Hạt nano giúp tạo ra thực phẩm nhiều hơn nhưng giảm mức tiêu thụ nước và năng lượng

Nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học cho thấy các hạt nano có thể là giải pháp cho việc tăng sản lượng lương thực trong tương lai nhưng không làm ảnh hưởng đến việc sử dụng các tài nguyên từ môi trường.

Với dân số thế giới dự kiến sẽ vượt quá 9 tỷ người vào năm 2050, các nhà khoa học đang "đau đầu" trong việc tìm ra các phương pháp mới để đáp ứng nhu cầu lương thực toàn cầu mà không gây áp lực lên việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên. Các tổ chức như Ngân hàng Thế giới, Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên Hợp Quốc đang ra sức kêu gọi đổi mới để giải quyết tốt mối quan hệ giữa 3 yếu tố thực phẩm – năng lượng – nước.

Công nghệ nano đang nổi lên như là một giải pháp hứa hẹn giúp thúc đẩy sự tăng trưởng và phát triển của thực vật. Ý tưởng này là một phần của kế hoạch phát triển nền nông nghiệp chính xác, trong đó nông dân sẽ sử dụng công nghệ để điều khiển quá trình tưới tiêu, bón phân và hoàn thành các khâu khác trong chuỗi trồng trọt. Phương pháp canh tác này sẽ làm cho nông nghiệp phát triển bền vững hơn vì hạn chế được tối đa lượng chất thải ra môi trường.

Gần đây các nhà khoa học đã công bố kết quả nghiên cứu, trong đó họ sử dụng phân bón được tổng hợp từ các hạt nano trong phòng thí nghiệm. Họ đã thành công trong việc sử dụng các hạt nano kẽm để thúc đẩy sự tăng trưởng và nâng cao năng suất của đậu xanh – một loại cây chứa nhiều protein và chất xơ được trồng khá phổ biến ở Châu Á. Các nhà khoa học tin rằng phương pháp này có thể làm giảm việc sử dụng các loại phân bón thông thường.

Cách làm này cũng sẽ giúp cho chúng ta bảo tồn được lượng khoáng sản tự nhiên, năng lượng (quá trình sản xuất phân bón tốn rất nhiều năng lượng) và quan trọng là sẽ giảm thiểu đáng kể việc ô nhiễm nguồn nước. Không những vậy, các thử nghiệm bước đầu còn cho thấy việc sử dụng phân bón có nguồn gốc từ các hạt nano còn giúp tăng giá trị dinh dưỡng của thực vật.

Công nghệ nano đang nổi lên như là một giải pháp hứa hẹn giúp thúc đẩy sự tăng trưởng và phát triển của thực vật.

Tác động của việc sử dụng phân bón

Phân bón cung cấp các chất dinh dưỡng mà cây cần để phát triển. Nông dân thường bón phân vào môi trường đất, rải chúng trên đồng hoặc pha với nước và tưới. Phần lớn phân bón sử dụng theo phương pháp này thường bị thất thoát vào môi trường, thậm chí là gây ô nhiễm cho các hệ sinh thái khác. Ví dụ, nitơ dư thừa và phân bón phốt pho sẽ được giữ lại trong đất: chúng sẽ tạo thành liên kết hóa học với các yếu tố khác và trở thành nguồn dinh dưỡng mà cây có thể hút lấy thông qua rễ của chúng. Cuối cùng mưa rửa trôi nitơ và phốt pho vào các sông, hồ, vịnh... và có thể gây ra ô nhiễm môi trường một cách nghiêm trọng.

Việc sử dụng phân bón trên toàn thế giới đang tăng cùng với sự gia tăng dân số. Hiện nay, nông dân sử dụng đến 85% lượng phốt pho khai thác được trên thế giới để làm phân bón, mặc dù cây chỉ hấp thu được 42% lượng phốt pho mà chúng ta bón vào đất.

Ngược lại với cách sử dụng phân bón bình thường với nhiều tấn nguyên liệu đầu vào, công nghệ nano tập trung vào một số lượng rất nhỏ. Để dễ hình dung, bạn hãy nghĩ đến một tờ giấy, nó dày khoảng 100.000 nanomet và 1 hạt nano có kích thước trong khoảng từ 1 đến 100nm.

Những hạt nano này có tính chất lý, hóa học và cấu trục độc đáo và có thể tinh chỉnh được. Nhiều quá trình sinh học, chẳng hạn như sự hoạt động của tế bào diễn ra ở quy mô nano. Nói cách khác, hạt nano và có thể ảnh hưởng đến các hoạt động này.

