Đại dương hấp thụ khoảng 25 đến 30% lượng khí carbon dioxide (CO₂ ₎ thải vào khí quyển. Khi CO₂ hòa tan trong nước biển, nó tạo thành axit cacbonic, làm cho nước trở nên axit hơn và làm thay đổi thành phần hóa học của nước. Nồng độ axit cao gây hại cho sinh vật biển như san hô, hàu và một số loài sinh vật phù du dựa vào canxi cacbonat để tạo vỏ và bộ xương.

“Khi đại dương hấp thụ nhiều CO2 hơn _, thành phần hóa học sẽ thay đổi - làm tăng lượng bicarbonate trong khi giảm lượng ion carbonate - điều này có nghĩa là động vật có vỏ sẽ có ít carbonate hơn để tạo vỏ,” Kripa Varanasi, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT giải thích. “Những thay đổi này có thể lan truyền khắp các hệ sinh thái biển, ảnh hưởng đến sức khỏe của sinh vật và theo thời gian, ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn rộng lớn hơn.”

Việc mất đi nguồn động vật thân mềm có vỏ có thể dẫn đến suy giảm chất lượng nước, xói mòn bờ biển và các xáo trộn hệ sinh thái khác, bao gồm cả những hậu quả kinh tế đáng kể đối với các cộng đồng ven biển. “Hoa Kỳ có đường bờ biển rất dài, và ngành nuôi trồng động vật thân mềm có vỏ được định giá khoảng 60 tỷ đô la trên toàn cầu”, ông Varanasi cho biết. “Với những đổi mới phù hợp, có một cơ hội đáng kể để mở rộng sản xuất trong nước.”

“Người ta có thể nghĩ rằng, 'sự suy giảm này có thể xảy ra trong 100 năm nữa hoặc gì đó,' nhưng điều chúng tôi phát hiện ra là nó đã và đang ảnh hưởng đến các trại giống và hệ sinh thái ven biển ngay hôm nay,” ông nói thêm. “Nếu không có sự can thiệp, những xu hướng này có thể làm thay đổi đáng kể hệ sinh thái biển và nền kinh tế ven biển phụ thuộc vào chúng theo thời gian.”

Varanasi và T. Alan Hatton, Giáo sư Ralph Landau về Kỹ thuật Hóa học tại MIT, đã hợp tác nhiều năm để phát triển các phương pháp loại bỏ carbon dioxide khỏi nước biển và chuyển nước có tính axit trở lại thành nước kiềm. Trong những năm gần đây, họ đã hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Hàng hải Darling thuộc Đại học Maine để triển khai phương pháp này trong các trại giống.

“Cách chúng tôi nuôi hàu là cho chúng sinh sản trong các bể đặc biệt và nuôi chúng qua giai đoạn ấu trùng khoảng hai tuần… cho đến khi chúng đủ lớn để có thể thả ra sông khi nước ấm lên,” Bill Mook, người sáng lập Mook Sea Farm, giải thích. Khoảng năm 2009, ông nhận thấy vấn đề với việc sản xuất ấu trùng giai đoạn đầu. “Đó là một thảm họa. Chúng tôi đã mất vài trăm nghìn đô la sản lượng,” ông nói.

Cuối cùng, vấn đề được xác định là độ pH thấp của nước được đưa vào: Nước quá axit. Chiến lược ban đầu của trang trại, một phương pháp phổ biến trong nuôi hàu, là điều chỉnh độ pH của nước bằng cách thêm natri bicacbonat. Phương pháp mới tránh sử dụng hóa chất hoặc khoáng chất.

“Nhiều nhà nghiên cứu đang nghiên cứu về thu giữ carbon trực tiếp từ không khí, nhưng rất ít người làm việc trong lĩnh vực thu giữ carbon từ đại dương,” Hatton giải thích. “Cách tiếp cận của chúng tôi là sử dụng điện, theo phương pháp điện hóa, thay vì thêm hóa chất để điều chỉnh độ pH của dung dịch.”

Phương pháp này sử dụng các điện cực phản ứng để giải phóng proton vào nước biển, sau đó nước được thu gom và dẫn vào các tế bào, thúc đẩy quá trình giải phóng carbon dioxide hòa tan từ nước. Quá trình tuần hoàn này làm axit hóa nước để chuyển đổi các bicacbonat vô cơ hòa tan thành carbon dioxide phân tử, được thu gom dưới dạng khí trong điều kiện chân không. Sau đó, nước được dẫn đến một bộ tế bào thứ hai với điện áp đảo ngược để thu hồi proton và chuyển nước có tính axit trở lại thành nước kiềm trước khi thải trở lại biển.

