Áp dụng siêu-vi-thể kim loại

ÁP DỤNG KỶ THUẬT SIÊU-VI-THỂ KIM LOẠI TRONG CANH TÁC HOA MÀU

Trần Đăng Hồng, PhD

Dân số thế giới trên đà gia tăng, ước tính khoảng 9 tỉ dân vào năm 2050. Hiện tại với 7 tỉ dân thế giới vẫn chưa giải quyết được nạn đói, nhất là ở Phi Châu. Tìm giải pháp gia tăng thực phẩm để nuôi số dân nói trên là một nhiệm vụ thiết yếu và khẩn cấp. Ngoài các biện pháp cải thiện giống qua các biện pháp sinh học chuyển gen, các nhà nông học đang nghiên cứu các biện pháp giúp cây gia tăng hấp thụ dưỡng chất để tăng năng xuất và phẩm chất nông sản như giàu chất bổ dưỡng, v.v. mà không đòi hỏi nhiều về nguồn nước và năng lượng càng ngày càng eo hẹp về lượng và phẩm.

Các nhà khoa học tại Đại học Washington University ở Saint Louis Hoa Kỳ đang nghiên cứu việc xử dụng các siêu-vi-thể (nanoparticles) để thúc đẩy cây cà chua tăng trưởng mạnh và cho năng xuất trái cao với giàu chất lycopene. Bắt chước hoạt động của tế bào năng lượng mặt trời, các nhà khoa học này thấy rằng khi xử dụng oxit kẽm (ZnO) và titanium dioxide (TiO₂) ở dạng siêu-vi-thể thì cây cà chua hấp thụ nhiều ánh sáng cho hiện tượng lục hóa, hấp thụ nhiều khoáng chất từ đất để tăng trưởng cho năng xuất cao, đồng thời trái cà chua chứa nhiều chất chống oxit hóa (antioxidant) hơn.

Khi tăng trưởng, cây gởi một tín hiệu đến rễ cho biết cây cần những chất dinh dưỡng nào. Những khoáng chất trong đất mà hệ thống rễ tiếp xúc không ở dạng hòa tan để rễ hấp thụ trực tiếp được, cây ra lệnh rễ tiết loại enzyme thích ứng kết hợp với vi khuẩn quanh rễ làm khoáng chất đó hòa tan và rễ cây hấp thụ. Nhiệm vụ của siêu-vi-thể là giúp cây hoàn thành tốt các phản ứng này.

Kẽm (Zn) là một chất dinh dưỡng cần thiết cho cây, giúp các enzyme hoạt động hữu hiệu, nó cũng là một thành phần vi chất trong phân bón. Còn titanium không phải là chất dinh dưỡng của cây nhưng giúp lục-lạp của lá hấp thụ nhiều ánh sáng cho hiện tượng lục-hóa.

Nhóm khoa học gia thấy rằng phun lên lá cây dung dịch siêu-vi-thể oxit kẽm (ZnO) và titanium dioxide (TiO₂) bằng phương pháp phun hơi như sương (aerosol) thì cây hấp thụ chất dinh dưỡng từ đất hiệu quả hơn là tưới siêu-vi-thể vào gốc rễ cây. Cây chỉ hấp thụ 20% chất dinh dưỡng khi tưới vào rễ, phần còn lại thì dính chặc vào đất hay bị nước mưa làm trôi mất, nên ảnh hưởng vào tăng trưởng của cây ít.

Ngược lại, phun siêu-vi-thể lên lá làm cây hấp thụ nhiều dưỡng chất từ đất, hiện tượng lục hóa mảnh liệt hơn, cây tăng trưởng nhanh và gia tăng năng xuất trái tới 82% so với cây dẫn chứng. Ngoài ra, trái cà chua ở cây xử lý siêu-vi-thể phun lên lá chứa lycopene nhiều hơn 80-113%, một thành phần chống oxit hóa làm giảm nguy cơ bệnh ung thư, đau tim, thị-giác thoái hóa ở người già.

