Od kiedy niemieccy naukowcy – Fritz Haber i Carl Bosch – znaleźli sposób na produkcję amoniaku poprzez wiązanie azotu atmosferycznego, rolnictwo skwapliwie korzysta z nowo powstałego produktu – nawozów sztucznych. Proces ich produkcji nie jest jednak ani bezpieczny dla środowiska, ani zdrowy. Powoduje spalanie 3% światowego gazu ziemnego rocznie, uwalniając do atmosfery tony węgla i powodując, że do rzek, strumieni i warstw wodonośnych dostaje się wiele szkodliwych substancji.

Proste, bezpieczne i ekologiczne

Opieranie produkcji żywności na paliwach kopalnych nigdy nie było zrównoważonym procesem, jakiego należy oczekiwać. Jednak to konieczność, jeśli chce się wyżywić 9 miliardów ludzi w szybko zmieniającym się klimacie. Bez nawozów obecnie to niemożliwe.

Jedynym rozwiązaniem byłoby spożywanie większej ilości roślin strączkowych. Groch i wiele odmian fasoli są przyjazne dla klimatu, ponieważ tworzą swój własny nawóz. Posiadają specjalną grupę mikrobów, zwanych utrwalaczami azotowymi, które niszczą włosy korzeniowe roślin żywicielskich tworząc węzły i przekształcają wolny azot w glebie na amoniak. Czyż nie proste, bezpieczne i ekologiczne?

 

Niestety większość hodowanych na świecie upraw żywności, takich jak kukurydza, pszenica czy ryż, nie posiadają takiej zdolności, dlatego, aby rosnąć, potrzebują sztucznych nawozów. Ale i w ich przypadku istnieje rozwiązanie. Możliwość kolonizowania korzeni roślin i wiązania azotu z powietrza zapewniają odpowiednio zaprogramowane różnego rodzaju drobnoustroje. Takie bakterie można później wysyłać na uprawy całego świata.

Ku rozwiązaniom eko

Kroki w kierunku takiego rozwiązania są już podejmowane. W ubiegły czwartek niemiecki potentat w zakresie produkcji nawozów sztucznych – firma Bayer – ogłosił połączenie sił z Ginko Bioworks w Bostonie, tworząc nowe przedsięwzięcie, które ma na celu pozbycie się nawozów na wszystkich uprawach świata.

– Wiadomo, że mikroby zapewniają dla roślin korzyści, których środki chemiczne nie są w stanie. Drobnoustroje utrwalające azot do tej pory miały ograniczone możliwości działania, ale my spróbujemy to zmienić – mówi Mike Miille, kierownik działu biologii w firmie Bayer Crop Science, który będzie również tymczasowo dyrektorem nowego przedsiębiorstwa.

 

Firma, która dotychczas nie ma nazwy, będzie działać wspólnie z niedawno zakończoną zautomatyzowaną wytwórnią DNA firmy Ginkgo oraz centrum badawczo-rozwojowym Bayer Crop Science w West Sacramento w Stanach Zjednoczonych.

Mikrobiologiczna biblioteka

Zespół naukowy Bayera już rozpoczął testowanie biblioteki mikrobiologicznej, aby wysłać ją do Bostonu. Dzięki setkom tysięcy bakterii, które zostaną zbadane, naukowcy zbiorą zestawy zastrzyków azotu, aby rozpocząć sekwencjonowanie już w kolejnym miesiącu. Badacze próbują wykorzystać tą gigantyczną mapę DNA do wytworzenia nowych mikrobów, które mogą rosnąć i rozwijać się w laboratorium.

 

Ostatecznie ma powstać grupa „superbakterii”, które posiadają umiejętności wiązania azotu z mocnym potencjałem wzrostu oraz możliwością przetrwania przez dłuższy czas bez wody, a następnie szybkiej aktywacji, gdy tylko warunki staną się sprzyjające. Ponadto, nasiona muszą posiadać zdolność wzrostu w naczyniach laboratoryjnych (większość jej nie posiada), oraz być odporne na procesy produkcji przemysłowej.

Firma ma nadzieję, że w ciągu najbliższych pięciu lat pojawią się nowe nasiona posiadające te wszystkie zdolności.

Szanse i wyzwania

Na razie wszystko idzie zgodnie z planem, ale jest wiele elementów, które mogą wydłużyć proces. Wiązanie azotu nie jest proste, bo w przekształcanie wolnego azotu w amoniak bezpośrednio zaangażowane jest co najmniej 20 kodów genów białek, nie mówiąc o dodatkowych procesach metabolicznych.

I nawet jeżeli w laboratorium wszystko się uda, przestrzeń wokół kiełkującego nasienia jest bardziej skomplikowana. Szczególnie newralgiczne miejsce to spermosfera. Naukowcy wiedzą, że gleba bardzo różnie współdziała z cukrami i enzymami żywych roślin, nie wspominając o bakteriach. Ponadto, relacje roślin strączkowych i ich drobnoustrojów ewaluowały przez tysiące lat. Nie wiadomo, czy inne rośliny, takie jak pszenica, ryż lub kukurydza, mogą zostać zaprzężone w rozwój tego samego partnerstwa.

 

– To będzie jedno z podstawowych wyzwań – mówi Jason Kelly, współzałożyciel i dyrektor generalny firmy Ginkgo. – Dla nas ważne jest to, że roślina naprawdę chce azotu i historycznie jest to właściwy scenariusz dla związków symbiotycznych. Ewolucja jest po naszej stronie – dodał.

Wkrótce okaże się, czy zobaczymy świat bez nawozów chemicznych.