In de tweede helft van de 20e eeuw, het massale gebruik van kunstmest maakte deel uit van een landbouwhausse die de 'groene revolutie' wordt genoemd en die grotendeels werd toegeschreven aan het afwenden van een wereldwijde voedselcrisis. Nutsvoorzieningen, de uitdaging om de wereld te voeden doemt weer op naarmate de bevolking blijft stijgen. Om de volgende landbouwrevolutie te stimuleren, onderzoekers hebben een "bionisch" blad uitgevonden dat bacteriën gebruikt, zonlicht, water en lucht om kunstmest te maken in de grond waar gewassen worden verbouwd.

Het team zal het werk vandaag presenteren op de 253e National Meeting &Exposition van de American Chemical Society (ACS).

"Als je een groot gecentraliseerd proces en een enorme infrastructuur hebt, u kunt eenvoudig kunstmest maken en afleveren, "Daniël Nocera, doctoraat, zegt. "Maar als ik dat zei, je moet het nu doen in een dorp in India met vuil water - vergeet het maar. Armere landen in de opkomende wereld hebben niet altijd de middelen om dit te doen. We zouden moeten denken aan een gedistribueerd systeem, want daar is het echt nodig."

De eerste "groene revolutie" in de jaren zestig zag het toegenomen gebruik van kunstmest op nieuwe rijst- en tarwevariëteiten, waardoor de landbouwproductie verdubbelde. Hoewel de transformatie tot ernstige milieuschade heeft geleid, het heeft mogelijk miljoenen levens gered, vooral in Azië, volgens de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties (VN). Maar de wereldbevolking blijft groeien en zal naar verwachting in 2050 met meer dan 2 miljard mensen toenemen, met een groot deel van deze groei in enkele van de armste landen, Volgens de VN vereist het verstrekken van voedsel voor iedereen een meervoudige aanpak, maar experts zijn het er in het algemeen over eens dat een van de tactieken zal moeten bestaan ​​uit het verhogen van de oogstopbrengsten om te voorkomen dat er nog meer land wordt vrijgemaakt voor landbouw.

Om bij te dragen aan de volgende groene revolutie, Nocera, die aan de Harvard-universiteit zit, bouwt voort op het werk waar hij het meest bekend om is - het kunstblad - om kunstmest te maken. Het kunstblad is een apparaat dat, bij blootstelling aan zonlicht, bootst een natuurlijk blad na door water te splitsen in waterstof en zuurstof. Dit leidde tot de ontwikkeling van een bionisch blad dat de watersplitsende katalysator koppelt aan de bacteriën Ralstonia eutropha , die waterstof verbruikt en koolstofdioxide uit de lucht haalt om vloeibare brandstof te maken. Afgelopen juni, Nocera's team meldde dat de nikkel-molybdeen-zinkkatalysator van het apparaat is omgeschakeld, die giftig was voor de microben, met een bacterievriendelijke legering van kobalt en fosfor. Het nieuwe systeem leverde biomassa- en vloeibare brandstofopbrengsten op die veel hoger waren dan die van natuurlijke fotosynthese.

"De brandstoffen waren slechts de eerste stap, " Zegt Nocera. "Toen dat punt kwam, bleek dat je een platform voor hernieuwbare chemische synthese kunt hebben. Nu demonstreren we de algemeenheid ervan door een ander type bacteriën stikstof uit de atmosfeer te laten halen om kunstmest te maken."

Voor deze toepassing, Het team van Nocera heeft een systeem ontworpen waarin: Xanthobacter bacteriën binden waterstof uit het kunstmatige blad en koolstofdioxide uit de atmosfeer om een ​​bioplastic te maken dat de bacteriën in zichzelf opslaan als brandstof.

"Ik kan het insect dan in de grond stoppen omdat het het zonlicht al heeft gebruikt om het bioplastic te maken, zegt Nocera. "Dan haalt het insect stikstof uit de lucht en gebruikt het bioplastic, wat in feite opgeslagen waterstof is, om de fixatiecyclus te stimuleren om ammoniak te maken voor het bemesten van gewassen."

Nocera's lab heeft de hoeveelheid ammoniak geanalyseerd die het systeem produceert. Maar het echte bewijs zit in de radijs. De onderzoekers hebben hun aanpak gebruikt om vijf gewascycli te telen. De groenten die de bionisch-blad-afgeleide meststof krijgen, wegen 150 procent meer dan de controlegewassen. De volgende stap, Nocera zegt, is om de doorvoer te verhogen, zodat op een dag, boeren in India of Afrika bezuiden de Sahara kunnen hun eigen kunstmest produceren.