Azoto, fósforo, e o potássio são os três elementos que sustentam a produtividade de todas as plantas utilizadas na agricultura, e são os constituintes dos fertilizantes comerciais que os agricultores usam em todo o mundo.

O potássio (também conhecido como potássio) é amplamente produzido no hemisfério norte, onde é abundante. Na verdade, o mercado de potássio é dominado por apenas alguns produtores, principalmente no Canadá, Rússia, e Bielo-Rússia. Como resultado, potássio (e fertilizantes em geral) pode ser acessado de forma relativamente acessível pelos agricultores nas regiões do norte, onde também acontece de ser uma correspondência mais próxima para as necessidades de nutrientes do solo de suas fazendas e colheitas.

Mas esse não é necessariamente o caso dos agricultores em outros lugares. Para regiões tropicais de cultivo no Brasil e alguns países da África, diferentes composições de solo e rocha são uma combinação pobre para os fertilizantes que estão atualmente no mercado. Quando esses fertilizantes - cuja produção consome muitos recursos - precisam ser enviados para longas distâncias para chegar aos consumidores nos países do hemisfério sul, os custos podem disparar. Quando o fertilizante não é a combinação certa para as necessidades do solo, os agricultores podem precisar adicionar mais para obter tanto ganho quanto seus colegas do norte, se eles são capazes de pagar mais em primeiro lugar.

Portanto, embora esses fertilizantes prometam rendimentos mais elevados, pequenos e médios agricultores ainda podem acabar com lucros menores, maior salinidade do solo, uma rápida redução na fertilidade geral do solo, e aumento da lixiviação para as águas subterrâneas, rios, e riachos. Isso torna difícil para esses agricultores prosperar, especialmente na África. Fertilizantes caros ou inadequados reduzem a capacidade de produção de alimentos, afetando a auto-suficiência nutricional e econômica dos agricultores. Agora, em um momento em que as Nações Unidas projetam que a população global aumentará para 8,5 bilhões em 2030 - um aumento geral de mais de 1,2 bilhão de pessoas - a necessidade local, soluções de fertilizantes sustentáveis ​​para aumentar a produtividade são ainda mais urgentes.

Atendendo às necessidades de segurança alimentar com mais pesquisas interdisciplinares

Essa incompatibilidade - e as implicações regionais de segurança alimentar que isso acarreta - foi a inspiração para Antoine Allanore, professor associado de metalurgia do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, para concentrar seus esforços em encontrar materiais fertilizantes alternativos. Nos últimos seis anos, ele formou uma equipe de pesquisa, incluindo Davide Ciceri, um cientista pesquisador em seu laboratório até 2018.

Depois de mergulhar na pesquisa de fertilizantes, Allanore e Ciceri acharam surpreendente a falta de atenção de outros no campo da ciência dos materiais a este tópico.

"A indústria não pensou tanto quanto é necessário para fazer pesquisas sobre as matérias-primas [usadas em fertilizantes], "diz Ciceri." O produto deles tem funcionado até agora, e ninguém reclamou, portanto, há pouco espaço para inovação. "

Allanore pensa assim:"Infelizmente, a agricultura não é um campo muito lucrativo. Eles ganham tão pouco em comparação com aqueles que trabalham no comércio ou processamento e marketing de alimentos, que, como resultado, têm recebido muito investimento e atenção. Por causa dessa falta de investimento em pesquisa, sabemos muito pouco sobre o que acontece com alguns dos elementos que colocamos no solo. "

Essa falta de investimento é especialmente problemática para os agricultores do Sul Global que não têm acesso a preços acessíveis aos fertilizantes atualmente disponíveis no mercado. Motivados pelo desejo de encontrar o local, soluções de fertilizantes sustentáveis ​​para agricultores africanos e alimentadas pelo financiamento de sementes J-WAFS, Allanore, Ciceri, e outros membros de sua equipe de pesquisa criaram um roteiro que os cientistas de materiais e outros podem usar para desenvolver uma nova geração de fertilizantes independentes de potássio adequados para solos africanos. Publicado em agosto passado na revista Ciência do Meio Ambiente Total , o papel, "Fertilizantes locais para alcançar a autossuficiência alimentar na África, "foi um dos primeiros estudos abrangentes do uso de fertilizantes em toda a África a partir de uma perspectiva da ciência dos materiais. Indicou avanços urgentes na pesquisa de fertilizantes, tecnologia, e política, e abordagens recomendadas que podem ajudar a alcançar os ganhos de rendimento necessários para atender a demanda atual e futura de forma sustentável.

