Khi còn là một đứa trẻ vào giữa những năm 1960, tôi đã trải qua những ngày sống cuộc sống nông thôn bình dị tại một trang trại bò sữa ở làng Lewdown ở trung tâm Devon. Tôi nhớ lại nhiều ngày hạnh phúc khi khám phá vùng quê huy hoàng, sống một cuộc sống cân bằng với thiên nhiên và môi trường – hoặc ít nhất, đó là cảm giác của tôi.
Nhưng tôi cũng nhớ cái hố bùn lúc nào cũng đầy phân ở cuối chuồng bò của chúng tôi. Nó không được rào lại, và mẹ tôi thường xuyên nhắc nhở tôi rằng đi lạc quá gần có thể đồng nghĩa với chết đuối trong cái mà về bản chất là một cái thùng khổng lồ toàn phân bò hôi hám. Là một đứa trẻ năm tuổi, tôi vẫn rõ ràng.
Điều chúng tôi không biết là hố phân trang trại này không chỉ gây nguy hiểm cho tôi mà còn cho môi trường của chúng tôi. Phân chuồng, thường được trả lại cho đất dưới dạng phân bón dinh dưỡng mà không tính đến các tác động rộng lớn hơn của nó , giải phóng các khí nhà kính bao gồm khí mê-tan, carbon dioxide và oxit nitơ cũng như các khí nitơ có hại khác như amoniac. Nó cũng có thể dẫn đến dòng chảy giàu nitơ vào các nguồn nước, gây ô nhiễm sông, hồ và bờ biển – với tác động dây chuyền đến tỷ lệ tử vong của cá và ngành du lịch.
Tóm lại, những gì tôi nghĩ là một tuổi thơ bình dị, sống trong một trang trại cân bằng với thiên nhiên, không hoàn toàn như vậy. Sau đó, với tư cách là một nhà sinh học, tôi đã dành phần lớn cuộc đời mình để nghiên cứu các vi sinh vật có thể giúp duy trì một hành tinh khỏe mạnh. Gần 60 năm sau, tôi thấy mình đang lãnh đạo một dự án tiên phong trên toàn châu Âu chuyên biến rác thải có khả năng gây hại thành thứ gì đó tích cực. Trong quá trình này, chúng ta có thể giúp xây dựng một “ nền kinh tế tuần hoàn ” giúp tái tạo thiên nhiên và giữ cho các vật liệu được lưu thông. Và trung tâm của công việc này là một số sinh vật cực nhỏ đáng chú ý – “vàng xanh” của chúng ta.
Đá quý của thiên nhiên
Tất cả chúng ta đều biết tầm quan trọng của cây cối đối với việc cô lập carbon , nhưng chúng ta có xu hướng bỏ qua hai phần ba hành tinh của chúng ta được bao phủ bởi nước. Biển và đại dương của chúng ta chứa đầy các sinh vật có vai trò quan trọng như nhau đối với chu kỳ sống của Trái đất, nhưng vì chúng khó nhìn thấy bằng mắt thường hơn so với thực vật trên cạn nên chúng ta phần lớn bỏ qua chúng.
Vi tảo - đừng nhầm lẫn với tảo vĩ mô (rong biển) - có rất nhiều ở biển, hồ và sông nước ngọt của chúng ta. Những sinh vật nhỏ bé này là những “ nhà sản xuất chính ” quan trọng trên hành tinh của chúng ta, hoạt động như những nhà máy sản xuất sinh khối. Chúng sử dụng ánh sáng mặt trời thông qua quá trình quang hợp để chuyển đổi các phân tử vô cơ (carbon dioxide, chất dinh dưỡng và nước) thành protein, chất béo và carbohydrate, cùng với một loạt các hợp chất hữu cơ khác giúp chúng phát triển và tồn tại. Những vi sinh vật nhỏ bé này hỗ trợ mọi sự sống trong đại dương của chúng ta và với tốc độ quay vòng cao của chúng, chúng đóng góp vào khoảng 50% sản lượng chính của hành tinh.
