Mikroben könnten helfen, den Bedarf an chemischen Düngemitteln zu verringern
Eine Beschichtung schützt stickstoffbindende Bakterien: Start-up will beschichtete Bakterien für den großflächigen Einsatz in der regenerativen Landwirtschaft kommerzialisieren
Die Produktion von chemischen Düngemitteln ist für etwa 1,5 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. MIT-Chemiker hoffen, diesen Kohlenstoff-Fußabdruck verringern zu können, indem sie einige chemische Düngemittel durch eine nachhaltigere Quelle ersetzen - Bakterien.
Bakterien, die Stickstoffgas in Ammoniak umwandeln können, könnten nicht nur die von den Pflanzen benötigten Nährstoffe liefern, sondern auch zur Regeneration des Bodens beitragen und die Pflanzen vor Schädlingen schützen. Diese Bakterien reagieren jedoch empfindlich auf Hitze und Feuchtigkeit, so dass es schwierig ist, sie in großem Maßstab herzustellen und an landwirtschaftliche Betriebe zu liefern.
Um dieses Hindernis zu überwinden, haben Chemieingenieure des MIT eine metallorganische Beschichtung entwickelt, die Bakterienzellen vor Schäden schützt, ohne ihr Wachstum oder ihre Funktion zu beeinträchtigen. In einer neuen Studie fanden sie heraus, dass diese beschichteten Bakterien die Keimrate einer Reihe von Samen, darunter auch Gemüse wie Mais und Bok Choy, verbesserten.
Diese Beschichtung könnte es den Landwirten wesentlich erleichtern, Mikroben als Düngemittel einzusetzen, sagt Ariel Furst, Paul M. Cook Career Development Assistant Professor of Chemical Engineering am MIT und Hauptautor der Studie.
"Wir können sie vor dem Trocknungsprozess schützen, was es uns ermöglichen würde, sie viel einfacher und kostengünstiger zu verteilen, da sie als getrocknetes Pulver und nicht als Flüssigkeit vorliegen", sagt sie. "Außerdem sind sie bis zu einer Temperatur von 132 Grad Celsius hitzebeständig, was bedeutet, dass man für diese Mikroben keine Kühllagerung verwenden muss.
Benjamin Burke (23) und der Postdoc Gang Fan sind die Hauptautoren der Arbeit, die im Journal of the American Chemical Society Au erscheint. Die MIT-Absolventen Pris Wasuwanich und Evan Moore (23) sind ebenfalls Autoren der Studie.
Schutz der Mikroben
Chemische Düngemittel werden in einem energieintensiven Verfahren hergestellt, das als Haber-Bosch-Verfahren bekannt ist und bei dem unter extrem hohem Druck Stickstoff aus der Luft mit Wasserstoff zu Ammoniak kombiniert wird.
Abgesehen von der beträchtlichen CO2-Bilanz dieses Prozesses besteht ein weiterer Nachteil chemischer Düngemittel darin, dass bei langfristigem Einsatz die Nährstoffe im Boden aufgebraucht werden. Um den Boden wiederherzustellen, haben sich einige Landwirte der "regenerativen Landwirtschaft" zugewandt, die eine Reihe von Strategien wie Fruchtwechsel und Kompostierung einsetzt, um den Boden gesund zu erhalten. Stickstofffixierende Bakterien, die Stickstoffgas in Ammoniak umwandeln, können bei diesem Ansatz helfen.
Einige Landwirte haben bereits damit begonnen, diese "mikrobiellen Dünger" einzusetzen, indem sie sie in großen Fermentern vor Ort züchten, bevor sie sie in den Boden einbringen. Dies ist jedoch für viele Landwirte zu kostspielig.
Der Versand dieser Bakterien in ländliche Gebiete ist derzeit keine praktikable Option, da sie anfällig für Hitzeschäden sind. Die Mikroben sind auch zu empfindlich, um das Gefriertrocknungsverfahren zu überstehen, das den Transport erleichtern würde.
Um die Mikroben sowohl vor Hitze als auch vor Gefriertrocknung zu schützen, entschied sich Furst für eine Beschichtung, ein so genanntes Metall-Phenol-Netz (MPN), das sie bereits für die Verkapselung von Mikroben für andere Zwecke entwickelt hat, beispielsweise zum Schutz von therapeutischen Bakterien, die in den Verdauungstrakt eingebracht werden.
Die Beschichtungen enthalten zwei Komponenten - ein Metall und eine organische Verbindung, ein so genanntes Polyphenol -, die sich selbst zu einer Schutzhülle zusammenfügen können. Die für die Beschichtungen verwendeten Metalle, darunter Eisen, Mangan, Aluminium und Zink, gelten als sichere Lebensmittelzusatzstoffe. Zu den Polyphenolen, die häufig in Pflanzen vorkommen, gehören Moleküle wie Gerbstoffe und andere Antioxidantien. Die FDA stuft viele dieser Polyphenole als GRAS (generally regarded as safe) ein.
"Wir verwenden diese natürlichen, lebensmitteltauglichen Verbindungen, von denen bekannt ist, dass sie für sich genommen Vorteile haben, und dann bilden sie diese kleinen Panzerungen, die die Mikroben schützen", sagt Furst.
Für diese Studie entwickelten die Forscher 12 verschiedene MPNs und verkapselten damit Pseudomonas chlororaphis, ein stickstofffixierendes Bakterium, das Pflanzen auch vor schädlichen Pilzen und anderen Schädlingen schützt. Sie stellten fest, dass alle Beschichtungen das Bakterium vor Temperaturen bis zu 50 Grad Celsius und vor einer relativen Luftfeuchtigkeit von bis zu 48 Prozent schützten. Die Beschichtungen hielten die Mikroben auch während des Gefriertrocknungsprozesses am Leben.
Ein Schub für das Saatgut
Anhand von Mikroben, die mit dem wirksamsten MPN beschichtet waren - einer Kombination aus Mangan und einem Polyphenol namens Epigallocatechingallat (EGCG) - testeten die Forscher deren Fähigkeit, die Keimung von Samen in einer Laborschale zu fördern. Sie erhitzten die beschichteten Mikroben auf 50 °C, bevor sie sie in die Schale legten, und verglichen sie mit frischen unbeschichteten Mikroben und gefriergetrockneten unbeschichteten Mikroben.
Die Forscher fanden heraus, dass die beschichteten Mikroben die Keimrate der Samen um 150 Prozent verbesserten, verglichen mit Samen, die mit frischen, unbeschichteten Mikroben behandelt wurden. Dieses Ergebnis galt für verschiedene Arten von Samen, darunter Dill, Mais, Radieschen und Bok Choy.
Furst hat ein Unternehmen namens Seia Bio gegründet, um die beschichteten Bakterien für den großflächigen Einsatz in der regenerativen Landwirtschaft zu vermarkten. Sie hofft, dass die niedrigen Kosten des Herstellungsverfahrens dazu beitragen werden, mikrobielle Düngemittel für Kleinbauern zugänglich zu machen, die nicht über die für die Zucht solcher Mikroben erforderlichen Fermenter verfügen.
"Wenn wir über die Entwicklung von Technologien nachdenken, müssen wir sie absichtlich so gestalten, dass sie kostengünstig und zugänglich sind, und genau das ist diese Technologie. Sie würde dazu beitragen, die regenerative Landwirtschaft zu demokratisieren", sagt sie.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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