Эти микроорганизмы когда-то наполнили Землю кислородом. Теперь их хотят привлечь для решения одной из самых сложных задач в сельском хозяйстве.
Ученые из Университета штата Южная Дакота занимаются разработкой биоудобрений на основе цианобактерий — древних микроорганизмов, которые миллиарды лет назад изменили состав атмосферы Земли. Теперь исследователи рассчитывают использовать их способность к связыванию атмосферного азота для создания экологически чистой альтернативы традиционным азотным удобрениям.
В настоящее время в мире ежегодно применяется свыше 130 миллионов тонн аммиака для производства удобрений. Основная его часть производится по методу Габера–Боша, который требует значительных энергетических затрат и использования природного газа. По оценкам специалистов, для производства одной тонны аммиака выделяется около 1,8 тонны углекислого газа. В целом эта отрасль отвечает примерно за 1,2% глобальных выбросов парниковых газов.
Кроме того, избыток азотных удобрений попадает с полей в водоемы, вызывая эвтрофикацию — бурный рост водорослей, ухудшение качества воды и гибель водных организмов.
«Микро-заводы» по производству азота
Руководит проектом профессор Руаньбао Чжоу, директор исследовательского центра BioNitrogen Economy Research Center. Его команда изучает штаммы цианобактерий, которые способны фиксировать азот, используя лишь солнечный свет.
В поисках перспективных образцов ученые собирали микроорганизмы в национальном парке Бэдлендс. Под микроскопом исследователи наблюдают уникальные клетки — гетероцисты, внутри которых происходит преобразование атмосферного азота в доступные для растений соединения.
По словам ученых, цианобактерии выполняют эту функцию при обычной температуре и атмосферном давлении, в то время как промышленный процесс Габера–Боша требует нагрева до 400–550 °C и давления 150–200 атмосфер.
На данный момент естественной производительности микроорганизмов недостаточно для полного удовлетворения потребностей сельского хозяйства. Поэтому команда применяет геномное секвенирование, методы синтетической биологии и модели искусственного интеллекта для выявления генов, отвечающих за фиксацию азота, и создания более эффективных штаммов.
От лаборатории к сельхозполям
В теплицах университета уже проводились эксперименты по выращиванию пшеницы с различными типами биоудобрений. Полученные растения практически не отличались по внешнему виду и высоте от тех, что вырастали на традиционных удобрениях.
Для масштабирования технологии инженеры создали специальный фотобиореактор объемом 500 литров и разработали установку для сбора биомассы цианобактерий. После сушки она превращается в порошок, который можно вносить на поля. Ожидается, что такая добавка будет самостоятельно обеспечивать почву доступным азотом в течение сезона.
Исследователи полагают, что данная технология особенно полезна для регионов с почвами, бедными азотом, и высокими расходами на закупку и транспортировку минеральных удобрений.
По результатам различных агроэкологических исследований, восстановление почвенной микробиоты и снижение зависимости от синтетических удобрений рассматриваются как один из ключевых путей повышения устойчивости мирового сельского хозяйства в условиях изменений климата.
Более 2,8 миллиарда лет назад крошечные цианобактерии совершили нечто поистине удивительное. Они использовали солнечный свет для расщепления воды и выделения кислорода. Таким образом, они превратили безжизненную планету в планету, способную дышать. Сегодня те же самые азотфиксирующие микробы, работающие на солнечной энергии, могут вновь помочь нам изменить наш мир. Когда мы объединяем возможности древних микроорганизмов с современной инженерией, мы реально можем построить бионитрогенную экономику на солнечной энергии.
Фото: hi-tech.mail.ru