Azot nie z gazu ziemnego, czy to możliwe?

Żeby powstał amoniak, a z niego nawóz azotowy, azot musi zostać połączony z wodorem, uzyskiwanym wraz z potrzebną do przebiegu syntezy energią z gazu ziemnego (metoda Habera i Boscha). Gaz stanowi ok. 80% kosztów produkcji nawozów azotowych. Problemem obecnie są kosmiczne ceny gazu ziemnego, a w najbliższej przyszłości również poszukiwanie alternatyw bez udziału paliw kopalnych.

Rozwiązaniem będzie „Zielony” amoniak?

Kroki w tym kierunku poczyniły firma Yara i i szwedzka spółdzielnia rolnicza Lantmännen. Już w 2019 r. rozpoczęły testowanie komercyjnej opłacalności takich nawozów. Do produkcji amoniaku posłuży norweska energia wodna (zamiast gazu). Całe przedsięwzięcie jest realizowane w ramach programu zrównoważonego rozwoju „Klimat i natura” i pozwoli na zmniejszenie śladu węglowego o 80–90%. Innowacyjne „zielone nawozy” będą produkowane od 2023 r. Jeszcze nie wiadomo, jaka będzie ich cena.

A skąd wodór do produkcji amoniaku? Otóż „zielony” wodór powstaje w procesie elektrolizy wody przy wykorzystaniu OZE. Kolejny projekt dotyczący „zielonego” amoniaku zaplanowano w Holandii, gdzie Yara i Orsted wykorzystają elektrownię wiatrową offshore do zasilania elektrolizera o mocy 100 MW. Odnawialny wodór posłuży do produkcji amoniaku w zakładzie Yara w Sluiskil. Uruchomienie projektu jest planowane na lata 2024–2025. 

W Stanach Zjednoczonych CF Industries Holdings przestawia swoją fabrykę w Donaldsonville w Luizjanie na produkcję „zielonego” amoniaku. Projekt ma być gotowy w przyszłym roku, ze wstępną produkcją 20 tys. ton. Do 2026 roku produkcja może osiągnąć 450 tys. ton, a do 2028 – 900 tys. ton. Firma przewiduje, że na wodorze, który będzie sprzedawać, osiągnie niemal 10-krotnie wyższą marżę niż obecnie na nawozach.

Bakteryjne fabryki azotu

Potęgę przyrody widzimy m.in. w asymilacji azotu atmosferycznego. Bez gazu ziemnego, bez elektrolizy wody. Na kilka sposobów. Zdolność wiązania azotu cząsteczkowego (N2) i przekształcania go w amoniak mają bakterie azotowe. Część z nich (Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium) żyje w symbiozie z roślinami – głównie bobowatymi i to na nie przypada 70% związanego azotu, część to drobnoustroje wolno żyjące i wiążące azot samodzielnie (Arthrobacter, Azotobacter, Azospirillum, Beijerinckia, Pseudomonas, Bacillus).

Zacznijmy od symbiontów. Co każda ze stron wnosi do wzajemnie korzystnego układu?

Wkład bakterii polega na przekształcaniu (redukcji) azotu atmosferycznego N2 do formy amonowej NH3 lub aminokwasu glutaminy – przekazywanych komórkom roślinnym. Wkład rośliny to zaopatrywanie bakterii w składniki odżywcze, zwłaszcza w cukry (źródło energii), konieczne do zajścia reakcji redukcji azotu atmosferycznego.

Każdy rodzaj rośliny bobowatej żyje w symbiozie z innym, charakterystycznym tylko dla niego gatunkiem bakterii. Tylko groch i bobik mają wspólny gatunek symbionta. 

Badania przeprowadzone w Instytucie Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa wykazały powszechną obecność w glebach Polski bakterii symbiotycznych koniczyny, grochu i bobiku. Około 1/3 polskich gleb nie zawierała symbiontów łubinu. Gleby są również mało zasobne w bakterie współżyjące z lucerną. Introdukowana (z Chin) do Polski soja także nie znajduje dla siebie w naszych glebach symbiontów.

