Azoto, fosforo, e potassio sono i tre elementi che supportano la produttività di tutte le piante utilizzate per l'agricoltura, e sono i costituenti dei fertilizzanti commerciali che gli agricoltori utilizzano in tutto il mondo.

Il potassio (noto anche come potassio) è largamente prodotto nell'emisfero settentrionale, dove è abbondante. Infatti, il mercato del potassio è dominato da pochi produttori, in gran parte in Canada, Russia, e Bielorussia. Di conseguenza, la potassa (e i fertilizzanti in generale) sono accessibili in modo relativamente economico dagli agricoltori delle regioni settentrionali, dove sembra anche essere una corrispondenza più stretta per le esigenze di nutrienti del suolo delle loro fattorie e colture.

Ma non è necessariamente così per gli agricoltori altrove. Per le regioni tropicali in crescita in Brasile e in alcuni paesi dell'Africa, le diverse composizioni del suolo e delle rocce non sono adatte ai fertilizzanti attualmente sul mercato. Quando questi fertilizzanti, la cui produzione richiede molte risorse, devono essere spediti per lunghe distanze per raggiungere i consumatori nei paesi dell'emisfero meridionale, i costi possono salire alle stelle. Quando il fertilizzante non è adatto alle esigenze del terreno, gli agricoltori potrebbero aver bisogno di aggiungere altro per ottenere tanto guadagno quanto i loro omologhi del nord, se sono anche in grado di permettersi di più in primo luogo.

Quindi, mentre questi fertilizzanti promettono rese più elevate, i piccoli e medi agricoltori possono ancora finire con profitti inferiori, maggiore salinità del suolo, una rapida riduzione della fertilità complessiva del suolo, e aumento della lisciviazione nelle acque sotterranee, fiumi, e flussi. Questo rende difficile per questi agricoltori prosperare, soprattutto in Africa. Il fertilizzante costoso o inadatto riduce la capacità di produzione alimentare, incidere sull'autosufficienza economica e nutrizionale degli agricoltori. Ora, in un momento in cui le Nazioni Unite prevedono che la popolazione mondiale aumenterà fino a raggiungere gli 8,5 miliardi nel 2030 - un aumento complessivo di oltre 1,2 miliardi di persone - la necessità di risorse locali, soluzioni fertilizzanti sostenibili per aumentare i raccolti è ancora più urgente.

Soddisfare le esigenze di sicurezza alimentare con una ricerca più interdisciplinare

Questa discrepanza - e le implicazioni per la sicurezza alimentare regionale che comporta - è stata l'ispirazione per Antoine Allanore, professore associato di metallurgia presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT, concentrare i suoi sforzi sulla ricerca di materiali fertilizzanti alternativi. Negli ultimi sei anni, ha costruito un gruppo di ricerca, tra cui Davide Ciceri, un ricercatore nel suo laboratorio fino al 2018.

Dopo essersi immersi nella ricerca sui fertilizzanti, Allanore e Ciceri hanno trovato sorprendente la mancanza di attenzione da parte di altri nel campo della scienza dei materiali a questo argomento.

"L'industria non ha riflettuto tanto quanto è necessario nella ricerca sulle materie prime [utilizzate nei fertilizzanti], " dice Ciceri. "Il loro prodotto ha funzionato finora, e nessuno si è lamentato, quindi c'è poco spazio per l'innovazione."

Allanore la pensa così:"Purtroppo, l'agricoltura non è un campo molto redditizio. Guadagnano così poco rispetto a chi lavora nel commercio o nella trasformazione e commercializzazione degli alimenti, quale, di conseguenza, hanno ricevuto molti investimenti e attenzioni. A causa di questa mancanza di investimenti nella ricerca, sappiamo molto poco di ciò che accade ad alcuni degli elementi che stiamo mettendo nel terreno".

Questa mancanza di investimenti è particolarmente problematica per gli agricoltori del Sud del mondo che non hanno accesso a prezzi accessibili ai fertilizzanti attualmente disponibili sul mercato. Motivati ​​dal loro desiderio di trovare locali, soluzioni fertilizzanti sostenibili per gli agricoltori africani e alimentate dal finanziamento delle sementi J-WAFS, allanore, Ciceri, e altri membri del loro team di ricerca hanno creato una road map che gli scienziati dei materiali e altri possono utilizzare per sviluppare una nuova generazione di fertilizzanti indipendenti dal potassio adatti ai terreni africani. Pubblicato lo scorso agosto sulla rivista Scienza dell'ambiente totale , la carta, "Concimi locali per raggiungere l'autosufficienza alimentare in Africa, " è stato uno dei primi studi completi sull'uso dei fertilizzanti in tutta l'Africa dal punto di vista della scienza dei materiali. Ha indicato i progressi urgenti necessari nella ricerca sui fertilizzanti, tecnologia, e politica, e approcci raccomandati che possono aiutare a ottenere i guadagni di rendimento necessari per soddisfare la domanda attuale e futura in modo sostenibile.

