Tại sao nhân loại cần một cuộc cách mạng “tái phát minh phân đạm”?
Kể từ đầu thế kỷ 20, quy trình công nghiệp Haber-Bosch đã biến khí nitơ trơ trong không khí thành amoniac (NH₃) dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao. Đây là một trong những thành tựu hóa học vĩ đại nhất lịch sử. Tuy nhiên, quy trình này “ngốn” tới 3% đến 5% sản lượng khí đốt tự nhiên của toàn cầu và chịu trách nhiệm cho khoảng 2% tổng lượng khí nhà kính toàn cầu.
Trong bối cảnh các cuộc xung đột địa chính trị liên tục làm chao đảo chuỗi cung ứng dầu khí, giá phân bón hóa học đã leo thang chóng mặt. Đối với người nông dân, chi phí mua phân đạm hiện chiếm tới 30% - 40% tổng chi phí sản xuất mùa vụ. Khi giá năng lượng tăng vọt, lợi nhuận của nông dân bị bóp nghẹt, kéo theo giá lương thực tại siêu thị tăng theo.
Chính vì vậy, câu hỏi cấp bách được đặt ra: Liệu chúng ta có thể dừng việc đốt khí đốt trong các nhà máy khổng lồ, mà thay vào đó trao quyền cho các vi sinh vật nhỏ bé tự sản xuất phân bón ngay trong lòng đất?
Nghịch lý sinh học: Vi khuẩn rất muốn “bón phân” nhưng không đủ sức
Cố định đạm là một công việc tiêu tốn năng lượng khủng khiếp đối với một tế bào đơn lẻ. Trong tự nhiên, chỉ có một nhóm vi sinh vật đặc biệt – gọi là vi khuẩn cố định đạm (diazotrophs) – sở hữu enzym nitrogenase có khả năng bẻ gãy liên kết ba này để tạo thành các phân tử amoniac mà thực vật có thể hấp thụ. Họ đậu (như đậu tương, đậu xanh) từ lâu đã tiến hóa để “bắt tay” cộng sinh với vi khuẩn nốt sần rễ cây, giúp chúng gần như không bao giờ cần bón thêm đạm.
Tuy nhiên, các loại ngũ cốc chủ lực nuôi sống loài người, như ngô, lúa mì, lúa nước, lại không có quan hệ cộng sinh tự nhiên này. Rất nhiều nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua đã thử cấy vi khuẩn cố định đạm vào rễ cây ngô, nhưng hiệu quả ngoài thực tế đều rất đáng thất vọng.
Nguyên nhân nằm ở một nghịch lý sinh học cốt tử: Để bẻ gãy một phân tử nitơ khí quyển, vi khuẩn phải đốt tới 16 phân tử năng lượng ATP. Đây là một gánh nặng sinh học cực kỳ kiệt quệ! Nếu bị biến đổi gen để liên tục nhả đạm cho cây, vi khuẩn sẽ cạn kiệt năng lượng, không thể lớn lên, không thể phân chia và nhanh chóng bị các loài vi sinh vật hoang dã khác trong đất “bóp chết” trước khi kịp tạo lập vị thế quanh rễ cây.
Ý tưởng đột phá của Công ty khởi nghiệp Switch Bioworks: “Công tắc di truyền” thông minh
Nhà sáng lập kiêm CEO của công ty, Tiến sĩ Tim Schnabel, nhấn mạnh: “Chúng ta không thể tiếp tục dùng tư duy cũ. Đã đến lúc nhân loại phải tái phát minh lại khái niệm phân bón!”
Chiến lược của Switch Bioworks là tách rời hai quá trình mâu thuẫn này theo cơ chế hai thì:
- Thì 1 - giai đoạn “Dựng tổ” (Colonization): Khi hạt giống được gieo cùng một lượng nhỏ vi sinh vật dạng bột, vi khuẩn ưu tiên 100% năng lượng để ăn các dịch tiết từ rễ cây, phân chia tế bào nhanh chóng và chiếm lĩnh các hốc quanh rễ để tạo thành một quần thể rễ (rhizosphere microbiome) đông đúc, khỏe mạnh.
- Thì 2 - giai đoạn “Bật công tắc nhả đạm” (Activation): Sau vài tuần, khi quần thể vi khuẩn đã đủ đông và đất bắt đầu cạn kiệt nguồn đạm tự nhiên, các cảm biến sinh học trong vi khuẩn sẽ nhận biết ngưỡng này và kích hoạt chuỗi gen sản xuất enzym nitrogenase. Lúc này, vi khuẩn mới chính thức biến thành những “nhà máy mini”, biến nitơ không khí thành amoniac rồi bơm trực tiếp qua màng tế bào vào rễ cây.
