Mentre la popolazione mondiale sale verso i 10 miliardi, il pianeta è diretto verso una scarsità di cibo, con alcune stime che dicono che l'offerta dovrà raddoppiare entro il 2050 per soddisfare la domanda.

Il continuo progresso della tecnologia agricola - modificazione genetica insieme a nuove varietà di colture e tecniche di gestione del territorio - coprirà parte dell'aumento della domanda. Ma tali tecnologie richiederanno un drammatico aumento della produzione di fertilizzanti agricoli, un processo ad alta intensità energetica alimentato da combustibili fossili e che fa affidamento su una robusta infrastruttura di produzione:fabbriche collegate alle reti ferroviarie e stradali per la distribuzione.

Il problema con questo scenario è che gran parte della domanda sarà nel mondo in via di sviluppo, spesso in regioni prive sia degli stabilimenti che delle reti di distribuzione di agrofarmaci.

In risposta, Gli scienziati di Harvard si chiedono:e se il suolo potesse arricchirsi, attraverso i microbi che aumentano i raccolti? E se quei microbi stessi fossero coltivati ​​in modo sostenibile, in compatto, bioreattori alimentati dalla luce solare?

La borsista post-dottorato Kelsey Sakimoto dell'Harvard University Center for the Environment sta lavorando con il chimico Daniel Nocera e la biologa sintetica Pamela Silver per mettere a punto la "foglia bionica" di Nocera e Silver per aiutare a forgiare una nuova era di agricoltura distribuita, vantaggioso anche per gli agricoltori di sussistenza lontani dalle reti di distribuzione dell'agricoltura industriale e dalle forniture di fertilizzanti chimici.

La foglia bionica è una conseguenza della foglia artificiale di Nocera, che divide efficacemente l'acqua in idrogeno e ossigeno accoppiando il silicio, il materiale che costituisce i pannelli solari, con i rivestimenti catalitici. Il gas idrogeno può essere immagazzinato in loco e utilizzato per azionare celle a combustibile, fornendo un modo per immagazzinare e utilizzare l'energia che proviene dal sole.

Dopo aver sviluppato la foglia artificiale, Nocera, il Patterson Rockwood Professor of Energy nel Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica, ha collaborato con Silver, l'Elliott T. e Onie H. Adams Professore di Biochimica e Biologia dei Sistemi presso la Harvard Medical School, per esplorare nuovi usi per la tecnologia. Unendo la foglia artificiale con batteri geneticamente modificati che mangiano gas idrogeno, la coppia produsse la "foglia bionica, " che crea combustibili liquidi come l'isobutanolo.

La ricerca di Sakimoto, condotto con Nocera, D'argento, borsista post-dottorato Chong Liu, e il dottorando Brendan Colon, è stato descritto negli Atti della National Academy of Sciences a giugno. Il metodo del team coinvolge il batterio del suolo Xanthobacter autotrophicus che consuma idrogeno generato dalla reazione di scissione dell'acqua della foglia bionica e preleva azoto dall'atmosfera per produrre ammoniaca e fosforo, entrambi potenti fertilizzanti.

Il lavoro di Sakimoto "ha portato la foglia bionica a un nuovo livello, " Silver ha detto. "Kelsey ha un occhio attento per i progetti ad alto impatto e ha sicuramente realizzato un lavoro importante qui".

Ci sono due modi per applicare il nuovo sistema. Il primo è semplicemente lasciare che i batteri si nutrano e si riproducano, che porta a un liquido giallastro carico di batteri che può essere spruzzato sui campi. Negli esperimenti in serra all'Arnold Arboretum, i ravanelli coltivati ​​con il fertilizzante X. autotrophicus sono diventati più del doppio dei ravanelli di controllo coltivati ​​senza fertilizzante aggiunto.

"Piuttosto sorprendentemente, è un [fertilizzante] abbastanza potente, " Ha detto Sakimoto. "È cresciuto in modo molto semplice e applicato in modo molto semplice".

L'altro metodo consiste nell'aggiungere un composto che induca i batteri a secernere ammoniaca direttamente, che possono quindi essere utilizzati in modo simile ai fertilizzanti chimici tradizionali.

Sakimoto ha affermato che l'uso iniziale per il progetto, che viene ampliato dai collaboratori di ingegneria chimica in India, sarebbe quello di fornire fertilizzante per piccole fattorie e comunità rurali remote senza la necessità di un grande, infrastruttura centralizzata.

In tempo, Egli ha detto, la capacità di generare direttamente ammoniaca può interessare le aziende chimiche agricole come miglioramento del metodo predominante, noto come processo Haber-Bosch, che è stato sviluppato da due chimici tedeschi all'inizio del XX secolo come un modo per convertire l'azoto atmosferico in ammoniaca. Il processo si basa fortemente sull'energia fossile, fino all'1 per cento della produzione mondiale.

"La cosa di cui sono più euforico nella ricerca è:abbiamo fatto quello che facciamo nel mondo sviluppato con enormi infrastrutture, solo senza bisogno di infrastrutture, " disse Nocera. "Puoi usare solo la luce del sole, aria, e acqua, e puoi farlo nel tuo giardino. Puoi occuparti della crescente domanda alimentare mondiale [con la tecnologia convenzionale]:tutto ciò che devi fare è costruire impianti Haber-Bosch più grandi. E devi costruire ferrovie e interi sistemi di distribuzione. E questo non andrà ai poveri del mondo in via di sviluppo, da dove proviene la maggior parte della crescita della popolazione".

Sakimoto, nel secondo anno della sua borsa di studio ambientale Ziff di due anni, sta ora esplorando come rendere il sistema più robusto in condizioni reali, come il modo in cui l'utilizzo delle acque reflue e di altre fonti d'acqua presenti in natura nel bioreattore influisce sulle sue prestazioni.

"Abbiamo cercato di fare tutta la dovuta diligenza possibile per realizzare un prodotto utile, " Ha detto Sakimoto. "Abbiamo più o meno finito sul lato [scoperta] ora, e guardando il lato politico e pratico di come porti una nuova tecnologia nel mondo."