一种新的蓝藻细菌肥料有望给地球带来福音

Ending ‘dead zones’

How a biofriendly fertilizer could offer a greener way to grow plants

一种新的蓝藻细菌肥料有望结束过度营养带来的死亡地带，给植物带来绿色生长方式（不必用传统化肥），并且为缓解气候变暖捕捉二氧化碳存放在土壤中。

biofertilizer

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每年，在美国麻省墨西哥湾都会有一个死亡地带，由小到大不断蔓延。（dead zone)

密西西比河流经美国的农业种植带，（nation’s farm belt）在流经农场种植带的同时，也携带了土壤中过度的肥料和农药化学物质来到了墨西哥湾。这些过度的肥料和农药在墨西哥湾聚集沉积，引起了水域中藻类疯狂生长，藻类生长过程中消耗掉水域中的氧气，从而杀死其它海洋生物。（ feed rampant algae, deplete oxygen, and kill marine life）

在美国境内，一些雷斯马塞诸萨州墨西哥湾这样小型版的死亡地带每年都会频发，进而侵染湖泊、池塘和河流。在高峰雨季年份，如2018年，麻州查尔斯河汇集了从城市街道、停车场和城市景观校园冲刷而来的大量沉积在地表和岩石土壤里的污染物，导致查尔斯河的水体质量下降。

不被控制的藻类生长，可以破坏海域水体、人类甚至宠物的健康。在2018年，就有好几只狗在查尔斯河游泳之后，因为被有毒的蓝绿藻阻塞窒息而死亡。（choked with toxic blue-green algae）

在世界其它地区，因为多年过度农药和化肥使用，带来的农业面源污染依然是耕地质量下降的最主要元凶之一。我国目前虽然实施了化肥和农药零增长措施，但是相比较世界先进农业水平，化肥和农药的使用量仍然大大超过世界发达国家农业平均使用水平。

现在，哈佛的科学家们和可持续性发展官员们以及景观专家，一起在实验一种不会冲刷到供水系统水源里化肥农药的一种新型生物肥料。在2018年冬天利用哈佛大学剑桥校园作为活体实验室，把这种可持续性的生物肥料进行试验。

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这种由丹尼尔.诺塞拉实验室开发的活体生物肥料，（Developed in the lab of Daniel Nocera, the Patterson Rockwood Professor of Energy）仅需要阳光和水、空气，施用在植物土壤中，可以产生更大更健康的样本。而且还可以捕捉吸收空气中的二氧化碳，然后把这种危险的温室气体保持在土壤中。（carbon-negative, absorbing carbon dioxide from the air and sequestering the dangerous greenhouse gas in the soil）

这项先进的试验始于去年春天。当时，诺塞拉团队里的Dogutan（a principal research scientist in the Nocera group），从校长管理创新基金办公室收到一封邮件，（President’s Administrative Innovation Fund (PAIF)）要求实验室为校园在气候变化方面做点什么。

Dogutan认为这是一个机会，可以把团队在实验室的研究成果使用在现实校园真实环境状态里。在实验室温室稳定条件下，团队已经用这种生物肥料培养出了三倍大小的小红萝卜。（radishes)

在校园里，不同于实验室的可控条件，土壤的酸性、空气温度、空气湿度等等条件都发生变化。为了更好进行校园内的放大实验，通过校长创新管理基金委员会组成了新的合作团队。（Through PAIF, she formed a collaborative team with Gilly, the manager of laboratory sustainability and energy of the FAS Green Program in Harvard’s Office for Sustainability, and Smith, the associate manager of landscape services.）

哈佛校园希望到2020年，75%的景观园林使用有机肥料（all organic fertilizers）。但是，这种全有机肥料最终仍然会汇聚到水源中，而这种诺塞拉实验室的生物肥料则不是这样。

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在2018年有诺塞拉实验室发明的这种生物友好型肥料，依赖一种工程化的蓝藻细菌，称之为自养黄色杆菌。（Invented in 2018, the biofriendly fertilizer relies on an engineered cyanobacteria called Xanthobacter autotrophicus. ）

这项发明融合了多年的研究，归结到诺塞拉的人工绿叶技术，可以比任何绿叶都能更有效好地进行光合作用，把水分离成氢气和氧气。（Nocera’s artificial leaf technology, which splits water to make hydrogen and oxygen, performing photosynthesis better than any leaf.）

这种新的方案，利用从水里分离出的氢气，与空气中的氮结合生成氨，植物可以吸收存储在植物体根部。（The new treatment uses the hydrogen from water splitting and combines it with nitrogen in air to produce ammonia, which plants can absorb into their roots. ）

由于传统无机和有机肥料往往给植物过多的氮和磷，植物使用不了，过多的氮和磷就被冲刷走了。这种生物肥料则可以安全堤坝氮和磷保存在植物的根部，以备未来植物使用。（Since inorganic and organic fertilizers often give plants more nitrogen and phosphorous than they can use at one time, the excess gets washed away. But the biofertilizer stays safe within the plants’ roots, stored for future use.）

这项发明还有另外一个对地球生态好处：细菌吸收空气中的二氧化碳。通过广泛推广使用这种生物肥料，可以每年从空气中移除相当数量级的二氧化碳温室气体，把它们拘押在土壤里。

科学家们希望有朝一日，这种肥料能够商业化。通过商业化这种低成本的有机生物肥料，（ synthetic nitrogen fertilizers）代替所有的合成氮肥，减少传统肥料的面源污染和二氧化碳气体排放。

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在哈佛校园，通过PAIF的资助，Dogutan 和她的团队将从2020年冬天到秋季，再进行大规模的生物肥料测试。

在先前校园可持续创新基金的资助下，她的团队已经进行了两个小型试验。一个试验是和艺术和科学研究院合作，清理出了两个停车位大小的花园中间带有两英尺的草坪地带。

研究人员分别种植小萝卜、白萝卜和菠菜。（radishes, turnips,and spinach）每周，Daniel Loh，都会给其中一块地浇灌100毫升混合有这种工程化蓝藻生物肥料的水，也喷洒在植物上。另一个地块只是浇普通水，不含有这种细菌肥料。（fertilized one with 100 milliliters of the engineered cyanobacteria mixed with water and sprayed it over the plants）

从4月到8月，Loh and undergraduate researchers Ellen Deng and Lauren Church 都检测植物的生长状况，并收集数据。Loh 的测量显示，不仅生物肥料让植物长得更茁壮，这种生物细菌也没有被吸附在周围的植物里。氮在被远距离传播之前就被植物保存下来。

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下一步，研究人员想种植粉红玫瑰，一种大众喜爱的花卉。另外一些人，想把成果应用到哈佛大学雨水花园里。

下一年，Dogutan 和哈佛大学的园林部门想用这种生物肥料覆盖所有哈佛大学剑桥校园的所有区域内的景观区域，替代有机肥料。当然这取决于捐款的最后数目。

从研究团队来说，希望使用范围越广越好，可以搜集数据对产品进行修正，以便于更大范围的应用。

Dogutan认为，这仍然是一项新的研究，团队还在努力弄明白一些细节：细菌的承载，土壤加入细菌以后的变化，以及为适应不同土壤气候条件需要将工程化细菌进行个性化定制，等等。

他们希望，哈佛大学所有的校园都能够使用这种生物细菌肥料，通过这样，实现大学对可持续发展的承诺，最终不仅让大学赢得声誉，而且为尝试结束麻省墨西哥湾的死亡地带作出努力。