Во второй половине 20-го века массовое использование удобрений было частью сельскохозяйственного бума, называемого «зеленой революцией», которому в значительной степени приписывают предотвращение глобального продовольственного кризиса. Теперь проблема накормить мир снова вырисовывается, поскольку население продолжает расти. Чтобы ускорить следующую сельскохозяйственную революцию, исследователи изобрели «бионический» лист, который использует бактерии, солнечный свет, воду и воздух для производства удобрений в той самой почве, где выращиваются сельскохозяйственные культуры.
Сегодня команда представит работу на 253-м Национальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS).
«Когда у вас есть крупный централизованный процесс и массивная инфраструктура, вы можете легко производить и доставлять удобрения», - говорит Даниэль Носера, доктор философии. «Но если бы я сказал, что теперь вы должны сделать это в деревне в Индии на месте с грязной водой - забудьте об этом. У бедных стран в развивающемся мире не всегда есть ресурсы для этого. распределенная система, потому что именно там она действительно нужна."
Первая «зеленая революция» 1960-х годов привела к увеличению использования удобрений для выращивания новых сортов риса и пшеницы, что помогло удвоить сельскохозяйственное производство. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (ООН), хотя преобразование привело к серьезному ущербу для окружающей среды, оно потенциально спасло миллионы жизней, особенно в Азии. Но население мира продолжает расти и, как ожидается, к 2050 году увеличится более чем на 2 миллиарда человек, причем большая часть этого роста приходится на некоторые из беднейших стран, согласно данным U. N. Обеспечение всех продуктами питания потребует комплексного подхода, но эксперты в целом согласны с тем, что одна из тактик должна включать повышение урожайности, чтобы не расчищать еще больше земли для сельскохозяйственных нужд.
Чтобы внести свой вклад в следующую зеленую революцию, Носера, работающий в Гарвардском университете, продолжает работу, которой он наиболее известен, - искусственный лист - для производства удобрений. Искусственный лист - это устройство, которое под воздействием солнечного света имитирует натуральный лист, расщепляя воду на водород и кислород. Это привело к разработке бионического листа, в котором катализатор расщепления воды сочетается с бактериями Ralstonia eutropha, которые потребляют водород и извлекают углекислый газ из воздуха для производства жидкого топлива. В июне прошлого года команда Nocera сообщила о замене никель-молибденово-цинкового катализатора устройства, который был ядовитым для микробов, на безвредный для бактерий сплав кобальта и фосфора. Новая система обеспечивала выход биомассы и жидкого топлива, значительно превышающий выход естественного фотосинтеза.
«Топливо было только первым шагом», - говорит Ночера. «Достижение этого момента показало, что у вас может быть возобновляемая платформа для химического синтеза. Теперь мы демонстрируем ее универсальность, заставляя другой тип бактерий извлекать азот из атмосферы для производства удобрений».
Для этого приложения команда Nocera разработала систему, в которой бактерии Xanthobacter связывают водород из искусственного листа и углекислый газ из атмосферы, чтобы сделать биопластик, который бактерии хранят внутри себя в качестве топлива.
«Затем я могу поместить жука в почву, потому что он уже использовал солнечный свет для производства биопластика», - говорит Ночера. «Затем жук извлекает азот из воздуха и использует биопластик, который в основном представляет собой накопленный водород, чтобы запустить цикл фиксации для производства аммиака для удобрения сельскохозяйственных культур».
Лаборатория Nocera проанализировала количество аммиака, производимого системой. Но настоящее доказательство в редиске. Исследователи использовали свой подход для выращивания пяти циклов урожая. Овощи, получающие бионическое удобрение из листьев, весят на 150 процентов больше, чем контрольные культуры. Следующим шагом, по словам Носера, является увеличение производительности, чтобы однажды фермеры в Индии или странах Африки к югу от Сахары могли производить свои собственные удобрения.