Hình 1. Ảnh hưởng khác biệt giữa phương pháp bón siêu-vi-thể vào đất và phun lên lá ở cây cà chua

Nano (nm) là chiều dài bằng 1 phần tỉ của mét (1/10⁹ m = 0.000.000.001 m). Một siêu-vi-thể (nanoparticle) có đường kính 1-100 nm. Để tưởng tượng nó nhỏ như thế nào, hãy so sánh với một siêu-vi-khuẩn (virus) có chiều dài 100 nm, một hồng huyết cầu có đường kính 7000 nm, sợi tóc người có đường kính 80.000 nm. Mắt người chỉ thấy một vật có kính thước >10.000 nm. Trong kỷ thuật này, siêu-vi-thể oxit kẽm và titanium dioxide có kích thước 25 nm.

Hình 2. Sơ đồ biểu tượng dưới kính vi điện tử chu trình phát triển chất siêu-vi-thể kim loại từ hạt thành cây và trái ở cà chua

Kỷ thuật siêu-vi-thể hiện đang chiếm vị trí ưu thế trong chuyển hóa nền nông nghiệp và sản xuất thực phẩm trong thế kỷ 21 này, dần dần thay đổi kỷ thuật nông nghiệp cổ điển. Đa số các hóa chất xử dụng trong nông nghiệp như phân bón, thuốc diệt sâu, trị bệnh, diệt cỏ v.v. chỉ đến được mục tiêu một phần mà thất thoát phần lớn vì bị mưa trôi, gió thổi, bị phân hủy bởi ánh sáng, bởi vi khuẩn. Chính dạng siêu-vi-thể hay viên siêu-vi là một phương cách hữu hiệu phân phối thuốc diệt sâu bệnh và phân bón đến mục tiêu của từng tế bào bề mặt côn trùng hay cây hoa màu nên nhà nông ngày càng thích áp dụng.

Ngày nay các nhà khoa học phát triển các thiết kế nhạy cảm (sensor) bằng vật liệu siêu-vi-thể để biết chính xác hơn nhu cầu cây cần bón loại phân gì số lượng bao nhiêu hay thuốc diệt sâu hữu hiệu, biết chính xác ẩm độ đất và chất dinh dưỡng chứa trong đất. Cây hấp thụ nhanh chóng phân bón dạng siêu-vi-thể, cũng như viên siêu-vi-thể chứa phân bón chậm giải phóng chất dinh dưỡng tiết kiệm được phân bón và giảm thiểu ô nhiễm môi sinh.

Kết quả nghiên cứu cho thấy áp dụng siêu-vi-thể oxit kẽm (ZnO) với kích thước 25 nm và nồng độ 1000 ppm (phần triệu) vào hạt đậu phộng giúp đậu phộng nẩy mầm mạnh, cây khỏe, bộ phận thân lá và rễ tăng trưởng và cuối cùng gia tăng năng xuất hột. Tương tự như vậy, chỉ áp dụng việc khử hột với oxit kẽm tăng năng xuất lúa mì lên 20-25%.

Phân bón dạng siêu-vi-thể không những chỉ cung cấp chất dinh dưỡng cho cây mà còn cải thiện đất, phóng thích chất dinh dưỡng thành dạng cho cây dễ hấp thụ. Oxit kẽm là thành phần của enzyme, giúp rễ cây hấp thụ nhiều chất dinh dưỡng từ đất. Nhờ vậy, phân bón được xử dụng hiệu quả. Chẳng hạn, để có cùng một một năng xuất, với phân bón thường phải xử dụng 150 kg, nhưng với phân dạng siêu-vi-thể thì chỉ cần 40-50 kg.

Hiện nay, các nhà khoa học đang thử nghiệm siêu-vi-thể kim loại như vàng (Au), bạc (Ag), đồng (Cu), kẽm (Zn), nhôm (Al), silica (Si), oxit kẽm (ZnO), oxit cesium (Se₂O₃), titanium dioxide (TiO₂) và sắt hóa nam châm (Fe) vào nông nghiệp.

Kết quả còn trong vòng nghiên cứu nhưng rất khích lệ vì siêu-vi-thể kim loại giúp cây hấp thụ nhiều khoáng chất trong đất, giúp lục hóa mạnh hơn, giúp vi sinh vật trong đất cọng sinh cung cấp chất đạm cho cây, nhờ vậy không cần bón nhiều phân hóa học mà vẫn có năng xuất cao.

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH

Beth Miller (5/11/2015). Tomatoes get boost in growth, antioxidants from nano-sized nutrients. Univerity of Washington in St Louis. https://engineering.wustl.edu/news/Pages/Tomatoes-get-boost-in-growth,-antioxidant-content-from-nano-sized-nutrients.aspx

Reading, 11/2015