Phát hiện loại gỗ có khả năng thu giữ lượng carbon cao mở ra tiềm năng chống biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu mà biểu hiện chính là sự nóng lên toàn cầu và mực nước biển dâng đã tạo nên các hiện tượng thời tiết cực đoan tiết hiện nay. Đây là một trong những thách thức lớn nhất đối với nhân loại trong thế kỷ 21 vì biến đổi khí hậu đang ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái, tài nguyên môi trường và cuộc sống của con người.

Những thay đổi trong điều kiện khí hậu và lượng khí carbon dioxide tăng nhanh chóng đã ảnh hưởng nghiêm trọng tới hệ sinh thái, nguồn cung cấp nước ngọt, không khí, nhiên liệu, năng lượng sạch, thực phẩm và sức khỏe. Dưới tác động của nhiệt độ, không khí và băng tan, số lượng các rạn san hô ngày càng có xu hướng giảm. Điều đó cho thấy, cả hệ sinh thái trên cạn và dưới nước đều đang phải hứng chịu những tác động từ lũ lụt, hạn hán, cháy rừng, cũng như hiện tượng axit hóa đại dương.

Cây cối là bồn chứa carbon tự nhiên. Điều này có nghĩa là chúng hấp thụ một lượng lớn CO₂ từ không khí và lưu trữ trong gỗ của chúng. Trong đó cây tulip (Liriodendron tulipifera ), còn được gọi là cây dương vàng, là loài cây có hiệu suất thu giữ carbon cao nhất.

Ở vùng Trung Đại Tây Dương của Mỹ, những khu rừng có cây tulip chiếm ưu thế lưu trữ lượng carbon nhiều hơn từ hai đến sáu lần so với những khu rừng có các loài khác chiếm ưu thế. Cây tulip đã phổ biến trong các đồn điền ở một số vùng Đông Nam Á và được coi là lựa chọn tốt để thu giữ carbon cho những người làm vườn và nhà quy hoạch đô thị ở Mỹ.

Cây tulip là loài cây có khả năng lưu trữ lượng carbon tương đối nhiều. Ảnh: Tiền Phong/Wild Horizon

Cùng với họ hàng gần là cây tulip Trung Quốc (Liriodendron chinense), thuộc về một dòng dõi cổ xưa có niên đại từ 50-30 triệu năm trước — một giai đoạn được đánh dấu bằng sự thay đổi đáng kể trong CO₂ trong khí quyển. Chỉ có hai loài còn tồn tại. Và cho đến gần đây, thành phần hóa học và cấu trúc của chúng, có thể cho chúng ta biết lý do tại sao những cây này lại hấp thụ carbon tốt như vậy.

Các phương pháp truyền thống để phân tích cấu trúc bên trong của gỗ bỏ qua sự khác biệt giữa gỗ sống và gỗ khô, gỗ khô dễ nghiên cứu hơn nhiều. Đó là một vấn đề vì nếu không có nước, gỗ ở cấp độ phân tử sẽ thay đổi. Thách thức là quan sát gỗ vẫn giữ được nước.

Bằng cách sử dụng một kỹ thuật được gọi là kính hiển vi điện tử quét nhiệt độ thấp tại Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge, Anh. Kỹ thuật này cho phép các nhà khoa học quan sát gỗ ở mức độ nanomet - nhìn thấy các cấu trúc nhỏ hơn 6.000 lần so với một sợi tóc của con người - trong khi vẫn giữ được độ ẩm của gỗ để có ấn tượng chính xác hơn về hình dạng của gỗ khi cây còn sống.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều loại cây khác nhau tại Vườn bách thảo Đại học Cambridge để hiểu quá trình tiến hóa của các cấu trúc gỗ. Họ đã thu thập các mẫu thực vật sống đại diện cho các cột mốc quan trọng trong lịch sử tiến hóa. Những cây này chỉ cách kính hiển vi một đoạn đi bộ ngắn, cho phép chúng tôi kiểm tra các mẫu mà không làm chúng bị khô.

Kết quả các nhà ngiên cứu đã phát hiện ra rằng, kích thước của macrofibril, một sợi gỗ chủ yếu bao gồm cellulose, là khối xây dựng hóa học cơ bản của gỗ và cung cấp cho cây sức mạnh để phát triển cao, thay đổi đáng kể giữa gỗ cứng và gỗ mềm. Ở gỗ cứng, như gỗ sồi và gỗ thích, macrofibril có đường kính khoảng 16 nanomet (nm), trong khi ở gỗ mềm như thông và vân sam, đường kính khoảng 28 nm. Những khác biệt này có thể giải thích tại sao gỗ mềm và gỗ cứng lại khác nhau và có thể giúp chúng ta tìm ra lý do tại sao một số loại gỗ lưu trữ carbon tốt hơn những loại khác.

