Ngô Xuân Thành✔
Thành viên nổi tiếng
Một số trang trại ở Minnesota, Hoa Kỳ, đang sử dụng vi sinh vật sống thay vì phân bón hóa học để trồng ngô. Bằng cách bón phân vi sinh cho khoảng 8 km vuông ruộng ngô, họ đã giảm lượng nitơ cung cấp từ phân bón hóa học thông thường khoảng 36 tấn. Mặc dù giảm lượng phân bón hóa học, năng suất ngô không hề giảm. Không giống như phân bón hóa học bị rửa trôi theo nước mưa, vi sinh vật bám trên rễ cây có thể tiếp tục cung cấp nitơ ngay cả khi mưa lớn.
Các công nghệ hướng đến thay đổi sự phụ thuộc lâu đời của nông nghiệp vào phân bón hóa học đang nổi lên. Những đổi mới này giảm thiểu việc sử dụng phân bón hóa học bằng cách tận dụng vi khuẩn chuyển hóa nitơ trong khí quyển thành dạng mà cây trồng có thể hấp thụ được. Cái gọi là “phân bón sống” đang thu hút sự chú ý như một giải pháp tiềm năng để giảm phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp.
Vi khuẩn biến đổi gen thay thế phân bón hóa học
Nitơ là một chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của cây trồng, được sử dụng trong quá trình sản xuất protein và chất diệp lục. Mặc dù khoảng 78% khí quyển Trái đất là nitơ, nhưng các loại cây trồng chính như ngô, lúa mì và gạo không thể trực tiếp sử dụng nitơ trong khí quyển. Điều này đã khiến nông dân phải dựa vào phân bón hóa học chứa nitơ để hỗ trợ sự phát triển của cây trồng.
Vi khuẩn được sử dụng trong các cánh đồng ngô ở Minnesota được phát triển bởi công ty sinh học Pivot Bio của Mỹ. Những vi khuẩn này chuyển hóa nitơ trong khí quyển thành dạng mà cây trồng có thể hấp thụ. Pivot Bio tuyên bố công nghệ của họ có thể thay thế 20-25% lượng phân bón nitơ hóa học cần thiết cho việc trồng trọt. Công ty lập luận rằng điều này có thể làm giảm lượng tiêu thụ năng lượng khổng lồ và lượng khí thải nhà kính liên quan đến sản xuất phân bón hóa học. Phân bón sinh học của họ đã được áp dụng trên hàng trăm nghìn km vuông đất nông nghiệp ở Mỹ trong 10 năm qua. Các thử nghiệm cũng đang được tiến hành ở Canada, Argentina, Kenya và Brazil.
Vi khuẩn trước tiên sinh sôi nảy nở, sau đó tạo ra nitơ
Một công ty công nghệ sinh học khác của Mỹ, SwitchBioWorks, đã phát triển công nghệ để kiểm soát thời điểm sản xuất nitơ của vi khuẩn. Vi khuẩn trước tiên phải sinh sôi đủ trên rễ cây trồng trước khi sản xuất nitơ.
Nếu vi khuẩn sản sinh nitơ ngay lập tức, chúng sẽ thiếu năng lượng cần thiết cho sự phát triển và sinh sản, khiến chúng khó tồn tại trong môi trường canh tác thực tế. Để giải quyết vấn đề này, SwitchBioWorks đã thiết kế các loại vi khuẩn để chúng bám vào và sinh sôi nảy nở trên rễ ngô trước, sau đó mới bắt đầu quá trình cố định nitơ. Công ty hiện đang tiến hành thử nghiệm thực địa các loại vi khuẩn biến đổi gen trên các cánh đồng ngô khắp vùng Trung Tây Hoa Kỳ. Vào tháng 9, công ty cũng đã nhận được sự chấp thuận cho việc thử nghiệm sử dụng tại Brazil.
