麻省理工学院的化学家们正在通过使用固氮细菌作为可持续的替代品来减少化肥的碳足迹。他们开发了一种保护性的金属有机涂层，使这些细菌能够承受高温和湿度，大大提高了种子的发芽率。这一创新可以使微生物肥料更容易获得，并促进再生农业。来源:SciTechDaily.com
新的涂层保护固氮细菌免受高温和潮湿的影响，这可能使它们被大规模用于农业。
麻省理工学院的化学工程师设计了一个me保护细菌细胞不受损害而不妨碍其生长或功能的有机涂层。这些被包裹的细菌可以使农民更容易地将微生物用作肥料。左边的插页显示了组合形成微生物保护外壳的细胞，如图中三角形结构所示。
化肥的生产约占世界温室气体排放量的1.5%。麻省理工学院的化学家们希望用一种更可持续的来源——细菌——来代替一些化学肥料，从而帮助减少碳足迹。
可以将氮气转化为氨的细菌不仅可以提供植物所需的营养，还可以帮助土壤再生和保护植物免受害虫的侵害。然而，这些细菌对热量和湿度很敏感，所以很难扩大它们的生产规模并将它们运送到农场。
克服细菌敏感性
为了克服这一障碍，麻省理工学院的化学工程师们设计了一种金属有机涂层，可以保护细菌细胞免受损害，同时又不妨碍它们的生长或功能。在一项新的研究中，他们发现这些被包裹的细菌提高了各种种子的发芽率，包括玉米和小白菜等蔬菜。
这项研究的资深作者、麻省理工学院保罗·m·库克职业发展助理教授阿里尔·弗斯特说，这种涂层可以让农民更容易地将微生物用作肥料。
她说:“我们可以保护它们不受干燥过程的影响，这将使我们更容易分发它们，而且成本更低，因为它们是干粉而不是液体。”“它们还能承受高达132华氏度的高温，这意味着你不必为这些微生物使用冷藏库。”
23岁的本杰明·伯克和博士后范刚是这篇开放获取论文的主要作者，该论文最近发表在《美国化学学会杂志》上。麻省理工学院的本科生Pris Wasuwanich和23岁的Evan Moore也是这项研究的作者。
微生物保护涂层
化学肥料的生产使用一种被称为哈伯-博世(Haber-Bosch)的能源密集型工艺，该工艺使用极高的压力将空气中的氮与氢结合，生成氨。
除了这个过程中显著的碳足迹外，化学肥料的另一个缺点是长期使用最终会耗尽土壤中的养分。为了帮助恢复土壤，一些农民转向了“再生农业”，即使用各种策略，包括作物轮作和堆肥，来保持土壤健康。将氮气转化为氨的固氮细菌可以帮助实现这一目标。
一些农民已经开始使用这些“微生物肥料”，在将其施用于土壤之前，先在大型现场发酵罐中种植。然而，这对许多农民来说成本过高。
将这些细菌运送到农村地区目前不是一个可行的选择，因为它们容易受到热损伤。这些微生物也太脆弱了，无法在冷冻干燥过程中存活下来，而冷冻干燥过程可以使它们更容易运输。
为了保护微生物不受高温和冻干的影响，弗斯特决定使用一种被称为金属酚网络(MPN)的涂层，她之前开发过这种涂层，用来包裹微生物，用于其他用途，比如保护输送到消化道的治疗性细菌。
这种涂层包含两种成分——一种金属和一种被称为多酚的有机化合物——它们可以自组装成一个保护壳。用于涂料的金属，包括铁、锰、铝和锌，被认为是安全的食品添加剂。多酚通常存在于植物中，包括单宁和其他抗氧化剂等分子。FDA将这些多酚归类为GRAS(通常被认为是安全的)。
弗斯特说:“我们正在使用这些天然的食品级化合物，它们本身就有好处，然后它们形成这些保护微生物的小盔甲。”
在这项研究中，研究人员创造了12种不同的mpn，并用它们包裹绿假单胞菌，绿假单胞菌是一种固氮细菌，也能保护植物免受有害真菌和其他害虫的侵害。他们发现，所有的涂层都能保护细菌免受高达50摄氏度(122华氏度)的温度和高达48%的相对湿度的影响。这些涂层还能在冷冻干燥过程中保持微生物的活力。
促进种子萌发
研究人员使用涂有最有效的MPN的微生物——锰和一种叫做表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)的多酚的混合物——在实验室的培养皿中测试了它们帮助种子发芽的能力。他们将被包裹的微生物加热到50°C，然后将它们放入培养皿中，并将它们与新鲜的未被包裹的微生物和冷冻干燥的未被包裹的微生物进行比较。
研究人员发现，与未被包被的新鲜微生物处理的种子相比，包被的微生物使种子的发芽率提高了150%。这一结果在几种不同类型的种子中是一致的，包括莳萝、玉米、萝卜和小白菜。
弗斯特已经成立了一家名为Seia Bio的公司，将这种涂层细菌大规模应用于再生农业。她希望制造过程的低成本将有助于那些没有发酵所需的微生物的小规模农民获得微生物肥料。
“当我们考虑开发技术时，我们需要有意地将其设计得便宜且易于使用，这就是这项技术的目的。这将有助于可再生农业的民主化，”她说。
参考文献:“自组装纳米涂层保护微生物肥料的气候适应性农业”，作者:Benjamin Burke, Gang Fan, Pris Wasuwanich, Evan B. Moore和Ariel L. Furst, 2023年10月30日，JACS Au。DOI: 10.1021 / jacsau.3c00426
该研究由陆军研究办公室、国家卫生研究院新创新者奖、国家环境健康科学核心中心资助、CIFAR Azrieli全球学者计划、麻省理工学院Abdul Latif Jameel水和食品系统实验室、麻省理工学院气候与可持续发展联盟和麻省理工学院Deshpande中心资助。
分享
推特
电子邮件
分享
以前的文章
更多关于sciitechdaily
空间
空间
健康
技术
技术
空间
空间
技术
