Công nghệ nano có thể giúp chúng ta gia tăng sản lượng lương thực với ít năng lượng và nước hơn

Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Công nghệ nano có thể giúp chúng ta gia tăng sản lượng lương thực với ít năng lượng và nước hơn

Chủ nhật - 19/06/2016 07:50

Với dân số thế giới dự kiến khoản hơn 9 tỉ người vào năm 2050, các nhà khoa học hiện nay đang phải phát triển các hướng nghiên cứu mới nhằm đáp ứng nhu cầu về thực phẩm, năng lượng, nước sạch của toàn cầu và góp phần hạn chế phụ thuộc vào các nguồn tự nhiên. Hiện nay Ngân hàng Thế giới (WB) và Tổ chức Nông lương Liên hiệp quốc (FAO) đang kêu gọi phát triển những ý tưởng đột phá nhằm giải quyết các vấn đề nêu trên (còn được gọi là vấn đề liên hệ giữa lương thực, nguồn nước và năng lượng).

Cây đâu xanh phát triển tốt hơn và cho sản lượng cao hơn khi được phun nano kẽm
(Chad Zuber/Shutterstock.com)

Công nghệ nano, với khả năng tạo ra các hạt siêu nhỏ ở kích thước nano hiện nay đang trở thành một xu hướng mới đầy hứa hẹn bởi khả năng thúc đẩy sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Hướng nghiên cứu này là một phần trong ngành khoa học: “canh tác chính xác”, trong đó người trồng trọt sẽ sử dụng một cách có hiệu quả nguồn nước, phân bón và các nguyên liệu đầu vào khác. “Canh tác chính xác” giúp cho nền nông nghiệp trở nên bền vững hơn bởi khả năng giảm thiểu các chất thải.
Các nghiên cứu được công bố gần đây của Raliya và cộng sự tại đại học Washington cho thấy rằng sử dụng các hạt nano được tổng hợp trong phòng thí nghiệm thay thế cho các loại phân bón truyền thống có tác dụng tăng trưởng đối với thực vật. Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc ứng dụng nano kẽm nhằm làm gia tăng quá trình sinh trưởng cũng như năng suất ở cây đậu xanh; một loại đậu giàu protein, chất xơ và được trồng làm lương thực rất phổ biến ở châu Á. Nhóm nghiên cứu cũng tin rằng cách tiếp cận này có thể giảm thiểu việc sử dụng phân bón truyền thống, từ đó góp phần bảo vệ các mỏ tự nhiên vốn đang ngày càng cạn kiệt và giảm thiểu sử dụng năng lượng (việc sản suất phân bón cần rất nhiều năng lượng) cũng như hạn chế ô nhiễm nguồn nước, đồng thời còn có thể gia tăng giá trị dinh dưỡng của các sản phẩm từ thực vật.

Việc sử dụng phân bón theo cách truyền thống có thể gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm nguồn nước (Fotokostic/Shutterstock.com)

Ảnh hưởng của việc sử dụng phân bón
Phân bón cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng của cây trồng. Thông thường, phân bón được bón trực tiếp vào đất hoặc pha trong nước tưới. Tuy nhiên, theo phương thức này thì thường có một lượng lớn phân bón sẽ bị thất thoát vào môi trường và gây hô nhiễm các hệ sinh thái khác. Ví dụ nhưnitơ và phốt-pho dư thừa sẽ “bị cố định” trong đất do chúng hình thành liên kết hóa học với các nguyên tố khác tao ra các hợp chất mà rễ cây không thể hấp thu được. Tuy nhiên, các chất này lại có thể bị rửa trôi bởi nước mưa và chảy ra sông, hồ và vịnh gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Sản lượng phân bón tiêu thụ trên toàn thế giới hiện nay đang tăng tỉ lệ thuận với tốc độ gia tăng dân số. Hiện nay ngành nông nghiệp đã sử dụng gần 85% trữ lượng khoáng phốt-pho để làm phân bón thế nhưng cây trồng chỉ có thể hấp ước chừng 42% lượng phốt-pho bón vào đất. Nếu các phương pháp canh tác hiện nay vẫn không được cải tiến, nguồn cung phốt-pho của thế giới sẽ hoàn toàn cạn kiệt trong 80 năm tới vàhệ lụy kéo theo đó là các vấn đề ô nhiễm nghiêm trọng do phân bón.

Mỏ phốt phát gần Flaming Gorge, Utah. (Jason Parker-Burlingham/Wikipedia, CC BY)

Trái ngược với cách sử dụng phân bón truyền thống vốn cần đến hàng tấn nguyên liệu đầu vào, công nghệ nano chỉ sử dụng một lượng rất nhỏ. Các hạt nano là các hạt có kích thước từ 1 – 100 nm. Với 1 nm tương đương một phần tỉ mét, hay để dễ hình dung hơn, một tờ giấy có độ dày khoảng 100.000 nm. Các hạt nano này có các đặc tính lý hóa, cấu trúc đặc biệt và có thể được thay đổi một cách dễ dàng phụ thuộc vào mục đích ứng dụng. Nhiều quá trình sinh học như các hoạt động sống của tế bào đều diễn ra ở “cấp độ nano” và các hạt nano có thể can thiệp vào các hoạt động này. Các nhà khoa học hiện nay đang chủ động nghiên cứu về các hạt nano kim loại và oxit kim loại, chúng được biết đến như là “phân bón nano” và có thể được ứng dụng trong khoa học cây trồng cũng như trong nông nghiệp. Các loại vật liệu này có thể được đưa vào cây thông qua nước tưới hoặc phun trực tiếp lên lá. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy việc hấp thu trực tiếp các hạt nano qua lá có lợi ích đặc biệt đối với môi trường do các vật liệu này không phải tiếp xúc trực tiếp với đất. Do kích thước cực nhỏ, các hạt nano khi phun qua lá có thể được cây hấp thụ hiệu quả hơn so với khi hòa vào nước tưới. Raliya và cộng sự đã tổng hợp các hạt nano trong phòng thí nghiệm sau đó phun chúng lên lá với độ chính xác cao và nồng độ thích hợp.

