Vi khuẩn có thể chuyển đổi khí nitơ thành amoniac không chỉ có thể cung cấp chất dinh dưỡng mà cây cần mà còn giúp tái tạo đất và bảo vệ cây khỏi sâu bệnh. Tuy nhiên, những vi khuẩn này rất nhạy cảm với nhiệt độ và độ ẩm nên rất khó để mở rộng quy mô sản xuất và vận chuyển chúng đến các trang trại.

Để vượt qua trở ngại đó, các kỹ sư hóa học của MIT đã phát minh ra một lớp phủ hữu cơ kim loại giúp bảo vệ tế bào vi khuẩn khỏi bị hư hại mà không cản trở sự phát triển hoặc chức năng của chúng. Trong một nghiên cứu mới, họ phát hiện ra rằng những vi khuẩn được bao phủ này đã cải thiện tỷ lệ nảy mầm của nhiều loại hạt, bao gồm các loại rau như ngô và cải chíp.

Ariel Furst, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết lớp phủ này có thể giúp nông dân sử dụng vi khuẩn làm phân bón dễ dàng hơn nhiều.

Bà nói: “Chúng tôi có thể bảo vệ chúng khỏi quá trình sấy khô, điều này sẽ cho phép chúng tôi phân phối chúng dễ dàng hơn nhiều và với chi phí thấp hơn vì chúng ở dạng bột khô thay vì ở dạng lỏng. Chúng cũng có thể chịu được nhiệt độ lên tới 132 độ F, điều đó có nghĩa là bạn sẽ không phải sử dụng kho lạnh cho những vi khuẩn này”.

Phân bón hóa học được sản xuất bằng quy trình tiêu tốn nhiều năng lượng được gọi là Haber-Bosch, sử dụng áp suất cực cao để kết hợp nitơ từ không khí với hydro để tạo ra amoniac.

Ngoài lượng khí thải carbon đáng kể của quá trình này, một nhược điểm khác của phân bón hóa học là việc sử dụng lâu dài cuối cùng sẽ làm cạn kiệt chất dinh dưỡng trong đất. Để giúp phục hồi đất, một số nông dân đã chuyển sang “nông nghiệp tái tạo”, sử dụng nhiều chiến lược khác nhau, bao gồm luân canh cây trồng và ủ phân, để giữ cho đất khỏe mạnh. Vi khuẩn cố định đạm, chuyển đổi khí nitơ thành amoniac, có thể hỗ trợ phương pháp này.

Một số nông dân đã bắt đầu triển khai các “phân bón vi sinh” này, nuôi chúng trong các máy lên men lớn tại chỗ trước khi bón vào đất. Tuy nhiên, đây là mức chi phí quá cao đối với nhiều nông dân.

Vận chuyển những vi khuẩn này đến các vùng nông thôn hiện không phải là một lựa chọn khả thi vì chúng dễ bị tổn thương do nhiệt. Các vi khuẩn cũng quá mỏng manh để tồn tại trong quá trình đông khô vốn giúp chúng vận chuyển dễ dàng hơn.

Để bảo vệ vi khuẩn khỏi cả nhiệt độ và đông khô, Furst quyết định áp dụng một lớp phủ gọi là mạng lưới phenol kim loại (MPN) mà trước đây bà đã phát triển để bao bọc vi khuẩn cho các mục đích sử dụng khác, chẳng hạn như bảo vệ vi khuẩn trị liệu được đưa vào đường tiêu hóa. .

Lớp phủ chứa hai thành phần - kim loại và hợp chất hữu cơ gọi là polyphenol - có thể tự lắp ráp thành lớp vỏ bảo vệ. Các kim loại được sử dụng cho lớp phủ, bao gồm sắt, mangan, nhôm và kẽm, được coi là an toàn khi làm phụ gia thực phẩm. Polyphenol, thường được tìm thấy trong thực vật, bao gồm các phân tử như tannin và các chất chống oxy hóa khác. FDA phân loại nhiều polyphenol này là GRAS (thường được coi là an toàn).

Furst nói: “Chúng tôi đang sử dụng những hợp chất cấp thực phẩm tự nhiên này được biết là có lợi ích riêng và sau đó chúng tạo thành những bộ áo giáp nhỏ để bảo vệ vi khuẩn”.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra 12 MPN khác nhau và sử dụng chúng để đóng gói Pseudomonas chlororaphis, một loại vi khuẩn cố định đạm cũng bảo vệ thực vật chống lại nấm gây hại và các loài gây hại khác. Họ phát hiện ra rằng tất cả các lớp phủ đều bảo vệ vi khuẩn khỏi nhiệt độ lên tới 50 độ C (122 độ F) và khỏi độ ẩm tương đối lên tới 48%. Lớp phủ này cũng giữ cho vi khuẩn sống sót trong quá trình đông khô.

Sử dụng vi khuẩn được phủ MPN hiệu quả nhất - sự kết hợp giữa mangan và polyphenol gọi là epigallocatechin gallate (EGCG) - các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm khả năng giúp hạt nảy mầm trong đĩa thí nghiệm. Họ làm nóng các vi khuẩn được phủ đến 50 độ C trước khi đặt chúng vào đĩa và so sánh chúng với các vi khuẩn tươi không được phủ và các vi khuẩn không được phủ đông khô.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng vi khuẩn được phủ đã cải thiện tỷ lệ nảy mầm của hạt lên 150% so với hạt được xử lý bằng vi khuẩn tươi, không được phủ. Kết quả này nhất quán với nhiều loại hạt khác nhau, bao gồm thì là, ngô, củ cải và cải chíp.

Furst đã thành lập một công ty tên là Seia Bio để thương mại hóa vi khuẩn được phủ để sử dụng quy mô lớn trong nông nghiệp tái tạo. Bà hy vọng rằng chi phí thấp của quy trình sản xuất sẽ giúp làm cho phân bón vi sinh có thể tiếp cận được với những nông dân quy mô nhỏ, những người không có máy lên men cần thiết để nuôi cấy những vi khuẩn như vậy.

Cô nói: “Khi nghĩ đến việc phát triển công nghệ, chúng tôi cần thiết kế nó sao cho rẻ tiền và dễ tiếp cận, và đó chính là công nghệ này”. ​