Phân bón thông minh biết "giao tiếp" với cây trồng

Các nhà khoa học Canada đang nghiên cứu một loại phân bón thông minh biết nhận tín hiệu từ cây trồng, biết khi nào thích hợp để bón phân và bón với lượng bao nhiêu. Đây có thể là một bước đột phá trong công nghệ sản xuất phân bón thời gian tới.

Phân bón hiểu từng cây trồng

Phân bón là ngành công nghiệp hái ra tiền và Canada là một trong những nước hàng đầu thế giới trong lĩnh vực này. Theo tờ Grainswest, Canada cung cấp 12% lượng phân bón cho thế giới và xuất khẩu sang hơn 80 nước. Mỗi năm, ngành phân bón tạo ra 12 tỷ USD trong hoạt động kinh tế và tạo công ăn việc làm cho 12.000 người tại Canada. Vì vậy, dễ hiểu khi Canada có nhiều thành tựu về khoa học, công nghệ trong lĩnh vực này. Một trong số đó là công trình nghiên cứu về phân bón thông minh của nhà khoa học Carlos Monreal thuộc Bộ Nông nghiệp và Thực phẩm nông nghiệp Canada (AAFC).

“Tôi từng tham gia một dự án nghiên cứu phân bón nitơ và thấy rằng rất nhiều nitơ đã bị lãng phí do thấm vào đất mà cây trồng không thể hấp thụ được. Cứ 100USD tiền phân bón của nông dân được đưa xuống đất thì chỉ 30USD đến được vụ mùa. Phần còn lại bị mất đi. Điều đó khiến tôi nảy ra ý định nghiên cứu về việc ngăn chặn thiệt hại này” - ông Monreal cho biết trên tờ Albertabarley.

Trong khi đó, người đồng sự của ông là Maria DeRosa - Giáo sư tại Đại học Carleton (Canada) - cho biết trên tờ Ottawacitizen rằng nông dân Canada mất khoảng 1 tỷ USD mỗi năm cho lượng phân bón bị lãng phí, không bao giờ phát huy tác dụng với cây trồng. “Tệ hơn nữa là phần phân bón bị lãng phí này sẽ kích thích cỏ dại phát triển và tảo nở hoa, gây hại cho cây trồng” - DeRosa nói.

Nhà khoa học Maria DeRosa và sản phẩm phân bón thông minh. (Ảnh: Future Farming).

Từ vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã đi đến ý tưởng phát triển một loại phân bón thông minh chỉ giải phóng nitơ khi cây trồng cần và theo đúng số lượng thích hợp. Họ kỳ vọng sản phẩm này có thể tăng hiệu suất cây trồng từ 30% lên 80%.

Áp dụng công nghệ nano

Tiền đề cơ bản của công nghệ phân bón mới này là sự nắm bắt mối giao tiếp giữa các tế bào sống trong tự nhiên. Trong đất, khi thiếu dinh dưỡng, cây sẽ gửi tín hiệu thông báo. Trong trường hợp thiếu nitơ, sau khi cây gửi tín hiệu hóa học, các vi khuẩn có khả năng biến đổi nitơ trong đất thành dạng mà cây trồng có thể sử dụng sẽ đáp ứng tín hiệu đó bằng cách sản xuất ra ammonium nitrate cho cây. Bằng cách lắng nghe “cuộc hội thoại hóa học” này, ta có thể phát hiện khi nào cây cần thêm nitơ.

Loại phân bón thông minh mà Carlos Monreal và đồng nghiệp đang phát triển có kích thước nano và được bao phủ một lớp polymer với nhiệm vụ bảo vệ phân bón. Lớp phủ này chứa các “cảm biến sinh học nano” - tạo ra một hợp chất hóa học rất cụ thể - cho phép phân được giải phóng khi nhận được tín hiệu hóa học từ rễ cây rằng nó cần bổ sung dinh dưỡng. “Nó giống như một tín hiệu hóa học mà cây trồng sử dụng để “giao tiếp” với môi trường xung quanh” - nhà khoa học Carlos Monreal nói.

Để phát hiện các tín hiệu này, một cảm biến sinh học nano được phát triển. Đây thực chất là một phần DNA gọi là aptamer. “Các aptamer hoạt động giống như antena. Nếu những aptamer này nằm trong một lớp màng polymer, nó có thể được sử dụng để kiểm soát phân bón bên trong lớp phủ khi cây cần. Khi có tín hiệu từ cây trồng, aptamer sẽ kích hoạt cơ chế giải phóng phân bón nitơ được bao bọc ở bên trong hạt polymer” - Monreal nói.

Mỗi loài thực vật đưa ra nhiều tín hiệu hóa học khác nhau, có nghĩa là mỗi sản phẩm phân bón nano thông minh được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu của một loại cây trồng. Đến nay, Monreal và nhóm nghiên cứu của ông đã khám phá tạo ra loại phân bón thông minh hoạt động đối với lúa mì, cải dầu và đang hướng tới cây lúa mạch.

“Một phần của nghiên cứu là phát triển các công cụ cơ khí, kỹ thuật để có thể tạo ra lớp phủ polymer 3D dày hơn 100 nanomet” - ông Monreal cho biết và lý giải thêm rằng lớp phủ đó phải chịu được sự phân hủy sinh học để ngăn ngừa bất kỳ tác động nào của môi trường như mưa hay sự rửa trôi. Nhóm nghiên cứu đang hợp tác với hãng phân bón Agrium và công ty chuyên về nano NanoGrande.

“Nếu mọi việc diễn ra theo kế hoạch, chúng tôi sẽ có nhiều cơ hội làm việc với các nhà sản xuất phân bón quan tâm đến chuyện thương mại hóa công nghệ này. Rất có thể loại phân bón này sẽ đến tay nông dân vào năm 2020” - Maria DeRosa - nhà khoa học thuộc nhóm nghiên cứu - cho biết.