Công nghệ trồng cây trong bóng tối

Các kỹ sư sinh học đề xuất một phương pháp sản xuất thực phẩm mới táo bạo có thể thay đổi đáng kể ngành nông nghiệp, giúp trồng trọt trở nên hiệu quả, bền vững và dễ điều chỉnh hơn đối với những môi trường như vũ trụ. Với tên gọi "điện nông", hệ thống này sẽ thay thế quang hợp truyền thống (quá trình chỉ biến đổi khoảng 1% năng lượng ánh sáng hấp thụ được thành năng lượng hóa học ở cây trồng) bằng phản ứng biến đổi hiệu quả carbon dioxide (CO2) thành phân tử hữu cơ mà cây trồng có thể sử dụng như thức ăn, Interesting Engineering hôm 23/10 đưa tin.

"Do điện nông không phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và cung cấp hiệu quả lớn hơn trồng trọt truyền thống, nó có thể đóng vai trò như một phương pháp hữu ích để sản xuất thực phẩm bổ sung khi cần", tác giả nghiên cứu Feng Jiao chia sẻ. "Trong tình hình biến đổi khí hậu toàn cầu đang ảnh hưởng tới nông nghiệp, những công nghệ sản xuất thực phẩm tiên tiến đang trở nên ngày càng quan trọng để ổn định thị trường thực phẩm và hỗ trợ dân số tăng lên".

Quang hợp, quá trình cho phép sự sống tồn tại trên Trái Đất thông qua biến đổi ánh sáng Mặt Trời thành năng lượng hóa học ở thực vật, cực kỳ kém hiệu quả. Theo các nhà nghiên cứu, chỉ có một phần nhỏ ánh sáng Mặt Trời mà cây hấp thụ (khoảng 1%) được biến đổi thành năng lượng có thể sử dụng. Trong khi nhu cầu thực phẩm gia tăng, đất trồng trọt hạn chế và khủng hoảng khí hậu đang đến gần, nâng cao độ hiệu quả này là vấn đề thiết yếu.

Ở điện nông, các tấm pin quang điện sẽ được sử dụng để cung cấp năng lượng cho phản ứng hóa học giữa CO2 và nước, tạo ra acetate, một phân tử liên quan tới axit acetic (thành phần chính trong dấm). Cây trồng sẽ được biến đổi gene để sử dụng acetate như một nguồn năng lượng cơ bản thay vì phụ thuộc vào quang hợp. Nếu hệ thống này được ứng dụng ở quy mô lớn, nó có thể giảm 94% diện tích đất cần thiết cho nông nghiệp, theo ước tính của nhóm nghiên cứu.

Robert Jinkerson, kỹ sư sinh vật học ở Đại học California, Riverside, đồng tác giả nghiên cứu, đánh giá công nghệ này là một bước tiến lớn. "Nếu không cần trồng cây với ánh sáng Mặt Trời nữa, chúng ta có thể tách khỏi môi trường và trồng thực phẩm ở môi trường kiểm soát trong nhà", ông nói.

Công nghệ trên có thể chuyển hướng canh tác sang những trang trại thẳng đứng nhiều tầng trong nhà, nơi năng lượng mặt trời được khai thác bên ngoài tòa nhà để thúc đẩy cây trồng phát triển bên trong. Theo Jiao, phiên bản điện nông hiện nay đạt hiệu suất biến đổi năng lượng khoảng 4%, cao gấp 4 lần quang hợp. Do đó, lượng khí thải CO2 gắn liền với sản xuất thực phẩm trở nên nhỏ hơn nhiều.

Phương pháp có tiềm năng giải quyết một số vấn đề tồn đọng của nông nghiệp truyền thống như đòi hỏi lượng nước, phân bón và đất đai lớn để trồng hoa màu. Điện nông sẽ sản xuất thực phẩm trong môi trường kiểm soát, cho phép quản lý tài nguyên chính xác hơn và giảm tác động môi trường của trồng trọt. Ngoài ra, phương pháp có thể giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu thông qua tách rời sản xuất thực phẩm với các mô hình thời tiết và thay đổi theo mùa.

Để đạt mục tiêu, nhóm nghiên cứu phát triển cây trồng biến đổi gene để "ăn" acetate. Thực vật tự nhiên có quy trình trao đổi chất giúp chúng phân hủy thức ăn lưu trữ ở hạt trong thời gian nảy mầm. Quy trình này bị ngưng lại ngay khi thực vật bắt đầu sử dụng quang hợp. Nhóm kỹ sư sinh học hướng tới tái kích hoạt quy trình ở cây đã lớn để chúng có thể sử dụng acetate như một nguồn năng lượng. Dù nghiên cứu ban đầu tập trung vào cà chua và rau diếp, nhóm nghiên cứu lên kế hoạch mở rộng sang hoa màu giàu calo như cây sắn, khoai lang và ngũ cốc. Dù nghiên cứu vẫn ở giai đoạn đầu, các tổ chức khác như nấm, nấm men và tảo trong tự nhiên đã sử dụng acetate làm nguồn năng lượng. Điều này có nghĩa công nghệ có thể ứng dụng thương mại cho những tổ chức này sớm hơn nhiều.