Áp lực từ chi phí sản xuất tăng mạnh, tính khả dụng, và các vấn đề môi trường đang tiếp tục đẩy phân bón tổng hợp vào một tương lai phức tạp. Nhưng…
Ngày nay nông dân đơn chỉ giản là cần các lựa chọn thay thế nhưng tương lai câu trả lời có thể khác nhiều. Dưới đây là những ý tưởng mà đến một ngày nào đó có thể tác động đến nhu cầu nitơ.
Từng được công bố vào năm 2018, các nhà nghiên cứu thuộc Đại học California, Davis, Đại học Wisconsin và tập đoàn Mars Inc (Mỹ) vẫn đang tiếp tục nghiên cứu một loại ngô nhiệt đới có nguồn gốc từ Mexico có thể cố định nitơ trong khí quyển, bằng cách sử dụng một dịch tiết giống như chất nhầy và vi khuẩn từ những thứ trông giống như rễ cây ôm dọc theo thân cuống.
Cây trồng đối chứng không sử dụng phân bón tổng hợp được theo dõi quá trình phát triển trong phòng thí nghiệm. Ảnh: Agweb
Alan Bennett, giáo sư Đại học California cho biết: “Tôi đã nghe nói về loại ngô này từ khá lâu, nhưng không có cách nào để tiếp cận nó. Và thật bất ngờ, thông qua những tiến bộ trong công nghệ giải trình tự DNA mà chúng ta có thể làm được điều này ngay từ bây giờ”.
Theo đó các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng, giống ngô đặc biệt này có thể tạo ra từ 30% đến 80% lượng nitơ cần thiết từ tính trạng, đặc điểm di truyền độc đáo của nó. Hiện các nhà nghiên cứu đang tiếp tục tiến hành thí nghiệm xem, liệu khả năng đó có thể được chuyển giao, nhân rộng hoặc cải thiện ở các giống ngô khác hay không.
Ông Bennett nói: “Các vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi và bạn cần phải có bộ gen di truyền phù hợp để thu hút và nuôi dưỡng những vi sinh vật đó trong một môi trường hỗ trợ”.
Nhà khoa học này không chắc việc sử dụng phân bón tổng hợp có thể về mo hay không, nhưng khả năng cắt giảm xuống phân nửa có thể đã là một thắng lợi lớn cho nông dân trên khắp thế giới.
“Lợi ích thu được sẽ quan trọng về mặt kinh tế đối với nông dân Mỹ, nhưng chúng sẽ có ý nghĩa lớn hơn rất nhiều ở những khu vực sản xuất nông nghiệp như châu Phi, nơi nông dân có rất ít lựa chọn phân bón tổng hợp”, ông Bennett nói.
Trong một diễn biến khác, tại các bang Washington và Wisconsin, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực trong việc chế tạo ra một vi khuẩn cố định đạm có tên Azotobacter vinelandii để thay thế phân bón truyền thống.
Nhà nghiên cứu Florence Mus, trợ lý giáo sư tại Đại học Bang Washington cho biết: “Vi khuẩn cố định nitơ mọi lúc (thậm chí ngay cả khi có phân bón tổng hợp) nhưng tùy thuộc vào cách chúng ta điều khiển gen, sau đó cũng tạo ra vi khuẩn có thể bài tiết amoniac với số lượng thực sự lớn”.
Ông Mus và nhóm nghiên cứu đã sử dụng công cụ chỉnh sửa gen để tạo ra vi khuẩn cố định nitơ. Họ cũng đã tìm ra cách để điều chỉnh lượng amoniac được tạo ra khi hiểu rằng một số loại cây trồng cần nhiều sự màu mỡ hơn những loại cây khác.
“Các loại cây trồng khác nhau có nhu cầu nitơ khác nhau nên chúng ta có thể tùy chỉnh lượng amoniac mà vi khuẩn sẽ bài tiết cho từng loại cây trồng cụ thể”, ông Mus chia sẻ.
Một loại gel giống như chất nhầy và vi khuẩn có thể giúp một số loại ngô cố định nitơ trong khí quyển. Ảnh: Alan Bennett/UC Davis
Khi được hỏi về một tương lai không có phân bón tổng hợp, ông Mus nói rằng điều đó hoàn toàn có thể. “Chúng tôi vẫn còn một số công việc phải làm, nhưng vi khuẩn đã được sử dụng làm phân bón sinh học trong các tế bào mà chúng tôi đã thiết kế. Vì vậy, tôi nghĩ rằng điều đó có thể làm được", ông Mus nói.
