Công nghệ nano ứng dụng trong nông nghiệp

Ngành nông nghiệp đang phải đối mặt với những thách thức to lớn như khí hậu thay đổi nhanh chóng, giảm độ phì nhiêu của đất, thiếu hụt vi lượng và đa lượng, lạm dụng phân bón hóa học và thuốc trừ sâu, và sự hiện diện của kim loại nặng trong đất. Tuy nhiên, sự gia tăng dân số toàn cầu đã kéo theo nhu cầu lương thực leo thang.

Việc sử dụng quá nhiều hóa chất đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến đất nông nghiệp do các hóa chất nông nghiệp độc hại gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm.

Việc tăng cường sử dụng thuốc trừ sâu hóa học cũng khiến các vi sinh vật có lợi, côn trùng và động vật hoang dã khác khỏi đất canh tác, khiến tình trạng dịch bệnh càng thêm nghiêm trọng.

Tác động cộng dồn của tất cả các kết quả trên dẫn đến sự suy thoái lớn của hệ sinh thái.

Do đó, sự phát triển của công nghệ nano ứng dụng cho việc sản xuất phân bón thông minh và thuốc trừ sâu, trừ nấm sinh học sẽ là bước đột phá giúp thay đổi tập quán canh tác nông nghiệp, từ đó ngăn ngừa sự suy thoái đất canh tác nông nghiệp nói chung.

Việc ứng dụng các các hạt siêu nhỏ dưới dạng đơn chất hoặc oxit để thay thế các phân vi lượng dưới dạng muối hoặc chelate đã giúp tiết kiệm đáng kể chi phí và nâng cao hiệu lực cũng như hiệu quả sản xuất.

Người ta nhận thấy rằng, việc sử dụng trực tiếp các muối hoặc các chelate kim loại của các nguyên tố vi lượng dễ gây ra tình trạng thừa, dẫn đến ô nhiễm môi trường, do cây sử dụng không hết.

Trong khi đó, việc sử dụng các hạt kim loại hoặc các oxit của chúng ở kích thước siêu nhỏ, dưới 100 Nano mét, để cung cấp cho cây trồng, với liều lượng nhỏ hơn rất nhiều, lại cho kết quả rất tốt.

Các nguyên tố thường được sử dụng trong kỹ thuật này thường là Cu, Zn, Mn, Mg, Co, Mo, Ti, Ag v.v. Khi cung cấp các nguyên tố vi lượng cho cây dưới dạng các hạt nano siêu nhỏ, các chỉ tiêu sinh lý, sinh hóa cũng như năng suất sản phẩm cây trồng được tăng lên rõ rệt.

Ngoài việc sử dụng các hạt kim loại hoặc các oxit của chúng, với kích thước cỡ Nanomét, để cung cấp vi lượng cho cây, người ta cũng dùng một số hạt cỡ Nano mét của chúng để tạo ra thuốc trừ nấm hoặc vi khuẩn, tùy theo tính chất của kim loại này.

Trong các nguyên tố được sử dụng trong loại công nghệ này có Cu (đồng), Zn (kẽm), Al (nhôm), Ag (bạc) thường được sử dụng để làm thuốc trừ nấm, trong khi Si lại được dùng để làm tăng tính kháng của cây.

Theo tác giả Phạm Thị Bích Hợp, trong bản thuyết minh nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ cấp thành phố (Hà nội), với đề tài "Nghiên cứu tác động của việc xử lý hạt giống trước khi gieo bằng các hạt sắt, đồng và coban có kích thước siêu nhỏ đến năng suất và chất lượng của cây đậu tương" đã dẫn ra rằng, khi sử dụng để làm phân vi lượng người ta thường dùng các oxit kim loại để sử lý hạt giống hoặc phun lên lá cho cây hấp thụ [1-12].

Tác giả Berahmand và cs [1] đã sử dụng dung dịch keo bạc có kích thước ~20nm để phun cho cây với liều 40g/ ha để làm tăng sinh trưởng cho cây ngô làm thức ăn gia súc. C.M. Lu, C.Y. Zhang, Wen J.Q. và cs [8] nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt SiO2 và TiO2 khi sử lý hạt giống đậu đã cho thấy các hạt này làm tăng hàm lượng Nitrat reductora trong cây đậu và do đó đã làm tăng sức nẩy mầm của hạt.

Nhiều tác giả cũng đã tiến hành các nghiên cứu khác nhau của các hạt kim loại siêu nhỏ trên cây trồng. Zhu và cs [5] nghiên cứu quá trình hấp thu, vận chuyển và tích lũy các hạt oxit sắt trong cây bí ngô. Zhang và cs [7] nghiên cứu ảnh hưởng của TiO2 lên quá trình nảy mầm và sinh trưởng của cây bina (spinach). V. Sha và I. Belozerova [6] tìm hiểu ảnh hưởng của một số kim loại lên quần thể vi sinh vật trong đất trồng.

