Đang tải... (xem toàn văn)
CHẾ TẠO OLIGOCHITOSAN “CHẤT KÍCH KHÁNG BỆNH CHO CÂY TRỒNG VÀ VẬT NUÔI” BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ TIA GAMMA Co 60 Nguyễn Quốc Hiến* Đặng Văn Phú** TÓM TẮT Chitosan được chế tạo từ chitin vỏ tôm, cua bằ[.]
CHẾ TẠO OLIGOCHITOSAN “CHẤT KÍCH KHÁNG BỆNH CHO CÂY TRỒNG VÀ VẬT NUÔI” BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ TIA GAMMA Co-60 Nguyễn Quốc Hiến* Đặng Văn Phú** TÓM TẮT: Chitosan chế tạo từ chitin vỏ tôm, cua phương pháp đề axêtyl hóa dung dịch kiềm đặc Oligochitosan chế tạo phương pháp chiếu xạ tia gamma Co-60 cắt mạch chitosan dung dịch chứa hàm lượng nhỏ hydro peroxit (~0,5%) Phương pháp chiếu xạ đánh giá hiệu để áp dụng chế tạo oligochitosan qui mơ sản xuất Oligochitosan thể hiệu ứng kích kháng bệnh hiệu trồng kích thích hệ miễn dịch vật ni Bài báo trình bày số kết điển hình hiệu ứng kích kháng bệnh tăng trưởng oligochitosan trồng (lúa) vật nuôi (heo, gà, cá) Oligochitosan hoạt chất sinh học triển vọng sử dụng làm chất kích kháng bệnh, tăng trưởng cho trồng, vật ni để sản xuất nơng phẩm an tồn phát triển nông nghiệp môi trường bền vững Mở đầu Chitosan dẫn xuất chitin, tạo q trình đề acetyl hóa chitin chủ yếu từ vỏ tôm, cua Hiện nay, chitosan hoạt chất tự nhiên ứng dụng phổ biến lĩnh vực nông nghiệp, y tế, dược phẩm mỹ phẩm, [1] Rinaudo] Oligochitosan chế tạo chủ yếu cắt mạch chitosan phương pháp khác thủy phân enzym, dùng tác nhân hóa học tia xạ, [2,3] Oligochitosan ghi nhận có hoạt tính kích kháng bệnh cho vật ni trồng [4,5] Chất kích kháng bệnh thực vật (plant elicitor) chất làm gia tăng khả chống nhiễm bệnh trồng Chất kích kháng bệnh thơng thường chia làm hai loại, loại thứ gọi “abiotic” bao gồm tia UV, nhiệt, loại thứ hai “biotic” bao gồm hoạt chất chiết từ vi sinh vật, động vật từ cây, tảo, Trên cở sở nguồn gốc xuất xứ, chất kích kháng bệnh sinh học (biotic elicitor) lại chia làm hai loại gọi chất kích kháng ngoại bào (exogenous elicitor) chất kích kháng nội bào (endogenous elicitor) Oligochitosan thuộc vào loại chất kích kháng ngoại bào thể hoạt tính kích kháng bệnh trồng cao so với chất kích kháng nội bào ví dụ oligoalginat, oligopectin, [6] Trong ngành chế biến thức ăn cho vật nuôi (heo, gà, cá, ), oligochitosan bổ sung vào thức ăn làm _ * PGS TS, Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam ** Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam tăng hiệu sử dụng thức ăn vật nuôi làm gia tăng nhóm vi sinh có lợi Bacillus, Lactobacillus, ức chế vi khuẩn có hại E coli, salmonella, hệ thống tiêu hóa Hơn nữa, oligochitosan làm gia tăng hệ miễn dịch, gia tăng chống chịu với vi khuẩn gây bệnh, thay cho chất kháng sinh, tăng trọng khơng an tồn O H NH2 H OH H H O CH2OH O H H ~70% H CH2OH H H OH NH H C O CH3 O ~30% Hình Cấu trúc phân tử chitosan với độ đề axetyl ~70% Raw materials Chitin Chitosan Hình Ngun liệu vỏ tơm, cua, mai mực chitin/chitosan Nghiên cứu sử dụng oligochitosan nhiều lĩnh lực khác năm gần phát triển đặc biệt ngành công nghiêp thực phẩm