Kväve, fosfor, och kalium är de tre elementen som stöder produktiviteten hos alla växter som används för jordbruk, och är beståndsdelarna i kommersiellt gödselmedel som bönder använder över hela världen.

Kalium (även kallat potash) produceras till stor del på norra halvklotet, var är det rikligt. Faktiskt, potash -marknaden domineras av bara några få producenter, till stor del i Kanada, Ryssland, och Vitryssland. Som ett resultat, potash (och gödselmedel i allmänhet) kan nås relativt billigt av jordbrukare i norra regioner, där det också råkar vara en närmare matchning för jordbruks- och grödornas jordnäringsbehov.

Men det är inte nödvändigtvis fallet för bönder någon annanstans. För tropiska odlingsregioner i Brasilien och vissa länder i Afrika, olika jord- och bergsammansättningar ger en dålig matchning för de gödningsmedel som för närvarande finns på marknaden. När dessa gödningsmedel - som är resurskrävande att producera - måste transporteras långa avstånd för att nå konsumenter i länderna på södra halvklotet, kostnaderna kan skjuta i höjden. När gödselmedlet inte är rätt match för markbehovet, bönder kan behöva lägga till mer för att uppnå lika stor vinst som sina motsvarigheter i norr, om de ens har råd med mer i första hand.

Så medan dessa gödningsmedel lovar högre avkastning, små och medelstora bönder kan fortfarande sluta med lägre vinster, högre salthalt i jorden, en snabb minskning av jordens totala fertilitet, och ökad läckage i grundvatten, floder, och strömmar. Detta gör det svårt för dessa bönder att trivas, särskilt i Afrika. Dyrt eller olämpligt gödselmedel sänker matproduktionskapaciteten, påverkar jordbrukarnas ekonomiska och näringsmässiga självförsörjning. Nu, i en tid då FN förutser att den globala befolkningen kommer att stiga med 8,5 miljarder år 2030 - en total ökning med över 1,2 miljarder människor - behovet av lokala, hållbara gödsellösningar för att öka avkastningen är ännu mer angeläget.

Möt matbehov med mer tvärvetenskaplig forskning

Detta missförhållande - och de regionala livsmedelssäkerhetskonsekvenserna som det innebär - var inspirationen för Antoine Allanore, docent i metallurgi vid Institutionen för materialvetenskap och teknik vid MIT, att fokusera sina ansträngningar på att hitta alternativa gödningsmedel. Under de senaste sex åren har han har byggt ett forskargrupp, inklusive Davide Ciceri, en forskare i sitt labb fram till 2018.

Efter att ha fördjupat sig i gödningsforskning, Allanore och Ciceri har tyckt att bristande uppmärksamhet från andra inom materialvetenskapligt område för detta ämne är överraskande.

"Industrin har inte lagt så mycket tankar på vad som behövs för att forska om råvarorna [används i gödselmedel], "säger Ciceri." Deras produkt har fungerat hittills, och ingen har klagat, så det finns lite utrymme för innovation. "

Allanore tänker på det så här:"Tyvärr, jordbruk är inte särskilt lönsamt. De tjänar så lite jämfört med dem som arbetar inom handel eller livsmedelsbearbetning och marknadsföring, som, som ett resultat, har fått mycket investeringar och uppmärksamhet. På grund av denna brist på forskningsinvesteringar, vi vet väldigt lite om vad som händer med några av de element som vi stoppar i jorden. "

Denna brist på investeringar är särskilt problematisk för jordbrukare i den globala södern som saknar prisvärd tillgång till det gödselmedel som för närvarande finns på marknaden. Motiverad av deras önskan att hitta lokala, hållbara gödsellösningar för afrikanska bönder och drivs av J-WAFS utsädesfinansiering, Allanore, Ciceri, och andra medlemmar i deras forskargrupp har skapat en färdplan som materialforskare och andra kan använda för att utveckla en ny generation kaliumoberoende gödningsmedel som är lämpliga för afrikanska jordar. Publicerad i augusti i tidskriften Vetenskapen om den totala miljön , pappret, "Lokalt gödselmedel för att uppnå livsmedelsförsörjning i Afrika, "var en av de första omfattande studierna av användningen av gödningsmedel i hela Afrika ur ett materialvetenskapligt perspektiv. Det indikerade brådskande framsteg inom gödningsforskning, teknologi, och politik, och rekommenderade tillvägagångssätt som kan hjälpa till att uppnå avkastningsvinster som är nödvändiga för att möta nuvarande och framtida efterfrågan på ett hållbart sätt.

