Hvordan en biovenlig gødning kunne tilbyde en grønnere måde at dyrke planter på

Hvert år, en "død zone" på størrelse med Massachusetts breder sig over den Mexicanske Golf. Mississippi-floden, som rejser gennem nationens gårdbælte, fejer overskydende gødning og dumper kemikalierne i Golfen, hvor de fodrer frodige alger, opbruge ilt, og dræbe livet i havet.

På tværs af USA, mindre versioner af lignende døde zoner inficerer søer, damme, og floder. I år med højere nedbør – som i 2018 – indsamler Massachusetts' Charles River nok forurenende stoffer fra de omkringliggende bygader, parkeringspladser, og anlagte campusser for at få vandkvaliteten til at falde. Ukontrolleret algevækst, ofte resultatet af overskydende gødning, kan skade marine, human, og endda kæledyrs sundhed:I år, flere hunde døde efter at have svømmet i vand kvalt af giftige blågrønalger.

Nu, Harvard-forskere slår sig sammen med bæredygtighedsofficerer og landskabseksperter for at teste en ny gødning, der ikke vil skylle ind i vandforsyningen. Bruger Cambridge campus som et levende laboratorium, holdet, som inkluderer Dilek Dogutan, Quentin Gilly, og Paul Smith, planer om at pilotere den bæredygtige biogødning på Harvards grunde, starter denne vinter. Udviklet i Daniel Noceras laboratorium, Patterson Rockwood professor i energi, den levende biogødning, som kun fungerer med sollys, luft, og vand, forbliver med planterne, producerer større og sundere prøver, og er kulstofnegativ, optager kuldioxid fra luften og binder den farlige drivhusgas i jorden.

Pionerindsatsen begyndte sidste forår, når Dogutan, en hovedforsker i Nocera-gruppen, fik en e-mail fra præsidentens administrative innovationsfond (PAIF). I den så hun en mulighed for at anvende sit laboratoriums forskning på campus lige uden for sit vindue. I tidligere forsøg, holdet havde brugt biogødningen til at dyrke radiser mere end tre gange så store som kontroller dyrket uden gødning. Men forsøgene foregik under stabile forhold i et drivhus.

"Vi ønskede at tage forskningen ud af det kontrollerede miljø, at se effekten af ​​jordens surhedsgrad, luft, temperatur, fugtighed, alt, " sagde Dogutan. For at gøre det, hun havde brug for hjælp. Gennem PAIF, hun dannede et samarbejdende team med Gilly, lederen af ​​laboratoriebæredygtighed og energi for FAS Green Program i Harvard's Office for Sustainability, og Smith, den assisterende leder af landskabsservice.

Gilly sagde, at universitetet er i gang med at gå over til al organisk gødning, med et mål om 75 procent økologisk landskabspleje i 2020. Men disse gødninger ender stadig i vandet; det gør Nocera-laboratoriets biogødning ikke.

Opfundet i 2018, den biovenlige gødning er afhængig af en konstrueret cyanobakterie kaldet Xanthobacter autotrophicus . Opfindelsen omfatter mange års forskning, går tilbage til Noceras kunstige bladteknologi, som spalter vand for at lave brint og ilt, udfører fotosyntese bedre end noget blad.

Den nye behandling bruger brinten fra vandspaltning og kombinerer den med nitrogen i luften for at producere ammoniak, som planter kan optage i deres rødder. Da uorganisk og organisk gødning ofte giver planterne mere nitrogen og fosfor, end de kan bruge på én gang, det overskydende bliver vasket væk. Men biogødningen forbliver sikker inden for planternes rødder, opbevares til fremtidig brug.

Innovationen har et andet miljøvenligt trick:Bakterierne optager kuldioxid fra luften. "Ved at bruge de nye biogødningsmetoder i hele USA, vi kunne fjerne betydelige mængder CO ₂ om året ved at binde kulstoffet i jorden, " sagde Dogutan.

Med hjælp fra Kontoret for Teknologiudvikling, Nocera, Pamela Silver, Elliot T. og Onie H. Adams professor i biokemi og systembiologi ved Harvard Medical School, og Xiaowen Feng, et tidligere medlem af hendes laboratorium, grundlagde et firma kaldet Kula Bio, som arrangerede en første felttest uden for campus. På vej mod kommercialisering, Kula Bio håber, at dets produkt vil erstatte alle syntetiske nitrogengødninger - dem, der er ansvarlige for høje niveauer af afstrømning og CO ₂ emissioner - med en billig organisk biogødning.

På campus, med støtte fra PAIF, Dogutan og hendes team vil udføre storstilede test af gødningen fra vinteren 2020 til det følgende efterår. Men, med en tidligere bevilling fra Campus Sustainability Innovation Fund, hun har allerede plantet to små prøvegrunde. I en, hun og Daniel Loh, en ph.d. studerende ved Institut for Kemi på Graduate School of Arts and Sciences og medlem af Nocera Lab, ryddet to parkeringsplads-størrelse haver med en to-fods græs buffer mellem. Loh plantede radiser, majroer, og spinat i hver. Derefter, hver uge, han gødede en med 100 milliliter af de konstruerede cyanobakterier blandet med vand og sprøjtede den over planterne. Den anden grund fik lige så meget vand, uden bakterierne.

Fra april til august, Loh og bachelorforskerne Ellen Deng og Lauren Church overvågede planterne og indsamlede data. Lohs målinger viste, at biogødningen ikke kun hjalp hans planter med at vokse sig større end dem i den ugødede jord, bakterierne søgte ikke ind i de omkringliggende planter. "Næringsstoffer optages af planter, før de kan sprede store afstande, " han sagde.

Med dataindsamlingen færdig, Loh spiste sin forskning:Han høstede og delte sine grøntsager med hele Nocera-gruppen.

Næste, Deng vil plante lyserøde roser, hendes yndlingsblomst. Gilly håber at bruge biogødningen i campus regnhaver, som er designet af bachelorstuderende til bedre at absorbere regnvand og forhindre pooling. "Hvert år, de nye førsteåringer, der kommer ind, brænder mere og mere for miljømæssige årsager, " sagde Gilly. "De er en stadigt voksende kraft for bæredygtighed."

I løbet af det næste år, Dogutan og Harvards landskabsplejetjenester vil erstatte organisk gødning med biogødning på områder på tværs af Harvards Cambridge campus - størrelsen på grundene afhænger kun af, hvor meget af den nye behandling, de kan få fra Kula Bio, som donerer det. Jo flere, des bedre, sagde Dogutan. Flere data vil hjælpe hende og teamet med at finpudse deres produkt til bred brug.

"Dette er stadig meget ny forskning, " sagde Dogutan. "Vi forsøger stadig at finde ud af detaljerne:lastningen, rækkefølgen, måske skal vi designe bakterierne på en anden måde." Når de gør det, de håber at opmuntre alle Harvard-campusser til at overveje at skifte til biogødning som en måde at forbedre universitetets engagement i bæredygtighed og til sidst vinde bredere accept og måske afslutte "døde zoner."

"Vi er nødt til at gøre noget, fordi virkelig, vi ødelægger verden, " sagde Dogutan. "Det er fantastisk at komme på arbejde hver dag, men hvad er vores højere formål? Det er ikke bare at sende de e-mails. Det højere formål, i hvert fald for mig, giver tilbage til Harvard-samfundet på den bedste måde, jeg kan."

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.