Công nghệ nano và ứng dụng trong nông nghiệp

Gần đây, nhiều kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước đã cho ra đời những sản phẩm nano phục vụ lĩnh vực nông nghiệp, giúp nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng, vật nuôi. Một số sản phẩm nano đã được chứng minh là rất hiệu quả trong phòng trừ bệnh hại, chăm bón cây trồng, xử lý môi trường trong lĩnh vực nuôi trồng và chế biến thủy sản. Có thể kể đến việc ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo phân bón nano cho cây trồng.

Phân bón nano với kích thước nano có khả năng giải phóng dưỡng chất một cách từ từ và đảm bảo cho cây trồng sử dụng trong suốt quá trình sinh trưởng. Các thành phần trong phân bón nano nhả chậm khi có nước sẽ tương tác với nhau và tan vào nước với một lượng nhỏ được kiểm soát.

Sau khi lượng nhỏ này được cây hấp thu, một phần phân bón nano khác mới tiếp tục được giải phóng ra nhằm duy trì mật độ các hạt nano với nồng độ tương đương, tránh được hiện tượng rửa trôi. Đồng thời, ở kích thước nano, tương đương với kích thước các mao quản trong rễ, thân, lá cây, các dưỡng chất sẽ dễ dàng đi vào các mao quản và đến các vị trí cần thiết cho cây sử dụng.

Thêm vào đó, các polime tự nhiên được sử dụng đa số có khả năng trương nở và giữ nước tốt, do đó, sản phẩm phân bón nano tích hợp vừa cung cấp dưỡng chất vừa có thể duy trì độ ẩm thích hợp cho cây trồng sinh trưởng. Đặc điểm này đặc biệt thích hợp để giải quyết vấn đề hạn hán đang xảy ra ngày càng nghiêm trọng trên nhiều địa phương ở nước ta

Sản phẩm phân bón nano tích hợp là kết quả của dự án“Phát triển vật liệu nano tích hợp cho cây trồng nhằm ứng phó với biến đổi khí hậu”, mã số 87/2017/VCIC-HD thuộc Trung tâm đổi mới sáng tạo ứng phó với biến đổi khí hậu Việt Nam, Bộ Khoa học và Công nghệ, do TS. Hà Phương Thư làm chủ nhiệm, cơ quan chủ trì là Hợp tác xã Nông nghiệp Trường Xuân -Evergreen Agricoop Giao Thủy – Nam Định do Kỹ sư Trần Hữu Chung làm chủ tịch HĐQT.

Dự án được thực hiện trên cơ sở hợp tác giữa 3 nhà: nhà khoa học, nhà báo, doanh nghiệp. Sản phẩm phân bón nano tích hợp của dự ánđã được thử nghiệm trên các loại cây nghệ, đinh lăng, đỗ tương đen và măng tây với tổng diện tích 1 ha mỗi loại tại Hợp tác xã Nông nghiệp Trường Xuân - Nam Định với kết quả bước đầu rất khả quan.

Nhà khoa học cùng với nhà báo phối hợp giúp doanh nghiệp truyền thông về chất lượng của sản phẩm, sẽ đưa sản phẩm tới người tiêu dùng rộng rãi. Thông qua truyền thông, sẽ thay đổi được nhận thức của nông dân để từ đó có ý thức trong việc áp dụng khoa học công nghệ trong sản xuất nông nghiệp, giúp người dân thích ứng được với biến đổi khí hậu, cũng như tuyên truyền cho bà con về hiệu quả của mô hình được thí điểm, người dân sẽ hiểu được giá trị của việc sử dụng các sản phẩm công nghệ nano trong sản xuất, trong đời sống.

Đó là vừa nâng cao năng suất, sản lượng cây trồng, vừa bảo vệ được môi trường sinh thái một cách bền vững, từ đó, sẽ tác động trở lại bảo vệ an toàn cho cuộc sống của người dân và môi sinh của địa phương.

Nhà khoa học TS. Hà Phương Thư cùng các đồng nghiệp tại Khu chế tạo sản phẩm phân bón nano tích hợp của dự án

Kết quả thử nghiệm trên cây nghệ cho thấy ở nhóm thử nghiệm được sử dụngphân bón nano tích hợp có ứu thế về chiều dài củ và đường kính củ, do vậy có tiềm năng về khối lượng củ/khóm lớn, có ưu thế mang lại năng suất cao hơn.

Bảng 1. Ảnh hưởng của phân bón nano tích hợp đến đường kính củ và năng suất của cây Nghệ

Cây Đinh lăng Polyscias fruticosa (L.) Harms, họ Nhân sâm (Araliaceae) là một loại cây nhỏ, thân nhẵn, không có gai. Đinh lăng là loại cây ngoài công dụng được trồng để làm cây cảnh thì còn được sử dụng như một vị thuốc quý có tác dụng chữa bệnh và bồi bổ sức khỏe cho con người.

