När jordens befolkning stiger mot 10 miljarder, planeten är på väg mot matbrist, med vissa uppskattningar som säger att utbudet kommer att behöva fördubblas till 2050 för att möta efterfrågan.

Den fortsatta utvecklingen av jordbruksteknologi – genetisk modifiering tillsammans med nya grödor och markförvaltningstekniker – kommer att täcka en del av den ökade efterfrågan. Men sådan teknik kommer att kräva en dramatisk ökning av produktionen av jordbruksgödselmedel, en energikrävande process som matas av fossila bränslen och är beroende av en robust tillverkningsinfrastruktur:fabriker anslutna till järnvägs- och vägnät för distribution.

Problemet med detta scenario är att mycket av efterfrågan kommer att finnas i utvecklingsvärlden, ofta i regioner som saknar både fabriker och distributionsnät för jordbrukskemikalier.

Som svar, Harvard-forskare frågar:Tänk om marken kunde berika sig själv, genom mikrober som ökar skörden? Och tänk om dessa mikrober själva odlades hållbart, i kompakt, solljusdrivna bioreaktorer?

Postdoktor Kelsey Sakimoto vid Harvard University Center for the Environment arbetar tillsammans med kemisten Daniel Nocera och syntetisk biolog Pamela Silver för att trimma Nocera och Silvers "bionic leaf" för att hjälpa till att skapa en ny era av distribuerat jordbruk, fördelaktig även för självhushållsbönder långt från industrijordbrukets distributionsnät och kemiska gödselmedel.

Det bioniska bladet är en utväxt av Noceras konstgjorda blad, som effektivt delar upp vatten till väte och syrgas genom att para ihop kisel – materialet som utgör solpaneler – med katalysatorbeläggningar. Vätgasen kan lagras på plats och användas för att driva bränsleceller, ger ett sätt att lagra och använda energi som kommer från solen.

Efter att ha utvecklat det konstgjorda bladet, Nocera, Patterson Rockwood professor i energi vid institutionen för kemi och kemisk biologi, slog sig ihop med Silver, Elliott T. och Onie H. Adams professor i biokemi och systembiologi vid Harvard Medical School, att utforska nya användningsområden för tekniken. Att slå samman det konstgjorda bladet med genetiskt modifierade bakterier som äter vätgas, paret producerade det "bioniska bladet, " som skapar flytande bränslen som isobutanol.

Sakimotos forskning, genomförd med Nocera, Silver, postdoktor Chong Liu, och doktoranden Brendan Colon, beskrevs i Proceedings of the National Academy of Sciences i juni. Teamets metod innebär att jordbakterien Xanthobacter autotrophicus konsumerar väte som genereras av det bioniska bladets vattenklyvningsreaktion och tar kväve från atmosfären för att producera ammoniak och fosfor, båda kraftfulla gödselmedel.

Sakimotos arbete "har tagit det bioniska bladet till en ny nivå, ", sa Silver. "Kelsey har ett skarpt öga för projekt med stor effekt och har verkligen uppnått ett viktigt arbete här."

Det finns två sätt att tillämpa det nya systemet. Den första är att helt enkelt låta bakterierna föda och föröka sig, vilket leder till en bakteriebelastad gulaktig vätska som kan sprayas på åkrar. I växthusexperiment vid Arnold Arboretum, rädisor odlade med X. autotrophicus-gödsel blev mer än dubbelt så stor som kontrollrädisor som odlats utan tillsatt gödsel.

"Ganska överraskande, det är ett ganska potent [gödselmedel], Sakimoto sa. "Det har odlats väldigt enkelt och applicerats väldigt enkelt."

Den andra metoden är att tillsätta en förening som får bakterierna att utsöndra ammoniak direkt, som sedan kan användas på ett sätt som liknar vanliga kemiska gödningsmedel.

Sakimoto sa att den initiala användningen av projektet – som skalas upp av kemitekniska samarbetspartners i Indien – skulle vara att tillhandahålla gödningsmedel för små gårdar och avlägsna landsbygdssamhällen utan behov av en stor, centraliserad infrastruktur.

I tid, han sa, förmågan att generera ammoniak direkt kan tilltala jordbrukskemikalier som en förbättring av den dominerande metoden, känd som Haber-Bosch-processen, som utvecklades av två tyska kemister i början av 1900-talet som ett sätt att omvandla atmosfäriskt kväve till ammoniak. Processen är starkt beroende av fossilbaserad energi, så mycket som 1 procent av den globala produktionen.

"Det jag är mest upprymd över i forskningen är:Vi gjorde vad vi gör i den utvecklade världen med massiv infrastruktur, endast utan behov av infrastruktur, " Sa Nocera. "Du kan använda bara solljus, luft, och vatten, och du kan göra det på din bakgård. Du kan ta hand om världens växande efterfrågan på mat [med konventionell teknik] – allt du behöver göra är att bygga fler stora Haber-Bosch-anläggningar. Och man måste bygga järnvägar och hela distributionssystem. Och det kommer inte att nå de fattiga i utvecklingsvärlden, varifrån den största delen av befolkningstillväxten kommer."

Sakimoto, under det andra året av hans tvååriga Ziff Environmental Fellowship, undersöker nu hur man gör systemet mer robust under verkliga förhållanden, till exempel hur användning av avloppsvatten och andra naturligt förekommande vattenkällor i bioreaktorn påverkar dess prestanda.

"Vi försökte göra så mycket due diligence som vi kan för att göra en användbar produkt, " sa Sakimoto. "Vi är mer eller mindre klara på [upptäckts] sidan nu, och tittar på den politiska och praktiska sidan av hur du tar med en ny teknik till världen."