Azote, phosphoreux, et le potassium sont les trois éléments qui soutiennent la productivité de toutes les plantes utilisées pour l'agriculture, et sont les constituants des engrais commerciaux que les agriculteurs utilisent dans le monde entier.

Le potassium (également appelé potasse) est en grande partie produit dans l'hémisphère nord, où est abondant. En réalité, le marché de la potasse est dominé par quelques producteurs, principalement au Canada, Russie, et la Biélorussie. Par conséquent, la potasse (et les engrais en général) sont accessibles à un prix relativement abordable pour les agriculteurs des régions nordiques, où il se trouve également qu'il correspond plus étroitement aux besoins en éléments nutritifs du sol de leurs fermes et cultures.

Mais ce n'est pas nécessairement le cas pour les agriculteurs d'ailleurs. Pour les régions de culture tropicale au Brésil et dans certains pays d'Afrique, les compositions différentes du sol et de la roche ne correspondent pas aux engrais actuellement sur le marché. Lorsque ces engrais, dont la production est gourmande en ressources, doivent être expédiés sur de longues distances pour atteindre les consommateurs des pays de l'hémisphère sud, les coûts peuvent monter en flèche. Lorsque l'engrais n'est pas adapté aux besoins du sol, les agriculteurs peuvent avoir besoin d'en ajouter davantage afin de réaliser autant de gains que leurs homologues du nord, s'ils sont même en mesure de se permettre plus en premier lieu.

Ainsi, alors que ces engrais promettent des rendements plus élevés, les petits et moyens agriculteurs peuvent toujours se retrouver avec des bénéfices inférieurs, une salinité du sol plus élevée, une réduction rapide de la fertilité globale du sol, et une lixiviation accrue dans les eaux souterraines, rivières, et des ruisseaux. Il est donc difficile pour ces agriculteurs de prospérer, surtout en Afrique. Les engrais coûteux ou inadaptés diminuent la capacité de production alimentaire, affectant l'autosuffisance économique et nutritionnelle des agriculteurs. Maintenant, à un moment où les Nations Unies prévoient que la population mondiale augmentera de 8,5 milliards en 2030, soit une augmentation globale de plus de 1,2 milliard de personnes, le besoin de ressources locales, des solutions d'engrais durables pour augmenter les rendements est encore plus urgent.

Répondre aux besoins de sécurité alimentaire avec plus de recherche interdisciplinaire

Cette inadéquation - et les implications régionales en matière de sécurité alimentaire qu'elle implique - a été l'inspiration d'Antoine Allanore, professeur agrégé de métallurgie au Département de science et génie des matériaux du MIT, de concentrer ses efforts sur la recherche de matériaux fertilisants alternatifs. Au cours des six dernières années, il a construit une équipe de recherche, dont Davide Ciceri, un chercheur scientifique dans son laboratoire jusqu'en 2018.

Après s'être immergés dans la recherche sur les engrais, Allanore et Ciceri ont trouvé surprenant le manque d'attention d'autres acteurs du domaine de la science des matériaux à ce sujet.

"L'industrie n'a pas réfléchi autant qu'il le faudrait à faire des recherches sur les matières premières [utilisées dans les engrais], " dit Ciceri. "Leur produit a fonctionné jusqu'à présent, et personne ne s'est plaint, il y a donc peu de place pour l'innovation."

Allanore pense ainsi :"Malheureusement, l'agriculture n'est pas un domaine très rentable. Ils gagnent si peu par rapport à ceux qui travaillent dans le commerce ou la transformation et la commercialisation des aliments, lequel, par conséquent, ont reçu beaucoup d'investissement et d'attention. En raison de ce manque d'investissement dans la recherche, nous savons très peu de choses sur ce qui arrive à certains des éléments que nous mettons dans le sol."

Ce manque d'investissement est particulièrement problématique pour les agriculteurs des pays du Sud qui n'ont pas d'accès abordable aux engrais actuellement disponibles sur le marché. Motivés par leur envie de trouver local, des solutions d'engrais durables pour les agriculteurs africains et alimentées par le financement d'amorçage de J-WAFS, Allanore, Cicéri, et d'autres membres de leur équipe de recherche ont créé une feuille de route que les scientifiques des matériaux et d'autres peuvent utiliser pour développer une nouvelle génération d'engrais indépendants de la potasse adaptés aux sols africains. Publié en août dernier dans la revue Science de l'environnement total , le papier, « Des engrais locaux pour atteindre l'autosuffisance alimentaire en Afrique, " a été l'une des premières études complètes sur l'utilisation des engrais à travers l'Afrique du point de vue de la science des matériaux. Elle a indiqué des progrès urgents dans la recherche sur les engrais, La technologie, et politique, et les approches recommandées qui peuvent aider à réaliser les gains de rendement nécessaires pour répondre de manière durable à la demande actuelle et future.