ngành nuôi trồng thủy sản, chăn nuôi gia súc, gia cầm Cắt mạch xạ chitosan chế tạo oligochitosan Xử lý biến tính xạ polysacarit chủ yếu cắt mạch tạo polyme khối lượng phân tử (KLPT) thấp và/hoặc oligome từ polysacarit tương ứng Xử lý xạ dẫn xuất polysacarit (carboxyl metyl, ) cắt mạch giảm KLPT mà cịn khâu mạch tạo mạng lưới khơng gian ba chiều, điển hình chế tạo vật liệu hydrogel (gen ưa nước) Ngồi biến tính ghép xạ polysacarit với loại monome tạo hàng loạt sản phẩm cho mục đích ứng dụng khác Polysacarit tự nhiên với trữ lượng lớn vật liệu tái tạo nguồn nguyên liệu tiềm để xử lý biến tính xạ qui mơ sản xuất cơng nghiệp Nghiên cứu biến tính cắt mạch chitosan tạo chitosan có KLPT thấp oligochitosan phương pháp chiếu xạ sử dụng tia Gamma Co-60 chùm tia điện tử gia tốc tiến hành nhiều trung tâm công nghệ xạ khu vực Châu Á - Thái Bình Dương giới KLPT trung bình khối lượng (Mw) từ khoảng 10.000 đến 100.000 xem chitosan KLPT thấp, Mw oligochitosan thường nhỏ 10.000 MW × 105 0 50 100 150 200 Liều xạ (kGy) Hình Sự suy giảm KLPT chitosan chiếu xạ tia Gamma Co-60 theo liều xạ Kết Hình cho thấy chitosan KLPT thấp dễ dàng chế tạo thông qua chiếu xạ chitosan KLPT cao dạng bột dạng vảy [3] Oligochitosan chế tạo chủ yếu chiếu xạ dung dịch chitosan Chi phí chế tạo oligochitosan phương pháp enzym thơng thường cao so với phương pháp cắt mạch tác nhân hóa học Tuy nhiên, phương pháp hóa học có nhược điểm làm thay đổi cấu trúc chitosan tạo nhóm chức carboxyl, phân hủy nhóm NH2 chí phá vỡ vịng glucosit Hơn nữa, phương pháp hóa học cịn có số hạn chế hiệu suất tạo oligochitosan thấp có nguy gây ô nhiễm môi trường Phương pháp xạ để cắt mạch chitosan dạng bột tạo oligochitosan thường phải cần liều xạ cao điều không thuận lợi để ứng dụng sản xuất Do để chế tạo oligochitosan hiệu hiệu ứng cắt mạch đồng vận (synergistic effect) hydroperoxit (H2O2) kết hợp với xạ gamma nghiên cứu áp dụng [7] Mw 103 100 Thời gian (giờ) 12 18 24 1% H2O2 Tia Tia 1% H2O2 80 60 40 20 0 16 32 Liều xạ (kGy) 40 Hình Sự suy giảm KLPT chitosan dung dịch 5% xử lý với H2O2, tia H2O2/tia theo thời gian liều xạ (suất liều: 1,33 kGy/h) Kết Hình cho thấy hiệu ứng đồng vận H2O2/ tia cắt mạch chitosan dung dịch liều xạ khoảng 16 kGy nhận oligochitosan với Mw < 10.000 Như sử dụng hiệu ứng đồng vận (H2O2/tia ) làm giảm liều xạ chế tạo oligochitosan đóng góp giảm giá thành, tạo điều kiện thuận lợi để chế tạo oligochitosan qui mơ sản xuất Hiệu ứng kích kháng bệnh tăng trưởng oligochitosan trồng 3.1 Xử lý phun lúa: Cây lúa non khoảng 15-20 ngày tuổi phun oligochitosan nồng độ 30 ppm sau phun nhiễm bệnh đạo ơn cháy (P grisea) nồng độ bào tử khoảng 105 CFU/ml Kết nhận bảng cho thấy tỷ lệ lúa bị bệnh đạo ơn cháy giảm có ý nghĩa nghiệm thức xử lý oligochitosan Như chứng tỏ oligochitosan chế tạo từ chitosan cắt mạch phương pháp chiếu xạ thể hiệu ứng kích kháng bệnh lúa [8] Bảng Tỷ lệ diện tích lúa bị bệnh đạo ôn cháy (P grisea) sau ngày gây nhiễm TT Nghiệm thức Oligochitosan Mw 8.600 Oligochitosan Mw 5.600 