Một khoáng chất nhỏ bé có lẽ nắm giữ bí mật giúp nuôi sống hàng tỷ người một cách bền vững

Các nhà khoa học phát hiện rằng việc phun selenium (chất selen) ở cấp độ nano lên cây lúa có thể giảm lãng phí phân bón, tăng giá trị dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính.

Một nhóm các nhà nghiên cứu đã khám phá ra rằng selenium ở cấp độ quy mô nano có thể giúp cây lúa sinh trưởng hiệu quả hơn, khỏe mạnh hơn và cho năng suất cao hơn. Nguồn: Shutterstock.

Việc trồng lúa - loại lương thực chính của hơn 3,5 tỷ người trên thế giới - hiện nay đi kèm với chi phí môi trường, khí hậu và kinh tế rất cao. Tuy nhiên, điều này có thể sớm thay đổi nhờ vào công trình nghiên cứu mới do các nhà khoa học tại Đại học Massachusetts Amherst (Mỹ) và Đại học Giang Nam (Trung Quốc) thực hiện. Họ đã chứng minh rằng việc sử dụng selenium ở cấp độ nano có thể giảm lượng phân bón cần thiết cho việc trồng lúa mà vẫn duy trì năng suất, tăng cường dinh dưỡng, cải thiện đa dạng vi sinh vật trong đất và giảm phát thải khí nhà kính.
Hơn nữa, trong bài báo mới công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences (Kỷ yếu Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ), nhóm nghiên cứu đã lần đầu tiên chứng minh rằng những ứng dụng ở cấp độ nano này có hiệu quả trong điều kiện thực tế.

“Cuộc Cách mạng Xanh đã thúc đẩy mạnh mẽ sản lượng nông nghiệp vào giữa thế kỷ trước”, giáo sư Baoshan Xing, chuyên gia Hóa học Môi trường và Đất, Giám đốc Trường Nông nghiệp Stockbridge (Đại học Massachusetts Amherst) và là đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết. “Nhưng cuộc cách mạng đó đang dần chững lại. Chúng ta cần tìm ra cách để cải tiến và khiến nó hoạt động hiệu quả”.

Một phần của “Cuộc Cách mạng Xanh” là sự ra đời của các loại phân bón tổng hợp giàu đạm giúp tăng năng suất cây trồng. Tuy nhiên, chúng rất tốn kém để sản xuất, thải ra lượng lớn khí CO₂, và phần lớn lượng phân bón này bị rửa trôi.

Hầu hết cây trồng chỉ hấp thụ khoảng 40-60% lượng đạm bón vào - được gọi là hiệu quả sử dụng đạm (NUE). Riêng cây lúa, chỉ số này có thể thấp đến 30%, nghĩa là 70% lượng phân bón bị rữa trôi ra sông, hồ và đại dương, gây ra hiện tượng phú dưỡng, vùng nước chết và nhiều vấn đề môi trường khác. Đồng thời, 70% chi phí phân bón cũng bị lãng phí theo.

Ngoài ra, khi đạm được bón vào đất, nó tương tác với hệ vi sinh phức tạp trong đất, dẫn đến sự gia tăng đáng kể lượng khí methane, ammonia và nitrous oxide - tất cả đều là khí gây hiệu ứng nhà kính. Hơn nữa, quá trình sản xuất phân bón tổng hợp cũng tạo ra lượng lớn khí thải này.

“Ai cũng biết rằng chúng ta cần cải thiện hiệu quả sử dụng đạm (NUE)” Xing nói. “Câu hỏi là: Làm thế nào”?

Những gì Xing và các đồng nghiệp - bao gồm tác giả chính Chuanxi Wang và đồng tác giả cao cấp Zhenyu Wang, giáo sư tại Đại học Giang Nam - phát hiện ra là selenium ở quy mô nano, một nguyên tố thiết yếu cho sức khỏe của thực vật và con người, khi được phun lên lá và thân cây lúa, có thể giảm tác động môi trường tiêu cực do bón phân đạm tới 41%, đồng thời tăng lợi ích kinh tế lên 38,2% mỗi tấn lúa so với phương pháp canh tác thông thường.

“Chúng tôi dùng máy bay không người lái (drone) để phun nhẹ dung dịch selenium nano lên ruộng lúa”, Wang cho biết. “Cách tiếp xúc trực tiếp này giúp cây lúa hấp thụ selenium hiệu quả hơn nhiều so với khi bón vào đất”.

Selenium kích thích quá trình quang hợp của cây, tăng hơn 40%. Quang hợp mạnh hơn giúp cây hấp thụ nhiều CO₂ hơn và chuyển hóa thành carbohydrate. Những carbohydrate này được vận chuyển xuống rễ, khiến rễ phát triển to và khỏe hơn.
Rễ khỏe mạnh tiết ra nhiều hợp chất hữu cơ, nuôi dưỡng các vi sinh vật có lợi trong đất. Các vi sinh vật này hoạt động cộng sinh với rễ lúa, giúp cây hấp thụ nhiều nitơ và amoniac hơn, nâng hiệu suất sử dụng nitơ từ 30% lên 48,3%, đồng thời giảm phát thải nitrous oxide và ammonia ra khí quyển từ 18,8-45,6%.

Với lượng dinh dưỡng hấp thụ cao hơn, cây lúa cho năng suất lớn hơn và hạt lúa giàu dinh dưỡng hơn, với mức protein, các axit amin thiết yếu và selenium đều tăng rõ rệt.

Không chỉ vậy, nhóm nghiên cứu còn phát hiện rằng kỹ thuật này cho phép người nông dân giảm lượng phân đạm sử dụng đến 30%. Vì canh tác lúa chiếm 15-20% tổng lượng phân đạm toàn cầu, phương pháp mới này mang lại tiềm năng to lớn trong việc đối phó ba thách thức lớn: dân số tăng nhanh, biến đổi khí hậu và chi phí nông nghiệp ngày càng cao.

Nguyễn Tiến Hải theo Sciencedaily.