Đồng Huy Giới
Khoa Công Nghệ Sinh Học, Học Viện Nông nghiệp Việt Nam
1. Giới thiệu:
Trồng trọt là lĩnh vực sản xuất quan trọng của nông nghiệp, cung cấp lương thực, thực phẩm cho con người, thức ăn cho chăn nuôi, nguyên liệu cho công nghiệp, nông sản để xuất khẩu... Do vậy, nghề trồng trọt vẫn là nghề muôn đời và đang ngày càng có giá trị bởi sức ép về lương thực thực phẩm cho con người ngày một gia tăng. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, trồng trọt đang gặp phải rất nhiều thách thức như biến đổi khí hậu, sử dụng tài nguyên không hợp lý và sử dụng quá nhiều phân bón hóa học.
Công nghệ nano (nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet. Nó được coi là một lĩnh vực khoa học mới nổi và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học trong đó có lĩnh vực nông nghiệp. Với những đặc tính ưu việt, công nghệ nano được kỳ vọng sẽ giúp cải thiện năng suất và chất lượng cây trồng thông qua việc cung cấp các ứng dụng mới, các giải pháp mới trong các lĩnh vực dinh dưỡng, bảo vệ thực vật, xử lý môi trường trồng trọt…, góp phần định hướng và phát triển một nền nông nghiệp an toàn và bền vững.
2. Phương pháp chế tạo vật liệu nano
Phương pháp tổng hợp vật liệu nano rất đa dạng và phong phú, mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng. Chính vì vậy, tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà khi tổng hợp vật liệu nano talựa chọn phương pháp thích hợp, đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật (kích thước hạt, tính đồng đều…), kinh tế (giá thành sản phẩm), cũng như phù hợp với điều kiện trang thiết bị kỹ thuật hiện có.
Căn cứ vào kích thước của nguyên liệu so với kích thước của vật liệu nano, việc tổng hợp vật liệu nano được tiếp cận theo hai phương pháp là:
Phương pháp từ trên xuống(top-down): Là phương pháp tạo vật liệu nano từ các hạt có kích thước lớn hơn kích thước vật liệu nano.
Hai kỹ thuật thường được sử dụng trong phương pháp từ trên xuống là kỹ thuật nghiền và kỹ thuật biến dạng:
Đối với kỹ thuật nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano).
Kỹ thuật biến dạng: Có thể là đùn thủy lực, tuốt, cán, ép. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phòng thì được gọi là biến dạng nóng, còn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (màng nano).
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể chế tạo được một lượng lớn vật liệu. Tuy nhiên, vật liệu nano được tạo ra bằng phương pháp này thường có tính đồng nhất của không cao.
Phương pháp từ dưới lên(bottom-up):
Nguyên lý của phương pháp này là tạo ra vật liệu có kích thước nano từ các nguyên tử hoặc ion (có kích thước nhỏ hơn kích thước vật liệu nano).
Ưu điểm của phương pháp này là: có tính linh động cao, chất lượng sản phẩm tốt và tính đồng nhất của sản phẩm cao. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này.
3. Một số tính năng độc đáo của hạt nano
Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng lên. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt (hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt) tăng lê. Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng bề mặt càng lớn và ngược lại. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng. Ví dụ, với một hạt nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt đó chứa là 4000 nguyên tử, các nguyên tử bề mặt chiếm 40%, năng lượng bề mặt là 8,16×1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần là 82,2 %. Tuy nhiên, các giá trị vật lí sẽ giảm đi một nửa khi kích thước của hạt nano tăng gấp hai lần (từ 5nm lên 10 nm).
Hiệu ứng kích thước
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước củavật liệunano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm. Chính điều này đã làm nên cái tên “vật liệu nano” mà ta thường nghe đến ngày nay. Ởvật liệukhối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. Tuy nhiên, chúng ta cũng may mắn là hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào. Ví dụ, đối với kim loại, quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so với quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Bây giờ chúng ta thu nhỏ kích thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là hằng số Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm đi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển lượng tử trong các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại.
4. Ứng dụng công nghệ nano trong trồng trọt
4.1. Công nghệ sinh học nano trong xử lý môi trường trồng trọt
Việc thường xuyên sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón trong trồng trọt dẫn đến một vấn đề là không kiểm soát được các chất không mong muốn có trong phân bón hóa học và thuốc trừ sâu vào môi trường. Công nghệ sinh học nano với cách tiếp cận đầy hứa hẹn giúp cải thiện sản xuất cây trồng và khắc phục ô nhiễm đất và nước ngầm. Qua các báo cáo ứng dụng gần đây của công nghệ nano trong môi trường nông nghiệp, các nhà khoa học đã cho thấy rằng việc sử dụng các vật liệu nano để cải thiện chất lượng của môi trường, giúp phát hiện và khắc phục ô nhiễm ở các khu vực khác nhau.
