Les microbes pourraient contribuer à réduire le besoin d’engrais chimiques

La production d’engrais chimiques représente environ 1,5 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Les chimistes du MIT espèrent contribuer à réduire cette empreinte carbone en remplaçant certains engrais chimiques par une source plus durable : les bactéries.

Les bactéries capables de convertir l’azote gazeux en ammoniac pourraient non seulement fournir les nutriments dont les plantes ont besoin, mais également aider à régénérer le sol et à protéger les plantes des ravageurs. Cependant, ces bactéries sont sensibles à la chaleur et à l’humidité, il est donc difficile d’augmenter leur fabrication et de les expédier aux fermes.

Pour surmonter cet obstacle, les ingénieurs chimistes du MIT ont conçu un revêtement organométallique qui protège les cellules bactériennes des dommages sans entraver leur croissance ou leur fonction. Dans une nouvelle étude, ils ont découvert que ces bactéries enrobées amélioraient le taux de germination d’une variété de graines, notamment de légumes comme le maïs et le bok choy.

Ce revêtement pourrait permettre aux agriculteurs de déployer beaucoup plus facilement des microbes comme engrais, explique Ariel Furst, professeur adjoint de développement de carrière Paul M. Cook en génie chimique au MIT et auteur principal de l’étude.

“Nous pouvons les protéger du processus de séchage, ce qui nous permettrait de les distribuer beaucoup plus facilement et à moindre coût car ils sont sous forme de poudre séchée plutôt que liquide”, dit-elle. “Ils peuvent également résister à une chaleur allant jusqu’à 132°F, ce qui signifie que vous n’aurez pas besoin d’utiliser une chambre froide pour ces microbes.”

Benjamin Burke et Gang Fan, postdoctorants, sont les principaux auteurs de l’article en libre accès, publié dans le JACS Au. Pris Wasuwanich et Evan Moore, étudiants de premier cycle au MIT, sont également les auteurs de l’étude.

Protéger les microbes

Les engrais chimiques sont fabriqués à l’aide d’un procédé à forte intensité énergétique connu sous le nom de Haber-Bosch, qui utilise des pressions extrêmement élevées pour combiner l’azote de l’air avec l’hydrogène pour produire de l’ammoniac.

Outre l’empreinte carbone importante de ce processus, un autre inconvénient des engrais chimiques est que leur utilisation à long terme finit par épuiser les éléments nutritifs du sol. Pour aider à restaurer les sols, certains agriculteurs se sont tournés vers « l’agriculture régénérative », qui utilise diverses stratégies, notamment la rotation des cultures et le compostage, pour maintenir les sols sains. Les bactéries fixatrices d’azote, qui convertissent l’azote gazeux en ammoniac, peuvent faciliter cette approche.

Certains agriculteurs ont déjà commencé à déployer ces « engrais microbiens », en les cultivant dans de grands fermenteurs sur place avant de les appliquer au sol. Toutefois, cela représente un coût prohibitif pour de nombreux agriculteurs.

L’envoi de ces bactéries vers les zones rurales n’est actuellement pas une option viable, car elles sont sensibles aux dommages causés par la chaleur. Les microbes sont également trop délicats pour survivre au processus de lyophilisation qui faciliterait leur transport.

Pour protéger les microbes de la chaleur et de la lyophilisation, Furst a décidé d’appliquer un revêtement appelé réseau métal-phénol (MPN), qu’elle a précédemment développé pour encapsuler les microbes à d’autres fins, telles que la protection des bactéries thérapeutiques délivrées au tube digestif. .

Les revêtements contiennent deux composants – un métal et un composé organique appelé polyphénol – qui peuvent s’auto-assembler pour former une coque protectrice. Les métaux utilisés pour les revêtements, notamment le fer, le manganèse, l’aluminium et le zinc, sont considérés comme sans danger en tant qu’additifs alimentaires. Les polyphénols, que l’on trouve souvent dans les plantes, comprennent des molécules telles que des tanins et d’autres antioxydants. La FDA classe bon nombre de ces polyphénols comme GRAS (généralement considérés comme sûrs).

“Nous utilisons ces composés naturels de qualité alimentaire dont on sait qu’ils présentent des avantages en eux-mêmes, puis ils forment ces petites armures qui protègent les microbes”, explique Furst.

Pour cette étude, les chercheurs ont créé 12 MPN différents et les ont utilisés pour encapsuler Pseudomonas chlororaphis, une bactérie fixatrice d’azote qui protège également les plantes contre les champignons nuisibles et autres ravageurs. Ils ont constaté que tous les revêtements protégeaient les bactéries de températures allant jusqu’à 50°C (122°F), ainsi que d’une humidité relative allant jusqu’à 48 %. Les revêtements ont également maintenu les microbes en vie pendant le processus de lyophilisation.

Un coup de pouce pour les graines

En utilisant des microbes recouverts du MPN le plus efficace – une combinaison de manganèse et d’un polyphénol appelé gallate d’épigallocatéchine (EGCG) – les chercheurs ont testé leur capacité à aider les graines à germer dans une boîte de laboratoire. Ils ont chauffé les microbes enrobés à 50°C avant de les placer dans le plat et les ont comparés à des microbes frais non enrobés et à des microbes non enrobés lyophilisés.

Les chercheurs ont découvert que les microbes enrobés amélioraient le taux de germination des graines de 150 %, par rapport aux graines traitées avec des microbes frais et non enrobés. Ce résultat était cohérent pour plusieurs types de graines, notamment l’aneth, le maïs, les radis et le bok choy.

Furst a créé une société appelée Seia Bio pour commercialiser les bactéries enrobées pour une utilisation à grande échelle dans l’agriculture régénérative. Elle espère que le faible coût du processus de fabrication contribuera à rendre les engrais microbiens accessibles aux petits agriculteurs qui ne disposent pas des fermenteurs nécessaires pour cultiver de tels microbes.

“Lorsque nous réfléchissons au développement d’une technologie, nous devons intentionnellement la concevoir pour qu’elle soit peu coûteuse et accessible, et c’est ce qu’est cette technologie. Elle contribuerait à démocratiser l’agriculture régénérative”, dit-elle.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.