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    Una foglia bionica potrebbe aiutare a nutrire il mondo

    I ravanelli a destra sono stati coltivati ​​con l'aiuto di una foglia bionica che produce fertilizzante con batteri, luce del sole, acqua e aria. Crediti:Laboratorio Nocera, Università di Harvard

    Nella seconda metà del XX secolo, l'uso di massa di fertilizzanti faceva parte di un boom agricolo chiamato "rivoluzione verde" a cui è stato ampiamente attribuito il merito di aver evitato una crisi alimentare globale. Ora, la sfida di nutrire il mondo incombe di nuovo mentre la popolazione continua a crescere. Per contribuire a stimolare la prossima rivoluzione agricola, i ricercatori hanno inventato una foglia "bionica" che utilizza batteri, luce del sole, acqua e aria per produrre fertilizzanti nel terreno stesso in cui vengono coltivate le colture.

    Il team presenterà il lavoro oggi al 253° National Meeting &Exposition dell'American Chemical Society (ACS).

    "Quando si dispone di un grande processo centralizzato e di un'infrastruttura massiccia, puoi facilmente produrre e fornire fertilizzante, "Daniele Nocera, dottorato di ricerca, dice. "Ma se dicessi che ora devi farlo in un villaggio in India sul posto con acqua sporca, lascia perdere. I paesi più poveri del mondo emergente non sempre hanno le risorse per farlo. Dovremmo pensare a un sistema distribuito perché è lì che è veramente necessario."

    La prima "rivoluzione verde" negli anni '60 ha visto l'aumento dell'uso di fertilizzanti su nuove varietà di riso e grano, che ha contribuito a raddoppiare la produzione agricola. Sebbene la trasformazione abbia comportato alcuni gravi danni ambientali, ha potenzialmente salvato milioni di vite, in particolare in Asia, secondo l'Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura. Ma la popolazione mondiale continua a crescere e si prevede che aumenterà di oltre 2 miliardi di persone entro il 2050, con gran parte di questa crescita che si verifica in alcuni dei paesi più poveri, secondo l'ONU Fornire cibo per tutti richiederà un approccio su più fronti, ma gli esperti generalmente concordano sul fatto che una delle tattiche dovrà coinvolgere l'aumento dei raccolti per evitare di liberare ancora più terra per l'agricoltura.

    Per contribuire alla prossima rivoluzione verde, Nocera, chi è all'università di Harvard, sta basandosi sul lavoro per cui è più famoso, la foglia artificiale, per produrre fertilizzante. La foglia artificiale è un dispositivo che, quando esposto alla luce solare, imita una foglia naturale dividendo l'acqua in idrogeno e ossigeno. Ciò ha portato allo sviluppo di una foglia bionica che accoppia il catalizzatore per la scissione dell'acqua con i batteri Ralstonia eutropha , che consuma idrogeno e prende l'anidride carbonica dall'aria per produrre combustibile liquido. Lo scorso giugno, Il team di Nocera ha riferito di aver cambiato il catalizzatore nichel-molibdeno-zinco del dispositivo, che era velenoso per i microbi, con una lega amica dei batteri di cobalto e fosforo. Il nuovo sistema ha fornito rendimenti di biomassa e combustibile liquido che superavano di gran lunga quelli della fotosintesi naturale.

    "I combustibili sono stati solo il primo passo, "Dice Nocera. "Arrivare a quel punto ha dimostrato che si può avere una piattaforma di sintesi chimica rinnovabile. Ora ne stiamo dimostrando la generalità facendo in modo che un altro tipo di batteri estragga l'azoto dall'atmosfera per produrre fertilizzante".

    Per questa applicazione, Il team di Nocera ha progettato un sistema in cui Xanthobacter i batteri fissano l'idrogeno dalla foglia artificiale e l'anidride carbonica dall'atmosfera per creare una bioplastica che i batteri immagazzinano al loro interno come combustibile.

    "Posso quindi mettere l'insetto nel terreno perché ha già usato la luce del sole per fare la bioplastica, " dice Nocera. "Poi l'insetto estrae l'azoto dall'aria e usa la bioplastica, che è fondamentalmente idrogeno immagazzinato, per guidare il ciclo di fissazione per produrre ammoniaca per fertilizzare le colture."

    Il laboratorio di Nocera ha analizzato la quantità di ammoniaca prodotta dal sistema. Ma la vera prova è nei ravanelli. I ricercatori hanno utilizzato il loro approccio per coltivare cinque cicli colturali. Le verdure che ricevono il fertilizzante derivato dalle foglie bioniche pesano il 150 percento in più rispetto alle colture di controllo. Il prossimo passo, Nocera dice, è aumentare la produttività in modo che un giorno, gli agricoltori in India o nell'Africa subsahariana possono produrre il proprio fertilizzante.


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