Các công nghệ cao định hình ngành nông nghiệp (05/04/2018)
Trong những năm qua, dân số trên thế giới tăng nhanh, ảnh hưởng biến đổi khí hậu, tăng nhu cầu năng lượng, tốc độ đô thị hóa nhanh, khan hiếm nguồn lực… là những thách thức lớn đối với ngành nông nghiệp toàn cầu. Việc áp dụng công nghệ cao trong nông nghiệp đã có tác động tích cực đối với năng suất, chất lượng sản phẩm và môi trường sống. Tuy nhiên, không phải lúc nào áp dụng công nghệ cũng thành công như mong muốn, bởi sự đa dạng của thông số ảnh hưởng đến năng suất của cây trồng và vật nuôi. Chính vì vậy, những cải tiến trong di truyền thực vật và động vật cần được lồng ghép giữa chi phí và công nghệ để có hiệu quả cao nhất trong quản lý sâu bệnh, đất, dinh dưỡng động vật và nước.
Dân số thế giới dự kiến sẽ tăng từ 7,5 tỷ người năm 2017 lên 8,1 tỷ năm 2025. Trong đó, 6,7 tỷ người sống ở các nước đang phát triển và 1,4 tỷ người sống ở các nước phát triển. Đây là một trong những yếu tố thúc đẩy sự tiêu thự hàng hóa nông nghiệp toàn cầu. Bên cạnh đó, yếu tố thu nhập gia tăng, thu thập bình quân đầu người cũng tăng đã góp phần thay đổi thói quen chi cho tiêu dùng sản phẩm hàng hóa. Trong các sản phẩm nông nghiệp, thì ngũ cốc là thành phần chính trong các khẩu phần ăn, thịt cá và các sản phẩm sữa giúp cho chế độ ăn đa dạng hơn và lượng protein hấp thụ bình quân đầu người cao hơn nhưng mức tiêu thụ vẫn thấp hơn sản phẩm ngũ cốc. Do đó đến năm 2040, để đáp ứng nhu cầu thị trường, các công nghệ cao được định hình trong ngành nông nghiệp như:
Các công nghệ nâng cao năng suất cây trồng sẽ đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của người tiêu dùng, những đột phá công nghệ có triển vọng trong nông nghiệp sẽ hướng tới tạo giống cây trồng để cải thiện các đặc điểm thực vật mong muốn. Các nhà khoa học đã sử dụng các công cụ sinh học phân tử như lập trình gen nhanh, nhân bản gen, lập bản đồ gen, AND tái tổ hợp kết hợp với khoa học máy tính, trí tuệ nhân tạo, sinh hóa… để làm cho quá trình nhân giống cây trồng hiệu quả hơn nhiều. Sinh học phân tử để cải tiến cây trồng có hai phương pháp: công nghệ gen - chuyển đổi các quá trình nhân giống thông thường thành một quá trình tạo giống phân tử cho cây và công nghệ chuyển gen - truyển các gen từ các loài thực vật sinh sinh vật khác vào hệ gen của cây.
Trong công nghệ phân tử nhân giống cây trồng, nhiều công cụ sinh học phân tử được sử dụng như lập trình tự gen, các bộ gen thực vật được chú giải, công nghệ proteomics, chỉ dấu AND và tạo giống bằng gây đột biến. Phần lớn các công nghệ này đã được phát triển trong các ngành khoa học y tế, áp dụng công nghệ này trong nhân giống cây trồng cho khả năng chọn lọc một cách hiệu quả và nhanh chóng các cây bố mẹ và con cháu sau này. Tuy nhiên, những đặc điểm chính như khả năng chịu hạn và kháng sâu bệnh lâu dài rất phức tạp và liên quan đến nhiều gen, do đó, đòi hỏi phải tiếp cận sinh học hệ thống. Như vậy, việc tìm kiếm năng suất cao hơn trong cây trồng, bao gồm sự hiểu biết về những đặc điểm phức tạp và ứng dụng phương pháp tiếp cận hệ thống, có thể là một trong những cách để đạt được những bước đột phá cần thiết vào năm 2040.
