phamcongkhai1249@gmail.comTrong thập niên vừa qua, nhiều thí nghiệm đã được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của công nghệ nano và chứng minh tính hiệu quả vượt trội của công nghệ nano so với các công nghệ vật chất thông thường. Các hạt nano là những hạt chất rắn có đường kính từ 1nm đến 100nm.
Hiện nay, các hạt đồng nano đã có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp và công nghệ cao. Trong lĩnh vực nông nghiệp, nhiều khảo nghiệm đã được thực hiện trong những năm gần đây để khẳng định vai trò quan trọng của nano đồng trong nông nghiệp mà cụ thể hơn đó chính là khả năng diệt nấm khuẩn gây bệnh hại cây trồng.
Công nghệ nano kết hợp các nguyên lý sinh học với các phép tiếp cận hóa học và lí học đã tạo ra các hạt có kích thước nano có những chức năng nhất định. Việc ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực nông nghiệp có nhiều ưu điểm nổi trội trên cả phương diện lí thuyết và thực tế. Những khả năng chống khuẩn, chống nấm mốc hiệu quả của hạt nano đồng trong nông nghiệp đã thu hút các nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực khoa học nano từ đó dẫn tới việc phát triển các kĩ thuật tổng hợp đồng nano sạch, hiệu quả và có lợi ích về kinh tế. Hiệu quả của đồng nano đã được nghiên cứu trên một số loại cây trồng ở những thời kỳ sinh trưởng khác nhau và đã đem lại hiệu quả khác biệt, vượt trội hơn so với các loại thuốc BVTV hóa học truyền thống.
Vật liệu nano được xác định là các vật liệu có kích thước nằm trong khoảng từ 1nm đến 100 nm. Một sự kết hợp giữa các kĩ thuật nano và sinh học cho việc tổng hợp sinh học các vật liệu nano, được biết đến với tên gọi công nghệ sinh học nano, nổi lên trong công nghệ nano.
Tổng hợp sinh học kết hợp các nguyên lí sinh học (ví dụ quá trình oxi hóa/khử) bởi các enzyme của vi khuẩn hoặc các hóa chất có nguồn gốc thực vật với các tiếp cận vật lí và hóa học để tạo ra các hạt có kích thước nano. Các hạt nano là các hạt rắn với tất cả 3 kích thước bên ngoài đều ở mức độ nano nên nó thể hiện những tính chất lí hóa khác biệt so với vật liệu dạng khối. Hạt nano mang những đặc tính phụ thuộc vào thành phần hóa học, hành vi sinh học, kích thước và hình dạng. Do đó, vật liệu nano có tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích lớn, năng lượng bề mặt là rất nhỏ, các nguyên tử lớp ngoài cùng linh động, ít bị che chắn cho nên các hạt nano mang nhiều đặc tính ưu việt trong việc diệt nấm khuẩn gây bệnh. Các hạt nano tương tác với tế bào vi khuẩn và tiêu diệt chúng trong thời gian ngắn theo nhiều cơ chế đặc thù khác nhau mà vật liệu khối truyền thống không có được.
Các phương pháp hóa học và vật lí khác nhau đã được sử dụng rộng rãi để tổng hợp các hạt nano Cu. Thực tế cho thấy nano đồng rất khó tổng hợp bởi nano đồng thường bị oxi hóa mạnh . Do đó, hầu hết các tổng hợp hóa học nano đồng kim loại thành công đều là nano đồng hữu cơ hoặc là tổng hợp pha nước để ngăn chặn sự oxi hóa đồng.
