NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL CỐ ĐỊNH DINH DƯỠNG BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Kỹ thuật bức xạ thực hiện các quá trình polymer hóa và biến tính ghép cũng như khâu mạch đã tạo ra nhiều vật liệu mới có tính năng đặc biệt và có giá trị sử dụng cao.. Để kiểm soát lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL CỐ ĐỊNH

DINH DƯỠNG BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ THU THANH

Tháng 7 năm 2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL CỐ ĐỊNH

DINH DƯỠNG BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Hướng dẫn khoa học Sinh viên thực hiện

TS LÊ QUANG LUÂN NGUYỄN THỊ THU THANH

Tháng 7 năm 2010

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn đến thầy Lê Quang Luân đã tạo điều kiện tốt nhất, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp và bước đầu nghiên cứu khoa học

Em xin gửi đến, cô Hà, chị Uyên hiện đang làm việc tại Trung tâm Hạt nhân

Tp Hồ Chí Minh lời cảm ơn chân thành nhất Em xin cám ơn các anh chị làm việc tại Công ty Cổ phần Sài gòn Thủy canh đã nhiệt tình giúp đỡ em trong thời gian thực hiện khóa luận này

Cám ơn bạn Thảo, bạn Khôi, bạn Lộc và các bạn cùng làm tại Trung tâm hạt Nhân Tp Hồ Chí Minh cũng như các bạn lớp DH06SH đã giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện khóa luận này

Em cũng xin cảm ơn anh Nguyễn Tuấn Anh đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên

em vượt qua khó khăn trong cuộc sống cũng như trong học tập suốt thời gian qua

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn tất cả

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2010

Nguyễn Thị Thu Thanh

TÓM TẮT

Chế tạo hydrogel cố định chất dinh dưỡng là nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao Nó không chỉ giải quyết vấn đề cung cấp nước và chất dinh dưỡng hiệu quả cho cây trồng mà sản phẩm còn là vật liệu hữu cơ có tính ưu việt cao như khả năng điều hòa độ ẩm đất, giảm hàm lượng nước tưới, đồng thời tăng khả năng hấp thụ dinh dưỡng cho cây trồng Do đó vật liệu này đã giúp cho việc sử dụng phân bón đạt hiệu quả cao, hạn chế quá trình rửa trôi và giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước Do đó, đề tài:

“Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel cố định dinh dưỡng bằng kỹ thuật bức xạ ứng dụng trong nông nghiệp” đã được thực hiện

Đã chế tạo được vật liệu hydrogel cố định dinh dưỡng từ carboxylmethyl cellulose (CMC) và polyacrylamide (PAM) có bổ sung chất dinh dưỡng và alginate bằng kỹ thuật bức xạ Vật liệu hydrogel chế tạo được từ hợp phần CMC 20 % kết hợp với PAM 20 %, alginate 1 % và chất dinh dưỡng chiếu xạ ở liều 15 kGy có hàm lượng gel là 61,9 % và độ trương nước là 187,3 lần Việc ứng dụng bổ sung hydrogel cố định dinh dưỡng chế tạo bằng kĩ thuật bức xạ đã có tác dụng tốt trong việc giảm thiểu sự thoát hơi nước

So với cây trồng trên đất sạch, việc bổ sung vật liệu hydrogel cố định dinh dưỡng phối trộn với đất sạch đã có tác dụng gia tăng sự sinh trưởng và phát triển của cây Cải bẹ dúng, cây hoa Dừa cạn và hoa Dạ yến thảo Vật liệu hydrogel chế tạo được rất có triển vọng cho việc ứng dụng trong nông nghiệp để tăng diện tích đất canh tác nông nghiệp ở những vùng khô hạn và đất bạc màu, đồng thời giúp cải thiện môi trường

Từ khóa: Alginate, Chiếu xạ, Cố định dinh dưỡng, Hydrogel

SUMMARY

The subject: STUDY ON PREPARATION OF NUTRIENT IMMOBILIZED HYDROGEL APPLYING FOR AGRICULTURE

Preparation of nutrient immobilized hydrogel is a valuable aplication research

It not only solves the problem for water supply and nutrient effectiveness for plants, but also the materials have several advantages such as control of soil moisture, reduction of water content and increases of nutrient absorption for crops Therefor this material increases making use of the efficiencef of fertilizers and reduction of nutrient loss leaching to reduce water pollution Because of the abore reasons, the topic: "Study

on preparation of nutrient immobilized hydrogel applying for agriculture" had made

The nutrient immobilized hydrogel was successfully prepared from carboxylmethyl cellulose (CMC) and polyacrylamide (PAM) supplementation with nutrient and alginate by irradiation The materials prepared from 20 % CMC, 20 % PAM, 1 % alginate and nutrient at 15 kGy irradiation has gel fraction of 61.9 % and swelling degree of 187.3 The addition of hydrogels prepared by radiation technique showed a better effect on minimizing water evapovation The application of nutrient immobilized hydrogels prepared by radiation technique showed good effects on reducing water evaporation

Compared to the control, the supplementation of nutrient immobilized hydrogels showed a better effect on increasing the growth and development of

Brassica cruciferae Var Sabauda, Catharanthus roseus and Petunia hibrida The

prepered hydrogel is very promising material for application in agriculture to increase the avalaihility for plantation of exhausted and drought areas as well as environment improvement

Keywords: Alginate, Irradiation technique, Nutrient immobilization, Hydrogel

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i

Tóm tắt ii

Summary iii

Danh sách các chữ viết tắt viii

Danh sách các bảng ix

Danh sách các hình x

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

I Đặt vấn đề 1

II Yêu cầu 2

III Nội dung thực hiện 2

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Hydrogel và các phương pháp chế tạo 3

