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人造叶子可生产肥料

Update:2017-04-25From:中国科学报 Hot:

  

右侧为使用人工叶源肥的萝卜(哈佛大学Nocera实验室供图)

20世纪后半期,大量使用化肥是农业繁华的一个原因,被称为“绿色革命”,这为避免全球粮食危机作出了努力。但现在人口继续膨胀,喂养全世界的挑战又开始了。为了帮助推动下一场农业革命,科研人员发明了一种“仿生”叶子,利用细菌、阳光、水和空气在作物生长的土壤里制造肥料。

美国化学学会(ACS)是世界最大的科学社团,今年年会呈现了超过14000个广泛的科学主题。仿生叶子研究小组将其成果在第253届ACS全国会议与博览会上展示出来。

“当拥有了大型的基础设备、集中的系统过程,你很容易就能制造和提供化肥。”哈佛大学Daniel Nocera博士说,“但如果我现在要求你立刻到印度某个小村子里,用脏水来做这件事呢?——算了吧。”

他认为,新兴的贫困国家并不总是具备如此好的资源条件。我们应该考虑分散式的系统,因为这才是真正被需要的。

上世纪60年代的第一次“绿色革命”见证了肥料在水稻和小麦新品种上施用量的增加,这促使农业产出的双倍增长。联合国粮农组织称,尽管这一转变造成了一些严重的环境破坏,但它可能挽救了数百万人的生命,特别是在亚洲。

当世界人口尤其是最贫困国家的人口继续增加,为每个人提供食物就要求多管齐下,但专家们普遍认为,为避免更多土地被开垦为耕地,其中一个策略要涉及到如何提高作物产量。

为助力于下一场绿色革命,Nocera正努力研究他最知名的仿生人工叶子以制造肥料。人工叶子是一种装置,当它暴露在阳光下时,会模仿天然叶子将水分解成氢和氧。这带来了仿生叶子的新进展,其将分解水的催化剂与富养罗尔斯通氏菌匹配,消耗氢并把空气中的二氧化碳滤出制造液体“燃料”。

去年6月,Nocera团队报道了转化人工叶子的镍钼锌催化剂,其对微生物而言有毒、对钴和磷细菌友好。新系统提供的生物量和液体“燃料”产量大大超过了来自天然光合作用的部分。

“燃料只是第一步。”Nocera表示,“达到这一点说明你有了一个可再生的化学合成平台。现在我们展示它的普遍性,通过另一种细菌把大气中的氮弄出来制造肥料。”

对于这种应用,科研团队设计了一个系统,在此黄色杆菌从人工叶子中固定氢、从大气中固定二氧化碳,来制造像燃料一样将细菌内储的生物塑料。

“之后我把它放在土壤中,因为它已经用阳光来制造生物塑料了。”Nocera说,它把氮从空气中拉过来,利用储存着氢的生物塑料,为作物施肥制造氨。

Nocera的实验室分析了这个系统的氨产量,真实的证据就在萝卜上。科研人员用他们的方法进行了五个作物种植周期。接受仿生叶源肥料的蔬菜重量比对照作物多150%。下一步,为了提高生产量,Nocera希望印度和撒哈拉以南的非洲农民可以自己生产肥料。(王方编译)

《中国科学报》 (2017-04-19 第6版 科研) 

来源:中国科学报

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