Vejděte do svého typického obchodu s potravinami v USA nebo Velké Británii a pochutnejte si na úžasném množství čerstvých a zpracovaných potravin. Ve většině průmyslových zemí je těžké si představit, že produkce potravin je jednou z největších výzev, se kterými se budeme v nadcházejících desetiletích potýkat.
Očekává se, že do roku 2050 vzroste lidská populace z 7,5 na téměř 10 miliard. K tomu, abychom je nakrmili, budeme muset téměř zdvojnásobit produkci potravin během pouhých tří desetiletí, a to vše vzhledem ke zvyšující se odolnosti vůči suchu, herbicidům a pesticidům a ve světě, kde se již obdělává nejlepší plodina.
Od šedesátých let až do osmdesátých let se mezinárodní iniciativy označovaly společně jako Zelená revoluce dramaticky zvýšenou produkci potravin, zejména pěstováním odrůd plodin, které byly schopny využít výhody umělého hnojiva a vývoje účinných pesticidů a herbicidů. Ale jak jsme zintenzívnili zemědělství, zintenzívnili jsme také jeho dopady na životní prostředí. Zahrnují erozi půdy, sníženou biodiverzitu a uvolňování skleníkových plynů, které vedou ke změně klimatu.
Dnes naše schopnost soustavně tlačit tyto systémy k produkci více plodin rok co rok do značné míry stagnovala a neudrží krok s rostoucí poptávkou. Je zřejmé, že jsou zapotřebí nové inovace, aby se změnil způsob, jakým pěstujeme jídlo, a aby bylo udržitelnější.
Jsem součástí nové plodiny vědců, kteří využívají sílu přírodních mikrobů ke zlepšení zemědělství. V posledních letech genomická technologie rychle pokročila v našem chápání mikrobů, které žijí prakticky na každém povrchu Země, včetně našich vlastních těl. Stejně jako naše nové chápání lidského mikrobiomu revolucionizuje medicínu a vytváří nový probiotický průmysl, může být zemědělství připraveno na podobnou revoluci.
Mikroby v půdě z úbočí ve východním Washingtonu. Pacific Northwest National Laboratory / Flickr, CC BY-NC-SA
Nahrazení chemie biologií: Síla mikrobů
V přírodě se rostliny koevolují s mikroby, které žijí v kořenových zónách, na jejich listech a dokonce i uvnitř jejich buněk. Rostliny poskytují mikrobům potravu ve formě uhlíku a mikroby rostlinám dodávají živiny a pomáhají předcházet nemocem. Ale jak jsme začali přidávat stále více chemikálií na naše pole a obdělávat půdy, přerušili jsme úzké spojení mezi rostlinami a mikroby usmrcením mnoha z těchto prospěšných organismů.
Před několika lety jsem se rozhodl uplatnit své zkušenosti s půdními mikroby na zlepšení zemědělství. Ze všeho jsem byl inspirován překvapivým úspěchem lékařů při používání lidských fekálních transplantátů k léčbě chronické a často smrtící bakteriální infekce zvané Clostridium difficile. Jednoduše přesazením fekálního mikrobiomu od zdravého člověka bylo onemocnění vyléčeno. Natrvalo! Mohl by stejný přístup fungovat v zemědělství?
Spolu s mým blízkým spolupracovníkem na Coloradské státní univerzitě, dr. Colinem Bellem, jsem se rozhodl vyvinout mikrobiální technologii pro zvýšení dostupnosti fosforu, což je rozhodující živina, kterou rostliny musí růst. Zemědělci poskytují rostlinám fosfor tím, že aplikují hnojivo - ale když se přidá do půdy tímto způsobem, až 70 procent z něj se spojí s půdními částicemi a rostliny k němu nebudou mít přístup.
Mikroby mohou uvolnit fosfor a další mikroživiny, aby je rostliny mohly používat. Vyvinuli jsme kombinaci čtyř bakterií, které jsou mimořádně dobré pro zpřístupnění fosforu rostlinám, což vede k větším a zdravějším rostlinám. Dělají to uvolněním specializovaných molekul, které přerušují vazby mezi fosforem a částicemi půdy. Abychom tuto technologii dostali do rukou zemědělců, kteří ji mohou použít, založili jsme startupovou společnost Growcentia a začali prodávat náš první produkt, který se jmenuje Mammoth P.