2.1.1 Định nghĩa hydrogel 3

2.1.2 Các phương pháp chế tạo hydrogel 4

2.1.2.1 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp hóa học 4

2.1.2.2 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp bức xạ 5

2.1.3 Các polymer tự nhiên dùng để chế tạo hydrogel 10

2.1.3.1.Carboxymethylcellulose 11

2.1.3.2 Oligoalginate 12

2.1.3.3 Polyacrylamide 14

2.1.3.4 Carboxymethylcellulose và Polyacrylamide 15

2.1.4 Đặc điểm tự phân hủy của hydrogel chế tạo 16

2.1.4.1 Sự phân hủy của Carboxymethylcellulose bởi enzyme 16

2.1.4.2 Sự phân hủy của Carboxymethylcellulose bởi vi sinh vật 16

2.1.5 Ứng dụng của hydrogel 17

2.2 Dung dịch dinh dưỡng 20

2.2.1 Dinh dưỡng không khoáng 20

2 2.1.1 Hàm lượng nước 20

2.2.1.2 Hàm lượng CO2 21

2.2.1.3 Hàm lượng O2 21

2.2.2 Nguyên tố đa lượng 21

2.2.2.1 Hàm lượng Nitơ 21

2.2.2.2 Hàm lượng Photpho 22

2.2.2.3 Hàm lượng Kali 22

2.2.3 Nguyên tố trung lượng 23

2.2.3.1 Hàm lượng Canxi 23

2.2.3.2 Hàm lượng Magie 23

2.2.3.3 Hàm lượng Lưu huỳnh 23

2.2.4 Nguyên tố vi lượng 24

2.2.4.1 Hàm lượng Sắt 24

2.2.4.2 Hàm lượng Mangan 24

2.2.4.3 Hàm lượng Boron 24

2.2.4.4 Hàm lượng Kẽm 24

2.2.4.5 Hàm lượng Đồng 24

2.2.4.6 Hàm lượng Molybdenum 25

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

3.1 Thời gian và địa điểm thực hiện 26

3.2 Vật liệu 26

3.2.1 Các polymer tự nhiên 26

3.2.2 Giống 26

3.2.3 Giá thể 26

3.2.4 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 26

3.2.4.1 Dụng cụ và thiết bị 26

3.2.4.2 Hóa chất 27

3.3 Phương pháp nghiên cứu 27

3.3.1 Thí nghiệm 1: Chế tạo vật liệu hydrogel 27

3.3.2 Thí nghiệm 2: Đánh giá các đặc trưng của hydrogel 28

3.2.2.1 Chỉ tiêu hàm lượng gel 28

3.2.2.2 Chỉ tiêu độ trương nước 29

3.3.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát độ bay hơi nước tự nhiên của hydrogel chế tạo được 29

3.3.4 Thí nghiệm 4: Nghiên cứu động học của quá trình ly giải của hydrogel 29

3.3.5 Đánh giá hiệu ứng của sản phẩm đối với cây trồng 30

3.3.5.1 Thí nghiệm 5: Khảo sát hiệu ứng nảy mầm 30

3.3.5.2 Thí nghiệm 6: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ gel 30

3.3.5.3 Thí nghiệm 7: Khảo sát ảnh hưởng của các loại gel 32

3.3.6 Thí nghiệm 8: Khảo sát khả năng giữ nước 33

3.3.7 Thí nghiệm 9: Khảo sát sự thoát hơi nước 33

3.3.8 Phương pháp xử lý thống kê số liệu 34

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

4.1 Kết quả 35

4.1.1 Chế tạo và xác định đặc trưng của vật liệu hydrogel 35

4.1.2 Độ bay hơi nước tự nhiên 38

4.1.3 Khảo sát động học của quá trình ly giải 39

4.1.4 Đánh giá hiệu ứng của hydrogel cố định dinh dưỡng 43

4.1.4.1 Ảnh hưởng của hydrogel cố định dinh dưỡng 43

4.1.4.2 Ảnh hưởng của nồng độ hydrogel 45

4.1.4.3 Ảnh hưởng của các loại hydrogel 49

4.1.5 Khảo sát khả năng giữ nước của các loại giá thể 54

4.1.6 Khảo sát sự thoát hơi nước của hydrogel 57

4.2 Thảo luận 58

4.2.1 Thí nghiệm 1 – 2: Chế tạo vật liệu hydrogel 58

4.2.2 Thí nghiệm 3: Khảo sát tốc bay hơi nước 60

4.2.3 Thí nghiệm 4: Khảo sát động học của quá trình ly giải 61

4.2.4 Đánh giá hiệu ứng của hydrogel cố định dinh dưỡng 61

4.2.4.1 Thí nghiệm 5: Khảo sát hiệu ứng nảy mầm 61

4.2.4.2 Thí nghiệm 6: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ gel 62

4.2.4.3 Thí nghiệm 7: Khảo sát ảnh hưởng của các loại hydrogel 63

4.2.5 Thí nghiệm 8: Khảo sát khả năng giữ nước 63

4.2.6 Thí nghiêm 9: Khảo sát sự thoát hơi nước 64

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 65

5.1 Kết luận 65

5.2 Đề nghị 65 Tài liệu tham khảo 66

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CMC : Carboxymethylcellulose CNBX : Công nghệ bức xạ

DD : Ding dưỡng

ĐC : Đối chứng

ĐS : Đất sạch kGy : Kilogray

NT : Nghiệm thức PAM : Polyarylamide

TB : Trung bình VSV : Vi sinh vật

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Độ linh động của các ion trong dung dịch 25

Bảng 3.1 Bố trí thí nghiệm chế tạo vật liệu hydrogel 28

Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm khảo sát hiệu ứng nảy mầm 30

Bảng 3.3 Tỉ lệ gel trong các loại giá thể 31

Bảng 3.4 Tỉ lệ hydrogel trộn trong các loại giá thể 32

Bảng 3.5 Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của các loại gel 32

Bảng 3.6 Bố trí thí nghiệm khảo sát sự thoát hơi nước 34

Bảng 4.1 Ảnh hưởng của các loại giá thể lên chiều dài 54

Bảng 4.2 Ảnh hưởng của các loại giá thể lên số chồi cấp một 55

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của các loại giá thể lên thời gian sống 55

Bảng 4.4 Độ thoát hơi nước của vật liệu hydrogel 57

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 4.1 Hydrogel sau khi ngâm trương và chiết phần sol 35

Hình 4.2 Ảnh hưởng của liều xạ đến khả năng tạo gel 36

Hình 4.3 Độ trương nước của vật liệu hydrogel 37

Hình 4.4 Tốc độ bay hơi nước theo thời gian 38

Hình 4.5 Độ ly giải ion K+ của các hydrogel 39

Hình 4.6 Độ ly giải ion Ca2+ của các hydrogel 40

Hình 4.7 Độ ly giải ion NH3+ của các hydrogel 41

Hình 4.8 Độ ly giải ion Na+ của các hydrogel 42

Hình 4.9 Hạt Cải bẹ xanh mỡ nảy mầm trên khối gel 43

Hình 4.10 Tỉ lệ nảy mầm của hạt Cải bẹ xanh mỡ 43

Hình4.11 Sự phát triển của cây Cải bẹ xanh mỡ sau 10 ngày 44

Hình4.12 Sự phát triển của cây hoa Dạ yến thảo sau 15, 30 ngày 45

Hình 4.13 Sự sinh trưởng của cây hoa Dạ yến thảo 46

Hình 4.14 Cây Cải bẹ dúng ở các nghiệm thức sau 15 ngày 47

Hình 4.15Sự sinh trưởng của cây Cải bẹ dúng 47

Hình 4.16 Sự khác biệt giữa cây Cải bẹ dúng 49

Hình 4.17 Cây hoa Dạ yến thảo trồng trong các loại hydrogel 49

Hình 4.18 Sự sinh trưởng của cây hoa Dạ yến thảo 50

Hình 4.19 Sự khác biệt của các cây hoa Dừa cạn 52

Hình 4.20 Sự sinh trưởng của cây hoa Dừa cạn 53

Hình 4.21 Cây hoa Dạ yến thảo sau 25 ngày trồng 56

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, nguồn nước sạch sử dụng cho sinh hoạt và trồng trọt đang dần dần cạn kiệt Nguyên nhân là do vấn đề ô nhiễm môi trường Ô nhiễm môi trường không còn bó hẹp trong phạm vi từng quốc gia mà còn làm ảnh hưởng đến những quốc gia lân cận, tới môi trường khu vực và toàn cầu Chính vì vậy, vấn đề ô nhiễm môi trường

