化肥生产约占世界温室气体排放量的1.5%。麻省理工学院的化学家希望通过用更可持续的来源——细菌代替一些化肥来帮助减少碳足迹。

微生物可以帮助减少对化肥的需求

能够将氮气转化为氨的细菌不仅可以提供植物所需的养分，还可以帮助土壤再生并保护植物免受害虫侵害。然而，这些细菌对热和湿度敏感，因此很难扩大其生产规模并将其运送到农场。

为了克服这一障碍，麻省理工学院的化学工程师设计了一种金属有机涂层，可以保护细菌细胞免受损害，而不妨碍其生长或功能。在一项新的研究中，他们发现这些包被的细菌提高了多种种子的发芽率，包括玉米和白菜等蔬菜。

麻省理工学院化学工程系保罗·M·库克职业发展助理教授、该研究的资深作者ArielFurst表示，这种涂层可以让农民更容易地将微生物用作肥料。

“我们可以保护它们免受干燥过程的影响，这将使我们能够更轻松地以更低的成本分发它们，因为它们是干燥的粉末而不是液体，”她说。“它们还可以承受高达132华氏度的高温，这意味着您不必为这些微生物使用冷藏。”

BenjaminBurke'23和博士后GangFan是这篇开放获取论文的主要作者，该论文发表在《美国化学会杂志》上。麻省理工学院本科生PrisWasuwanich和EvanMoore'23也是该研究的作者。

保护微生物

化肥的生产采用一种名为哈伯-博世(Haber-Bosch)的能源密集型工艺，该工艺使用极高的压力将空气中的氮气与氢气结合生成氨。

除了这一过程产生显着的碳足迹外，化肥的另一个缺点是长期使用最终会耗尽土壤中的养分。为了帮助恢复土壤，一些农民转向“再生农业”，这种农业采用多种策略，包括轮作和堆肥，以保持土壤健康。固氮细菌可以将氮气转化为氨，可以帮助实现这种方法。

一些农民已经开始使用这些“微生物肥料”，将它们种植在大型现场发酵罐中，然后再施用于土壤。然而，这对许多农民来说成本过高。

目前将这些细菌运送到农村地区并不是一个可行的选择，因为它们很容易受到热损伤。这些微生物也太脆弱，无法在冷冻干燥过程中存活下来，而冷冻干燥过程将使它们更容易运输。

为了保护微生物免受热和冷冻干燥的影响，Furst决定使用一种称为金属苯酚网络(MPN)的涂层，她之前开发这种涂层用于封装微生物以用于其他用途，例如保护输送到消化道的治疗细菌。

这些涂层含有两种成分——一种金属和一种称为多酚的有机化合物——可以自组装成保护壳。用于涂层的金属，包括铁、锰、铝和锌，被认为是安全的食品添加剂。植物中常见的多酚包括单宁和其他抗氧化剂等分子。FDA将其中许多多酚归类为GRAS(通常被认为是安全的)。

“我们正在使用这些天然食品级化合物，众所周知，它们本身就有好处，然后它们形成这些保护微生物的小盔甲，”弗斯特说。

在这项研究中，研究人员创建了12种不同的MPN，并用它们封装绿针假单胞菌，这是一种固氮细菌，也能保护植物免受有害真菌和其他害虫的侵害。他们发现所有涂层都能保护细菌免受高达50摄氏度(122华氏度)的温度和高达48%的相对湿度的影响。涂层还可以在冷冻干燥过程中保持微生物的活性。

对种子有促进作用

研究人员使用涂有最有效MPN(锰和一种称为表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)的多酚的组合)的微生物，测试了它们在实验室培养皿中帮助种子发芽的能力。他们将包被的微生物加热到50°C，然后将其放入培养皿中，并将它们与新鲜的未包被的微生物和冻干的未包被的微生物进行比较。

研究人员发现，与用新鲜的、未包被的微生物处理的种子相比，包被的微生物将种子的发芽率提高了150%。这一结果在几种不同类型的种子中是一致的，包括莳萝、玉米、萝卜和白菜。

Furst成立了一家名为SeiaBio的公司，将涂层细菌商业化，大规模用于再生农业。她希望制造过程的低成本将有助于使没有培养微生物所需发酵罐的小规模农民能够获得微生物肥料。

“当我们考虑开发技术时，我们需要有意将其设计得便宜且易于使用，这就是这项技术。这将有助于再生农业的民主化，”她说。