1. Đặt vấn đề

Trong bối cảnh dân số thế giới dự kiến đạt khoảng 9,7 tỷ người vào năm 2050, ngành nông nghiệp phải đối mặt với áp lực rất lớn trong việc gia tăng năng suất, bảo đảm an ninh lương thực, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và thích ứng với biến đổi khí hậu. Các phương thức sản xuất truyền thống dựa nhiều vào phân bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật đang bộc lộ nhiều hạn chế như hiệu suất sử dụng dinh dưỡng thấp, ô nhiễm đất và nguồn nước, phát sinh tính kháng của sinh vật gây hại và phát thải khí nhà kính. Trong bối cảnh đó, Công nghệ sinh học nano (Nanobiotechnology) được xem là một trong những hướng công nghệ đột phá của nông nghiệp thế hệ mới (Agriculture 4.0), kết hợp những thành tựu của công nghệ nano, sinh học phân tử, công nghệ vật liệu và nông nghiệp chính xác nhằm tạo ra các giải pháp thông minh, hiệu quả và bền vững [1].

Khác với công nghệ nano truyền thống, công nghệ sinh học nano khai thác các vật liệu nano có nguồn gốc sinh học hoặc được tổng hợp bằng các quy trình sinh học (green synthesis), đồng thời ứng dụng các hệ nano để mang, bảo vệ và phân phối có kiểm soát các phân tử sinh học như DNA, RNA, protein, enzyme, vi sinh vật hoặc hoạt chất sinh học đến đúng vị trí tác động. Nhờ kích thước từ 1-100 nm cùng diện tích bề mặt lớn và khả năng điều chỉnh đặc tính bề mặt, các vật liệu nano giúp nâng cao hiệu quả sử dụng vật tư nông nghiệp, giảm thất thoát và tăng khả năng đáp ứng của cây trồng trước các điều kiện bất lợi [2].

2. Các hướng nghiên cứu chủ yếu

Hiện nay, nghiên cứu về công nghệ sinh học nano trong nông nghiệp tập trung vào sáu hướng chính.

(1) Nano phân bón (Nanofertilizers)

leftcenterrightdel
 Phân bón Nano (Ảnh: Công ty TNHH phân bón sinh học Nano Tech)

Trong các ứng dụng của công nghệ nano trong nông nghiệp, nano phân bón là lĩnh vực phát triển mạnh mẽ nhất hiện nay. Nano phân bón được thiết kế để giải phóng dinh dưỡng theo cơ chế có kiểm soát, tăng khả năng hấp thu của cây trồng qua hệ rễ và bề mặt lá, đồng thời giảm thất thoát dinh dưỡng do rửa trôi hoặc bay hơi. Những đặc tính này giúp nâng cao hiệu suất sử dụng phân bón (Nutrient Use Efficiency), giảm tác động tiêu cực đến môi trường và góp phần phát triển nền nông nghiệp xanh, hiệu quả và bền vững.

Các vật liệu thường sử dụng gồm nano silica, nano hydroxyapatite, nano chitosan, nano zeolite, nano cellulose và các hạt nano kim loại vi lượng (Zn, Fe, Cu, Mn...). Những hệ mang nano còn cho phép kết hợp nhiều nguyên tố dinh dưỡng và chất kích thích sinh trưởng trong cùng một chế phẩm [2].

(2) Nano thuốc bảo vệ thực vật (Nanopesticides)

leftcenterrightdel
 Đồng nano – Bảo vệ cây trồng không lo nấm khuẩn (Ảnh: Công ty TNHH Phát triển Nông nghiệp HT)

Nano thuốc bảo vệ thực vật là một trong những hướng phát triển quan trọng của công nghệ nano trong nông nghiệp hiện đại, được kỳ vọng sẽ dần thay thế các dạng thuốc truyền thống. Các chế phẩm này được thiết kế nhằm bảo vệ hoạt chất khỏi quá trình phân hủy trong môi trường, kéo dài thời gian tác dụng, kiểm soát hoặc điều chỉnh quá trình giải phóng hoạt chất theo các tín hiệu môi trường, qua đó nâng cao hiệu quả phòng trừ dịch hại. Đồng thời, nano thuốc bảo vệ thực vật giúp giảm lượng hóa chất sử dụng, hạn chế phát thải và tồn dư trong môi trường, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và phát triển nông nghiệp bền vững [3].