đã gây ra những hiện tượng thời tiết bất thường như: El Nino, La Nina, mưa acid, thủng tầng ozone, hiệu ứng nhà kính Điều này đã mang lại nhiều thảm hoạ và dẫn đến những thiệt hại vô cùng to lớn cho con người Nhiệt độ trái đất tăng đã làm cho nhiều vùng bị hạn hán, đất đai trở nên khô cằn

Vấn đề đặt ra là phải làm sao để có thể canh tác trên những vùng đất khô hạn vốn rất cằn cỗi và thiếu nước Những năm gần đây, phong trào trồng rừng phủ xanh đồi núi trọc đã và đang phát triển khá mạnh, đem lại hiệu quả kinh tế cao cho người dân và xã hội Tuy nhiên, một thực trạng đáng nói ở đây là lượng nước tưới không đáp ứng đủ nhu cầu mà lượng nước bốc hơi lại khá nhanh Điều này dẫn đến hệ quả là giảm khả năng sống sót của cây con Bên cạnh đó, việc canh tác ở những vùng nước ngập mặn ven biển, trồng cây trong chậu cảnh trong nhà, trang trí trong công viên và trên đường phố cũng cần cung cấp một lượng nước khá lớn

Việc khắc phục sự thiếu hụt nguồn nước sử dụng cho trồng trọt đã được nhiều nhà khoa học quan tâm bởi nó có nhiều ý nghĩa thiết thực như tăng diện tích đất canh tác nông nghiệp ở những vùng khô hạn và đồng thời giúp cải thiện môi trường

Việc tìm kiếm vật liệu có khả năng giữ nước và dinh dưỡng sẽ là nguồn dự trữ, cung cấp kịp thời nước và chất dinh dưỡng cho cây trồng Kết hợp sử dụng vật liệu này trong trồng trọt sẽ giúp cho việc sử dụng phân bón đạt hiệu quả cao và giảm thiểu

ô nhiễm nguồn nước

Kỹ thuật bức xạ thực hiện các quá trình polymer hóa và biến tính ghép cũng như khâu mạch đã tạo ra nhiều vật liệu mới có tính năng đặc biệt và có giá trị sử dụng cao Nhiều loại polymer biến tính đã cải tiến tính chất hấp thu – trương nước, bền nhiệt, bền môi trường, bền cơ lý, có khả năng hấp thu và ly giải các hợp chất

Nghiên cứu chế tạo hydrogel cố định chất dinh dưỡng là nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, nó không chỉ giải quyết vấn đề cung cấp nước và chất dinh dưỡng kịp thời cho cây trồng mà sản phẩm sẽ là vật liệu hữu cơ có tính ưu việt cao như khả năng điều hòa độ ẩm đất, giảm hàm lượng nước tưới, đồng thời tăng khả năng hấp thụ dinh dưỡng cho cây trồng Bên cạnh đó, hydrogel cố định chất dinh dưỡng còn giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước

Trên tinh thần tìm hiểu về chất hấp thu nước hydrogel được chế tạo từ kĩ thuật khâu mạch và ghép mạch bức xạ, cũng như nhận thấy khả năng ứng dụng thực tiễn cao của nghiên cứu này, và dưới sự hướng dẫn của TS Lê Quang Luân, tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo Hydrogel cố định dinh dưỡng bằng kỹ thuật bức xạ ứng dụng trong nông nghiệp”

1.2 Yêu cầu

Chế tạo được hydrogel cố định dinh dưỡng bằng phương pháp chiếu xạ có thể ứng dụng để trồng cây

Xác định loại gel có hàm lượng gel và độ trương nước tối ưu để trồng cây

1.3 Nội dung thực hiện

Chế tạo hydrogel cố định dinh dưỡng bằng phương pháp chiếu tia xạ gamma từ nguồn xạ gamma Co-60

Khảo sát hiệu ứng của hydrogel đối với một số loại rau và hoa

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Hydrogel và các phương pháp chế tạo

2.1.1 Định nghĩa hydrogel

Polymer tan trong nước khi được khâu mạch sẽ tạo một vật liệu trương mà không tan trong nước Vật liệu này gọi là “hydrogel” (Nguyễn Quốc Hiến và ctv, 1996) Hydrogel được hình thành từ các polymer có chứa các nhóm phân cực như COO-, HSO3-, -CONH2… trong phân tử có cấu trúc không gian ba chiều nhờ được

khâu mạch bởi các monomer lưỡng chức

Hydrogel thông thường có hai loại là gel hóa học và gel giả Những chuỗi này được nối với nhau bằng lực hút tĩnh điện, liên kết hydro hoặc những chuỗi phức tạp (nhiều gel là không bền và thường có thể được chuyển đổi thành dung dịch polymer bằng sức nóng), đó là gel Và gel hóa học (thật, bền) các phân tử polymer được nối lại với nhau thành chuỗi bằng các liên kết cộng hóa trị

Một khi xem hydrogel như vật liệu vừa có thuộc tính như chất lỏng và vừa có thuộc tính như chất rắn thì thành phần chính tạo ra hiệu quả của dạng này đó là nước

Vì vậy, chất hòa tan có trọng lượng phân tử thấp hoặc dung môi thấm vào sẽ xuyên qua lớp màng của gel Mặt khác dựa vào tính đàn hồi của một số chuỗi mạng lưới, hình dạng của gel sẽ cho phép việc gia tăng sức chứa trong chính bản thân nó Tuy đã

có khá nhiều ứng dụng của hydrogel nhưng thành công và hứa hẹn nhất hiện nay là ứng dụng trong lĩnh vực y khoa và dược phẩm, với một số lượng lớn các sản phẩm đã được thương mại hóa trên thị trường

Vật liệu hydrogel được tạo từ polymer ưa nước có tầm quan trọng rất lớn đến thuộc tính của sản phẩm Hiệu quả của nó phụ thuộc vào sự có mặt của nhóm ưa nước trên suốt chiều dài mạch, như là -OH, -COOH, -CONH2 và một số nhóm khác Chức năng của các nhóm chức này thường tạo nên các hydrogel nhạy cảm đối với các điều kiện xung quanh và thường thì nó được đề cập đến như là vật liệu có đáp ứng thuận nghịch đối với môi trường Những hydrogel này chứng minh khả năng tạo ra sự thay đổi về dung tích chẳng hạn như sự thay đổi dung tích của các pha chuyển tiếp trong phản ứng khác nhau với môi trường ví dụ như nhiệt độ, pH, chiều dài mạng lưới ion, nồng độ chất hòa tan… đã được thử nghiệm cho các mục đích sử dụng khác nhau Các hydrogel như vậy được gọi là "vật liệu sinh học thông minh" (Tanaka và ctv, 1978) Ví

dụ như các pha chuyển tiếp hydrogel đã được Tanaka thông báo vào năm 1978 Từ đó

đã có nhiều nghiên cứu trên các hydrogel có nhiều đặc tính nổi bật được thực hiện với tầm quan tâm không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học như hiện tượng chuyển tiếp pha

mà còn ở các ứng dụng của nó trong công nghiệp như là hệ thống dẫn xuất được dùng làm vỏ bọc thuốc, các đầu dò sinh học, surimi có khả năng chọn lọc