Hiện tượng tảo nở hoa tại hồ Lake Erie vào năm 2011, nguyên nhân là do ô nhiễm phốt-pho do bị rửa trôi từ các nông trại kế cận. (NASA Earth Observatory/Flickr, CC BY)

Nhóm nghiên cứu chọn nguyên tố kẽm do đây là một nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho sự sinh trưởng của cây và hàm lượng cần thiết của nó nhỏ hơn rất nhiều so với phốt-pho. Bằng cách phun nano kẽm lên lá cây đậu xanh sau nảy mầm 14 ngày, nhóm nghiên cứu đã có thể làm gia tăng hoạt tính của ba loại enzyme quan trọng trong cây đậu: acid phosphatase, alkaline phosphatase và phytase. Các enzyme này phản ứng với nhiều hợp chất có chứa phốt-pho trong đất và chuyển hóa chúng thành các dạng mà cây có thể hấp thu một cách dễ dàng.Khi làm gia tăng hoạt tính các enzyme này thì có thể giúp cây hấp thu phốt-pho cao hơn gần 11% mà không cần phải bón thêm bấy cứ phân bón có chứa phốt-pho nào. Các cây được phun nano kẽm cũng cho thấy sự gia tăng sinh khối hơn 27% và năng suất cũng cao hơn 6% so với cây trồng không sử dụng phân bón.
Phân bón nano còn có tiềm năng trong việc gia tăng giá trị dinh dưỡng của thực vật. Trong một nghiên cứu khác, Ralita và cộng sự cũng nhận thấy rằng việc phun nano titan dioxit và nano kẽm oxit lên cây cà chua đã giúp gia tăng hàm lượng lycopene từ 80 đến 113% tùy thuộc vào loại nano và liều lượng sử dụng. Điều này có lẽ là do các hạt nano có tác dụng làm gia tăng tốc độ quang hợp cũng như khả năng hấp thu dinh dưỡng của cây. Lycopene là một loại sắc tố đỏ tự nhiên thường gặp trong cây, chúng đóng vai trò là một chất chống oxi hóa và có khả năng ngăn chặn tổn thương tế bàođối với người khi sử dụng chúng. Việc gia tăng hàm lượng dinh dưỡng của thực vật bằng phương pháp này còn giúp giảm tình trạng thiếu hụt dinh dưỡng ở người sử dụng. Lượng kẽm mà nhóm nghiên cứu sử dụng đều nằm trong giới hạn của chính phủ Mỹ về hàm lượng kẽm được phép có trong thực phẩm.
Câu hỏi kế tiếp được đặt ra: Các hạt nano ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường như thế nào?
Các nghiên cứu về áp dụng công nghệ nano vào nông nghiệp hiện nay vẫn còn ở giai đoạn khởi đầu và đang phát triển mạnh mẽ. Tuy nhiên, trước khi sử dụng các loại phân bón nano này trên đồng ruộng, chúng ta cần hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của chúng và cần có các quy định cụ thể để đảm bảo rằng chúng sẽ được sử dụng một cách an toàn. Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) cũng đã ban hành hướng dẫn về việc sử dụng vật liệu nano trong chăn nuôi. Các nhà sản xuất hiện nay cũng đang dần đưa công nghệ nano vào thực phẩm, mỹ phẩm cũng như các đồ dùng gia dụng khác, ví dụ như nano silica trong thức ăn cho trẻ sơ sinh; nano titan dioxit trong bánh donut; các vật liệu nano khác trong sơn, nhựa, giấy, dược phẩm và kem đánh răng.
Nhiều đặc tính của hạt nano cũng có thể có tác hại đền sức khỏe con người. Các đặc tính đó bao gồm: kích thước, hình dạng, trạng thái tinh thể, khả năng hòa tan, loại vật liệu, cách thức và liều lượng sử dụng. Các chuyên gia cho rằng các hạt nano trong sản phẩm thực phẩm trên thị trường hiện nay hầu như đều toàn cho người sử dụng, tuy nhiên điều này cần được nghiên cứu thêm. Để trả lời được các câu hỏi này, chúng ta cần thêm nhiều kết quả nghiên cứu nữa để hiểu rõ về hoạt động của các hạt nano bên trong cơ thể người.Chúng ta cũng cần nghiên cứu về vòng đời cũng như tác động của hạt nano đối với sức khỏe con người và môi trường để từ đó phát triển phương thức đánh giá và quản lý các nguy hại có thể xảy ra cũng như phát triển sản xuất các hạt nano một cách bền vững. Mặc dù vậy, kết quả nghiên cứu về phân bón nano của nhóm nghiên cứu này đã chứng minh rằng vật liệu nano hoàn toàn có thể giúp giải quyết một trong các vấn đề cấp bách hiện nay, đó là vấn đề liên quan giữa thực phẩm, nguồn nước và năng lượng trên toàn cầu.

TS.Lê Quang Luân

Nguồn: https://theconversation.com