它可能看起來(lái)不像你見過(guò)的任何玉米。在16英尺(5米)處，它的高度約為傳統(tǒng)玉米的兩倍。從地上高高地伸出的莖稈，都是氣生根，紅色的指狀突起涂在泥土上。

但是，盡管這種類似外星人的粘性物質(zhì)，這種玉米種類 - 當(dāng)?shù)厝碎L(zhǎng)期以來(lái)一直在種植和食用墨西哥瓦哈卡的塞拉利昂混合地區(qū)的土地 - 是另一個(gè)原因。這是科學(xué)家們知道的唯一可以直接從空氣中吸收氮并用它來(lái)生長(zhǎng)的玉米。

氮是一種必需的營(yíng)養(yǎng)素，主要作物利用大氣氮的能力將改變世界，減少氮污染，成為影響全球的最大環(huán)境問(wèn)題之一。

什么是固氮?

所有生物都需要氮。例如，需要構(gòu)建蛋白質(zhì)，使生物體發(fā)揮作用和生長(zhǎng)。但是，雖然大氣中氮含量為78%，但動(dòng)物和大多數(shù)植物都無(wú)法接觸到它。這是因?yàn)槲覀兛諝庵械牡獨(dú)庥蓛蓚€(gè)氮原子組成，緊密結(jié)合在一起，需要大量的能量來(lái)破壞，加州大學(xué)戴維斯分校的植物生物學(xué)家Alan Bennett說(shuō)，他幫助分析了固氮玉米。

在作物中，只有大豆，豆類和苜蓿等豆類才能獲得這種氮 - 而且只能借助細(xì)菌。Bennett說(shuō)，這些微生物利用一種酶轉(zhuǎn)化 - 或“固定” - 大氣中的氮轉(zhuǎn)化為可用的形式，化合物如氨(與三個(gè)氫分子結(jié)合的氮分子)或硝酸鹽(與三個(gè)氧分子結(jié)合的氮)。

根據(jù)明尼蘇達(dá)大學(xué)農(nóng)作物生態(tài)學(xué)家R. Ford Denison的說(shuō)法，大多數(shù)主要作物，如玉米，小麥和大米都不能。

為什么會(huì)有氮污染?

由于作物不能將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為可以使用的形式，農(nóng)民必須以肥料的形式為它們提供固定的氮。在20世紀(jì)初期，德國(guó)科學(xué)家弗里茨·哈伯(Fritz Haber)開發(fā)了所謂的哈伯 - 博世(Haber-Bosch)工藝，將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為氨 - 這種合成肥料的基礎(chǔ)現(xiàn)在已經(jīng)占據(jù)了世界近一半的份額。“如果沒有生產(chǎn)合成肥料的能力，我們將無(wú)法為現(xiàn)有人口生產(chǎn)足夠的食物，”貝內(nèi)特說(shuō)。

問(wèn)題是農(nóng)民很難準(zhǔn)確估計(jì)需要多少肥料，導(dǎo)致過(guò)度使用和浪費(fèi)。馬里蘭大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心的環(huán)境科學(xué)家張?chǎng)伪硎荆蠹s57%的氮肥會(huì)最終污染環(huán)境。

這種流入擾??亂了地球的自然氮循環(huán)。通常，氮被循環(huán)回到土壤中。例如，植物中的氮是可用的形式，因此當(dāng)它們落葉，種子或簡(jiǎn)單地死亡時(shí)，氮返回土壤以供其他植物使用。動(dòng)物還通過(guò)尿液和糞便將可用的氮?dú)鈳Щ赝寥?。丹尼森告訴Live Science說(shuō)：“關(guān)鍵是沒有人在遠(yuǎn)處吸食任何氮?dú)狻?rdquo;

當(dāng)作物運(yùn)往世界各地時(shí)，氮不會(huì)被回收 - 迫使農(nóng)民用肥料補(bǔ)充。

有什么大不了的?