Để kiểm soát lượng nước và chất hòa tan được chấp nhận bằng đoạn kỵ nước của hydrogel có thể được áp dụng khi kèm theo các polymer ghép, ghép chuỗi hoặc giống như là xâm nhập vào mạng lưới, mạng lưới polymer bán thẩm thấu, bằng các thành phần của một polymer khác, không phải bằng các liên kết hóa học mà bằng cách nhốt trong mạng lưới của nó Độ trương của hydrogel là nội dung được nghiên cứu rất nhiều Nhiều học thuyết thuyết phục rằng áp lực của sự trương phồng xảy ra khi tổng

sự đóng góp của các thành phần phân chia dựa vào hỗn hợp dung môi polymer, độ mềm dẻo của cấu trúc mạng lưới, sự thấm chọn lọc của các ion và sự đào thải Trạng thái trương bão hòa đạt được khi mà sự trương chọn lọc của mạng lưới gel là bằng không Từ quan điểm tổng hợp hydrogel như vậy đã được quyết định bởi dạng polymer sử dụng (hoặc monome) và sức chứa của mạng lưới ion

Bản chất của hydrogel chính là khả năng hấp thụ dung môi của các ion có độ dài mạch khác nhau hoặc pH khác nhau được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như là vật liệu siêu hấp thụ nước

Các hydrogel có thể tạo được từ chính các polymer tự nhiên hoặc copolymer với các polymer tổng hợp Dạng ete của cellulose, dựa vào nét đặc trưng mới lạ của khả năng hình thành gel và dễ bị phân hủy sinh học, được xem như là vật liệu tuyệt vời Nhiều nghiên cứu gần đây chọn ete của cellulose được kiểm tra dưới bức xạ ion hóa

Đó là Carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropylcellulose (HPC) và hydroxyethylcellulose (HEC), dạng hydrogel tự phân hủy sinh học

2.1.2 Các phương pháp chế tạo hydrogel

Hydrogel có thể được tổng hợp bằng hai phương pháp chủ yếu là phương pháp hóa học và phương pháp bức xạ Tùy thuộc vào bản chất của polymer mà người ta có thể sử dụng một trong 2 phương pháp nói trên

2.1.2.1 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp hóa học

Hydrogel có thể được tổng hợp bằng phương pháp hóa học từ các monome ưa nước như acrylamide/acrylic acid và dẫn xuất của nó Một phương pháp phổ biến khác

là khâu mạch hoặc tổng hợp polymer bằng hợp chất đa hóa trị Trong các phương pháp tổng hợp này, sử dụng tác nhân khâu mạch, mật độ khâu mạch được kiểm soát bởi nồng độ của các chất phản ứng đa hóa trị hoặc chất phản ứng sinh học, thời gian phản ứng, nhiệt độ Trong khi phương pháp chiếu xạ, tác nhân khâu mạch và mật độ khâu mạch được quyết định bằng các liều xạ Ngoài ra khâu mạch bằng phương pháp hóa học chỉ có thể thực hiện được trong trạng thái lỏng, mà đó là sự khác biệt tương phản với thành phẩm sau này

2.1.2.2 Chế tạo hydrogel bằng phương pháp bức xạ

Sử dụng bức xạ ion hóa như tia gamma, dòng điện tử gia tốc,… Do đó nó có thể bắt đầu phản ứng hóa học ở trạng thái lỏng hay ở trạng thái rắn

a Công nghệ bức xạ

œ Khái niệm

Công nghệ bức xạ (CNBX) là một ngành khoa học mới, nghiên cứu ứng dụng các hiệu ứng vật lý, hóa học, sinh học và một số hiệu ứng khác xuất hiện khi bức xạ truyền năng lượng cho vật chất nhằm biến các hiệu ứng này thông qua các quy trình công nghệ để tạo ra các sản phẩm với những phẩm chất, tính năng và công dụng mới phục

vụ con người Sự ra đời của ngành công nghệ bức xạ là kết quả của sự giao nhau và kết hợp chủ yếu giữa các ngành vật lý hạt nhân, khoa học vật liệu, hóa học và sinh học

CNBX sử dụng nguồn bức xạ làm nguồn năng lượng trong quá trình nghiên cứu

và ứng dụng Công nghệ bức xạ hiện tại chủ yếu sử dụng các nguồn bức xạ gamma phát ra từ đồng vị Co-60, Cr-157, chùm điện tử gia tốc từ máy gia tốc điện tử (Electron Beam) và chùm tia ion phát ra từ máy gia tốc ion (Ion Beam) Theo số liệu năm 1996, toàn thế giới có hơn 180 nguồn chiếu xạ gamma Co-60 và khoảng 700 – 800 máy gia tốc điện từ hoạt động phục vụ cho mục đích ứng dụng công nghiệp, trong đó bao gồm ứng dụng trong lĩnh vực sinh học (Nguyễn Quốc Hiến, 1997)

CNBX là một trong những nghiên cứu và ứng dụng rất hiệu quả của ngành hạt nhân Việt Nam và thế giới Ngành CNBX Việt Nam chính thức phát triển từ năm

1983, sau khi nguồn Co-60 lắp đặt và đưa vào hoạt động tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt Đến nay thì các nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực CNBX ở Việt Nam đã thực hiện trên 80 đề tài, dự án nghiên cứu và triển khai ứng dụng của CNBX trong các

lĩnh vực khác nhau và hơn một nửa trong số đó là các nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp

œ Thành tựu

Nhiều năm gần đây, công nghệ bức xạ trở thành công cụ đổi mới trong công nghiệp, làm tăng hiệu quả công nghiệp, tăng năng suất lao động, tiết kiệm năng lượng

và bảo vệ môi trường sinh thái (Trần Đại Nghiệp, 2007) Có thể nêu ra một số thành

tựu điển hình của công nghệ bức xạ trong thời gian gần đây như: các máy gia tốc ion nặng (máy cấy ion) có thể tạo ra vi mạch với kích thước dưới 0,1 μm Ở Nhật Bản hiện

có tới 400 máy cấy ion ứng dụng trong lĩnh vực bán dẫn và vi điện tử; vật liệu sợi composite SiC là loại vật liệu sử dụng trong kỹ thuật hàng không và vũ trụ được xử lý bằng bức xạ, có thể chịu tới nhiệt độ 1800 oC, trong khi xử lý bằng nhiệt độ chỉ chịu được nhiệt độ 1200 oC; 100 % vật liệu vách ngăn trong các loại pin siêu nhỏ ở Nhật là vật liệu polymer xử lý bằng bức xạ; 80 % bao bì thực phẩm ở Châu Âu và Bắc Mỹ được xử lý bề mặt bằng bức xạ; 90 % lượng SO2 và 85 % lượng NOx là những chất độc từ khói công nghiệp có thể biến thành phân bón dùng trong nông nghiệp nếu xử lý bức xạ (electron) Quá trình này cho phép giảm đáng kể hiệu ứng nhà kính của trái đất

và các trận mưa acid; hàng năm, kỹ thuật xử lý bề mặt trên toàn thế giới sử dụng 20 triệu tấn hóa chất, trong đó 40 % lượng hóa chất này bay vào khí quyển gây ô nhiễm môi trường và tạo ra hiệu ứng nhà kính Kỹ thuật xử lý bức xạ chỉ cho 1 % lượng hóa chất bay vào môi trường; Trong công nghiệp sản xuất dụng cụ y tế, 40 % đến 50 % sản phẩm được khử trùng bằng công nghệ bức xạ Dự báo trong những năm tới tỷ lệ này

có thể đạt tới 80 %; Có trên 40 nước với 120 chủng loại thực phẩm đã được chiếu xạ

và thương mại hóa Xử lý bức xạ từ nhiều năm nay trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu phát triển quan trọng được cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) khuyến cáo và tài trợ