Cần 100 tỷ vi khuẩn cho mỗi cây ngô
Để phân bón sinh học có thể thay thế hoàn toàn phân bón hóa học, khả năng sản xuất nitơ của vi khuẩn và khả năng bám rễ ổn định của chúng là rất quan trọng. Trong một bài bình luận được công bố ngày 10 tháng 11 trên tạp chí *Nature Biotechnology*, một nhóm nghiên cứu quốc tế do Đại học Oxford dẫn đầu đã ước tính rằng việc thay thế một nửa lượng phân bón nitơ hóa học được sử dụng cho ngô sẽ cần khoảng 100 tỷ vi khuẩn cố định nitơ trên mỗi cây. Những vi khuẩn này phải liên tục cung cấp nitơ cho cây trong khoảng 50 ngày.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng việc chỉ tăng cường khả năng sản xuất nitơ của một chủng vi khuẩn duy nhất sẽ không đạt được mục tiêu này. Họ nhấn mạnh sự cần thiết phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn thích nghi với các môi trường khác nhau và điều chỉnh các công tắc gen để vi khuẩn chỉ bắt đầu sản xuất nitơ sau khi nhân lên đủ số lượng cần thiết.
Các nỗ lực cũng đang được tiến hành để giảm việc sử dụng phân bón hóa học bằng cách cải tiến chính bản thân cây trồng. Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Nông nghiệp Quốc tế của Nhật Bản đã phát triển một giống lúa mì tiết ra chất ức chế sự thất thoát nitơ từ rễ. Giống lúa mì này ngăn chặn sự chuyển hóa amoni trong đất thành nitrat, chất dễ bị mất đi qua nước mưa. Phương pháp này giúp duy trì năng suất đồng thời giảm việc sử dụng phân bón nitơ. Không giống như các phương pháp dựa trên vi khuẩn cung cấp nitơ mới, chiến lược này tập trung vào việc bảo tồn nitơ hiện có trong đất.
Cần có thêm các nghiên cứu xác minh để xác định mức độ tin cậy của phân bón sinh học trong việc thay thế phân bón hóa học trên thực tế canh tác. Điều này là do khả năng sinh trưởng và cung cấp nitơ của vi khuẩn có thể khác nhau tùy thuộc vào điều kiện đất, khí hậu và loại cây trồng. Một số nhà phê bình cho rằng việc chỉ duy trì năng suất cây trồng bằng phân bón sinh học không chứng minh được chúng có thể thay thế phân bón hóa học. Cuối cùng, việc chứng minh lượng nitơ trong khí quyển mà vi khuẩn có thể cố định và cung cấp cho cây trồng vẫn là thách thức chính để thương mại hóa phân bón sinh học.
Các công nghệ hướng đến thay đổi sự phụ thuộc lâu đời của nông nghiệp vào phân bón hóa học đang nổi lên. Những đổi mới này giảm thiểu việc sử dụng phân bón hóa học bằng cách tận dụng vi khuẩn chuyển hóa nitơ trong khí quyển thành dạng mà cây trồng có thể hấp thụ được. Cái gọi là “phân bón sống” đang thu hút sự chú ý như một giải pháp tiềm năng để giảm phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp.
Vi khuẩn biến đổi gen thay thế phân bón hóa học
Nitơ là một chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của cây trồng, được sử dụng trong quá trình sản xuất protein và chất diệp lục. Mặc dù khoảng 78% khí quyển Trái đất là nitơ, nhưng các loại cây trồng chính như ngô, lúa mì và gạo không thể trực tiếp sử dụng nitơ trong khí quyển. Điều này đã khiến nông dân phải dựa vào phân bón hóa học chứa nitơ để hỗ trợ sự phát triển của cây trồng.
Vi khuẩn được sử dụng trong các cánh đồng ngô ở Minnesota được phát triển bởi công ty sinh học Pivot Bio của Mỹ. Những vi khuẩn này chuyển hóa nitơ trong khí quyển thành dạng mà cây trồng có thể hấp thụ. Pivot Bio tuyên bố công nghệ của họ có thể thay thế 20-25% lượng phân bón nitơ hóa học cần thiết cho việc trồng trọt. Công ty lập luận rằng điều này có thể làm giảm lượng tiêu thụ năng lượng khổng lồ và lượng khí thải nhà kính liên quan đến sản xuất phân bón hóa học. Phân bón sinh học của họ đã được áp dụng trên hàng trăm nghìn km vuông đất nông nghiệp ở Mỹ trong 10 năm qua. Các thử nghiệm cũng đang được tiến hành ở Canada, Argentina, Kenya và Brazil.
