La producción de fertilizantes químicos representa aproximadamente el 1,5 por ciento de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. Los químicos del MIT esperan ayudar a reducir esa huella de carbono reemplazando algunos fertilizantes químicos por una fuente más sostenible: las bacterias.

Las bacterias que pueden convertir el gas nitrógeno en amoníaco no sólo podrían proporcionar los nutrientes que las plantas necesitan, sino también ayudar a regenerar el suelo y proteger a las plantas de las plagas. Sin embargo, estas bacterias son sensibles al calor y la humedad, por lo que es difícil ampliar su fabricación y enviarlas a las granjas.

Para superar ese obstáculo, los ingenieros químicos del MIT han ideado un recubrimiento organometálico que protege las células bacterianas del daño sin impedir su crecimiento o función. En un nuevo estudio, descubrieron que estas bacterias recubiertas mejoraban la tasa de germinación de una variedad de semillas, incluidas verduras como el maíz y el bok choy.

Este recubrimiento podría hacer que sea mucho más fácil para los agricultores utilizar microbios como fertilizantes, dice Ariel Furst, profesor asistente de desarrollo profesional de ingeniería química Paul M. Cook en el MIT y autor principal del estudio.

“Podemos protegerlos del proceso de secado, lo que nos permitiría distribuirlos mucho más fácilmente y con menos costo porque son un polvo seco en lugar de un líquido”, dice. "También pueden soportar temperaturas de hasta 132 grados Fahrenheit, lo que significa que no sería necesario utilizar almacenamiento en frío para estos microbios".

Benjamin Burke ´23 y el posdoctorado Gang Fan son los autores principales del artículo de acceso abierto, que aparece en el Journal of the American Chemical Society Au . Pris Wasuwanich y Evan Moore ´23, estudiantes universitarios del MIT, también son autores del estudio.

Protegiendo los microbios

Los fertilizantes químicos se fabrican mediante un proceso que consume mucha energía conocido como Haber-Bosch, que utiliza presiones extremadamente altas para combinar nitrógeno del aire con hidrógeno para producir amoníaco.

Además de la importante huella de carbono de este proceso, otro inconveniente de los fertilizantes químicos es que su uso prolongado acaba agotando los nutrientes del suelo. Para ayudar a restaurar el suelo, algunos agricultores han recurrido a la “agricultura regenerativa”, que utiliza una variedad de estrategias, incluida la rotación de cultivos y el compostaje, para mantener el suelo sano. Las bacterias fijadoras de nitrógeno, que convierten el gas nitrógeno en amoníaco, pueden ayudar en este enfoque.

Algunos agricultores ya han comenzado a utilizar estos “fertilizantes microbianos”, cultivándolos en grandes fermentadores in situ antes de aplicarlos al suelo. Sin embargo, esto supone un coste prohibitivo para muchos agricultores.

Enviar estas bacterias a zonas rurales no es actualmente una opción viable porque son susceptibles al daño por calor. Los microbios también son demasiado delicados para sobrevivir al proceso de liofilización que los haría más fáciles de transportar.

Para proteger a los microbios tanto del calor como de la liofilización, Furst decidió aplicar un recubrimiento llamado red de metal-fenol (MPN), que había desarrollado previamente para encapsular microbios para otros usos, como proteger las bacterias terapéuticas que llegan al tracto digestivo. .

Los recubrimientos contienen dos componentes (un metal y un compuesto orgánico llamado polifenol) que pueden autoensamblarse formando una capa protectora. Los metales utilizados para los recubrimientos, incluidos el hierro, el manganeso, el aluminio y el zinc, se consideran seguros como aditivos alimentarios. Los polifenoles, que a menudo se encuentran en las plantas, incluyen moléculas como taninos y otros antioxidantes. La FDA clasifica muchos de estos polifenoles como GRAS (generalmente considerados seguros).

"Estamos utilizando estos compuestos naturales de calidad alimentaria que se sabe que tienen beneficios por sí solos, y luego forman estas pequeñas armaduras que protegen a los microbios", dice Furst.

Para este estudio, los investigadores crearon 12 MPN diferentes y los utilizaron para encapsular Pseudomonas chlororaphis, una bacteria fijadora de nitrógeno que también protege a las plantas contra hongos dañinos y otras plagas. Descubrieron que todos los recubrimientos protegían a las bacterias de temperaturas de hasta 50 grados Celsius (122 grados Fahrenheit) y también de una humedad relativa de hasta el 48 por ciento. Los recubrimientos también mantuvieron vivos a los microbios durante el proceso de liofilización.

Un impulso para las semillas

Utilizando microbios recubiertos con el MPN más eficaz (una combinación de manganeso y un polifenol llamado galato de epigalocatequina (EGCG), los investigadores probaron su capacidad para ayudar a que las semillas germinen en una placa de laboratorio. Calentaron los microbios recubiertos a 50 C antes de colocarlos en el plato y los compararon con microbios frescos sin recubrimiento y microbios sin recubrimiento liofilizados.

Los investigadores encontraron que los microbios recubiertos mejoraron la tasa de germinación de las semillas en un 150 por ciento, en comparación con las semillas tratadas con microbios frescos sin recubrimiento. Este resultado fue consistente en varios tipos diferentes de semillas, incluidos el eneldo, el maíz, los rábanos y el bok choy.

Furst ha iniciado una empresa llamada Seia Bio para comercializar las bacterias recubiertas para su uso a gran escala en la agricultura regenerativa. Ella espera que el bajo costo del proceso de fabricación ayude a que los fertilizantes microbianos sean accesibles para los pequeños agricultores que no tienen los fermentadores necesarios para cultivar dichos microbios.

“Cuando pensamos en desarrollar tecnología, debemos diseñarla intencionalmente para que sea económica y accesible, y eso es esta tecnología. Ayudaría a democratizar la agricultura regenerativa”, afirma.

La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército, un Premio al Nuevo Innovador de los Institutos Nacionales de Salud, una Subvención del Centro Central del Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental, el Programa Global Scholars CIFAR Azrieli, el Programa J-WAFS del MIT, el Consorcio de Clima y Sostenibilidad del MIT y el Centro Deshpande del MIT.

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