Thực sự có hàng trăm nghìn loài vi tảo. Một nhóm thường xuất hiện là tảo cát, trong đó ước tính có khoảng 20.000 loài. Với những bức tường tế bào giống như bông tuyết, phức tạp đẹp mắt làm bằng thủy tinh, tảo cát là những viên ngọc thực sự của tự nhiên. Một nhóm phổ biến khác là coccolithophores, được bao phủ bởi các tấm phấn canxi cacbonat phức tạp, giống như đĩa bay. Trong thời kỳ kỷ Phấn trắng, kết thúc cách đây 66 triệu năm, những bông hoa coccolithophores khổng lồ đã hình thành nên những vách đá trắng của Dover.
Vì vi tảo không có rễ, lá và thân nên chúng có thể sử dụng carbon dioxide và chất dinh dưỡng hiệu quả hơn so với thực vật trên cạn, cho phép chúng phát triển nhanh hơn. Chúng có thể được trồng và thu hoạch tương đối dễ dàng để sản xuất cây trồng sinh khối (“nuôi trồng tảo”) có thể được sử dụng làm thực phẩm hoặc năng lượng sinh học. Sinh khối tảo cũng chứa nhiều loại phân tử hữu ích có thể được sử dụng trong nhựa sinh học, nhiên liệu sinh học, sản phẩm y tế, mỹ phẩm và thành phần thực phẩm.
Sự đánh giá cao ngày càng tăng của tôi đối với những vi sinh vật hấp dẫn này, với khả năng tuyệt vời của chúng để phát triển trên các chất dinh dưỡng bị lãng phí và tạo ra thứ gì đó hữu ích, đã truyền cảm hứng cho tôi muốn giúp giải quyết các thách thức kép toàn cầu về tính bền vững và bảo vệ môi trường. Đối với tôi, việc sử dụng “vàng xanh” của thiên nhiên để làm sạch các chất dinh dưỡng thừa đồng thời sản xuất thức ăn chăn nuôi bền vững và các sản phẩm khác dường như là điều không cần bàn cãi.
Quay trở lại những năm 70, tôi nhớ lại giáo viên sinh học trình độ A của mình, ông Montague, đã giới thiệu cho chúng tôi về chu trình carbon và nitơ và giải thích tầm quan trọng của sự cân bằng của từng chu trình này đối với sự sống trên hành tinh của chúng ta. Tôi thậm chí còn nhớ anh ấy nói về hiệu ứng nhà kính và nhiệt độ tăng. Nhưng lúc đó chúng ta đã không nhận ra mối đe dọa của biến đổi khí hậu liên quan đến carbon dioxide nghiêm trọng như thế nào - hoặc nitơ sẽ nổi lên như một tác nhân chính gây ra những thách thức môi trường phức tạp mà chúng ta phải đối mặt ngày nay.
Hướng tới nền kinh tế tuần hoàn
Để có hy vọng đạt được các mục tiêu về biến đổi khí hậu toàn cầu và đạt được trạng thái cân bằng bền vững, chúng ta cần hướng tới một nền kinh tế tuần hoàn giúp loại bỏ chất thải và ô nhiễm, duy trì lưu thông vật liệu và tái tạo thiên nhiên. Điều này phải thay thế mô hình “sử dụng và loại bỏ” tuyến tính hiện tại của chúng tôi, mô hình đã dẫn đến các chu trình dinh dưỡng không cân bằng.
Để giải quyết vấn đề này, nông dân, ngành công nghiệp thực phẩm và các công ty xử lý nước thải đang ngày càng chuyển sang sử dụng phương pháp phân hủy kỵ khí (AD) để xử lý chất thải của họ. AD là một quá trình tự nhiên trong đó vi khuẩn trong các bể lớn được gọi là chất tiêu hóa ăn chất thải hữu cơ - nước thải, chất thải thực phẩm, phân trang trại và chất thải nông nghiệp khác - để tạo ra khí sinh học, giàu carbon và hydro, có thể được thu giữ và sử dụng để tạo ra năng lượng tái tạo điện và nhiệt.
Thành phần nitơ của chất thải hữu cơ được giữ lại trong một chất lỏng đặc gọi là chất tiêu hóa, có thể được nông dân trả lại đất dưới dạng phân bón được sản xuất tự nhiên – tốt hơn so với phân bón tổng hợp được sản xuất bằng các quy trình sử dụng nhiều năng lượng và thải ra CO₂. Tuy nhiên, khi ngành công nghiệp AD đã mở rộng, do đó, sản lượng tăng lên và sự trở lại của chất tiêu hóa đối với đất có nguy cơ gây ô nhiễm chất dinh dưỡng.
