Phần 1: Vai trò của Silic đối với cây trồng

Có thể nói Silic không được xem là chất dinh dưỡng thiết yếu đối với cây trồng. Tuy nhiên những nghiên cứu gần đây cho thấy Silic có vai trò khá quan trọng trong quá trình sinh trưởng phát triển của cây trồng. Đặc biệt là nhóm cây lương thực (lúa, ngô và một số nhóm cây ăn quả..). Sau đây chúng ta cùng tìm hiểu vai trò của silic đối với cây trồng nói chung.

1.1 Silic có tác dụng ngăn ngừa nấm gây bệnh, hạn chế côn trùng chích hút gây hại (các cây họ hòa thảo)

Silic tích tụ trong cây dưới lớp biểu bì và tạo thành một lớp kép, làm cho lá cây dày hơn. Việc chuyển đổi từ Si(OH)₄ thành SiO₂ ở trong các tế bào của lá làm hạn chế nấm tiếp cận và do đó bảo vệ cây trồng khỏi bị nhiễm nấm. Những nghiên cứu trên cây dưa chuột cho thấy Silic làm tăng hoạt tính của các enzym chitinase, polyphenol oxidase, và peroxidase qua đó làm giảm tình trạng nhiễm nấm Pythium. Silic bảo vệ lúa mì và lúa mạch khỏi sự tấn công của nấm blumeria graminis và bảo vệ gạo khỏi nấm Pyricularia oryzae-thường gây ra bệnh đạo ôn lúa. Silic không chỉ tạo ra sức đề kháng chống lại bệnh nấm mà còn hạn chế sự tấn công của sâu hại như sâu đục thân và rầy (sâu đục thân, nhện lá, sâu xanh, sâu tơ…).

Một số nghiên cứu gần đây cho thấy khi sử dụng chế phẩm nano silic tưới gốc kết hợp phun qua lá cho cây dưa lưới, dưa leo giúp cây phát triển cân đối hạn chế nấm bệnh, ngăn ngừa từ xa bệnh héo xanh vi khuẩn, nứt thân chảy nhựa, chống nứt quả trên dưa lưới. Ngoài ra khi sử dụng nano silic phun qua lá chúng tôi nhận thấy rằng bệnh nấm phấn trắng trên dưa lưới giảm đáng kể, một số trồng trong điều kiện nhà lưới gần như không thấy phát hiện bệnh phát triển.

1.2 Silic có tác dụng làm tăng cường sức chống chịu của hạt phấn, nâng cao tỷ lệ đậu quả ở một số cây ăn quả khó tính (cây có múi, bơ, sầu riêng)

Theo nhiều nghiên cứu gần gây Silic khi được kết hợp với Ca, Mg và Bo ở thời kỳ phân hóa mầm hoa, đậu quả non bằng phương pháp phun qua lá chúng tôi nhận thấy rằng cấu trúc hoa to khỏe hơn, đồng đều, hoa nở tập trung, đặc biệt trong điều kiện tự nhiên bất lợi (mưa kéo dài, ẩm cao, nhiệt độ cao) sức sống của hạt phấn kéo dài, nâng cao tỷ lệ đậu quả. Điều này được thấy rõ ở các mô hình sử dụng đối chứng trên cây có múi (cam, bưởi), cây bơ và cây sầu riêng.

Thời kỳ hoa nở rộ phấn hoa và nhụy cái giàu chất dinh dưỡng (axít amin, mật) nên chúng thường thu hút côn trùng và nấm khuẩn gây bệnh hại hoa. Tuy nhiên hầu hết các vườn cây ăn quả khi được xử lý phun nano bạc đồng hợp kim, nano bạc kết hợp với nano Silic-Canxi chúng tôi thấy rằng tỷ lệ đậu quả cao hơn so với đối chứng đồng thời tỷ lệ nhiễm nấm bệnh gây thối hoa, nấm mốc hoa, đen cuống giảm tới 85-90% so với đối chứng.

