Pivot Bio đang sử dụng nitơ vi sinh để làm cho nông nghiệp bền vững hơn.
Sản phẩm nitơ do công ty này phát triển, được đồng sáng lập bởi Giáo sư Chris Voigt, đang được sử dụng trên hàng triệu mẫu đất nông nghiệp của Mỹ.
Zach Winn | Tin tức MIT
Quy trình Haber-Bosch, chuyển đổi nitơ trong khí quyển để tạo ra phân bón amoniac, đã cách mạng hóa nông nghiệp và giúp nuôi sống dân số thế giới đang tăng lên, nhưng nó cũng tạo ra những vấn đề môi trường lớn. Đây là một trong những quy trình hóa học tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trên thế giới, chiếm 1-2% tổng lượng tiêu thụ năng lượng toàn cầu. Nó cũng giải phóng oxit nitơ, một loại khí nhà kính mạnh gây hại cho tầng ozone. Lượng nitơ dư thừa cũng thường xuyên chảy từ các trang trại vào các nguồn nước, gây hại cho sinh vật biển và làm ô nhiễm nước ngầm.
Thay vì phân bón tổng hợp, Pivot Bio đã thiết kế các vi sinh vật sản xuất nitơ để làm cho nông nghiệp bền vững hơn. Công ty Pivot, được đồng sáng lập bởi Giáo sư Chris Voigt, Karsten Temme và Alvin Tamsir, đã thiết kế các vi sinh vật của mình để phát triển trên rễ cây, nơi chúng hấp thụ đường trong rễ và cung cấp nitơ một cách chính xác.
Các quần thể vi sinh vật của Pivot phát triển cùng với cây và sản xuất nhiều nitơ hơn vào đúng thời điểm cây cần, giảm thiểu lượng nitơ thất thoát.
“Trước đây, chúng ta cung cấp chất dinh dưỡng để hỗ trợ sự phát triển của cây trồng bằng phân bón, nhưng đó là một cách không hiệu quả để có được tất cả các chất dinh dưỡng cần thiết,” Temme, giám đốc đổi mới của Pivot, cho biết. “Giờ đây, chúng tôi có khả năng giúp nông dân canh tác hiệu quả và năng suất hơn bằng vi sinh vật.”
Nông dân có thể thay thế tới 40 pound nitơ truyền thống trên mỗi mẫu Anh bằng sản phẩm của Pivot, tương đương với khoảng một phần tư tổng lượng nitơ cần thiết cho một loại cây trồng như ngô.
Các sản phẩm của Pivot hiện đang được sử dụng để trồng ngô, lúa mì, lúa mạch, yến mạch và các loại ngũ cốc khác trên hàng triệu mẫu Anh đất nông nghiệp của Mỹ, giúp loại bỏ hàng trăm nghìn tấn CO2 tương đương trong quá trình này. Tác động của công ty càng nổi bật hơn khi xét đến nguồn gốc không ngờ tới của nó, bắt nguồn từ một trong những thời điểm khó khăn nhất trong sự nghiệp của Voigt.
Một bước ngoặt từ tuyệt vọng
Khởi đầu sự nghiệp của mỗi giảng viên đều có thể là thời điểm "sống còn", và theo lời kể của chính Voigt, ông đã suýt chìm. Là một trợ lý giáo sư mới vào nghề tại Đại học California ở San Francisco, Voigt đã phải vật lộn để thành lập phòng thí nghiệm của mình, thu hút nguồn tài trợ và bắt đầu các thí nghiệm.
Khoảng năm 2008, Voigt tham gia một nhóm nghiên cứu từ Đại học California ở Berkeley đang viết đề xuất xin tài trợ tập trung vào vật liệu quang điện. Vai trò ban đầu của ông khá nhỏ, nhưng một nhà nghiên cứu cấp cao đã rút khỏi nhóm một tuần trước khi đề xuất phải được nộp, vì vậy Voigt đã đảm nhận vai trò đó.