Do đó, nhiều khu vực ở Vương quốc Anh và Châu Âu hiện đang bị hạn chế bởi Chỉ thị Nitrat và luật về vùng dễ bị tổn thương nitrat (NVZ), được đưa ra để ngăn ngừa ô nhiễm do sử dụng quá nhiều nitơ trả lại cho đất. Hiện tại, 55% đất đai ở Anh được chỉ định là một NVZ, trong khi toàn bộ xứ Wales đang trong quá trình trở thành một khu vực như vậy.
Một cách để vượt qua thách thức pháp lý này là sử dụng vi tảo. Và vì vậy, vào năm 2017, dự án kinh tế tuần hoàn trên toàn châu Âu của chúng tôi có tên là ALG-AD đã ra đời. Mục tiêu cuối cùng là chuyển đổi nitơ gây rủi ro cho môi trường thành vi tảo có thể được sử dụng trong thức ăn chăn nuôi bền vững, thay thế các nguồn thức ăn sử dụng nhiều tài nguyên hiện có trong quá trình này. Sử dụng nguồn tài trợ từ chương trình INTERREG Tây Bắc Châu Âu , Đại học Swansea đã hợp tác với mười tổ chức khác trên khắp Tây Bắc Châu Âu – một khu vực nông nghiệp tập trung đông dân cư và đặc biệt dễ bị ô nhiễm nitrat trong nước ngầm. Toàn bộ Bỉ, Đức, Hà Lan và Đan Mạch cũng đã được chỉ định là NVZ.
Bằng cách tái chế nitơ không mong muốn thành một thứ gì đó hữu ích, chúng ta có thể ngăn không cho nó thoát ra ngoài khí quyển và vào các nguồn nước, do đó giảm ô nhiễm cho cả đất và khí quyển. Vi tảo chuyển đổi nitơ một cách tự nhiên thành protein và các phân tử dinh dưỡng khác có thể được sử dụng trở lại trong chuỗi thức ăn. Năm năm kể từ khi khởi động dự án, chúng tôi đã chứng minh rằng một giải pháp kinh tế tuần hoàn như vậy là khả thi ở quy mô công nghiệp.
Một nguồn protein mới
Sự tăng trưởng dự kiến của dân số hành tinh trong nửa thế kỷ tới có nghĩa là sản lượng lương thực toàn cầu dự kiến sẽ tăng ít nhất 50%. Tất cả chúng ta cũng được khuyến khích giảm tiêu thụ protein thịt để giảm phát thải khí nhà kính và nạn phá rừng. Do đó, các nguồn protein mới là ưu tiên hàng đầu và vi tảo là đối thủ mạnh. Các công ty như Nestlé đã nghiên cứu vi tảo như một nguồn protein thay thế, vừa là thức ăn chăn nuôi vừa là thực phẩm cho con người.
Trong khi ngành công nghiệp sản xuất vi tảo vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, khả năng sản xuất một nguồn protein mới mà không gặp các vấn đề liên quan đến thịt và đậu nành là rất hấp dẫn. Hơn nữa, việc có thể nuôi trồng vi tảo gần nơi chúng sẽ được nông dân sử dụng làm thức ăn chăn nuôi mang lại một lợi thế khác biệt.
Một thách thức lớn đối với dự án châu Âu của chúng tôi là thử nghiệm công nghệ này để phát triển ở quy mô hoạt động đầy đủ. Do đó, chúng tôi đã làm việc trực tiếp với ngành công nghiệp AD khi ngành này xử lý chất thải thực phẩm và trang trại, cung cấp cho chúng tôi nitơ được sản xuất công nghiệp (trong chất tiêu hóa) để nuôi trồng vi tảo của chúng tôi.
