Hệ thống “Lá bionic” có thể sản xuất phân bón

Kết quả công trình nghiên cứu đã được trình bày tại Hội nghị và Triển lãm quốc gia lần thứ 253 của Hiệp hội Hoá học Hoa Kỳ (ACS).

Các giống cây được tưới phân bón được sinh ra bởi lá nhân tạo phát triển lớn gấp hơn 1,5 lần so sánh với nhóm cây được canh tác theo biện pháp tự nhiên (hình minh họa).

Vào nửa cuối của thế kỷ 20, việc dùng rộng rãi phân bón hóa học được coi là nhân tố góp thêm phần gây bùng nổ cuộc cách mạng thuộc lĩnh vực nông nghiệp còn gọi là “cuộc cách mạng xanh”, giúp xử lý vấn đề thiếu lương thực cũng như ngăn ngừa cuộc khủng hoảng lương thực toàn thế giới. Tuy vậy, ngày nay, cùng với thực trạng dân số ngày càng nâng cao thì sức ép nhằm phục vụ nhu cầu về lương thực thực phẩm cho người dân cũng được tăng lên đáng kể. Trong nỗ lực nhằm duy trì và thúc đẩy các thành tựu mà cuộc cách mạng xanh mang lại, những nhà nghiên cứu đã phát triển một trong các loại lá “bionic” có thể dùng vi khuẩn, ánh sáng mặt trời, nước và không khí để sản xuất phân bón hữu cơ cho cây trồng.

TS Daniel Nocera – người đứng đầu nghiên cứu cho thấy: chúng ta chỉ có thể thực thi sản xuất và phân phối phân bón khi những điều kiện về quy trình để sản xuất tập trung cũng như cơ sở hạ tầng quy mô lớn được phục vụ đầy đủ. Tuy vậy, ở các nơi đời sống người dân còn gặp nhiều khó khăn như ở các ngôi làng nghèo tại Ấn Độ thì lại khác. Những nước nghèo trên toàn cầu không phải khi nào cũng có đầy đủ những nguồn lực để phục vụ nhu cầu cấp thiết để phát triển hệ thống sản xuất và hệ thống phân phối phân bón.

Cuộc cách mạng xanh giai đoạn đầu trong các năm 1960 đã chứng kiến sự nâng cao nhu cầu dùng phân bón đối với những giống cây lương thực chính như lúa gạo và lúa mì, sản lượng nông nghiệp nhờ đó cũng được tăng lên gấp hai. Theo Tổ chức nông lương Liên Hiệp Quốc (U.N.), cho dù được cho rằng nguyên do dẫn tới một vài vấn đề rất nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường, nhưng sự chuyển đổi này cũng đã góp thêm phần cứu đói cũng như nâng cấp đời sống của hàng triệu người dân nghèo, nhất là ở những nước châu Á. Tuy vậy, ở trên trong thực tế, dân số thế giới vẫn đang trên đà phát triển và được dự báo sẽ được tăng lên tới hơn 2 tỷ người vào năm 2050. Sự tăng trưởng này đa phần diễn ra ở một vài nước nghèo nhất, đề ra một loạt thách thức toàn thế giới mà người dân có tiềm ẩn nguy cơ phải đối diện, do đó, yêu cầu phải có các giải pháp, phương thức đa dạng. Những chuyên gia cho thấy một trong các biện pháp sẽ là thực thi nâng cao năng suất cây trồng mà dường như không cần tránh phát quang thêm đất để trồng trọt.

Một trong các sáng tạo đóng góp vào thành công trong cuộc cách mạng xanh kế tiếp là hệ thống lá nhân tạo có thể sản xuất phân bón – công trình nghiên cứu của TS. Nocera vào năm 2011/ Lá nhân tạo khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời có thể mô phỏng tiến trình quang hợp ở lá cây tự nhiên, phân tách những phân tử nước thành hyđrô và ôxy. Ở phiên bản mới, TS. Nocera cùng cộng sự đã phối hợp chất xúc tác tách nước với một trong các loại vi khuẩn có tên gọi Ralstonia eutropha, tiêu thụ khí hydro và lấy khí lấy những -bon điôxít (CO2) từ không khí chung quanh để sinh ra nhiên liệu lỏng.Tháng 6 năm ngoái, nhóm nghiên cứu của Nocera đã báo cáo việc chuyển đổi dùng từ những chất xúc tác niken, molybdenum, kẽm vốn có thể diệt trừ vi khuẩn sang hợp chất coban và phosphorus gần gũi với vi khuẩn. Hệ thống mới cung ứng nhiên liệu sinh học được sản xuất từ nguồn nguyên vật liệu sinh khối và nhiên liệu lỏng với hiệu suất vượt trội so sánh với tiến trình quang hợp tự nhiên.

Nocera cho thấy: những nhiên liệu chỉ là bước giai đoạn đầu. Ngày nay, chúng tôi đưa vào hệ thống mới một trong các loại vi khuẩn khác có thể hấp thu nguồn dinh dưỡng nitơ trong không khí để sản xuất ra phân bón nhân tạo với hiệu suất cao hơn.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu của Nocera bổ sung thêm vi khuẩn Xanthobacter vào hệ thống. Vi khuẩn này cố định lượng hiđrô thu được từ lá nhân tạo, phối hợp với việc lấy những -bon điôxít từ khí quyển để sinh ra một trong các loại chất dẻo sinh học. Chất này được lưu giữ phía bên trong vi khuẩn như một nguồn nhiên liệu.

Nocera nhấn mạnh: loại vi khuẩn mới có thể tổng hợp ánh nắng mặt trời để sinh ra chất dẻo sinh học. Tiếp theo, chúng lấy nitơ từ không khí và dùng chất dẻo sinh học, về cơ bản là hyđrô cố định, để thúc đẩy chu kỳ định hình sản xuất amôniac để bón phân cho cây trồng.

Nhóm nghiên cứu đã phân tích lượng amôniac sản xuất được từ hệ thống lá nhân tạo sau khi triển khai thực nghiệm trên cây củ cải trong năm chu kỳ trồng trọt. Những chuyên gia nhận định rằng các giống cây được tưới phân bón được sinh ra bởi lá nhân tạo phát triển lớn gấp hơn 1,5 lần so sánh với nhóm cây được canh tác theo biện pháp tự nhiên. Nocera cam kết đây là biểu hiện cho biết trong tương lai không xa, công nghệ mới hoàn toàn có thể được vận dụng ở Ấn Độ hoặc tiểu vùng Sahara, châu Phi giúp nâng cấp năng suất cây trồng bằng chính loại phân bón họ tự sản xuất.