Huge amounts of nitrogenous fertilizer, which are produced through the synthetic ammonia process (Haber-Bosch process) developed in Germany by Fritz Haber and Carl Bosch in 1906, has made it possible to meet the food demand for a global population of more than 7 billion people. At the same time, significant amounts of nitrous oxide (N2O) emitted from fertilized agricultural soils have been found to be produced by microbial denitrification, called anaerobic respiration. Nitrous oxide has considerably high global warming potential and has been considered one of the greatest environmental threats to the near future at a level equal to carbon dioxide. In particular, it has gradually been becoming obvious that denitrification by fungi is the dominant source of nitrous oxide in agricultural soils. The cause is that, unlike bacterial denitrification, the end product of fungal denitrification is nitrous oxide due to lack of nitrous oxide reductase (N2Or), the enzyme that catalyzes the last step of the denitrification pathway (Figure 1). Therefore, fungal denitrification needs to be controlled in order to prevent nitrous oxide emission from agricultural fields. In our laboratory, we have taken up the challenge of developing fungal denitrification inhibitors by chemical screening and then, using a molecular biological approach, elucidate the detailed molecular mechanism of fungal denitrification which still remains unknown in many aspects so as to lead to the development of a more effective system of control of fungal denitrification.
現在70億人を超える地球の人口を支える食料生産は、フリッツ・ハーバーとカール・ボッシュが1906年にドイツで開発した窒素固定反応（ハーバー・ボッシュ法）によって大量に生産される窒素肥料のおかげでなりたっています。近年、ハーバー・ボッシュ法により生産された化学肥料を元に、土壌中の微生物がおこなう嫌気呼吸である脱窒により、大量の亜酸化窒素（N2O）が発生していることがわかってきました。亜酸化窒素は極めて強力な地球温暖化ガスであることから、いずれ二酸化炭素に匹敵する環境破壊の脅威がもたらされることが懸念されています。特に陸上の耕地から放出される亜酸化窒素の大部分は、糸状菌（カビ）が原因であることが明らかになりつつあります。嫌気性細菌による脱窒とは異なり、カビは脱窒の最終酵素である亜酸化窒素還元酵素（N2OR）を持たないため、最終生産物が亜酸化窒素です（図１）。従って圃場からの亜酸化窒素の発生を抑止するためには、カビによる脱窒を抑制する必要があります。私たちの研究室では、化合物スクリーニングによりカビによる脱窒の阻害剤を見出すとともに、未だ不明な点が多いカビの脱窒について、分子生物学的手法を主体とした研究により、詳細な分子メカニズムを明らかにし、より効果的な脱窒抑制法の開発に結びつけるための研究を行っています。
Figure 1. We will contribute to environmental and resource sustainability through chemical biology.
Nowadays, huge amounts of chemical fertilizer (ammonium sulfate and potassium nitrate), produced in factories, have been applied to agricultural soils. However, chemical fertilizers are also taken up by soil microorganisms and utilized for denitrification, called anaerobic respiration. Nitrous oxide (N2O), produced in the denitrification process, is a greenhouse gas with far higher global warming potential than carbon dioxide. N2O concentration in the atmosphere has been dramatically increasing as a result of the introduction of chemical fertilizers into agricultural lands, which is causing serious environmental problems. In our laboratory, we aim to develop denitrification inhibitors targeting NIR or NOR, which is an essential enzyme of the denitrification system, so as to improve the efficiency of nitrogen fertilization and reduce N2O emissions from agricultural soils by adding the inhibitors as nitrogenous fertilizer supplements.
図1．ケミカルバイオロジーで環境・資源に貢献する．今日、工場で作られた化学肥料（硫安や硝酸カリ）が大量に農場に投与されています．しかし、化学肥料は土壌中の微生物にも取り込まれ、脱窒と呼ばれる呼吸に利用されます。この脱窒の過程では亜酸化窒素（N2O）が生じますが、亜酸化窒素は二酸化炭素をはるかに上回る強力な地球温暖化ガスです．人類が圃場に投与する化学肥料によって大気中の亜酸化窒素濃度は飛躍的に増加しており、深刻な環境問題となっています．そこで、当研究室では、脱窒を担う酵素であるNIRまたはNORを阻害する化合物を開発し、窒素肥料に添加することにより、肥料効率の上昇とN2O削減を目指しています．