Dan Blaustein-Rejto, Giám đốc Thực phẩm & Nông nghiệp tại Viện Breakthrough (The Breakthrough Institute), đánh giá: “Cố định đạm bằng con đường sinh học vướng phải một thực tế sinh học không thể né tránh: Chi phí trao đổi chất cực kỳ đắt đỏ. Hơn nữa, theo bản năng sinh tồn tự nhiên, ngay cả khi vi khuẩn cố định được đạm, chúng luôn ưu tiên giữ lại lượng đạm đó cho bản thân để tổng hợp protein duy trì sự sống chứ không dại gì 'cho không' cây trồng. Đó là lý do vì sao công tắc di truyền mang tính quyết định: Nó cho phép vi khuẩn tự lo cho bản thân trước, rồi mới chuyển trạng thái sang cống hiến cho mùa màng”.
Thử nghiệm thực địa tại 6 bang nước Mỹ: Chờ đợi mùa gặt bội thu
Hiện tại, Switch Bioworks đã được Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) và Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) cấp phép tiến hành các cuộc thử nghiệm thực địa đa bang trên cây ngô, cây trồng tiêu thụ phân đạm lớn nhất tại Mỹ với diện tích hơn 90 triệu mẫu Anh (khoảng 36 triệu ha).
Tiến sĩ Schnabel chia sẻ rất thận trọng: “Mặc dù trong các ô thử nghiệm ban đầu, những cây ngô được bổ sung vi sinh vật thế hệ mới có màu lá xanh đậm hơn, bộ rễ ăn sâu hơn và sinh trưởng khỏe mạnh hơn rõ rệt so với đối chứng, nhưng bây giờ vẫn còn quá sớm để khẳng định chắc chắn công nghệ này sẽ đạt hiệu quả bao nhiêu phần trăm trên đồng ruộng thực tế.”
Kết quả thu hoạch vào cuối mùa thu (cuối tháng 10 và tháng 11) sẽ cung cấp bức tranh số liệu rõ ràng về trọng lượng bắp, tỷ lệ hạt chắc và mức độ đạm tiết kiệm được. Nếu đạt mục tiêu thay thế từ 25% đến 50% lượng phân đạm hóa học thông thường, công ty dự kiến sẽ thương mại hóa sản phẩm rộng rãi trong vòng 2 đến 3 năm tới (khoảng giai đoạn 2027 – 2028).
Kết hợp amoniac xanh, nguyên tắc 4R và vi sinh học để cứu lấy đất mẹ
Ngoài các công ty khởi nghiệp mới như Switch Bioworks, những tên tuổi tiên phong như Pivot Bio đã đưa sản phẩm vi sinh cố định đạm vào hàng triệu mẫu đất nông nghiệp trong những năm qua. Tuy nhiên, thách thức lớn của phân bón vi sinh nói chung vẫn là tính đồng nhất: Đất mỗi nơi mỗi khác (độ pH, độ ẩm, quần thể vi sinh vật bản địa, hàm lượng kim loại nặng), khiến hiệu quả có thể biến thiên giữa các mùa vụ.
Do đó, để bảo đảm cả an ninh lương thực và mục tiêu trung hòa carbon, thế giới đang cùng lúc theo đuổi ba mũi nhọn bổ trợ cho nhau:
1. Sản xuất amoniac xanh (Green Ammonia): Thay thế khí tự nhiên trong quy trình Haber-Bosch bằng hydro xanh (điện phân nước bằng năng lượng mặt trời, gió) để triệt tiêu phát thải CO₂ ngay từ nhà máy.
2. Quy tắc bón phân khoa học 4R: Bón đúng loại (Right source), đúng liều lượng (Right rate), đúng thời điểm (Right time) và đúng vị trí (Right place) – kết hợp cảm biến đất và máy bay không người lái để tránh tình trạng bón thừa thãi.
3. Ứng dụng phân bón sinh học và hữu cơ tuần hoàn: Đưa vi sinh vật có lợi vào vùng rễ để kích hoạt dinh dưỡng khó tiêu trong đất, đồng thời trả lại tàn dư hữu cơ và phân chuồng hoai mục để nuôi dưỡng tầng mùn.
Chỉ khi kết hợp sức mạnh của công nghệ di truyền hiện đại với sự tôn trọng đối với quy luật tuần hoàn của đất sống, chúng ta mới có thể giải được bài toán vừa nuôi sống nhân loại, vừa bảo vệ màu xanh của hành tinh.
Nguồn tham khảo (MIT Technology Review).
