Dân số gia tăng, diện tích trồng trọt trên Trái đất ngày càng bị thu hẹp.
Tuy nhiên, hoạt động này lại kém hiệu quả một cách đáng ngạc nhiên, chỉ khoảng 1% năng lượng tìm thấy trong ánh nắng mặt trời được chuyển vào cây. Hơn nữa, việc trồng trọt bằng ánh nắng cần những khu đất rộng lớn để có thể đáp ứng nhu cầu lương thực cho con người.
Quá trình quang hợp nhân tạo
Cây mọc trong bóng tối.
Khi dân số toàn cầu tăng lên, nhân loại ngày càng bị thúc ép phải sản xuất nhiều lương thực hơn trong cùng một diện tích vì Trái đất của chúng ta không thể phình to hơn được.
Điều gì sẽ xảy ra nếu có một cách nào đó phá vỡ mối quan hệ giữa sự phát triển của cây với ánh nắng mặt trời? Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Delaware và Đại học California Riverside của Mỹ đang nghiên cứu công nghệ sản xuất thực phẩm mà không cần ánh sáng mặt trời nhờ quá trình quang hợp nhân tạo.
Nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Nature Food này có thể là một bước đi nhỏ cần thiết để tạo ra bước nhảy vọt khổng lồ trong việc hình dung lại cách thức sản xuất thực phẩm trên Trái đất và thậm chí có thể trong cả không gian.
Các nhà khoa học đã sử dụng hệ thống điện phân carbon dioxide 2 bước để tạo ra một hợp chất hóa học có tên là acetate. Đây là thành phần phổ biến trong các sản phẩm quen thuộc tại gia đình như giấm, mỹ phẩm và các sản phẩm chăm sóc tóc.
Sau đó, họ bôi acetate lên các sinh vật sản xuất thực phẩm trong bóng tối, khiến những sinh vật này phát triển. Phương pháp của họ có thể cung cấp một giải pháp giúp tăng nguồn lương thực vốn rất cần thiết khi thế giới đang đối mặt với cuộc khủng hoảng khí hậu thảm khốc.
Mặc dù các nhà nghiên cứu của Đại học California Riverside nhấn mạnh phương pháp trên không cần ánh sáng mặt trời nhưng họ cho biết nó cũng có thể hoạt động cực kỳ hiệu quả với năng lượng mặt trời tái tạo.
Thú vị là có thể kết hợp phương pháp này với các tấm pin mặt trời để tạo ra lượng điện cần thiết, cung cấp năng lượng mặt trời cho quá trình điện phân. Điều này sẽ làm tăng hiệu suất chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành thức ăn lên 18 lần so với một số loại thực phẩm.
Như vậy, phương pháp trên có thể sử dụng ánh sáng mặt trời nhưng không phụ thuộc vào nguồn năng lượng này. Nó cũng có thể hoạt động bằng cách sử dụng các hình thức phát điện khác.
Theo tác giả nghiên cứu Robert Jinkerson thuộc Đại học California Riverside, họ đã tìm cách xác định một phương pháp sản xuất thực phẩm mới, có thể vượt qua các hạn chế thường có trong quá trình quang hợp sinh học.
Trong khi nghiên cứu, các nhà khoa học phát hiện có thể tạo ra nhiều loại thực phẩm trong bóng tối bằng phương pháp trên, bao gồm tảo lục, nấm men và nấm. Theo phát hiện của họ, việc trồng nấm men bằng phương pháp trên tiết kiệm năng lượng hơn 18 lần so với cách trồng thông thường bằng cách chiết xuất đường từ ngô.
Đồng tác giả của nghiên cứu trên là Elizabeth Hann tại Phòng thí nghiệm Jinkerson cho biết, các nhà khoa học có thể phát triển các sinh vật tạo ra thực phẩm mà không cần quá trình quang hợp sinh học.
Thông thường, những sinh vật này được nuôi trồng trên đường chiết xuất từ thực vật hoặc nguyên liệu đầu vào có nguồn gốc từ dầu mỏ. Tuy nhiên, phương pháp mới trên hiệu quả hơn trong việc biến năng lượng mặt trời thành thực phẩm so với việc tạo ra thực phẩm dựa vào quang hợp sinh học tự nhiên.
Tăng năng suất cây trồng
Các nhà nghiên cứu sử dụng một hệ thống điện phân carbon dioxide 2 bước để sản xuất một hợp chất hóa học có tên là axetate.
Các nhà nghiên cứu cũng tối ưu hóa máy điện phân của họ để tạo ra mức axetate cao nhất từng được tạo ra bằng phương pháp này cho đến nay. Hơn nữa, họ phát hiện ra các loại cây trồng, bao gồm đậu đũa, cà chua, gạo, đậu xanh và thuốc lá… đều có khả năng phát triển trong bóng tối bằng cách sử dụng carbon từ acetate. Thậm chí acetate có thể cải thiện năng suất cây trồng, mặc dù cần nghiên cứu thêm.
Các nhà nghiên cứu tin rằng, bằng cách giảm sự phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời trực tiếp, quang hợp nhân tạo có thể cung cấp một giải pháp thay thế quan trọng cho tăng trưởng lương thực trong những năm tới. Đó là khi thế giới thích nghi với những tác động tồi tệ nhất của biến đổi khí hậu, bao gồm hạn hán, lũ lụt và diện tích đất trồng giảm xuống.
Theo nhà nghiên cứu Jinkerson, sản xuất thực phẩm bằng phương pháp quang hợp nhân tạo có thể là sự thay đổi về cách cung cấp thực phẩm cho con người.
Nhờ tăng hiệu quả sản xuất lương thực, chúng ta sẽ cần ít đất hơn, giảm được tác động của nông nghiệp đối với môi trường. Đối với nông nghiệp trong môi trường phi truyền thống, ví dụ như ngoài không gian, mô hình này có thể giúp cung cấp thực phẩm cho nhiều thành viên phi hành đoàn hơn với ít chi phí hơn.
Ngoài giải quyết vấn đề an ninh lương thực, công trình trên có thể đưa ra một cách để trung hòa carbon.
Theo một tác giả của nghiên cứu là Giáo sư Jiao của Đại học Delaware, khí thải carbon dioxide là một vấn đề lớn. Nhóm nghiên cứu đang cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng carbon dioxide làm nguồn carbon để sản xuất hóa chất.
Tuy nhiên, ngay cả khi tất cả các hóa chất mà xã hội sử dụng đều làm từ carbon dioxide, nó cũng chỉ chiếm khoảng 6% tổng lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu của chúng ta. Để giải quyết 94% còn lại, chúng ta phải xem xét các hoạt động quy mô cực lớn và trên Trái đất, hoạt động lớn nhất là sản xuất lương thực.
