Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong trồng trọt tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam

Đặt vấn đề

Ngày nay, công nghệ nano đã và đang hiện diện trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ làm thay đổi diện mạo của cuộc sống con người. Trong lĩnh vực điện, điện tử, công nghệ nano được ứng dụng để tạo ra các vật liệu, thiết bị thông minh, các chip nano dùng trong các thiết bị điện tử. Trong lĩnh vực dệt may, công nghệ nano giúp tạo ra các loại vải có khả năng kháng khuẩn, chống nóng. Trong lĩnh vực y học, công nghệ nano giúp tạo ra các thiết bị thăm khám bệnh, mang thuốc và dẫn truyền thuốc đến đích. Trong lĩnh vực chế biến thực phẩm, công nghệ nano được ứng dụng sản xuất bao bì đóng gói thực phẩm, tạo ra các loại thực phẩm có lợi cho sức khỏe.

Trong lĩnh vực nông nghiệp, công nghệ nano đang được nhiều nước trên thế giới xem là hướng đi mới để phát triển một nền nông nghiệp hiệu quả, kinh tế và an toàn hơn (Elizabeth & cs., 2018). Các ứng dụng trực tiếp của công nghệ nano trong nông nghiệp bao gồm: phòng và trị các nguồn bệnh do vi khuẩn, virus và nấm gây ra trên cây trồng, vật nuôi, bảo quản nông sản, giúp tăng sản lượng nông nghiệp. Một số chế phẩm nano đã được chứng minh là rất hiệu quả trong phòng trừ bệnh hại, tăng năng suất, chất lượng cây trồng, xử lý môi trường trong lĩnh vực nuôi trồng và chế biến thủy sản (Waleed, 2018).

Trong những năm gần đây, Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã và đang quan tâm thực hiện nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong các lĩnh vực trồng trọt, chăn nuôi, thủy sản, công nghệ thực phẩm và môi trường. Trong lĩnh vực trồng trọt, hai hướng nghiên cứu được quan tâm nhiều nhất là ứng dụng công nghệ nano trong việc nâng cao năng suất, chất lượng nông sản và phòng trị bệnh cho cây trồng. Bài viết này xin được giới thiệu một số kết quả ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực trồng trọt ở Học viện Nông nghiệp Việt Nam.

2. Một số kết quả chính đạt được

2.1. Ứng dụng công nghệ nano trong việc nâng cao năng suất, chất lượng nông sản

a. Kết quả nghiên cứu xử lý AgNPs và CuNPs trên rau xà lách và cải bó xôi trồng thủy canh

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi xử lý AgNPs ở nồng độ 8 ppm làm tăng khả năng nảy mầm của hạt xà lách (90%) và cải bó xôi (91,67%). Trong khi đó, xử lý CuNPs ở nồng độ 0,4-0,8ppm tăng tỷ lệ nảy mầm của hạt xà lách (từ 85%-88,3%) nhưng giảm tỷ lệ nảy mầm của cải bó xôi (ở nồng độ 0,8 ppm, tỷ lệ nảy mầm đạt 53,33%). Việc xử lý hạt AgNPs, CuNPs không gây ảnh hưởng đáng kể đến chiều dài chồi của xà lách và cải bó xôi.

Đối với cây trồng thủy canh, nồng độ nano càng cao thì càng ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của xà lách và cải bó xôi. Tuy nhiên khi xử lý ở nồng độ thích hợp, năng suất của xà lách và cải bó xôi tăng lên, cụ thể:

- Đối với xà lách, khi xử lý CuNPs ở nồng độ 0,4ppm và xử lý AgNPs nồng độ 4 ppm, các chỉ tiêu sinh trưởng như chiều cao cây cuối cùng, số lá cuối cùng, diện tích lá, khối lượng cây TB, năng suất của xà lách tăng 11,9-13% so với đối chứng.

- Đối với cải bó xôi, bổ sung CuNPs ở nồng độ 0,4ppm và AgNPs là 2ppm, các chỉ tiêu sinh trường và phát triển tăng, cải thiện được năng suất từ 16-24% so với đối chứng.

- Các chỉ tiêu chất lượng như hàm lượng vitamin C, hàm lượng protein, hàm lượng chất xơ của rau xà lách và cải bó xôi đều tăng khi bổ sung thêm nano.

