Микробы могут помочь сократить потребность в химических удобрениях
Производство химических удобрений составляет около 1.5% мировых выбросов парниковых газов. Химики MIT надеются помочь снизить этот углеродный след, заменив часть химических удобрений более устойчивым источником — бактериями.
Бактерии, способные преобразовывать газообразный азот в аммиак, могут не только обеспечить растения питательными веществами, но и помочь восстановить почву и защитить растения от вредителей. Однако эти бактерии чувствительны к теплу и влажности, что затрудняет масштабирование их производства и доставку на фермы.
Чтобы преодолеть это препятствие, инженеры-химики MIT разработали металло-органическое покрытие, которое защищает бактериальные клетки от повреждений, не препятствуя их росту и функции. В новом исследовании они обнаружили, что эти покрытые бактерии улучшили скорость прорастания семян различных культур, включая овощи, такие как кукуруза и бок-чой.
Это покрытие может значительно облегчить фермерам использование микробов в качестве удобрений, считает Ариэль Фёрст, старший автор исследования.
"Мы можем защитить их от процесса высушивания, что позволит нам распространять их гораздо проще и с меньшими затратами, потому что это будет сухой порошок вместо жидкости. Они также могут выдерживать температуру до 132°F (≈50°C), что означает, что для этих микробов не потребуется холодное хранение".
Ведущими авторами открытой публикации в JACS Au являются Бенджамин Бёрк и постдок Ган Фан.
Защита микробов
Химические удобрения производятся с помощью энергоемкого процесса Габера-Боша, который использует чрезвычайно высокое давление для соединения азота из воздуха с водородом для получения аммиака.
Помимо значительного углеродного следа этого процесса, другим недостатком химических удобрений является то, что их длительное использование в конечном итоге истощает питательные вещества в почве. Чтобы помочь восстановить почву, некоторые фермеры обратились к "регенеративному сельскому хозяйству", которое использует различные стратегии, включая севооборот и компостирование. Азотфиксирующие бактерии, превращающие азот в аммиак, могут помочь в этом подходе.
Некоторые фермеры уже начали использовать эти "микробные удобрения", выращивая их в больших ферментерах на месте перед внесением в почву. Однако для многих фермеров это слишком дорого.
Доставка этих бактерий в сельские районы в настоящее время нежизнеспособна, потому что они чувствительны к тепловому повреждению. Микробы также слишком хрупки, чтобы пережить процесс лиофильной сушки (freeze-drying), который облегчил бы их транспортировку.
Для защиты микробов как от тепла, так и от лиофильной сушки Фёрст решила применить покрытие, называемое металл-фенольной сетью (metal-phenol network, MPN). Покрытия содержат два компонента — металл и органическое соединение под названием полифенол, — которые могут самоорганизовываться в защитную оболочку. Используемые металлы, включая железо, марганец, алюминий и цинк, считаются безопасными в качестве пищевых добавок. Полифенолы, часто встречающиеся в растениях, включают молекулы, такие как танины. FDA классифицирует многие из этих полифенолов как GRAS (generally regarded as safe — общепризнанные как безопасные).
"Мы используем эти натуральные пищевые соединения, которые сами по себе известны своей пользой, и они образуют эти маленькие доспехи, которые защищают микробов", — говорит Фёрст.
Для этого исследования ученые создали 12 различных MPN и использовали их для инкапсуляции бактерии Pseudomonas chlororaphis. Они обнаружили, что все покрытия защищали бактерии от температур до 50°C (122°F), а также от относительной влажности до 48%. Покрытия также сохраняли микробы живыми в процессе лиофильной сушки.
Стимуляция для семян
Используя микробы, покрытые наиболее эффективным MPN — комбинацией марганца и полифенола под названием эпигаллокатехин галлат (epigallocatechin gallate, EGCG), — исследователи протестировали их способность помогать семенам прорастать в лабораторной чашке Петри. Они нагрели покрытые микробы до 50°C перед помещением в чашку и сравнили их со свежими непокрытыми микробами и лиофилизированными непокрытыми микробами.
Исследователи обнаружили, что покрытые микробы улучшили скорость прорастания семян на 150% по сравнению с семенами, обработанными свежими непокрытыми микробами. Этот результат был последовательным для нескольких различных типов семян, включая укроп, кукурузу, редис и бок-чой.
Фёрст основала компанию Seia Bio для коммерциализации покрытых бактерий для крупномасштабного использования в регенеративном сельском хозяйстве. Она надеется, что низкая стоимость производственного процесса поможет сделать микробные удобрения доступными для мелких фермеров, у которых нет ферментеров, необходимых для выращивания таких микробов.
"Когда мы думаем о разработке технологий, нам нужно намеренно проектировать их так, чтобы они были недорогими и доступными, и именно такой является эта технология. Это поможет демократизировать регенеративное сельское хозяйство".