“Tôi nói ‘Tôi sẽ hoàn thành phần này trong một tuần’”, Voigt nhớ lại. “Đó là cơ hội lớn của tôi.”
Trong bản đề xuất, Voigt đã trình bày chi tiết một kế hoạch đầy tham vọng nhằm sắp xếp lại hệ gen của các hệ thống quang hợp sinh học để làm cho chúng hiệu quả hơn. Ông đã nộp nó sát nút hạn chót.
Vài tháng trôi qua, cuối cùng bản đánh giá đề xuất cũng được gửi về. Voigt vội vã đến cuộc họp với một số nhà nghiên cứu cấp cao nhất tại UC Berkeley để thảo luận về các phản hồi.
“Phần đề xuất của tôi bị chỉ trích dữ dội,” Voigt nói. “Có khoảng 15 bài đánh giá về nó — chúng dài hơn cả bản đề xuất — và cứ thế lần lượt chỉ trích đề xuất của tôi. Tất cả những người nổi tiếng nhất đều có mặt trong cuộc họp này, những người sẽ trở thành bộ trưởng năng lượng tương lai, những nhà lãnh đạo tương lai của trường đại học, và điều đó thật sự đáng xấu hổ. Sau cuộc họp đó, tôi đã cân nhắc việc rời bỏ giới học thuật.”
Vài tháng sau đó, trong tâm trạng chán nản, Voigt nhận được cuộc gọi từ Paul Ludden, trưởng khoa Khoa học tại UC Berkeley. Ông ấy muốn nói chuyện.
“Khi tôi bước vào văn phòng của Paul, ông ấy đang đọc đề xuất của tôi,” Voigt nhớ lại. “Ông ấy kéo tôi ngồi xuống và nói, ‘Mọi người đều nói với tôi rằng điều này thật tệ.’ Tôi nghĩ, ‘Trời ơi.’ Nhưng rồi ông ấy nói, ‘Tôi nghĩ có điều gì đó đáng chú ý ở đây. Ý tưởng của anh rất tốt, chỉ là anh đã chọn sai hệ thống mà thôi.’”
Ludden tiếp tục giải thích với Voigt rằng ông nên áp dụng ý tưởng trao đổi gen của mình vào quá trình cố định nitơ. Ông thậm chí còn đề nghị cử một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ từ phòng thí nghiệm của mình, Dehua Zhao, đến giúp đỡ Voigt. Voigt đã ghép Zhao với Temme, và quả nhiên, bài báo năm 2011 về công trình của họ đã được cộng đồng nghiên cứu về cố định nitơ đón nhận nồng nhiệt.
“Cố định nitơ là mục tiêu tối thượng của các nhà khoa học, nhà nông học và nông dân trong gần một thế kỷ, kể từ khi ai đó phát hiện ra vi sinh vật đầu tiên có thể cố định nitơ cho các loại cây họ đậu như đậu nành,” Temme nói. “Mọi người luôn nói rằng một ngày nào đó chúng ta sẽ có thể làm được điều này cho các loại cây ngũ cốc. Điều thú vị với Pivot là đây là lần đầu tiên công nghệ này trở nên dễ tiếp cận.”
Voigt chuyển đến MIT vào năm 2010. Khi bài báo được công bố, ông đã thành lập Pivot Bio cùng với Temme và một nhà nghiên cứu khác của Berkeley, Alvin Tamsir. Kể từ đó, Voigt, hiện là Giáo sư Daniel I.C. Wang tại MIT và là trưởng Khoa Kỹ thuật Sinh học, đã tiếp tục hợp tác với Piv.
Không phải tập trung vào những việc như tăng sản lượng nitơ, làm cho các chủng vi sinh vật ổn định hơn, và làm cho chúng có thể phản ứng với các tín hiệu khác nhau từ cây trồng. Pivot đã được cấp phép công nghệ từ MIT, và nghiên cứu cũng nhận được sự hỗ trợ từ Phòng thí nghiệm Hệ thống Nước và Thực phẩm Abdul Latif Jameel (J-WAFS) của MIT.
