En la segunda mitad del siglo XX, El uso masivo de fertilizantes fue parte de un auge agrícola llamado "revolución verde" que se atribuyó en gran medida a evitar una crisis alimentaria mundial. Ahora, el desafío de alimentar al mundo se avecina nuevamente a medida que la población continúa aumentando. Para ayudar a impulsar la próxima revolución agrícola, los investigadores han inventado una hoja "biónica" que utiliza bacterias, luz del sol, agua y aire para producir fertilizante en el mismo suelo donde se cultivan los cultivos.

El equipo presentará el trabajo hoy en la 253ª Reunión y Exposición Nacional de la American Chemical Society (ACS).

"Cuando tienes un gran proceso centralizado y una infraestructura masiva, puede hacer y entregar fertilizante fácilmente, "Daniel Nocera, Doctor., dice. "Pero si digo que ahora tienes que hacerlo en un pueblo de la India en el lugar con agua sucia, olvídalo. Los países más pobres del mundo emergente no siempre tienen los recursos para hacer esto. Deberíamos pensar en una sistema distribuido porque ahí es donde realmente se necesita ".

La primera "revolución verde" en la década de 1960 vio un mayor uso de fertilizantes en nuevas variedades de arroz y trigo, lo que ayudó a duplicar la producción agrícola. Aunque la transformación resultó en algunos daños ambientales graves, potencialmente salvó millones de vidas, particularmente en Asia, según la Organización de las Naciones Unidas (ONU) para la Agricultura y la Alimentación. Pero la población mundial sigue creciendo y se espera que aumente en más de 2000 millones de personas para 2050. con gran parte de este crecimiento que se produce en algunos de los países más pobres, según la ONU, proporcionar alimentos para todos requerirá un enfoque múltiple, pero los expertos generalmente están de acuerdo en que una de las tácticas tendrá que involucrar aumentar el rendimiento de los cultivos para evitar despejar aún más tierra para la agricultura.

Contribuir a la próxima revolución verde, Nocera, que está en la Universidad de Harvard, se basa en el trabajo por el que es más famoso, la hoja artificial, para producir fertilizante. La hoja artificial es un dispositivo que, cuando se expone a la luz solar, imita una hoja natural al dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Esto llevó al desarrollo de una hoja biónica que empareja el catalizador de división del agua con las bacterias. Ralstonia eutropha , que consume hidrógeno y extrae dióxido de carbono del aire para producir combustible líquido. El pasado junio, El equipo de Nocera informó haber cambiado el catalizador de níquel-molibdeno-zinc del dispositivo, que era venenoso para los microbios, con una aleación de cobalto y fósforo que no daña las bacterias. El nuevo sistema proporcionó rendimientos de biomasa y combustible líquido que superaron con creces los de la fotosíntesis natural.

"Los combustibles fueron solo el primer paso, "Dice Nocera." Llegar a ese punto demostró que se puede tener una plataforma de síntesis química renovable. Ahora estamos demostrando su generalidad al hacer que otro tipo de bacteria extraiga nitrógeno de la atmósfera para producir fertilizante ".

Para esta aplicación, El equipo de Nocera ha diseñado un sistema en el que Xanthobacter las bacterias fijan hidrógeno de la hoja artificial y dióxido de carbono de la atmósfera para producir un bioplástico que las bacterias almacenan en su interior como combustible.

"Entonces puedo poner el insecto en el suelo porque ya ha usado la luz del sol para hacer el bioplástico, "Dice Nocera." Luego, el insecto extrae nitrógeno del aire y usa el bioplástico, que es básicamente hidrógeno almacenado, para impulsar el ciclo de fijación para producir amoníaco para fertilizar cultivos ".

El laboratorio de Nocera ha analizado la cantidad de amoníaco que produce el sistema. Pero la verdadera prueba está en los rábanos. Los investigadores han utilizado su enfoque para cultivar cinco ciclos de cultivo. Las verduras que reciben el fertilizante derivado de hojas biónicas pesan un 150 por ciento más que los cultivos de control. El siguiente paso, Nocera dice, es aumentar el rendimiento para que un día, los agricultores de la India o del África subsahariana pueden producir sus propios fertilizantes.