“Do ponto de vista do processamento de materiais, há muito a fazer com os recursos minerais necessários para fertilizantes, "diz Ciceri." O que queríamos fazer era promover uma discussão na comunidade sobre isso. Por que não há pesquisas sobre novos desenvolvimentos de fertilizantes? Quais estratégias são implementáveis? Há testes de safra suficiente que podem ser feitos para apoiar o que os químicos podem fazer no laboratório? "

Embora seu artigo fosse voltado para cientistas de materiais, Allanore reconhece que o que é necessário é uma abordagem interdisciplinar. "Estamos prestes a conhecer o genoma completo dos humanos, mas ainda não sabemos como uma colheita absorve nutrientes, "diz. Colaboração entre agrônomos, cientistas do solo, cientistas de materiais, economistas, e outros podem melhorar nossa compreensão de todas as interações, materiais, e produtos que vão para a obtenção do rendimento ideal de safras agrícolas com impacto negativo mínimo no ecossistema circundante. Ele é rápido em afirmar, Contudo, que o objetivo não é replicar o que foi feito com a agricultura moderna, mas ir além para encontrar soluções sustentáveis ​​para que o continente africano possa fornecer seus próprios alimentos, lucratividade, e uma vida decente para as pessoas que estão plantando.

Encontrar novas fontes de potássio e resultados de testes

O laboratório do professor Allanore já descobriu uma alternativa ao potássio que é derivada do feldspato potássico, uma rocha comumente encontrada em todo o mundo. Para Ciceri, encontrar uma solução no feldspato era surpreendentemente óbvio.

"Olhando para trás, em anos de pesquisa, Fiquei surpreso ao descobrir que ninguém tinha olhado para K-feldspato como uma fonte, "ele diz." É tão abundante. Como pode ser que em 2015 nossa equipe de pesquisa foi a primeira a tirar potássio dele? "

E ainda, isso é exatamente o que eles têm sido capazes de fazer. Com o apoio de parceria com duas entidades brasileiras, Terrativa e EMBRAPA (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária), a equipe de pesquisa foi capaz de desenvolver um processo hidrotérmico para transformar rochas de feldspato K em um novo material fertilizante. Mas, embora essa colaboração inicial tenha ajudado os pesquisadores a desenvolver uma compreensão do feldspato e como ele pode ser usado como fertilizante para culturas específicas no Brasil, a equipe não tinha controle direto ou acesso aos ensaios agronômicos.

É aí que o financiamento do J-WAFS se mostrou favorável. A concessão de sementes de 2017 proporcionou à equipe de pesquisa a oportunidade de realizar uma avaliação independente do potencial de fertilização dos novos materiais, e também contextualizar sua descoberta dentro de uma conversa mais ampla sobre segurança alimentar global, como fizeram em seu jornal.

Para testes de colheita, eles começaram com tomates, que são uma das culturas hortícolas mais comuns e economicamente importantes, e está entre as hortaliças mais consumidas do mundo. Uma colaboração com Allen Barker, um professor de ciências de plantas e solo na Stockbridge School of Agriculture da University of Massachusetts Amherst, tornou possível. Barker forneceu espaço de estufa para testes, bem como conhecimentos essenciais em agronomia que ajudaram a equipe de pesquisa do MIT a realizar a análise rigorosa do novo material que tem, agora, determinou sua eficácia.

"Esta foi uma etapa extremamente importante para nossa pesquisa, "Allanore diz." O financiamento do J-WAFS nos deu a liberdade de entrar nessa colaboração com a Universidade de Massachusetts em Amherst. E, ao contrário do que acontece com contratos de pesquisa de patrocínio corporativo, neste caso, todos tínhamos acesso aberto aos dados. "

Allanore é particularmente grato às contribuições de Barker e sua equipe, uma vez que os testes não teriam sido possíveis sem a sua participação. Os resultados deste trabalho foram publicados em 22 de janeiro no artigo "Propriedades fertilizantes do feldspato de potássio alteradas hidrotermicamente" na revista Comunicações em Ciência do Solo e Análise de Plantas .

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.