Tầm quan trọng của đồng trong nông nghiệp
Đồng nằm trong nhóm D, phân nhóm 4 của bảng hệ thống tuần hoàn, là chất vi lượng cần thiết cho phát triển thực vật. Nó tồn tại ở dạng Cu2+ và Cu+ dưới các điều kiện sinh lý học. Nồng độ cần cho sự phát triển thực vật bình thường là từ 10-14 đến 10-16M, dưới mức này thì sẽ xảy ra sự thiếu hụt. Tuy nhiên, nồng độ cao hơn mức tối ưu thì sẽ thể hiện độc tính đối với cây trồng nói chung. Đồng (Cu) có vai trò như một nguyên tố cấu trúc, có vai trò quan trọng trong quá trình điều chỉnh protein, tham gia vào việc chuyển dịch điện tích trong quá trình quang hợp, sự hô hấp của ty thể, trao đổi chất màng tế bào, báo hiệu hoocmon, phản ứng đối với sự suy yếu tế bào do có quá nhiều nguyên tử oxy trong tế bào, hỗ trợ cho nhiều phản ứng enzyme như polyphenol oxidaza, amino oxidaza, plastocyanin, laccase, siêu oxit dismutaza. Ở cấp độ tế bào, đồng đóng vai trò quan trọng trong quá trình photphoryl hóa oxi hóa và huy động sắt. Sự thiếu hụt Cu trong thực vật được biểu hiện ở hiện tượng xoăn lá, gập cuống lá và vàng lá cùng với hiện tượng mất vĩnh viễn sức phồng của các lá non.
Nồng độ Cu cao hơn sẽ dẫn tới tính độc, hạn chế sự phát triển, ảnh hưởng đến quang hợp, hấp thụ ánh sáng và tăng sự suy yếu tế bào. Việc chẩn đoán sự thiếu hụt Cu trong các cây trồng là rất quan trọng vì nó dẫn tới giảm năng suất cây trồng, nhưng có ít triệu chứng cụ thể. Sự thiếu Cu có thể trở nên phổ biến trong tương lai vì theo tập quán sản xuất nông nghiệp, với trình độ thâm canh cao nhiều bà con thường tăng cường sử dụng các nhóm phân bón hóa học có chứa nhiều đạm(N), điều này sẽ dẫn tới tình trạng thiếu hụt Cu nghiêm trọng trong cây trồng, gây mất cân bằng dinh dưỡng dẫn đến hàng loạt các bệnh sinh lý của cây trồng…
Hoạt động kháng khuẩn của Nano Đồng
Đồng được sử dụng là chất kháng khuẩn trong nhiều thập kỉ nay, nó thể hiện đặc tính kháng khuẩn mạnh mẽ và có thể tiêu diệt tới 99.9% vi khuẩn. Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kì (EPA) đã chấp thuận việc sử dụng đồng là chất kháng khuẩn có liên quan tới một số loại bệnh nhiễm khuẩn chết người. Hạt đồng nano được biết đến có hoạt tính kháng khuẩn trong dải rộng chống lại nhiều dòng vi khuẩn gram âm và gram dương. Các hạt oxit đồng hoạt động như chất kháng khuẩn tiềm năng chống lại các vi sinh vật truyền bệnh như E.coli, Bacillus subtilis, Vibria cholera, Pseudomonas aeruginosa, Syphillis typhus và Staphylococcus aureus…
Dung dịch keo đồng được tổng hợp từ phương pháp polyol sử dụng đồng oxalate làm chất ban đầu đã tạo ra đồng nano có kích thước hạt 6 nm.
Hình ảnh TEM và SEM của hạt nano đồng tổng hợp từ các phương pháp khác nhau
Nano đồng có khả năng diệt hầu hết các loại nấm bệnh gây hại cây trồng, nó được xem như một loại thuốc BVTV đặc trị nấm theo cách an toàn nhất, không độc hại, không gây tồn dư các chất độc hại trên nông sản và trong tương lai gần nano đồng có thể thay thế các loại thuốc BVTV hóa học độc hại.