1.3 Silic làm tăng khả năng chống chịu và làm giảm tác động tiêu cực của kim loại nặng, kim loại có tính độc hại

Hiện nay, sự ô nhiễm kim loại nặng đối với đất nông nghiệp và nguồn nước ngày càng trở nên trầm trọng do các hoạt động khác nhau của con người như sử dụng phân bón, khai thác mỏ, mạ điện, và sử dụng thuốc trừ sâu, sản xuất pin. Kim loại nặng có thể tạo ra nhiều rối loạn sinh trưởng như làm giảm trao đổi chất, giảm quang hợp, và sự hấp thu chất dinh dưỡng ở cây trồng. Silic làm tăng khả năng kháng kim loại nặng. Silic có thể cố định kim loại nặng ở dạng không độc hại bên trong thân cây. Ví dụ, trong điều kiện kim loại nặng (Al, Cd, Cr) ở thực vật xảy ra sự thiếu hụt axit indole acetic (IAA). Mặt khác, việc bổ sung Silic làm tăng khả năng hấp thụ nguyên tố Zn trong thực vật. Zn là một nguyên tố bắt buộc cho quá trình tổng hợp IAA ở cây trồng. Như vậy, khi bổ sung Silic thì nồng độ IAA trong cây tăng lên. Các nghiên cứu còn chỉ ra rằng trong điều kiện đất bị ô nhiễm kim loại nặng (Cr, Cd, và Cu), việc bổ sung Si có tác dụng tăng sự hấp thu vi chất và các khoáng chất dạng macro như Ca, Mg, P, K, Zn, Fe, Mn. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng việc bón Silic cho cây sẽ làm giảm các tổn hại do Cd gây ra (giảm diệp lục ở cây dưa chuột). Ngoài ta Silic còn có tác dụng thúc đẩy quá trình trao đổi chất (tốc độ quang hợp, truyền dẫn vi chất, tốc độ thoát hơi nước, hiệu quả sử dụng nước) ở thực vật, cũng như là thúc đẩy hoạt động của các enzyme để chống lại quá trình oxy hoá trong cây bông trong điều kiện nhiễm Cd.

Gần đây, Malčovská et al. (2014a) đã chứng minh rằng việc bổ sung silic thành công đã cải thiện đáng kể các độc hại do Cd gây ra đối với cây ngô, thúc đẩy sự phát triển và một số thông số quang hợp, giảm mức độ oxy hoá. Si cũng bù đắp các ảnh hưởng tiêu cực gây ra bởi kim loại nặng Mn trên các cây họ ngô (Feng et. al. 2009). Chì (Pb) là kim loại độc hại cao và gây ra nhiều tác động trực tiếp và gián tiếp lên thực vật, động vật và con người, giống như các kim loại nặng khác. Chì làm giảm các thông số trao đổi khí và việc ứng dụng Si làm giảm tác dụng ức chế các thông số này ở cây ngô (Bharwana và cộng sự, 2013). Tương tự, Ali và cộng sự (2013) đã báo cáo rằng ứng dụng Si tăng cường sự phát triển của cây trồng và làm giảm độc tính của Cr, gia tăng đáng kể các thông số quang hợp trong cây lúa.. Hơn nữa, môi trường Zn cao cũng làm giảm hàm lượng chất diệp lục, làm hỏng cấu trúc của lục lạp, (Song và cộng sự, 2014). Tuy nhiên, tất cả những ảnh hưởng tiêu cực của Zn cao đã được làm giảm bởi việc bổ sung Si.

Silic đã được chứng minh là một trong những nguyên tố có lợi cho cây trồng do có tính chất thúc đẩy tăng trưởng nhờ hỗ trợ hệ thống trao đổi chất ở thực vật. Shahnaz và cộng sự (2011) đã nghiên cứu vai trò của việc ứng dụng silic đối với thực vật trong điều kiện nhiễm độc nguyên tố nhôm và thấy rằng Si có tác dụng tốt trong việc làm giảm bớt độc tính  của nhôm ở cây Vòi voi. Các kết quả từ nghiên cứu của Shahnaz và cộng sự (2011) đã chứng minh thêm rằng việc xử lí ion Al³⁺ đã làm tăng mức MDA, andehyt, hàm lượng proline, protein, và gây ra sự suy giảm đáng kể các hợp chất phenolic. Từ đó, việc ứng dụng Si đã làm cho cây Vòi voi tăng khả năng chống chịu nhiễm độc Al.

