Geïnspireerd door een natuurlijk proces in bepaalde bacteriën, een team van Caltech-onderzoekers komt dichter bij een nieuwe methode voor het produceren van kunstmest die op een dag voordelen kan opleveren voor boeren, met name in de derde wereld, en die ook licht werpt op een biologisch mysterie.

Meststoffen zijn chemische bronnen van voedingsstoffen die anders in de bodem ontbreken. Meestal, meststoffen leveren het element stikstof, die essentieel is voor alle levende wezens, omdat het een fundamentele bouwsteen van DNA is, RNA, en eiwitten. Stikstofgas is zeer overvloedig op aarde, die 78 procent van onze atmosfeer uitmaken. Echter, de meeste organismen kunnen stikstof in gasvorm niet gebruiken.

Om stikstof bruikbaar te maken, het moet "gefixeerd" worden - omgezet in een vorm die als voedingsstof in de voedselketen kan komen. Er zijn twee primaire manieren waarop dit kan gebeuren, een natuurlijke en een synthetische.

Stikstoffixatie vindt van nature plaats door de werking van microben die in knobbeltjes op plantenwortels leven. Deze organismen zetten stikstof om in ammoniak via gespecialiseerde enzymen die stikstofasen worden genoemd. De ammoniak die deze stikstofbindende organismen creëren, bevrucht planten die vervolgens door dieren kunnen worden geconsumeerd, inclusief mensen. In een artikel uit 2008 dat in het tijdschrift verscheen Natuur Geowetenschappen , een team van onderzoekers schatte dat natuurlijk gefixeerde stikstof voedsel levert aan ongeveer de helft van de mensen die op aarde leven.

De andere helft van de wereldvoedselvoorziening wordt in stand gehouden door kunstmatige stikstofbinding en de primaire methode om dit te doen is het Haber-Bosch-proces, een reactie op industriële schaal die meer dan 100 jaar geleden in Duitsland werd ontwikkeld. In het proces, waterstof- en stikstofgassen worden gecombineerd in grote reactievaten, onder intense druk en hitte in aanwezigheid van een ijzerkatalysator in vaste toestand, ammoniak vormen.

"De gassen worden onder druk gezet tot vele honderden atmosfeer en verwarmd tot enkele honderden graden Celsius, " zegt Ben Matson van Caltech, een afgestudeerde student in het lab van Jonas C. Peters, Bren hoogleraar chemie en directeur van het Resnick Sustainability Institute. " Met de ijzerkatalysator die in het industriële proces wordt gebruikt, deze extreme omstandigheden zijn vereist om ammoniak te produceren met geschikte snelheden."

In een recent artikel dat verscheen in ACS Centrale Wetenschap , Matson, Pieters, en hun collega's beschrijven een nieuwe manier om stikstof vast te leggen die is geïnspireerd op hoe microben het doen.

Nitrogenasen bestaan ​​uit zeven ijzeratomen omgeven door een eiwitskelet. De structuur van een van deze stikstofase-enzymen werd voor het eerst opgelost door Douglas Rees van Caltech, de Roscoe Gilkey Dickinson hoogleraar scheikunde. De onderzoekers in het laboratorium van Peters hebben iets ontwikkeld dat lijkt op een bacteriële stikstofase, zij het veel eenvoudiger - een moleculaire steiger die een enkel ijzeratoom omringt.

De moleculaire steiger werd voor het eerst ontwikkeld in 2013 en, hoewel het oorspronkelijke ontwerp veelbelovend was voor het fixeren van stikstof, het was onstabiel en inefficiënt. De onderzoekers hebben de efficiëntie en stabiliteit verbeterd door het chemische bad waarin de fixatiereactie plaatsvindt aan te passen, en door het te koelen tot ongeveer de temperatuur van droogijs (-78 graden Celsius). Onder deze voorwaarden, de reactie zet 72 procent van het uitgangsmateriaal om in ammoniak, een grote verbetering ten opzichte van de oorspronkelijke methode, die slechts 40 procent van het uitgangsmateriaal omzet in ammoniak en daarvoor meer energie nodig had.

Matson, Pieters, en collega's zeggen dat hun werk twee grote voordelen biedt:

gemak van productie:

Omdat de technologie die wordt ontwikkeld geen hoge temperaturen of drukken vereist, er is geen behoefte aan de grootschalige industriële infrastructuur die nodig is voor het Haber-Bosch-proces. Dit betekent dat het op een dag mogelijk zou kunnen zijn om stikstof vast te leggen in kleinere faciliteiten die dichter bij de plaats liggen waar gewassen worden verbouwd.

"Ons werk zou kunnen helpen bij het inspireren van nieuwe technologieën voor de productie van kunstmest, " zegt Trevor del Castillo, een afgestudeerde Caltech-student en co-auteur van het papier. "Hoewel het onwaarschijnlijk is dat dit type technologie het Haber-Bosch-proces in de nabije toekomst zal verdringen, het kan een grote impact hebben op plaatsen die geen erg stabiel energienet hebben, maar toegang hebben tot overvloedige hernieuwbare energie, zoals de ontwikkelingslanden. Er is hier zeker ruimte voor de ontwikkeling van nieuwe technologie, een soort 'on demand' zonne-, waterkracht-, of door de wind aangedreven proces."

Natuurlijke stikstofbinding begrijpen:

Het stikstofase-enzym is ingewikkeld en kieskeurig, werkt niet als de omgevingsomstandigheden niet goed zijn, wat het studeren moeilijk maakt. De nieuwe katalysator anderzijds, is relatief eenvoudig. Het team gelooft dat hun katalysator fixatie uitvoert op een conceptueel vergelijkbare manier als het enzym, en dat de relatieve eenvoud het mogelijk maakt om fixatiereacties in het laboratorium te bestuderen met behulp van moderne spectroscopische technieken.

"Een fascinerend ding is dat we echt niet weten, op moleculair niveau, hoe het stikstofase-enzym in deze bacteriën stikstof daadwerkelijk omzet in ammoniak. Het is een grote onbeantwoorde vraag, " zegt afgestudeerde student Matthew Chalkley, ook een co-auteur op het papier.

Peters zegt dat hun onderzoek naar deze katalysator hen al een dieper inzicht heeft gegeven in wat er gebeurt tijdens een stikstofbindende reactie.

"Een voordeel van ons synthetische ijzerstikstofasesysteem is dat we het tot in detail kunnen bestuderen, "zegt hij. "Inderdaad, naast het aanzienlijk verbeteren van de efficiëntie van deze nieuwe katalysator voor stikstofbinding, we hebben grote vooruitgang geboekt in het begrijpen, op atomair niveau, de kritische bindings- en maakstappen die leiden tot ammoniaksynthese uit stikstof."

Als dit soort processen verder kunnen worden verfijnd en hun efficiëntie kan worden verhoogd, Pieters voegt eraan toe, ze kunnen ook toepassingen hebben buiten de productie van kunstmest.

“Als dit kan worden bereikt, gedistribueerde ammoniaksynthese op zonne-energie kan werkelijkheid worden. En niet alleen als mestbron, maar ook als alternatief duurzaam, en opslagbare chemische brandstof, " hij zegt.