Sản xuất sinh khối là gì? Các bài nghiên cứu khoa học

Định nghĩa sản xuất sinh khối

Sản xuất sinh khối (biomass production) là quá trình tổng hợp vật chất hữu cơ bởi các sinh vật sống thông qua việc hấp thu và chuyển hóa nguồn năng lượng như ánh sáng hoặc hợp chất vô cơ. Đây là cơ sở cho toàn bộ chuỗi dinh dưỡng trong sinh quyển và là thước đo quan trọng về năng suất sinh học trong hệ sinh thái hoặc hệ thống canh tác.

Sinh khối được hình thành chủ yếu nhờ hoạt động quang hợp ở thực vật, tảo và một số vi khuẩn lam, trong khi các vi sinh vật hóa dưỡng sử dụng năng lượng từ phản ứng hóa học để tạo nên vật chất hữu cơ. Trong cả hai trường hợp, quá trình này chuyển đổi các phân tử đơn giản như CO₂, H₂O, NH₄⁺ thành hợp chất phức tạp chứa carbon như carbohydrate, lipid và protein – cấu trúc cơ bản của tế bào sống.

Sản xuất sinh khối có ý nghĩa không chỉ trong nghiên cứu sinh thái mà còn trong nông nghiệp, công nghiệp sinh học, và phát triển năng lượng bền vững. Đo lường sinh khối giúp đánh giá mức độ hiệu quả của hệ sinh thái, tiềm năng phát triển kinh tế sinh học, cũng như khả năng hấp thu carbon trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu.

Phân loại sinh khối

Sinh khối có thể được phân loại dựa trên nguồn gốc sinh học hoặc mục đích sử dụng trong công nghiệp và nghiên cứu. Về mặt nguồn gốc, sinh khối bao gồm:

• Sinh khối thực vật: cây gỗ, cỏ, tảo, rong
• Sinh khối động vật: phụ phẩm chăn nuôi, côn trùng
• Sinh khối vi sinh vật: vi khuẩn, nấm, vi tảo

Theo mục đích ứng dụng, sinh khối được chia làm ba nhóm chính:

• Sinh khối năng lượng: dùng để tạo nhiên liệu sinh học, sinh khí hoặc đốt trực tiếp (ví dụ: rơm rạ, mùn cưa, tảo)
• Sinh khối công nghiệp: sản xuất enzyme, hóa chất sinh học, nhựa sinh học từ vi sinh vật hoặc thực vật chuyển gene
• Sinh khối thực phẩm: đóng vai trò là nguồn đạm, vitamin, vi khoáng trong hệ sinh thái và chuỗi cung ứng thực phẩm

Bảng dưới đây minh họa một số loại sinh khối và ứng dụng tương ứng:

Loại sinh khối	Ví dụ	Ứng dụng chính
Thực vật	Ngô, mía, cỏ voi	Bioethanol, thức ăn gia súc
Vi sinh vật	Spirulina, Chlorella	Thực phẩm chức năng, nhiên liệu sinh học
Phụ phẩm nông nghiệp	Vỏ trấu, rơm	Đốt sinh khối, ủ biogas

Cơ chế sinh học của sản xuất sinh khối

Tại cấp độ tế bào, sinh khối hình thành nhờ các quá trình sinh học tổng hợp vật chất mới từ nguồn carbon vô cơ. Đối với thực vật và tảo, quang hợp là cơ chế chủ đạo. Trong quá trình này, ánh sáng Mặt Trời được hấp thu bởi chlorophyll và chuyển đổi thành năng lượng hóa học, được sử dụng để tổng hợp glucose từ CO₂ và H₂O:

$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{\text{ánh sáng}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

Sản phẩm chính là glucose, đóng vai trò là đơn vị năng lượng nền tảng cho tế bào. Từ đó, thông qua các quá trình sinh hóa nội bào như tổng hợp protein, lipid và polysaccharide, glucose được chuyển đổi thành các hợp phần cấu trúc tế bào và tích lũy thành sinh khối.

Đối với vi sinh vật, sinh khối được sản xuất thông qua các con đường khác nhau, bao gồm cả quang dưỡng (phototrophic) và hóa dưỡng (chemotrophic). Các vi khuẩn hóa dưỡng như Nitrosomonas hoặc Thiobacillus oxy hóa amoniac hoặc lưu huỳnh để lấy năng lượng tổng hợp sinh khối, mà không cần ánh sáng. Những sinh vật này đóng vai trò quan trọng trong chu trình nitơ và lưu huỳnh trong tự nhiên.