Nicholas Basinger, Khoa Trồng trọt và Khoa học đất thuộc Đại học Georgia cho biết, hiện một số nông dân trồng bông ở một số khu vực của Mỹ có thể ứng dụng giải pháp này mà không cần đến phân bón tổng hợp.
“Trong một vụ bông, chúng ta có thể thay thế tất cả lượng nitơ cần thiết và chỉ cần bổ sung một số phốt phát và kali”, ông Basinger cho hay.
Nhà khoa học Nicholas Basinger hiện là thành viên của nhóm nghiên cứu những lợi ích của cây che phủ, mặc dù ông vốn là một chuyên gia về cỏ dại thừa nhận “có những lợi ích rất lớn về khả năng sinh ra màu mỡ cho đất trồng” từ cây họ đậu cố định nitơ.
Basinger nói: “Chúng tôi biết rằng lớp cây che phủ sống lâu năm sẽ cung cấp khoảng 100 lb nitơ/mẫu (tương đương 45,35 kg nitơ/0,4 ha). Duy một điều mà hiện chúng tôi chưa thể biết chính xác là khi nào hoặc bằng cách nào tất cả lượng nitơ đó được nhả ra trong cây bông. Riêng đối với ngô, quá trình giải phóng này sẽ diễn ra chậm, tính từ khi trồng cho đến khi sinh trưởng vì sinh khối ngô che đi lớp cây che phủ”.
Theo ông Basinger, yếu tố hạn chế lớn nhất đối với việc áp dụng rộng rãi giải pháp này chính là nước. “Sẽ có một số sự đánh đổi đối với hệ thống này là nó phải được ứng dụng ở miền Nam và trên những vùng sản xuất được tưới tiêu. Đúng là giải pháp của chúng tôi có thể ngăn chặn cỏ dại và cố định nitơ, nhưng không phải không có cái giá phải trả là cạnh tranh tài nguyên nước”, theo ông Basingger.
Mặc dù các phát minh sinh học vẫn đang đổ vào ngành công nghiệp phân bón từ khắp nơi trên thế giới, nhưng nhà nông học Tony Vyn của Đại học Purdue thì cho rằng “đừng quên những gì kinh điển”. Đó chính là phân chuồng.
Các chất ức chế nitrat hóa và việc giám sát chất dinh dưỡng đã giúp giữ cho phân chuồng trở thành một đối thủ nặng ký. Ông Tony Vyn ủng hộ việc tập trung vào giải pháp, bao gồm sử dụng các loại cây họ đậu, xác bã chất hữu cơ và cải thiện sức khỏe của đất. Tuy nhiên, ông Vyn cũn tỏ ra rất lạc quan về những bước tiến mà các công ty hạt giống đang thực hiện nhằm gia tăng hiệu quả sử dụng nitơ.
Theo ông Vyn, các giống lai tạo hiện đại có khả năng thu được nhiều nitơ hơn và các chỉ số đó đang được cải thiện sau mỗi thập kỷ.
Cố định nitơ hay còn gọi là cố định đạm là quá trình biến đổi nitơ tự do (N2) trong khí quyển thành các hợp chất có nitơ. Sản phẩm ban đầu của quá trình này rất đa dạng: Có thể là muối NH3, từ đó tạo nên amoni (NH4+) hoặc nhiều hợp chất khác. Điều này rất quan trọng vì nitơ tự do trong khí quyển là khí trơ, trong cấu tạo phân tử nó có liên kết ba giữa 2 nguyên tử rất bền vững, rất khó phản ứng với các hóa chất khác để tạo ra hợp chất mới, trong khi mà nguyên tố nitơ lại vô cùng cần thiết cho toàn bộ các loài thực vật, động vật cũng như nhiều dạng sống khác để tạo nên các hợp chất có vai trò sống còn cho mọi sinh vật như nucleotide trong DNA và RNA và các amino acid trong protein, ATP…
Quá trình cố định nitơ trong tự nhiên thường diễn ra theo nhiều con đường khác nhau: Con đường lý - hoá do tia chớp và phản ứng quang hoá và con đường sinh học do các vi sinh vật đặc biệt. Cách thứ nhất còn được gọi là "con đường phi sinh học" và cách thứ hai gọi là "con đường sinh học".