Dân số địa cầu tăng lên 10 tỷ, cung lương thực chỉ có thể gặp cầu khi tăng gấp đôi vào năm 2050. Tiến bộ trong công nghệ nông nghiệp – biến đổi gien cùng với những đa dạng về giống cây trồng mới và kỹ thuật quản lý đất – sẽ góp phần giải quyết nhu cầu đang tăng.
Nhưng những công nghệ như thế đòi hỏi một sự nâng cao sản lượng phân bón đầy kịch tính, một quy trình thâm dụng năng lượng do nguồn nhiên liệu hoá thạch và dựa trên một hạ tầng sản xuất mạnh mẽ: các nhà máy nối kết với mạng lưới đường sắt và đường bộ để phân phối.
Vấn đề với kịch bản đó nằm ở chỗ phần lớn nhu cầu sẽ xuất phát từ thế giới đang phát triển, thường là ở những vùng thiếu cả nhà máy lẫn mạng lưới phân phối hoá nông. Để ứng phó, các nhà khoa học ở ĐH Harvard đặt ra câu hỏi: điều gì xảy ra nếu đất tự làm phì nhiêu cho đất, thông qua vi khuẩn để nâng cao năng suất cây trồng? Và điều gì xảy ra nếu các vi khuẩn đó tự thân chúng tăng trưởng bền vững trong những lò phản ứng sinh học nhỏ gọn chạy bằng nắng trời?
Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Kelsey Sakimoto làm việc ở trung tâm Môi trường ĐH Harvard, đang cùng với nhà hoá học Daniel Nocera và nhà sinh học tổng hợp Pamela Silver tinh chỉnh “chiếc lá phỏng sinh” (bionic leaf) để giúp tạo ra một kỷ nguyên mới của nông nghiệp phân phối, làm lợi cho cả những nông gia ở xa các mạng lưới phân phối và xa nguồn cung phân bón.
Lá phỏng sinh là kết quả của chiếc lá nhân tạo của Nocera; lá này tách một cách hiệu quả nước thành khí hydro và oxy bằng cách ghép đôi silicon – vật liệu làm tấm pin mặt trời – với các lớp phủ xúc tác. Ảnh: TL
Lá phỏng sinh là kết quả của chiếc lá nhân tạo của Nocera; lá này tách một cách hiệu quả nước thành khí hydro và oxy bằng cách ghép đôi silicon – vật liệu làm tấm pin mặt trời – với các lớp phủ xúc tác. Khí hydro có thể lưu trữ tại chỗ và được dùng để điều khiển các tế bào nhiên liệu, tạo ra một cách lưu trữ và sử dụng năng lượng bắt nguồn từ mặt trời.
Sau khi phát triển chiếc lá nhân tạo, Nocera, GS năng lượng khoa hoá và hoá sinh cùng với Silver, GS hoá sinh và sinh học hệ thống trường y Harvard khai thác những công dụng mới của công nghệ. Phối hợp lá nhân tạo với vi khuẩn biến đổi gien ăn khí hydro, cả hai sản sinh ra “lá phỏng sinh” tạo thành nhiên liệu lỏng như isobutanol.
Nghiên cứu của Sakimoto, được tiến hành cùng Nocera, Silver, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Chong Liu, và nghiên cứu sinh tiến sĩ Brendan Colon, đã được mô tả trong Proceedings of the National Academy of Sciences (Kỷ yếu của viện Hàn lâm khoa học quốc gia) hồi tháng 6.
Phương pháp của nhóm liên quan đến khuẩn đất Xanthobacter autotrophicus tiêu thụ hydrogen sản sinh bởi phản ứng tách nước của lá phỏng sinh và thu nitro từ khí quyển để sản xuất amoniac và phosphorous, hai loại phân chủ lực.
Công trình của Sakimoto “đã đưa lá phỏng sinh lên một tầm mới”, Silver nói. “Kelsey có con mắt tinh tường đối với các dự án tác động cao và đã hoàn thành một cách chắc chắn một phần quan trọng của công trình tại đây”.
Có hai cách để ứng dụng hệ thống mới. Một là đơn giản để cho vi khuẩn ăn vào và tái sản xuất cho ra một chất lỏng hơi vàng đầy khuẩn có thể dùng để phun trên cánh đồng. Trong các thí nghiệm trong nhà kính tại Arnold Arboretum, củ cải đã tăng trưởng bằng phân X. autotrophicus lớn gấp hai lần so với củ cải không bón phân.
“Quả là đáng ngạc nhiên, đó là một loại phân hoàn toàn có hiệu lực”, Sakimoto nói. “Chúng được cấy rất đơn giản và ứng dụng rất đơn giản”.
Phương pháp khác là thêm một hợp chất khiến cho vi khuẩn tiết ra amoniac trực tiếp và có thể dùng cách tương tự như lối bón phân thường quy.
Sakimoto cho rằng công dụng ban đầu của dự án – được nhân rộng bởi các cộng sự kỹ thuật hoá học ở Ấn Độ – là cung cấp phân bón cho các trang trại nhỏ và các cộng đồng ở vùng nông thôn xa mà thiếu một hạ tầng tập trung, to lớn.
Lúc này, ông cho hay, khả năng tạo ra amoniac trực tiếp có thể hấp dẫn các công ty hoá nông như là một cải tiến về phương pháp nổi trội, có tên là quá trình Haber-Bosch, do hai nhà hoá học Đức phát triển hồi đầu thế kỷ 20, như là một cách chuyển đổi nitrogen trong khí quyển thành amoniac. Quá trình hầu như dựa trên năng lượng hoá thạch, chỉ chiếm chừng 1% sản lượng toàn cầu.
“Điều tôi cảm thấy rất phấn chấn trong nghiên cứu là: chúng tôi đã làm việc này trong thế giới phát triển với hạ tầng dày đặc không có nhu cầu về hạ tầng”, Nocera nói. “Các bạn có thể chỉ dùng nắng, không khí và nước, và các bạn có thể làm điều đó ngay sau hè. Các bạn có thể góp phần giải quyết nhu cầu thực phẩm đang tăng của thế giới [bằng công nghệ lâu nay] – tất cả các bạn có thể làm là xây dựng các nhà máy Haber-Bosch to lớn hơn. Và các bạn phải xây dựng đường sắt và toàn bộ hệ phân phối. Và điều đó không đem lại cho người nghèo trong thế giới phát triển nơi mà dân số gia tăng nhiều nhất”.
Sakimoto, năm thứ hai trong chương trình nghiên cứu sinh Ziff Environmental, hiện nay đang khai thác cách nào làm cho hệ thống lớn hơn nữa trong các điều kiện thế giới thực, như làm cách nào dùng nước và các nguồn nước xảy ra tự nhiên trong lò phản ứng sinh học tác động đến hiệu suất.