Zasobność gleby w bakterie brodawkowe zależy od powtarzalności uprawy roślin bobowatych na danym polu. W sezonie, kiedy brakuje rośliny gospodarza, bakterie bytują w glebie jako saprofity, a ich liczebność w środowisku glebowym i możliwość przetrwania zależą od cech genetycznych oraz czynników glebowo-klimatycznych i agrotechnicznych.

fot. Brodawki na korzeniach roślin bobowatych pojawiają się w trakcie wzrostu roślin. Bakterie działają najbardziej intensywnie przed kwitnieniem roślin.

Szczepienie nasion. Jak i kiedy?

Proces symbiozy jest zapoczątkowywany już podczas kiełkowania nasion. Dlatego nasiona należy zaszczepić przed siewem. Szczepienie polega na wymieszaniu nasion ze szczepionką (bakterie na nośniku torfowym, perlicie, biowęglu lub węglu brunatnym), wymieszaną z ciepłą wodą. Zaprawiarka musi być dokładnie umyta po innych środkach ochrony roślin, które mogą okazać się zabójcze dla bakterii. Nasiona powinny być wysiane jak najszybciej po zaszczepieniu, żeby zachować bakterie przy życiu.

W sprzedaży bywają też szczepionki płynne, aplikowane do gleby za pomocą opryskiwaczy lub siewnikami wprowadzającymi szczepionkę w trakcie siewu w redlinę, pod nasiona. Szczepionki mogą być też produkowane w postaci granulatu – bakterie są umieszczane we wnętrzu granulek i w takiej formie przeznaczone do bezpośredniego wysiewu do gleby, równocześnie z nasionami.

Do zapewnienia prawidłowego przebiegu symbiozy trzeba utrzymywać pH gleby na odpowiednim poziomie. Dla przykładu Rhizobium pisi – bakterie współżyjące z grochem działają najbardziej intensywnie przy pH 6–7. Z kolei Rhizobium lupini – bakterie na łubinie wolą pH niższe – 5,5–6. Dla większości gatunków bakterii brodawkowych optymalne jest pH powyżej 6,0.

Największa intensywność wiązania azotu występuje przed kwitnieniem rośliny gospodarza. Po zakończeniu kwitnienia proces symbiozy słabnie. Pula węglowodanów odprowadzanych do brodawek spada, co prowadzi do degeneracji bakteroidów i ich hydrolizy przez enzymy rośliny gospodarza.

Symbioza inaczej? Bakterie na nadziemnych częściach roślin!

Inny rodzaj symbiozy prezentują bakterie Methylobacterium symbioticum SB0023/3 T, które nie zasiedlają korzeni, jak opisane powyżej symbionty, a część nadziemną roślin – łodygi i liście. Wiązanie azotu atmosferycznego odbywa się w taki sam sposób, jak w przypadku bakterii brodawkowych przy udziale kompleksu nitrogenazy. Methylobacterium symbioticum SB0023/3 T wchodzi w symbiozę z wieloma gatunkami roślin – od zbóż, rzepaku, kukurydzy, ziemniaka, buraka cukrowego do warzyw i gatunków sadowniczych. Bakterie Methylobacterium symbioticum przez cały okres wegetacji roślin bytują w nich i wiążą azot atmosferyczny.

„Wolni strzelcy” zwiększają plony kapusty, kalafiora, pomidorów i sałaty

Bakterie wolno żyjące wiążą od około 1 do 50 kg N/ha rocznie. Zawierają nitrogenazę – enzym, który redukuje azot atmosferyczny do jonu amonowego (NH4+). Azotobacter vinelandii może wytwarzać aż trzy rodzaje nitrogenazy, w zależności od warunków środowiskowych. 