4.2. Công nghệ sinh học nano trong việc tăng năng suất và chất lượng nông sản
Phân bón đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên việc lạm dụng phân bón hóa học đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với môi trường, tác động xấu đến đất trồng, làm ảnh hưởng đến chất lượng và an toàn nông sản, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Công nghệ sinh học nano cho phép chúng ta tạo được các sản phẩm nano tích hợp giúp cây trồng sinh trưởng, phát triển tốt, nâng cao năng suất và chất lượng nông sản, ngoài ra còn giúp cây trồng tăng sức đề kháng, từ đó giảm được đáng kể lượng phân bón hóa và thuốc bảo vệ thực vật sử dụng trong trồng trọt, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững.
Đã có nhiều thực nghiệm chứng minh hiệu quả của chế phẩm nano đối với sinh trưởng, phát triển, năng suất và chất lượng của cây trồng như: Khi sử dụng phân bón nano phospho cho cây đậu tương có thể tăng tốc độ phát triển thêm 33%, năng suất hạt tăng 20% so với sử dụng phân lân thông thường. Một nghiên cứu khác cho thấy cây đậu tương khi sử dụng phân bón lá chứa vi lượng Zn dưới dạng nano ZnO nồng độ 20 mg/l đã tăng lần lượt 42%, 41%, 98% và 76% chiều dài rễ, sinh khối rễ, chiều dài thân và sinh khối thân. Ngô được xử lý bằng nano đồng (1,3mg/kg hạt giống)cho cây cao hơn 10cm và năng suất cao hơn33,3% so với không xử lý. Xử lý nano TiO2 20 mg/Lthúc đẩy quang hợp và chuyển hóa nitơ, từ đó cải thiện đáng kể tốc độ tăng trưởng của rau bina. Xử lý hạt nano kim loại Cu, Co và Fe cho hạt đậu tương trước khi gieo trồng (liều lượng nano 100 mg/70 kg hạt) làm tăng tỷ lệ nảy mầm, tăng số lượng diệp lục và tăng năng suất đậu tương (Viện Công nghệ môi trường). Nano bạc với nồng độ 8ppm đã thúc đẩy sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của hai giống khoai tây Atlantic và Bliss, khối lượng trung bình củ đạt 25,6 g (Atlantic) và 20,4 g (Bliss), năng suất thực thu cao hơn 1,6 lần so với không xử lý nano bạc.
4.3. Công nghệ nano trong phòng trừ sâu bệnh hại cây trồng
Việc sử dụng thuốc thuốc bảo vệ thực vật hóa học để chống lại dịch bệnh cho cây trồng đều gây nên những tác hại nhất định, nó giải phóng chất hóa học vào rau quả và môi trường xung quanh, gây ra ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến chất lượng nông sản. Công nghệ nano cho phép tạo ra các sản phẩm có khả năng chống lại các vi sinh vật gây bệnh để bảo vệ cây trồng, đồng thời các sản phẩm này lại thân thiện với môi trường và an toàn với con người.
Các nguyên tố kẽm, đồng, bạc là những nguyên tố có tính kháng nấm, kháng khuẩn cao. Khi các hạt nano kim loại có kích thước vài nm thì hiệu quả kháng khuẩn, kháng nấm tăng lên hàng ngàn lần so với nguyên tố ở dạng ion. Ngoài ra, độc tính của chúng có tính chọn lọc cao với vi khuẩn, vi nấm. Hiện nay đã có nhiều chế phẩm nano như nano bạc, nano đồng, nano kẽm, nano chitosan, nano TiO2… được chứng minh là có khả năng phòng trừ hiệu quả các bệnh do vi khuẩn, nấm, vi rút gây ra trên cây trồng, không những thế chúng còn là những sản phẩm thân thiện với môi trường, an toàn với con người và không gây ra tính kháng thuốc.
Bệnh cây cần được phát hiện ở giai đoạn sớm để giảm thiểu tối đa diện tích cây trồng bị nhiễm bệnh và thiệt hại sâu bệnh gây ra. Các nhà khoa học đã tạo ra các thiết bị nano có khả năng theo dõi và phát hiện sâu bệnh hại một cách chính xác, thời phát hiện nhanh chóng, có thể cho kết quả trong vòng vài giờ, thiết bị nhỏ gọn, linh động, dễ sử dụng và có độ chính xác cao, không cần bất kỳ kỹ thuật phức tạp nào để hoạt động, ngay cả một nông dân cũng có thể sử dụng hệ thống này. Các cảm biến nano tự động kết nối với một hệ thống GPS có thể giám sát toàn bộ một khu vực sản xuất, theo dõi điều kiện đất đai, tình hình sâu bệnh, sức khỏe cây trồng, điều này sẽ rất hữu ích cho các hộ nông dân. Sự kết hợp công nghệ sinh học và công nghệ nano trong cảm biến đã tạo ra các thiết bị có độ chính xác cao, cho phép phản ứng nhanh hơn trước những thay đổi môi trường và bệnh hại.