"Dal punto di vista della lavorazione dei materiali, c'è davvero tanto da fare sulle risorse minerarie necessarie per i fertilizzanti, “dice Ciceri. “Quello che volevamo fare era promuovere una discussione nella comunità su questo. Perché non c'è ricerca su nuovi sviluppi di fertilizzanti? Quali strategie sono attuabili? È possibile eseguire abbastanza test sulle colture in campo per supportare ciò che i chimici possono fare in laboratorio?"

Mentre il loro articolo era rivolto agli scienziati dei materiali, Allanore riconosce che è necessario un approccio interdisciplinare. "Stiamo per conoscere l'intero genoma degli umani, ma non sappiamo ancora come una coltura assorba i nutrienti, " dice. Collaborazione tra agronomi, scienziati del suolo, scienziati dei materiali, economisti, e altri possono migliorare la nostra comprensione di tutte le interazioni, materiali, e prodotti che contribuiscono a ottenere la resa ottimale delle colture agricole con il minimo impatto negativo sull'ecosistema circostante. È veloce ad affermare, però, che l'obiettivo non è replicare quanto fatto con l'agricoltura moderna, ma andare oltre per trovare soluzioni sostenibili in modo che il continente africano possa fornire il proprio cibo, redditività, e una vita dignitosa per le persone che coltivano.

Trovare nuove fonti per il potassio e testare i risultati

Il laboratorio del professor Allanore ha già scoperto un'alternativa al potassio derivata dal feldspato di potassio, una roccia che si trova comunemente in tutto il mondo. A Cicerì, trovare una soluzione in feldspato era sorprendentemente ovvio.

"Ripensando ad anni di ricerca, Sono stato sorpreso di scoprire che nessuno aveva guardato a K-feldspato come fonte, " dice. "È così abbondante. Com'è possibile che nel 2015 il nostro team di ricerca sia stato il primo a ricavarne il potassio?"

E ancora, questo è proprio quello che sono stati in grado di fare. Con il supporto di una partnership con due entità brasiliane, Terrativa e EMBRAPA (l'ente brasiliano di ricerca agricola), il team di ricerca è stato in grado di sviluppare un processo idrotermale per trasformare le rocce di K-feldspato in un nuovo materiale fertilizzante. Ma mentre questa prima collaborazione ha aiutato i ricercatori a sviluppare una comprensione del feldspato e di come potrebbe essere usato come fertilizzante per colture specifiche in Brasile, il team non aveva il controllo diretto né l'accesso alle prove agronomiche.

È qui che i finanziamenti J-WAFS si sono dimostrati di supporto. Il finanziamento seme 2017 ha fornito al team di ricerca l'opportunità di condurre una valutazione indipendente del potenziale fertilizzante dei nuovi materiali, e contestualizzare anche la loro scoperta all'interno di una più ampia conversazione sulla sicurezza alimentare globale, come hanno fatto nel loro giornale.

Per i test sulle colture, hanno cominciato con i pomodori, che sono una delle colture orticole più comuni ed economicamente importanti, e classificata tra le verdure più consumate al mondo. Una collaborazione con Allen Barker, un professore di scienze delle piante e del suolo presso la Stockbridge School of Agriculture dell'Università del Massachusetts Amherst, reso possibile. Barker ha fornito spazio in serra per i test, nonché competenze essenziali in agronomia che hanno aiutato il team di ricerca del MIT a eseguire l'analisi rigorosa del nuovo materiale che ha, Ora, determinato la sua efficacia.

"Questo è stato un passo estremamente importante per la nostra ricerca, " Allanore dice. "Il finanziamento J-WAFS ci ha dato la libertà di entrare in questa collaborazione con l'Università del Massachusetts ad Amherst. E, a differenza di quanto accade con gli accordi di ricerca di sponsorizzazione aziendale, in questo caso abbiamo avuto tutti libero accesso ai dati".

Allanore è particolarmente grato ai contributi di Barker e del suo team, poiché le prove non sarebbero state possibili senza la loro partecipazione. I risultati di questo lavoro sono stati pubblicati il ​​22 gennaio, nell'articolo "Proprietà fertilizzanti del feldspato di potassio alterato idrotermicamente" nella rivista Comunicazioni in scienze del suolo e analisi delle piante .

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.