Alors que la population mondiale atteint les 10 milliards, la planète se dirige vers une pénurie alimentaire, avec certaines estimations indiquant que l'offre devra doubler d'ici 2050 pour répondre à la demande.

Les progrès continus de la technologie agricole – la modification génétique ainsi que les nouvelles variétés de cultures et techniques de gestion des terres – couvriront une partie de la demande accrue. Mais de telles technologies nécessiteront une augmentation spectaculaire de la production d'engrais agricoles, un processus énergivore alimenté par des combustibles fossiles et s'appuyant sur une infrastructure de fabrication robuste :des usines connectées aux réseaux ferroviaires et routiers pour la distribution.

Le problème avec ce scénario est qu'une grande partie de la demande viendra du monde en développement, souvent dans des régions dépourvues à la fois d'usines et de réseaux de distribution de produits chimiques agricoles.

En réponse, Les scientifiques de Harvard se demandent :et si le sol pouvait s'enrichir, par des microbes qui augmentent les rendements des cultures ? Et si ces microbes étaient eux-mêmes cultivés de manière durable, en compact, bioréacteurs alimentés par la lumière du soleil ?

La boursière postdoctorale Kelsey Sakimoto du Harvard University Center for the Environment travaille avec le chimiste Daniel Nocera et la biologiste synthétique Pamela Silver pour régler la "feuille bionique" de Nocera et Silver afin de contribuer à forger une nouvelle ère d'agriculture distribuée, bénéfique même pour les agriculteurs de subsistance loin des réseaux de distribution de l'agriculture industrielle et des approvisionnements en engrais chimiques.

La feuille bionique est une excroissance de la feuille artificielle de Nocera, qui divise efficacement l'eau en hydrogène et oxygène gazeux en associant du silicium - le matériau qui compose les panneaux solaires - à des revêtements catalytiques. L'hydrogène gazeux peut être stocké sur site et utilisé pour alimenter des piles à combustible, fournissant un moyen de stocker et d'utiliser l'énergie provenant du soleil.

Après avoir développé la feuille artificielle, Nocera, le professeur Patterson Rockwood d'énergie au Département de chimie et de biologie chimique, fait équipe avec Silver, le professeur Elliott T. et Onie H. Adams de biochimie et de biologie des systèmes à la Harvard Medical School, pour explorer de nouvelles utilisations de la technologie. Fusionner la feuille artificielle avec des bactéries génétiquement modifiées qui mangent de l'hydrogène gazeux, la paire a produit la "feuille bionique, " qui crée des carburants liquides comme l'isobutanol.

les recherches de Sakimoto, réalisé avec Nocera, Argent, stagiaire postdoctoral Chong Liu, et doctorant Brendan Colon, a été décrit dans les Actes de la National Academy of Sciences en juin. La méthode de l'équipe implique la bactérie du sol Xanthobacter autotrophicus consommant de l'hydrogène généré par la réaction de séparation de l'eau de la feuille bionique et prélevant de l'azote de l'atmosphère pour produire de l'ammoniac et du phosphore, deux engrais puissants.

Le travail de Sakimoto "a porté la feuille bionique à un nouveau niveau, " Silver a déclaré. " Kelsey a un œil attentif pour les projets à fort impact et a certainement réalisé un travail important ici. "

Il existe deux manières d'appliquer le nouveau système. La première consiste simplement à laisser les bactéries se nourrir et se reproduire, ce qui conduit à un liquide jaunâtre chargé de bactéries qui peut être pulvérisé sur les champs. Dans des expériences en serre à l'Arnold Arboretum, les radis cultivés avec de l'engrais X. autotrophicus ont fini par plus du double de la taille des radis témoins cultivés sans ajout d'engrais.

"Assez surprenant, c'est un [engrais] assez puissant, " Sakimoto a déclaré. "C'est cultivé très simplement et appliqué très simplement."

L'autre méthode consiste à ajouter un composé qui amène les bactéries à sécréter directement de l'ammoniac, qui peuvent ensuite être utilisés d'une manière similaire aux engrais chimiques traditionnels.

Sakimoto a déclaré que l'utilisation initiale du projet - qui est en train d'être intensifié par des collaborateurs du génie chimique en Inde - serait de fournir des engrais pour les petites exploitations et les communautés rurales reculées sans avoir besoin d'un grand infrastructures centralisées.

À l'heure, il a dit, la capacité de générer directement de l'ammoniac peut intéresser les entreprises agrochimiques en tant qu'amélioration par rapport à la méthode prédominante, connu sous le nom de procédé Haber-Bosch, qui a été développé par deux chimistes allemands au début du 20ème siècle comme un moyen de convertir l'azote atmosphérique en ammoniac. Le processus repose fortement sur l'énergie fossile, jusqu'à 1 % de la production mondiale.

« La chose dont je suis le plus ravi dans la recherche est :nous avons fait ce que nous faisons dans le monde développé avec une infrastructure massive, seulement sans besoin d'infrastructure, " Nocera a dit. " Vous pouvez utiliser juste la lumière du soleil, air, et de l'eau, et vous pouvez le faire dans votre jardin. Vous pouvez répondre à la demande alimentaire croissante dans le monde [avec la technologie conventionnelle] — tout ce que vous avez à faire est de construire plus de grandes usines Haber-Bosch. Et vous devez construire des chemins de fer et des systèmes de distribution entiers. Et cela ne touchera pas les pauvres du monde en développement, d'où vient l'essentiel de la croissance de la population."

Sakimoto, dans la deuxième année de sa bourse Ziff Environmental Fellowship de deux ans, explore maintenant comment rendre le système plus robuste dans des conditions réelles, telles que la façon dont l'utilisation des eaux usées et d'autres sources d'eau naturelles dans le bioréacteur affecte ses performances.

"Nous avons essayé de faire autant de diligence raisonnable que possible pour créer un produit utile, " a déclaré Sakimoto. " Nous en avons plus ou moins fini du côté [découverte] maintenant, et en regardant le côté politique et pratique de la façon dont vous apportez une nouvelle technologie dans le monde."