"Ur materialbearbetningens synvinkel, det finns verkligen så mycket att göra med de mineraltillgångar som krävs för gödselmedel, "säger Ciceri." Det vi ville göra var att främja en diskussion i samhället om detta. Varför finns det ingen forskning om ny gödningsutveckling? Vilka strategier är genomförbara? Finns det tillräckligt med fältgrödetester som kan göras för att stödja vad kemister kan göra i laboratoriet? "

Medan deras papper var inriktat på materialvetare, Allanore inser att det som behövs är ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt. "Vi är på väg att känna till människans fulla genom, men vi vet ännu inte hur en gröda tar upp näringsämnen, "säger han. Samarbete mellan agronomer, markforskare, materialvetare, ekonomer, och andra kan förbättra vår förståelse av alla interaktioner, material, och produkter som går in på att få det optimala utbytet av jordbruksgrödor med minimal negativ inverkan på det omgivande ekosystemet. Han är snabb att konstatera, dock, att målet inte är att replikera det som har gjorts med det moderna jordbruket, men gå utöver det för att hitta hållbara lösningar så att den afrikanska kontinenten kan tillhandahålla sin egen mat, lönsamhet, och ett anständigt liv för de människor som odlar grödor.

Hitta nya källor för kalium och testresultat

Professor Allanores laboratorium har redan upptäckt ett kaliumsalteralternativ som härrör från kaliumfältspat, en sten som vanligtvis finns över hela världen. Till Ciceri, att hitta en lösning i fältspat var häpnadsväckande uppenbart.

"Om jag ser tillbaka på år av forskning, Jag blev förvånad över att upptäcka att ingen hade tittat på K-feldspar som källa, "säger han." Det är så rikligt. Hur kan det vara så att vårt forskargrupp 2015 var den första som fick ut kalium ur det? "

Och ändå, det är precis vad de har kunnat göra. Med stöd av ett partnerskap med två brasilianska enheter, Terrativa och EMBRAPA (the Brazilian Agricultural Research Corporation), forskargruppen kunde utveckla en hydrotermisk process för att förvandla K-feldspar-bergarter till ett nytt gödningsmedel. Men medan detta tidiga samarbete hjälpte forskarna att utveckla förståelsen för fältspat och hur det kan användas som gödningsmedel för specifika grödor i Brasilien, laget hade inte direkt kontroll eller tillgång till de agronomiska försöken.

Det var där J-WAFS-finansiering visade stöd. Fröbidraget 2017 gav forskargruppen möjlighet att göra en oberoende bedömning av de nya materialens befruktningspotential, och även kontextualisera deras upptäckt inom ett bredare samtal om global livsmedelssäkerhet, som de gjorde i sitt papper.

För grödprovning, de började med tomater, som är en av de vanligaste och ekonomiskt viktiga trädgårdsodlingarna, och rankad bland de mest konsumerade grönsakerna i världen. Ett samarbete med Allen Barker, professor i växt- och markvetenskap vid Stockbridge School of Agriculture vid University of Massachusetts Amherst, gjort det möjligt. Barker gav växthusutrymme för testning, samt väsentlig expertis inom agronomi som hjälpte MIT -forskargruppen att utföra en noggrann analys av det nya material som har, nu, bestämde dess effektivitet.

"Detta var ett extremt viktigt steg för vår forskning, "Allanore säger." J-WAFS-finansieringen gav oss friheten att ingå detta samarbete med University of Massachusetts i Amherst. Och, till skillnad från vad som händer med företags sponsringsforskningsavtal, i det här fallet hade vi alla öppen åtkomst till data. "

Allanore är särskilt tacksam för bidrag från Barker och hans team, eftersom testerna inte hade varit möjliga utan deras deltagande. Resultaten av detta arbete publicerades den 22 januari, i artikeln "Gödningsegenskaper för kaliumfältspat förändrat hydrotermiskt" i tidskriften Kommunikation i markvetenskap och växtanalys .

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.