Преобразование сельского хозяйства с помощью микробных удобрений

Химики Массачусетского технологического института сокращают выбросы углекислого газа от химических удобрений, используя азотфиксирующие бактерии в качестве устойчивой альтернативы. Они разработали защитное металлоорганическое покрытие, которое позволяет этим бактериям противостоять жаре и влажности, значительно повышая скорость прорастания семян. Это нововведение может сделать микробные удобрения более доступными и способствовать регенеративному сельскому хозяйству. Фото: SciTechDaily.com

Новое покрытие защищает азотфиксирующие бактерии от жары и влажности, что может позволить использовать их для крупномасштабного сельскохозяйственного использования.

Инженеры-химики MIT разработали металлоорганическое покрытие, которое защищает бактериальные клетки от повреждений, не препятствуя их росту и функционированию. Эти покрытые оболочкой бактерии могут значительно облегчить фермерам использование микробов в качестве удобрений. Слева на вставке показаны компоненты, создающие защитную оболочку микробов, представленные на вставке в центре треугольными образованиями.

На производство химических удобрений приходится около 1,5 процента мировых выбросов парниковых газов. Химики Массачусетского технологического института надеются помочь уменьшить этот углеродный след, заменив некоторые химические удобрения более устойчивым источником — бактериями.

Бактерии, способные превращать газообразный азот в аммиак, могут не только обеспечивать растения питательными веществами, но также помогать регенерировать почву и защищать растения от вредителей. Однако эти бактерии чувствительны к теплу и влажности, поэтому масштабировать их производство и поставлять на фермы сложно.

Преодоление бактериальной чувствительности

Чтобы преодолеть это препятствие, инженеры-химики Массачусетского технологического института разработали металлоорганическое покрытие, которое защищает бактериальные клетки от повреждений, не препятствуя их росту или функционированию. В новом исследовании они обнаружили, что эти покрытые оболочкой бактерии улучшают прорастание различных семян, включая овощи, такие как кукуруза и бок-чой.

Это покрытие может значительно облегчить фермерам использование микробов в качестве удобрений, говорит Ариэль Ферст, доцент кафедры химического машиностроения Пола М. Кука в Массачусетском технологическом институте и старший автор исследования.

• «Мы можем защитить их от процесса высыхания, что позволит нам гораздо легче и с меньшими затратами распространять их, поскольку они представляют собой сухой порошок, а не жидкость», — говорит она.
• «Они также могут выдерживать температуру до 132 градусов Фаренгейта, а это значит, что вам не придется использовать холодное хранилище для этих микробов».

Бенджамин Берк 23 и постдок Ганг Фан — ведущие авторы статьи в открытом доступе, которая недавно была опубликована в Журнале Американского химического общества Au <а я=2>. Студенты Массачусетского технологического института Прис Васуванич и Эван Мур (23 года) также являются авторами исследования.

Защитное покрытие от микробов

Химические удобрения производятся с использованием энергоемкого процесса, известного как Хабер-Бош, в котором используется чрезвычайно высокое давление для соединения азота из воздуха с водородом для получения аммиака.

Помимо значительного углеродного следа этого процесса, еще одним недостатком химических удобрений является то, что длительное их использование в конечном итоге приводит к истощению питательных веществ в почве. Чтобы помочь восстановить почву, некоторые фермеры обратились к «регенеративному сельскому хозяйству», в котором используются различные стратегии, включая севооборот и компостирование, чтобы сохранить почву здоровой. В этом могут помочь азотфиксирующие бактерии, которые преобразуют газообразный азот в аммиак.

Некоторые фермеры уже начали использовать эти «микробные удобрения», выращивая их в больших ферментерах перед внесением в почву. Однако для многих фермеров это непомерно дорого.

Доставка этих бактерий в сельские районы в настоящее время нецелесообразна, поскольку они чувствительны к тепловому повреждению. Микробы также слишком хрупкие, чтобы пережить процесс сублимационной сушки, что облегчит их транспортировку.

Чтобы защитить микробы как от нагревания, так и от лиофилизации, Ферст решила применить покрытие, называемое металло-фенольной сеткой (MPN), которое она ранее разработала для инкапсулирования микробов для других целей, например для защиты терапевтических бактерий, попадающих в пищеварительный тракт.

Покрытия содержат два компонента — металл и органическое соединение, называемое полифенолом, — которые могут самособираться в защитную оболочку. Металлы, используемые для покрытий, включая железо, марганец, алюминий и цинк, считаются безопасными в качестве пищевых добавок. Полифенолы, которые часто встречаются в растениях, включают такие молекулы, как дубильные вещества и другие антиоксиданты. FDA классифицирует многие из этих полифенолов как GRAS (обычно считающиеся безопасными).

• «Мы используем эти натуральные пищевые соединения, которые, как известно, сами по себе приносят пользу, а затем они образуют маленькие доспехи, защищающие микробы», — говорит Ферст.

Для этого исследования ученые создали 12 различных MPN и использовали их для инкапсуляции Pseudomonas chromraphis, азотфиксирующей бактерии, которая также защищает растения. против вредных грибов и других вредителей. Они обнаружили, что все покрытия защищают бактерии от температуры до 50 градусов Цельсия (122 градуса по Фаренгейту), а также от относительной влажности до 48 процентов. Покрытия также сохраняли микробы живыми во время процесса сублимационной сушки.

Улучшенное всхожесть семян

Используя микробы, покрытые наиболее эффективным MPN — комбинацией марганца и полифенола, называемого галлат эпигаллокатехина (EGCG), — исследователи проверили их способность помогать семенам прорастать в лабораторной чашке. Они нагрели микробы с покрытием до 50 °C перед тем, как поместить их в чашку, и сравнили их со свежими микробами без покрытия и лиофилизированными микробами без покрытия.

Исследователи обнаружили, что микробы с покрытием улучшили всхожесть семян на 150 процентов по сравнению с семенами, обработанными свежими микробами без покрытия. Этот результат был одинаковым для нескольких различных типов семян, включая укроп, кукурузу, редис и бок-чой.

Ферст основал компанию Seia Bio для коммерциализации покрытых оболочкой 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 технологии, нам нужно намеренно сделать ее недорогой и доступной, и именно это и есть эта технология. Это помогло бы демократизировать регенеративное сельское хозяйство», — говорит она.

Исследование финансировалось Исследовательским бюро армии, Национальным институтом здравоохранения Премией новых новаторов, Национальным институтом наук о гигиене окружающей среды Грант Центра, Глобальная программа стипендий CIFAR Azrieli, Лаборатория водных и пищевых систем Абдула Латифа Джамиля в Массачусетском технологическом институте, Консорциум MIT по климату и устойчивому развитию и Центр Дешпанде MIT.

Источник

Метки: Микробиология