Hiểu được cách gỗ tiến hóa có thể giúp chúng ta xác định và khai thác các loài thực vật có thể làm giảm biến đổi khí hậu. Để trả lời câu hỏi này, các nhà khoa học đã khám phá họ mộc lan, bao gồm cả loài Magnolia liliiflora có hoa màu tím, một trong những loài thực vật có hoa lâu đời nhất còn tồn tại và được biết đến với vẻ đẹp của chúng. Những loài mà các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm có các sợi lớn giống gỗ cứng với đường kính 15-16 nm, nghĩa là sự chuyển đổi từ gỗ mềm sang gỗ cứng có thể đã xảy ra trong quá trình tiến hóa của mộc lan.

Cây tulip là họ hàng gần của cây mộc lan, nhưng gỗ của nó không nằm gọn trong các loại gỗ mềm hoặc gỗ cứng. Thay vào đó, các sợi lớn của nó có đường kính khoảng 22 nm — nằm giữa phạm vi giữa gỗ cứng và gỗ mềm. Cấu trúc trung gian này hoàn toàn bất ngờ và khiến chúng tôi phân loại gỗ cây tulip là "gỗ giữa", một loại hoàn toàn mới.

Khi cây tulip lần đầu tiên tiến hóa, nồng độ CO₂ trong khí quyển đã giảm từ khoảng 1.000 phần triệu (ppm) xuống còn 500 ppm. Sự giảm CO₂ khả dụng này có thể đã thúc đẩy cây tulip phát triển một phương pháp lưu trữ carbon hiệu quả hơn, dẫn đến cấu trúc macrofibril độc đáo của chúng. Ngày nay, sự thích nghi này có thể góp phần vào khả năng cô lập carbon đặc biệt của chúng.

Khi nhìn vào một cây chưa từng được nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học đã xếp vào trong nhiều năm rằng nó thuộc cùng hai loại (gỗ mềm hoặc gỗ cứng). Cây tulip, với cấu trúc gỗ giữa của nó, tương ứng với thái độ "đói carbon". Bây giờ họ đang xem xét liệu cấu trúc gỗ có vẻ độc đáo của nó có phải là lý do duy nhất khiến nó trở thành vua trong thu giữ carbon hay không và mở rộng phạm vi tìm kiếm để tìm hiểu xem có thêm bất kỳ cây gỗ giữa nào nữa không.

Những phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của nghiên cứu thực vật và vai trò của các bộ sưu tập, chẳng hạn như những bộ sưu tập tại Vườn thực vật Đại học Cambridge, trong việc khám phá những hiểu biết mới về khoa học thực vật. Khi bạn đến thăm một vườn thực vật, hãy nhớ rằng vẫn còn nhiều điều bí ẩn ẩn giấu trong vương quốc thực vật, đang chờ được khám phá.

Trước đó Tạp chí khoa học Cell Reports Physical Science của Hà Lan đã công bố nghiên cứu của Đại học Rice, Mỹ (RU), cho ra đời loại gỗ chắc khỏe hơn và có chức năng chống biến đổi khí hậu bằng cách "gom” khí carbon dioxide (CO2).

Các nhà khoa học tại RU đã khai thác các đặc tính tự nhiên của gỗ để tăng cường khả năng thu giữ CO2. Quá trình liên quan đến việc đưa các khung hữu cơ kim loại vi hạt (MOF) có độ xốp cao vào gỗ sau khi khung bên trong đã được làm sạch. Cơ chế này được gọi là phân cấp. Gỗ được tạo thành từ ba thành phần thiết yếu là cellulose, hemicellulose và lignin. Lignin là chất mang lại màu sắc cho gỗ, vì vậy khi bạn loại bỏ lignin, gỗ sẽ trở nên không màu. Các hạt MOF dễ dàng phù hợp với các kênh cellulose, tăng cường gắn kết và hấp thụ CO2.

Kiểm tra độ bền kéo của loại gỗ này, người ta thấy rằng, nó bền hơn gỗ thông thường chưa qua xử lý và có khả năng chịu được các tác nhân gây hại từ môi trường như uốn cong hơn. Ngoài ra, quy trình được sử dụng để sản xuất gỗ có khả năng mở rộng và tiết kiệm năng lượng. MOF truyền thống thường có tính ổn định thấp, dễ bị ẩm, có độ xốp cao, rất hợp cho mục đích xây dựng, vừa bền vững lại có tính tái tạo cao.

An Dương (T/h)