1.4 Silic làm tăng tính chống chịu nóng cho cây trồng (chống chịu nhiệt cao)

Sự tích lũy Silic trong lá có khả năng làm mát lá trong điều kiện nhiệt độ cao. Trong trường hợp này, các cấu trúc bio-silic hóa có mặt trong lớp tế bào biểu bì có hiệu quả trong việc làm mát lá cây nhờ cơ chế bức xạ hồng ngoại tầm trung (mid-IR) hiệu quả. Do đó, silic tạo ra một cơ chế vật lý chống lại điều kiện bất lợi về nhiệt. Nhiệt độ cao hạn chế sự tăng trưởng, sự trao đổi chất, và năng suất cây trồng. Khi nhiệt độ cao, độ ẩm không khí thấp dẫn đến các biểu hiện suy giảm sức sinh trưởng ở cây trồng thể hiện ở sự tăng quá trình oxy hoá (tăng sản sinh ROS), gây tổn thương tế bào, hủy hoại màng tế bào, ức chế quá trình quang hợp. Điều này có thể thấy rõ trên cây ăn quả có múi đặc biệt là cam vinh và bưởi diễn. Khi nhiệt độ cao vượt ngưỡng chịu đựng của cây, bưởi diễn thường bị cháy nám vỏ quả và không thể phục hồi do các tế bào vỏ quả bị suy giảm sức sống và chết đi.

Trong một thực nghiệm với loại cỏ Agrostis palustris phát triển ở 35 - 40 ° C, nhiệt độ của lá giảm khoảng 3 - 4,14°C khi bón đủ silic cho cây từ giai đoạn cây con. Ngoài ra Si có trong đất có tác dụng làm giảm nhiệt và hiệu quả trong việc làm mát rễ cây. Một nghiên cứu khác đề xuất rằng nguyên tố Si có thể góp phần làm ổn định nhiệt của màng tế bào ở thực vật trong quá trình chịu nhiệt.

Các nghiên cứu khác cho thấy trong điều kiện nhiệt độ cao, khi cây trồng được bón Silic đầy đủ cân đối với các nguyên tố dinh dưỡng vi lượng chúng tôi thấy rằng có sự tăng lên của một số enzyme chống oxy hoá (SOD, APX và glutathione peroxidase) qua đó nâng cao sức chống chịu của cây.

Việc bổ sung Silic cũng ảnh hưởng đáng kể đến cơ chế tổng hợp protein trong điều kiện nhiệt độ cao ở thực vật. Nhìn chung, Silic có ảnh hưởng tích cực đến sinh trưởng và phát triển ở cây trồng nói chung và đóng một vai trò quan trọng trong việc chống lại điều kiện bất thuận từ tự nhiên (nhiệt độ cao).

1.5 Silic làm gia tăng khả năng chống chịu mặn và chịu hạn cho cây trồng

Thiếu nước và độ mặn cao là một trong những vấn đề gây nhức nhối trong nông nghiệp hiện nay, đặc biệt là ở các nước xích đạo hoặc cận xích đạo. Hiện tượng này hạn chế nghiêm trọng năng suất nông nghiệp và có thể dẫn đến thiệt hại đáng kể về năng suất trong các vụ mùa. Do đó việc nâng cao khả năng chịu hạn và chịu mặn cho cây trồng là một giải pháp chủ động để chống lại các điều kiện bất thuận của tự nhiên ngày một gia tăng.

Thiếu nước ở thực vật xảy ra khi tốc độ thoát hơi vượt quá tốc độ hấp thụ nước. Thiếu nước và hạn hán làm giảm tốc độ nảy mầm ở hạt, giảm tăng trưởng và phát triển ở cây trồng. Ở cấp độ tế bào, sự thiếu nước dẫn đến sự thay đổi thể tích tế bào, phá vỡ hình dạng cấu trúc của màng và sự toàn vẹn màng tế bào, ảnh hưởng đến cơ chế tổng hợp protein. Hạn hán kéo dài có thể làm gián đoạn quá trình trao đổi chất quan trọng ở cây trồng và dẫn đến suy giảm năng suất và chất lượng nông sản, thậm chí có thể làm chết cây trồng trên diện rộng.

Việc bổ sung silic cho cây trồng nói chung có tác dụng quan trọng trong việc củng cố lớp biểu bì, từ đó làm giảm tỷ lệ thoát hơi nước. Trong cây dầu cọ, việc bổ sung silic làm giảm mật độ lỗ khí và trong cây chuối nó làm tăng độ dày của lớp biểu bì lá. Sự hình thành các lớp kép silica rất có ý nghĩa đối với cây trồng (đã được nghiên cứu và chỉ rõ ở nhiều loại cây trồng như cây mộc lan, dưa chuột, một số cây họ hòa thảo). Các lớp kép silica giúp cây trồng tăng tính bảo vệ, hạn chế các tác nhân gây hại từ môi trường.

