Soybeans grown with carbonaceous nanomaterials maintain nitrogen stoichiometry by assimilating soil nitrogen to offset impaired dinitrogen fixation
- Y. Wang
- J. P. Schimel
- R. M. Nisbet
- J. L. Gardea-Torresdey
- P. A. Holden
Resumo
Os nanomateriais manufaturados (NMs) podem entrar nos agroecossistemas devido ao seu uso generalizado e descarte. No solo, os NMs podem afetar as leguminosas e sua fixação de dinitrogênio (N₂), que são críticas para o suprimento de alimentos e o ciclo do N. Pesquisas anteriores focando em efeitos finais de tratamento relataram que as simbioses fixadoras de N₂ em uma importante leguminosa alimentar, a soja, podem ser prejudicadas por NMs. No entanto, ainda não se sabe como os NMs podem influenciar as quantidades reais de N₂ fixado e quais são os teores totais de N da planta, uma vez que as plantas também podem adquirir N do solo. Determinamos os efeitos de um nanomaterial de carbono (NMC) já difundido e dois em rápida expansão (negro de carbono, nanotubos de carbono de paredes múltiplas e grafeno; cada um em três concentrações) na economia de N de sojas cultivadas em solo. Diferentemente de estudos anteriores, esta pesquisa focou em processos e interações dentro de um sistema planta-solo-micróbios. Descobrimos que o acúmulo total de N na planta não foi afetado pelos NMCs. No entanto, como mostrado por análises de isótopos 15N, os NMCs diminuíram significativamente a fixação de N₂ da soja (em 31–78%). As plantas mantiveram a estequiometria de N assimilando N compensatório do solo, acompanhado por um aumento na mineralização líquida do N do solo. Nossas descobertas sugerem que os NMCs podem minar o papel da fixação de N₂ por leguminosas no fornecimento de N aos agroecossistemas. Manter a produtividade na agricultura leguminosa que sofre tais efeitos exigiria mais fertilizante N de origem fóssil e aumentaria os custos econômicos e ambientais associados. Este trabalho destaca o valor de uma análise baseada em processos de um sistema planta-solo-micróbios para avaliar como os NMs no solo podem afetar a fixação de N₂ em leguminosas e a ciclagem de N.
Abstract
Engineered nanomaterials (ENMs) can enter agroecosystems because of their widespread use and disposal. Within soil, ENMs may affect legumes and their dinitrogen (N2) fixation, which are critical for food supply and N-cycling. Prior research focusing on end point treatment effects has reported that N2-fixing symbioses in an important food legume, soybean, can be impaired by ENMs. Yet, it remains unknown how ENMs can influence the actual amounts of N2 fixed and what plant total N contents are since plants can also acquire N from the soil. We determined the effects of one already widespread and two rapidly expanding carbonaceous nanomaterials (CNMs: carbon black, multiwalled carbon nanotubes, and graphene; each at three concentrations) on the N economy of soil-grown soybeans. Unlike previous studies, this research focused on processes and interactions within a plant–soil–microbial system. We found that total plant N accumulation was unaffected by CNMs. However, as shown by 15N isotope analyses, CNMs significantly diminished soybean N2 fixation (by 31–78%). Plants maintained N stoichiometry by assimilating compensatory N from the soil, accompanied by increased net soil N mineralization. Our findings suggest that CNMs could undermine the role of legume N2 fixation in supplying N to agroecosystems. Maintaining productivity in leguminous agriculture experiencing such effects would require more fossil-fuel-intensive N fertilizer and increase associated economic and environmental costs. This work highlights the value of a process-based analysis of a plant–soil–microbial system for assessing how ENMs in soil can affect legume N2 fixation and N-cycling.
