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Una foglia bionica per alimentare il mondo

In occasione della 253ª Assemblea Nazionale & Exposition della American Chemical Society (ACS) un team di ricercatori coordinati da Daniel Nocera, della Harvard University, ha presentato un lavoro finalizzato alla realizzazione di una foglia bionica che produce fertilizzanti.

Lo studio ha portato alla realizzazione di costrutti biologici e ibridi inorganici capaci di utilizzare la luce, l’aria e l’acqua per fissare il carbonio e l’azoto e permettere in questo modo di produrre combustibili rinnovabili e fertilizzanti. La foglia artificiale è un sistema che, se esposto alla luce del sole, si comporta come una foglia vera, scindendo l’acqua in idrogeno e ossigeno. Utilizzando gli strumenti della biologia sintetica, si è sviluppato un batterio bioingegnerizzato per convertire l’anidride carbonica, insieme all’idrogeno prodotto dalla foglia artificiale, in biomassa e combustibili liquidi, chiudendo così un intero ciclo fotosintetico artificiale. Questo sistema ibrido costituito da un elemento microbico e da una foglia artificiale elimina 180 grammi di CO2 dall’aria, equivalenti a 230.000 litri di aria per ogni kWh di energia elettrica. La foglia bionica, quindi, opera con rese senza precedenti in combustibili derivati da solare a biomassa (10,7%) e da solare a liquido (6,2%), il che supera notevolmente la resa dell’1% della fotosintesi naturale. Estendendo questo approccio si è realizzata la sintesi rinnovabile di ammoniaca in condizioni ambientali accoppiando la scissione dell’acqua per effetto del sole al fissaggio dell’azoto realizzato da un bioorganismo in un unico reattore. L’azoto viene fissato all’ammoniaca utilizzando l’idrogeno derivante dalla foglia artificiale per rifornire una nitrogenasi presente nel bioorganismo. L’ammoniaca prodotta dalla nitrogenasi può essere indirizzata, anziché alla formazione della biomassa, ad un prodotto extracellulare con l’aggiunta di un inibitore. La reazione di riduzione dell’azoto procede con una bassa forza motrice (~ 0,16 V) con un numero di turnover (TON) di 8 × 109 per cella e funziona dal 15 al 23% della resa teorica senza l’uso di reagenti chimici sacrificali e di carbonio come materia prima (che viene invece fornito dalla CO2 presente nell’aria). Questo approccio può essere alimentato dall’energia rinnovabile distribuita, consentendo la produzione sostenibile di fertilizzanti azotati.

 

 

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