Ảnh hưởng của hạt Nano oxit Zn lên sự nẩy mầm và sinh trưởng của lạc, vigna radiata và ciser arietinum cũng được nghiên cứu bởi một số tác giả (3,11]. Ngoài các hạt kim loại, Gonzales-Melendi và cs (12) còn cho thấy các ống Các bon siêu nhỏ đơn lớp cũng hoạt động như một hệ vận chuyển thông minh trong cây và có thể xâm nhập qua cả lớp vỏ dầy của hạt giống để tác động lên quá trình nẩy mầm và sinh trưởng của cây.

Chính công trình của các tác giả Ân độ [3] cho thấy, hạt giống lạc được xử lý bằng dung dịch hạt oxyt kẽm có kích thước khoảng 25nm đã cho năng suất tăng 34% so với loại hạt được xử lý bằng dung dịch Zn sunfat đã chelate hóa có cùng nồng độ là 1000mg Zn/ lit.

Để tăng cường hiệu lực và giảm thiểu lượng sử dụng nhằm tránh tình trạng dư thừa, gây ô nhiễm cho thực phẩm và đất trồng, các nhà khoa học Nga đã đề xuất việc sử dụng năng lượng bề mặt của các hạt siêu mịn, siêu phân tán, để kích thích sự nẩy mầm của hạt giống [13-16].

Các nghiên cứu cho thấy, các hạt siêu mịn và siêu phân tán này khi được sử dụng để xử lý hạt giống sẽ làm tăng hàm lượng các chất có hoạt tính sinh học trong cây, do tham gia trực tiếp vào các enzyme hoặc hoạt hóa chúng. Các hạt này còn làm gia tăng hàm lượng các loại đường dễ tiêu và làm tăng năng suất cây trồng khoảng 20-25%.

Mức tiêu tốn cho mỗi đơn vị diện tích của các hạt này cũng được giảm đi rất nhiều so với việc dùng chúng ở dạng thông thường. Dùng theo cách này mức tiêu tốn nguyên tố Sắt hoặc Đồng cho mỗi ha không vượt quá 80mg, cho Coban (Co) không quá 1000mg [13].
Khi nghiên cứu sử dụng Coban cho mục đích này M. V. Kytskir, A. A. Nazarova, S. D. Polishuk và cs [17] đã cho thấy, Ngô và Hướng Dương sau khi được xử lý hạt Coban siêu nhỏ trước khi gieo trồng đã làm tăng sản lượng Ngô 24,4% và hàm lượng vitamin A tăng 32,8%, trong khi sản lượng hạt Hướng Dương tăng 16,9% và hàm lượng protein và dầu trong hạt tăng 45% và 8,6%.

Một nghiên cứu của Eskov E. K., M.D. Eskova và G. I. Trurilov - 2011 [18] còn cho thấy khả năng sử dụng hạt Sắt kim loại siêu nhỏ để xử lý hạt giống còn làm giảm sự hút kim loại nặng từ đất đến 40%, từ đó tránh được khả năng phải dùng tới 20-40 tấn Dolomit hoặc Zeolit hay Than Hoạt Tính cần bón vào đất để kéo giảm sự ô nhiễm kim loại nặng cho nông sản v.v..

Các nghiên cứu về việc sử dụng các hạt siêu nhỏ cỡ Nanomét dùng làm thuốc diệt nấm, khuẩn được tập trung nhiều vào các kim loại như Bạc, Đồng, Kẽm. Nhưng hiệu quả được đánh giá cao nhất là đối với Bạc và Đồng.

Mặc dù vậy, việc nghiên cứu ứng dụng các hạt này trong nông nghiệp còn rất hạn chế, nếu không muốn nói là hầu như chưa có. Các lĩnh vực ứng dụng các hạt Nano chống nấm và vi khuẩn thường là trong may mặc, sơn, xử lý gỗ, mỹ phẩm v.v.. Các tác giả Ashavani Kumar, Praveen Kumar Vemula, Pulickel M. Ajayan & George John - 2008 [19], cho thấy việc sử dụng các hạt Nano Bạc để phủ các bề mặt như gỗ, kính, kim loại và các hợp chất polyme khác có hiệu quả tuyệt vời để chống lại cả 2 loại mầm bệnh gram dương trên người (Staphylococus aureus) và các vi khuẩn gram âm (Escherichia coli).

