Hệ thống “Lá bionic” có khả năng 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 loại cây được tưới phân bón được tạo ra bởi lá nhân tạo phát triển to gấp hơn 1,5 lần so với nhóm cây được trồng theo phương pháp tự nhiên (hình minh họa).

Vào nửa cuối của thế kỷ 20, việc sử dụng rộng rãi phân bón hóa học được coi là yếu tố góp phần gây bùng nổ cuộc cách mạng trong lĩnh vực nông nghiệp hay còn gọi là "cuộc cách mạng xanh", giúp giải quyết vấn đề thiếu lương thực cũng như ngăn chặn cuộc khủng hoảng lương thực toàn cầu. Tuy nhiên, hiện nay, cùng với thực trạng dân số ngày càng gia tăng thì áp lực nhằm đáp ứng nhu cầu về lương thực thực phẩm cho người dân cũng tăng lên đáng kể. Trong nỗ lực nhằm duy trì và thúc đẩy những thành tựu mà cuộc cách mạng xanh đem lại, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại lá "bionic" có khả năng sử dụng 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 biết: chúng ta chỉ có thể thực hiện sản xuất và phân phối phân bón khi các điều kiện về quy trình sản xuất tập trung cũng như cơ sở hạ tầng quy mô lớn được đáp ứng đầy đủ. Tuy nhiên, ở những nơi đời sống người dân còn gặp nhiều khó khăn như ở những ngôi làng nghèo tại Ấn Độ thì lại khác. Các nước nghèo trên thế giới không phải lúc nào cũng có đầy đủ các nguồn lực để đáp ứng nhu cầu cần thiết để phát triển hệ thống sản xuất và hệ thống phân phối phân bón.

Cuộc cách mạng xanh đầu tiên trong những năm 1960 đã chứng kiến sự gia tăng nhu cầu sử dụng phân bón đối với các giống cây lương thực chính như lúa gạo và lúa mì, sản lượng nông nghiệp nhờ đó cũng tăng lên gấp đôi. Theo Tổ chức nông lương Liên Hiệp Quốc (U.N.), mặc dù được cho là nguyên nhân dẫn đến một số vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường, nhưng sự chuyển đổi này cũng đã góp phần cứu đói cũng như cải thiện đời sống của hàng triệu người dân nghèo, đặc biệt là ở các nước châu Á. Tuy nhiên, trên thực tế, dân số thế giới vẫn đang trên đà phát triển và được dự đoán sẽ tăng lên tới hơn 2 tỷ người vào năm 2050. Sự tăng trưởng này chủ yếu diễn ra ở một số nước nghèo nhất, đặt ra một loạt thách thức toàn cầu mà người dân có nguy cơ phải đối mặt, vì vậy, đòi hỏi phải có những biện pháp, cách thức đa dạng. Các chuyên gia cho biết một trong những giải pháp sẽ là thực hiện tăng năng suất cây trồng mà không cần tránh phát quang thêm đất để canh tác.

Một trong những phát minh đóng góp vào thành công trong cuộc cách mạng xanh kế tiếp là hệ thống lá nhân tạo có khả năng 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 khả năng mô phỏng quá trình quang hợp ở lá cây tự nhiên, phân tách các phân tử nước thành hyđrô và ôxy. Ở phiên bản mới, TS. Nocera cùng cộng sự đã kết hợp chất xúc tác tách nước với một loại vi khuẩn có tên gọi Ralstonia eutropha, tiêu thụ khí hydro và lấy khí lấy các-bon điôxít (CO2) từ không khí xung quanh để tạo ra nhiên liệu lỏng.Tháng 6 năm ngoái, nhóm nghiên cứu của Nocera đã báo cáo việc chuyển đổi sử dụng từ các chất xúc tác niken, molybdenum, kẽm vốn có khả năng tiêu diệt vi khuẩn sang hợp chất coban và phosphorus thân thiện với vi khuẩn. Hệ thống mới cung cấp nhiên liệu sinh học được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối và nhiên liệu lỏng với hiệu suất vượt trội so với quá trình quang hợp tự nhiên.

Nocera cho biết: các nhiên liệu chỉ là bước đầu tiên. Hiện nay, chúng tôi đưa vào hệ thống mới một loại vi khuẩn khác có khả năng hấp thụ 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, kết hợp với việc lấy các-bon điôxít từ khí quyển để tạo ra một loại chất dẻo sinh học. Chất này được lưu giữ bên trong vi khuẩn như một nguồn nhiên liệu.

Nocera nhấn mạnh: loại vi khuẩn mới có khả năng tổng hợp ánh nắng mặt trời để tạo ra chất dẻo sinh học. Tiếp theo, chúng lấy nitơ từ không khí và sử dụng 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 tiến hành thực nghiệm trên cây củ cải trong năm chu kỳ canh tác. Các chuyên gia nhận định rằng các loại cây được tưới phân bón được tạo ra bởi lá nhân tạo phát triển to gấp hơn 1,5 lần so với nhóm cây được trồng theo phương pháp tự nhiên. Nocera khẳng định đây chính là dấu hiệu cho thấy trong tương lai không xa, công nghệ mới hoàn toàn có thể được áp dụng ở Ấn Độ hoặc tiểu vùng Sahara, châu Phi giúp cải thiện năng suất cây trồng bằng chính loại phân bón họ tự sản xuất.