œ Ưu điểm

Phương pháp chiếu xạ có nhiều ưu điểm nổi bật như:

- Phản ứng ở nhiệt độ bình thường, tiết kiệm nguyên liệu, năng lượng và không gian

- Có độ tin cậy cao (quá trình được kiểm tra hữu hiệu)

- Chế tạo sản phẩm mới, sản phẩm chất lượng cao, sản phẩm sau khi xử lý không cần phải tinh chế

- Đáp ứng nhu cầu bảo vệ môi trường

- Thuận lợi cho quá trình ứng dụng ở quy mô lớn, đem lại hiệu quả kinh tế cao

œ Ứng dụng Công nghệ bức xạ trong nông nghiệp

Các ứng dụng nổi bật của công nghệ bức xạ ở nước ta tập trung chủ yếu trong lĩnh vực nông nghiệp bao gồm: Chiếu xạ gây bất dục côn trùng; Chiếu xạ kích thích và gây đột biến tạo các giống cây trồng mới như lúa, đậu tương, hoa cúc…; Chiếu xạ để bảo quản thực phẩm (gia vị, trái cây, thực phẩm đông lạnh…), khử trùng mĩ phẩm và bao bì cho thực phẩm; Chiếu xạ xử lý phế thải nông nghiệp, chăn nuôi gia súc (nước

thải, chất thải gia súc) (Trần Đại Nghiệp, 2007); Chiếu xạ biến tính ghép, khâu mạch

và cắt mạch vật liệu tạo vật liệu tổng hợp sinh học và vật liệu có hoạt tính sinh học, chế phẩm dược phẩm, hormone thải chậm, gel giữ nước, gel cố định dinh dưỡng ứng dụng trong thủy canh, chế phẩm phòng và trị bệnh thực vật từ chitosan chiếu xạ…

b Ứng dụng của kĩ thuật bức xạ trong chế tạo hydrogel

Bức xạ ion hóa rất phù hợp cho việc chế tạo hydrogel Qui trình dễ kiểm soát, khả năng tham gia tạo hydrogel và tiệt trùng trong một bước công nghệ, không cần thiết phải thêm chất xúc tác khâu mạch dẫn đến hạ giá thành sản phẩm Đó chính là lý do lựa chọn phương pháp chiếu xạ trong việc tổng hợp hydrogel Đặc biệt có ý nghĩa trong lĩnh vực y khoa (kỹ thuật này có một số giới hạn và không phải loại hydrogel nào cũng có thể tổng hợp theo con đường này) Tất nhiên từ những quan điểm của bức

xạ hóa học, khâu mạch của polymer, bao gồm việc hình thành của hydrogel, là những ứng dụng thành công nhất trong lĩnh vực khoa học này

œ Hiệu ứng khâu mạch

Thông thường, kỹ thuật bức xạ tạo ra 3 hiệu ứng: ghép mạch, cắt mạch và khâu mạch (Nguyễn Quốc Hiến, 1997) Ghép mạch là ghép polymer này với một polymer khác Cắt mạch là làm ngắn mạch đi, tạo ra nhiều đoạn mạch nhỏ hơn Khâu mạch là gắn kết các radical tự do lại với nhau Đối với các polymer tự nhiên khi chiếu xạ, thì hầu hết quá trình cắt mạch sẽ xảy ra, dù là ở dạng dung dịch hay dạng bột Đó là quá trình biến tính cắt mạch các polymer có nguồn gốc tự nhiên để tạo ra các oligomer tương ứng Đến nay, các chế phẩm oligomer tương ứng từ chiếu xạ cắt mạch các polysaccharide (chitosan, alginate…) được ứng dụng hiệu quả trong nông nghiệp Phương pháp ghép mạch (polymer hóa) và khâu mạch được sử dụng để tổng hợp nhiều loại polymer khác nhau, trong đó có hydrogel Quá trình polymer hóa bức xạ cơ

bản xảy ra theo cơ chế gốc tự do bao gồm ba giai đoạn chính là khơi mào, phát triển và ngắt mạch Mô tả quá trình như sau:

M hay S Ro (tạo gốc tự do)

Trong đó: M là monomer, S là dung môi

Tốc độ của quá trình phụ thuộc vào suất liều bức xạ Vp~K.Ix, và hằng số tốc

độ của quá trình phụ thuộc nồng độ các gốc tự do tạo ra trong monomer (tác động trực tiếp) và trong dung môi (tác động gián tiếp) (Nguyễn Quốc Hiến, 1997)

œ Khâu mạch bức xạ dung dịch polymer tan trong nước

Nhờ quá trình hình thành gốc tự do trong quá trình chiếu xạ mà biến tính khâu mạch được thực hiện Khi chiếu xạ dạng paste các dẫn xuất của cellulose như carboxylmethylcellulose, hydroxylpropylcellulose, carboxylmethylchitin, carboxylmethylchitosan thì quá trình khâu mạch lại hình thành Mật độ khâu mạch của các phân tử trong hydrogel và hàm lượng gel hình thành thường tỉ lệ thuận với liều chiếu xạ Sản phẩm hydrogel có độ trương nước khác nhau, độ trương này thường tỉ lệ nghịch với độ khâu mạch của các phân tử trong hydrogel

Có hai cách hình thành gốc polymer và tạo khâu mạch như sau:

thành các liên kết cộng hóa trị giữa các chuỗi polymer Khi trong hệ xuất hiện liên kết ngang đầu tiên, tức là hệ đã bắt đầu tạo gel Nếu hệ được tiếp tục chiếu xạ thì phần gel trong hệ sẽ tăng lên, đồng thời mật độ khâu mạch trong phần gel cũng dần dần tăng lên (Nguyễn Quốc Hiến, 1997)

œ Copolymer hóa ghép bức xạ

Một copolymer ghép là một polymer mà phân tử của nó chứa hai hay nhiều thành phần polymer có cấu trúc hóa học khác nhau Có thể xem copolymer ghép là sự kết hợp hóa học giữa hai phân tử polymer có cấu trúc hóa học khác nhau (A K Bajpai và

- Ghép chiếu xạ trực tiếp

- Ghép sau chiếu xạ khơi mào bằng các nhóm peroxide

- Ghép sau chiếu xạ khơi mào bằng các gốc tự do bị bẫy

- Liên kết không gian giữa hai polymer khác nhau

Vật liệu hydrogel chế tạo từ các monome ưa nước hoặc là khâu mạch dung dịch polymer thường không bền vững, tính chất cơ lí kém cho nên phải tiến hành ghép monome ưa nước lên vật liệu polymer bền (A K Bajpai và A Giri, 2003)