Các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu một loạt hạt nano của các kim loại và oxit kim loại (còn được gọi là nanofertilizer) để sử dụng trong khoa học và ngành trồng trọt. Những vật liệu này có thể được sử dụng cho cây trồng thông qua phương pháp tưới vào đất hoặc phun vào lá. Các nghiên cứu cho thấy việc phun các hạt nano lên lá cây đặc biệt có lợi cho môi trường vì chúng không tiếp xúc trực tiếp với đất và do đó không bị rửa trôi và làm ô nhiễm nguồn nước. Các hạt nano sẽ được tổng hợp từ các nhà máy, sau đó chúng được phun qua một hệ thống vòi có thể tùy chỉnh lưu lượng để phù hợp với từng loại cây.

Người ta hướng mục tiêu tới kẽm – một vi chất dinh dưỡng mà cây cần để phát triển nhưng với số lượng nhỏ hơn nhiều so với phốt pho. Bằng cách sử dụng hạt nano kẽm để phun cho lá đậu xanh sau 14 ngày kể từ khi hạt nảy mầm, chúng ta có thể tăng hoạt động của 3 enzyme quan trọng trong cây, bao gồm: phosphatase acid, phosphatase kiềm và phytase. Những enzyme phản ứng với các hợp chất phốt pho phức tạp trong đất, chuyển đổi chúng thành các hình thức mà cây đậu có thể hấp thu một cách dễ dàng.

Người ta làm cho các enzyme hoạt động nhiều hơn từ đó giúp cây hấp thu được thêm 14% lượng phốt pho trong đất mà không cần phải bón thêm những loại phân thông thường. Việc áp dụng hạt nano kẽm khiến sinh khối của đậu xanh tăng 27% và cho năng suất cao hơn 6% so với cách trồng bằng phương pháp bón phân truyền thống.

Nanofertilizer cũng có tiềm năng để tăng giá trị dinh dưỡng của cây trồng. Trong một nghiên cứu riêng biệt, người ta thấy rằng việc sử dụng hạt nano titanium dioxide và oxit kẽm có thể giúp cây cà chua tăng lượng lycopene thêm từ 80% đến 113% (tùy thuộc vào hạt nano và nồng độ áp dụng). Điều này xảy ra vì các hạt nano tăng tỷ lệ quang hợp của thực vật từ đó cho phép chúng tạo ra nhiều giá trị dinh dưỡng hơn.

Lưu ý: Lycopene (có trong cà chua) là một chất màu đỏ tự nhiên đóng vai trò như một chất chống oxy hóa và có thể ngăn ngừa tổn thương tế bào ở người người tiêu thụ nó. Việc ăn nhiều thực phẩm có chứa lycopene giúp giảm khả năng bị suy dinh dưỡng. Lượng kẽm mà nghiên cứu này áp dụng nằm trong ngưỡng mà Chính phủ Mỹ cho phép có trên thực phẩm.

Một mỏ khai thác phốt pho.

Câu hỏi tiếp theo: Vấn đề y tế và tác động môi trường của hạt nano

Nghiên cứu hạt nano trong nông nghiệp vẫn đang ở giai đoạn đầu nhưng đang có những bước tiến nhanh chóng. Trước khi nanofertilizers có thể được sử dụng trên các trang trại, chúng ta cần có sự hiểu biết tốt hơn về cách thức hoạt động và các quy định để đảm bảo chúng sẽ được sử dụng một cách an toàn. Cơ quan quản lý Dược phẩm và Thực phẩm Hoa Kỳ đã ban hành hướng dẫn sử dụng nano trong các thực phẩm là động vật.

Các nhà sản xuất cũng được phép bổ sung hạt nano để tạo ra các loại thực phẩm, sản phẩm chăm sóc cá nhân và tiêu dùng. Ví dụ như các hạt nano silica trong sữa bột trẻ em, các hạt nano titan dioxide trong bánh rán và vật liệu nano khác trong sơn, nhựa, sợi giấy, dược phẩm, kem đánh răng.

Nhiều thuộc tính ảnh hưởng đến việc các hạt nano gây ra rủi ro đối với sức khỏe con người, bao gồm kích thước, hình dạng, dạng tinh thể, khả năng hòa tan, loại vật liệu, nồng độ tiếp xúc và liều lượng. Các chuyên gia nói rằng các hạt nano trong các sản phẩm thực phẩm trên thị trường hiện nay có lẽ là an toàn để ăn nhưng đây là một lĩnh vực cần tiếp tục được nghiên cứu sâu hơn.

Để giải quyết những câu hỏi này đòi hỏi phải có thêm nhiều cuộc nghiên cứu để hiểu rõ làm cách nào các hạt nano tác động bên trong cơ thể người. Chúng ta phải đánh giá được tác động của hạt nano với cơ thể và môi trường. Đồng thời phải có các phương pháp để đánh giá cũng như quản lý các rủi ro có thể xảy ra. Tuy nhiên, các nghiên cứu cho thấy trước mắt hạt nano có thể giúp chúng ta giải quyết vấn đề cấp bách liên quan mối quan hệ giữa 3 yếu tố thực phẩm – năng lượng – nước.