Kết quả thử nghiệm cho thấy khi sử dụng phân bón nano, bộ rễ của cây đinh lăng sinh trưởng và phát triển mạnh hơn cả về số lượng, khối lượng và chiều dài rễ chính.

Bảng 2. Ảnh hưởng của phân bón nano tích hợp đến số lượng, khối lượng và chiều dài rễ cây đinh lăng

Đối với nhóm đinh lăng sử dụng phân bón nano, số lượng rễ (21,35 rễ/cây) và tổng khối lượng rễ (23,5 g/cây) đều cao hơn nhóm đối chứng với số lượng rễ là 14,44 rễ/cây và tổng khối lượng rễ là 15,8 g/cây.

Trong đó, chiều dài rễ chính trung bình ở cây đinh lăng nhóm đối chứng là 13,2cm, so với nhóm đối chứng, cây đinh lăng có chiều dài rễ chính trung bình là 18,5cm. Đồng thời, tổng khối lượng sinh khối phát sinh bao gồm thân và rễ của cây đinh lăng ở nhóm sử dụng phân bón nano tích hợp là 149,8 g/cây, cao hơn so với nhóm đối chứng có tổng khối lượng sinh khối phát sinh là 103,45 g/cây.

Do vậy, việc sử dụng phân bón nano tích hợp giúp bộ rễ cây đinh lăng phát triển tốt hơn, làm tăng sinh khối rễ, từ đó làm tăng giá trị sử dụng và kinh tế của cây đinh lăng.

Cây măng tây là loại cây có giá trị kinh tế cao, ngoài vai trò thực phẩm, cây măng tây còn là cây dược liệu có nhiều tác dụng quý. Hiện nay, cây măng tây đang được đầu tư phát triển để trở thành loại thực phẩm công nghệ cao. Kết quả bước đầu áp dụng phân bón nano tích hợp trên cây măng tây cho thấy làm tăng hiệu quả và năng suất thu hoạch của măng tây, mang lại lợi nhuận và giá trị kinh tế cao cho các chủ trang trại.

Bảng 3. Ảnh hưởng của phân bón nano tích hợp đến một số chỉ tiêu sinh trưởng của cây măng tây sau 12 tháng

Sau thời gian sinh trưởng 12 tháng, chiều cao của cây măng tây ở nhóm sử dụng phân bón nano tích hợp là 202,63 cm, cao hơn so với nhóm đối chứng đạt 180,44 cm. Chiều dài rễ của cây măng tây ở nhóm thử nghiệm dùng phân bón ano tích hợp là 1,8m, dài gấp 2,7 lần so với nhóm đối chứng sử dụng phân bón thông thường, chiều dài rễ đạt 0,65m.

Măng ở nhóm sử dụng phân bón nano tích hợp có đường kính gốc 1,1 cm với trọng lượng trung bình 1 măng là 15,64g; cao hơn so với măng ở nhóm đối chứng có đường kính gốc 0,8cm với trọng lượng trung bình 1 măng đạt 10,68g. Điều này chứng tỏ đã chứng tỏ hiệu quả của việc áp dụng phân bón nano vào quá trình trồng măng tây xanh, tốc độ sinh trưởng và phát triển của cây và măng nhanh hơn so với sử dụng phân bón thông thường.

Kỹ sư Trần Hữu Chung – Chủ tịch HĐQT HTX Nông nghiệp Trường Xuân – Nam Định tại Khu trồng thử nghiệm măng tây sử dụng phân bón nano tích hợp của dự án

Đỗ tương đen là cây trồng ngắn ngày có tổng thời gian sinh trưởng trung bình từ 85 - 95 ngày tùy thuộc vào giống, mùa vụ, điều kiện thời tiết, … Đánh giá các chỉ tiêu sinh trưởng và các yếu tố cấu thành năng suất cho thấy hiệu quả đáng kể khi sử dụng phân bón nano.

Bảng 4. Ảnh hưởng của phân bón nano tích hợp đến các yếu tố cấu thành năng suất của cây đỗ tương đen

Tổng số quả trên cây: So với nhóm đối chứng, cây đỗ tương đen được sử dụng phân bón nano tích hợp đậu quả nhiều hơn với số quả trung bình trên cây là 126,5 quả/cây; ở nhóm đối chứng tương ứng là 122,38 quả/cây.Số quả chắc trên cây: Nhóm được xử lý bằng phân bón nano tích hợp đạt số quả chắc trên cây là 88,3%, cao hơn so với nhóm đối chứng 80,0%.