Lò phản ứng quang sinh học Algal 7.000 L, được xây dựng trong nhà kính được sưởi ấm tại Langage-AD ở Devon. Ảnh: Claudio Fuentes- Grünwald , Tác giả cung cấp
Tại Vương quốc Anh, chỉ cách trang trại Devon 30 dặm mà tôi đã sống khi còn nhỏ, chúng tôi đã xây dựng một cơ sở thử nghiệm “tảo-AD” tại một công ty AD nằm cạnh Trang trại bơ sữa Langage. Langage-AD có khả năng xử lý 20.000 tấn chất thải thực phẩm mỗi năm, tạo ra khí mê-tan sinh học để tạo ra nhiệt và điện. Chúng tôi được cung cấp một nhà kính lớn, có hệ thống sưởi nằm ngay bên cạnh nơi xử lý chất thải. Đây là vị trí lý tưởng cho “lò phản ứng quang sinh học tảo” của chúng tôi, một loạt các ống thẳng đứng trong suốt, trong đó vi tảo được phát triển trong môi trường nước chứa chất dinh dưỡng tiếp xúc với cả ánh sáng ban ngày và ánh sáng nhân tạo.
Hai cơ sở phản ứng quang sinh học chị em đã được xây dựng ở Brittany ở Pháp và Ghent ở Bỉ. Tất cả các đối tác đã thực hiện các nghiên cứu chuyên sâu để xác định cách xử lý tốt nhất chất tiêu hóa và tối ưu hóa sự hấp thu chất dinh dưỡng . Quá nhiều và chúng tôi thấy rằng vi tảo của chúng tôi không thích nó; quá ít và không nhiều xảy ra.
Cơ sở nuôi trồng tảo tại Langage-AD.
Một cách đầy hứa hẹn, chúng tôi đã phát hiện ra rằng vi tảo phát triển trên chất tiêu hóa giàu protein hơn so với vi tảo phát triển trên các chất dinh dưỡng vô cơ được sử dụng phổ biến hơn, với mức protein lên tới khoảng 80% tổng sinh khối được tạo ra. Con số này cao hơn gấp đôi lượng protein có trong thịt và các sản phẩm từ đậu nành. Trong một thế giới mà tình trạng thiếu protein ngày càng gia tăng và người ta tìm kiếm các lựa chọn thay thế cho thịt, thì đây là một phần thưởng thực sự.
Hiện nay, khoảng 75% sản lượng đậu tương trên thế giới được sử dụng làm nguồn protein trong thức ăn chăn nuôi. Cũng như sản xuất thịt bò, sản xuất đậu nành đã được xem xét kỹ lưỡng vì vai trò của nó trong nạn phá rừng, đặc biệt là ở Brazil và Argentina. Ngoài ra, việc vận chuyển đậu nành trên toàn cầu tạo ra lượng khí thải carbon rất lớn. Trên hết, việc vận chuyển đậu nành đến các khu vực nông nghiệp cao làm xáo trộn sự cân bằng nitơ toàn cầu, dẫn đến “điểm nóng dinh dưỡng” và sự gia tăng NVZ.
Các nghiên cứu của chúng tôi đã xác nhận tiềm năng của vi tảo như một nguồn protein để bổ sung và thay thế protein đậu nành. Tuy nhiên, quy mô nuôi trồng vi tảo hiện chưa đủ lớn để tạo ra tác động đáng kể đến thị trường đậu nành. Do đó, các thí nghiệm thử nghiệm thức ăn chăn nuôi thực tế của chúng tôi cho đến nay tập trung vào việc thử nghiệm vi tảo như một loại thực phẩm bổ sung, để cải thiện sức khỏe của heo con và cá . Nhưng chúng tôi biết rằng thị trường thức ăn chăn nuôi và nguyên liệu làm từ tảo sẽ phát triển nhanh chóng .
Triển khai các công nghệ sinh học mới này
Cho đến nay ở Vương quốc Anh, chúng tôi đã tập trung vào hai loài vi tảo xanh nước ngọt phổ biến, Chlorella Vulgaris và Scenedesmus obliquus (cả hai đều thuộc ngành Chlorophyta). Cả hai loài đều chứa hàm lượng protein tốt và một loạt các phân tử có đặc tính có lợi cho sức khỏe mà chúng ta vẫn đang khám phá.
Nhưng một điều tuyệt vời khác về vi tảo là sự đa dạng của chúng. Có hàng chục ngàn loài khác với nhiều hình dạng và chức năng ngoạn mục, vẫn đang chờ được khám phá.
