Với nông nghiệp điện, cây trồng có thể sản xuất thực phẩm trong bóng tối và với diện tích đất ít hơn 94%

 Với nông nghiệp điện, cây trồng có thể sản xuất thực phẩm trong bóng tối và với diện tích đất ít hơn 94%

Quang hợp, phản ứng hóa học cho phép hầu hết mọi sự sống trên Trái đất, cực kỳ kém hiệu quả trong việc thu năng lượng -- chỉ khoảng 1% năng lượng ánh sáng mà cây hấp thụ được chuyển đổi thành năng lượng hóa học bên trong cây. Trong một bài báo được xuất bản trên tạp chí Joule của Cell Press, các kỹ sư sinh học đề xuất một phương pháp sản xuất thực phẩm mới mang tính đột phá mà họ gọi là “nông nghiệp điện”. Về cơ bản, phương pháp này thay thế quang hợp bằng phản ứng hóa học sử dụng năng lượng mặt trời, chuyển đổi CO2 thành phân tử hữu cơ hiệu quả hơn mà cây trồng sẽ được biến đổi gen để hấp thu. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng nếu tất cả thực phẩm ở Hoa Kỳ được sản xuất bằng phương pháp nông nghiệp điện, thì sẽ giảm được 94% diện tích đất cần thiết cho nông nghiệp. Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để trồng thực phẩm trong không gian.

 

 

“Nếu chúng ta không cần trồng cây bằng ánh sáng mặt trời nữa, thì chúng ta có thể tách nông nghiệp khỏi môi trường và trồng thực phẩm trong môi trường trong nhà được kiểm soát”, tác giả và kỹ sư sinh học Robert Jinkerson của Đại học California, Riverside cho biết. “Tôi nghĩ rằng chúng ta cần đưa nông nghiệp vào giai đoạn tiếp theo của công nghệ và sản xuất nông nghiệp theo cách được kiểm soát, tách biệt khỏi thiên nhiên phải là bước tiếp theo”.

 

Nông nghiệp điện có nghĩa là thay thế các cánh đồng nông nghiệp bằng các tòa nhà nhiều tầng. Các tấm pin mặt trời trên hoặc gần các tòa nhà sẽ hấp thụ bức xạ mặt trời và năng lượng này sẽ cung cấp năng lượng cho phản ứng hóa học giữa CO2 và nước để tạo ra axetat - một phân tử tương tự như axit axetic, thành phần chính trong giấm. Sau đó, axetat sẽ được sử dụng để nuôi các loại cây trồng thủy canh. Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để nuôi các sinh vật sản xuất thực phẩm khác, vì axetat được nấm, nấm men và tảo sử dụng tự nhiên.

 

“Toàn bộ mục đích của quy trình mới này là cố gắng tăng hiệu quả quang hợp”, tác giả cao cấp Feng Jiao, một nhà điện hóa học tại Đại học Washington ở St. Louis cho biết. “Hiện tại, chúng tôi đạt hiệu suất khoảng 4%, cao hơn gấp bốn lần so với quang hợp, và vì mọi thứ đều hiệu quả hơn với phương pháp này, nên lượng khí thải CO2 liên quan đến quá trình sản xuất thực phẩm sẽ nhỏ hơn nhiều”.

 

Để biến đổi gen các loại cây ăn axetat, các nhà nghiên cứu đang tận dụng một con đường trao đổi chất mà cây đang nảy mầm sử dụng để phân hủy thức ăn được lưu trữ trong hạt của chúng. Con đường này sẽ bị tắt khi cây có khả năng quang hợp, nhưng nếu bật lại, chúng có thể sử dụng axetat làm nguồn năng lượng và các-bon.

 

“Chúng tôi đang cố gắng bật lại con đường này ở cây trưởng thành và đánh thức lại khả năng sử dụng axetat tự nhiên của chúng”, Jinkerson cho biết. “Nó tương tự như chứng không dung nạp lactose ở người -- khi còn là trẻ sơ sinh, chúng ta có thể tiêu hóa lactose trong sữa, nhưng đối với nhiều người, con đường đó sẽ bị tắt khi họ lớn lên. Ý tưởng này cũng tương tự, chỉ khác là đối với thực vật”.

 

Nhóm nghiên cứu đang tập trung nghiên cứu ban đầu của họ vào cà chua và rau diếp nhưng có kế hoạch chuyển sang các loại cây lương thực có hàm lượng calo cao như sắn, khoai lang và cây ngũ cốc trong tương lai. Hiện tại, họ đã thành công trong việc chế tạo ra những loại cây có thể sử dụng axetat ngoài quá trình quang hợp, nhưng mục tiêu cuối cùng của họ là chế tạo ra những loại cây có thể lấy toàn bộ năng lượng cần thiết từ axetat, nghĩa là bản thân chúng không cần bất kỳ ánh sáng nào.

 

“Đối với thực vật, chúng tôi vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển để cố gắng khiến chúng sử dụng axetat làm nguồn các-bon, vì thực vật chưa tiến hóa để phát triển theo cách này, nhưng chúng tôi đang đạt được tiến bộ”, Jinkerson cho biết. “Tuy nhiên, nấm, nấm men và tảo có thể được trồng theo cách này, vì vậy tôi nghĩ rằng những ứng dụng đó có thể được thương mại hóa trước, và thực vật sẽ xuất hiện sau”.

 

Các nhà nghiên cứu cũng có kế hoạch tiếp tục cải tiến phương pháp sản xuất axetat của họ để làm cho hệ thống cố định các-bon thậm chí còn hiệu quả hơn.

 

“Đây chỉ là bước đầu tiên cho nghiên cứu này và tôi nghĩ rằng chúng ta có hy vọng rằng hiệu quả và chi phí của nó sẽ được cải thiện đáng kể trong tương lai gần”, Jiao cho biết.