Proizvodnja hemijskih đubriva čini oko 1,5% svetske emisije gasova staklene bašte. Hemičari sa MIT-a nadaju se da će pomoći u smanjenju tog ugljeničnog otiska zamenom nekog hemijskog đubriva održivijim izvorom – bakterijama.
Bakterije koje mogu da pretvore gas azota u amonijak mogu ne samo da obezbede hranljive materije koje su biljkama potrebne, već i da pomognu u regeneraciji zemljišta i zaštiti biljaka od štetočina. Međutim, ove bakterije su osetljive na toplotu i vlagu, tako da je teško povećati njihovu proizvodnju i otpremiti ih na farme.
Da bi prevazišli tu prepreku, hemijski inženjeri MIT-a su osmislili metalno-organski premaz koji štiti bakterijske ćelije od oštećenja bez ometanja njihovog rasta ili funkcije. U novoj studiji, otkrili su da ove obložene bakterije poboljšavaju stopu klijanja raznih semena, uključujući povrće kao što su kukuruz i bok čoj.
Ovaj premaz bi poljoprivrednicima mogao mnogo olakšati upotrebu mikroba kao đubriva, kaže Ariel Furst, pomoćnik profesora hemijskog inženjerstva Paul M. Cook za razvoj karijere na MIT-u i viši autor studije.
„Možemo da ih zaštitimo od procesa sušenja, što bi nam omogućilo da ih distribuiramo mnogo lakše i sa manjim troškovima jer su sušeni prah umesto u tečnosti“, kaže ona. „Oni takođe mogu da izdrže toplotu do 132 ° F, što znači da ne biste morali da koristite hladno skladište za ove mikrobe.“
Benjamin Burke i postdoc Gang Fan su vodeći autori rada otvorenog pristupa, koji je objavljen u JACS Au. Studenti MIT-a Pris Vasuvanich i Evan Moore su takođe autori studije.
Hemijska đubriva se proizvode korišćenjem energetski intenzivnog procesa poznatog kao Haber-Bosch, koji koristi izuzetno visoke pritiske za kombinovanje azota iz vazduha sa vodonikom da bi se dobio amonijak.
Pored značajnog ugljičnog otiska ovog procesa, još jedan nedostatak hemijskih đubriva je taj što dugotrajna upotreba na kraju iscrpljuje hranljive materije u tlu. Da bi pomogli u obnavljanju zemljišta, neki farmeri su se okrenuli „regenerativnoj poljoprivredi“, koja koristi različite strategije, uključujući plodored i kompostiranje, kako bi zemljište održalo zdravim. Bakterije koje fiksiraju azot, koje pretvaraju gas azota u amonijak, mogu pomoći u ovom pristupu.
Neki farmeri su već počeli da primenjuju ova „mikrobna đubriva“, uzgajajući ih u velikim fermentorima na licu mesta pre nego što ih primene na tlo. Međutim, ovo je skupo za mnoge farmere.
Slanje ovih bakterija u ruralna područja trenutno nije održiva opcija, jer su podložne toplotnom oštećenju. Mikrobi su takođe previše delikatni da bi preživeli proces sušenja zamrzavanjem koji bi ih olakšao transport.
Da bi zaštitila mikrobe i od toplote i od sušenja smrzavanjem, Furst je odlučila da primeni premaz nazvan metal-fenol mreža (MPN), koji je prethodno razvila da inkapsulira mikrobe za druge namene, kao što je zaštita terapeutskih bakterija dostavljenih u digestivni trakt. .
Premazi sadrže dve komponente — metal i organsko jedinjenje koje se zove polifenol — koje se mogu samostalno sastaviti u zaštitnu školjku. Metali koji se koriste za premaze, uključujući gvožđe, mangan, aluminijum i cink, smatraju se bezbednim kao aditivi za hranu. Polifenoli, koji se često nalaze u biljkama, uključuju molekule kao što su tanini i drugi antioksidansi. FDA klasifikuje mnoge od ovih polifenola kao GRAS (generalno se smatra bezbednim).
„Koristimo ova prirodna jedinjenja za hranu za koja se zna da sama po sebi imaju koristi, a zatim formiraju ove male oklope koji štite mikrobe“, kaže Furst.
Za ovu studiju, istraživači su kreirali 12 različitih MPN-ova i koristili ih da inkapsuliraju Pseudomonas chlororaphis, bakteriju koja fiksira azot koja takođe štiti biljke od štetnih gljivica i drugih štetočina. Otkrili su da svi premazi štite bakterije od temperatura do 50°C (122°F), kao i od relativne vlažnosti do 48%. Premazi su takođe održavali mikrobe u životu tokom procesa sušenja zamrzavanjem.
Koristeći mikrobe obložene najefikasnijim MPN-kombinacijom mangana i polifenola zvanog epigalokatehin galat (EGCG)- istraživači su testirali njihovu sposobnost da pomognu semenu da klija u laboratorijskoj posudi. Zagrejali su obložene mikrobe na 50°C pre nego što su ih stavili u posudu i uporedili ih sa svežim neobloženim mikrobima i mikrobima bez prevlake osušenim zamrzavanjem.
Istraživači su otkrili da su obloženi mikrobi poboljšali klijavost semena za 150%, u poređenju sa semenima tretiranim svežim, neobloženim mikrobima. Ovaj rezultat je bio konzistentan u nekoliko različitih vrsta semena, uključujući kopar, kukuruz, rotkvice i bok čoj.
Furst je pokrenuo kompaniju pod nazivom Seia Bio za komercijalizaciju obloženih bakterija za široku upotrebu u regenerativnoj poljoprivredi. Ona se nada da će niska cena procesa proizvodnje pomoći da mikrobna đubriva budu dostupna malim farmerima koji nemaju fermentore potrebne za uzgoj takvih mikroba.
„Kada razmišljamo o razvoju tehnologije, moramo je namerno dizajnirati da bude jeftina i pristupačna, a to je ono što ova tehnologija i jeste. Ona bi pomogla u demokratizaciji regenerativne poljoprivrede“, kaže ona.