Oligochitosan Mw 3.600 ĐC (phun nước) Tỷ lệ bệnh, % 4,03 b 4,80 b 4,91 b 9,93 a % so với ĐC 40,6 48,3 49,5 100 3.2 Xử lý hạt giống lúa Hạt giống lúa xử lý với chitosan oligochitosan, sau nảy mầm 18 ngày cho nhiễm bệnh đạo ôn cháy (P grisea) xác định số nhiễm bệnh Kết bảng chứng tỏ xử lý hạt giống lúa chitosan oligochitosan gây tạo hiệu ứng kích kháng bệnh lúa oligochitosan gây tạo hiệu ứng cao so với chitosan [9] Bảng Chỉ số nhiễm bệnh đạo ôn cháy (P grisea) sau 14 ngày gây nhiễm Nghiệm thức Thời gian Chỉ số bệnh Đối chứng ngày 14 ngày 2b 4d Chitosan ngày 14 ngày 1b 2c Oligochitosan ngày 14 ngày 0a 1b Ngoài xử lý hạt giống lúa oligochitosan làm gia tăng tỷ lệ nảy mầm từ 88,0 lên 94,4% sinh khối tươi mạ non từ 1,18 lên 1,70 g/cây so với đối chứng không xử lý oligochitosan 3.3 Ứng dụng đồng ruộng oligochitosan sản xuất lúa Bảng Hiệu ứng kích kháng bệnh đạo ơn (P grisea) tăng suất lúa xử lý phun oligochtosan (5 lần/vụ lúa) Nghiệm thức Oligochitosan, 30 ppm ĐC (nước) Chỉ số bệnh, % 7,6 18,3 Năng suất, 4,8 3,9 % tăng suất 23 Kết bảng cho thấy oligochitosan thể hoạt tính kích kháng bệnh cao làm giảm số bệnh đạo ôn lúa (7,6) so với lô đối chứng không phun oligochitosan (18,3), suất lúa gia tăng khoảng 20% Bảng Năng suất lúa xử lý với nông dược oligochitosan Nghiệm thức ĐC (nước) ĐC (nông dược) Oligochitosan (30 ppm) Oligochitosan (100 ppm ) xử lý hạt giống + phun oligochitosan (30 ppm) lên mạ lúa Năng suất trung bình, kg 143 163 163 181 % so với ĐC % so với ĐC 13,9 13,9 26,6 0,0 11,0 Kết bảng cho thấy phun oligochitosan thay phun hóa chất nông dược Xử lý hạt giống lúa kết hợp phun oligochitosan cho hiệu tối ưu Contr OligoCT S Contr OligoCT S Hình Khảo nghiệm đồng ruộng hiệu ứng kích kháng bệnh tăng trưởng oligochitosan lúa Hình Sản phẩm thương mại oligochitosan RISAZA kích kháng bệnh cho lúa, mía Đặc trưng tính chất sản phẩm kích kháng bệnh oligochitosan RISAZA: - Dạng sản phẩm: Dung dịch - Nồng độ oligochitosan: 30 g/L (~30.000 ppm) - KLPT Mw: – 103 - pH: ~ 5,0-6,0 - Cảm quan: Chất lỏng màu vàng, - Hạn sử dụng: năm Hình Áp dụng oligochitosan xử lý hạt giống lúa mạ non sản xuất 3.4 Hiệu ứng kích kháng bệnh oligochitosan số loại trồng Bảng đưa kết khả kích kháng chống nhiễm bệnh số loại trồng oligochitosan [5] Bảng Hiệu ứng kích kháng bệnh oligochitosan số loại trồng Loại Thuốc Sâm tam thất Hoa tulíp Tiêu đen Cà chua Dưa chuột Tiêu Cà tím Cải bắp Măng tây Bí đao Xúp lơ Bí xanh Đậu trắng Đu đủ Dưa hấu Dưa hương Chuối Táo Đậu Bông vải Ngô Lúa Đậu phộng Loại bệnh Virus khảm thuốc Bệnh virus Mốc sương Virus khảm Lở cổ rễ, mốc sương, bệnh virus, héo rũ Mốc sương Bệnh virus, thối, thán thư, héo rũ – cháy Bệnh virus Bệnh thối nhũn Mốc sương Thối trái Đốm đen Thối trái Bệnh virus Virus khảm Đốm đen, bệnh virus, đốm chảy nhựa thân Bệnh đốm trắng Bệnh chun đọt chuối Virus khảm, ghẻ táo Bệnh virus Bệnh héo vàng Bệnh cháy bìa Đạo ơn cháy Bệnh virus Mức độ kiểm soát bệnh (%) 76,49 – 87,5 >90 84,24 – 88,6 73,54 – 81,3 84,47 – 88,24 78,96 – 82,65 78,58 – 90 93,18 – 100 78,62 – 85 45,80 – 62,30 84,81 – 95 63,60 – 64,20 45,50 – 57,60 31,13 – 58,80 70 – 96 81,71 – 85,40 71,34 – 86,26 83,70 – 94,60 76,68 – 93,85 75,10 – 100 85,50 – 87,20 23,90 – 45,35 71,41 – 92 23,90 – 26,50 3.5 Ứng dụng oligochitosan ni cấy mơ tế bào thực vật Hình Hiệu ứng tăng trưởng oligochitosan nuôi cấy tế bào dứa Sử dụng oligochitosan nồng độ 40 ppm môi trường nuôi cấy tế bào dứa cho thấy hiệu ứng tăng trưởng cao (hơn ba lần) Ngoài oligochitosan ứng dụng để kích thích tăng trưởng nuôi cấy mô tế bào nhiều loại khác [10,11] Hiệu ứng kích kháng bệnh tăng trọng vật nuôi Bảng Hiệu ứng tăng trọng, giảm tỷ lệ chết tăng hiệu sử dụng thức ăn oligochitosan chăn nuôi gà [12] ĐC 2.000 1,87 0,63 6,32 0,19 2,07 41,56 Các thông số Số gà nuôi khảo nghiệm (con) Trọng lượng trung bình (kg/con) Tỷ lệ gà chết (%) Tỷ lệ thức ăn/tăng trọng (kg/kg) Tỷ lệ tăng trọng trung bình (g/con/ngày) Oligochitosan 2.000 2,17 0,92 4,56 0,05 1,85 48,22 Bảng Hiệu ứng tăng trọng, giảm tỷ lệ chết tăng hiệu sử dụng thức ăn oligochitosan chăn nuôi heo sau 50 ngày ĐC 36 30,20 0,25 1,73 0,502 7,24 9,46 Các thông số Số heo nuôi khảo nghiệm (con) Trọng lượng trung bình (kg/con) Tỷ lệ thức ăn/tăng trọng (kg/kg) Tỷ lệ tăng trọng trung bình (kg/con/ngày) E coli (logCFU/g phân heo) Lactobacilus (logCFU/g phân heo) Oligochitosan 36 32,30 0,31 1,46 0,544 6,61 10,62 Bảng Hiệu ứng kích kháng bệnh oligochitosan cá rôphi (Oriochromis sp.) gây nhiễm bệnh nhân tạo vi khuẩn Strep agalactidae (106 CFU/ml) Oligochitosan (mg/kg thức ăn) Tỷ lệ chết, % (ĐC) 50 100 150 56,25 37,67 24,65 24,37 Kết bảng cho thấy sử dụng oligochitosan hàm lượng 100 ppm (0,1g oligochitosan/1kg thức ăn) cho hiệu ứng kích kháng bệnh tối ưu [13] Bảng 10 Hiệu tăng trọng oligochitosan cá rôphi (Oriochromis sp.) Nghiệm thức ĐC Oligochitosan Trọng lượng cá trung bình (g/con) 30 ngày 60 ngày 90 ngày 20 29 48 18 38 74 Kết bảng 10 cho thấy oligochitosan thể hiệu ứng kích kháng bệnh mà cịn thể hiệu ứng tăng trọng cá rô phi Như sử dụng oligochitosan bổ sung vào thức ăn cho gia súc cụ thể heo, gà, cá, gây tạo hiệu ứng kích kháng bệnh, làm gia tăng hiệu sử dụng thức ăn thông qua gia tăng vi khuẩn đường ruột có ích Lactobacillus làm giảm số lượng vi khuẩn có hại E coli cuối tăng trọng cho heo, gà, cá đạt hiệu kinh tế cao Ngoài sử dụng oligochitosan làm giảm thiểu không sử dụng chất kháng sinh chất tăng trọng tổng hợp góp phần nâng cao chất lượng độ an toàn thịt heo, gà, cá, Ngoài chitosan oligochitosan cịn thể hoạt tính sinh học ứng dụng lĩnh vực khác hoạt tính kháng khuẩn, hoạt tính chống oxi hóa, [14] Kết luận Oligochitosan chế tạo từ chitosan phương pháp cắt mạch khác Phương pháp kết hợp chiếu xạ gamma Co-60 dung dịch chitosan/H2O2 hiệu quả, có khả phát triển sản xuất qui mô lớn đáp ứng nhu cầu sử dụng Oligochitosan chế tạo thể hoạt tính kích kháng bệnh trồng vật nuôi (heo, gà, cá, ) Nhằm ứng dụng rộng rãi oligochitosan chất kích kháng bệnh sinh học an tồn cho vật ni, trồng, cần tiếp tục khảo nghiệm đối loại rau trồng khác