Cây có tỷ lệ quả chắc cao chứng tỏ khả năng thụ phấn của cây tốt hơn. Tỷ lệ quả 3 hạt ở nhóm được xử lý bằng phân bón nano tích hợp (28,4%) cao hơn nhóm đối chứng (19,2%). Cây có tỷ lệ quả 3 hạt cao sẽ có tiềm năng đạt năng suất lớn hơn. Khối lượng 1000 hạt chủ yếu do giống quy định, nhưng dinh dưỡng cũng ảnh hưởng đến quá trình tích lũy vật chất khô trong hạt, làm khối lượng 1000 hạt thay đổi.

Bảng 4 cho thấy khối lượng 1000 hạt ở nhóm sử dụng phân bón nano tích hợp (740,34g) cao hơn nhóm đối chứng (670,81g). Năng suất thực thu là yếu tố đóng vai trò quan trọng nhất và liên quan tới hiệu quả kinh tế sản xuất. Năng suất thực thu của nhóm sử dụng phân bón nano tích hợp (26,5 tạ/ha) cao hơn so với nhóm đối chứng (24,1 tạ/ha).

Hiện nay việc nông dân Việt Nam lạm dụng phân bón hóa học khiến chất lượng đất trồng ngày càng bị tổn hại nghiêm trọng. Đất trồng trở nên cằn cỗi, kết cấu của đất bị phá hủy, mất khả năng giữ nước và phân bón, cây hấp thụ dinh dưỡng kém.

Điều này khiến nông dân tốn nhiều phân bón, dẫn đến chi phí bỏ ra tăng.Phân bón nano tích hợp bộc lộ nhiều ưu điểm như cải thiện nâng cao kết cấu đất, giúp đất tơi xốp giữ nước tốt, cung cấp các vi sinh vật có lợi, tiêu diệt vi sinh vật có hại, cung cấp các chất hữu cơ vào đất, bổ sung đáng kể các nguyên tố dinh dưỡng trung lượng và vi lượng, hạn chế cỏ dại.

Bảng 5. Các chỉ tiêu đánh giá trên đất trồng

Như vậy, khi sử dụng phân bón đã giúp cải thiện độ pH của đất, đưa pH về pH trung tính thích hợp cho môi trường sinh trưởng và phát triển của cây. Khi sử dụng phân bón nano, các chỉ tiêu về hàm lượng Nitơ tổng số, Photpho tổng số và Kali trong đất thấp hơn so với trước khi sử dụng và thấp hơn nhóm đối chứng.

Điều này cho thấy khả năng hấp thu của cây trồng khi sử dụng phân bón nano tốt hơn so với khi sử dụng phân bón thông thường. Đồng thời giúp cải thiện chất lượng đất, tăng năng suất cho cây trồng.

Quá trình chế tạo không phát thải khí CO₂, điều này làm giảm lượng khí CO₂ gây hiệu ứng nhà kính, góp phần giảm thiểu ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu. Hiện nay, ở các nhà máy sản xuất phân bón bằng phương pháp nhiệt than, nhiệt điện, lượng khí CO2 thải ra chiếm 15-19% lượng khí thải, làm ảnh hưởng đến hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu.

Lượng phân bón nano tích hợp sử dụng cho cây trồng chỉ bằng 10%-20% lượng phân bón thông thường nhưng cho sản lượng thu hoạch cao hơn (đã thử nghiệm trên HTX Trường Xuân), không gây ô nhiễm môi trường, tránh tác động tiêu cực đến biến đổi khí hậu.

Biến đổi khí hậu, sử dụng bền vững các nguồn tài nguyên thiên nhiên, các yếu tố môi trường, đô thị hóa, tích tụ thuốc trừ sâu và phân bón sử dụng quá mức là những vấn đề quan trọng nhất của nông nghiệp hiện đại.

Các kỹ thuật và phương pháp mới đã được sử dụng để tránh tác động bất lợi của các yếu tố này.Vật liệu nano là một trong những công nghệ mới vào hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống của chúng ta và sẽ được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp.Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra nhiều lợi ích tiềm năng của công nghệ nano.

Có thể khẳng định rằng, trong bối cảnh hiện nay, công nghệ nano là công nghệ mới, hấp dẫn, đầy tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp.

Đây được xem là hướng đi mới để phát triển một nền nông nghiệp hiệu quả, kinh tế và an toàn trong bối cảnh hội nhập và phát triển. Nền nông nghiệp ứng dụng công nghệ nano tiết kiệm phân bón, tiết kiệm nước tưới, nhân công chăm sóc từ đó dẫn đến giảm tiêu hao nhiên liệu, góp phần bảo vệ môi trường. Môi trường tốt lại là nền tảng cho nền nông nghiệp bền vững tạo ra các sản phẩm an toàn, chất lượng cao.