Ứng dụng của các hạt Nano còn được tác giả Alex Tiller - 2008 [20] đề cập đến trong nhiều lĩnh vực, trong đó có công nghệ thông tin trong nông nghiệp. Tác giả cho rằng hiện tại các nhà khoa học đang nghiên cứu sử dụng các hạt có từ tính cỡ Nanomét để giám sát và điều khiển các hoạt động sinh học của cây ở mức độ các mô và thậm chí một tế bào đơn lẻ.

Các "hạt thông tin" này còn có khả năng dự báo động đất hay đóng mở các vòi tưới cho các hệ thống tưới ngoài đồng. Một số nhà khoa học còn mơ đến một ngày mỗi cây trồng đều được cài đặt một cảm biến và đồng hồ sinh học, mà nó có thể thông tin chính xác các nhu cầu và thời điểm chúng cần.

Trong bài viết "Công nghệ Nano sử dụng trong nông nghiệp: Lợi ích và rủi ro tiềm tàng" tác giả Jason C. White -2013[21] cho rằng các hạt Nano không phải chỉ do con người tạo ra, mà nó đã đồng hành với loài người từ khi con người xuất hiện trên trái đất này. Các hạt Nano được hình thành từ sự xói mòn, từ sự cháy, từ núi lửa và sóng biển.

Chính vì vậy mà hạt Nano không phải là cái gì đó gây hại hoặc xấu. Hoạt động của con người cũng tạo ra các hạt Nano, như đốt than, khói xe, và sự phân hủy của các lốp xe.

Tác giả cho rằng khả năng con người tạo ra các hạt Nano đã tăng lên mạnh mẽ trong khoảng 10 năm cuối. Tính chất của các hạt Nano rất khác biệt so với chính chúng ở trạng thái khối lớn, hoặc không phải ở kích thước Nano.

Chính vì nó có diện tích bề mặt rất lớn ở cùng 1 khối lượng nên nó được dùng phủ cho các bề mặt hoạt động hoặc cho các đặc tính mong muốn khác. Thường thì đặc tính đặc biệt này rất có ích và có lợi. Tác giá còn dự báo công nghiệp công nghệ Nano mới chỉ khoảng 1 tỷ Đô la năm 2005, sẽ tăng lên 1 ngàn tỷ vào năm 2015.

Tác giả cho rằng sử dụng công nghệ Nano trong nông nghiệp cũng nhận được sự quan tâm rất lớn. Các ứng dụng nhằm nâng cao mức sản xuất cũng như năng suất cây trồng, tăng hệ số sử dụng các nguồn tài nguyên, giảm thiểu chất thải v.v... Các ứng dụng cụ thể được nhắc đến như phân bón Nano, thuốc trừ sâu Nano, xử lý chất thải nông nghiệp bằng công nghệ Nano, cảm biến sinh học Nano v.v...

Về vấn đề rủi ro tiềm tàng, tác giả cho rằng, các tài liệu về độc tính của các hạt Nano đối với cây trồng không có nhiều. Hầu hết các nghiên cứu chỉ quan tâm đến sự so sánh các vật liệu Nano với chính nó ở trạng thái thông thường hoặc ở dạng ion.

Công nghệ nano ra đời đã tạo nên bước nhảy đột phá trong ngành điện tử, tin học, y sinh học, được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như gạc chữa bỏng được phủ nano bạc, nước rửa rau sống, chất diệt khuẩn khử mùi trong máy lạnh...

Ở Việt Nam cũng đã có quảng cáo các chế phẩm từ công nghệ Nano, trong đó chủ yếu là Nano bạc, như Nano Bạc chuyên dùng trong sinh hoạt hàng ngày, Nano Bạc chuyên phòng và trị bệnh cho tôm cá, Nano Bạc chuyên phòng và trị bệnh trong trồng trọt, Nano Bạc chuyên phòng và trị bệnh cho đàn vật nuôi, Nano Bạc trong nuôi trồng thủy sản v.v...

Các tác giả Đặng Văn Phú, Bùi Duy Du, Nguyễn Triệu và 3 tác giả khác - 2008 [22] đã có công bố công trình nghiên cứu "Chế tạo các hạt Nano Bạc bằng phương pháp chiếu xạ, dùng Polyvinyl pyrolidon/Chitosan làm chất ổn định", trong đó kết luận đã chế tạo thành công keo Nano Bạc bằng phương pháp chiếu xạ · Co-60, với kích thước các hạt từ 2 - 15 nm.

Cũng đã có một số tác giả thực hiện nghiên cứu về công nghệ sản xuất các hạt Nano kim loại, trong đó có tác giả Nguyễn Việt Dũng đã thực hiện đề tài về nghiên cứu công nghệ chế tạo hạt Nano Đồng.

