon. Det har lenge vært kjent at lystgassutslipp fra jord påvirkes av flere faktorer, og at jord-pH er en av de viktigste regulatorene. Lavere jord-pH medfører at mer N2O slippes ut til atmosfæren. Målet vårt med dette prosjektet var å avdekke hvordan pH påvirker syntesen av N2OR-proteinet, slik at vi bedre kan forstå problemet og deretter finne løsninger for å begrense utslippene av N2O. Vi har gått tverrfaglig til verks og slått oss sammen med to andre sterke laboratorier i Europa. Samarbeidet mellom NMBU og Universitetet i Freiburg førte til resultater som belyser hvorfor N2OR er mindre aktivt i sur jord: Enzymet modnes ikke ordentlig ved pH < 6, det mangler kobber-ioner som er kritiske for dets funksjon. Studier av modellorganismer viste at det ikke mangler kobber i bakteriecellene som vokste ved lav pH, men at det ikke kommer frem til N2OR. Våre funn støtter oppunder viktigheten av å ha standard rutiner for vedlikehold av god jord-pH, ikke bare for økt produktivitet, men også for å redusere klimagassutslipp i form av N2O.

The overall outcome of the project has been very successful. Despite some hurdles due to pandemics and initial difficulties, the objectives have been accomplished. I have gained a lot of experience and new expertise during my stay in Freiburg. Both partners UNI-FR and NMBU have gained from this collaborative work, as seen from join publications and plans for future collaborative work.There has been extensive transfer of knowledge both ways, our group in Ås, in particular, is now capable of conducting more refined biochemical studies investigating proteins, which have already been implemented in the work of two PhD candidates that I am co-supervising. The scientific outcome of the project. We have revealed the details of N2OR biogenesis under sub-optimal low pH conditions, corroborating our hypothesis that low pH hinders the Cu maturation of the protein. This solid and convincing results will help to understand the importance of soil pH management as a measure to mitigate agriculture-related N2O greenhouse gas emissions.

Nitrous oxide (N2O) is a potent greenhouse gas and the dominant ozone-depleting substance emitted in the XXI century. Several microbially mediated processes within the nitrogen cycle can generate N2O. Of these, denitrification is the dominant source in most ecosystems, and incomplete soil denitrification, in which nitrate or nitrite is reduced only to N2O, accounts for up to 60 per cent of the global emissions of this gas. Soil pH is one of the major controllers of N2O emissions, seen from the strong, negative correlation between soil acidity and N2O/ (N2O+N2) product ratio. The only known biological sink for N2O is the multi-copper enzyme nitrous oxide reductase (NOS) that reduces it to harmless N2. Assembly and copper maturation of NOS take place in the periplasmic space, requiring a complex machinery of accessory factors. Studies of the N2O emissions using the model organism Paracoccus denitrificans reproduced the effect of low pH observed in fields, and identified a plausible explanation: low pH impedes the synthesis of functional NOS, rather than its function, since NOS synthesized at high pH functioned well at low pH. Our working hypothesis to explain the lack of N2O reduction in bacteria growing in acidic pH conditions, is that the maturation of the NOS apoprotein is affected by H+ ions after its transportation to the periplasm. Recently we proved that NOS is not only synthesized at acidic pH, but also transported to the periplasm, which effectively pins down the pH-effect to impede maturation of NOS in the periplasm, as originally hypothesized. In this interdisciplinary project the ecophysiology and structural biology will be combined to unravel mechanisms causing N2O emissions from acidic environment. We expect that the investigation of the hitherto unknown efficient N2O reduction in Rhodanobacter will reveal substantial differences in NOS itself and/ or its maturation process that will provide clues for possible mitigation options for N2O greenhouse gas.