Trao đổi khí giữa cây C3 và C4. Nguồn: Moonsub Lee - Đại học Illinois.

Một trong những thách thức lớn mà thế giới phải đối mặt là làm thế nào để cung cấp các nguồn năng lượng bền vững đáp ứng nhu cầu xã hội khi dân số toàn cầu tiếp tục gia tăng. Cây trồng năng lượng sinh học ngày càng thu hút sự chú ý như nguồn năng lượng tái tạo, nhưng sản lượng của chúng vẫn chưa thật sự được khai thác.

Trong một nghiên cứu gần đây, được công bố trên tạp chí GCB Bioenergy, nhóm nghiên cứu từ Đại học Illinois đã đánh giá những hạn chế đối với hiệu quả quang hợp của các loài cỏ năng lượng sinh học trong điều kiện ánh sáng dao động.

Quang hợp là quá trình tự nhiên mà thực vật sử dụng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng. Thực vật thuộc hai loại quang hợp chính là C3 và C4. Sự khác biệt giữa hai loại là thực vật C4 hoạt động theo cơ chế cô đặc carbon, làm tăng nồng độ CO₂ xung quanh enzyme Rubisco. Do cơ chế cô đặc carbon này, thực vật C4 có xu hướng có hiệu suất sử dụng nước và nitơ cao hơn. Mặc dù người ta biết rằng hiệu suất quang hợp bị giảm khi ánh sáng dao động, nhưng vẫn chưa biết liệu thực vật C4 có bị giảm hiệu suất nhiều hơn so với thực vật C3 hay không.

Moonsub Lee, một nhà nghiên cứu sau tiến sỹ tại Đại học Illinois, người đã chỉ đạo công việc này từ một dự án nghiên cứu được gọi là Dầu tái tạo được tạo ra bằng năng lượng siêu hiệu quả (ROGUE) cho biết, "Chúng tôi muốn biết về phản ứng của thực vật C3 và C4 đối với ánh sáng dao động bởi vì một trong những yếu tố hạn chế mà cây trồng ngoài đồng ruộng trải qua là thay đổi ánh sáng do che nắng từ các lá chồng lên nhau, gió hoặc mây đi qua và góc thay đổi của mặt trời trong ngày".

Dự án ROGUE do Đại học Illinois Urbana-Champaign thực hiện, đang thiết kế hai loại cây trồng năng suất nhất của Mỹ - mía năng lượng và Miscanthus - để tạo ra nguồn cung cấp dầu dồi dào và bền vững có thể được sử dụng để sản xuất dầu diesel sinh học, nhiên liệu phản lực sinh học và các sản phẩm sinh học. Dự án ROGUE được hỗ trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Sinh học và Môi trường và Bộ Năng lượng Mỹ.

Các nhà nghiên cứu cho dự án này hướng đến việc đánh giá hiệu suất quang hợp của cả hai loài cỏ năng lượng sinh học C3 và C4 ở trạng thái ổn định và điều kiện ánh sáng dao động bằng cách kiểm tra sự trao đổi khí ở lá. Họ đã nghiên cứu 12 loài cỏ năng lượng sinh học khác nhau, 06 loài C3 và 06 loài còn lại là C4.

Ryan Boyd, nhà nghiên cứu cho cả hai dự án ROGUE và RIPE (Dưa án Nhận biết việc tăng hiệu quả quang hợp) cho biết: “Nhìn chung, loài C4 đồng hóa nhiều carbon hơn loài C3 khi ánh sáng dao động, với cả hai loại đồng hóa ít hơn khoảng 16% so với dự kiến ​​dựa trên các phép đo trạng thái ổn định. Có rất nhiều sự thay đổi và đa dạng tự nhiên trong phản ứng của C4 với ánh sáng dao động, cung cấp bằng chứng cho thấy hiệu quả quang hợp phản ứng với ánh sáng dao động có thể được nhắm mục tiêu tăng sản lượng cỏ năng lượng sinh học C4".

Mặc dù chưa có nhiều nghiên cứu được thực hiện xoay quanh chủ đề về các loài C3 và C4 trong điều kiện ánh sáng thay đổi, các biến thể được tìm thấy trong kết quả của nghiên cứu này có thể được sử dụng trong các chương trình nhân giống cây trồng trong tương lai. Điều này dẫn đến sự lạc quan rằng chúng ta có thể nhắm mục tiêu một số đặc điểm nhất định ở các loài cỏ năng lượng sinh học, cũng như các loại cây trồng khác, để cải thiện sản lượng và giảm sự phụ thuộc của quốc gia chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch.

Don Ort, bộ môn Khoa học Cây trồng và Sinh học Thực vật làm việc trong dự án ROGUE và là phó giám đốc RIPE cho biết: "Mục tiêu cuối cùng của dự án ROGUE là thiết kế các loại cỏ năng lượng sinh học này để tích tụ các phân tử nhiên liệu dày đặc năng lượng và công việc này là một lộ trình sản xuất năng lượng quang hợp bổ sung cần thiết để hoàn thành mục tiêu đó".

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Phys.org