VINACHEM

Các nhà sản xuất phân bón công nghiệp trên thế giới đang giúp cung cấp lương thực thực phẩm cho hàng tỉ người trên Trái Đất, nhưng họ vẫn nằm ngoài tầm với của những người nông dân nghèo nhất trên thế giới. Nay các nhà nghiên cứu đã biến đổi gen của các vi khuẩn sao cho khi được đưa vào đất thì chúng sẽ sản xuất phân bón theo yêu cầu với chi phí thấp, giúp cây trồng phát triển nhanh.

Quy trình công nghiệp sản xuất phân bón, do các nhà hóa học Đức Fritz Haber và Carl Bosch sáng chế cách đây hơn một thế kỷ, đòi hỏi phải thực hiện ở áp suất và nhiệt độ cao. Quy trình này cũng đòi hỏi phải có nguồn cung hydro phân tử (H₂) - thường là metan, thành phần chính của khí thiên nhiên. Bản thân metan không phải là quá đắt, nhưng nhu cầu xây dựng các nhà máy hóa chất lớn để chuyển hóa metan và nitơ thành amoniăc cũng như xây dựng cơ sở hạ tầng quy mô lớn để phân phối amoniăc đã ngăn cản nhiều nước nghèo có thể tiếp cận phân bón một cách dễ dàng.

Thành phần then chốt trong phân bón là nitơ, nguyên tố quan trọng thiết yếu để tạo ra tất cả mọi thứ trong sinh vật, từ DNA đến protein. Nitơ có mặt ở khắp nơi xung quanh chúng ta, nó chiếm 80% không khí mà chúng ta thở. Nhưng đây là nitơ trơ mà cây trồng không thể hấp thụ. Một số vi khuẩn đã phát triển protein gọi là nitrogenaza, đây là enzym có khả năng phân tách các phân tử nitơ trong không khí và liên kết nitơ này với hydro để tạo thành amoniăc cũng như các hợp chất khác mà cây trồng có thể hấp thụ để phát triển.

Vài năm trước đây, các nhà nghiên cứu do nhà hóa học Daniel Nocera tại Đại học Tổng hợp Harvard (Mỹ) dẫn đầu đã sáng chế ra cái mà họ gọi là lá cây nhân tạo, sử dụng chất bán dẫn để liên kết hai loại chất xúc tác khác nhau nhằm thu giữ ánh sáng Mặt Trời và sử dụng năng lượng thu được để phân tách các phân tử nước thành H₂ và O₂. Khi đó, nhóm của Nocera đã tập trung vào việc sử dụng hydro thu được làm nhiên liệu hóa học, có thể đốt trực tiếp hoặc dùng để sản xuất điện năng thông qua một thiết bị gọi là pin nhiên liệu. Nhưng năm vừa qua, Nocera thông báo nhóm của ông đã biến đổi gen của vi khuẩn Ralstonia eutropha khiến cho nó có thể hấp thụ H₂ và CO₂ từ không khí rồi kết hợp hai thành phần này để sản xuất nhiên liệu hydrocacbon. Theo Nocera, bước tiếp theo là mở rộng phạm vi công trình nghiên cứu của họ bằng cách biến đổi gen một loại vi khuẩn khác để lấy nitơ từ không khí và sản xuất phân bón.

Nocera và đồng nghiệp đã quay sang khảo sát vi khuẩn Xanthobacter autotrophicus, đây là loại vi khuẩn vốn đã có sẵn enzym nitrogenaza. Nhưng họ vẫn cần phương pháp cung cấp nguồn H₂ cho những vi khuẩn này để chúng sản xuất amoniăc. Vì vậy, họ đã biến đổi gen của Xanthobacter, trao cho chúng enzym gọi là hydrogenaza, nhờ đó cho phép chúng tiêu hóa H₂ và sản xuất một dạng năng lượng tế bào gọi là ATP. Sau đó vi khuẩn Xanthobacter sử dụng ATP này, H₂ bổ sung và CO₂ từ không khí để tổng hợp một loại chất dẻo sinh học gọi là polyhydroxybutyrat (PHB) mà chúng có thể lưu trữ trong cơ thể.

Đây là lúc mà enzym nitrogenaza của vi khuẩn Xanthobacter phát huy tác dụng. Vi khuẩn thu hoạch H₂ từ kho chứa PHB của mình và sử dụng nitrogenaza của chúng để kết hợp H₂ này với nitơ trong không khí, tạo thành amoniăc - nguyên liệu ban đầu cho sản xuất phân bón.

Phương pháp trên không chỉ có kết quả trong phòng thí nghiệm: Nocera cho biết, khi ông và đồng nghiệp đưa Xanthobacter đã biến đổi gen vào dung dịch và sử dụng dung dịch đó để tưới cho củ cải thì loại rau này đã phát triển lớn hơn 150% so với cây đối chứng không được bổ sung vi khuẩn hay các loại phân bón khác.

Một chuyên gia về sản xuất nhiên liệu từ năng lượng Mặt Trời tại Đại học Tổng hợp Uppsala (Thụy Điển) cho rằng sản xuất amoniăc mà không sử dụng quy trình công nghiệp là một thách thức hóa học lớn và phương pháp nói trên là một cách tiếp cận tốt, có thể giúp ích cho nông dân ở nhiều nước nghèo trên thế giới.

Đại học Harvard đã cấp bản quyền sáng chế công nghệ mới cho Viện Công nghệ hóa học tại Mumbai (Ấn Độ) để nâng cấp công nghệ cho mục đích sử dụng thương mại trên toàn thế giới.

HS

Theo Chemistry & Industry, 4/2017