Giờ đây, được hỗ trợ bởi nền tảng nghiên cứu của chúng tôi, các doanh nghiệp tiên phong, cơ quan quản lý và nhà đầu tư phải hợp tác cùng nhau để cho phép triển khai rộng rãi hơn các công nghệ sinh học mới này. Khi chúng ta chuyển sang một xã hội và nền kinh tế tuần hoàn hơn tuyến tính, sử dụng chất thải đồng thời ngăn ngừa ô nhiễm môi trường, có vẻ như vi tảo sẽ trở nên quen thuộc hơn với tất cả chúng ta dưới hình thức này hay hình thức khác.
Dự án của chúng tôi đã chứng minh rằng vi tảo có tiềm năng mạnh mẽ trong việc giúp giảm các vấn đề liên quan đến an ninh lương thực như khan hiếm đất, biến đổi khí hậu và sử dụng phân bón không hiệu quả và không bền vững, cũng như rò rỉ chất dinh dưỡng và ô nhiễm nước. Khi làm như vậy, chúng có thể được sử dụng để nâng cao tiêu chuẩn môi trường ở Châu Âu và trên toàn thế giới. Thật vậy, công việc của chúng tôi hỗ trợ Thỏa thuận xanh châu Âu được công bố gần đây , thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn và bảo vệ thiên nhiên, cũng như Chính sách nông nghiệp chung mới với sự nhấn mạnh vào các phương pháp canh tác thân thiện với môi trường và sinh thái nông nghiệp.
Trong giai đoạn 2023-27, Chính sách nông nghiệp chung (CAP) sẽ được xây dựng xung quanh 10 mục tiêu chính này. EC
Tuy nhiên, nó vẫn còn là những ngày tương đối sớm. Như với bất kỳ công nghệ liên quan đến chất thải nào, pháp luật và quy định cần được xem xét cẩn thận . Hiện tại, cách đơn giản nhất là sử dụng chất thải từ thực vật được tiêu hóa kỵ khí thay vì chất thải từ động vật, do đó loại bỏ khả năng bất kỳ chất thải động vật hoặc ô nhiễm động vật nào quay trở lại chuỗi thức ăn.
Chúng tôi cũng muốn tăng cường hơn nữa sự hấp thu chất tiêu hóa vào tảo và giống như bất kỳ công nghệ mới và đang phát triển nào, chúng tôi cần phải cân bằng giữa chi phí và lợi ích môi trường tổng thể. Để đạt được điều này, chúng tôi đang thu thập kết quả từ toàn bộ quan hệ đối tác và hợp nhất dữ liệu của chúng tôi để sử dụng trong phân tích vòng đời . Điều này cũng sẽ cho phép nông dân, nhà sản xuất thực phẩm và các ngành công nghiệp khác có quan tâm quyết định xem công nghệ đó có dành cho họ hay không và họ có thể đạt được điều gì tốt nhất theo nhu cầu cụ thể của mình.
Một cách khác mà vi tảo có thể được sử dụng để hỗ trợ trong nông nghiệp là làm chất kích thích sinh học – các sản phẩm tự nhiên, khi được sử dụng với số lượng nhỏ sẽ tăng cường hấp thu dinh dưỡng và cải thiện khả năng chịu đựng căng thẳng, do đó làm giảm nhu cầu sử dụng phân bón hóa học. Chúng tôi cũng đang nghiên cứu sâu hơn về nhiều thành phần có giá trị khác trong các tế bào vi tảo, bao gồm các phân tử có lợi ích như bộ điều biến miễn dịch của con người và động vật , thuốc chống viêm và thuốc kháng vi-rút. Toàn bộ lợi ích của vi tảo để sản xuất các sản phẩm mới chỉ chờ được gặt hái.
Trớ trêu thay, trong suốt cuộc đời làm việc của mình, tôi đã không thực sự chú ý đến lời khuyên của mẹ tôi những năm trước, đó là tránh xa hỗn hợp các chất dinh dưỡng nguy hiểm đang ủ trong hố phân ở cuối chuồng bò của chúng tôi. Nhưng tôi muốn nghĩ rằng, khi không làm như vậy, tôi đã là một phần của cuộc cách mạng trong cách chúng ta coi trọng và xử lý chất thải, đảm bảo rằng các chất dinh dưỡng có giá trị trong phân bò và chất thải hữu cơ khác ngày càng có thể được sử dụng vì lợi ích của chúng ta. , và hành tinh của chúng ta.