Trong công nghệ chuyển gen cây trồng, các nhà nghiên cứu đang phát triển các công nghệ có thể tinh chỉnh quá trình áp dụng các gen chuyển vào các vấn đề nông học như: sự phát triển trực tiếp của gen, tắt gen, sửa đổi quá trình trao đổi chất, chèn gen ở vị trí cụ thể, các nhiễm sắc thể nhân tạo, tiếp hợp vô tính và các tín hiệu ức chế thực vật. Để có thể thương mại hóa, quá trình phát triển chuyển gen phải trãi qua: Lấy AND từ một sinh vật mong muốn; nhân bản gen bằng cách tách các gen quan tâm đơn lẻ từ AND trên và sử dụng công nghệ Phản ứng chuỗi Polymerase (PCR) để tạo ra nhiều bản sao của gen đó; thiết kế gen bằng cách thay đổi gen này để hoạt động trong các tế bào cây trồng sử dụng các trình tự thúc đẩy và chấm dứt mới và bổ sung thêm gen marker kháng kháng sinh; chèn gen vào nhân tế bào của mô sẹo của cây trồng bằng agrobacterium, sử dụng súng bắn gen hoặc công nghệ microporation; chuyển cây vào nuôi cấy mô trong môi trường có chứa một loại kháng sinh để chỉ những mô sẹo chuyển đổi gen có thể phát triển thành cây; nuôi lớn các cây chuyển gen trong nhà kính và lấy hạt giống; tạo giống hồi giao kết để kết hợp các tính trạng mong muốn của cha mẹ (gốc) với cây biến đổi gen để tạo ra dòng đơn nhất với các cây con giao kết trở lại với dòng cha mẹ ưu tú cho tới khi tạo ra một dòng biến đổi gen năng suất cao. Cần khoảng 6-15 năm để các dòng chuyển gen được thương mại hóa.
Công nghệ kiểm soát sinh học, công nghệ này đòi hỏi phải nghiên cứu sâu rộng về một loại sâu hại cụ thể trong một khu vực cụ thể và cho một cây trồng cụ thể. Nông dân hiện đang sử dụng một số khía cạnh quản lý dịch hại tổng hợp và có thể sẽ bao gồm thêm nhiều thành phần khi các kiến thức thu được từ sinh học phân tử của sâu bệnh và cỏ dại tăng lên cùng với những lợi thế của việc giảm sử dụng thuốc trừ sâu và thuốc diệt. Ngoài ra, còn có công nghệ tạo giống và sức khỏe vật nuôi; công nghệ chọn lọc dựa trên chỉ dấu trong tạo giống vật nuôi; kỹ thuật di truyền cho vật nuôi.
Công nghệ quản lý nước tưới, do nông nghiệp sử dụng khoảng 70% nguồn cung nước ngọt toàn cầu và 40% nông nghiệp sử dụng thủy lợi, nên công nghệ làm giảm yêu cầu tưới tiêu là rất quan trọng đối với khả năng cung cấp nước lâu dài. Nhận thức được hiệu quả của tưới ít nước, nông dân đã bắt đầu sử dụng tưới nhỏ giọt, làm giảm đáng kể những thất thoát nước. Hệ thống tưới nhỏ giọt bao gồm các ống nhựa có các đầu thoát hoặc lỗ có khoảng cách đều nhau dẫn dòng nước được kiểm soát trực tiếp vào đất. Các hệ thống tưới nhỏ giọt dưới mặt đất giúp kiểm soát tốt hơn cỏ dại và bệnh do không có nước ẩm phía trên làm hạn chế các điều kiện cho nảy mầm và gây bệnh; giảm lo ngại về nước thải làm nhiễm cây trồng với các vi sinh vật gây bệnh; tuổi thọ lâu dài, trung bình là 15 năm vì hệ thống được chôn dưới mặt đất và tránh được nhiệt và ánh nắng.
Để sử dụng nước muối hoặc nước bị ô nhiễm khác phục vụ cho nông nghiệp ta sử dụng công nghệ tưới tiêu chuyển hơi nước, công nghệ này sử dụng các màng ống cho bay hơi chôn ngầm chỉ chuyển hơi nước từ bên trong ống ra đất bên ngoài. Người nông dân cũng có thể sử dụng nông nghiệp chính xác để tiết kiệm nước trong tưới cho cây trồng. Nông nghiệp chính xác sử dụng các công nghệ tiên tiến như các vệ tinh định vị toàn cầu (GPS), cảm biến từ xa, hình ảnh trên không, và các hệ thống thông tin địa lý (GIS) để đánh giá tình trạng nông học có liên quan đến biến đổi tại cánh đồng. Ngoài ra, công nghệ quản lý nước trong nông nghiệp nước mưa cũng có thể làm tăng đáng kể năng suất cây trồng. Nâng cao năng suất nhờ cải thiện việc quản lý nước là rất rõ ràng, ngay cả với phương thức canh tác của địa phương.