Thực tế cho thấy nano đồng có thể phòng và đặc trị bệnh nấm hồng trên cây cao su (do nấm Corticium salmonocolor). Yoon và các đồng nghiệp đã thể hiện ảnh hưởng kháng khuẩn của nano bạc và đồng trên E.coli trong đó Cu nano thể hiện hoạt tính kháng khuẩn cao hơn nếu so với bạc nano.
Đồng nano tổng hợp từ phương pháp khử hóa học ion Cu2+ khi có mặt cetyl ammonium bromide và isopropyl alcohol.
Theo nghiên cứu thực nghiệm, nano đồng ở kích thước hạt 3-10 nm có tính kháng nấm chống lại các nấm gây bệnh trên cây trồng như: nấm Fusarium oxysporum (nấm gây bệnh vàng lá thối rễ, lở cổ rễ, bệnh héo vàng, héo rũ, bệnh xì gôm chảy nhựa mủ thân gốc...); nấm Alternaria alternate (bệnh đốm lá, đốm vòng); nấm Curvularia lunata và Phoma…
Đồng nano tổng hợp từ phương pháp polyol nhờ khử đồng acetate ngậm nước khi có mặt tween 80 đã thể hiện tính kháng khuẩn chống lại vi khuẩn Micrococcus luteus, Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Pseudomonas aeruginosa và trên các chủng nấm như Aspergillus flavus, Aspergillus niger và Candida albicans. Ảnh hưởng kháng khuẩn của đồng nano lên các vi khuẩn được liệt kê ở Bảng 1.
Bảng 1: Tác động kháng khuẩn của hạt nano đồng lên các loại vi khuẩn khác nhau
Cơ chế kháng khuẩn của đồng nano:
Các hạt nano Đồng giải phóng liên tục các ion đồng, chính các ion đồng này tác động trực tiếp lên tế bào vi khuẩn theo các cơ chế đặc thù. Hoạt động giải phóng các ion đồng này được tăng cường hơn khi các hạt nano Cu ở kích thước nhỏ và diện tích bề mặt lớn cho phép nó tương tác gần với các màng tế bào vi khuẩn. Hoạt động kháng khuẩn của nano đồng là do xu hướng của nó thay thế giữa dạng Cu[I] và dạng Cu[II]. Sự khác nhau giữa Cu với các kim loại dạng vết khác, tạo nên các gốc hydroxyl liên kết với các phân tử DNA và tạo thành sự mất trật tự của cấu trúc xoắn ốc nhờ các liên kết ngang trong và giữa các axit nucleic và làm hỏng các proteins quan trọng nhờ liên kết với các nhóm carboxyl và amino sulfhydryl của các axit amin. Điều này làm cho protein tạo enzymes không hiệu quả. Nó làm cho các proteins bề mặt tế bào không hoạt động, các protein này cần cho việc chuyển các vật chất đi qua màng tế bào, do đó ảnh hưởng lên sự bền vững của màng tế bào và các lipids màng tế bào. Các ion đồng bên trong tế bào vi khuẩn cũng ảnh hưởng đến các quá trình sinh học. Dựa trên tất cả những nghiên cứu này, có thể thấy ion Cu có ảnh hưởng lên proteins và các enzymes trong các vi khuẩn và tạo cho Cu đặc tính kháng khuẩn.
Hình ảnh chụp các hạt nano đồng đang tương tác lên tế bào vi khuẩn, phá vỡ cấu trúc màng ngoài của tế bào vi khuẩn và tiêu diệt chúng
Như vậy có thể nói các nano đồng xâm nhập qua thành tế bào và tương tác với các cấu trúc nội bào nhờ kích thước hạt nhỏ và độ hoạt động bề mặt lớn, các hạt nano đồng tác động trực tiếp lên màng tế bào vi khuẩn và phá vỡ cấu trúc di truyền của tế bào vi khuẩn từ đó làm cho vi khuẩn mất sức sống.