Nhiều chế phẩm có hoạt tính sinh học như enzyme, kháng nguyên, kháng thể… được chế tạo trên cơ sở gắn lên các giá thể polymer hóa ghép bức xạ monome ưa nước

Mức độ ghép thường được tính theo phần trăm trọng lượng (%) nhưng đôi khi cũng được tính theo diện tích bề mặt (g/cm2)

Giá thể polymer được chế tạo bằng kỹ thuật bức xạ đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều để làm giá thể cố định các chất có hoạt tính sinh học như tế bào vsv, enzyme, các loại dược phẩm điều trị ung thư…

Những lợi ích của chế phẩm cố định là:

- Ồn định hoạt tính để sử dụng thời gian dài và tái sử dụng nhiều lần (reuse)

- Tạo dạng vật liệu theo yêu cầu

- Gia tăng độ bền sinh học của chế phẩm đối với nhiệt và các tác nhân hóa học

- Kiểm soát được tốc độ ly giải

2.1.3 Các polymer tự nhiên dùng để chế tạo hydrogel

Polysaccharide là các dẫn xuất của cellulose Khả năng của polysaccharide là hình thành dạng cấu trúc mạng lưới gel, mặc dù tại đó nồng độ của nó rất thấp, tạo thành một trong những thuộc tính chức năng quan trọng nhất Sự hình thành cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều cho hiệu quả trung gian làm gia tăng hệ thống cấu trúc hóa học và sự ổn định hóa học Sự hòa trộn của các polysaccharide xảy ra thường xuyên, và các gel bậc 2 có thể được sử dụng như mô hình cho phức hệ cấu trúc tế bào Nhiều thành phần tự nhiên và polysaccharide vi khuẩn hình thành mạng lưới không gian ba chiều dưới các điều kiện đặc biệt Những gel này, ổn định bởi các tương tác trao đổi qua lại, có thể có sự so sánh các thuộc tính cấu trúc tổ chức của chúng với khâu mạch gel bằng hóa học Mặc dù, những gel này là dạng vật lý, chúng có thể chuyển thành dung dịch khi bị phân hủy mạch (A Pourjavadi và ctv, 2006)

Các polymer tự nhiên như là alginate, carrageenan, và dẫn xuất của cellulose và chitin/chitosan có thể cũng chuyển thành dạng hydrogel vật lý trong sự có mặt của các ion kim loại Hydrogel bao gồm các polymer tổng hợp với các đại phân tử tự nhiên như gel, amylose, chitosan và dextran đã được tổng hợp Những polymer tự nhiên này hoặc hydrogel, với việc trộn lẫn các polysaccharide và dẫn xuất của nó, được chế tạo bằng kỹ thuật chiếu xạ dựa trên khả năng phân hủy sinh học đã làm giảm rất nhiều về giá thành và góp phần bảo vệ môi trường

Hydrogel từ 4 loại ete của cellulose đã được tổng hợp bằng bức xạ ion hóa mà không cần thêm bất kì một tác nhân nào khác Nó được tìm thấy ở nồng độ cao trong dung dịch có chứa nước hơn và nhiều dạng thay thế bởi các mạch nhánh của chuỗi trong vòng glucozamine của polymer rất thuận lợi cho quá trình khâu mạch Những đoạn gel này dựa vào chiếu xạ dung dịch bằng máy gia tốc điện tử

Carboxymethylcellulose (CMC) tạo gel bởi bức xạ gamma phụ thuộc vào liều xạ

Sự có mặt của oxi trong suốt quá trình chiếu xạ là nguyên nhân làm giảm bớt hàm lượngchứa tối đa của gel Hydrogel được tạo thành có độ trương đáng kể bằng sự hấp thụ nước, và sự trương khác nhau dựa vào nồng độ mà polymer được chiếu xạ và liều

xạ áp dụng Hydrogel có khả năng tự phân hủy sinh học

Tóm lại, polysaccharide là thành phần chính của hydrogel tự nhiên với các đặc tính: tự phân hủy sinh học, tự đổi mới, không độc và dung tích chứa cao Polysaccharide hòa tan trong nước do sự có mặt của các nhóm ưa nước, chủ yếu là

OH-, COO- và NH2- Khâu mạch polysaccharide là hiệu quả đạt được nhất định từ vật liệu hydrogel Có nhiều phương pháp khác nhau để khâu mạch cho việc chuẩn bị vật liệu hydrogel Có nhiều nhân tố như nồng độ, pH, nhóm chức ảnh hưởng đến độ trương polymer (A K Bajpai và A Giri, 2003)

2.1.3.1.Carboxymethylcellulose

Cellulose là một polymer tự nhiên phong phú nhất và là nguyên liệu thô quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp Dẫn xuất cellulose có nhiều ứng dụng đặc biệt do thuộc tính và khả năng hòa tan tốt trong nước Gần đây, một số polymer tự nhiên, dưới tác dụng của bức xạ gamma tạo ra vật liệu hydrogel: vật liệu sinh học với các ưu điểm không ảnh hưởng đến sức khỏe con người và sinh vật, khả năng tự phân hủy và là vật liệu sinh học có tính tương thích tốt CMC là dẫn xuất polymer có khả năng tan trong nước, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thuốc làm sạch vết thương, đầu

dò, trong thực phẩm, giấy và công nghiệp dệt do có độ nhớt cao

CMC cũng giống như những polymer tự nhiên khác là có khả năng phân hủy polymer dưới bức xạ nhưng cũng có thể bị khâu mạch tạo thành vật liệu hydrogel dưới những điều kiện thuận lợi (Phạm Thị Lệ Hà, 2006; Trần Thị Thủy và ctv, 2006) Cách đây không lâu, khả năng khâu mạch của CMC được nghiên cứu, và đã tìm thấy nhiều điều thú vị trong khoa học và ứng dụng trên nhiều lĩnh vực công nghiệp khác dựa vào khả năng trương tốt và khả năng tự phân hủy sinh học

CMC là một loại ete cellulose phổ biến nhất, là dẫn xuất của cellulose có chứa nhóm carboxyl Gel CMC có độ trương tốt và dưới góc độ môi trường gel này vẫn còn mang đặc tính của cellulose là khả năng tự phân hủy sinh học (Pengfei Liu và ctv, 2000)

Sự khâu mạch CMC và độ trương

Sự thành công của khâu mạch ở chỗ cạnh tranh với sự phân chia liên kết glycoside khi nồng độ của polymer trong dung dịch vượt qua giá trị tới hạn, sau đó xuất hiện gel không hòa tan CMC với độ thế cao tạo gel một cách dễ dàng hơn và hiệu quả hơn liều xạ thấp khi chiếu xạ khoảng 20 % dung dịch CMC tạo gel cao nhất ở ba liều tương ứng, khoảng 80 %, hơn thế nữa, CMC ở liều xạ này sản xuất được 35 – 60