Các hệ nano thường gặp gồm nano polymer, liposome, nano chitosan, nano silica xốp (mesoporous silica), MOFs và nano lipid. Đây được xem là hướng quan trọng nhằm phát triển nền nông nghiệp xanh và giảm dư lượng hóa chất trong nông sản [3].

(3) Nano sinh học phục vụ chỉnh sửa gen và chuyển gen

Bên cạnh các ứng dụng trong cung cấp dinh dưỡng và bảo vệ thực vật, công nghệ sinh học nano đang mở ra một hướng tiếp cận đầy triển vọng trong chuyển giao vật liệu di truyền vào tế bào thực vật. Thay vì sử dụng các phương pháp truyền thống như Agrobacterium tumefaciens hoặc súng bắn gen, các hạt nano được khai thác như những hệ mang có khả năng vận chuyển DNA, RNA, plasmid và các thành phần của hệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas một cách hiệu quả và an toàn hơn. Nhờ kích thước siêu nhỏ, diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác với màng tế bào, các hạt nano giúp tăng hiệu quả chuyển gen, giảm tổn thương mô thực vật, đồng thời mở rộng khả năng chỉnh sửa gen ở nhiều loài cây vốn khó biến nạp bằng các phương pháp truyền thống. Hiện nay, nhiều loại vật liệu nano như ống nano carbon (carbon nanotubes), hạt nano silica mao quản (mesoporous silica nanoparticles), vật liệu hydroxide lớp kép (layered double hydroxides), hạt nano vàng (gold nanoparticles) và hạt nano chitosan (chitosan nanoparticles) đang được nghiên cứu và phát triển như những hệ mang đầy tiềm năng cho công nghệ chuyển gen và chỉnh sửa hệ gen ở thực vật. Hướng nghiên cứu này giúp nâng cao hiệu quả chỉnh sửa gen, giảm tổn thương mô thực vật và mở ra khả năng chỉnh sửa gen không tích hợp DNA ngoại lai [1].

(4) Nano cảm biến sinh học (Nanobiosensors)

leftcenterrightdel
 Cảm biến nano trong phát hiện thuốc trừ sâu

Sự kết hợp giữa công nghệ nano và công nghệ cảm biến sinh học đã tạo ra thế hệ nano biosensor có khả năng phân tích nhanh, chính xác và theo thời gian thực nhiều chỉ tiêu sinh học, hóa học và môi trường trong sản xuất nông nghiệp. Với độ nhạy vượt trội, khả năng phát hiện ở nồng độ rất thấp và tiềm năng tích hợp với các nền tảng Internet vạn vật (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI) và điện toán đám mây, nano biosensor được xem là một trong những công nghệ nền tảng của nông nghiệp thông minh và nông nghiệp số. Hiện nay, công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong phát hiện sớm mầm bệnh, giám sát tình trạng dinh dưỡng của đất, theo dõi độ ẩm canh tác, phát hiện dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong nông sản, xác định tồn dư kháng sinh trong thực phẩm và đánh giá chất lượng nước tưới, qua đó hỗ trợ ra quyết định chính xác, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu rủi ro về môi trường cũng như an toàn thực phẩm. Trong bối cảnh chuyển đổi số và phát triển nông nghiệp chính xác, nano biosensor được kỳ vọng sẽ đóng vai trò là “hệ thần kinh” của hệ thống sản xuất nông nghiệp thông minh, cung cấp dữ liệu liên tục và theo thời gian thực phục vụ quản lý cây trồng, vật nuôi, môi trường canh tác và chuỗi cung ứng nông sản [4].

(5) Nano kích thích khả năng chống chịu của cây

Tăng cường khả năng chống chịu stress phi sinh học của cây trồng là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh của công nghệ sinh học nano trong nông nghiệp. Các nghiên cứu gần đây cho thấy nhiều loại vật liệu nano, điển hình như nano silica (SiO₂), nano selenium (Se), nano cerium oxide (CeO₂) và nano zinc oxide (ZnO), có khả năng điều hòa các quá trình sinh lý và sinh hóa của thực vật thông qua việc tăng cường hoạt tính của hệ enzyme chống oxy hóa, giảm stress oxy hóa và duy trì cân bằng nội môi của tế bào. Nhờ những cơ chế này, cây trồng có khả năng thích nghi tốt hơn với các điều kiện bất lợi như hạn hán, xâm nhập mặn, nhiệt độ cao và ô nhiễm kim loại nặng. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan, ứng dụng vật liệu nano nhằm nâng cao khả năng chống chịu của cây trồng được đánh giá là một trong những hướng nghiên cứu chiến lược, góp phần bảo đảm an ninh lương thực và phát triển nền nông nghiệp bền vững [4].

