Genetisch aangepaste bacteriën maken kunstmest

Een Amerikaanse onderzoeksgroep heeft bacteriën een klein beetje genetisch aangepast, zodat ze van waterstof en stikstof uit de lucht kunstmest kunnen maken. In eerste proeven zorgden de bacteriën ervoor dat radijsplanten veel beter groeiden dan normaal. De bacteriën kunnen op termijn de opbrengsten van akkers in arme gebieden verhogen, waar ze vaak niet beschikken over dure kunstmest.

Chemicus Daniel Nocera van Harvard University heeft inmiddels een naam opgebouwd dankzij zijn uitvinding van het kunstmatige blad; we schreven er een paar jaar geleden al over (lees: ‘Kunstblad’, pdf-bestand). Het ding vangt zonlicht op en splitst met die energie water direct in zuurstof en waterstof. Dat waterstof is een energiedrager, die je naar believen en op elk moment kunt gebruiken, om stroom van te maken. Je hoeft het gas alleen maar te verbranden of in een brandstofcel te stoppen.
 

Koolwaterstoffen

Maar Nocera ging door. Waterstof is een energiedrager met een niet zo grote energiedichtheid; veel liever wilde hij koolwaterstoffen (zoals fossiele brandstoffen) maken. Daarin slaagde hij vorig jaar. Nocera kwam met een hybride systeem (lees: ‘Efficiëntie kunstmatige fotosynthese sterk verhoogd’) waarin aan de ene kant een katalysator water splitste in waterstof en zuurstof, terwijl tegelijkertijd bacteriën die waterstof combineren met CO₂ uit de lucht tot allerlei koolwaterstoffen – isopropanol, isobutanol, isopentanol en zelfs polyhydroxybutyrate (PHB), een bouwsteen voor bioplastic.
 

Stikstof

Feitelijk konden de wetenschappers hiermee al twee van drie erg belangrijke bouwstenen (zie figuur rechts) in de natuur isoleren: waterstof en koolstof. Voor de derde, stikstof, presenteert Nocera nu een slimme oplossing. Onderzoekers in zijn groep aan Harvard University zijn erin geslaagd om bacteriën zodanig genetisch aan te passen dat ze stikstof uit de lucht kunnen halen en er kunstmest van maken, zo vertelde Nocera deze week op een bijeenkomst van de American Chemical Society.

Om dit te doen, gebruiken de onderzoekers een gewone bacterie uit de natuur, de Xanthobacter autotrophicus. Die heeft al een enzym in zich dat stikstof (N₂) uit de lucht kan halen en omzetten in ammoniak, een grondstof voor kunstmest. Voor deze reactie heeft deze bacterie echter ook waterstof nodig. Hier komt de genetische aanpassing van de Xanthobacter autotrophicus om de hoek kijken: de bacterie heeft daardoor voortaan ook de stof hydrogenase in zich. Dankzij dat enzym slaat de bacterie waterstof op in PHB, een bioplastic. Dat PHB fungeert vervolgens voor de bacterie als waterstofbron, om die er op enig moment uit te halen voor de productie van ammoniak.
 

Arme landen

Dit lijkt misschien een heel gedoe om een miniem beetje kunstmest te maken, terwijl grote chemische fabrieken dat veel beter in grote hoeveelheden kunnen, volgens het Haber-Bosch-proces. Maar arme landen hebben niet het geld om dat soort fabrieken neer te zetten en de benodigde infrastructuur en dus ligt kunstmest buiten het bereik van veel arme boeren. Daar wil Nocera met dit onderzoek wat aan doen. ‘Stel dat je naar een klein dorpje op het platteland van India gaat, met alleen vervuild water, dan kun je het maken van kunstmest wel vergeten. Daarom moeten we een systeem bedenken om daar toch kunstmest op de akker terecht te laten komen.’
 

Radijs groeit groter

Eerste tests met de bacteriën laten zien dat radijsplanten die in de daarmee bemeste grond groeiden, 150 % groter worden dan wanneer ze niet werden bemest. De volgende stap is om het productievolume van de bacteriën te verhogen, zodat op termijn boeren in India of Afrika hun eigen kunstmest kunnen maken.

Openingsbeeld Radijsplanten groeien groter dankzij de bacteriën in de grond. Foto Nocera Lab, Harvard University