Forskere udvikler bioniske blade til distribueret landbrug

Når den globale befolkning stiger mod 10 mia. planeten er på vej mod fødevaremangel, med nogle skøn, der siger, at udbuddet skal fordobles i 2050 for at imødekomme efterspørgslen.

Det fortsatte fremskridt inden for landbrugsteknologi - genetisk modifikation sammen med nye afgrødesorter og jordforvaltningsteknikker - vil dække noget af den øgede efterspørgsel. Men sådanne teknologier vil kræve en dramatisk stigning i produktionen af ​​landbrugsgødning, en energiintensiv proces fodret med fossile brændstoffer og afhængig af en robust fremstillingsinfrastruktur:fabrikker forbundet til jernbane- og vejnet til distribution.

Problemet med dette scenario er, at meget af efterspørgslen vil være i udviklingslandene, ofte i regioner, der mangler både fabrikkerne og distributionsnetværket for landbrugskemikalier.

Som svar, Harvard-forskere spørger:Hvad hvis jord kunne berige sig selv, gennem mikrober, der øger afgrødeudbyttet? Og hvad hvis disse mikrober selv blev dyrket bæredygtigt, i kompakt, bioreaktorer med sollys?

Postdoc-stipendiat Kelsey Sakimoto fra Harvard University Center for Environment arbejder sammen med kemiker Daniel Nocera og syntetisk biolog Pamela Silver for at tune Nocera og Silvers "bioniske blade" for at hjælpe med at skabe en ny æra af distribueret landbrug, gavnlig selv for subsistenslandmænd langt fra industrielt landbrugs distributionsnetværk og kemiske gødningsforsyninger.

Det bioniske blad er en udvækst af Noceras kunstige blade, som effektivt opdeler vand til brint og oxygengas ved at parre silicium - materialet, der udgør solpaneler - med katalysatorbelægninger. Brintgassen kan opbevares på stedet og bruges til at drive brændselsceller, giver en måde at opbevare og bruge strøm, der stammer fra solen.

Efter at have udviklet det kunstige blad, Nocera, Patterson Rockwood -professor i energi i Institut for Kemi og Kemisk Biologi, slog sig sammen med Silver, Elliott T. og Onie H. Adams professor i biokemi og systembiologi ved Harvard Medical School, at udforske nye anvendelser af teknologien. Sammensmeltning af det kunstige blad med gensplejsede bakterier, der spiser brintgas, parret producerede det "bioniske blad, " som skaber flydende brændstoffer såsom isobutanol.

Sakimotos forskning, udført med Nocera, Sølv, postdoc Chong Liu, og doktorand Brendan Colon, blev beskrevet i Proceedings of the National Academy of Sciences i juni. Teamets metode indebærer, at jordbakterien Xanthobacter autotrophicus indtager hydrogen, der genereres af det bioniske blads vandspaltningsreaktion og tager nitrogen fra atmosfæren for at producere ammoniak og fosfor, begge kraftige gødninger.

Sakimotos arbejde "har taget det bioniske blad til et nyt niveau, " sagde Silver. "Kelsey har et skarpt øje for projekter med stor effekt og har bestemt opnået et vigtigt stykke arbejde her."

Der er to måder at anvende det nye system på. Den første er simpelthen at lade bakterierne føde og formere sig, hvilket fører til en bakteriefyldt gullig væske, der kan sprøjtes ud på marker. I drivhuseksperimenter ved Arnold Arboretum, radiser dyrket med X. autotrophicus gødning endte mere end dobbelt så stor som kontrol radiser dyrket uden tilsat gødning.

"Ganske overraskende, det er en ret potent [gødning], "Sakimoto sagde." Det er vokset meget enkelt og anvendt meget enkelt. "

Den anden metode er at tilføje en forbindelse, der får bakterierne til at udskille ammoniak direkte, som derefter kan bruges på en måde, der ligner almindelige kemiske gødninger.

Sakimoto sagde, at den første anvendelse til projektet-som skaleres op af kemi-ingeniør-samarbejdspartnere i Indien-ville være at levere gødning til små gårde og fjerntliggende landdistrikter uden behov for en stor, centraliseret infrastruktur.

I tide, han sagde, evnen til at generere ammoniak direkte kan appellere til landbrugskemikalier som en forbedring af den fremherskende metode, kendt som Haber-Bosch-processen, som blev udviklet af to tyske kemikere i begyndelsen af ​​det 20. århundrede som en måde at omdanne atmosfærisk nitrogen til ammoniak. Processen er stærkt afhængig af fossilbaseret energi, hele 1 procent af den globale produktion.

"Det, jeg er mest begejstret for i forskningen, er:Vi gjorde det, vi gør i den udviklede verden med massiv infrastruktur, kun uden behov for infrastruktur, " sagde Nocera. "Du kan kun bruge sollys, luft, og vand, og du kan gøre det i din baghave. Du kan tage dig af verdens voksende fødevareefterspørgsel [med konventionel teknologi] – alt du skal gøre er at bygge flere store Haber-Bosch-anlæg. Og du skal bygge jernbaner og hele distributionssystemer. Og det vil ikke komme til de fattige i udviklingslandene, hvor størstedelen af ​​befolkningstilvæksten kommer fra."

Sakimoto, i det andet år af hans toårige Ziff Environmental Fellowship, undersøger nu, hvordan man gør systemet mere robust under virkelige forhold, såsom hvordan brug af spildevand og andre naturligt forekommende vandkilder i bioreaktoren påvirker dets ydeevne.

"Vi forsøgte at gøre så meget due diligence, som vi kunne, for at lave et nyttigt produkt, "Sagde Sakimoto." Vi er mere eller mindre færdige på [opdagelses] siden nu, og ser på den politiske og praktiske side af, hvordan du bringer en ny teknologi til verden."