Ảnh hưởng nông học của nano đồng:
Xu hướng các hạt nano xâm nhập qua thành tế bào và tương tác với các cấu trúc nội bào nhờ kích thước hạt nhỏ và độ hoạt động bề mặt lớn, cũng có thể có những độc tính sinh học, độc tính di truyền cũng như ảnh hưởng đến quá trình phân bào. Mặc dù các nghiên cứu về độc tính của các hạt nano vẫn đang tiếp tục, các nghiên cứu này vẫn còn giới hạn trong các thực vật bậc cao. Một số nghiên cứu về độc tính của hạt nano đồng đã có nhưng rất ít. Độc tính của đồng nano phụ thuộc vào sự kết hợp của một số điều kiện như nồng độ hạt nano, pH, nhiệt độ, khí và nồng độ vi khuẩn. Nhiệt độ, khí càng cao, pH thấp sẽ giảm sự kết tụ và tạo ra diện tích bề mặt lớn hơn cho các tương tác với các màng vi khuẩn dẫn tới sự tan của các ion đồng và dẫn tới độc tính cho vi khuẩn. Lee và các đồng nghiệp đã phân tích độc tính và sự sẵn có sinh học của các hạt nano đồng trên các thực vật Phaseolus radiates ( mung bean) và Triticum aestivum (lúa mì).
Trong hầu hết các trường hợp, độc tính của đồng biểu hiện giảm khi có sự tăng cường hút Fe của cây cà chua. Do đó nó gây ra các biểu hiện tương tự như khi thiếu hụt Fe. Việc sử dụng 0.1 đến 0.4g/L CuO nano trong 48h, sẽ cản trở quá trình quang hợp và làm giảm sự phát triển ở cây Lemna gibba . Cây củ cải và rơm khi phơi nhiễm trong CuO nano và dạng hạt oxi đồng kích thước lớn [<100nm] cho thấy những hư hại trên DNA. Các tế bào hút các hạt nano đồng nhiều hơn, tạo ra sự khác nhau trong sự hư hai DNA của củ cải so với rơm rạ, cho thấy sự hư hại DNA phụ thuộc vào loại cây và nồng độ hạt nano. Hạt nano CuO, có lõi là các hạt CuO và có lớp vỏ bọc là polyarcrylic acid [PAA], cho thấy rất độc với tảo đơn bào, gây ra sự cản trở khả năng chuyển dịch điện tử PSII trong Chlamydomonas reinhardtii. Các kết quả cho thấy các ion đồng ngăn cản quang hợp ở nồng độ 0.5mg/l nơi mà các hạt nano có hiệu quả như thế chỉ tại nồng độ 1 mg/L.
Chế phẩm nano đồng ứng dụng trong nông nghiệp: nano đồng được sử dụng như một loại thuốc đặc trị nấm bệnh hại cây trồng thay thế các nhóm thuốc BVTV hóa học. Nano đồng được sản xuất theo công nghệ nano tiên tiến, thường ở nồng độ 1000-3000ppm, kích thước hạt 6-10nm.
Sử dụng nano đồng: pha loãng với nước phun lên lá hoặc tưới gốc theo các thời kỳ sinh trưởng của cây: Thời kỳ phát triển lộc cành – lộc hoa, thời kỳ ra hoa đậu quả, thời kỳ nuôi quả. Ngoài ra nano đồng có thể được sử dụng để quét lên thân, cành gốc với mục đích trị bệnh xì gôm chảy nhựa mủ trên cây ăn quả có múi và một số loại cây ăn quả khác. Hiện nay trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp, để tăng hiệu quả phòng và đặc trị bệnh do nấm, vi khuẩn hại cây trồng nên kết hợp sử dụng với nano hợp kim bạc đồng.
TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO NANOTECH
Tư vấn kỹ thuật, ứng dụng công nghệ nano trong nông nghiệp:
ThS Phạm Công Khải - Hotline: 0976 804 678 * 01235 99 85 99
Email: nanobacsuper@gmail.com
