微生物可以帮助减少对化肥的需求

诸平

MIT chemical engineers devised a metal-organic coating that protects bacterial cells from damage without impeding their growth or function. These coated bacteria could make it much easier for farmers to deploy microbes as fertilizers. At left, the inset shows the components that create the protective shell of the microbes, as represented in the center inset by triangular formations. Credits: Image: Jose-Luis Olivares, MIT based on figures courtesy of the researchers

据美国麻省理工学院 (Massachusetts Institute of Technology简称MIT, Cambridge, Massachusetts, United States) 2023年11月15日提供的消息，MIT化工系（Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, United States）研究发现微生物可以帮助减少对化肥的需求（Microbes could help reduce the need for chemical fertilizers）。

新涂层可以保护固氮细菌（nitrogen-fixing bacteria）免受高温和潮湿的影响，这使得它们能够大规模用于农业用途。

化肥生产约占世界温室气体排放量的1.5%。麻省理工学院的化学家希望通过用更可持续的来源——细菌代替一些化肥来帮助减少碳足迹。

能够将氮气转化为氨的细菌不仅可以提供植物所需的养分，还可以帮助土壤再生并保护植物免受害虫侵害。然而，这些细菌对热和湿度敏感，因此很难扩大其生产规模并将其运送到农场。

为了克服这一障碍，麻省理工学院的化学工程师设计了一种金属有机涂层（metal-organic coating），可以保护细菌细胞免受损害，而不妨碍其生长或功能。在一项新的研究中，他们发现这些包被的细菌提高了多种种子的发芽率，包括玉米和白菜（bok choy）等蔬菜。相关研究结果于2023年10月30日已经在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）杂志网站发表——Benjamin Burke, Gang Fan, Pris Wasuwanich, Evan B. Moore, Ariel L. Furst. Self-Assembled Nanocoatings Protect Microbial Fertilizers for Climate-Resilient Agriculture. Journal of the American Chemical Society Au. 2023. DOI: 10.1021/jacsau.3c00426. Publication Date: October 30, 2023. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.3c00426

麻省理工学院化工系(Department of Chemical Engineering at MIT)保罗·库克（Paul M. Cook）职业发展助理教授（Paul M. Cook Career Development Assistant Professor）、该研究的通讯作者艾丽尔·弗斯特（Ariel Furst）表示，这种涂层可以让农民更容易地将微生物用作肥料。

艾丽尔·弗斯特说：“我们可以保护它们免受干燥过程的影响，这将使我们能够更轻松地以更低的成本分发它们，因为它们是干燥的粉末而不是液体。它们还可以承受高达 132 ℉的高温，这意味着您不必对这些微生物使用冷藏。”

保护微生物（Protecting microbes）

化肥是采用一种名为哈伯-博世（Haber-Bosch）的能源密集型工艺制造的，该工艺使用极高的压力将空气中的氮气与氢气结合起来生成氨。

除了这一过程产生显著的碳足迹外，化肥的另一个缺点是长期使用最终会耗尽土壤中的养分。为了帮助恢复土壤，一些农民转向“再生农业（regenerative agriculture）”，这种农业采用多种策略，包括轮作和堆肥，以保持土壤健康。固氮细菌可以将氮气转化为氨，可以帮助实现这种方法。

一些农民已经开始使用这些“微生物肥料（microbial fertilizers）”，将它们种植在大型现场发酵罐中，然后再施用于土壤。然而，这对许多农民来说成本过高。

目前将这些细菌运送到农村地区并不是一个可行的选择，因为它们很容易受到热损伤。这些微生物也太脆弱，无法在冷冻干燥过程中存活下来，而冷冻干燥过程将使它们更容易运输。

为了保护微生物免受高温和冷冻干燥的影响，艾丽尔·弗斯特决定使用她之前开发的（previously developed）一种称为金属苯酚网络 (metal-phenol network简称MPN) 的涂层，用于封装微生物以用于其他用途，如同保护输送到消化道的治疗细菌一样。