Cửa sông Damariscotta ở Maine, nơi trang trại Mook tọa lạc, cung cấp khoảng 70% sản lượng hàu của tiểu bang. Damian Brady, giáo sư hải dương học tại Đại học Maine và là cộng tác viên chính của dự án, cho biết cộng đồng Damariscotta đã “phát triển thành một cường quốc sản xuất hàu… [điều này] không chỉ là một phần của nền kinh tế mà còn là một phần của văn hóa”. Ông nói thêm, “thực tế có rất nhiều điều chúng ta có thể học hỏi nếu kết hợp kỹ thuật tại MIT với khoa học nuôi trồng thủy sản tại Đại học Maine”.

“Cơ sở khoa học của giả thuyết chúng tôi là các loài động vật thân mềm hai mảnh vỏ, bao gồm cả hàu, cần canxi cacbonat để hình thành vỏ,” Simon Rufer, tiến sĩ năm 2025, cựu sinh viên phòng thí nghiệm của Varanasi và hiện là Giám đốc điều hành kiêm đồng sáng lập của CoFlo Medical, cho biết. “Bằng cách kiềm hóa nước, chúng tôi thực sự giúp hàu dễ dàng hình thành và duy trì vỏ của chúng hơn.”

Trong các thử nghiệm do nhóm nghiên cứu thực hiện, kết quả ban đầu cho thấy phương pháp này tương thích sinh học và không giết chết ấu trùng, và sau đó cho thấy hàu được xử lý bằng phương pháp đệm của MIT cho kết quả tốt hơn so với các phương pháp sử dụng khoáng chất hoặc hóa chất. Điều quan trọng, Hatton cũng lưu ý, quy trình này không tạo ra chất thải. Nước biển được đưa vào, CO2 _được thải ra. Lượng CO2 thu được này _có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác, bao gồm cả việc nuôi tảo làm thức ăn cho động vật có vỏ.

Varanasi và Hatton lần đầu tiên giới thiệu phương pháp của họ vào năm 2023. Bài báo gần đây nhất của họ, “ Nhiệt động lực học của quá trình loại bỏ cacbon vô cơ trong môi trường biển bằng phương pháp điện hóa ”, được xuất bản năm ngoái trên tạp chí Environmental Science & Technology,  đã phác thảo nhiệt động lực học tổng thể của quá trình và trình bày một công cụ thiết kế để so sánh các quy trình loại bỏ cacbon khác nhau. Nhóm nghiên cứu đã nhận được giải thưởng “plus-up award” từ ARPA-E để hợp tác với Đại học Maine và tiếp tục phát triển cũng như mở rộng quy mô công nghệ này để ứng dụng trong môi trường nuôi trồng thủy sản.

Brady cho biết dự án này đại diện cho một hướng đi khác để nuôi trồng thủy sản đóng góp vào việc giảm thiểu và thích ứng với biến đổi khí hậu. “Nó thúc đẩy một công nghệ mới để loại bỏ khí carbon dioxide khỏi môi trường biển đồng thời”, Brady nói. “Nếu có thể kết hợp, nuôi trồng thủy sản và việc loại bỏ carbon dioxide sẽ cải thiện lợi nhuận của nhau”.

Thông qua sự hợp tác này, nhóm nghiên cứu đang cải thiện độ bền của các tế bào và tìm hiểu về chức năng của chúng trong môi trường đại dương thực tế. Dự án hướng đến mục tiêu mở rộng quy mô công nghệ và tạo ra tác động đáng kể đến khí hậu và môi trường, nhưng nó còn bao gồm một trọng tâm lớn khác.

“Đây cũng là vấn đề việc làm”, Varanasi nói. “Nó liên quan đến việc hỗ trợ nền kinh tế địa phương và các cộng đồng ven biển sống phụ thuộc vào nuôi trồng thủy sản. Chúng ta có thể mở ra một nền kinh tế biển bền vững hoàn toàn mới. Chúng tôi nghĩ rằng đây mới chỉ là khởi đầu. Những gì chúng tôi đã phát triển thực sự có thể được nhân rộng”.