在“自然”雜志2009年對(duì)世界主要環(huán)境問(wèn)題的分析中，研究人員發(fā)現(xiàn)氮污染已經(jīng)超過(guò)了可能導(dǎo)致破壞性后果的程度。根據(jù)分析，這個(gè)星球超過(guò)這個(gè)門檻的唯一兩個(gè)問(wèn)題是氣候變化和生物多樣性的喪失。

例如，在美國(guó)，來(lái)自肥料的過(guò)量氮?dú)庾罱K流入河流和水道，流入墨西哥灣。藻類在氮?dú)馍蠉{谷，隨著藻類的繁殖而增殖。但是當(dāng)藻類死亡時(shí)，引起分解的細(xì)菌會(huì)吞噬水中的所有氧氣，從而產(chǎn)生所謂的死區(qū)，從而殺死海洋生物。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣協(xié)會(huì)估計(jì)，墨西哥灣的死亡區(qū)域跨越大約新澤西州的面積。

硝酸鹽也可以以有毒水平滲入供水系統(tǒng)。張說(shuō)，一些氮可以作為一氧化二氮(兩個(gè)氮分子與氧分子結(jié)合)釋放到空氣中，這會(huì)耗盡臭氧層，是導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體。

肥料本身的生產(chǎn)也是一個(gè)產(chǎn)生溫室氣體的能源密集型過(guò)程。根據(jù)加州大學(xué)伯克利分校農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)家大衛(wèi)·齊爾伯曼的說(shuō)法，化肥價(jià)格昂貴，浪費(fèi)它可能在全球造成數(shù)十億美元的損失。

隨著聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)到2050年人口將接近100億，對(duì)食物和氮的需求只會(huì)加劇。

這種粘糊糊的玉米可以救援嗎?

科學(xué)家在8月7日發(fā)表于PLOS生物學(xué)的一項(xiàng)新研究中描述了Sierra Mixe巨型墨西哥玉米上的粘液，它為一群固定氮?dú)獾募?xì)菌提供食物。雖然這種粘液覆蓋的玉米讓一些科學(xué)家感到興奮，但它可能不會(huì)馬上解決任何問(wèn)題。“這種玉米當(dāng)然對(duì)它生長(zhǎng)的社區(qū)非常有效，但它并不直接適用于傳統(tǒng)的玉米生產(chǎn)系統(tǒng)，”Bennett說(shuō)。首先，成熟需要8個(gè)月 - 比傳統(tǒng)玉米的三個(gè)月要長(zhǎng)得多。

研究人員測(cè)得玉米固定在自身氮的29%至82%之間。但丹尼森說(shuō)，與農(nóng)民對(duì)田地的需求相比，這個(gè)數(shù)量可以忽略不計(jì)。

盡管如此，研究它可能有助于研究人員設(shè)計(jì)或培育固氮玉米 - 無(wú)論是單獨(dú)使用還是在細(xì)菌的幫助下 - 都能養(yǎng)活世界。丹尼森說(shuō)，挑戰(zhàn)是巨大的。

為了固定氮，細(xì)菌需要大量的能量，這需要氧氣。但氧氣會(huì)分解微生物依賴固定氮的酶。豆科植物通過(guò)將細(xì)菌容納在根部的結(jié)核內(nèi)來(lái)解決問(wèn)題，植物可以控制微生物接收多少氧氣。在玉米中設(shè)計(jì)或開發(fā)這種能力是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。丹尼森說(shuō)：“在我的一生中，我看不到任何可能發(fā)生的事情。”

貝內(nèi)特更樂(lè)觀。生物技術(shù)公司，農(nóng)業(yè)公司，初創(chuàng)公司甚至蓋茨基金會(huì)都在開發(fā)固氮作物方面投入了大量資源。“我非常有信心所有這些方法將在五年或十年內(nèi)以某種方式融合，”他說(shuō)。“在傳統(tǒng)的玉米作物中，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)顯著的固氮水平。”

如果這種技術(shù)確實(shí)成功，并且它也適用于其他作物，那么收益將是巨大的。Zilberman說(shuō)，負(fù)擔(dān)不起肥料的貧困農(nóng)民，例如南部非洲的農(nóng)民，能夠?qū)a(chǎn)量提高到25億美元至72億美元。他說(shuō)，在最樂(lè)觀的情況下，全面采用可以在全球范圍內(nèi)節(jié)省170億至700億美元的成本。

“這項(xiàng)技術(shù)將具有革命性，”他說(shuō)。“這對(duì)農(nóng)民有利，對(duì)消費(fèi)者有利，對(duì)環(huán)境有益。”

與此同時(shí)，農(nóng)民可以采取策略，只在真正需要的時(shí)間和地點(diǎn)提供肥料。張說(shuō)，作為所謂的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一部分，傳感器和無(wú)人機(jī)等新技術(shù)正在幫助農(nóng)民提高效率。