Эти микроорганизмы когда-то насытили Землю кислородом. Теперь им хотят поручить решение одной из самых сложных проблем сельского хозяйства.
Исследователи из Университета штата Южная Дакота работают над созданием биоудобрений на основе цианобактерий — древнейших микроорганизмов, которые миллиарды лет назад помогли изменить атмосферу Земли. Теперь ученые рассчитывают использовать их способность связывать атмосферный азот для производства экологичной альтернативы традиционным азотным удобрениям.
Сегодня в мире ежегодно используется более 130 млн тонн аммиака для производства удобрений. Основная его часть синтезируется по методу Габера—Боша, который требует больших затрат энергии и природного газа. По оценкам исследователей, производство одной тонны аммиака сопровождается выбросом около 1,8 тонны углекислого газа. В целом на отрасль приходится примерно 1,2% мировой эмиссии парниковых газов.
Кроме того, избыток азотных удобрений попадает с полей в реки и озера, вызывая эвтрофикацию — бурное развитие водорослей, ухудшение качества воды и гибель водных организмов.
Проект возглавляет профессор Руаньбао Чжоу (Ruanbao Zhou), директор исследовательского центра BioNitrogen Economy Research Center. Его команда изучает штаммы цианобактерий, способные фиксировать азот, используя только солнечный свет.
В поисках перспективных образцов ученые собирали микроорганизмы в национальном парке Бэдлендс. Под микроскопом исследователи наблюдают особые клетки — гетероцисты, внутри которых запускается процесс превращения атмосферного азота в доступные для растений соединения.
По словам ученых, цианобактерии выполняют эту работу при обычной температуре и атмосферном давлении, тогда как промышленный процесс Габера—Боша требует нагрева до 400–550°C и давления 150–200 атмосфер.
Пока природной производительности микроорганизмов недостаточно для полного удовлетворения нужд сельского хозяйства. Поэтому команда использует геномное секвенирование, методы синтетической биологии и модели искусственного интеллекта для поиска генов, отвечающих за фиксацию азота, и создания более эффективных штаммов.
В университетских теплицах уже проведены испытания выращивания пшеницы с различными вариантами биоудобрений. Полученные растения практически не отличались по внешнему виду и высоте от культур, выращенных на традиционных удобрениях.
Для масштабирования технологии инженеры построили специальный фотобиореактор объемом 500 литров и разработали установку для сбора биомассы цианобактерий. После высушивания она превращается в порошок, который можно вносить на поля. Предполагается, что такая добавка будет самостоятельно обеспечивать почву доступным азотом на протяжении сезона.
Исследователи считают, что технология особенно полезна для регионов с бедными азотом почвами и высокими затратами на закупку и доставку минеральных удобрений.
По данным 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 изменения климата.