Tác giả Dũng cho rằng, trong những thập niên gần đây, Nano đồng đã thể hiện được vị trí riêng của mình và xuất hiện ngày càng nhiều trong các lĩnh vực. Đầu tiên là lĩnh vực bôi trơn, Nano Đồng được sử dụng kết hợp với các loại dầu nhờn truyền thống tạo nên một chất bôi trơn có khả năng dẫn nhiệt cao. Trong lĩnh vực xúc tác, Nano Đồng đóng vai trò chất xúc tác cho phản ứng phân huỷ CCL, phản ứng Ullmann (phản ứng tổng hợp các hợp chất biaryl và polyaryl).... Trong lĩnh vực vật liệu, Nano Đồng góp phần làm tăng độ dẫn điện của nhựa epoxy, làm cầu nối trong các vi mạch điện tử .... Trong lĩnh vực sinh học Nano Đồng được dùng làm chất diệt khuẩn E.Coli, Staphylococcus aureus.... Trong lĩnh vực y học, hệ keo Nano Đồng cũng được xem như một loại thuốc sát trùng và thuốc điều trị ung thư đầy hứa hẹn.

Nano Đồng có thể được điều chế nhờ các phương pháp, như phương pháp polyol với sự hỗ trợ vi sóng, phương pháp khử hóa học, phương pháp quang hóa, phương pháp điện hóa, phương pháp lắng đọng hơi vật lý hoặc hoa học, phương pháp nhiệt phân, phương pháp siêu ẩm nhiệt (sonothermal), phương pháp siêu âm hoa học (sonochemical),..... Trong số đó, phương pháp polyol với sự hỗ trợ vi sóng có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác. Đây là phương pháp điều chế Nano không quá phức tạp, phản ứng diễn ra êm dịu, dễ kiểm soát, thời gian chế tạo ngắn, độ tinh khiết sản phẩm cao, kiểm soát được thành phần,

Tuy được quan tâm nghiên cứu nhiều nhưng trên thực tế ở Việt Nam chưa có nhiều chế phẩm Nano kim loại thực sự bước ra và đứng vũng trên thị trường, nhất là trong lĩnh vực nông nghiệp.

Với chế phẩm Nano Bạc thì đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng trên thực tế nông nghiệp ở Việt nam, nhưng chế phẩm từ Nano Đồng thì hầu như chưa có. Được biết đã có tác giả bảo vệ thành công tiến bộ kỹ thuật về Nano Đồng, ứng dụng trừ nấm cho cây trồng, nhưng sau khi ra thị trường thì chế phẩm này bị ngưng sản xuất vì các hạt Đồng sớm bị lắng đọng trong thời gian một vài tháng.

Theo tiến sĩ Trần Quang Huy - Trường phòng "Phòng Thí Nghiệm Siêu Cầu Trúc và Công Nghệ Nano Y Sinh", Viện Vệ Sinh Dịch Tễ TW, thì đã có nhiều người làm nano đồng nhưng rất ít người làm được, nhất là Nano Cu ở dạng phân tầng bên trong dung dịch.

Mặt khác, công nghệ sản xuất quá phức tạp của các tác giả sẽ là cản trở lớn, ảnh hưởng đến giá thành cũng như khả năng đáp ứng cho nhu cầu sử dụng.

Tại Công Ty Cổ Phần Ni Việt, chúng tôi đã nghiên cứu và ứng dụng thành công chế phẩm nano đồng được thương mại dưới dạng phân vi lượng thương hiệu FUGI NANO-Cu. Chế phẩm có kích thước hạt cực nhỏ từ 5-7mm và phân tán bền qua nhiều năm.

Trên thực tế, người dân đã sử dụng chế phẩm này để phòng và trị bệnh chết nhanh, chế chậm trên cây tiêu, có hiệu quả tốt; dùng trị bệnh ghẻ trái, xì mủ và rêu mọc trên cây cam quýt và nhiều cây thân mộc khác; dùng trị bệnh héo xanh chết dây trên cây bầu bí; trị bệnh cháy bìa lá trên cây lúa; dùng phòng và trị bệnh trên cây hành, táo, măng tây v.v..

XEM THÊM:

>> CHẾ PHẨM TRỪ SÂU SINH HỌC NHŨ NEEM

>> BỘ TRỪ NÂM AN TOÀN FUGI NANO PHÒNG TRỊ NẤM BỆNH DÙNG TRONG NÔNG NGHIỆP SẠCH

>> BỘ PHÂN BÓN CAO CẤP XỬ LÝ RA HOA ĐỒNG LOẠT

>> Báo cáo KẾT QUẢ KHẢO SÁT HIỆU LỰC của chế phẩm nano đồng (nano copper) FUGI NANO-Cu đối với nấm bệnh Phytophthora sp.

>> PHÂN BÓN AMINO ACID LÀ GÌ? TÁC DỤNG CỦA AMINO ACID ĐỐI VỚI CÂY TRỒNG