Mammoth P, mikrobiální produkt, zvyšuje růst rostlin tím, že uvolňuje fosfor, důležitá živina, z půdních částic, takže je mohou rostliny zachytit a použít. Growcentia, autor poskytl
Nejsem sám v tom, že si myslím, že mikróby mohou pomoci živit svět. Mnoho dalších startupů pracuje na mikrobiálních technologiích pro výrobu potravin, včetně AgBiome, Indigo, Maronne BioInnovations a New Leaf Symbiotics.
Největší zemědělské společnosti na světě také významně investují do biologických řešení. Například společnost Monsanto nedávno investovala 300 milionů USD do aliance s biotechnologickou společností NovoZymes. Proč se Big Ag dostává do mikrobů? Tyto společnosti částečně uznávají problémy způsobené chemickým zemědělstvím a chtějí být součástí budoucnosti. Je zřejmé, že vidí potenciál vydělat peníze tím, že zemědělcům poskytnou nové nástroje pro účinnější výrobu potravin a menší dopad na naši planetu.
Growcentia se zaměřuje na půdní mikroby, které zvyšují účinnost živin a absorpci, ale mikroby mohou také zlepšit zemědělství mnoha dalšími způsoby. Některé společnosti se zaměřují na komercializaci mikrobů, u nichž bylo prokázáno, že potlačují reakce rostlin na sucho, což je ironicky podvádí, aby pokračovaly v růstu v suchých podmínkách. Jiné společnosti vyvíjejí mikrobiální produkty, které chrání rostliny před chorobami a škůdci. Mikroby mohou dokonce ovlivnit načasování kvetení. Možnosti jsou nekonečné.
Navyšování
Prospěšné mikroby se v zemědělství již dlouho používají. Zemědělci přidávají do svých luštěnin a bakterií symbiotických hub, které se nazývají mycorrhizae, bakterie vázající dusík, které pomáhají rostlinám získávat živiny po celá desetiletí. Mnoho starších produktů však obsahuje nedefinované směsi mikrobů a obecně tvrdí, jak zvyšují růst rostlin. Většinou si získali pověst zemědělského hadího oleje. A tato historie ztěžuje přesvědčit zemědělce, aby přijali příští generaci prospěšných mikrobiálních technologií.
Zemědělci ošetřují semena půdy nebo luštěnin bakteriemi, které mohou ze vzduchu přijímat dusík, základní rostlinnou živinu, a dodávat ji rostlině. Bakterie tvoří kořeny rostlin. Terraprima / Wikipedia, CC BY-SA
Až donedávna jsme mohli pozorovat a studovat pouze mikrobiální druhy, které byly v laboratoři snadno kultivovatelné za použití tradičních přístupů - nepatrné frakce mikrobiálního světa. Nyní však máme nové metody pro vývoj mikrobiální technologie, která je přesně zaměřena na specifické funkce. Můžeme prozkoumat jejich geny pomocí sekvenování nebo jejich funkce pomocí vysoce výkonných skríningových metod k nalezení mikrobů se zvláštními atributy. Můžeme také geneticky upravit mikroby, abychom vytvořili nové kmeny s vlastnostmi, které chceme. Nebo můžeme dokonce syntetizovat zcela nové druhy od nuly.
Je to věc, která produkuje prospěšné mikroby, které zvyšují růst rostlin v experimentálních sklenících. Vývoj mikrobiální technologie, která může být vyráběna ve velkém měřítku, přepravována a skladována v drsných podmínkách po dlouhou dobu a poté bezchybně fungovat v široké škále půd a podnebí, je mnohem větší výzvou. Z tohoto důvodu má mnoho produktů, které jsou v přípravě, dlouhou cestu, než se dostanou na pole farmáře.
Přijímáme náš mikrobiální svět
Když lidé přemýšlejí o mikrobech, mnozí z nich si představují bakterie a nemoci. Ale většina mikrobů je prospěšná a my bychom bez nich nemohli žít. Příliš dlouho jsme ignorovali výhody zdravého mikrobiomu v zemědělství. Výbuch zájmu o prospěšné mikroby pro výrobu potravin je vzrušující a předznamenává budoucnost, kdy je zemědělství méně závislé na chemických látkách. Budoucnost jídla je pod našimi nohama v neviditelném vesmíru mikrobiálního světa.