N2O-respiring bacteria in organic fertilizers, for reducing N2O emissions

Matproduksjon bidrar til global oppvarming, og utslippene av klimagassen N2O fra jordbruksarealer utgjør en betydelig andel. Det har vist seg vanskelig å redusere disse N2O-utslippene utover de marginale effektene man oppnår ved å optimalisert gjødsling. Imidlertid har NRBOW-teamet utviklet en innovativ tilnærming som viser lovende resultater. Konseptet går ut på å bruke organisk avfall, som uansett skal tilbake til jorden, som vektorer for spesielle bakterier (NNRB) som kan redusere N2O til ufarlig nitrogen (N2) gass. Passende NNRB må være i stand til å vokse i store antall i organisk avfall, og må også være metabolsk aktive i jord for å fange opp N2O som ellers ville slippe ut i atmosfæren. En betydelig utfordring for NRBOW-prosjektet er å isolere egnede NNRB for ulike typer organisk avfall som brukes på dyrkede jorder, inkludert organisk gjødsel som forventes å ta en stadig større andel av gjødselmarkedet. Disse produktene, som nødvendigvis stabiliseres ved lufttørking, representerer en spesiell utfordring fordi NNRB må være i stand til å overleve tørkingen. Teknologien for å velge ut egnede NNRB er effektiv når det gjelder å anrike og isolere bakterier som reduserer N2O og som vokser raskt i organisk avfall, samt overlever i jord. Men de fleste isolatene bærer også genene for produksjon av N2O. Disse genene vil bli eliminert ved tilfeldige mutasjoner og genredigering ved bruk av CRISPR-teknologi. Det forventes at bruken av genredigerte bakterier vil være lovlig i nær fremtid. For at NNRB-teknologien skal bli lønnsom for bøndene og gjødselindustrien, må myndighetene implementere økonomiske insentiver, og dette vil kreve verifisering av effektene på N2O-utslipp under realistiske landbruksforhold. Dette er en viktig oppgave for NRBOW-prosjektet.

The project will develop feasible technologies that effectively reduce the emission of the greenhouse gas N2O from farmland, thus reducing the climate footprints of food production. The starting point is our recent groundbreaking research showing significant impact on N2O emissions by using waste from biogas digesters (digestates) as a substrate and vector for specially selected Non-denitrifying N2O-Respiring Bacteria (NNRB). These organisms are effective N2O-sinks because they respire the gas (to harmless N2) but are unable to produce it. We will expand the technology to a range of agronomically relevant waste materials as vectors for NNRB and adapt it for production of dry organic fertilizers. We will isolate new NNRB strains using our Sequential Dual Substrate Enrichment Culturing (SDEC), alternating between soil and organic waste as substrate for isolation of NNRB, guided by the genomics of the enrichment cultures. To selectively enrich drought-tolerant NNRB we will modify the SDEC technology by including heat treatment (selecting for endospore formers) and drought-treatment (selecting for drought tolerance) after each culturing. Our experience so far is that the majority of bacteria enriched by SDEC are not NNRB as they have the ability not only to consume N2O but to also produce it through denitrification. To make them useful NNRB, we will knock out their gene(s) coding for denitrification by gene editing (CRISPR) and random mutations. We will adopt a tiered approach to identify the most effective NNRB, starting with short term laboratory incubations, followed by chamber-incubations for the most promising, and finally testing under realistic agronomic conditions in field plot experiments. Our goal is to develop robust NNR-technology for the most relevant organic wastes, to act as strong sinks for N2O which persist in soil over at least a growth season. Finally, we will develop a sustainable packaging for the products to secure a desired shelf-life.