Giảm khí phát thải từ vi khuẩn khử nitrate

Phân đạm có thể tạo ra nitrous oxide – một trong những loại khí chính gây ra hiệu ứng nhà kính.

Fritz Haber là người hùng hay kẻ phản diện? Haber đã giành giải Nobel Hóa học vào năm 1918 nhờ đóng góp trong phát triển quy trình Haber-Bosch – phương pháp tạo ra ammonia từ nitrogen trong không khí. Phương pháp này đã làm thay đổi ngành nông nghiệp, khi người dân không còn phụ thuộc vào phân chim hay phân chuồng để sản xuất phân đạm nữa. Quy trình này còn được công nhận rộng rãi vì đã cứu hàng triệu người khỏi nạn đói. Khoảng một nửa nguồn cung thực phẩm trên toàn thế giới hiện nay sử dụng phân bón được sản xuất bằng phương pháp này. Và khoảng một nửa số nguyên tử nitrogen trong cơ thể chúng ta là đến từ đó.

Do hiệu quả mà chúng mang lại, người dân lại thường lạm dụng loại phân bón này. Điều này cũng khiến cho nông nghiệp trở thành tác nhân gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Phân đạm thải ra khí nhà kính – nitrous oxide có khả năng giữ nhiệt gấp gần 300 lần so với carbon dioxide và tồn tại trong khí quyển trong vòng 100 năm. Vi sinh vật trong đất chuyển hoá phân đạm thành nitrous oxide. Vì vậy, phân đạm được sử dụng càng nhiều, nitrous oxide bị thải ra càng lớn.

Nitrogen dư thừa từ nông nghiệp len lỏi vào các nguồn nước dưới dạng nitrate, gây ra hiện tượng “nước nở hoa” (tảo sinh sản với số lượng lớn) khiến các sinh vật biển không thể sống vì thiếu oxy.

Để giảm lượng khí thải từ các trang trại, người dân cần phải sử dụng phân bón một cách hợp lý. Nhưng giống với nhiên liệu hóa thạch, kháng sinh và nhựa, để làm được điều đó thật khó. Thay vào đó, chúng ta lại sử dụng chúng một cách bừa bãi và quá mức. Tuy nhiên, ngay cả khi chúng ta sử dụng phân bón ít đi, một phương pháp duy nhất để giảm lượng khí thải nhà kính là chưa đủ. Chúng ta phải làm mọi cách để bảo vệ môi trường.

Vi khuẩn khử nitrate giảm lượng nitrous oxide trong đất bằng cách chuyển hoá chúng thành dạng phân tử nitrogen có trong không khí. Những vi khuẩn này sử dụng nitrous oxide như một chất oxy hóa để hô hấp trong điều kiện thiếu hoặc không có oxy. Vì vậy, có thể thêm các vi khuẩn khử nitrate này vào đất để giảm lượng khí nitrous oxide thải ra.

Thay đổi hệ vi sinh vật của đất cũng khó như thay đổi hệ vi sinh trong cơ thể chúng ta. Vì vậy, thay vì cố gắng thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn khử nitrate có sẵn trong đất, các nhà nghiên cứu quyết định nuôi chúng từ bên ngoài rồi mới cấy vào trong đất. Để làm được điều đó, họ sử dụng nước thải được xử lý một phần, gọi là digestate – chất được sử dụng làm phân bón hữu cơ. Giữ digestate trong điều kiện không có oxy giúp vi khuẩn hấp thụ nitrogen phát triển.

Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào chủng vi khuẩn này vì chúng có enzyme cần thiết giúp phân giải nitrous oxide và không có các enzyme khác để tạo ra hợp chất nitrogen. Mặc dù không phải chủng nhanh nhất, vi khuẩn khử nitrate lại hấp thụ nitrogen hiệu quả nhất: không chỉ ở dưới lòng đất, chủng này còn hoạt động tốt trên cả mặt đất, nơi có nhiều oxy. 

Khi digestate được trộn vào đất, lượng khí thải do phân bón gây ra giảm từ 50-95%, tùy thuộc vào độ pH và hàm lượng carbon hữu cơ của đất. Hiệu quả này kéo dài suốt mùa vụ. Vi khuẩn hấp thụ nitrogen được thêm vào gần như không gây ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật có sẵn trong đất. Đồng thời, chúng không mang gen kháng kháng sinh hoặc khả năng gây bệnh, phù hợp để sử dụng trong nông nghiệp. Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên cứu về việc liệu các vi khuẩn này có làm ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng hay không.

Sau khi sử dụng mô hình toán học về lượng khí thải trong tương lai, các nhà nghiên cứu kết luận rằng thêm các vi khuẩn khử nitrate vào đất có thể giảm lượng khí thải nitrous oxide đến 60%. Và nếu loại vi khuẩn này được thêm vào tất cả các hệ thống phân bón lỏng ở châu Âu, lượng khí thải nitrous oxide nhân tạo có thể giảm từ 3-4%.