微生物可以帮助减少对化肥的需求

化肥生产约占世界温室气体排放量的1.5%。麻省理工学院的化学家希望通过用更可持续的来源——细菌代替一些化肥来帮助减少碳足迹。

能够将氮气转化为氨气的细菌不仅可以提供植物所需的养分，还可以帮助土壤再生，保护植物免受害虫侵害。然而，这些细菌对热和湿度很敏感，因此很难扩大它们的生产规模并将它们运送到农场。

为了克服这一障碍，麻省理工学院的化学工程师设计了一种金属有机涂层，可以保护细菌细胞免受损害，而不会阻碍其生长或功能。在一项新的研究中，他们发现这些包衣细菌提高了各种种子的发芽率，包括玉米和白菜等蔬菜。

麻省理工学院Paul M. Cook职业发展化学工程助理教授、该研究的资深作者Ariel Furst说，这种涂层可以使农民更容易将微生物用作肥料。

“我们可以保护它们免受干燥过程的影响，这将使我们能够更容易地分配它们，成本更低，因为它们是干燥的粉末而不是液体，”她说。“它们还可以承受高达132华氏度的高温，这意味着您不必对这些微生物使用冷藏。

Benjamin Burke ’23 和博士后 Gang Fan 是这篇开放获取论文的主要作者，该论文发表在《 美国化学学会杂志》上。麻省理工学院本科生Pris Wasuwanich和Evan Moore ’23也是该研究的作者。

保护微生物

化肥是使用称为 Haber-Bosch 的能源密集型工艺制造的，该工艺使用极高的压力将空气中的氮与氢气结合以制造氨。

除了这个过程的大量碳足迹外，化肥的另一个缺点是长期使用最终会耗尽土壤中的养分。为了帮助恢复土壤，一些农民转向“再生农业”，它使用各种策略，包括作物轮作和堆肥，以保持土壤健康。将氮气转化为氨的固氮细菌可以帮助这种方法。

一些农民已经开始部署这些“微生物肥料”，在将它们施用于土壤之前，将它们种植在大型发酵罐中。然而，对于许多农民来说，这成本过高。

将这些细菌运送到农村地区目前不是一个可行的选择，因为它们容易受到热损伤。这些微生物也太脆弱了，无法在冷冻干燥过程中存活下来，而冷冻干燥过程使它们更容易运输。

为了保护微生物免受高温和冷冻干燥的影响，Furst决定应用一种称为金属苯酚网络（MPN）的涂层，她之前已经开发了这种涂层，用于封装微生物用于其他用途，例如保护输送到消化道的治疗细菌。

这些涂层包含两种成分——一种金属和一种称为多酚的有机化合物——它们可以自组装成保护壳。用于涂料的金属，包括铁、锰、铝和锌，被认为是安全的食品添加剂。多酚常见于植物中，包括单宁和其他抗氧化剂等分子。FDA 将其中许多多酚归类为 GRAS（通常被认为是安全的）。

“我们正在使用这些天然食品级化合物，这些化合物本身就有好处，然后它们形成了这些保护微生物的小盔甲，”Furst说。

在这项研究中，研究人员创建了12种不同的MPN，并用它们来封装 氯生假单胞菌，这是一种固氮细菌，也可以保护植物免受有害真菌和其他害虫的侵害。他们发现，所有的涂层都能保护细菌免受高达50摄氏度（122华氏度）的温度以及高达48%的相对湿度的影响。涂层还可以在冷冻干燥过程中保持微生物的活力。

种子的助推力

研究人员使用涂有最有效的MPN（锰和一种称为表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）的多酚的组合）的微生物，测试了它们帮助种子在实验室培养皿中发芽的能力。他们将包被的微生物加热到50°C，然后将它们放入培养皿中，并将它们与新鲜的未包被微生物和冷冻干燥的未包被微生物进行比较。

研究人员发现，与用新鲜的未包衣微生物处理的种子相比，包衣微生物将种子的发芽率提高了150%。这一结果在几种不同类型的种子中是一致的，包括莳萝、玉米、萝卜和白菜。

Furst创办了一家名为Seia Bio的公司，将包被细菌商业化，以大规模用于再生农业。她希望制造过程的低成本将有助于使没有种植此类微生物所需的发酵罐的小规模农民能够获得微生物肥料。

“当我们考虑开发技术时，我们需要有意识地将其设计为廉价且易于使用，这就是这项技术的本质。这将有助于再生农业的民主化，“她说。

该研究由陆军研究办公室、美国国立卫生研究院新创新者奖、美国国家环境健康科学研究所核心中心资助、CIFAR Azrieli 全球学者计划、麻省理工学院 J-WAFS 计划、麻省理工学院气候与可持续发展联盟和麻省理工学院 Deshpande 中心资助。