这些涂层含有两种成分——一种金属和一种称为多酚（Polyphenols）的有机化合物——可以自组装成保护壳。用于涂层的金属包括铁（Fe）、锰(Mn)、铝(Al)和锌(Zn)，被认为是安全的食品添加剂。植物中常见的多酚包括单宁(tannins)和其他抗氧化剂(antioxidants)等分子。美国食品药品管理局（FDA）将其中许多多酚归类为通常被认为是安全的（generally regarded as safe简称GRAS）。

“我们正在使用这些天然食品级化合物，众所周知，它们本身就有好处，然后用它们来形成这些保护微生物的小盔甲，”艾丽尔·弗斯特说。

在这项研究中，研究人员创建了12种不同的MPN，并用它们封装绿针假单胞菌（Pseudomonas chlororaphis），它不仅是一种固氮细菌，还可以保护植物免受有害真菌和其它害虫的侵害。他们发现所有涂层都能保护细菌免受高达 50 ℃（122 ℉）的温度和高达 48%的相对湿度的影响。涂层还可以在冷冻干燥过程中保持微生物的活性。

对种子的促进作用（A boost for seeds）
研究发现最有效MPN是锰（Mn）和一种名为表没食子儿茶素没食子酸酯 (epigallocatechin gallate简称EGCG) 的多酚的组合。研究人员使用涂有这种最有效组合的微生物，测试了它们在实验室培养皿中帮助种子发芽的能力。他们将包被的微生物加热到50 ℃，然后将其放入培养皿中，并将它们与新鲜的未包被的微生物和冻干的未包被的微生物进行比较。
研究人员发现，与用新鲜的、未包被的微生物处理的种子相比，包被的微生物将种子的发芽率提高了150%。这一结果在几种不同类型的种子中是一致的，包括莳萝（dill）、玉米（corn）、萝卜（radishes）和白菜（bok choy）。

艾丽尔·弗斯特成立了一家名为塞亚·比奥（Seia Bio）的公司，将涂层细菌商业化，大规模用于再生农业。她希望制造过程的低成本将有助于使没有培养微生物所需发酵罐的小规模农民能够获得微生物肥料。

“当我们考虑开发技术时，我们需要有意将其设计得便宜且易于使用，这就是这项技术。它将有助于再生农业的大众化，”她说。

这项工作得到了美国陆军研究办公室(Army Research Office W911NF-22-1-0106)、美国国立卫生研究院新创新者奖(National Institutes of Health-New Innovator Award 1DP2GM154015)、美国国立卫生研究院NIEHS核心中心 (National Institutes of Health-NIEHS Core Center Grant (P42-ES027707; P30-ES002109)、CIFAR阿兹列里全球学者计划（CIFAR Azrieli Global Scholars Program）、麻省理工学院J-WAFS计划（MIT J-WAFS Program）资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Chemical fertilizers have been crucial for sustaining the current global population by supplementing overused farmland to support consistent food production, but their use is unsustainable. Pseudomonas chlororaphis is a nitrogen-fixing bacterium that could be used as a fertilizer replacement, but this microbe is delicate. It is sensitive to stressors, such as freeze-drying and high temperatures. Here, we demonstrate protection of P. chlororaphis from freeze-drying, high temperatures (50 ℃), and high humidity using self-assembling metal-phenolic network (MPN) coatings. The composition of the MPN is found to significantly impact its protective efficacy, and with optimized compositions, no viability loss is observed for MPN-coated microbes under conditions where uncoated cells do not survive. Further, we demonstrate that MPN-coated microbes improve germination of seeds by 150% as compared to those treated with fresh P. chlororaphis. Taken together, these results demonstrate the protective capabilities of MPNs against environmental stressors and represent a critical step towards enabling the production and storage of delicate microbes under nonideal conditions.