(6) Nano sinh học trong bảo quản sau thu hoạch

leftcenterrightdel
 Ứng dụng công nghệ nano trong nông nghiệp [4]

Các vật liệu nano có nguồn gốc sinh học như nano chitosan, nano cellulose, nano bạc sinh học và các màng phủ nano đã chứng minh hiệu quả trong việc kéo dài thời gian bảo quản, hạn chế tổn thất sau thu hoạch thông qua khả năng ức chế vi sinh vật gây hư hỏng, điều hòa quá trình hô hấp và chín của nông sản, đồng thời hỗ trợ phát hiện sớm sự suy giảm chất lượng hoặc hư hỏng thực phẩm. Bên cạnh hiệu quả bảo quản, các vật liệu này còn có ưu điểm về tính tương thích sinh học, khả năng phân hủy tự nhiên và thân thiện với môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển bao bì thực phẩm thông minh và bền vững. Nhờ đó, công nghệ nano trong bảo quản sau thu hoạch đang được thương mại hóa mạnh mẽ tại nhiều quốc gia và được đánh giá là một trong những hướng ứng dụng có tiềm năng phát triển lớn trong tương lai [2].

3. Triển vọng phát triển

Theo xu thế phát triển của nông nghiệp thông minh và kinh tế xanh, công nghệ sinh học nano được đánh giá sẽ trở thành một trong những công nghệ nền tảng của nông nghiệp trong thập kỷ tới. Các nghiên cứu gần đây nhận định rằng sự hội tụ giữa công nghệ nano, sinh học tổng hợp, trí tuệ nhân tạo (AI), Internet vạn vật (IoT), dữ liệu lớn (Big Data) và robot nông nghiệp sẽ tạo ra các hệ thống sản xuất có khả năng giám sát, dự báo và điều khiển chính xác theo thời gian thực [5].

Trong tương lai gần, công nghệ sinh học nano được dự báo sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ theo hướng thông minh, chính xác và bền vững nhằm đáp ứng yêu cầu của nền nông nghiệp hiện đại. Các xu hướng nghiên cứu nổi bật bao gồm phát triển các chế phẩm nano sinh học thân thiện với môi trường được tổng hợp bằng vi sinh vật hoặc chiết xuất từ thực vật theo định hướng công nghệ nano xanh (green nanotechnology); ứng dụng các hệ mang nano để vận chuyển CRISPR/Cas và các phân tử sinh học phục vụ chỉnh sửa hệ gen thực vật với độ chính xác cao; phát triển phân bón và thuốc bảo vệ thực vật thông minh có khả năng giải phóng hoạt chất theo các tín hiệu của môi trường hoặc nhu cầu sinh lý của cây trồng; xây dựng các hệ nano biosensor tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) nhằm giám sát theo thời gian thực tình trạng dịch bệnh, dinh dưỡng và các yếu tố môi trường; phát triển nền nông nghiệp số (digital agriculture) thông qua việc kết hợp cảm biến nano với Internet vạn vật (IoT), thiết bị bay không người lái (drone) và công nghệ viễn thám; đồng thời nghiên cứu các vật liệu nano có khả năng phân hủy sinh học nhằm giảm thiểu nguy cơ tích lũy trong môi trường và bảo đảm tính an toàn sinh học. Những xu hướng này được kỳ vọng sẽ tạo ra bước chuyển quan trọng trong phát triển nền nông nghiệp thông minh, tuần hoàn và thích ứng hiệu quả với biến đổi khí hậu [5].