- Rau xử lý bằng CuNPs, AgNPs có hàm lượng nitrat thấp hơn rất nhiều so với mức quy định chung của Bộ NN&PTNT, đạt yêu cầu về chỉ tiêu hàm lượng kim loại nặng Cu và Ag.

Bảng 1. Ảnh hưởng của CuNPs và AgNPs đến năng suất và chất lượng rau xà lách trồng thủy canh

Bảng 2. Ảnh hưởng của CuNPs và AgNPs đến năng suất và chất lượng rau cải bó xôi trồng thủy canh

Hình 1. Rau xà lách và cải bó xôi trồng thủy canh: (a) Xử lý AgNPs, (b) Xử lý CuNPs

b. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nano bạc đến sinh trưởng, phát triển và năng suất củ siêu nguyên chủng (Mini tuber) khoai tây trong nhà cách ly

Nghiên cứu này được tiến hành tại khu thí nghiệm của Học viện Nông nghiệp Việt Nam trên hai giống khoai tây Atlantic và Bliss với nồng độ nano bạc khác nhau (0,0; 2,0; 4,0; 6,0; 8,0; 10,0ppm). Kết quả nghiên cứu cho thấy, nano bạc đã thúc đẩy sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của hai giống khoai tây thí nghiệm. Xử lý nano bạc ở nồng độ 8,0ppm cho kết quả tốt nhất ở tất cả các chỉ tiêu theo dõi. Khối lượng trung bình củ đạt 25,6g (Atlantic) và 20,4g (Bliss). Năng suất thực thu đạt 1587,2 g/m² (giống Atlantic) và 2040,0 g/m² (giống Bliss). Kết quả nghiên cứu này là cơ sở khoa học để đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao năng suất và chất lượng trong sản xuất khoai tây giống ở Việt Nam.

Bảng 3. Ảnh hưởng của nano bạc đến các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu của giống khoai tây Atlantic (90 ngày sau trồng)

Bảng 4. Ảnh hưởng của nano bạc đến các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu của giống khoai tây Bliss (90 ngày sau trồng)

2.2. Ứng dụng công nghệ nano trong phòng trị bệnh cây trồng

a. Nghiên cứu điều chế dung dịch nano TiO2 phòng trừ Tobacco Mosaic Virus (TMV)

Kết quả nghiên cứu đã điều chế thành công nano TiO2 với kích thước hạt nano dao động trong khoảng 15 đến 50nm. Kết quả thử nghiệm trên cây thuốc lá cho thấy, dung dịch nano TiO2 được điều chế có khả năng ức chế sự phát triển và biểu hiện triệu chứng bệnh của virus TMV.

Hình 2. Hình ảnh cây thuốc lá sau 2 tuần lây nhiễm virus TMV (A) Cây được xử lý bằng nano TiO2; (B) Cây không được xử lý bằng nano

b. Đánh giá khả năng ức chế vi khuẩn xanthomonas oryzae pv oryzae gây bệnh bạc lá lúa của nano bạc và dịch chiết lá trầu không

Trong nghiên cứu này, cao dịch chiết từ lá cây trầu không và chế phẩm nano bạc đã được sử dụng để ức chế đối với 02 chủng vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv oryzae gây bệnh bạc lá lúa. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nồng độ nano bạc thấp nhất có khả năng ức chế in vitro 02 chủng vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv oryzae là 6,25ppm. Khi sử dụng phối hợp cao dịch chiết lá trầu không với nano bạc ở nồng độ 3,125ppm làm tăng khả năng ức chế vi khuẩn in vitro của cao dịch chiết. Nồng độ nhỏ nhất của cao dịch chiết lá trầu không sử dụng dung môi ethanol 96% khi bổ sung vào lỗ thạch vẫn quan sát thấy vòng vô khuẩn đối với cả 02 chủng vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv oryzae là 1,5625 mg/ml. Khi sử dụng cao dịch chiết kết hợp với nano bạc (3,125ppm), nồng độ cao dịch chiết nhỏ nhất vẫn có tác dụng ức chế vi khuẩn in vitro là 2^-8×100mg/ml. Sử dụng riêng lẻ hay phối hợp dung dịch nano bạc và  cao dịch chiết đều làm giảm khả năng gây bệnh bạc lá trong điều kiện thí nghiệm in vivo. Chiều dài vết bệnh có giảm đi rõ rệt dao động từ 7,55cm đến 13,67cm, tức là giảm đi chỉ còn 35,85% đến 64,91% so với đối chứng.

