Trong nhiều năm qua, thay vì quang hợp tự nhiên, các nhà khoa học đã cố gắng biến đổi ánh sáng Mặt trời thành nguồn “thức ăn” cho cây trồng trong điều kiện thiếu sáng. Nghiên cứu mới đây đã tiến thêm một bước trong việc sản xuất lương thực bằng quang hợp nhân tạo.
Biến ánh sáng thành chất dinh dưỡng
Những bộ phim viễn tưởng đã vẽ ra viễn cảnh trong tương lai, con người sống tại các trạm vũ trụ di động trên sao Hỏa hay các hành tinh ngoài vũ trụ. Nếu con người tồn tại trong môi trường khắc nghiệt hoặc xa lạ bất kỳ, họ sẽ cần phương pháp trồng cây lương thực bằng các nguồn tài nguyên hạn chế hoặc không có quá trình quang hợp.
Trong nhiều năm qua, viễn cảnh này đã thôi thúc giới khoa học nghiên cứu phương pháp sản xuất lương thực loại bỏ hoàn toàn quá trình quang hợp, đồng nghĩa là trồng cây trong bóng tối.
Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Trường Đại học Delaware và Trường ĐH California tại Riverside, Mỹ, đã hiện thực hóa ý tưởng này bằng cách sử dụng phương pháp mới là sử dụng quang hợp nhân tạo để trồng cây trong điều kiện thiếu sáng.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Food chứng minh có thể nuôi trồng tảo, nấm và sợi nấm bằng cách chuyển đổi carbon dioxide, điện và nước thành các phân tử giàu dinh dưỡng cho cây trồng như axetat, dạng thành phần chính của giấm. Các nhà khoa học hy vọng rằng, phương pháp trên có thể mở ra quy trình sản xuất thực phẩm sử dụng ít không gian và năng lượng hơn so với nông nghiệp truyền thống.
Thực vật có khả năng hấp thụ carbon dioxide (CO2) và chuyển đổi thành các chất hữu cơ thông qua quá trình quang hợp. Nhưng thực tế, quá trình quang hợp không đem lại hiệu quả cao. Chỉ khoảng 1% ánh sáng Mặt trời chiếu vào thực vật được thu nhận và sử dụng nên quá trình sản xuất nông nghiệp diễn ra tương đối chậm. Trong khi đó, dân số ngày càng tăng, đòi hỏi ngành nông nghiệp phải tăng năng suất.
Một số nhà khoa học tin rằng, giải pháp tăng năng suất là biến đổi gen cây trồng để quá trình quang hợp diễn ra hiệu quả hơn. Họ thay thế quá trình quang hợp tự nhiên bằng nhân tạo, trong đó biến ánh sáng Mặt trời thành nguồn thức ăn cho cây trồng. Tuy nhiên, trồng cây trong điều kiện thiếu sáng bằng cách sử dụng axetat lại là một phương pháp mới và độc đáo.
Quy trình này sử dụng điện phân xúc tác hai bước để chuyển đổi các nguyên liệu thô như carbon dioxide, điện và nước thành axetat. Sau đó, các nhà nghiên cứu đưa axetat vào nuôi trồng tảo lục Chlamydomonas rehardtii, nấm men và sợi nấm. Tất cả những thực vật này đều hấp thụ axetat và phát triển trong bóng tối mà không phụ thuộc vào ánh sáng Mặt trời hoặc các chất hữu cơ từ quang hợp.
Kết hợp với các tấm pin Mặt trời tạo ra điện để cung cấp năng lượng cho quá trình xúc tác điện, hệ thống vô cơ kết hợp hữu cơ này có thể tăng hiệu suất chuyển hóa ánh sáng Mặt trời thành thực phẩm với mức độ hiệu quả hơn 18 lần ở một số loại thực phẩm.
So với quá trình quang hợp truyền thống, quá trình nhân tạo trên đem lại hiệu quả tương đối cao. Sản xuất tảo bằng công nghệ này có thể chuyển đổi năng lượng Mặt trời thành sinh khối hiệu quả gấp bốn lần so với quá trình thông thường. Sản xuất nấm men cũng tiết kiệm năng lượng gấp 18 lần so với quá trình thông thường.
Sau khi phát triển tảo không cần quang hợp, các nhà nghiên cứu chuyển sang một thí nghiệm khó hơn là trồng cây trong bóng tối.
Trồng rau trong nhà
Kết quả ban đầu của họ rất đáng khích lệ. Trong bóng tối, các nhà nghiên cứu đã nuôi cấy mô rau diếp trong một hỗn hợp có chứa axetat. Sau đó, rau diếp có thể hấp thụ và chuyển hóa carbon dioxide mà không cần quang hợp.
Và khi trồng rau diếp cùng lúa, cải dầu, cà chua và một số loài cây trồng khác dưới ánh sáng tự nhiên nhưng bổ sung axetat, các nhà khoa học nhận thấy cây trồng đã kết hợp axetat vào mô của chúng, từ đó hỗ trợ quá trình trao đổi chất.
Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ ra rằng, axetat không thể thay thế hoàn toàn quá trình quang hợp tự nhiên ở toàn bộ cây trồng. Trên thực tế, nếu bổ sung lượng lớn axetat vào cây rau diếp có thể ức chế sự phát triển của cây.
Do đó, nếu muốn phổ biến phương pháp nuôi trồng này, các nhà khoa học cần nghiên cứu kỹ thuật di truyền và nhân giống cây trồng có khả năng chống chịu tốt hơn với axetat.
Tuy nhiên, axetat đã chứng minh ích lợi của nó đối với cây lương thực trồng trong nhà. Điều này có thể làm giảm năng lượng cần thiết để vận hành trang trại, cho phép người dân nuôi trồng cây lương thực trong nhiều môi trường khác nhau.
Phương pháp sản xuất lương thực trên đã được đệ trình cho chương trình Thử thách thực phẩm trong không gian sâu (Deep Space Food Challenge) của NASA và giành chiến thắng giai đoạn I.
Đây là một cuộc thi quốc tế, nơi các giải thưởng được trao cho các đội tạo ra các công nghệ thực phẩm mới và thay đổi cuộc chơi, khi yêu cầu đầu vào tối thiểu và tối đa hóa đầu ra thực phẩm an toàn, bổ dưỡng và ngon miệng cho các nhiệm vụ không gian dài hạn.
Chiến thắng trong cuộc thi không thể đảm bảo công nghệ sản xuất thực phẩm bằng axetat sẽ được thực hiện trong một sứ mệnh không gian trong tương lai. Nhưng đối với các nhà nghiên cứu, kết quả này là động lực nhằm tái thiết lập quá trình sinh học cơ bản trong không gian hoặc trên Trái đất.