« Du point de vue de la transformation des matériaux, il y a vraiment tant à faire sur les ressources minérales nécessaires aux engrais, " dit Ciceri. " Ce que nous voulions faire était de promouvoir une discussion dans la communauté à ce sujet. Pourquoi n'y a-t-il aucune recherche sur les nouveaux développements d'engrais ? Quelles stratégies sont réalisables ? Y a-t-il suffisamment d'essais sur les cultures en plein champ qui peuvent être effectués pour soutenir ce que les chimistes peuvent faire en laboratoire ? »

Alors que leur article était destiné aux scientifiques des matériaux, Allanore reconnaît que ce qui est nécessaire, c'est une approche interdisciplinaire. "Nous sommes sur le point de connaître le génome complet des humains, mais nous ne savons pas encore comment une culture absorbe les nutriments, " dit-il. Collaboration entre agronomes, pédologues, scientifiques des matériaux, économistes, et d'autres peuvent améliorer notre compréhension de toutes les interactions, matériaux, et des produits qui permettent d'obtenir le rendement optimal des cultures agricoles avec un impact négatif minimal sur l'écosystème environnant. Il s'empresse de déclarer, cependant, que le but n'est pas de reproduire ce qui a été fait avec l'agriculture moderne, mais aller au-delà pour trouver des solutions durables afin que le continent africain puisse fournir sa propre nourriture, rentabilité, et une vie décente pour les gens qui cultivent.

Trouver de nouvelles sources de potassium et tester les résultats

Le laboratoire du professeur Allanore a déjà découvert une alternative à la potasse dérivée du feldspath potassique, une roche que l'on trouve couramment partout dans le monde. A Cicéri, trouver une solution dans le feldspath était étonnamment évident.

"En repensant à des années de recherche, J'ai été surpris de constater que personne n'avait considéré le K-feldspath comme source, " dit-il. " C'est tellement abondant. Comment se fait-il qu'en 2015, notre équipe de recherche ait été la première à en extraire du potassium ?"

Et encore, c'est exactement ce qu'ils ont pu faire. Avec le soutien d'un partenariat avec deux entités brésiliennes, Terrativa et EMBRAPA (Société brésilienne de recherche agricole), l'équipe de recherche a pu développer un procédé hydrothermal pour transformer les roches de feldspath K en un nouveau matériau fertilisant. Mais alors que cette première collaboration a aidé les chercheurs à développer une compréhension du feldspath et de la façon dont il pourrait être utilisé comme engrais pour des cultures spécifiques au Brésil, l'équipe n'avait pas de contrôle direct ni d'accès aux essais agronomiques.

C'est là que le financement de J-WAFS s'est avéré favorable. La subvention de démarrage de 2017 a permis à l'équipe de recherche de mener une évaluation indépendante du potentiel fertilisant des nouveaux matériaux, et aussi contextualiser leur découverte dans une conversation plus large sur la sécurité alimentaire mondiale, comme ils l'ont fait dans leur journal.

Pour les tests de culture, ils ont commencé avec des tomates, qui sont l'une des cultures horticoles les plus courantes et économiquement importantes, et classé parmi les légumes les plus consommés au monde. Une collaboration avec Allen Barker, professeur de sciences des plantes et du sol à la Stockbridge School of Agriculture de l'Université du Massachusetts à Amherst, l'a rendu possible. Barker a fourni un espace de serre pour les tests, ainsi qu'une expertise essentielle en agronomie qui a aidé l'équipe de recherche du MIT à effectuer l'analyse rigoureuse du nouveau matériau qui a, maintenant, déterminé son efficacité.

"C'était une étape extrêmement importante pour notre recherche, " dit Allanore. " Le financement J-WAFS nous a donné la liberté d'entrer dans cette collaboration avec l'Université du Massachusetts à Amherst. Et, contrairement à ce qui se passe avec les accords de recherche de mécénat d'entreprise, dans ce cas, nous avions tous un accès libre aux données. »

Allanore est particulièrement reconnaissant aux contributions de Barker et de son équipe, puisque les tests n'auraient pas été possibles sans leur participation. Les résultats de ce travail ont été publiés le 22 janvier dans l'article "Fertilizing properties of potassium feldspath alted hydrothermally" dans le journal Communications en science du sol et analyse des plantes .

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.