Hình 3. Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng ức chế vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv oryzae (chủng 09) của các nồng độ nano bạc khác nhau sau 24h nuôi cấy

Hình 4. Chiều dài vết bệnh trên lá lúa khi xử lý các công thức khác nhau (sau 18 ngày lây nhiễm)

Ghi chú: CT1: nước cất; CT2: cao dịch chiết 1,5625 mg/ml; CT3: hỗn hợp cao dịch chiết 1,5625 mg/ml và nano bạc 3,125ppm; CT4: nano bạc nồng độ 6,25ppm; CT5: kháng sinh kasugamycin.

c. Sử dụng nano bạc trong phòng trừ bệnh thối nâu do vi khuẩn gluconobacter frateurii gây ra trên quả nhãn

Nghiên cứu đã tiến hành đánh giá khả năng ức chế vi khuẩn Gluconobacter frateurii và khả năng phòng trừ bệnh thối nâu trên quả nhãn của chế phẩm nano bạc.

Hình 5. Kết quả sau 24 giờ nuôi cấy khi cho vi khuẩn Gluconobacter frateurii tiếp xúc với nano bạc trong 60 phút

Ghi chú: ĐC- : nước cất; CT1: 2,5ppm; CT2: 5ppm; CT3: 7,5ppm; CT4: 10ppm; CT5: 12,5ppm; Đc+ :  kháng sinh Streptomycin 10 ppm.

Hình 6. Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng trừ bệnh thối nâu trên nhãn của dung dịch nano bạc theo dõi sau 48h lây nhiễm

Kết quả đã xác định được: Nồng độ nano bạc 10ppm (với thời gian tiếp xúc 45 phút) và 7,5ppm (với thời gian tiếp xúc 60 phút và 75 phút) cho hiệu quả ức chế vi khuẩn Gluconobacter frateurii đạt 100%; nồng độ nano bạc 20ppm cho hiệu quả phòng trừ bệnh thối nâu trên quả nhãn là tốt nhất, không có dấu hiệu của bệnh ở cả 2 phương pháp phòng và trừ bệnh sau 48 giờ lây nhiễm.

3. Kết luận

Có thể nhận thấy, công nghệ nano là công nghệ mới, hấp dẫn, đầy tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp. Đây được xem là hướng đi mới để phát triển nền nông nghiệp hiệu quả, kinh tế và an toàn trong bối cảnh hội nhập và phát triển. Nền nông nghiệp ứng dụng công nghệ nano cho phép tiết kiệm phân bón, nước tưới, nhân công chăm sóc, từ đó giảm tiêu hao nhiên liệu, tạo ra các sản phẩm an toàn, chất lượng cao, góp phần bảo vệ môi trường, là nền tảng để phát triển một nền nông nghiệp bền vững.

Tài liệu tham khảo         

1. Đồng Huy Giới (2017). Bước đầu sử dụng nano bạc trong phòng trừ bệnh thối nâu do vi khuẩn Gluconobacter frateurii gây ra trên quả nhãn. Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam, Tập 7: 110-114.

2. Elizabeth A. Worrall, Aflaq Hamid, Karishma T. Mody, Neena Mitter & Hanu R. Pappu (2018). Nanotechnology for Plant Disease Management. Agronomy 8, 285; doi:10.3390/agronomy8120285.

3. Nguyễn Thanh Hải & Đồng Huy Giới (2017). Đánh giá khả năng ức chế vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv oryzae gây bệnh bạc lá lúa của nano bạc và dịch chiết lá trầu không. Tạp chí Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn, Tập 3-4: 49-57.

4. Nguyễn Xuân Trường, Bùi Thị Thu Hương, Phạm Thị Thùy, Vi Quốc Hiền & Đồng Huy Giới. Ảnh hưởng của nano bạc đến sinh trưởng, phát triển và năng suất củ siêu nguyên chủng (mini tuber) khoai tây trong nhà cách ly (2019). Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, tháng 12/2019. 46-51.

5. Waleed Fouad Abobatta (2018). Nanotechnology Application in Agriculture. Acta Scientific Agriculture 2.6: 99-102.

Đồng Huy Giới, Nhóm nghiên cứu mạnh CNSH nano và công nghệ protein tái tổ hợp

E.mail: dhgioi@vnua.edu.vn