麻省理工学院的研究人员正在开发创新的农业技术，如压力信号植物、微生物肥料和保护性种子保护膜，以使农业适应气候变化并加强粮食安全。

随着全球气温的上升，农业实践必须适应新的挑战。预计气候变化将增加干旱的频率，一些土地可能不再适合耕种。此外，在不扩大化肥和其他农用化学品生产的情况下，养活不断增长的人口变得越来越困难，因为化肥和其他农用化学品的碳足迹很大，正在加剧全球变暖。

现在，麻省理工学院的科学家们正在从多个角度解决这些问题，包括开发在压力下发出警报的植物，以及使种子更能适应干旱。随着气候变化，这些技术以及更多有待设计的技术将对养活世界人口至关重要。

“除了水，我们首先需要的是食物。就优先级而言，首先是水、食物，然后是其他一切。麻省理工学院土木与环境工程副教授贝内代托·马瑞利（Benedetto Marelli）说：“当我们试图找到新的策略来养活100亿人的世界时，我们需要发明新的制作食物的方法。”

马瑞利是麻省理工学院最近启动的气候项目六个任务之一的负责人，该项目专注于研究工业脱碳和建设弹性城市等领域。马瑞利负责“Wild Cards”项目，该项目旨在确定高风险、高回报的非常规解决方案。

马瑞利说，麻省理工学院拥有广泛领域的专业知识，能够很好地应对气候变化带来的挑战。“将我们跨学科的优势结合起来，包括工程、大规模加工、生物工程和基础设施工程，以及人文、科学和经济学，这是一个巨大的机会。”

保护种子免受干旱

马瑞利最初是一名从事再生医学的生物医学工程师，现在他正在研究通过帮助种子在干旱条件下或在营养枯竭的土壤中存活和发芽来提高作物产量的方法。为了实现这一目标，他设计了一种基于丝绸和其他聚合物的种子保护膜，可以在关键的发芽过程中包裹和滋养种子。

在健康的土壤中，植物可以获得所需的氮、磷酸盐和其他营养物质，其中许多是由生活在土壤中的微生物提供的。然而，遭受干旱或过度耕作的土壤往往缺乏这些营养物质。马瑞利的想法是在种子上涂上一层聚合物，这种聚合物可以嵌入促进植物生长的细菌，这些细菌通过从空气中吸收氮并使其为植物所利用来“固定”氮。这些微生物还可以为植物提供其他必需的营养物质。

对于第一代种子包衣，他将这些微生物嵌入蚕丝制成的包衣中 —— 他之前已经证明蚕丝可以延长农产品、肉类和其他食品的保质期。在麻省理工学院的实验室里，马瑞利已经证明，种子保护膜可以帮助发芽的植物在干旱、紫外线照射和高盐度环境下生存。

现在，他正在与摩洛哥穆罕默德六世理工大学的研究人员合作，将这种方法应用于摩洛哥本土作物。由于气候变化导致的降雨量减少，摩洛哥经历了连续六年的干旱。

在这些研究中，研究人员使用了一种从食物垃圾中提取的生物聚合物涂层，这种涂层可以在摩洛哥很容易获得，而不是真的使用丝绸。

马瑞利说：“我们正在与当地社区合作，提取生物聚合物，试图有一个大规模工作的过程，这样我们就能制造出在特定环境下工作的材料。”“我们可能会在麻省理工学院的高资源环境中提出一个想法，但要在那里工作，我们需要与当地社区，当地利益相关者交谈，并利用他们自己的聪明才智，尝试将我们的解决方案与实际应用于当地环境的东西相匹配。”

微生物作为肥料

不管他们是否经历干旱，施用合成肥料后作物长得更好。尽管对大多数农场来说，施肥是必不可少的，但它既昂贵又会对环境造成影响。世界上大多数肥料都是用哈伯-博世工艺生产的，该工艺在高温高压下将氮和氢转化为氨。这一能源密集型的过程约占世界温室气体排放量的1.5%，而将其运送到世界各地农场所需的运输则增加了更多的排放量。

麻省理工学院Paul M. Cook职业发展助理教授Ariel Furst正在开发一种微生物替代Haber-Bosch工艺。一些农场已经尝试将固氮细菌直接施用于作物的根部，并取得了一定的成功。然而，这些微生物太脆弱，无法长期储存或运送到任何地方，因此它们必须在农场的生物反应器中生产。

为了克服这些挑战，弗斯特已经开发出一种方法，给微生物涂上一层保护壳，防止它们被高温或其他压力破坏。这种涂层还可以保护微生物免受冷冻干燥造成的损害 —— 这一过程将使它们更容易运输。

这些涂层的成分各不相同，但它们都由两种成分组成。一种是金属，如铁、锰或锌，另一种是多酚 —— 一种植物衍生的有机化合物，包括单宁和其他抗氧化剂。这两种成分自组装成一个保护壳，包裹着细菌。

“这些微生物将与种子一起传递，因此它将不需要在生长过程中施肥。它还降低了成本，为农民提供了更多的自主权，减少了与农业相关的碳排放，”弗斯特说。“我们认为这将是一种使农业完全再生的方法，既能恢复土壤健康，又能提高作物产量和作物的营养密度。”

弗斯特已经成立了一家名为Seia Bio的公司，该公司正致力于将这种涂层微生物商业化，并已开始在巴西的农场进行测试。在她的实验室里，弗斯特还在研究将这种方法应用于能够从大气中捕获二氧化碳并将其转化为石灰石的微生物，这有助于提高土壤的pH值。

