استارتاپ Switch Bioworks از سازوکاری ژنتیکی شبیه «سوئیچ» استفاده میکند تا میکروبها ابتدا در خاک مستقر شوند و پس از رسیدن به جمعیت مناسب، تولید نیتروژن را آغاز کنند. این نگرش میتواند نیاز به کود شیمیایی و انتشار گازهای گلخانهای مرتبط با تولید آن را کاهش دهد.
- میکروبها میتوانند نیتروژن قابل جذب برای گیاهان تولید کنند، اما بار انرژی این فرایند باعث تضعیف رشد آنها میشود.
- سوئیچ ژنتیکی قصد دارد اول جمعیتسازی و سپس آغاز تثبیت نیتروژن را امکانپذیر کند.
- آزمایشهای میدانی و تکرارپذیری نتایج برای پذیرش تجاری و کشاورزی ضروری است.
چرایی جایگزینی کود شیمیایی
تولید کود نیتروژنه صنعتی عمدتاً با فرایند هابر-بوش (Haber–Bosch) انجام میشود که به شدت انرژیبر است و بخش قابلتوجهی از آن به مصرف سوختهای فسیلی وابسته است؛ این فرایند حدود 2% از انتشار جهانی گازهای گلخانهای را تشکیل میدهد. فرایند هابر پرهزینه و حساس به قیمت انرژی است و افزایش هزینهها فشار مالی زیادی روی کشاورزان وارد میآورد.
نقش میکروبها در تثبیت نیتروژن
هوای جو تقریباً 80٪ نیتروژن دارد، اما گیاهان قادر به استفاده مستقیم از آن نیستند و به نیتروژن تثبیتشده مانند آمونیاک نیاز دارند. در طبیعت گونههایی از باکتریها این کار را انجام میدهند و برخی گیاهان از جمله حبوبات روابط همزیستی با آنها برقرار میکنند. برای شرح پایهای این فرایند میتوان به ویکیپدیا مراجعه کرد.
چالش تولید کود میکروبی
تولید آمونیاک توسط میکروبها انرژیبر است؛ اگر میکروبها منابع خود را صرف تثبیت نیتروژن کنند، توانایی رشد و تکثیر آنها کاهش مییابد. برای کاربرد مزرعهای، ایجاد و حفظ جمعیت پایدار در اطراف ریشه اهمیت زیادی دارد زیرا انتقال و اجرای حجم بالای میکروب به مزارع از نظر لجستیکی و اقتصادی محدودیتزا است.
رویکرد سوئیچ ژنتیکی Switch Bioworks
ایده اساسی این شرکت، افزودن عنصر کنترلی به ژنوم میکروبهاست تا تولید نیتروژن تنها وقتی فعال شود که جمعیت میکروبها به حد کافی رسیده یا غلظت نیتروژن خاک کاهش یافته باشد. به این ترتیب میکروبها ابتدا روی رشد و تکثیر تمرکز میکنند و سپس بار انرژیبر تثبیت نیتروژن را برمیدارند.
دن بلواستاین-رجتو از مؤسسه Breakthrough اشاره کرده که چنین راهکاری میتواند تعارض بین رشد میکروب و تولید نیتروژن را کاهش دهد، زیرا میکروبها معمولاً نیتروژن تولیدی را برای بقای خود و ساخت پروتئین مصرف میکنند.
آزمایشهای میدانی و محدودیتهای فعلی
Switch در شش ایالت آمریکا آزمایشهای میدانی انجام میدهد و تمرکز اولیه روی ذرت است؛ محصولی که در آمریکا سطح کشت بسیار گستردهای دارد. مدیرعامل شرکت فاصله تا عرضه تجاری را حدود دو تا سه سال اعلام کرده و تاکنون نتایج نهایی و قطعی میدانی منتشر نشدهاند. در برخی مزرعهها ذرتهایی که تحت درمان قرار گرفته بودند علائم سلامت بهتری نشان دادند، اما برای اعتمادسازی به دادههای مستقل و تکرارپذیر نیاز است.
آزمونهای مستقل، ارزیابی در شرایط اقلیمی و خاکی مختلف و بررسی اثرات طولانیمدت رویکردهای مبتنی بر میکروب برای پذیرش گسترده از سوی کشاورزان و نهادهای نظارتی حیاتی است.
رقبا و وضعیت بازار
شرکتهایی مانند Pivot Bio سالهاست محصولات میکروبی تجاری عرضه کردهاند و روی میلیونها هکتار به کار رفتهاند. برخی محصولات هنگام کاشت بذر افزوده میشوند و برخی دیگر طی مراحل رشد اعمال میگردند. رقابت و تنوع راهکارها میتواند نفوذ کود میکروبی در کشاورزی را تسریع کند، اما هر محصول باید کارایی و مقرونبهصرفهبودن خود را در مزرعه ثابت کند.
پیامدها برای کشاورزی و اقلیم
- کاهش مصرف کود شیمیایی میتواند انتشار گازهای گلخانهای مرتبط با تولید و استفاده از این کودها را کم کند.
- کاهش هزینههای کود بهویژه در دورههای افزایش قیمت انرژی میتواند بار مالی کشاورزان را کاهش دهد.
- در صورت اثبات کارایی و مقرونبهصرفهبودن، کودهای میکروبی فرصت قابلتوجهی برای توسعه کشاورزی پایدار فراهم میکنند.
گامهای بعدی
مسیر پیش رو روشن است: اثبات قابلیت اتکا در شرایط واقعی مزرعه، انجام آزمایشهای مستقل و بررسی اثرات بلندمدت میکروبهای مهندسیشده در اکوسیستم خاک. در صورتی که سوئیچهای ژنتیکی عملکرد مورد نیاز را نشان دهند، تامین نیتروژن از طریق کود میکروبی میتواند به بخشی مهم از مجموعه ابزارهای کشاورزی مدرن تبدیل شود.
منابع: گزارشهای تخصصی درباره تثبیت نیتروژن و صفحات شرکتهای فعال در این حوزه مانند Pivot Bio و معرفی فرایند Haber.
