Et bionisk blad kunne hjælpe med at brødføde verden

I anden halvdel af det 20. århundrede, massebrugen af ​​gødning var en del af et landbrugsboom kaldet den "grønne revolution", der i vid udstrækning blev krediteret for at afværge en global fødevarekrise. Nu, udfordringen med at brødføde verden tårner sig op igen, mens befolkningen fortsætter med at ballonere. For at hjælpe med at anspore den næste landbrugsrevolution, forskere har opfundet et "bionisk" blad, der bruger bakterier, sollys, vand og luft til at lave gødning i netop den jord, hvor afgrøder dyrkes.

Holdet vil præsentere arbejdet i dag ved det 253. nationale møde og udstilling i American Chemical Society (ACS).

"Når du har en stor centraliseret proces og en massiv infrastruktur, du kan nemt lave og levere gødning, "Daniel Nocera, Ph.D., siger. "Men hvis jeg sagde, at nu er du nødt til at gøre det i en landsby i Indien på stedet med snavset vand - glem det. Fattige lande i den nye verden har ikke altid ressourcerne til at gøre dette. Vi burde tænke på en distribueret system, fordi det er der, det virkelig er nødvendigt."

Den første "grønne revolution" i 1960'erne så den øgede brug af gødning på nye sorter af ris og hvede, hvilket hjalp med at fordoble landbrugsproduktionen. Selvom omdannelsen resulterede i nogle alvorlige miljøskader, det reddede potentielt millioner af liv, især i Asien, ifølge De Forenede Nationers (FN) Fødevare- og Landbrugsorganisation. Men verdens befolkning fortsætter med at vokse og forventes at svulme med mere end 2 milliarder mennesker i 2050, med meget af denne vækst i nogle af de fattigste lande, Ifølge FN vil det at skaffe mad til alle kræve en flerstrenget tilgang, men eksperter er generelt enige om, at en af ​​taktikkerne skal involvere at øge afgrødeudbyttet for at undgå at rydde endnu mere jord til landbrug.

At bidrage til den næste grønne revolution, Nocera, der er på Harvard University, bygger videre på det arbejde, han er mest berømt for - det kunstige blad - med at lave gødning. Det kunstige blad er en anordning, der, når de udsættes for sollys, efterligner et naturligt blad ved at spalte vand i brint og ilt. Dette førte til udviklingen af ​​et bionisk blad, der parrer den vandsplittende katalysator med bakterierne Ralstonia eutropha , som forbruger brint og tager kuldioxid ud af luften for at lave flydende brændstof. juni sidste år, Noceras team rapporterede at skifte enhedens nikkel-molybdæn-zink-katalysator, som var giftig for mikroberne, med en bakterievenlig legering af kobolt og fosfor. Det nye system gav biomasse og flydende brændstofudbytte, der langt oversteg udbyttet fra naturlig fotosyntese.

"Brændstofferne var kun det første skridt, " Nocera siger. "At komme til det punkt viste, at du kan have en vedvarende kemisk synteseplatform. Nu demonstrerer vi det generelle ved at lade en anden type bakterier tage nitrogen ud af atmosfæren for at lave gødning."

For denne ansøgning, Noceras team har designet et system, hvori Xanthobacter bakterier fikserer brint fra det kunstige blad og kuldioxid fra atmosfæren for at lave en bioplast, som bakterierne gemmer inde i sig selv som brændstof.

"Jeg kan så sætte insekten i jorden, fordi den allerede har brugt sollys til at lave bioplasten, " siger Nocera. "Så trækker insekten nitrogen fra luften og bruger bioplasten, som grundlæggende er lagret brint, at drive fikseringscyklussen til at lave ammoniak til gødning af afgrøder."

Noceras laboratorium har analyseret mængden af ​​ammoniak, som systemet producerer. Men det virkelige bevis er i radiserne. Forskerne har brugt deres tilgang til at dyrke fem afgrødecyklusser. Grøntsagerne, der modtager den bioniske blad-afledte gødning, vejer 150 procent mere end kontrolafgrøderne. Det næste skridt, Nocera siger, er at øge gennemløbet, så en dag, landmænd i Indien eller Afrika syd for Sahara kan producere deres egen gødning.