Vi tảo: con cưng mới của nhiên liệu sinh học
Bạn đã bao giờ xem những loại cấy ghép nào trơn trượt chưa? Mặc dù vi khuẩn lam tạo ra dòng điện yếu, nhưng tiềm năng năng lượng do vi khuẩn lam giải phóng có triển vọng lớn trong Internet of Everything và thế giới kỹ thuật số, nếu các vấn đề về quy mô và công nghệ được giải quyết.
Vậy, những loại cây nào thuộc loại cây trơn? Chúng tôi biết rằng các thiết bị yêu cầu năng lượng điện bền vững, chi phí thấp, phi tập trung cung cấp nguồn điện. Mặc dù mức tiêu thụ điện năng của một thiết bị IoT duy nhất là rất thấp, từ chỉ microwatts đến miliwat, nhưng nếu chúng ta xem xét thống kê tất cả các thiết bị IoT, con số của chúng đã lên đến hàng tỷ và sẽ tăng lên một nghìn tỷ vào năm 2035, điều này cũng có nghĩa là năng lượng và nguồn nguyên liệu đã tiêu thụ đằng sau hậu trường là rất lớn. Việc sử dụng vi khuẩn lam, ít ô nhiễm, nguồn tài nguyên sinh học bền vững, chi phí thấp, cũng sẽ góp phần tạo nên một tương lai bền vững và ít carbon.
Vào ngày 10 tháng 5, Ủy ban Cải cách và Phát triển Quốc gia (NDRC) cũng lần đầu tiên ban hành “Kế hoạch 5 năm lần thứ 14 về Phát triển Kinh tế Sinh học” (sau đây gọi là “Kế hoạch”), nhấn mạnh sự cần thiết của sự phát triển của kinh tế sinh học và sự Ưu tiên phát triển y sinh, nông nghiệp sinh học, sinh khối Bốn lĩnh vực trọng tâm là: y sinh, nông nghiệp sinh học, thay thế sinh khối và an toàn sinh học.
“Trong Kế hoạch, sinh học tổng hợp được coi là một trong những ngành khoa học và công nghệ chiến lược quốc gia nhằm thúc đẩy sự phát triển của đổi mới kinh tế sinh học và đã được đề cập trong thời gian qua. Các nhà khoa học khám phá những loại thực vật trơn trượt”.
Sinh học tổng hợp hiện tại sử dụng các nguồn sinh học chính bao gồm E. coli, nấm men và vi tảo, v.v … Vi tảo, với sự đa dạng về loài và sản phẩm, khả năng tổng hợp hiệu quả và khả năng hấp thụ carbon, đã trở thành một chất nền được đánh giá cao đối với các sinh vật dạng bệ trong lĩnh vực sinh học tổng hợp.
Các loại vi tảo thông thường có thể thay thế các loại cây trồng như bắp rang trong chế biến thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Ví dụ, theo các nghiên cứu, năng suất protein của vi tảo là 4-15 tấn mỗi ha mỗi năm, cao hơn nhiều so với năng suất protein của lúa mì và đậu là 0,6-1,2 tấn mỗi ha mỗi năm. Vi tảo có thể làm giảm bớt cuộc khủng hoảng lương thực do tác động của khí hậu và thiếu nguồn nhân lực.
Trong những năm gần đây, vi tảo cũng trở thành một yêu thích mới cho nhiên liệu sinh học. Tảo có thể cố định carbon dioxide trong khí quyển thông qua quang hợp và chuyển đổi nó thành đường và protein thực vật, cũng như tạo ra hydro và làm sạch nước thải thông qua các phản ứng, có thể cung cấp cách cung cấp năng lượng rẻ hơn, thân thiện hơn với môi trường và bền vững và hấp thụ carbon cho con người, và có tiềm năng mạnh mẽ hơn các nguồn năng lượng khác trong tất cả các loại năng lượng sạch.
Với những nỗ lực kết hợp của chính sách và công nghệ, cùng với gió đông carbon thấp và tính bền vững, vi tảo cũng sẽ giải phóng năng lượng lớn trong quá trình phát triển sinh học tổng hợp và thực hiện nguồn cung cấp nhiên liệu sinh học chính trong tương lai.
Thêm một chút khả năng về sự thuộc địa hóa của người ngoài hành tinh
Trong ứng dụng của vi tảo, quá trình hấp thụ cacbon từ cacbon để thải ra bổ sung thực phẩm, tương ứng với bảo vệ môi trường, năng lượng và khủng hoảng lương thực, là những tình huống khó xử về phát triển quan trọng nhất mà chúng ta cần giải quyết hiện nay. Đối với các sinh vật sống, tồn tại bền vững là mục tiêu của quá trình tái tạo và tiến hóa sự sống. Quá trình sinh trưởng của vi tảo có thể bao trùm và cung cấp giải pháp cho những tình huống khó xử do phát triển đồng thời này. Một số dữ liệu thí nghiệm xác minh loại thực vật trơn trượt.