Efektywność wiązania azotu atmosferycznego przez bakterie niesymbiotyczne nie jest duża. Bakterie z rodzaju Azotobacter mogą wiązać co najmniej 10 mg N na 1 g zużytego cukru. Wynika to z faktu, że wolno żyjące asymilatory azotu przeprowadzają wiązanie tylko w czasie wzrostu i jedynie na potrzeby metabolizmu komórek, a więc nie wydzielają związanego azotu do środowiska. Przedostaje się on do środowiska glebowego dopiero w momencie obumarcia komórek bakterii. Ocenia się, że dostarczają kilkanaście kg N/ha/rok. Trzeba też wiedzieć, że do związania 12–16 mg azotu przy zużyciu 1 g glukozy bakterie te wymagają w pożywce 0,36 mg Ca, 0,38 mg K, 0,35 mg Mg, 2,46 mg P i 0,49 mg S. Wysokie dawki soli potasowych, sodowych wpływają negatywnie na rozwój i wiązanie azotu przez te bakterie. Odtruwające działanie mają odpowiednio wysokie dawki wapnia. Dowiedziono również stymulującego działania molibdenu i żelaza na wiązanie azotu przez tę grupę bakterii. Zaobserwowano spadek liczebności bakterii z rodzaju Azotobacter przy dawkach azotu przekraczających 80 kg/ha. Bakterie Azotobacter są wrażliwe na kwaśny odczyn gleby i najczęściej spotyka się je w glebach o odczynie obojętnym lub lekko zasadowym.

Bada się efekty wprowadzania do gleby różnego rodzaju szczepionek, zawierających bakterie z rodzaju Azotobacter na różne gatunki roślin uprawnych. Potwierdzono korzystny ich wpływ na zwiększenie plonów wczesnych kapust, kalafiorów, pomidorów i sałaty. 

Zdolność do biologicznego wiązania azotu atmosferycznego nie jest jedyną właściwością sprawiającą, że bakterie z rodzaju Azotobacter są niezwykle pożyteczne dla rolnictwa. Bakterie te wytwarzają szereg związków stymulujących wzrost i rozwój roślin, tj. auksyny, gibereliny i cytokiny. Ponadto różne gatunki Azotobacter tworzą metabolity, działające grzybobójczo np. na Botrytis cinerea czy Fusarium sp. 

Co jest na rynku?

