I microbi potrebbero aiutare a ridurre la necessità di fertilizzanti chimici

I batteri in grado di convertire il gas azoto in ammoniaca potrebbero non solo fornire i nutrienti di cui le piante hanno bisogno, ma anche aiutare a rigenerare il suolo e proteggere le piante dai parassiti. Tuttavia, questi batteri sono sensibili al calore e all’umidità, quindi è difficile aumentarne la produzione e spedirli alle aziende agricole.

Per superare questo ostacolo, gli ingegneri chimici del MIT hanno ideato un rivestimento metallo-organico che protegge le cellule batteriche dai danni senza impedirne la crescita o il funzionamento. In un nuovo studio, hanno scoperto che questi batteri rivestiti migliorano il tasso di germinazione di una varietà di semi, comprese verdure come mais e cavolo cinese.

Questo rivestimento potrebbe rendere molto più semplice per gli agricoltori l’utilizzo dei microbi come fertilizzanti, afferma Ariel Furst, professore assistente per lo sviluppo professionale di ingegneria chimica Paul M. Cook al MIT e autore senior dello studio.

“Possiamo proteggerli dal processo di essiccazione, il che ci consentirebbe di distribuirli molto più facilmente e con costi inferiori perché sono in polvere essiccata anziché liquida”, afferma. “Possono anche resistere a temperature fino a 132 gradi Fahrenheit, il che significa che non sarebbe necessario utilizzare celle frigorifere per questi microbi.”

Benjamin Burke ’23 e il postdoc Gang Fan sono gli autori principali dell’articolo, che appare nel Giornale dell’American Chemical Society Au. Anche lo studente universitario del MIT Pris Wasuwanich e Evan Moore ’23 sono autori dello studio.

Proteggere i microbi

I fertilizzanti chimici sono prodotti utilizzando un processo ad alta intensità energetica noto come Haber-Bosch, che utilizza pressioni estremamente elevate per combinare l’azoto presente nell’aria con l’idrogeno per produrre ammoniaca.

Oltre alla significativa impronta di carbonio di questo processo, un altro svantaggio dei fertilizzanti chimici è che l’uso a lungo termine alla fine esaurisce i nutrienti nel terreno. Per contribuire a ripristinare il suolo, alcuni agricoltori si sono rivolti all’“agricoltura rigenerativa”, che utilizza una varietà di strategie, tra cui la rotazione delle colture e il compostaggio, per mantenere il suolo sano. I batteri che fissano l’azoto, che convertono il gas azoto in ammoniaca, possono aiutare in questo approccio.

Alcuni agricoltori hanno già iniziato a utilizzare questi “fertilizzanti microbici”, coltivandoli in grandi fermentatori in loco prima di applicarli al terreno. Tuttavia, questo è proibitivo in termini di costi per molti agricoltori.

Spedire questi batteri nelle aree rurali non è attualmente un’opzione praticabile, perché sono suscettibili ai danni dovuti al calore. I microbi sono anche troppo delicati per sopravvivere al processo di liofilizzazione che ne renderebbe più facile il trasporto.

Per proteggere i microbi sia dal calore che dalla liofilizzazione, Furst ha deciso di applicare un rivestimento chiamato rete metallo-fenolo (MPN), che aveva precedentemente sviluppato per incapsulare i microbi per altri usi, come proteggere i batteri terapeutici consegnati al tratto digestivo .

I rivestimenti contengono due componenti – un metallo e un composto organico chiamato polifenolo – che possono autoassemblarsi in un guscio protettivo. I metalli utilizzati per i rivestimenti, tra cui ferro, manganese, alluminio e zinco, sono considerati sicuri come additivi alimentari. I polifenoli, che si trovano spesso nelle piante, includono molecole come tannini e altri antiossidanti. La FDA classifica molti di questi polifenoli come GRAS (generalmente considerati sicuri).

“Stiamo utilizzando questi composti naturali per uso alimentare che sono noti per avere benefici di per sé, e poi formano queste piccole armature che proteggono i microbi”, dice Furst.

Per questo studio, i ricercatori hanno creato 12 MPN diversi e li hanno utilizzati per incapsularli Pseudomonas Chloraphis, un batterio che fissa l’azoto che protegge anche le piante da funghi dannosi e altri parassiti. Hanno scoperto che tutti i rivestimenti proteggevano i batteri da temperature fino a 50 gradi Celsius (122 gradi Fahrenheit) e anche da umidità relativa fino al 48%. I rivestimenti hanno inoltre mantenuto in vita i microbi durante il processo di liofilizzazione.

Una spinta per i semi

Utilizzando microbi rivestiti con l’MPN più efficace, una combinazione di manganese e un polifenolo chiamato epigallocatechina gallato (EGCG), i ricercatori hanno testato la loro capacità di aiutare i semi a germinare in una piastra da laboratorio. Hanno riscaldato i microbi rivestiti a 50°C prima di metterli nel piatto e li hanno confrontati con i microbi freschi non rivestiti e con i microbi non rivestiti liofilizzati.

I ricercatori hanno scoperto che i microbi rivestiti miglioravano il tasso di germinazione dei semi del 150%, rispetto ai semi trattati con microbi freschi e non rivestiti. Questo risultato era coerente tra diversi tipi di semi, tra cui aneto, mais, ravanelli e cavolo cinese.

Furst ha avviato una società chiamata Seia Bio per commercializzare i batteri rivestiti per un uso su larga scala nell’agricoltura rigenerativa. Spera che il basso costo del processo di produzione contribuisca a rendere i fertilizzanti microbici accessibili ai piccoli agricoltori che non dispongono dei fermentatori necessari per far crescere tali microbi.

“Quando pensiamo allo sviluppo della tecnologia, dobbiamo progettarla intenzionalmente in modo che sia poco costosa e accessibile, e questo è ciò che è questa tecnologia. Aiuterebbe a democratizzare l’agricoltura rigenerativa”, afferma.

La ricerca è stata finanziata dall’Esercito Research Office, dal National Institutes of Health New Innovator Award, dal National Institute for Environmental Health Sciences Core Center Grant, dal CIFAR Azrieli Global Scholars Program, dal MIT J-WAFS Program, dal MIT Climate and Sustainability Consortium. e il Centro Deshpande del MIT.