Arsenic là chất gây ô nhiễm có nguồn gốc từ tiến trình công nghiệp và thuốc trừ sâu và thường tìm thấy trong đất và nguồn nước ngầm. Ở dạng vô cơ, arsenic nguyên nhân gây ra nhiều loại bệnh bao gồm tiểu đường, bệnh tim, và ung thư. Nghiên cứu từ năm 2000 cho thấy, lúa gạo cũng có thể chứa chất độc arsenic. Trong báo cáo năm 2012, gần 65 loại lúa và sản phẩm lúa gạo đều có chứa arsenic, nhiều trong số đó chứa hàm lượng arsenic ở mức báo động. Năm 2020, nhà khoa học ở Anh tìm thấy 55 mẫu gạo bán trên thị trường có hàm lượng arsenic vượt quá ngưỡng thức ăn dành cho trẻ em. Arsenic không chỉ ảnh hưởng đến an toàn thực phẩm mà còn là nguyên nhân dẫn đến giảm năng suất lúa.

Nguồn: hình ảnh minh họa từ bài báo của Carolyn Beans đăng trên tạp chí PNAS.

Vỏ trấu liệu có thể làm giảm hàm lượng arsenic trong hạt gạo

. Ảnh cung cấp Angelia Seyfferth- Nghiên cứu sinh sau Tiến Sĩ (Postdoctoral)

ở Đại học Delaware trên cánh đồng Cambodia năm 2011. https://www.pnas.org/content/118/33/e2113071118.

Giải pháp silicon

Cây lúa dễ bị nhiễm arsenic vì nó được giữ trong nước thường xuyên. Trong điều kiện hô hấp kỵ khí (anaerobic là quá trình sản sinh năng lượng trong điều kiện thiếu oxy) trên đồng ruộng lúa, một dạng hợp chất vô cơ của arsenic bị khử thành arsenite di chuyển từ đất vào trong nước. So với cây trồng khác, lúa hấp thụ arsenic thường xuyên hơn. Vào năm 2008, một nhóm nhà nghiên cứu tự hỏi tại sao đường dẫn rễ lúa hấp thụ arsenite và silicon giống nhau. Theo Fang-Jie Zhao, nhà khoa học ở Đại học Nông nghiệp Nanjing, Silicon là hoạt chất không độc, giúp cây trồng và lúa trong việc hỗ trợ cấu trúc và kháng với sâu bệnh hại. Từ khám phá này, Seyfferth, Zhao và nhiều nhà nghiên cứu khác bắt đầu nghiên cứu cách sử dụng silicon hiệu quả hơn. Nhiều nghiên cứu sau đó đề tìm thấy, silicon khi được bổ sung vào trong đất có thể ức chế gen trong đường dẫn hấp thụ arsenite. Nghiên cứu của Syfferth ở Đại học Standford, Palo Alto, California, Mỹ tìm thấy silica có thể làm giảm khả năng hấp thụ arsenic của hạt gạo được trồng trong đất bị nhiễm arsenic lên đến 40%.

Phân bón silicon thì rất đắt, nên cách sử dụng khả thi hơn là sử dụng than sinh học từ vỏ trấu lúa vì vỏ trấu lúa chứa hàm lượng silicon cao. Vậy câu hỏi đặt ra là than sinh học từ vỏ trấu lúa ảnh hướng đến sự di chuyển và hình thành arsenic trong cây lúa như thế nào? Điều này có ý nghĩa quan trọng liên quan đến sức khỏe con người. Hạt gạo bao gồm nội nhũ màu trắng và lớp cám gạo. Cám gạo chứa hàm lượng arsenic cao hơn nội nhũ, vì thế gạo lứt thường có hàm lượng arsenic cao hơn gạo trắng. Nghiên cứu gần đây của Seyfferth cho thấy, than sinh học từ vỏ trấu không những làm giảm arsenic trong hạt gạo mà còn loại bỏ arsenic trong vỏ cám gạo, vì nó kích thích hoạt động vi sinh vật có lợi chuyển hóa arsenic vô cơ thành hoạt chất không độc dimethylarsenic acid (DMA). Khi xâm nhập vào cây, DMA di chuyển vào trong nội nhũ hơn là trong cám gạo. Nếu sử dụng than sinh học từ vỏ trấu như phân sinh học có thể tạo ra sản phẩm cám gạo không chứa arsenic.

Để tìm ra giải pháp, nhà khoa học quay lại tìm hiểu về di truyền cây lúa để hiểu rõ tại sao giống lúa thơm Basmati có khả năng tích lũy rất ít arsenic trong hạt gạo. Nghiên cứu thăm dò ở giống lúa cao sản, địa phương và Arabidopsis được thực hiện để tìm gen làm cho cây trồng ít khả năng hấp thụ arsenic sẽ giúp ích rất nhiều cho nhà chọn giống trong việc chọn tạo ra giống kháng với hấp thụ arsenic. Tuy nhiên, nó vẫn còn là một thử thách lớn vì bản đồ di truyền cho hấp thụ arsenic vẫn chưa được xác lập vì còn ảnh hưởng bởi yếu tố môi trường rất nhiều. Zhao và cộng sự đã tạo ra một đột biến có khả năng giảm sự tích lũy arsenic trong hạt gạo giảm gấp 3 lần, nguyên do sự tương tác phân tử bên trong làm gia tăng peptide phytochelatin. Hoạt chất này bám vào arsenic và ngăn chặn sự di chuyển của arsenic vào trong hạt gạo. Nhà khoa học ở USDA đã nhận dạng 7 QTLs kết hợp với biến dị trong arsenic vô cơ trong hạt gạo. Trong những QTLs này chứa một vài gen dự tuyển mã hóa 1 loại protein để giúp di chuyển thành phần dinh dưỡng, kim loại, và thành phần khác xuyên qua màng tế bào.

Khô hạn do biến đổi khí hậu gây ra có thể dẫn đến người trồng lúa sử dụng nước ngầm nhiễm arsenic thay vì sử dụng nguồn nước sông. Seyfferth và cộng sự ở Đại học Washington, Seattle báo cáo rằng, nhiệt độ gia tăng làm gia tăng sự di chuyển arsenic từ đất vào nguồn nước tạo điều kiện cho cây lúa hấp thụ dễ dàng hơn. Sự gia tăng nồng độ CO2 và nhiệt độ lên 5oC sẽ làm gia tăng gấp 2 lần nồng độ arsenic trong hạt gạo. Vì vậy, Seyfferth đang khuyến khích người trồng lúa thử sử dụng than sinh học vỏ trấu như là một trong những giải pháp vào lúc này.

Nguồn:

https://www.pnas.org/content/118/33/e2113071118

Tài liệu tham khảo:

Carolyn Beans. Inner workings: Keeping arsenic out of rice. PNAS 118(33), e2113071118 (2021). https://doi.org/10.1073/pnas.2113071118.