Nông nghiệp nhà kính: Nông nghiệp thủy canh trong nhà kính canh tác các loại cây trồng trên quy mô lớn trong các nhà kính thủy canh, việc sử dụng nước có thể được giảm 90% do giám sát chính xác nhu cầu nước của cây trồng; nông trại thẳng đứng có thể cho năng suất cao gấp 20 lần so với ngành nông nghiệp thông thường với lượng nước sử dụng ít hơn 95%.
Tiết kiệm nước với kỹ thuật biến đổi gen cây trồng: Cây trồng chịu hạn có thể tồn tại và phát triển với ít nước. Tuy nhiên, các đặc điểm di truyền góp phần vào khả năng chịu hạn hán thường đi kèm với tốc độ tăng trưởng thấp và năng suất thấp; cây trồng chịu mặn được phát triển nhằm giảm bớt các yêu cầu nước ngọt của sản xuất nông nghiệp.
Các công nghệ quản lý đất trồng: công nghệ cố định ni tơ cho thực vật không thuộc họ đậu gồm có chuyển gen và hỗ trợ tiến hóa; công nghệ biến đổi vi sinh vật đất gồm có kích thích thực vật, đất ức chế bệnh, hấp thu phốt pho và hạt Nano.
Công nghệ trong nuôi trồng thủy sản: Đến năm 2040, bốn công nghệ góp phần dẫn đến sự tăng trưởng trong cung cấp thủy sản nuôi trồng, cùng với đó là giá thành có khả năng sẽ giảm đó là cá cải tiến gen, hệ thống tuần hoàn khép kín, hệ thống đại dương mở, chế độ dinh dưỡng - thức ăn và chế độ ăn.
Công nghệ nông nghiệp chính xác bao gồm một loạt các công nghệ và thực hành liên quan giúp người nông dân nhận thức và giải quyết được những sự biến đổi đất có thể ảnh hưởng lên sự tăng trưởng của cây trồng như: chất lượng đất, nguồn nước, mô hình thoát nước…
Công nghệ nhiên liệu sinh học được phát triển nhanh chóng trên thế giới chủ yếu là ethanol và dầu diesel sinh học. Tính khả thi của nhiên liệu sinh học tiên tiến cũng sẽ phụ thuộc vào giá cả tương đối để cạnh tranh làm với các nhiên liệu giao thông. Nhiên liệu sinh học đối mặt với sự cạnh tranh đáng kể từ xăng và nhiên liệu diesel từ dầu mỏ, được cung cấp rộng rãi cho người tiêu dùng thông qua một hệ thống phân phối và bán lẻ phát triển cao ở hầu hết các quốc gia.
Công nghệ chế biến sau thu hoạch phụ thuộc nhiều vào mức độ về những gì xảy đối với sản phẩm thực phẩm sau khi được thu hoạch, gồm có: Sơ chế - loại bỏ các tạp chất và sản phẩm còn non và bị hư hỏng, ổn định các sản phẩm bằng cách sấy khô, làm lạnh hoặc khử trùng; cách ly các sản phẩm thành các loại khác nhau; chế biến thứ cấp nhằm biến đổi các nguyên liệu thô từ sơ chế thành sản phẩm phù hợp để người tiêu dùng có thể chế biến; chế biến hoàn thiện để biến các sản phẩm chế biến thứ cấp thành sản phẩm ăn được ngay.
Thách thức chính hiện nay của nông nghiệp trên thế giới là việc tìm kiếm các phương tiện để tăng năng suất nông nghiệp - sản lượng cao hơn với ít nguồn lực hơn (đất, phân bón, nước, thuốc trừ sâu) - để đáp ứng nhu cầu của dân số thế giới ngày càng tăng. Công nghệ chắc chắn sẽ là một trong những công cụ chính để hoàn thành việc cải thiện năng suất nông nghiệp (Trung tâm phân tích thông tin, 2017, các công nghệ định hình ngành nông nghiệp công nghệ cao trong tương lai).
Hoàng Minh