Dans la seconde moitié du 20e siècle, l'utilisation massive d'engrais faisait partie d'un boom agricole appelé « révolution verte » qui a largement contribué à éviter une crise alimentaire mondiale. Maintenant, le défi de nourrir le monde se profile à nouveau alors que la population continue de monter en flèche. Pour aider à stimuler la prochaine révolution agricole, des chercheurs ont inventé une feuille « bionique » qui utilise des bactéries, lumière du soleil, l'eau et l'air pour faire de l'engrais dans le sol même où les cultures sont cultivées.

L'équipe présentera le travail aujourd'hui à la 253e réunion et exposition nationale de l'American Chemical Society (ACS).

"Lorsque vous avez un grand processus centralisé et une infrastructure massive, vous pouvez facilement fabriquer et livrer de l'engrais, " Daniel Nocera, Doctorat., dit. « Mais si je disais que maintenant, vous devez le faire dans un village en Inde sur place avec de l'eau sale, oubliez ça. Les pays les plus pauvres du monde émergent n'ont pas toujours les ressources pour le faire. Nous devrions penser à un système distribué parce que c'est là que c'est vraiment nécessaire."

La première « révolution verte » dans les années 1960 a vu l'utilisation accrue d'engrais sur de nouvelles variétés de riz et de blé, qui a permis de doubler la production agricole. Bien que la transformation ait entraîné de graves dommages environnementaux, il a potentiellement sauvé des millions de vies, notamment en Asie, selon l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture. Mais la population mondiale continue de croître et devrait augmenter de plus de 2 milliards de personnes d'ici 2050, une grande partie de cette croissance se produisant dans certains des pays les plus pauvres, selon l'ONU. Fournir de la nourriture pour tout le monde nécessitera une approche à plusieurs volets, mais les experts s'accordent généralement à dire que l'une des tactiques devra consister à augmenter les rendements des cultures pour éviter de défricher encore plus de terres pour l'agriculture.

Pour contribuer à la prochaine révolution verte, Nocera, qui est à l'Université Harvard, s'appuie sur le travail pour lequel il est le plus célèbre, la feuille artificielle, pour fabriquer de l'engrais. La feuille artificielle est un dispositif qui, lorsqu'il est exposé au soleil, imite une feuille naturelle en divisant l'eau en hydrogène et oxygène. Cela a conduit au développement d'une feuille bionique qui associe le catalyseur de séparation de l'eau avec les bactéries Ralstonia eutropha , qui consomme de l'hydrogène et extrait le dioxyde de carbone de l'air pour fabriquer du carburant liquide. Juin dernier, L'équipe de Nocera a signalé avoir changé le catalyseur nickel-molybdène-zinc de l'appareil, qui était toxique pour les microbes, avec un alliage de cobalt et de phosphore respectueux des bactéries. Le nouveau système a fourni des rendements de biomasse et de combustible liquide qui ont largement dépassé ceux de la photosynthèse naturelle.

"Les carburants n'étaient que la première étape, " dit Nocera. " Arriver à ce point a montré que vous pouvez avoir une plate-forme de synthèse chimique renouvelable. Maintenant, nous en démontrons la généralité en demandant à un autre type de bactérie de retirer l'azote de l'atmosphère pour fabriquer de l'engrais. »

Pour cette application, L'équipe de Nocera a conçu un système dans lequel Xanthobacter les bactéries fixent l'hydrogène de la feuille artificielle et le dioxyde de carbone de l'atmosphère pour fabriquer un bioplastique que les bactéries stockent à l'intérieur d'elles-mêmes comme carburant.

"Je peux alors mettre la punaise dans le sol car elle a déjà utilisé la lumière du soleil pour fabriquer le bioplastique, " dit Nocera. " Ensuite, l'insecte tire l'azote de l'air et utilise le bioplastique, qui est essentiellement de l'hydrogène stocké, pour piloter le cycle de fixation pour fabriquer de l'ammoniac pour fertiliser les cultures. »

Le laboratoire de Nocera a analysé la quantité d'ammoniac produite par le système. Mais la vraie preuve se trouve dans les radis. Les chercheurs ont utilisé leur approche pour cultiver cinq cycles de culture. Les légumes recevant l'engrais dérivé des feuilles bioniques pèsent 150 pour cent de plus que les cultures témoins. L'étape suivante, Nocera dit, est d'augmenter le débit pour qu'un jour, les agriculteurs en Inde ou en Afrique subsaharienne peuvent produire leur propre engrais.