Stikstof, fosfor, en kalium zijn de drie elementen die de productiviteit ondersteunen van alle planten die voor de landbouw worden gebruikt, en zijn de bestanddelen van commerciële meststoffen die boeren over de hele wereld gebruiken.

Kalium (ook wel potas genoemd) wordt grotendeels geproduceerd op het noordelijk halfrond, waar is overvloedig. In feite, de potasmarkt wordt gedomineerd door slechts enkele producenten, grotendeels in Canada, Rusland, en Wit-Rusland. Als resultaat, kali (en meststoffen in het algemeen) is relatief betaalbaar toegankelijk voor boeren in noordelijke regio's, waar het ook beter aansluit bij de behoeften aan bodemvoedingsstoffen van hun boerderijen en gewassen.

Maar dat is niet per se het geval voor boeren elders. Voor tropische teeltgebieden in Brazilië en sommige landen in Afrika, verschillende bodem- en steensamenstellingen sluiten slecht aan bij de meststoffen die momenteel op de markt zijn. Wanneer deze meststoffen - die veel hulpbronnen nodig hebben om te produceren - over lange afstanden moeten worden verscheept om consumenten in landen op het zuidelijk halfrond te bereiken, kosten kunnen enorm oplopen. Wanneer de meststof niet geschikt is voor de bodembehoefte, boeren moeten misschien meer toevoegen om zoveel winst te behalen als hun tegenhangers in het noorden, als ze zich überhaupt meer kunnen veroorloven.

Dus hoewel deze meststoffen hogere opbrengsten beloven, kleine en middelgrote boeren kunnen nog steeds met lagere winsten eindigen, hoger zoutgehalte van de bodem, een snelle vermindering van de algehele bodemvruchtbaarheid, en verhoogde uitspoeling naar het grondwater, rivieren, en stromen. Dit maakt het voor deze boeren een uitdaging om te gedijen, vooral in Afrika. Dure of ongeschikte meststoffen verlagen de voedselproductiecapaciteit, van invloed zijn op de economische en nutritionele zelfvoorziening van boeren. Nutsvoorzieningen, in een tijd waarin de Verenigde Naties voorspellen dat de wereldbevolking in 2030 met 8,5 miljard zal toenemen – een totale toename van meer dan 1,2 miljard mensen – is de behoefte aan lokale, duurzame mestoplossingen om de opbrengst te verhogen is nog urgenter.

Voldoen aan voedselzekerheidsbehoeften met meer interdisciplinair onderzoek

Deze mismatch - en de regionale gevolgen voor de voedselzekerheid die het met zich meebrengt - was de inspiratie voor Antoine Allanore, universitair hoofddocent metallurgie bij de afdeling Materials Science and Engineering aan het MIT, om zijn inspanningen te concentreren op het vinden van alternatieve meststoffen. In de afgelopen zes jaar, hij heeft een onderzoeksteam opgebouwd, waaronder Davide Ciceri, een onderzoekswetenschapper in zijn laboratorium tot 2018.

Na zich te hebben verdiept in onderzoek naar meststoffen, Allanore en Ciceri hebben het gebrek aan aandacht van anderen in de materiaalkunde voor dit onderwerp verrassend gevonden.

"De industrie heeft niet zoveel nagedacht als nodig is om onderzoek te doen naar de grondstoffen [die worden gebruikt in meststoffen], ", zegt Ciceri. "Hun product heeft tot nu toe gewerkt, en niemand heeft geklaagd, dus er is weinig ruimte voor innovatie."

Allanore denkt er zo over:"Helaas, landbouw is niet erg winstgevend. Ze verdienen zo weinig vergeleken met degenen die in de handel of voedselverwerking en marketing werken, die, als resultaat, hebben veel investeringen en aandacht gekregen. Door dit gebrek aan investeringen in onderzoek, we weten heel weinig over wat er gebeurt met sommige van de elementen die we in de grond stoppen."

Dit gebrek aan investeringen is vooral problematisch voor boeren in het Zuiden die geen betaalbare toegang hebben tot de meststoffen die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn. Gemotiveerd door hun verlangen om lokale, duurzame mestoplossingen voor Afrikaanse boeren en gevoed door J-WAFS seed-financiering, Allanore, Ciceri, en andere leden van hun onderzoeksteam hebben een routekaart opgesteld die materiaalwetenschappers en anderen kunnen gebruiken om een ​​nieuwe generatie kaliumonafhankelijke meststoffen te ontwikkelen die geschikt zijn voor Afrikaanse bodems. Afgelopen augustus gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap van de totale omgeving , de krant, "Lokale meststoffen om voedselzelfvoorziening in Afrika te bereiken, " was een van de eerste uitgebreide onderzoeken naar het gebruik van kunstmest in heel Afrika vanuit een materiaalwetenschappelijk perspectief. Het gaf aan dat er dringend behoefte was aan vooruitgang in het onderzoek naar kunstmest, technologie, en beleid, en aanbevolen benaderingen die kunnen helpen om de opbrengstwinsten te behalen die nodig zijn om op duurzame wijze aan de huidige en toekomstige vraag te voldoen.