Vi khuẩn trước tiên sinh sôi nảy nở, sau đó tạo ra nitơ
Một công ty công nghệ sinh học khác của Mỹ, SwitchBioWorks, đã phát triển công nghệ để kiểm soát thời điểm sản xuất nitơ của vi khuẩn. Vi khuẩn trước tiên phải sinh sôi đủ trên rễ cây trồng trước khi sản xuất nitơ.
Nếu vi khuẩn sản sinh nitơ ngay lập tức, chúng sẽ thiếu năng lượng cần thiết cho sự phát triển và sinh sản, khiến chúng khó tồn tại trong môi trường canh tác thực tế. Để giải quyết vấn đề này, SwitchBioWorks đã thiết kế các loại vi khuẩn để chúng bám vào và sinh sôi nảy nở trên rễ ngô trước, sau đó mới bắt đầu quá trình cố định nitơ. Công ty hiện đang tiến hành thử nghiệm thực địa các loại vi khuẩn biến đổi gen trên các cánh đồng ngô khắp vùng Trung Tây Hoa Kỳ. Vào tháng 9, công ty cũng đã nhận được sự chấp thuận cho việc thử nghiệm sử dụng tại Brazil.
Cần 100 tỷ vi khuẩn cho mỗi cây ngô
Để phân bón sinh học có thể thay thế hoàn toàn phân bón hóa học, khả năng sản xuất nitơ của vi khuẩn và khả năng bám rễ ổn định của chúng là rất quan trọng. Trong một bài bình luận được công bố ngày 10 tháng 11 trên tạp chí *Nature Biotechnology*, một nhóm nghiên cứu quốc tế do Đại học Oxford dẫn đầu đã ước tính rằng việc thay thế một nửa lượng phân bón nitơ hóa học được sử dụng cho ngô sẽ cần khoảng 100 tỷ vi khuẩn cố định nitơ trên mỗi cây. Những vi khuẩn này phải liên tục cung cấp nitơ cho cây trong khoảng 50 ngày.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng việc chỉ tăng cường khả năng sản xuất nitơ của một chủng vi khuẩn duy nhất sẽ không đạt được mục tiêu này. Họ nhấn mạnh sự cần thiết phải sử dụng nhiều loài vi khuẩn thích nghi với các môi trường khác nhau và điều chỉnh các công tắc gen để vi khuẩn chỉ bắt đầu sản xuất nitơ sau khi nhân lên đủ số lượng cần thiết.
Các nỗ lực cũng đang được tiến hành để giảm việc sử dụng phân bón hóa học bằng cách cải tiến chính bản thân cây trồng. Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Nông nghiệp Quốc tế của Nhật Bản đã phát triển một giống lúa mì tiết ra chất ức chế sự thất thoát nitơ từ rễ. Giống lúa mì này ngăn chặn sự chuyển hóa amoni trong đất thành nitrat, chất dễ bị mất đi qua nước mưa. Phương pháp này giúp duy trì năng suất đồng thời giảm việc sử dụng phân bón nitơ. Không giống như các phương pháp dựa trên vi khuẩn cung cấp nitơ mới, chiến lược này tập trung vào việc bảo tồn nitơ hiện có trong đất.
Cần có thêm các nghiên cứu xác minh để xác định mức độ tin cậy của phân bón sinh học trong việc thay thế phân bón hóa học trên thực tế canh tác. Điều này là do khả năng sinh trưởng và cung cấp nitơ của vi khuẩn có thể khác nhau tùy thuộc vào điều kiện đất, khí hậu và loại cây trồng. Một số nhà phê bình cho rằng việc chỉ duy trì năng suất cây trồng bằng phân bón sinh học không chứng minh được chúng có thể thay thế phân bón hóa học. Cuối cùng, việc chứng minh lượng nitơ trong khí quyển mà vi khuẩn có thể cố định và cung cấp cho cây trồng vẫn là thách thức chính để thương mại hóa phân bón sinh học.
