Terwijl de wereldbevolking stijgt naar 10 miljard, de planeet stevent af op een voedseltekort, volgens sommige schattingen zal het aanbod tegen 2050 moeten verdubbelen om aan de vraag te voldoen.

De voortdurende vooruitgang van landbouwtechnologie - genetische modificatie samen met nieuwe gewasvariëteiten en technieken voor landbeheer - zal een deel van de toegenomen vraag dekken. Maar dergelijke technologieën zullen een dramatische toename van de productie van landbouwmeststoffen vereisen, een energie-intensief proces gevoed door fossiele brandstoffen en afhankelijk van een robuuste productie-infrastructuur:fabrieken die zijn aangesloten op spoor- en wegennetwerken voor distributie.

Het probleem met dit scenario is dat een groot deel van de vraag in de derde wereld zal zijn, vaak in regio's waar zowel de fabrieken als de distributienetwerken voor landbouwchemicaliën ontbreken.

In antwoord, Harvard-wetenschappers vragen:wat als de bodem zichzelf zou kunnen verrijken, door microben die de gewasopbrengst verhogen? En wat als die microben zelf duurzaam waren gekweekt, compact, door zonlicht gevoede bioreactoren?

Postdoctoraal onderzoeker Kelsey Sakimoto van het Harvard University Center for the Environment werkt samen met scheikundige Daniel Nocera en synthetisch bioloog Pamela Silver om het "bionische blad" van Nocera en Silver af te stemmen om een ​​nieuw tijdperk van gedistribueerde landbouw te helpen smeden. zelfs gunstig voor zelfvoorzienende boeren, ver verwijderd van de distributienetwerken van de industriële landbouw en de voorraden chemische meststoffen.

Het bionische blad is een uitgroei van Nocera's kunstblad, die efficiënt water splitst in waterstof en zuurstofgas door silicium - het materiaal waaruit zonnepanelen bestaan ​​- te combineren met katalysatorcoatings. Het waterstofgas kan ter plaatse worden opgeslagen en worden gebruikt om brandstofcellen aan te drijven, een manier bieden om energie op te slaan en te gebruiken die afkomstig is van de zon.

Na het ontwikkelen van het kunstblad, Nocera, de Patterson Rockwood Professor of Energy bij de afdeling Chemie en Chemische Biologie, samen met Zilver, de Elliott T. en Onie H. Adams hoogleraar biochemie en systeembiologie aan de Harvard Medical School, nieuwe toepassingen van de technologie te verkennen. Het kunstmatige blad samenvoegen met genetisch gemanipuleerde bacteriën die waterstofgas eten, het paar produceerde het "bionische blad, " waardoor vloeibare brandstoffen zoals isobutanol ontstaan.

Sakimoto's onderzoek, uitgevoerd met Nocera, Zilver, postdoctoraal onderzoeker Chong Liu, en promovendus Brendan Colon, werd beschreven in de Proceedings van de National Academy of Sciences in juni. De methode van het team omvat de bodembacterie Xanthobacter autotrophicus die waterstof verbruikt die wordt gegenereerd door de watersplitsingsreactie van het bionische blad en stikstof uit de atmosfeer haalt om ammoniak en fosfor te produceren. beide krachtige meststoffen.

Sakimoto's werk "heeft het bionische blad naar een nieuw niveau getild, "Zei Silver. "Kelsey heeft een scherp oog voor high-impact projecten en heeft hier zeker een belangrijk werk geleverd."

Er zijn twee manieren om het nieuwe systeem toe te passen. De eerste is om de bacteriën gewoon te laten voeden en reproduceren, wat leidt tot een met bacteriën beladen geelachtige vloeistof die op velden kan worden gespoten. In kasexperimenten in het Arnold Arboretum, radijzen die met X. autotrophicus-meststof waren gekweekt, waren meer dan het dubbele van de controleradijzen die werden gekweekt zonder toegevoegde kunstmest.

"Heel verrassend, het is een vrij krachtige [mest], "Zei Sakimoto. "Het is heel eenvoudig gegroeid en heel eenvoudig toegepast."

De andere methode is om een ​​verbinding toe te voegen die ervoor zorgt dat de bacteriën direct ammoniak afscheiden, die vervolgens kunnen worden gebruikt op een manier die vergelijkbaar is met reguliere chemische meststoffen.

Sakimoto zei dat het eerste gebruik van het project - dat wordt opgeschaald door medewerkers op het gebied van chemische technologie in India - zou zijn om kunstmest te leveren aan kleine boerderijen en afgelegen plattelandsgemeenschappen zonder de noodzaak van een grote, gecentraliseerde infrastructuur.

Op tijd, hij zei, de mogelijkheid om rechtstreeks ammoniak te genereren kan agrarische chemische bedrijven aanspreken als een verbetering van de overheersende methode, bekend als het Haber-Bosch-proces, die in het begin van de 20e eeuw door twee Duitse chemici werd ontwikkeld als een manier om atmosferische stikstof om te zetten in ammoniak. Het proces is sterk afhankelijk van fossiele energie, maar liefst 1 procent van de wereldwijde productie.

"Waar ik het meest enthousiast over ben in het onderzoek is:we deden wat we doen in de ontwikkelde wereld met een enorme infrastructuur, alleen zonder de noodzaak van infrastructuur, " zei Nocera. "Je kunt gewoon zonlicht gebruiken, lucht, en water, en je kunt het in je achtertuin doen. U kunt voldoen aan de groeiende vraag naar voedsel in de wereld [met conventionele technologie] - u hoeft alleen maar meer grote Haber-Bosch-fabrieken te bouwen. En je moet spoorwegen bouwen en hele distributiesystemen. En dat zal de armen in de ontwikkelingslanden niet bereiken, waar het grootste deel van de bevolkingsgroei vandaan komt."

Sakimoto, in het tweede jaar van zijn tweejarige Ziff Environmental Fellowship, onderzoekt nu hoe het systeem robuuster kan worden gemaakt onder reële omstandigheden, zoals hoe het gebruik van afvalwater en andere natuurlijk voorkomende waterbronnen in de bioreactor de prestaties ervan beïnvloedt.

"We hebben geprobeerd zoveel mogelijk due diligence te doen om een ​​bruikbaar product te maken, " zei Sakimoto. "We zijn nu min of meer klaar aan de [ontdekkings]-kant, en kijken naar de politieke en praktische kant van hoe je een nieuwe technologie in de wereld brengt."