• Agrarius - bi azot – doglebowy preparat bakteryjny przyspieszający rozkład materii organicznej oraz wzbogacający glebę w łatwo przyswajalny dla roślin azot, pochodzący z atmosfery. Jest oparty na pojedynczych, wyselekcjonowanych bakteriach Bacillus azotofixans w ilości 1 × 109 JTK w 1 g produktu. Seria preparatów bakteryjnych bi opartych na ukierunkowanych rodzajach bakterii brodawkowych, wspomagających uprawę roślin bobowatych (grubo i drobnonasiennych). Bakterie osadzone na sterylizowanym, rozdrobnionym torfie. Przeznaczone są do zaprawiania materiału siewnego.
  bi soya – wyselekcjonowane czyste kultury bakterii symbiotycznych Bradyrhizobium japonicum w ilości 2 × 109 JTK w 1 g produktu, przeznaczone dla soi.
  bi bean – wyselekcjonowane czyste kultury bakterii symbiotycznych Rhizobium phaseoli w ilości 3 × 109 JTK w 1 g produktu, przeznaczone dla fasoli.
  bi lupin – wyselekcjonowane, czyste kultury bakterii symbiotycznych Rhizobium lupini w ilości 2 × 109 JTK w 1 g produktu, przeznaczone dla łubinu, białego, żółtego, wąskolistnego, seradeli.
  bi symbio – czyste kultury bakterii symbiotycznych Rhizobium leguminosarum w ilości 3 × 109 JTK w 1 g produktu, przeznaczone dla grochu, peluszki, koniczyny, bobu, bobiku, soczewicy.
• Agrosimex - Rhizosum N plus – zawiera bakterie Azotobacter salinestris, wiążące azot atmosferyczny. Jest to nowy szczep bakterii, który jeszcze sprawniej wiąże azot. Zawiera 80% substancji organicznej w s.m. oraz 0,45% żelaza i 4,5 manganu rozpuszczalnego w wodzie. Ma świadectwo kwalifikacji produktu do stosowania w rolnictwie ekologicznym.
• Bio-Gen/Bio-Lider - AzotoPower – zawiera bakterie z rodzajów Azotobacter i Arthrobacter. Są to wolno żyjące i niesymbiotyczne mikroorganizmy, znajdujące zastosowanie w różnego rodzaju uprawach, asymilujące 15–50 kg N/ha rocznie. Stosowanie w uprawach warzywniczych: przedsiewnie lub przed wysadzeniem w formie oprysku doglebowego w dowolnej fazie aktywnego wzrostu w formie oprysku nalistnego.
  Seria RHIZOBIUM – preparaty zawierające czyste liofilizaty bakterii brodawkowych w koncentracji min. 109. Gwarantują wysoką koncentrację i żywotność bakterii, co wpływa na ich stabilność i wysoką powtarzalność działania. Do zaprawiania nasion w mieszalnikach metodą na sucho lub półsucho. Seria RHIZOBIUM obejmuje preparaty dla: koniczyny (Rhizobium trifolium), seradeli (Rhizobium ornitophus), lucerny (Rhizobium medicago), łubinu (Rhizobium lupinus), wyki (Rhizobium vicia), grochu (Rhizobium pisum), soi (Rhizobium glycin), bobiku (Rhizobium vicia), fasoli (Rhizobium phaseolus).
• Agrobios - AzotoVip – naturalny środek mikrobiologiczny zawierający kompleks bakterii azotowych – Paenibacillus polymyxa, Azotobacter chroococcum. Wiąże azot atmosferyczny stanowiąc jego dodatkowe źródło 15–30 kg/ha. Dodatkowy azot jest dostępny przez cały cykl wzrostu roślin. Ułatwia ukorzenianie kiełkujących nasion, polepszając ich głęboki rozwój. W uprawie warzyw do stosowania doglebowo przed siewem lub w trakcie okresu wegetacyjnego w dawce 2 l/ha na 200–300 l wody.
• Intermag - Bactim nutrii n+ – biopreparat poprawiający zaopatrzenie roślin w azot. Zawiera bakterie Azotobacter sp. w ilości co najmniej 108 jtk/ml. Bakterie te pochodzą z naturalnego środowiska glebowego. Zalecane opryskiwanie średniokropliste. W zespole uprawek przedsiewnych – preparat wymieszać płytko z glebą, w trakcie zabiegu unikać dużego nasłonecznienia – zabieg najlepiej wykonać wieczorem. Po wschodach roślin uprawnych preparat stosować w warunkach atmosferycznych, które zapewnią przemieszczenie się mikroorganizmów do gleby.
  Bactim Starter – preparat zawiera zestaw bakterii glebowych i ryzosferowych z rodzaju Azospirillum, Azotobacter, Bacillus oraz Pseudomonas. Biopreparat przeznaczony jest do zaprawiania nasion wszystkich gatunków roślin uprawnych, uprawianych z siewu wprost do gruntu. Poprawia zaopatrzenie siewek w azot. Do zaprawiania nasion na sucho lub mokro.