Trong rễ, silic làm tăng cường các cấu trúc ở lớp tế bào thượng bì và lớp ngoài, ngăn ngừa sự rò rỉ nước và xâm nhiễm của nấm bệnh. Nói chung, việc tích tụ silic trong thành tế bào, không gian ngoài tế bào cải thiện đáng kể khả năng giữ nước, và do đó nó cũng cải thiện việc duy trì cân bằng nước, giúp cây trồng vượt qua được giai đoạn thiếu nước, nâng cao sức đề kháng.

1.6 Silic tăng khả năng chống chịu tia UV và các bức xạ mặt trời ở thực vật

Mặt trời là nguồn chiếu các bức xạ có thể nhìn thấy, tia cực tím (UV) và hồng ngoại (IR) tới mặt đất. Tất cả các loại bức xạ UV đều gây hại cho các loại thực vật. Đối với tia cực tím UV, tia UV-A nhiều hơn 10-100 lần so với tia UV-B. Đối với cây trồng, thích ứng với mức độ bức xạ UV-B tăng lên là một yêu cầu quan trọng, bởi vì ánh sáng mặt trời cần thiết cho quang hợp nên không thể tránh được sự tiếp xúc với tia UV-B. Sự suy giảm của thực vật do tia UV-B phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như tùy vào loài, giai đoạn phát triển, giải phẫu học, đặc điểm hình thái, điều kiện môi trường, cường độ bức xạ và thời gian chịu bức xạ. Các ảnh hưởng tiêu cực của việc tăng bức xạ UV-B không chỉ ở mức độ phân tử và tế bào, mà còn ở cả cấp độ mô và toàn bộ cây trồng. Sự suy giảm thể hiện chủ yếu ở diện tích lá giảm, làm giảm quá trình quang hợp, giảm chất lượng hạt giống, giảm trao đổi chất….

Silic có thể làm tăng khả năng chống chịu của cây trồng khi tiếp xúc với tia UV-B. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ H₂O₂ tăng lên trong các cây tiếp xúc UV-B đã giảm đáng kể sau khi sử dụng Silic. Ngoài ra, hàm lượng TBARS không bị ảnh hưởng bởi UV-B ở các cây trồng đã được bổ sung Silic. Sự tăng tích tụ Si và giảm cinnamyl alcohol hydrogenase (CAD) và nồng độ axit p-coumaric có liên quan mật thiết đến sự thay đổi hệ thống phòng vệ tia cực tím. Việc tiếp xúc với UV-B làm tăng hàm lượng phenol và nồng độ anthocyanin trong cây đậu tương. Sau khi sử dụng Silic, nồng độ của các hợp chất hấp thụ tia UV giảm đáng kể, do đó làm cho cây trồng có khả năng chống chịu được điều kiện môi trường tăng bức xạ UV-B, bảo vệ các mô thực vật.

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng Silic có trong lá dưới dạng silica cho thấy khả năng kháng UV-B, bởi vì lá chứa silica có độ hấp thụ UV rất thấp. Các cấu trúc lá đã bị silic hóa, chẳng hạn như lớp biểu bì, lông gai, có thể phân tán bức xạ nhìn thấy được và giảm sự xâm nhập vào các mô lá, cũng như ảnh hưởng đến sự phản xạ lại các bức xạ UV. Như vậy, nhìn chung Silic có tác động tích cực trong việc giảm thương tổn ở thực vật nói chung gây ra do tiếp xúc với tia UV-B và làm tăng khả năng chống chịu bức xạ ở thực vật.

1.7 Silic giảm bớt các tác động có hại do tình trạng thiếu hoặc thừa vi chất dinh dưỡng ở thực vật

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng Si có tác dụng giảm nhẹ các triệu chứng gây ra do thiếu các vi chất như Fe, Cu, Zn, Mn ở thực vật.

Cây dưa leo được trồng trong dung dịch không chứa Zn các vết hoại tử trên lá. Khi phun silic qua lá làm giảm các vết hoại tử của lá. Với bộ rễ nồng độ citrate trong rễ giảm do thiếu Zn tuy nhiên khi cây được bón Silic đã làm tăng nồng độ citrat ở các cây thiếu Zn. Tương tự như vậy, nồng độ fumarate và shikimate trong rễ giảm trong các cây thiếu vi chất dinh dưỡng, trong khi bổ sung Si làm tăng nồng độ fumarate trong các cây bị thiếu Zn.

