ابتكر المهندسون الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT طبقة معدنية عضوية تحمي الخلايا البكتيرية من التلف دون إعاقة نموها أو وظيفتها. يمكن لهذه البكتيريا المغلفة أن تسهل على المزارعين استخدام الميكروبات كأسمدة.
ويمثل إنتاج الأسمدة الكيماوية نحو 1.5 في المائة من انبعاثات الغازات الدفيئة في العالم. ويأمل الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في المساعدة في تقليل البصمة الكربونية عن طريق استبدال بعض الأسمدة الكيماوية بمصدر أكثر استدامة وهو البكتيريا.
لا يمكن للبكتيريا التي يمكنها تحويل غاز النيتروجين إلى الأمونيا أن توفر العناصرالغذائية التي تحتاجها النباتات فحسب، بل تساعد أيضًا في تجديد التربة وحماية النباتات من الآفات. ومع ذلك، فإن هذه البكتيريا حساسة للحرارة والرطوبة، لذلك من الصعب توسيع نطاق تصنيعها وشحنها إلى المزارع.
ابتكر المهندسون الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طبقة معدنية عضوية تحمي الخلايا البكتيرية من التلف دون إعاقة نموها أو وظيفتها. وفي دراسة جديدة، وجدوا أن هذه البكتيريا المغلفة حسنت معدل إنبات مجموعة متنوعة من البذور، بما في ذلك الخضروات مثل الذرة والبوك تشوي.
يقول آرييل فورست، أستاذ مساعد التطوير المهني في الهندسة الكيميائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي للدراسة، إن هذا الطلاء يمكن أن يسهل على المزارعين استخدام الميكروبات كأسمدة.
وتقول: “يمكننا حمايتها من عملية التجفيف، مما يسمح لنا بتوزيعها بسهولة أكبر وبتكلفة أقل لأنها عبارة عن مسحوق مجفف وليس سائل”. “يمكنها أيضًا تحمل حرارة تصل إلى 132 درجة فهرنهايت، مما يعني أنك لن تضطر إلى استخدام التخزين البارد لهذه الميكروبات.”
بنيامين بيرك ’23‘ وباحث ما بعد الدكتوراه جانج فان هما المؤلفان الرئيسيان لورقة الوصول المفتوح، والتي نُشرت مؤخرًا في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية Au. يعد بريس واسوانيتش، الطالب الجامعي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، وإيفان مور (23 عامًا) مؤلفي الدراسة أيضًا.
طلاء وقائي للميكروبات
يتم تصنيع الأسمدة الكيماوية باستخدام عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة تُعرف باسم هابر بوش، والتي تستخدم ضغوطًا عالية للغاية لدمج النيتروجين من الهواء مع الهيدروجين لصنع الأمونيا.
بالإضافة إلى البصمة الكربونية الكبيرة لهذه العملية، هناك عيب آخر للأسمدة الكيماوية وهو أن الاستخدام طويل المدى يؤدي في النهاية إلى استنفاد العناصر الغذائية الموجودة في التربة. وللمساعدة في استعادة التربة، لجأ بعض المزارعين إلى “الزراعة المتجددة”، التي تستخدم مجموعة متنوعة من الاستراتيجيات، بما في ذلك تناوب المحاصيل والسماد، للحفاظ على صحة التربة. يمكن للبكتيريا المثبتة للنيتروجين، والتي تحول غاز النيتروجين إلى الأمونيا، أن تساعد في هذا النهج.
وقد بدأ بعض المزارعين بالفعل في نشر هذه “الأسمدة الميكروبية”، وزراعتها في أجهزة تخمير كبيرة في الموقع قبل تطبيقها على التربة. ومع ذلك، فإن هذا باهظ التكلفة بالنسبة للعديد من المزارعين.
ولا يعد شحن هذه البكتيريا إلى المناطق الريفية خيارًا قابلاً للتطبيق في الوقت الحالي، لأنها عرضة للضرر الناتج عن الحرارة. كما أن الميكروبات حساسة للغاية بحيث لا تتمكن من البقاء على قيد الحياة بعد عملية التجميد والتجفيف، مما يجعلها أسهل في النقل.
ولحماية الميكروبات من الحرارة والتجفيف بالتجميد، قررت فورست تطبيق طبقة تسمى شبكة الفينول المعدني (MPN)، والتي طورتها سابقًا لتغليف الميكروبات لاستخدامات أخرى، مثل حماية البكتيريا العلاجية التي يتم توصيلها إلى الجهاز الهضمي. .
تحتوي الطلاءات على مكونين – معدن ومركب عضوي يسمى البوليفينول – يمكن أن يتجمعا ذاتيًا في غلاف واقي. تعتبر المعادن المستخدمة في الطلاء، بما في ذلك الحديد والمنغنيز والألومنيوم والزنك، آمنة كمضافات غذائية. تشتمل البوليفينول، والتي توجد غالبًا في النباتات، على جزيئات مثل العفص ومضادات الأكسدة الأخرى. تصنف إدارة الغذاء والدواء العديد من هذه البوليفينول على أنها GRAS (تعتبر آمنة بشكل عام).
في هذه الدراسة، أنشأ الباحثون 12 MPNs مختلفة واستخدموها لتغليف Pseudomonas Chlororaphis، وهي بكتيريا مثبتة للنيتروجين تحمي النباتات أيضًا من الفطريات الضارة والآفات الأخرى. ووجدوا أن جميع الطلاءات تحمي البكتيريا من درجات حرارة تصل إلى 50 درجة مئوية (122 درجة فهرنهايت)، وكذلك من الرطوبة النسبية حتى 48%. كما أبقت الطلاءات الميكروبات على قيد الحياة أثناء عملية التجفيف بالتجميد.
تعزيز إنبات البذور
باستخدام الميكروبات المغلفة بـ MPN الأكثر فعالية – وهو مزيج من المنغنيز والبوليفينول يسمى epigallocatechin Gallate (EGCG) – اختبر الباحثون قدرتها على مساعدة البذور على الإنبات في طبق المختبر. وقاموا بتسخين الميكروبات المغلفة إلى 50 درجة مئوية قبل وضعها في الطبق، وقارنوها بالميكروبات الطازجة غير المغلفة والميكروبات غير المغلفة المجففة بالتجميد.
ووجد الباحثون أن الميكروبات المغلفة حسنت معدل إنبات البذور بنسبة 150%، مقارنة بالبذور المعالجة بميكروبات طازجة غير مغلفة. وكانت هذه النتيجة متسقة عبر عدة أنواع مختلفة من البذور، بما في ذلك الشبت والذرة والفجل والبوك تشوي.
أنشأ فورست شركة تدعى Seia Bio لتسويق البكتيريا المغلفة لاستخدامها على نطاق واسع في الزراعة المتجددة. وتأمل أن تساعد التكلفة المنخفضة لعملية التصنيع في جعل الأسمدة الميكروبية في متناول صغار المزارعين الذين ليس لديهم أدوات التخمير اللازمة لزراعة مثل هذه الميكروبات.
“عندما نفكر في تطوير التكنولوجيا، نحتاج إلى تصميمها عمدًا لتكون غير مكلفة ويمكن الوصول إليها، وهذا هو ما تعنيه هذه التكنولوجيا. وتقول: “سيساعد ذلك في إضفاء الطابع الديمقراطي على الزراعة المتجددة”.
via: scitechdaily
