20. yüzyılın ikinci yarısında, gübre kullanımının toplu kullanımı, “yeşil devrim” adı verilen ve küresel bir gıda krizinin önlenmesiyle alakalı bir tarım patlamasının parçasıydı. Dünya beslenme mücadelesi, nüfus artışı devam ettikçe tekrar ortaya çıkıyor. Araştırmacılar, bir sonraki tarımsal devrimi teşvik etmek için, ürünlerin yetiştirildiği topraklarda gübre üretmek amacıyla bakteri, güneş ışığı, su ve hava kullanan “biyonik” bir yaprak icat ettiler.
Ekip bu çalışmayı 253. Ulusal Kimya Topluluğunun (ACS) Ulusal Toplantısı ve Fuarında sunacak.
Daniel Nocera, “Merkezi bir süreç ve büyük bir altyapıya sahip olduğunuzda, gübreyi kolayca üretip teslim edebilirsiniz” diyor. “Ama şunu söylesem, Hindistan’daki bir köyde kirli suyun yerinde yapmalısın – en iyisi unutun … Gelişmekte olan dünyadaki daha az gelirli ülkeler her zaman bunu yapmak için kaynaklara sahip değiller. Dağıtılmış bir sistem, çünkü gerçekten ihtiyaç duyulan şey bu “dedi.
1960’lı yılların ilk “yeşil devrimi”, tarım üretimine yardımcı olan yeni pirinç ve buğday çeşitleri üzerinde gübre kullanımının arttığını gördü. Dönüşümün ciddi bir çevreye zarar vermesine rağmen, Birleşmiş Milletler Gıda ve Tarım Örgütü’ne göre özellikle Asya’da milyonlarca insanın hayatını kurtarmıştı. BM’ye göre, dünyanın en yoksul ülkelerinin bazılarında meydana gelecek nüfus artışının büyük kısmı 2050 yılına kadar 2 milyarı bulacak ve artmaya devam edecek.Herkes için yiyecek sunmak çok yönlü bir yaklaşım gerektiriyor. Ancak uzmanlar genelde kabul gören taktiklerden birinin tarım için daha fazla arazi açmak olduğunu belirtirken bunu önlemek için mahsul verimi artırılması gerektiğinin üstünde duruyorlar.
Bir sonraki yeşil devrime katkıda bulunmak için, Harvard Üniversitesi’nde bulunan Nocera, yapay yaprak olarak gübre üretimi için çalışıyor. Suni yaprak, güneş ışığına maruz bırakıldığında suyun hidrojen ve oksijene bölünmesiyle doğal bir yaprağı taklit eden bir cihaz. Suyu bölen katalizörü, hidrojen tüketen ve sıvı yakıt üretmek için havadan karbon dioksit alan Ralstonia eutropha bakterilerini ikiye katlayan biyonik bir yaprağın geliştirilmesine imkan tanıdı. 2016 Haziran ayında Nocera’nın ekibi, mikroplara karşı zehirli olan cihazın nikel-molibden çinko katalizörünü, bakteri dostu bir kobalt ve fosfor alaşımı ile değiştirdi. Yeni sistem, doğal fotosentezden daha fazla biyokütle ve sıvı yakıt verimi sağladı.
Nocera “Yakıtlar sadece ilk adımdı” dedi. “Bu noktaya gelindiğinde, yenilenebilir bir kimyasal sentez platformuna sahip olabileceğimizi gösterdik, şimdi başka tür bir bakterinin atmosfere göre gübre yapmak için azotu atmasıyla genelliğini sergiliyoruz.”
Bu uygulama için, Nocera’nın ekibi, Xanthobacter bakterilerinin yapay yapraktan hidrojeni ve atmosferdeki karbon dioksiti hidrojen saptayarak, bakterilerin kendilerini yakıt olarak sakladığı biyoplastik yapacak bir sistem tasarladı.
Nocera, “Böceği toprağa koyabiliyorum çünkü biyoplastik yapmak için güneş ışığı kullanıyor” dedi. “Ardından böcek havadan azot çekti ve bitkileri gübrelemek için amonyak yapmak için fiksasyon döngüsünü çalıştırmak amacıyla temelde hidrojen depolanan biyoplastiği kullandı.”
Nocera’nın laboratuvarı, sistemin ürettiği amonyak miktarını analiz etti. Ancak gerçek kanıt turunçgillerin içinde. Araştırmacılar üretim süreçlerini beş ürün döngüsü büyütmek için kullandılar. Biyonik yapraktan elde edilen gübreyi alan sebzeler kontrollü bitkilerden % 150 daha fazla ağırlığa sahip olarak ölçüldü. Nocera’ya göre bir sonraki adım, Hindistan veya Sahra altı Afrika’daki çiftçilerin kendi gübrelerini üretebilecekleri şekilde çalışmaktır.