Phân biệt sinh khối sơ cấp và thứ cấp

Sinh khối được tạo ra trong hệ sinh thái có thể chia thành hai loại: sinh khối sơ cấp và sinh khối thứ cấp. Sinh khối sơ cấp là sản phẩm trực tiếp từ sinh vật tự dưỡng – những loài có khả năng tạo chất hữu cơ từ vật chất vô cơ (CO₂, H₂O). Trong khi đó, sinh khối thứ cấp là kết quả từ sinh vật dị dưỡng, tức là các sinh vật tiêu thụ sinh vật khác như động vật ăn cỏ hoặc ăn thịt.

Để đo lường hiệu suất sản xuất sơ cấp, hai đại lượng thường được sử dụng là GPP (Gross Primary Production – Tổng sản lượng sơ cấp) và NPP (Net Primary Production – Sản lượng sơ cấp thực). Mối quan hệ giữa chúng là: $NPP = GPP - R$ trong đó $R$ là lượng vật chất tiêu hao do hô hấp sinh vật.

Sự khác biệt giữa GPP và NPP phản ánh lượng vật chất hữu cơ thực sự sẵn có để nuôi dưỡng các bậc dinh dưỡng tiếp theo trong chuỗi thức ăn. Tham khảo định nghĩa chính thức tại Britannica – Net Primary Productivity. Phân tích hai chỉ số này có ý nghĩa lớn trong nghiên cứu sinh thái, nông nghiệp, và ước lượng mức độ hấp thu CO₂ toàn cầu.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sản xuất sinh khối

Hiệu suất sản xuất sinh khối phụ thuộc vào nhiều yếu tố sinh học và môi trường. Ở cấp hệ sinh thái, các yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ, lượng mưa, độ pH và độ phì đất ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sinh trưởng của sinh vật sản xuất sơ cấp. Trong điều kiện nuôi trồng nhân tạo, người ta có thể điều chỉnh các thông số này để tối ưu hóa tốc độ tích lũy sinh khối.

Đối với hệ thống nuôi cấy vi sinh hoặc thực vật trong nhà kính, các yếu tố kiểm soát bao gồm:

• Ánh sáng: cường độ và bước sóng ánh sáng ảnh hưởng đến tốc độ quang hợp
• Nhiệt độ: mỗi loài sinh vật có ngưỡng nhiệt tối ưu cho enzyme hoạt động
• Dinh dưỡng: nồng độ nitơ, photpho, kali và vi lượng cần thiết cho tổng hợp protein và axit nucleic
• CO₂: nồng độ cao giúp tăng tốc độ cố định carbon nhưng cần cân bằng với pH môi trường

Bảng sau đây tóm tắt tác động của một số yếu tố quan trọng:

Yếu tố	Tác động đến sinh khối	Ghi chú
Ánh sáng	Tăng quang hợp → tăng glucose → tăng sinh khối	Cần chiếu sáng liên tục với tảo
Nhiệt độ	Thúc đẩy chuyển hóa → tăng sinh trưởng	Tránh vượt ngưỡng chịu đựng
CO₂	Tăng tốc độ cố định carbon	Phối hợp với kiểm soát pH
pH	Ảnh hưởng đến enzyme nội bào	pH ngoài dải gây ức chế sinh trưởng

Ứng dụng trong sản xuất năng lượng

Sinh khối là một nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo đang được khai thác ngày càng nhiều. Các dạng sinh khối như phụ phẩm nông nghiệp, gỗ, cỏ năng lượng, rác hữu cơ và tảo đều có thể chuyển đổi thành năng lượng thông qua các quá trình như đốt trực tiếp, ủ yếm khí, lên men, khí hóa hoặc thủy nhiệt phân.

Một trong những hướng đi nổi bật là sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối:

• Bioethanol: lên men carbohydrate từ ngô, mía, sắn để tạo ethanol
• Biodiesel: chiết xuất lipid từ dầu thực vật hoặc tảo và phản ứng transester hóa
• Biogas: phân hủy yếm khí chất hữu cơ để tạo methane

Tảo vi mô (microalgae) là đối tượng nghiên cứu tiềm năng vì có tốc độ sinh trưởng nhanh, hiệu suất chuyển hóa cao và khả năng tích lũy lipid vượt trội. Một số loài tảo như *Chlorella vulgaris* hoặc *Nannochloropsis* có thể tạo ra hơn 50% sinh khối ở dạng dầu, phù hợp để sản xuất biodiesel. Tài liệu chi tiết có thể tham khảo tại U.S. Department of Energy – Algae Biofuels.

Sản xuất sinh khối bằng vi sinh vật

Vi sinh vật là công cụ mạnh mẽ trong công nghệ sinh học nhờ tốc độ nhân lên nhanh, khả năng thích nghi cao và dễ điều khiển trong điều kiện nuôi cấy kín. Sản xuất sinh khối vi sinh có thể phục vụ nhiều mục tiêu: từ thực phẩm chức năng, chế phẩm sinh học đến sản xuất enzyme và vật liệu sinh học.

