Ученые изобрели микроб, производящий удобрения

В период с 2-го по 6-е апреля в Сан-Франциско проходит ежегодная пресс-конференция американского химического сообщества, посвященная различным вопросам здравоохранения, питания и энергетики. В течение шести дней посетителям и журналистам будут представлено свыше 14 тыс. презентаций по различным научным тематикам. В понедельник, 3 апреля, прошла презентация нового изобретения исследователей Гарвардского университета, возглавляемых доктором Дэниелом Насера (Daniel Nocera) — «бионного» листа, который при помощи определенных бактерий, солнечного света, воды и воздуха производит удобрения.

Во второй половине XX века, произошедшая «зеленая революция» во многом была возможна благодаря массовому применению удобрений. В наши дни задача накормить все увеличивающееся мировое население снова актуальна. Однако, как считает доктор Насера, удобрения становятся доступным продуктом, когда имеется развитая и централизованная инфраструктура. В случае же, когда никакой инфраструктуры нет и в помине, а в наличии имеется лишь маленькая индийская деревушка с грязными водоемами, об этом можно забыть, считает доктор. «Более бедные страны развивающегося мира не всегда располагают ресурсами для этого. Нам нужно думать о распределенной системе, потому что это именно то, что там требуется», добавил Насера.

Первая «зеленая революция» в 60-х гг. сопровождалась увеличенным использованием удобрений на новых разновидностях риса и пшеницы, что в итоге помогло удвоить сельскохозяйственную продукцию. И несмотря на то, что данный процесс сопровождался серьезным уроном окружающей среде, он также сохранил жизни миллионов людей, особенно в Азии, если верить данным ООН. Однако мировое население продолжает расти, и к 2050 году увеличиться более чем на 2 млрд. человек, причем большая часть прироста придется на беднейшие страны. Обеспечение пропитанием всех желающих требует многоцелевого подхода, однако в целом специалисты согласны, что одним из способов будет увеличение производительности сельскохозяйственных полей, а не вырубка лесов и очистка территорий под создание новых угодий.

Возвращаясь к изобретению доктора Насеры и его команды отметим, что так называемый «бионный» лист берет свое начало с другого изобретения — искуственного листа, изобретенного доктором Носера. Данный лист представляет собой устройство, которое под воздействием солнечного света мимикрирует свойства настоящего листа, расщепляя воду на водород и кислород. Это привело к созданию «бионного» листа, соединяющего катализатор расщепления воды с бактерией Ralstonia eutropha. Данная бактерия потребляет водород и углекислый газ из воздуха, а взамен вырабатывает жидкое топливо. В июне 2016 года команда разработчиков заменила катализатор на никеле-молибдено-цинковой основе, которая была ядовита для микробов, на безопасный сплав кобальта и фосфора. Полученная система обеспечивала выход биомассы и жидкого топлива в значительно больших количествах, чем при естественном фотосинтезе.

«Топливо было всего лишь первым шагом. Выход на этот этап показал, что мы можем иметь возобновляемую платформу химического синтеза. Теперь мы демонстрируем универсальность этого вывода путем использования другого типа бактерии, использующей азот из атмосферы для генерации удобрения», отметил Носера. Для этого эксперимента исследователи создали систему, в которой бактерия Xanthobacter потребляет водород из искусственного листа и углекислый газ из атмосферы, а взамен генерирует биопластик, и хранит его прямо внутри своего тела в качестве топлива.

Затем данная бактерия помещается в почву, т.к. она уже использовала солнечный свет для создания биопластика. В почве бактерия использует азот из воздуха и биопластик, который по сути представляет собой водород, для запуска цикла генерации аммиака, который будет использован в качестве удобрений для растений.

Лаборатория исследователей проанализировала количество аммиака, производимое в системе. Однако реальным доказательством стал редис. Были проведены опыты по выращиванию пяти циклов культур. Овощи, получавшие удобрение из «бионных» листов весили в полтора раза больше. Следующим шагом, по словам доктора, будет увеличение пропускной способности системы, чтобы в один прекрасный день индийские или африканские фермеры могли производить свое собственное удобрение.

Насера выражает признательность за поддержку со стороны частных спонсоров.

Американское химическое общество является некоммерческой организацией c общим количеством членов около 157 тыс. человек, что делает его крупнейшим научным сообществом в мире и лидером в предоставлении доступа к химическим исследованиям. Главные офисы организации расположены в г. Вашингтон, а также в г. Колумбус, штат Огайо.

ACS Chemistry for life