Không có nhiều nghiên cứu về tương tác Si-Cu trong thực vật nhưng có một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiều triệu chứng gây ra do độc tính của Cu đã được giảm bớt khi bổ sung Silic ở cây lúa mỳ. Sự hình thành các tích tụ Si trên thành tế bào làm giảm ảnh hưởng của Cu đối với tế bào thực vật.

Phần 2: Ứng dụng của nano Silic trong trồng trọt

Việc nghiên cứu điều chế nano silica tại Việt Nam đã có nhiều nhóm khoa học nghiên cứu, nhưng mục đích của các tác giả là nghiên cứu điều chế nano silica để ứng dụng trong các ngành công nghiệp sơn và cao su và mới đạt ở quy mô sản xuất nhỏ. Chưa có một nghiên cứu nào hướng tới tạo nano silica làm chất dinh dưỡng cho cây trồng. Hơn nữa, cây trồng chỉ hấp thụ silic ở hai dạng duy nhất axit silicic [Si(OH)₄] (hoặc dạng ion của nó, Si(OH )₃O^-, có ưu thế ở pH> 9). Còn các dạng silica nano khác thì cây trồng không thể hấp thụ.

Si(OH)₄ là axit silicic (H₄SiO₄) còn có tên acid orthosilicic. Nó là các hạt cơ bản để tạo nên các silica và chính nó là silica đơn giản nhất.

Quá trình polyme hóa axit monomeric silicic  to để tạo nano silica

          Phải khẳng định rằng, cây sẽ không hấp thụ được nano silica (SiO₂.nH₂O) khi nano silica đã bị mất nước, do đó theo như sơ đồ hình 1 cần tìm một phương pháp để tổng hợp nano silica dưới dạng Oligomers.

Hiện nay trên thị trường có một số sản phẩm phân bón silic. Trong đó, phân bón lá silic được sản xuất bằng phương pháp trao đổi ion với nồng độ cỡ ppm, do đó hiệu quả chưa cao. Một số công ty phân bón đã sản xuất phân bón gốc đi từ nước thủy tinh trên thị trường (Na₂SiO₃) 10% trộn với đất sét sau đó sấy và đóng bao, phương pháp này tạo cho phân bón có độ kiềm cao và dư nhiều ion natri (Na⁺)có hại cho cây, vì vậy chưa được áp dụng rộng rãi.

Do đó, để sản xuất nano silica số lượng lớn (hàng chục tấn), chất lượng sản phẩm ổn định sử dụng làm chất dinh dưỡng cho cấy đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tìm được một phương pháp tổng hợp mới, năng suất cao và tạo ra đúng dạng sản phẩm nano silica mà cây có thể hấp thụ được. Qua nhiều năm nghiên cứu và tổng quan các tài liệu, chúng tôi đã lựa chọn được phương pháp để tổng hợp nano silca ứng dụng làm phân bón silic cho cây trồng.

Ứng dụng cơ bản của các chế phẩm chứa nano silic:

+ Làm phân bón: nano silic được sản xuất làm phân bón gốc và lá cho cây

+ Hạn chế tác hại của kim loại nặng đối với cây trồng, tăng cường sức đề kháng cho cây.

+ Nano silic làm giảm bức xạ nhiệt của ánh sáng mặt trởi khi tiếp xúc lên cây trồng. Một số nghiên cứu đánh giá trên cây bưởi diễn cho thấy Nano silic kết hợp với nano vi lượng (Ca, Mg, Zn) và PVP giúp giảm tối đa tình trạng cháy nám vỏ quả bưởi (nghiên cứu trên cây có múi giai đoạn 2012 – 2016).

+ Ứng dụng của nano silic và một số phân bón nano vi lượng trong việc chăm sóc cây có múi: Chống rụng quả, hạn chế nứt quả trên cam canh và bưởi hoàng.

+ Nghiên cứu quy trình sử dụng chế phẩm nano silic trên cây họ bầu bí (dưa leo, dưa lưới, dưa hấu): hạn chế hiện tượng nứt thân chảy nhựa, giảm tỷ lệ bệnh héo xanh vi khuẩn, chống nứt quả

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 * 0835 99 85 99

Email: nanobacsuper@gmail.com