Một số vi sinh vật thường được sử dụng:

• Vi tảo: *Spirulina*, *Chlorella* – giàu protein, dùng làm thực phẩm bổ sung
• Nấm men: *Saccharomyces cerevisiae* – sản xuất ethanol và enzyme
• Vi khuẩn: *Bacillus subtilis*, *Lactobacillus spp.* – sản xuất peptide kháng khuẩn, enzyme công nghiệp

Mô hình lên men chìm (submerged fermentation) và lên men bề mặt (solid-state fermentation) là hai phương pháp phổ biến để nuôi cấy sinh khối vi sinh. Trong sản xuất quy mô công nghiệp, các yếu tố như tốc độ sục khí, khuấy trộn, pH, nhiệt độ và nồng độ cơ chất được kiểm soát chặt chẽ để tối đa hóa hiệu suất sinh khối và sản phẩm mong muốn.

Đo lường và đánh giá sinh khối

Để đánh giá sản xuất sinh khối, người ta sử dụng các chỉ số định lượng như khối lượng khô (dry weight), năng suất tích lũy theo diện tích hoặc thể tích, hàm lượng carbon cố định, và hiệu suất quang hợp. Việc đo đạc có thể tiến hành bằng cân trọng nhiệt, hấp thụ quang học, hoặc phân tích hóa học.

Một số phương pháp phổ biến:

• Phương pháp trọng lượng khô: lọc – sấy – cân xác định tổng sinh khối
• Đo OD (Optical Density): dùng phổ kế tại bước sóng 680–750 nm để ước lượng sinh khối tảo
• Phân tích CHN: xác định hàm lượng carbon, hydro, nitơ trong mẫu khô

Bảng chỉ tiêu đo sinh khối:

Chỉ số	Đơn vị	Ý nghĩa
Dry Biomass	g/L hoặc g/m²	Lượng vật chất khô tích lũy
Photosynthetic Efficiency	%	Tỷ lệ năng lượng ánh sáng chuyển thành sinh khối
Specific Growth Rate	1/h	Tốc độ tăng trưởng sinh khối tương đối

Vai trò trong sinh thái và môi trường

Sinh khối đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái như là mắt xích đầu tiên trong chuỗi thức ăn. Các sinh vật sản xuất sơ cấp (primary producers) tích lũy năng lượng mặt trời và cung cấp nền vật chất cho các bậc dinh dưỡng kế tiếp như động vật ăn cỏ, động vật ăn thịt và phân giải.

Sản lượng sinh khối phản ánh sức khỏe của hệ sinh thái. Vùng có NPP cao như rừng mưa nhiệt đới, thảm cỏ hoặc vùng nước tảo nở hoa thường có đa dạng sinh học phong phú và khả năng lưu trữ carbon lớn. Sinh khối còn tham gia chu trình carbon toàn cầu, hấp thu CO₂ và góp phần giảm hiệu ứng nhà kính.

Khi được sử dụng bền vững, sinh khối không chỉ là nguồn tài nguyên mà còn là giải pháp sinh thái cho xử lý chất thải, phục hồi đất thoái hóa, và bảo tồn năng lượng sinh học. Vai trò này ngày càng quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu chuyển đổi sang nền kinh tế xanh.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Hiện nay, các nghiên cứu đang hướng đến tối ưu hóa hiệu suất sản xuất sinh khối cả về tốc độ và chất lượng. Một số hướng đi bao gồm ứng dụng công nghệ chỉnh sửa gene (CRISPR/Cas9), sử dụng cảm biến sinh học để theo dõi quá trình nuôi cấy theo thời gian thực, và tích hợp AI trong điều khiển tự động hóa hệ thống nuôi sinh khối.

Ngoài ra, xu hướng kết hợp sinh khối với mô hình kinh tế tuần hoàn đang phát triển mạnh. Ví dụ: tận dụng CO₂ thải công nghiệp để nuôi tảo, sử dụng chất thải nông nghiệp làm nguyên liệu cho vi sinh vật, hoặc tích hợp hệ thống aquaponics sản xuất đồng thời cá, rau và sinh khối vi tảo.

Các sáng kiến quốc tế như Biofuture Platform thúc đẩy hợp tác toàn cầu về phát triển công nghệ sinh khối và năng lượng sinh học, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu tăng trưởng bền vững và trung hòa carbon. Trong tương lai, sinh khối sẽ không chỉ là nguyên liệu thô mà là chìa khóa chiến lược cho sinh kế, năng lượng và môi trường.