tiêu, ớt, cà phê, cung như loại vật ni khác tơm, bị sữa, nhằm xác định liều lượng oligochitosan đạt hiệu kích kháng bệnh tối ưu TÀI LIỆU THAM KHẢO M Rinaudo, Chitin and chitosan: properties and applications, Progress in Polymer Science, 31(7), pp 603-632, 2006 S.K Kim, N Rajapaskse, Enzymatic production and biological activities of chitosan oligosaccharides (COS): a review, Carbohydrate Polymers, 62, pp 357-368, 2005 N.Q Hien nnk, Nghiên cứu chế tạo oligochitosan kỹ thuật chiếu xạ, Tạp chí Hóa học, T 38 (2), tr 22-24, 2000 R Huang et al., Dietary oligochitosan supplementation enhances immune status of broiler, Journal of the Science of Food and Agriculture, 87, pp.153–159, 2007 H Yin, X Zhao, Y Du, Oligochitosan: A plant vaccine - A review, Carbohydrate Polymers, 82, pp 1-8, 2010 C Akimoto et al., Endogenous elicitor-like effects of alginate on physilogical activities of plant cells, Applied Microbiology and Biotechnology, 118, pp 1353-1359, 1999 N.Q Hien, D.V Phu, n.N Duy, N.T.K Lan, Degradation of chitosan in solution by gamma irradiation in the presence of hydrogen peroxide, Carbohydrate Polymers, 87, pp 935-938, 2012 8 N.Q Hien cs, Nghiên cứu xử lý hóa học kết hợp với xạ chế tạo chất kích kháng bệnh sinh học dùng nông nghiệp cho lúa mía, Báo cáo tổng kết Đề tài Cấp Bộ MS: BO/06/07-01, 2011 A.T Rodriguez et al., Induction of defense response of Oryza sative L against Pyricularia grisea (Cook) Sacc By treating seeds with chitosan and hydrolyzed chitosn, Pesticide Biochemistry and Physiology, 89, pp 206-215, 2007 10 L.Q Luan et al., Biological effect of irradiated chitosan on pllants in vitro Biotechnology and Applied Biochemistry, 41, pp 49-57, 2005 11 K.L Nge, Chitosan as a growth stimulator in orchid tissue culture, Plant Science, 170, pp 1185-1190, 2006 12 P Wanichpongpan, K Chantrapromma, Application of chitosan as broiler growth promoter, Advances in Chitin Science, pp 524-527, 2002 13 N.N Duy ccs, Nghiên cứu hiệu ứng kháng bệnh chitosan cắt mạch phương pháp chiếu xạ cá rô phi, Báo cáo tổng kết Đề tài Cấp sở MS: CS/07-02, 2011 14 W Xia et al., Bioactivities of chitosan and chitooligosaccharides, Food Hydrocolloids, 25, 170179, 2011 Abstract Chitosan is a carbohydrate biopolymer prepared from shrimp and crab chitin by deacetylation process Oligochitosan was produced by gamma ray Co-60 irradiation of Chitosan in solution containing small amount of hydrogen peroxide The irradiation method for degradation of Chitosan proved to be effective for large scale production Oligochitosan exhibits potent elicitation effect for plants and also immuno-stimulant effect for domestic animals Typical results on elicitation and growth-promotion effect of Oligochitosan on plants (rice) were outlined Furthermore, the effect of Oligochitosan on domestic animal (chicken, pig and fish) was also presented Thus, Oligochitosan, a bioactive substance, is promising for application as plant and domestic animal vaccine for sustainable development of agriculture