% gel Do đó, nó bao gồm việc gắn kết giữa các phân tử hình thành các ete có chức năng hiệu quả hơn Liều xạ của polymer ở nồng độ 50 – 60 % bằng bức xạ gamma và bằng máy gia tốc điện tử, hiệu quả tạo gel cao 90 – 95 %

Nồng độ của dung dịch môi trường hình thành không như phân đoạn gel cao nhưng ở sự tăng cường chấp nhận một lượng nước tối đa CMC được chế tạo bằng máy gia tốc điện tử biểu hiện thuộc tính khác nhau về độ trương liên quan đến nồng độ bắt đầu của polymer và liều xạ chiếu Độ trương tối đa của hydrogel đạt được ở liều

xạ thấp và bị giảm nhanh cùng với việc gia tăng liều xạ Sau khi vượt quá liều xạ được gọi là "liều tạo gel" thì gel được hình thành, sự thống kê về độ khâu mạch trên một chuỗi là cần thiết Với việc gia tăng mật độ khâu mạch tiếp theo dựa vào việc chiếu xạ

kế tiếp làm giảm khả năng hấp thụ nước của gel Cấu trúc của hydrogel trở thành các dải nối tiếp chặt chẽ hơn và cứng cáp hơn

2.1.3.2 Oligoalginate

a Giới thiệu về oligoalginate

Nếu như alginate được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ thực phẩm, công nghệ dược phẩm và mĩ phẩm thì oligoalginate lại được ứng dụng rộng rãi hơn nhiều, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp, y học và công nghệ sinh học

Năm 1992, Akiyamo và ctv đã thông báo rằng oligoalginate có tính chất rất quý

là thúc đẩy tăng trưởng vi khuẩn Bifidobacteria, loại vi khuẩn hiện diện trong đường

ruột cần cho quá trình tiêu hóa ở người và động vật Oligo của quá trình này tác giả cũng cho thấy rằng alginate có khối lượng phân tử khoảng 49 – 400 Da khi bổ sung

vào môi trường nuôi cấy hàng loạt các vi khuẩn Bifidobacteria (B aldolescentis, B

bifidum, B beeve và B longcion) thì hiệu ứng thúc đẩy tăng trưởng của chúng so với

trước là không đáng kể, trong khi đó các oligoalginate có khối lượng phân tử trung bình khoảng 2000 Da chế tạo từ alginate nói trên bằng phương pháp thủy phân bởi enzyme alginate lyase với nồng độ từ 0,04 – 0,4 % lại có hiệu ứng cao hơn nhiều Mặt

khác nhiều công trình nghiên cứu tác dụng của oligoalginate cũng đã cho thấy oligoalginate còn có tác dụng như là một tín hiệu hóa học để kích thích các quá trình sinh tổng hợp phytoalexin Ngoài ra trong nuôi cấy mô oligoalginate có hiệu ứng thúc đẩy sinh trưởng và làm tăng sinh khối, gia tăng tốc độ phân bào ở một số loại tảo, thúc đẩy quá trình nảy mầm hạt giống và phát triển rễ, thân, lá của một số loài cây

Như vậy oligoalginate là một loại oligosaccharide không chỉ thể hiện hiệu ứng tăng trưởng rất tốt đối với nhiều loại thực vật mà còn có khả năng tạo cho cây có khả năng kháng lại sự xâm nhiễm của một số vi sinh vật gây bệnh Điều đáng chú ý là oligoalginate có tính an toàn cao đối với người, gia súc, gia cầm và môi trường Do đó, việc chế tạo ra chế phẩm nông dược có nguồn gốc từ oligosaccharide nói chung và olgioalginate nói riêng là rất thiết thực cho nhu cầu sản xuất rau quả và nông phẩm sạch và phát triển môi trường bền vững ở nước ta và trên thế giới

b Các phương pháp chế tạo oligoalginate

™ Phương pháp hoá học

Trong phương pháp này oligoalginate được chế tạo thông qua các tác nhân hoá học oxi hóa mạnh như H2O2, HCl, v.v Hiệu suất cắt mạch của alginate trong hệ phản ứng chủ yếu phụ thuộc nồng độ của các chất phản ứng, thời gian phản ứng và nhiệt độ Mặc dù phương pháp này có những thuận lợi nhất định nhưng lại gặp phải một số hạn chế như sau: phải sử dụng các chất oxi hóa mạnh; khó kiểm soát được quy trình cắt mạch; phải tách chiết và tinh chế; chi phí cao do các quá trình tách chiết; gây ô nhiễm môi trường

™ Phương pháp sinh học

Ta có thể cắt mạch alginate bằng cách thuỷ phân bởi enzyme alginate lyase Hiệu suất phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của các chất phản ứng, thời gian và nhiệt độ của phản ứng

Cũng giống như phương pháp hóa học, phương pháp sinh học cũng có một số những hạn chế nhất định sau đây: cần phải có một hệ đệm, xúc tác thích hợp cho việc cắt mạch; khó kiểm soát quá trình cắt; phải tinh chế được sản phẩm sau khi cắt mạch; phải sử dụng enzyme đặc hiệu; sử dụng năng lượng nhiều; chi phí cao

™ Phương pháp bức xạ

Đây là phương pháp hữu hiệu và có nhiều ưu điểm, khắc phục được những hạn chế của hai phương pháp chế tạo oligoalginate đã nêu ở trên Bằng cách sử dụng bức

xạ ion hóa là tia gamma, tia siêu âm hay chùm điện tử gia tốc,v.v Alginate sẽ bị cắt mạch dưới tác dụng của bức xạ

c Ứng dụng của oligoalginate

Nhiều công trình nghiên cứu tác dụng của oligoalginate đối với cây trồng đã cho thấy oligoalginate còn có tác dụng như là một tín hiệu hóa học để kích thích các quá trình sinh tổng hợp phytoalexin Ngoài ra trong nuôi cấy mô oligoalginate có hiệu ứng thúc đẩy tăng trưởng và làm tăng sinh khối, gia tăng tốc độ phân bào ở một số loại vi tảo, thúc đẩy quá trình nảy mầm hạt giống, phát triển rễ, thân và lá của một số loài cây Như vậy oligialginate là loại oligosaccharide không chỉ thể hiện hiệu ứng tăng trưởng rất tốt đối với nhiều loại thực vật mà còn có khả năng tạo cho cây khả năng kháng bệnh Oligoalginate được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực nông nghiệp, y học

và công nghệ sinh học

2.1.3.3 Polyacrylamide

Trên thế giới một lượng lớn polyacrylamide được dùng trong lọc nước để tách các vật chất hữu cơ dạng huyền phù, trong dạng nước tưới để cải thiện kết cấu đất và trong công thức của thuốc trừ sâu để giảm, hạn chế sự phân tán của thuốc trong môi trường PAM là polymer tổng hợp không gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và có tác dụng bảo vệ môi trường ở giới hạn 500 ppm sử dụng trong nông nghiệp hoặc xử lý nước Polymer trong xử lý nước là polymer ghép kết hợp với acrylic hoặc polymer dẻo khác để trở nên ổn định hơn

