À medida que a população global aumenta para 10 bilhões, o planeta está se encaminhando para uma escassez de alimentos, com algumas estimativas dizendo que a oferta terá que dobrar até 2050 para atender à demanda.

O avanço contínuo da tecnologia agrícola - modificação genética junto com novas variedades de safras e técnicas de manejo da terra - cobrirá parte do aumento da demanda. Mas tais tecnologias exigirão um aumento dramático na produção de fertilizantes agrícolas, um processo de uso intensivo de energia alimentado por combustíveis fósseis e dependente de uma robusta infraestrutura de manufatura:fábricas conectadas a redes ferroviárias e rodoviárias para distribuição.

O problema com este cenário é que grande parte da demanda será no mundo em desenvolvimento, frequentemente em regiões onde faltam fábricas e redes de distribuição de produtos químicos agrícolas.

Em resposta, Cientistas de Harvard estão perguntando:e se o solo pudesse se enriquecer, através de micróbios que aumentam o rendimento das colheitas? E se esses micróbios crescessem de forma sustentável, em compacto, biorreatores movidos a luz solar?

Kelsey Sakimoto, bolsista de pós-doutorado, do Centro para o Meio Ambiente da Universidade de Harvard, está trabalhando com o químico Daniel Nocera e a bióloga sintética Pamela Silver para ajustar a "folha biônica" de Nocera e Silver para ajudar a forjar uma nova era de agricultura distribuída. benéfico até mesmo para agricultores de subsistência longe das redes de distribuição da agricultura industrial e do fornecimento de fertilizantes químicos.

A folha biônica é uma conseqüência da folha artificial de Nocera, que divide a água com eficiência em hidrogênio e gás oxigênio combinando silício - o material que compõe os painéis solares - com revestimentos de catalisador. O gás hidrogênio pode ser armazenado no local e usado para acionar células de combustível, fornecendo uma maneira de armazenar e usar a energia que se origina do sol.

Depois de desenvolver a folha artificial, Nocera, o Professor Patterson Rockwood de Energia no Departamento de Química e Biologia Química, juntou-se a Silver, Elliott T. e Onie H. Adams Professor de Bioquímica e Biologia de Sistemas na Harvard Medical School, para explorar novos usos para a tecnologia. Mesclando a folha artificial com bactérias geneticamente modificadas que comem gás hidrogênio, o par produziu a "folha biônica, "que cria combustíveis líquidos como o isobutanol.

A pesquisa de Sakimoto, conduzido com Nocera, Prata, pós-doutorado Chong Liu, e o estudante de doutorado Brendan Colon, foi descrito nos Proceedings of the National Academy of Sciences em junho. O método da equipe envolve a bactéria do solo Xanthobacter autotrophicus consumindo hidrogênio gerado pela reação de divisão de água da folha biônica e levando nitrogênio da atmosfera para produzir amônia e fósforo, ambos fertilizantes poderosos.

O trabalho de Sakimoto "levou a folha biônica a um novo nível, "Disse Silver." Kelsey tem um olho aguçado para projetos de alto impacto e certamente realizou um trabalho importante aqui. "

Existem duas maneiras de aplicar o novo sistema. A primeira é simplesmente deixar a bactéria se alimentar e se reproduzir, o que leva a um líquido amarelado carregado de bactérias que pode ser pulverizado nos campos. Em experimentos de estufa no Arnold Arboretum, rabanetes cultivados com fertilizante X. autotrophicus acabaram tendo mais que o dobro do tamanho dos rabanetes de controle cultivados sem fertilizante adicionado.

"Surpreendentemente, é um [fertilizante] bastante potente, "Sakimoto disse." É desenvolvido de forma muito simples e aplicado de forma muito simples. "

O outro método é adicionar um composto que faz com que as bactérias secretem amônia diretamente, que pode então ser usado de forma semelhante aos fertilizantes químicos convencionais.

Sakimoto disse que o uso inicial do projeto - que está sendo ampliado por colaboradores da engenharia química na Índia - seria fornecer fertilizante para pequenas fazendas e comunidades rurais remotas sem a necessidade de um grande, infraestrutura centralizada.

Em tempo, ele disse, a capacidade de gerar amônia diretamente pode ser atraente para as empresas de produtos químicos agrícolas como uma melhoria no método predominante, conhecido como processo Haber-Bosch, que foi desenvolvido por dois químicos alemães no início do século 20 como uma forma de converter o nitrogênio atmosférico em amônia. O processo depende muito de energia fóssil, tanto quanto 1 por cento da produção global.

"O que mais me entusiasma na pesquisa é:fizemos o que fazemos no mundo desenvolvido com infraestrutura massiva, apenas sem a necessidade de infraestrutura, "Nocera disse." Você pode usar apenas a luz do sol, ar, e água, e você pode fazer isso no seu quintal. Você pode cuidar da crescente demanda mundial por alimentos [com tecnologia convencional] - tudo o que você precisa fazer é construir fábricas Haber-Bosch maiores. E você tem que construir ferrovias e sistemas de distribuição inteiros. E isso não vai afetar os pobres do mundo em desenvolvimento, de onde vem a maior parte do crescimento populacional. "

Sakimoto, no segundo ano de sua bolsa ambiental Ziff de dois anos, agora está explorando como tornar o sistema mais robusto em condições do mundo real, por exemplo, como o uso de águas residuais e outras fontes de água de ocorrência natural no biorreator afeta seu desempenho.

"Tentamos fazer o máximo que pudemos para fazer um produto útil, "Disse Sakimoto." Estamos mais ou menos acabados no lado [da descoberta] agora, e olhando para o lado político e prático de como você traz uma nova tecnologia ao mundo. "