Có thể nhận định rằng, sự hội tụ giữa công nghệ sinh học, công nghệ nano, trí tuệ nhân tạo, Internet vạn vật và dữ liệu lớn đang hình thành một hệ sinh thái công nghệ mới cho nông nghiệp. Trong hệ sinh thái đó, công nghệ sinh học nano không chỉ đóng vai trò là công cụ nâng cao hiệu quả sử dụng đầu vào nông nghiệp mà còn trở thành nền tảng cho các hệ thống sản xuất thông minh, góp phần hiện thực hóa mục tiêu phát triển nông nghiệp xanh, kinh tế tuần hoàn, giảm phát thải khí nhà kính và bảo đảm an ninh lương thực trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu. Tuy nhiên, để công nghệ sinh học nano được ứng dụng rộng rãi, vẫn cần giải quyết các thách thức về đánh giá độc tính lâu dài, tác động đến hệ sinh thái đất, xây dựng quy chuẩn an toàn, hoàn thiện khung pháp lý và giảm chi phí sản xuất quy mô lớn. Các nghiên cứu gần đây đều nhấn mạnh rằng việc thương mại hóa bền vững chỉ có thể đạt được khi các vấn đề về an toàn sinh học, đánh giá rủi ro và quản lý vòng đời vật liệu nano được nghiên cứu đầy đủ [2; 7].

Kết luận

Có thể khẳng định rằng công nghệ sinh học nano đang chuyển dịch từ giai đoạn nghiên cứu cơ bản sang phát triển công nghệ và thương mại hóa, với vai trò ngày càng quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng đầu vào nông nghiệp, phát triển giống cây trồng thế hệ mới, tăng khả năng chống chịu với biến đổi khí hậu và xây dựng nền nông nghiệp chính xác, xanh và bền vững. Trong bối cảnh Việt Nam đang triển khai các chương trình phát triển nông nghiệp công nghệ cao và thực hiện Nghị quyết số 57-NQ/TW về phát triển khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số, đầu tư nghiên cứu công nghệ sinh học nano sẽ là hướng đi có ý nghĩa chiến lược, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành nông nghiệp và tạo ra các sản phẩm công nghệ có giá trị gia tăng cao.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Munazza Ijaz, Fahad Khan, Temoor Ahmed, Muhammad Noman, Faisal Zulfiqar, Muhammad Rizwan, Jianping Chen, Kadambot HM Siddique, Bin Li (2023). Nanobiotechnology to advance stress resilience in plants: Current opportunities and challenges. Materials Today Bio. doi: 10.1016/j.mtbio.2023.100759.

2. Pamela Aracena Santos, Xhulja Biraku, Erik Nielsen, Ahmet Caglar Ozketen, Ayse Andac Ozketen, Erdogan Esref Hakki. (2024). Agricultural nanotechnology for a safe and sustainable future: current status, challenges, and beyond. J Sci Food Agric. doi: 10.1002/jsfa.13922.

3. Abazar Ghorbani, Abolghassem Emamverdian, Necla Pehlivan, Meisam Zargar, Seyed Mehdi Razavi & Moxian Chen (2024). Nano-enabled agrochemicals: mitigating heavy metal toxicity and enhancing crop adaptability for sustainable crop production. Journal of Nanobiotechnology. Volume 22, article number 91.

4. Verinder Virk, Himani Deepak, Khushbu Taneja, Rishita Srivastava (2024). Sadhana GiriAmelioration in nanobiosensors for the control of plant diseases: current status and future challenges. Frontiers in Nanotechnology. doi.org/10.3389/fnano.2024.1310165.

5. Ramesh Namdeo Pudake, Tapan Kumar Mohanta, Neelima Mahato (2024). Neelima Mahato Editorial: Opportunities and challenges for nanotechnology in sustainable agri-food production. Front. Nanotechnol. doi.org/10.3389/fnano.2024.1420192.

6. Ramesh Namdeo Pudake, Tapan Kumar Mohanta, Neelima Mahato (2024). Neelima Mahato Editorial: Opportunities and challenges for nanotechnology in sustainable agri-food production. Front. Nanotechnol. doi.org/10.3389/fnano.2024.1420192.

7. Lalita Rana, Manish Kumar, Jitendra Rajput, Navnit Kumar, Sumit Sow, Sarvesh Kumar, Anil Kumar, S. N. Singh, C. K. Jha, A. K. Singh, Shivani Ranjan, Ritwik Sahoo, Dinabandhu Samanta, Dibyajyoti Nath, Rakesh Panday & Babu Lal Raigar. Nexus between nanotechnology and agricultural production systems: challenges and future prospects. Discover Applied Sciences. Volume 6, article number 555.

PGS.TS. Đồng Huy Giới, Nhóm NCM Công nghệ sinh học Nano và Công nghệ Gen -Protein tái tổ hợp