Tiềm năng giảm sự phụ thuộc vào phân bón không thể tái tạo trong nông nghiệp

Enzyme có khả năng giúp giảm tiêu thụ phân bón hóa học phốt phát, nguồn nguyên liệu quan trọng đối với các hệ thống sản xuất lương thực toàn cầu, nhưng được sản xuất bằng cách khai thác các nguồn phốt phát đá vô cơ không thể tái tạo và ngày càng đắt đỏ.

Tất cả các sinh vật trên Trái đất, thực vật và động vật, đều cần phốt pho để sinh trưởng và phát triển khỏe mạnh, nhưng việc tiếp tục sử dụng một lượng hạn chế phân bón hóa học phốt pho không tái tạo được trong nông nghiệp đe dọa năng suất cây trồng và tính bền vững của hệ thống sản xuất lương thực toàn cầu. Nông nghiệp là ngành tiêu thụ phốt pho không tái tạo lớn nhất, vì vậy nguồn cung hạn chế của nó có ý nghĩa quan trọng đối với an ninh lương thực toàn cầu, đa dạng sinh học và điều hòa khí hậu.

Dạng photpho đơn giản nhất được sử dụng trong phân bón là photphat vô cơ không thể tái tạo, vì tiếc là sự sẵn có của các chất dinh dưỡng photphat hữu cơ trong môi trường thường đủ thấp để hạn chế sự phát triển tự nhiên của thực vật và tảo.

Trong đại dương và đất, hầu hết tổng lượng phốt pho tồn tại ở dạng hữu cơ phức tạp, đòi hỏi các enzym, thường được gọi là phosphatase, để giải phóng phốt phát để thực vật và tảo có thể sử dụng nó như một chất dinh dưỡng.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Thực phẩm Bền vững của Đại học Sheffield đã xác định được một loại vi khuẩn phosphatase duy nhất có nhiều trong môi trường gọi là PafA, có thể giải phóng hiệu quả phốt phát được sử dụng trong phân bón từ các dạng hữu cơ của nó.

Nghiên cứu sử dụng mô hình Flavobacterium để xem xét chức năng PafA trong cơ thể sống và cho thấy nó có thể nhanh chóng khoáng hóa phosphate hữu cơ tự nhiên độc lập, một quá trình được phát hiện là bị ức chế với các enzyme phổ biến khác như PhoX và PhoA phosphatases, đặc biệt là nếu xung quanh đã có dư lượng phốt phát.

Tiến sĩ Ian Lidbury, từ Viện Thực phẩm Bền vững của Đại học Sheffield và Trung tâm Nghiên cứu Môi trường Arthur Willis, cho biết: “Sự tích tụ của phốt phát có thể ức chế hoạt động của enzym trong các loại phốt phát phổ biến nhất, nhưng PafA đặc biệt ở chỗ chức năng của nó không bị ảnh hưởng khi phốt phát tích lũy. Do có sự xuất hiện nhiều và đa dạng của PafA trong môi trường, cả trên đất liền và môi trường nước, điều này làm cho nó trở thành một nguồn tài nguyên quý giá bị bỏ qua để giúp thực vật và động vật thu nhận các chất dinh dưỡng thiết yếu hiệu quả hơn và sẽ rất quan trọng để giúp chúng ta giảm bớt sự phụ thuộc nguồn dự trữ phân lân hóa học không thể tái tạo có hạn trên thế giới và những thiệt hại do việc sử dụng nhanh chóng nguồn dự trữ này.

Nghiên cứu sâu hơn sẽ xem xét cách thức hoạt động của PafA, vì các dạng vi khuẩn Flavobacterium tỏ ra đặc biệt tích cực so với các dạng khác. Vì vậy, hiểu được điều này là rất quan trọng để các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các enzym tối ưu hóa để sử dụng trong nông nghiệp.

Nhóm hiện đang nghiên cứu điều gì làm cho một số dạng PafA hoạt động mạnh hơn các dạng khác, với mục tiêu thiết kế một loại enzyme có thể được sử dụng để thúc đẩy nông nghiệp bền vững, thông qua việc cung cấp nhiều nguồn phốt pho hữu cơ sẵn có hơn cho cây trồng, với khả năng đưa nó vào thức ăn chăn nuôi.