5. Rủi ro tiềm tàng của công nghệ nano
Các nhà khoa học cho rằng, có một số tác động tiêu cực của vật liệu nano đối với các hệ thống sinh học và môi trường như sự tồn dư của các ion kim loại nặng trong các sản phẩn trồng trọt khi xử lý nano kim loại với nồng độ quá cao. Bên cạnh đó, trong một số trường hợp, vật liệu nano tạo ra các gốc tự do trong mô sống dẫn đến gây tổn thương DNA. Vì vậy, công nghệ nano nên được nghiên cứu, đánh giá một cạnh cẩn thận trước khi tăng việc sử dụng vật liệu nano trong trồng trọt.
6. Kết luận:
Công nghệ nano được coi là một chìa khóa mới để phát triển sản xuất nông nghiệp nói chung và trồng trọt nói riêng trong thời kỳ 4.0. Với việc cung cấp cho trồng trọt các giải pháp công nghệ mới về dinh dưỡng cây trồng, bảo vệ thực vật, phát hiện sâu bệnh, theo dõi sự phát triển của cây trồng, công nghệ nano hứa hẹn sẽ ngành trồng trọt nâng cao năng suất, sản lượng và chất lượng nông sản, đồng thời hướng đến phát triển một nền nông nghiệp an toàn, bền vững và thân thiện với môi trường.
Tài liệu tham khảo
1. Abobatta WF (2017). “Nanotechnology A new key for Agricultural sector development”. International Conference in Nanotechnology, Biotech and Spectroscopy ICNBS Egypt.
2. Adhikari T., et al. (2010). “Nanofertilizer- a new simension in agriculture”. Indian Journal of Fertilisers 6.8: 22-24.
3. Banfield JF and Zhang H. (2001). “Nanoparticles in the Environment”. Mineralogical Society of America, Washington, DC Chapter 1: 1-58.
4. Buffle J. (2006). “The key role of environmental colloids/nanoparticles for the sustainability of life”. Environmental Chemistry 3.3: 155-158.
5. Dehner CA., et al. (2010). “Size-dependent bioavailability of hematite (alpha-Fe2O3) nanoparticles to a common aerobic bacterium”. Environmental Science and Technology. 45: 977-983.
6. Dekkers., et al. (2016). “Towards a nanospecific approach for risk assessment”. Regulatory Toxicology and Pharmacology 80: 46-59.
7. Duhan JS., et al. (2017). “Nanotechnology: The new perspective in precision agriculture”. Biotechnology Reports 15: 11-23.
8. Galbraith DW. (2007). “Nanobiotechnology: silica breaks through in plants”. Nature Nanotechnology 2.5: 272-273.
9. Gonzalez-Melendi P., et al. (2008). “Nanoparticles as smart treatmentdelivery systems in plants: assessment of different techniques of microscopy for their visualization in plant tissues”. Annals of Botany 101.1: 187-195.
10. Klingenfuss, F. (2014). “Testing of Tio2 nanoparticles on wheat and microorganisms in a soil microcosm”. Thesis for Master of Science in ecotoxicology, University of Gothenburg: 62.
11. Lu CM., et al. (2011). “Research on the effect of nanometer materials on germin Meetoo D. Nanotechnology and the Food Sector: From the Farm to the Table”. Emirates Journal of Food and Agriculture 23.5: 387-403.
12. Martínez, Leticia Myriam Torres, Kharissova, Oxana Vasilievna, Kharisov, Boris Ildusovich, (2017). Synthesis Techniques for Preparation of Nanomaterials. Springer Nature.
13. Mousavi SR and Rezaei M. (2011). “Nanotechnology in Agriculture and Food Production”. Journal of Applied Environmental and Biological Sciences 1.10: 414-419.
14. Rameshaiah GN., et al. (2015). “Nano fertilizers and nano sensors an attempt for developing smart agriculture”. International Journal of Engineering Research and General Science 3.1: 314-320.
15. Raliya R., et al. (2015). “TiO2 nanoparticle biosynthesis and its physiological effect on mung bean (Vigna radiata L.)”. Biotechnology Reports 5: 22-26.
16. Raliya R., et al. (2017). “Nano fertilizer for Precision and Sustainable Agriculture: Current State and Future Perspectives”. Journal of Agricultural and Food Chemistry.
17. Roberts TL. (2009). “The role of fertilizer in growing the world’s food”. Better Crops Plant Food 93: 12-15.
18. Yang L and Watts DJ. (2005). “Particle surface characteristics may play an important role in phytotoxicity of alumina nanoparticles”. Toxicology Letters 158.2: 122-132.
19. Yata VK., et al. (2018). “Nanoscience in food and agriculture: research, industries and patents”. Environmental Chemistry Letters 16.1: 79-84.