Trong sự phát triển của công nghệ sinh học, nếu những hạn chế về mặt kỹ thuật và những thách thức về quy mô của sự phát triển hiện nay của vi tảo được giải quyết, thì toàn bộ sự phát triển của vi tảo có thể được thiết kế trong một hệ thống vòng khép kín: vi tảo thu nhận carbon dioxide từ khí quyển dưới quá trình tổng hợp và chuyển nó thành protein và glycolipid, v.v. trong algalcells, trong khi chúng có thể cung cấp điện và giải phóng oxy.
Hiện nay người ta đã công nhận rằng hơn 300.000 loài vi tảo tồn tại trên Trái đất, trong đó 30.000 loài được ghi nhận, nhưng chỉ những loài adozen như Spirulina và Chlorella mới được khai thác thương mại. Theo Viện nghiên cứu Credence, thị trường các sản phẩm tảo toàn cầu trị giá 33,9 tỷ USD vào năm 2018 và dự kiến đạt 56,5 tỷ USD vào năm 2027, tăng trưởng với tốc độ CAGR là 6,0% từ năm 2019 đến năm 2027. Thị trường vi tảo biển trị giá hàng trăm tỷ đô la trong tương lai sẽ trở thành tâm điểm và nhận được nhiều sự chú ý hơn từ giới học thuật, công nghiệp và đầu tư.
Vi tảo có khả năng chịu đựng cực tốt và có thể ăn được, và hệ thống khép kín yêu cầu nguyên liệu thô đơn giản, chỉ cần tưới nước, không cần đất canh tác, phân bón, thuốc trừ sâu và lượng nước ngọt lớn, tránh được nhiều thiệt hại sinh thái phổ biến như phá rừng, mất đa dạng sinh học và ô nhiễm sa mạc hóa. Và nước được sử dụng trong sản xuất vi tảo có thể được thu hoạch và tái sử dụng.
Hiệu quả của vi tảo đối với cơ chế hấp thụ CO2 và quang hợp mang lại cơ hội và cơ hội mới cho sự phát triển bền vững của con người. Các ứng dụng hiện tại của vi tảo chủ yếu là trong các sản phẩm có giá trị gia tăng cao, bao gồm cả lĩnh vực y tế và thực phẩm. Ví dụ, quá trình sinh tổng hợp của một số loài vi tảo, thử nghiệm gen, phát triển thực phẩm bền vững tảo xanh, v.v … Trong tương lai, chúng tôi sẽ tập trung vào các bước đột phá trong các ứng dụng công nghệ năng lượng, chẳng hạn như sản xuất điện và cô lập carbon hiệu quả cao, như chúng tôi đã đề cập ở trên.
Trọng tâm nghiên cứu hiện tại của các nhà tảo học trong quá trình sinh tổng hợp là vượt qua những giới hạn kỹ thuật của sinh học tổng hợp, phát triển các hệ thống phản ứng quang sinh mới và các mô hình nuôi cấy vi sinh vật mới để mở khóa tiềm năng của vi tảo cho các ứng dụng năng lượng và hiện thực hóa sản xuất quy mô lớn trong tương lai càng sớm càng tốt. Microalgaecan giải quyết tất cả các loại khủng hoảng trên Trái đất, và có không gian thương mại khổng lồ để khám phá không gian sâu trong vũ trụ.
Với một bộ não lớn hơn, một hệ thống vòng kín sử dụng vi tảo trên sao Hỏa cũng có thể hỗ trợ một số hoạt động của con người trên sao Hỏa. Khí chính trong bầu khí quyển của sao Hỏa là carbon dioxide, chiếm 96% khí quyển. Nếu hệ thống vi tảo vòng kín này có thể được cấy lên sao Hỏa, sẽ không có vấn đề gì đối với một số lượng nhỏ các máy tìm kiếm di chuyển xung quanh sao Hỏa trong khi mang theo đủ nước.
Nếu chúng ta xem xét việc khám phá không gian sâu, hệ thống vi tảo cũng có thể hỗ trợ các hoạt động của chúng ta trong hệ mặt trời. Các chất chúng ta thải ra trong hơi thở chủ yếu là nitơ, carbon dioxide và oxy. Trong số một số loài vi tảo đã biết, có hơn bảy mươi loài có thể cố định nitơ và những vi khuẩn lam này giải phóng oxy đồng thời cố định nitơ, whichis cũng là một cách có thể hỗ trợ con người khám phá không gian sâu . Mặc dù các điều kiện được lý tưởng hóa, nhưng sự phát triển của khoa học dựa trên các thiết lập đã được tối ưu hóa này, đó là mục tiêu và động lực của nghiên cứu khoa học trong tương lai.
Tảo cổ đại với hàng tỷ sinh mạng đã hỗ trợ và nuôi sống vô số sinh mệnh, mở ra tất cả các loại thay đổi trong suốt quá trình tiến hóa của Trái đất. Trong kỷ nguyên hiện đại với sự thay đổi công nghệ nhanh chóng, chúng ta có các công cụ để khám phá và phát triển vi tảo một cách sâu sắc hơn, và cuộc sống khoa học này sẽ tiếp tục hỗ trợ chúng ta hướng tới tương lai xanh, bền vững và không gian sống.