她说：“它可以帮助改变土壤的pH值以稳定土壤，同时也是一种有效地直接捕捉空气中二氧化碳的方法。”“现在，农民可能会用卡车运送石灰石来改变土壤的pH值，所以你会产生大量的排放，让微生物自己可以做一些事情。”

植物遇险传感器

几年前，迈克尔·斯特拉诺，麻省理工学院的化学工程教授，开始探索利用植物本身作为传感器来揭示它们何时处于困境的想法。当植物遭受干旱、虫害或其他压力时，它们会产生激素和其他信号分子来保护自己。

斯特拉诺的实验室专门研究为各种分子开发微型传感器，他想知道这种传感器是否可以部署在植物内部，以接收这些求救信号。为了制造他们的传感器，斯特拉诺的实验室利用了单壁碳纳米管的特殊特性，它能发出荧光灯。通过用不同类型的聚合物包裹这些管，传感器可以被调整以检测特定的目标，当目标存在时发出荧光信号。

为了应用于植物，斯特拉诺和他的同事们创造了可以检测信号分子的传感器，如水杨酸和过氧化氢。然后，他们展示了这些传感器可以插入植物叶片的底部，而不会伤害植物。一旦嵌入叶片的叶肉中，传感器就可以接收到各种信号，这些信号可以用红外摄像机读取。

这些传感器可以实时显示植物是否正在经历各种压力。到目前为止，还没有一种方法可以足够快地获得这些信息，让农民们采取行动。

斯特拉诺说：“我们正在努力做的是制造一种工具，可以非常迅速地将信息传递到农民手中，让他们能够迅速做出能够提高产量的适应性决策。”“我们正处于一场真正了解植物内部交流方式以及与其他植物交流方式的革命之中。”

这种传感可以部署在田地里，帮助农民更快地应对干旱和其他压力，也可以部署在温室、垂直农场和其他类型的室内农场，这些农场利用技术在受控环境中种植作物。

斯特拉诺在这一领域的大部分工作是在美国农业部（USDA）的支持下进行的，也是新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的农业精准破坏性和可持续技术（DiSTAP）项目的一部分，传感器已经在新加坡一个名为Growy的可控环境农场的作物试验中得到了部署。

斯特拉诺说：“同样的基本工具可以帮助发现露天农业或受控环境农业中的问题。”“他们都面临同样的问题，那就是农民获得信息太晚，无法防止产量损失。”

减少使用农药

农药对农民来说是另一项巨大的经济支出：全世界农民每年在农药上的花费约为600亿美元。这种农药的大部分最终会积聚在水和土壤中，对包括人类在内的许多物种造成伤害。但是，如果不使用杀虫剂，农民可能会损失一半以上的庄稼。

麻省理工学院（MIT）机械工程教授克里帕·瓦拉纳西（Kripa Varanasi）正在研究一种工具，可以帮助农民测量有多少农药进入了他们的植物，以及一种技术，可以帮助农药更有效地附着在植物上，减少流入土壤和水中的农药数量。

瓦拉纳西的研究重点是液滴与表面之间的相互作用，十多年前，他参加了美国农业部的一次会议，开始考虑将他的工作应用于农业。在那里，他受到启发，开始研究通过优化叶片表面的相互作用来提高农药施用效率的方法。

“每英亩农作物上都喷洒了数十亿滴农药，但只有一小部分最终达到并保持了目标。在我看来，这是一个我们可以帮助解决的问题。”

瓦拉纳西和他的学生们开始探索如何让农药滴在叶子上的效果更好，而不是弹开。他们发现，如果在聚合物中加入正电荷和负电荷，带相反电荷的液滴会在叶子表面形成一层亲水（吸水）涂层，这将有助于下一个液滴附着在叶子上。

后来，他们开发了一种更容易使用的技术，在喷洒前在农药中加入表面活性剂。当这种混合物通过一个特殊的喷嘴喷射时，它会形成微小的液滴，这些液滴被表面活性剂“掩盖”。表面活性剂帮助液滴在几毫秒内粘在叶子上，而不会反弹。

2020年，瓦拉纳西和Vishnu Jayaprakash博士成立了一家名为AgZen的公司，将他们的技术商业化，并将其送到农民手中。他们将改善农药附着力的想法整合到一种名为“EnhanceCoverage”的产品中。

在对这种产品的测试过程中，他们意识到没有任何好的方法来测量有多少液滴留在植物上。这促使他们开发了一款基于机器视觉的产品，名为“RealCoverage”。它可以连接到任何农药喷雾器上，并提供实时反馈，告诉你每片叶子上附着和停留的农药液滴的百分比。

2024年，RealCoverage在美国各地的6.5万英亩农田上使用，从爱荷华州的大豆到佐治亚州的棉花。使用该产品的农民能够减少30%到50%的农药使用量，通过使用数据来优化交付，在某些情况下，甚至改变喷洒的化学品。

他希望预计将于2025年上市的EnhanceCoverage产品将帮助农民进一步减少农药的使用。

“我们的使命是帮助农民节省开支，同时帮助他们获得更高的产量。我们已经找到了一种方法，既能做到这一切，又能减少我们排放到大气、土壤和水中的废物和化学物质的数量，”瓦拉纳西说。“这是麻省理工学院的方法：找出真正的问题是什么，以及如何提出解决方案。现在我们有了一个工具，我希望它能被部署到任何地方，每个人都能从中受益。”

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