• Corteva - Blue N – nowatorski produkt wspierający odżywianie roślin azotem, zawierający bakterie Methylobacterium symbioticum SB0023/3 T, które w odróżnieniu od innych bakterii wiążących azot, zasiedlają część nadziemną roślin. Asymilacja azotu odbywa się poprzez liście, przy użyciu nitrogenazy. Bakterie intensyfikują wzrost i rozwój przez cały cykl wegetacji dostarczając azot z powietrza, niezależnie od ilości azotu dostępnego w glebie. Preparat jest stosowany nalistnie, wnika do roślin przez otwarte aparaty szparkowe w liściach, a następnie swobodnie przemieszcza się wewnątrz tkanek, docierając w pobliże fotosyntezujących komórek. Badania wskazują na dostarczanie średnio ekwiwalentu 76 kg N w kukurydzy. Dostarczanie ok. 30 kg N zaobserwowano w co najmniej 95% zastosowań a ilości 100 kg N w kilkunastu procentach (18%) doświadczeń. Produkt stosuje się nalistnie w trakcie wegetacji roślin. Po zastosowaniu bakterie kolonizują całą roślinę i pozostają w niej do końca wegetacji.
• Mykoflor - NITROFLORA – produkt naturalny, zawierający wyselekcjonowane czyste kultury bakterii brodawkowych z rodzaju Rhizobium lub Bradyrhizobium. Ma postać zawiesiny biomasy bakterii brodawkowych w odżywczym roztworze ochronnym. Produkt przeznaczony jest do wydajnej inokulacji (szczepienia) roślin z rodziny bobowatych, takich jak soja, łubin, groch, fasola, lucerna, seradela, wyka, peluszka, bobik, bób i soczewica. W zależności od gatunku rośliny, dla którego jest przeznaczony, preparat zawiera jeden lub więcej aktywnych szczepów bakterii brodawkowych z rodzaju Rhizobium lub Bradyrhizobium w odpowiednio dobranych proporcjach. Do bezpośredniego szczepienia nasion przed wysiewem.
• BASF - HiStick Soy – szczepionka do stosowania w uprawie soi. Zawiera żywe komórki bakterii z grupy Rhizobium (Bradyrhizobium japonicum). Produkt dostępny w opakowaniu 0,4 kg – ilość wystarcza dla 100 kg nasion soi.
  HiStick Alfalfa – szczepionka do stosowania w uprawie lucerny. Zawiera żywe komórki bakterii z grupy Rhizobium (Sinorhizobium meliloti). Produkt dostępny w opakowaniu 0,4 kg – ilość wystarcza dla 45–50 kg nasion lucerny.
  HiStick Lupin – szczepionka do stosowania w uprawie łubinu. Zawiera żywe komórki bakterii z grupy Rhizobium (Bradyrhizobium sp. lupinus). Produkt dostępny w opakowaniu 0,4 kg – ilość wystarcza dla ok. 100 kg nasion łubinu.
• Biofood - NITRAGINA – preparat zawiera żywe bakterie brodawkowe z rodzaju Rhizobium lub Bradyrhizobium. Zapewnia dostarczenie roślinom motylkowym w zależności od warunków glebowych i gatunku do 600 kg N na 1 ha w ciągu sezonu wegetacyjnego. Nitraginę należy stosować dla tych roślin motylkowych, dla których została wyprodukowana. W celu zwiększenia efektywności wiązania wolnego azotu zalecane jest wykonanie wapnowania gleby wapnem magnezowym jesienią przed uprawą roślin motylkowych. Bezpośrednio przed siewem możliwe jest zastosowanie nawożenia azotowego (fosforan amonu, mocznik, saletra amonowa) w dawkach nie większych niż 20 kg N na 1 ha. Do zaprawiania na mokro lub na sucho nasion roślin motylkowych.
• GBR dr inż. Robert Cysewski - NITRAZA – linia preparatów zawierających wyselekcjonowane szczepy żywych bakterii brodawkowych z rodzaju Rhizobium oraz Bradyrhizobium, przeznaczonych do szczepienia materiału siewnego i gleby w formie oprysku w uprawie roślin strączkowych (fasola, łubin, seradela, lucerna koniczyna, groch, peluszka, soja). Szczepy zostały wyizolowane w laboratorium z brodawek korzeniowych polskich odmian różnych gatunków roślin bobowatych. Wszystkie inokulaty do roślin bobowatych zawierają nie mniej niż 2·× 109 jtk/ml (2 000 000 000). Świadectwo IUNG – PIB Puławy.

Marta Szyperek, Katarzyna Wójcik