Varje år, en "död zon" lika stor som Massachusetts sträcker sig över Mexikanska golfen. Mississippifloden, som färdas genom landets gårdsbälte, sopar överflödigt gödselmedel och dumpar kemikalierna i viken, där de matar skenande alger, tömma syre, och döda marint liv.

I hela USA, mindre versioner av liknande döda zoner infekterar sjöar, dammar, och floder. Under år med högre nederbörd - som 2018 - samlar Massachusetts Charles River tillräckligt med föroreningar från omgivande stadsgator, parkeringsplatser, och anlagda campus för att få vattenkvaliteten att sjunka. Okontrollerad algtillväxt, ofta resultatet av överskott av gödselmedel, kan skada marin, mänsklig, och även djurhälsa:I år, flera hundar dog efter att ha simmat i vatten kvävda av giftiga blågröna alger.

Nu, Forskare från Harvard samarbetar med hållbarhetsansvariga och landskapsexperter för att testa ett nytt gödselmedel som inte kommer att skölja in i vattenförsörjningen. Använder Cambridge campus som ett levande laboratorium, laget, som inkluderar Dilek Dogutan, Quentin Gilly, och Paul Smith, planerar att pilotera det hållbara biogödselmedlet på Harvards område, börjar i vinter. Utvecklad i Daniel Noceras labb, Patterson Rockwood professor i energi, den levande biogödseln, som fungerar med bara solljus, luft, och vatten, finns kvar med växterna, producerar större och hälsosammare exemplar, och är kol-negativ, tar upp koldioxid från luften och binder den farliga växthusgasen i marken.

Pionjärarbetet började i våras, när Dogutan, en huvudforskare i Nocera-gruppen, fick ett mejl från presidentens administrativa innovationsfond (PAIF). I den såg hon en möjlighet att tillämpa sitt labbs forskning på campus precis utanför sitt fönster. I tidigare experiment, teamet hade använt biogödseln för att odla rädisor som var mer än tre gånger så stora som kontroller som odlats utan gödningsmedel. Men experimenten skedde under stabila förhållanden i ett växthus.

"Vi ville ta forskningen ur den kontrollerade miljön, för att se effekten av markens surhet, luft, temperatur, fuktighet, allt, sa Dogutan. För att göra det, hon behövde hjälp. Genom PAIF, hon bildade ett samarbetsteam med Gilly, chef för laboratoriehållbarhet och energi för FAS Green Program vid Harvards Office for Sustainability, och Smith, biträdande chef för landskapstjänster.

Gilly sa att universitetet håller på att gå över till alla organiska gödselmedel, med ett mål om 75 procent organisk landskapsarkitektur till 2020. Men dessa gödningsmedel hamnar fortfarande i vattnet; det gör inte Nocera labs biogödsel.

Uppfanns 2018, det biovänliga gödselmedlet är beroende av en konstruerad cyanobakterie som kallas Xanthobacter autotrophicus . Uppfinningen innefattar år av forskning, gå tillbaka till Noceras konstgjorda lövteknologi, som delar vatten för att göra väte och syre, utför fotosyntes bättre än något löv.

Den nya reningen använder väte från vattenklyvning och kombinerar det med kväve i luften för att producera ammoniak, som växter kan ta upp i sina rötter. Eftersom oorganiska och organiska gödningsmedel ofta ger växter mer kväve och fosfor än de kan använda på en gång, överskottet tvättas bort. Men biogödseln förblir säker inom växternas rötter, lagras för framtida bruk.

Innovationen har ett annat miljövänligt trick:Bakterierna tar upp koldioxid från luften. "Genom att använda de nya biogödselmetoderna över hela USA, vi skulle kunna ta bort betydande mängder CO ₂ per år genom att avskilja kolet i jorden, sa Dogutan.

Med hjälp av Office of Technology Development, Nocera, Pamela Silver, Elliot T. och Onie H. Adams professor i biokemi och systembiologi vid Harvard Medical School, och Xiaowen Feng, en tidigare medlem av hennes labb, grundade ett företag som heter Kula Bio, som arrangerade ett första fälttest utanför campus. Marscherar mot kommersialisering, Kula Bio hoppas att dess produkt kommer att ersätta alla syntetiska kvävegödselmedel – de som är ansvariga för höga nivåer av avrinning och koldioxid ₂ utsläpp — med en billig organisk biogödsel.

På Campus, med finansiering från PAIF, Dogutan och hennes team kommer att utföra storskaliga tester av gödselmedlet från vintern 2020 till och med följande höst. Men, med ett tidigare anslag från Campus Sustainability Innovation Fund, hon har redan planterat två små testområden. I ett, hon och Daniel Loh, en Ph.D. student vid Institutionen för kemi vid Graduate School of Arts and Sciences och medlem av Nocera Lab, rensade två parkeringsplatser i storlekstorlek med en tvåfots gräsbuffert mellan. Loh planterade rädisor, rovor, och spenat i varje. Sedan, varje vecka, han befruktade en med 100 milliliter av de konstruerade cyanobakterierna blandade med vatten och sprutade det över plantorna. Den andra tomten fick lika mycket vatten, utan bakterierna.

Från april till augusti, Loh och forskarna Ellen Deng och Lauren Church övervakade växterna och samlade in data. Lohs mätningar visade att inte bara biogödseln hjälpte hans växter att växa sig större än de i den ogödslade tomten, bakterierna läckte inte in i de omgivande växterna. "Näringsämnen tas upp av växter innan de kan sprida stora avstånd, " han sa.

När datainsamlingen är klar, Loh åt sin forskning:Han skördade och delade sina grönsaker med hela Nocera-gruppen.

Nästa, Deng vill plantera rosa rosor, hennes favoritblomma. Gilly hoppas kunna använda biogödseln i campus regnträdgårdar, som är designade av studenter för att bättre absorbera regnvatten och förhindra poolning. "Varje år, de nya första åren som kommer in är mer och mer passionerade för miljöorsaker, "Sade Gilly." De är en ständigt växande hållbarhetskraft. "

Under nästa år, Dogutan och Harvards landskapstjänster kommer att ersätta organisk gödsel med biogödsel på områden över Harvards Cambridge campus – storleken på tomterna beror bara på hur mycket av den nya behandlingen de kan få från Kula Bio, som donerar det. Ju mer, desto bättre, sa Dogutan. Mer data hjälper henne och teamet att finslipa sin produkt för storskalig användning.

"Detta är fortfarande väldigt ny forskning, " sa Dogutan. "Vi försöker fortfarande ta reda på detaljerna:lastningen, sekvensen, kanske måste vi designa bakterierna på ett annat sätt." När de väl gör det, de hoppas kunna uppmuntra alla Harvard-campus att överväga att byta till biogödsel som ett sätt att förbättra universitetets engagemang för hållbarhet och så småningom vinna bredare acceptans och kanske avsluta "döda zoner".

"Vi måste göra något eftersom verkligen, vi förstör världen, " sa Dogutan. "Att komma till jobbet varje dag är fantastiskt, men vad är vårt högre syfte? Det är inte bara att skicka dessa e-postmeddelanden. Det högre syftet, i alla fall för mig, ger tillbaka till Harvard-samhället på bästa sätt jag kan."

Den här historien är publicerad med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.