20世纪后半期，大量使用化肥推动了农业的繁荣，被称为“绿色革命”，为缓解全球粮食危机做出了重要贡献。然而，随着人口持续增长，养活全世界的挑战再次浮现。为了推动下一场农业革命，科研人员发明了一种“仿生”叶子，利用细菌、阳光、水和空气在作物生长的土壤中制造肥料。

美国化学学会（ACS）是世界上最大的科学社团，其年会上展示了超过14000个科学主题。仿生叶子研究小组在第253届ACS全国会议与博览会上展示了这一成果。

“当拥有大型基础设施和集中式系统时，制造和提供化肥很容易。”哈佛大学的Daniel Nocera博士说，“但如果现在要求你到印度某个小村庄，用脏水来做这件事呢？——那就不行了。”他认为，新兴的贫困国家并不总是具备良好的资源条件，因此应考虑分散式系统，这才是真正需要的。

上世纪60年代的第一次“绿色革命”见证了肥料在水稻和小麦新品种上的施用增加，促使农业产出翻倍。联合国粮农组织称，尽管这一转变造成了一些严重的环境破坏，但它可能挽救了数百万人的生命，特别是在亚洲。随着世界人口，尤其是最贫困国家的人口继续增加，为每个人提供食物需要多管齐下，但专家们普遍认为，为避免更多土地被开垦为耕地，提高作物产量是关键策略之一。

为助力下一场绿色革命，Nocera致力于研究他最知名的仿生人工叶子以制造肥料。人工叶子是一种装置，暴露在阳光下时，会模仿天然叶子将水分解成氢和氧。这带来了仿生叶子的新进展：将分解水的催化剂与富养罗尔斯通氏菌（Ralstonia eutropha）匹配，消耗氢并从空气中滤出二氧化碳，制造液体“燃料”。

去年6月，Nocera团队报道了转化人工叶子的镍钼锌催化剂，该催化剂对微生物有毒，但对钴和磷细菌友好。新系统提供的生物量和液体“燃料”产量大大超过了天然光合作用。

“燃料只是第一步。”Nocera表示，“达到这一点说明我们有了一个可再生的化学合成平台。现在我们展示它的普遍性，通过另一种细菌把大气中的氮固定下来制造肥料。”对于这种应用，科研团队设计了一个系统，其中黄色杆菌（Xanthobacter）从人工叶子中获取氢，从大气中固定二氧化碳，制造类似燃料的细菌内储存的生物塑料。

“之后我把它放在土壤中，因为它已经用阳光来制造生物塑料了。”Nocera说，“它把氮从空气中拉过来，利用储存着氢的生物塑料，为作物施肥制造氨。”Nocera的实验室分析了这个系统的氨产量，并在萝卜上进行了验证。科研人员用他们的方法进行了五个作物种植周期，接受仿生叶源肥料的蔬菜重量比对照作物多150%。下一步，为了提高产量，Nocera希望印度和撒哈拉以南非洲的农民可以自己生产肥料。