Vi sinh vật biến đổi có thể cố định nitơ trong không khí rồi chuyển nó thành amoniac để cung cấp cho cây trồng. Theo MIT Technology Review, công nghệ này có thể giảm một phần nhu cầu phân bón tổng hợp. Tuy nhiên, nó chưa thể thay thế hoàn toàn phân bón trong tương lai gần.
Lợi ích tiềm năng không chỉ nằm ở chi phí đầu vào. Sản xuất phân bón chiếm khoảng 2% tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu, theo số liệu được MIT Technology Review dẫn trong bài viết gốc. Nếu hiệu quả được xác nhận ngoài đồng ruộng, vi sinh vật có thể cung cấp một phần nitơ cần thiết cho cây và giúp nông nghiệp hạn chế phát thải.
Vì sao cây trồng cần nitơ đã được cố định
Cây trồng cần nitơ để phát triển nhưng không thể trực tiếp sử dụng nitơ trong không khí. Dù gần 80% không khí là nitơ, nguyên tố này phải được chuyển thành những hợp chất dễ phản ứng hơn, chẳng hạn amoniac, trước khi cây có thể hấp thụ.
Trong tự nhiên, một số vi sinh vật thực hiện quá trình cố định nitơ. Các cây họ đậu còn hình thành quan hệ cộng sinh với vi khuẩn cố định nitơ và chứa chúng trong những nốt sần ở rễ.
Phân bón tổng hợp tạo ra nguồn nitơ ở quy mô công nghiệp thông qua quy trình Haber Bosch. Quy trình này sử dụng khí tự nhiên để sản xuất amoniac, sau đó amoniac được đưa xuống đồng ruộng dưới dạng phân bón.
Con người đã sử dụng các loại phân bón sinh học như phân chuồng trong hàng nghìn năm. Các doanh nghiệp cũng đã phát triển phân bón vi sinh, trong đó có những sản phẩm dựa trên kỹ thuật biến đổi gen. Trở ngại chính là tạo ra vi sinh vật vừa cung cấp nitơ ổn định cho cây, vừa tự sinh trưởng đủ tốt trong đất.
Mâu thuẫn giữa sinh trưởng và sản xuất amoniac
Vi sinh vật phải cân bằng hai nhiệm vụ cạnh tranh nhau: phát triển quần thể và sản xuất amoniac cho cây. Quá trình cố định nitơ tiêu tốn nhiều năng lượng, vì vậy việc dành quá nhiều năng lượng cho sản xuất amoniac có thể làm giảm khả năng sinh trưởng của vi sinh vật quanh rễ.
Nếu quần thể vi sinh vật không đạt mật độ cần thiết, lượng nitơ cung cấp cho cây cũng bị hạn chế. Tim Schnabel, nhà sáng lập kiêm giám đốc điều hành Switch Bioworks, cho biết việc đưa sẵn toàn bộ lượng vi sinh vật cần thiết lên cây vừa tốn kém vừa khó thực hiện về mặt hậu cần.
Vì vậy, sản phẩm phải bắt đầu với một lượng vi sinh vật nhỏ hơn. Sau khi được đưa vào đất, chúng cần phát triển, phân chia và hình thành quần thể quanh rễ trước khi chuyển phần lớn năng lượng sang sản xuất amoniac.
Công tắc di truyền của Switch Bioworks hoạt động thế nào
Switch Bioworks đang phát triển một công tắc di truyền cho phép vi sinh vật ưu tiên sinh trưởng trước, sau đó chuyển sang sản xuất và giải phóng amoniac. Cơ chế này gồm một hoặc nhiều đoạn ADN kiểm soát thời điểm những gen liên quan được bật hoặc tắt.
Switch Bioworks đang nghiên cứu nhiều cách kích hoạt quá trình chuyển đổi. Phương án dẫn đầu là để vi sinh vật phản ứng với hàm lượng nitơ trong đất. Khi mức nitơ giảm đến một ngưỡng nhất định, các gen liên quan được kích hoạt và vi sinh vật bắt đầu tạo amoniac.
Dan Blaustein-Rejto, giám đốc phụ trách thực phẩm và nông nghiệp tại Breakthrough Institute, giải thích rằng vi sinh vật thường giữ lại lượng nitơ đã cố định để tạo protein và duy trì sự sống. Thiết kế di truyền này thay đổi thứ tự ưu tiên sau khi quần thể đã phát triển đủ mạnh.
Thử nghiệm trên ngô tại sáu bang của Mỹ
Switch Bioworks đang thử nghiệm vi sinh vật trên ngô tại sáu bang của Mỹ, nhưng chưa có đủ dữ liệu để xác định chính xác hiệu quả ngoài đồng ruộng. Schnabel cho biết công ty còn cần từ hai đến ba năm trước khi có thể cung cấp sản phẩm thương mại.
Ngô là cây trồng được Switch Bioworks ưu tiên đầu tiên. Theo số liệu được nêu trong bài viết gốc, diện tích gieo trồng ngô tại Mỹ trong năm 2026 vượt 90 triệu mẫu Anh.
