Under andra hälften av 1900-talet, massanvändningen av konstgödsel var en del av en jordbruksboom som kallas "den gröna revolutionen" som till stor del krediterades för att avvärja en global livsmedelskris. Nu, utmaningen att mata världen skymtar igen när befolkningen fortsätter att ballongera. För att hjälpa till att stimulera nästa jordbruksrevolution, forskare har uppfunnit ett "bioniskt" blad som använder bakterier, solljus, vatten och luft för att göra gödsel i själva jorden där grödor odlas.

Teamet kommer att presentera arbetet idag vid det 253:e nationella mötet och utställningen av American Chemical Society (ACS).

"När du har en stor centraliserad process och en massiv infrastruktur, du kan enkelt tillverka och leverera gödsel, "Daniel Nocera, Ph.D., säger. "Men om jag sa att nu måste du göra det i en by i Indien på plats med smutsigt vatten - glöm det. Fattiga länder i den framväxande världen har inte alltid resurserna att göra det här. Vi borde tänka på en distribuerat system eftersom det är där det verkligen behövs."

Den första "gröna revolutionen" på 1960-talet såg den ökade användningen av gödningsmedel på nya sorter av ris och vete, vilket bidrog till att fördubbla jordbruksproduktionen. Även om omvandlingen resulterade i vissa allvarliga miljöskador, det räddade potentiellt miljontals liv, särskilt i Asien, enligt FN:s (FN) livsmedels- och jordbruksorganisation. Men jordens befolkning fortsätter att växa och förväntas öka med mer än 2 miljarder människor till 2050, med mycket av denna tillväxt i några av de fattigaste länderna, Enligt FN kommer det att kräva ett mångsidigt tillvägagångssätt att tillhandahålla mat till alla, men experter är generellt överens om att en av taktikerna måste involvera att öka skörden för att undvika att röja ännu mer mark för jordbruk.

För att bidra till nästa gröna revolution, Nocera, som är vid Harvard University, bygger vidare på det arbete han är mest känd för – det konstgjorda bladet – för att göra konstgödsel. Det konstgjorda bladet är en anordning som, när de utsätts för solljus, efterliknar ett naturligt löv genom att dela vatten i väte och syre. Detta ledde till utvecklingen av ett bioniskt blad som parar den vattenklyvande katalysatorn med bakterierna Ralstonia eutropha , som förbrukar väte och tar ut koldioxid ur luften för att göra flytande bränsle. Sista juni, Noceras team rapporterade att de bytte enhetens nickel-molybden-zink-katalysator, som var giftig för mikroberna, med en bakterievänlig legering av kobolt och fosfor. Det nya systemet gav biomassa och flytande bränsleutbyten som avsevärt översteg den från naturlig fotosyntes.

"Bränslena var bara det första steget, Nocera säger. "Att komma till den punkten visade att du kan ha en förnybar plattform för kemisk syntes. Nu visar vi det allmänna genom att låta en annan typ av bakterier ta ut kväve ur atmosfären för att göra gödningsmedel."

För denna applikation, Noceras team har designat ett system där Xanthobacter bakterier fixerar väte från det konstgjorda bladet och koldioxid från atmosfären för att göra en bioplast som bakterierna lagrar inuti sig som bränsle.

"Jag kan sedan lägga insekten i jorden eftersom den redan har använt solljuset för att göra bioplasten, " säger Nocera. "Då drar insekten kväve från luften och använder bioplasten, som i grunden är lagrat väte, att driva fixeringscykeln för att göra ammoniak för gödning av grödor."

Noceras labb har analyserat mängden ammoniak som systemet producerar. Men det verkliga beviset finns i rädisorna. Forskarna har använt sin metod för att odla fem skördecykler. Grönsakerna som får det bioniska blad-härledda gödselmedlet väger 150 procent mer än kontrollgrödorna. Nästa steg, Nocera säger, är att öka genomströmningen så att en dag, bönder i Indien eller Afrika söder om Sahara kan producera sitt eget gödselmedel.