Ảnh minh họa. Công nghệ nano trong nông nghiệp

Biến đổi khí hậu, dân số ngày càng tăng, nhu cầu cạnh tranh về đất đai để sản xuất nhiên liệu sinh học và chất lượng đất suy giảm có nghĩa là việc nuôi sống dân cư trên thế giới ngày càng trở nên khó khăn. Liên hợp quốc (LHQ) ước tính rằng 840 triệu người sẽ bị ảnh hưởng bởi nạn đói vào năm 2030, nhưng các nhà nghiên cứu đã phát triển một lộ trình kết hợp nông nghiệp thông minh và hỗ trợ nano với AI và nghiên cứu máy móc có khả năng thể giúp giảm con số này.

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế từ Đại học Birmingham đã đưa ra các bước cần thiết sau để sử dụng AI nhằm khai thác sức mạnh của vật liệu nano một cách an toàn, bền vững và có trách nhiệm:

Hiểu được tác động của vật liệu nano trong môi trường nông nghiệp - các vật liệu nano có thể tương tác với rễ, lá và đất; Đánh giá tác động chu kỳ sống lâu dài của vật liệu nano trong hệ sinh thái nông nghiệp như ứng dụng lặp đi lặp lại vật liệu nano sẽ ảnh hưởng đến đất như thế nào; Thực hiện cách tiếp cận cấp hệ thống đối với nông nghiệp hỗ trợ nano - sử dụng dữ liệu hiện có về chất lượng đất, năng suất cây trồng và hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng (NUE) để dự đoán cách vật liệu nano sẽ hoạt động trong môi trường; Sử dụng AI và nghiên cứu máy móc để xác định các thuộc tính chính xác sẽ kiểm soát tương tác của vật liệu nano trong môi trường nông nghiệp.

Đồng tác giả nghiên cứu Iseult Lynch, Giáo sư Khoa học nano Môi trường tại Đại học Birmingham, nhận xét: Các ước tính hiện tại cho thấy gần 690 triệu người đang đói - gần 9% dân số thế giới. Việc tìm kiếm các giải pháp nông nghiệp bền vững cho vấn đề này đòi hỏi chúng ta phải có những cách tiếp cận mới và tích hợp kiến thức từ các lĩnh vực đa dạng, chẳng hạn như khoa học vật liệu và tin học. Nông nghiệp chính xác, sử dụng công nghệ nano và trí tuệ nhân tạo, mang lại cơ hội thú vị cho sản xuất lương thực bền vững. Chúng tôi có thể liên kết các mô hình hiện có về chu kỳ dinh dưỡng và năng suất cây trồng với các phương pháp tiếp cận tin học nano để giúp cả cây trồng và đất hoạt động tốt hơn - một cách an toàn, bền vững và có trách nhiệm. Động lực chính cho sự đổi mới trong lĩnh vực nông nghiệp là nhu cầu cung cấp thức ăn cho dân số toàn cầu ngày càng tăng với diện tích đất nông nghiệp ngày càng giảm, đồng thời bảo vệ chất lượng đất và môi trường.

Thâm canh nông nghiệp đã dẫn đến NUE toàn cầu cực kỳ kém, đe dọa nghiêm trọng đến chất lượng môi trường vì một lượng lớn chất dinh dưỡng bị mất vào nước và không khí - làm trái đất nóng lên, với gần 11% lượng khí thải nhà kính toàn cầu đến từ nông nghiệp. Mối quan tâm đặc biệt là sự phát thải dinitơ oxít (khí cười) là kết quả của việc bón quá nhiều nitơ trên đất, có tác dụng gấp 300 lần so với cacbon điôxít trong việc gây ra hiện tượng ấm lên toàn cầu. Khoảng 70% nguồn nhân tạo dinitơ oxít phát thải vào không khí được đóng góp từ ngành nông nghiệp. Phân bón nano cung cấp tiềm năng để nhắm mục tiêu khả năng sinh sản của cây trồng, tăng cường NUE và giảm phát thải dinitơ oxít, do đó có thể giúp hỗ trợ mục tiêu phát thải khí nhà kính bằng không vào năm 2050 theo Đạo luật Biến đổi Khí hậu của Vương quốc Anh.

Nhóm nghiên cứu, bao gồm các chuyên gia từ Học viện Quân sự Hellenic, ở Vari, Hy Lạp và Novamechanics Ltd, ở Nicosia, đảo Síp, cho rằng công nghệ nano mang lại tiềm năng to lớn để nâng cao nông nghiệp theo bốn cách chính: Cải thiện tỷ lệ sản xuất và năng suất cây trồng; Tăng cường sức khỏe của đất và khả năng phục hồi của cây trồng; Nâng cao hiệu quả của các nguồn tài nguyên, chẳng hạn như phân bón, và giảm thiểu ô nhiễm; Phát triển các nhà máy cảm biến thông minh có thể cảnh báo cho nông dân về những vấn đề về môi trường.

Tiến sĩ Peng Zhang tại Đại học Birmingham, nhận xét: Các phương pháp tính toán bao gồm AI và nghiên cứu máy móc sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự tiến bộ của nông nghiệp hỗ trợ nano. Các phương pháp như vậy đã bước đầu tuân thủ quy định đối với việc đánh giá an toàn của vật liệu nano, cho phép phát triển các vật liệu nano an toàn theo thiết kế cho các sản phẩm tiêu dùng và y học. Tích hợp AI và công nghệ nano vào nông nghiệp chính xác sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc khảo sát các thông số thiết kế của vật liệu nano trong sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón đảm bảo tác động tối thiểu đến đất cùng với dư lượng vật liệu nano tối thiểu còn lại trong nông sản - giúp đảm bảo nông nghiệp an toàn và bền vững.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Plants.

Nguồn tham khảo: Peng Zhang, Zhiling Guo, Sami Ullah, Georgia Melagraki, Antreas Afantitis, Iseult Lynch. Nanotechnology and artificial intelligence to enable sustainable and precision agriculture. Nature Plants, 2021; DOI: 10.1038/s41477-021-00946-6

Minh Phương