"Vanuit het oogpunt van materiaalverwerking, er is echt zoveel te doen aan de minerale hulpbronnen die nodig zijn voor meststoffen, ", zegt Ciceri. "Wat we wilden doen was een discussie hierover in de gemeenschap op gang brengen. Waarom wordt er geen onderzoek gedaan naar nieuwe ontwikkelingen op het gebied van meststoffen? Welke strategieën zijn uitvoerbaar? Zijn er voldoende veldproeven die kunnen worden gedaan om te ondersteunen wat chemici in het laboratorium kunnen doen?"

Hoewel hun paper gericht was op materiaalwetenschappers, Allanore erkent dat een interdisciplinaire benadering nodig is. "We staan ​​op het punt het volledige genoom van de mens te kennen, maar we weten nog niet hoe een gewas voedingsstoffen opneemt, " zegt hij. Samenwerking tussen agronomen, bodem wetenschappers, materiaal wetenschappers, economen, en anderen kunnen ons begrip van alle interacties verbeteren, materialen, en producten die bijdragen aan het verkrijgen van de optimale opbrengst van landbouwgewassen met een minimale negatieve impact op het omringende ecosysteem. Hij zegt snel, echter, dat het niet de bedoeling is om te herhalen wat er met de moderne landbouw is gedaan, maar ga verder om duurzame oplossingen te vinden zodat het Afrikaanse continent in zijn eigen voedsel kan voorzien, winstgevendheid, en een fatsoenlijk leven voor de mensen die gewassen verbouwen.

Nieuwe bronnen vinden voor kalium en testresultaten

Het laboratorium van professor Allanore heeft al een alternatief voor kalium ontdekt dat is afgeleid van kaliumveldspaat. een steen die over de hele wereld wordt gevonden. naar Ciceri, het vinden van een oplossing in veldspaat was verrassend voor de hand liggend.

"Terugkijkend op jarenlang onderzoek, Ik was verrast toen ik ontdekte dat niemand naar K-veldspaat als bron had gekeken, "zegt hij. "Het is zo overvloedig. Hoe kon het dat ons onderzoeksteam er in 2015 als eerste kalium uit haalde?"

En toch, dat is precies wat ze hebben kunnen doen. Met de steun van een partnerschap met twee Braziliaanse entiteiten, Terrativa en EMBRAPA (de Braziliaanse Agricultural Research Corporation), het onderzoeksteam was in staat om een ​​hydrothermisch proces te ontwikkelen om K-veldspaatgesteenten om te zetten in een nieuw bemestingsmateriaal. Maar hoewel deze vroege samenwerking de onderzoekers hielp inzicht te krijgen in veldspaat en hoe het kan worden gebruikt als meststof voor specifieke gewassen in Brazilië, het team had geen directe controle over of toegang tot de agronomische proeven.

Dat is waar J-WAFS-financiering ondersteunend bleek. De seed-subsidie ​​​​van 2017 bood het onderzoeksteam de mogelijkheid om een ​​onafhankelijke beoordeling uit te voeren van het bemestingspotentieel van de nieuwe materialen, en ook hun ontdekking contextualiseren binnen een breder gesprek over wereldwijde voedselzekerheid, zoals ze in hun krant deden.

Voor het testen van gewassen, ze begonnen met tomaten, die een van de meest voorkomende en economisch belangrijke tuinbouwgewassen zijn, en gerangschikt onder de meest geconsumeerde groenten ter wereld. Een samenwerking met Allen Barker, een professor in plant- en bodemwetenschappen aan de Stockbridge School of Agriculture aan de University of Massachusetts Amherst, maakte het mogelijk. Barker zorgde voor kasruimte om te testen, evenals essentiële expertise in agronomie die het MIT-onderzoeksteam hielp bij het uitvoeren van de rigoureuze analyse van het nieuwe materiaal dat, nu, de doeltreffendheid ervan bepaald.

"Dit was een uiterst belangrijke stap voor ons onderzoek, Allanore zegt. "De J-WAFS-financiering gaf ons de vrijheid om deze samenwerking aan te gaan met de Universiteit van Massachusetts in Amherst. En, in tegenstelling tot wat er gebeurt met onderzoeksovereenkomsten voor bedrijfssponsoring, in dit geval hadden we allemaal open toegang tot de gegevens."

Allanore is in het bijzonder dankbaar voor de bijdragen van Barker en zijn team, aangezien de tests niet mogelijk zouden zijn geweest zonder hun deelname. De resultaten van dit werk werden op 22 januari gepubliceerd, in het artikel "Bemestende eigenschappen van kaliumveldspaat hydrothermisch veranderd" in het tijdschrift Communicatie in bodemkunde en plantenanalyse .

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.