Đến tháng 8, một số cây ngô được xử lý bằng vi sinh vật của Switch Bioworks trông khỏe hơn rõ rệt so với những cây không được xử lý. Tuy nhiên, Schnabel nhấn mạnh rằng quan sát này chưa đủ để đưa ra kết luận chắc chắn. Switch Bioworks dự kiến thu hoạch vào cuối tháng 10 hoặc đầu tháng 11. Doanh nghiệp vẫn đang hoàn thiện phiên bản sản phẩm sẽ được đưa ra thị trường.
Blaustein-Rejto cho rằng kết quả trong phòng thí nghiệm mới chỉ là bước đầu. Thử nghiệm ngoài đồng ruộng là một trong những giai đoạn cuối trước khi doanh nghiệp có thể đưa sản phẩm ra thị trường và đưa ra tuyên bố chắc chắn với nông dân. Các thử nghiệm độc lập cũng cần thiết vì dữ liệu do doanh nghiệp công bố có thể khác đáng kể so với kết quả của nhóm nghiên cứu bên ngoài.
Pivot Bio đã đưa vi sinh vật ra đồng ruộng
Pivot Bio đã thương mại hóa một hướng tiếp cận khác dùng vi sinh vật để cung cấp nitơ cho cây. Công ty được thành lập năm 2011 và cho biết sản phẩm của mình đã được sử dụng trên hàng triệu mẫu Anh đất nông nghiệp.
Một số sản phẩm của Pivot Bio được bổ sung trong lúc gieo hạt. Những phiên bản khác được xử lý trực tiếp lên hạt giống trước khi chuyển tới nông trại. Ngoài ngô, công ty đã mở rộng sang bông, lúa mì và các loại ngũ cốc hạt nhỏ, gồm cao lương và lúa mạch.
Thách thức ban đầu của Pivot Bio là khiến vi sinh vật sản xuất nitơ bất kể chúng có cảm nhận được nitơ trong đất hay không. Travis Frey, giám đốc công nghệ của công ty, cho biết mục tiêu hiện nay là tạo ra những quần thể khỏe hơn và thích nghi tốt hơn với nhiều điều kiện môi trường.
Theo Frey, người trồng trọt đang chịu sức ép từ chi phí phân bón tăng trong khi giá các nông sản hàng hóa như ngô giảm. Ông dự đoán các sản phẩm sinh học dùng trong nông nghiệp sẽ trở nên phổ biến hơn trong thập niên tới.
Vi sinh vật chỉ có thể thay thế một phần phân bón
Vi sinh vật biến đổi có thể giảm lượng phân bón tổng hợp cần sử dụng, nhưng mức thay thế hiện được dự kiến chỉ là một phần. Theo MIT Technology Review, mô hình của Switch Bioworks cho thấy giới hạn có thể vào khoảng 50%, còn sản phẩm đầu tiên của Switch Bioworks và các sản phẩm của Pivot Bio được kỳ vọng thay thế khoảng 25%.
| Doanh nghiệp | Mức thay thế được nêu | Tình trạng |
|---|---|---|
| Switch Bioworks | Khoảng 25% ban đầu | Đang thử nghiệm thực địa |
| Switch Bioworks | Tối đa khoảng 50% theo mô hình | Chưa được xác nhận ngoài đồng ruộng |
| Pivot Bio | Khoảng 25% | Đã được sử dụng tại nông trại |
Số liệu trong bảng được MIT Technology Review dẫn từ mô hình của Switch Bioworks và công bố của Pivot Bio.
Nội dung thử nghiệm cho thấy lợi ích còn giới hạn
John Havlin là giáo sư thuộc khoa cây trồng và khoa học đất tại Đại học Bang Bắc Carolina. Ông nhận định phân bón và hạt giống là hai khoản chi lớn nhất đối với nhiều người trồng trọt. Theo Havlin, giảm sự phụ thuộc vào phân bón tổng hợp có thể mang lại lợi ích đáng kể. Các sản phẩm vi sinh cũng có thể góp phần giảm lượng nitơ được bón xuống đồng ruộng.
Nguồn nitơ tổng hợp vẫn cần thiết
Dù vậy, các mức thay thế dự kiến cho thấy phân bón tổng hợp vẫn sẽ được sử dụng trong thời gian dài. Blaustein-Rejto cho rằng chưa có cách rõ ràng và khả thi để thay thế hoàn toàn phân bón tổng hợp trong tương lai gần. Các biện pháp khác nhằm giảm phát thải và hạn chế ô nhiễm nitơ từ nông trại vẫn cần được duy trì.
Vi sinh vật biến đổi chưa phải lời giải trọn vẹn cho bài toán phân bón. Các thử nghiệm của Switch Bioworks và kinh nghiệm triển khai của Pivot Bio cho thấy công nghệ này có thể trở thành một phần của giải pháp nếu tiếp tục chứng minh được hiệu quả ổn định ngoài đồng ruộng.