Mục tiêu đầu tiên của Pivot là đạt được sự chấp thuận của cơ quan quản lý và chứng minh năng lực của mình trên thị trường. Để được chấp thuận tại Hoa Kỳ, nhóm nghiên cứu của Pivot tập trung vào việc sử dụng DNA từ chính sinh vật đó thay vì đưa vào DNA hoàn toàn mới, điều này giúp đơn giản hóa quy trình phê duyệt. Họ cũng hợp tác với các đại lý hạt giống ngô độc lập để đưa sản phẩm đến các trang trại. Việc triển khai ban đầu diễn ra vào năm 2019.
Nông dân sử dụng sản phẩm của Pivot khi gieo trồng, dưới dạng chất lỏng được phun lên đất hoặc dạng bột khô được làm ẩm lại và phủ lên hạt giống. Các vi sinh vật sống trên bề mặt hệ rễ đang phát triển, ăn đường trong cây và giải phóng nitơ trong suốt vòng đời của cây.
“Hiện nay, các vi sinh vật của chúng tôi chỉ chiếm một phần nhỏ tổng lượng đường do cây cung cấp,” Temme giải thích. “Chúng cũng chia sẻ amoniac với cây trồng, và tất cả những điều đó chỉ là một phần nhỏ trong những gì khả thi về mặt kỹ thuật. Nhóm của chúng tôi luôn cố gắng tìm ra cách để làm cho các vi sinh vật đó hiệu quả hơn trong việc thu nhận năng lượng cần thiết để phát triển hoặc trong việc cố định nitơ và chia sẻ nó với cây trồng.”
Năm 2023, Pivot đã khởi động chương trình N-Ovator để kết nối các công ty với những người trồng trọt thực hành canh tác bền vững bằng cách sử dụng nitơ vi sinh của Pivot. Thông qua chương trình này, các công ty mua tín dụng nitơ và nông dân có thể được trả tiền bằng cách xác minh các thực hành của họ. Chương trình này đã được Tạp chí Time bình chọn là một trong những Phát minh của năm ngoái và đã trả hàng triệu đô la cho nông dân cho đến nay.
Nitơ vi sinh và hơn thế nữa
Hiện tại, Pivot đang bán sản phẩm cho nông dân trên khắp Hoa Kỳ và hợp tác với các nông dân nhỏ ở Kenya. Công ty cũng hy vọng sẽ được phê duyệt giải pháp vi sinh của mình tại Brazil và Canada, những thị trường mà họ hy vọng sẽ là tiếp theo.
“Làm thế nào để chúng ta có thể tạo ra lợi ích kinh tế cho tất cả mọi người — nông dân, đối tác của chúng tôi và công ty?” Temme nói về sứ mệnh của Pivot: “Bởi vì đây thực sự có thể là một công nghệ giảm phát, lật đổ phương pháp sản xuất phân bón truyền thống rất tốn kém.”
Nhóm của Pivot cũng đang mở rộng sản phẩm sang cây bông, và Temme cho biết vi sinh vật có thể là nguồn nitơ cho bất kỳ loại cây trồng nào trên hành tinh. Xa hơn nữa, công ty tin rằng họ có thể giúp nông dân bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết khác để giúp cây trồng phát triển.
“Bây giờ chúng tôi đã thiết lập được công nghệ của mình, làm thế nào Pivot có thể giúp nông dân vượt qua tất cả những hạn chế khác mà họ gặp phải với chất dinh dưỡng cây trồng để tối đa hóa năng suất?” Temme hỏi. “Điều đó thực sự bắt đầu thay đổi cách người nông dân suy nghĩ về việc quản lý toàn bộ diện tích đất canh tác từ góc độ giá cả, năng suất và tính bền vững.”