Trong đất, PAM bị phân hủy theo tỉ lệ ít nhất là 10 % / năm khi hiệu quả của vật lý, hóa học, sinh học được chuyển hóa PAM bị thủy phân bởi vi sinh vật (Kay – shoemake etal, 1998) Sản phẩm phân hủy của PAM là acrylic và amoniac

Ngay từ đầu thập niên 1990, PAM đã được triển khai và sử dụng thành công trong việc xử lý đất và nước Hai lĩnh vực linh hoạt nhất là chống xói mòn và vận động

sự tham gia của nước trong quá trình thấm vào đất Hiệu quả hơn hẳn những phương pháp xử lý trước đây Polyacrylamide hoạt động dựa vào trạng thái cấu trúc của đất và thời gian có mặt của PAM trong đất PAM kiểm soát được sự chống xói mòn đất và làm gia tăng khả năng lọc nước trong cấu hình của đất PAM cho hiệu quả xử lý kém đối với đất cát có một ít hoặc không có silic Nguyên nhân làm tăng tỉ lệ lọc nước khi

có mặt PAM theo thời gian là do bổ sung vào đất thì PAM được gắn kết từ từ lên bề mặt đất

Trong Idaha, PAM làm tăng sự lọc trung bình khoảng 15 % trên môi trường để làm tốt cấu trúc đất, và sẽ có hiệu quả tương tự trên một tỉ lệ đất, bao gồm đất sét trộn cát, đất sét, đất sét trộn silic và đất sét – bùn – silic Xử lý với PAM có thể làm ít hoặc không hiệu quả hơn hình dạng lớp vỏ của đất Khi hòa tan trong nước, PAM có một lớp mỏng trong dung dịch và tạo nên độ sệt nhiều hơn Ở nồng độ PAM cao hơn, việc

xử lý nước chảy thấm sâu vào đất có thể bị hạn chế lớn bởi việc gia tăng độ nhớt Tỉ lệ PAM để giảm thiểu độ nhớt sẽ cung cấp cho đất bề mặt ổn định mà không ngăn cản lượng nước đi vào Xử lý PAM ở tỉ lệ 10 ppm thuận lợi cho việc lọc nước được trắc nghiệm hiệu quả ở lượng nước thải đến 3,5 %

Ứng dụng của PAM để lọc nước được xem xét dạng PAM, đáp ứng cho người nông dân (vật liệu khô, nồng độ vật liệu hoặc trước khi pha trộn stock dung dịch), nó rất quan trọng để cung cấp hỗn hợp phối trộn ở điểm của việc áp dụng PAM để xử lý nguồn nước Yêu cầu gây kích động gia tăng khi dung dịch stock gia tăng nồng độ và lớn nhất cho việc sử dụng trực tiếp PAM sấy khô Sự gây kích động sẽ cung cấp cho việc sử dụng của hoạt động sản xuất vụ mùa và nhiều dòng cản trở cạnh các điểm tham gia Với ưu thế dòng xoáy 25 – 50 ft của kênh rãnh sẽ được cho phép việc trộn hỗn hợp trước dạng phun với drawn or gate PAM sấy khô có thể cần dòng kênh rãnh dài hơn cho việc hòa trộn tương xứng Nước nóng hoặc dung dịch dạng stock có thuận lợi lớn trong việc hòa tan và trộn hỗn hợp với PAM

2.1.3.4 Carboxymethylcellulose và Polyacrylamide

Được chuẩn bị bằng ghép khâu mạch polyacrylamide vào CMC tại vị trí gốc tự do bằng phương pháp trùng hợp dưới tác nhân là bức xạ gamma PAM và liều xạ ảnh hưởng trực tiếp đến việc gia tăng hàm lượng gel và ngược lại với độ trương Độ trương phụ thuộc vào các hợp phần của hydrogel, pH của môi trường ngâm gel Động lực của

nó và việc chuyển đổi các nhóm chức tạo ra tốc độ trương Nồng độ muối giảm, nồng độ PAM giảm, liều xạ giảm làm độ trương tăng (Kangaro Press An, 2005)

2.1.4 Đặc điểm tự phân hủy của hydrogel chế tạo từ các polymer tự nhiên

Theo nhiều nghiên cứu, polymer dưới tác động của tia gamma trong trạng thái paste và trong dung dịch lỏng có nước ở áp suất khí quyển thì tốt cho quá trình vượt qua các khoảng trống ở mức độ phân hủy chính Độ nhớt có ý nghĩa quan trọng nhất ở giai đoạn sớm của chiếu xạ, ở liều xạ thấp Tỉ lệ độ nhớt làm giảm việc chiếu xạ polymer trong chất rắn hơn chiếu xạ trong chất lỏng Nó chứng tỏ rằng sự có mặt của

nước làm bức xạ tăng nhanh sự lôi kéo các phản ứng bằng hiệu quả trực tiếp, bức xạ xuyên qua sản phẩm ngay tức khắc Ở đó, mạch chính bị bẽ gãy Việc làm giảm độ nhớt của dung dịch một cách trực tiếp liên quan đến trọng lượng phân tử với tầm quan trọng của mạch dài nhất Sự phân hủy polymer hình thành dạng hợp chất phân tử thấp, như oligo hoặc mono saccharide Sự bẽ gãy các liên kết ở các chuỗi mạch thông thường xảy ra một cách ngẫu nhiên Vì vậy, mạch dài nhất cho phép bị bẽ gãy nhiều nhất Điều đó thừa nhận rằng cellulose và dẫn xuất của nó bị phân hủy bởi sự cắt đứt các liên kết glycoside, làm yếu các điểm nối trong đại phân tử Khi chiếu xạ CMC trong trạng thái rắn hoặc có nước, tốc độ phân hủy ở dạng dung dịch kiềm dưới tia gamma Hydrogel bị phân hủy bởi enzyme hay dưới tác dụng của vi sinh vật (Phạm Thị

Lệ Hà và ctv, 2005)

2.1.4.1 Sự phân hủy của Carboxymethylcellulose bởi enzyme

Hydrogel khâu mạch bị phân hủy bởi enzyme cellulose trong acid acetic - kiềm, ở

pH ~ 5,0 Khâu mạch ở liều xạ thấp hơn có khả năng phân hủy hydrogel nhanh hơn việc khâu mạch chúng một cách chặt chẽ hơn ở liều xạ cao hơn dựa vào việc gia tăng

số lượng các liên kết giữa các phân tử Giống như hình thành thể ba ở mức năng lượng của liều xạ 20 kGy sau 95 giờ, trong khi hình thành ở liều xạ 10 kGy biến mất sau 8 giờ, sau khi đã được xử lý bằng enzyme Mặc dù, chúng chuyển hóa ở đoạn gel cao, trên 40 % Như gel được chiếu xạ ở liều xạ 40 kGy và phía trên mức độ phân hủy không ở 60 % sau 96 giờ ủ với enzyme Việc áp dụng phân hủy CMC bởi enzyme xa hơn do chiếu xạ ở liều thấp, và nó bị phân hủy sinh học nhanh hơn so với enzyme

2.1.4.2 Sự phân hủy của Carboxymethylcellulose bởi vi sinh vật

Sự phân hủy sinh học được đánh giá bằng đơn vị cacbon của sản phẩm làm bằng vật liệu polymer Hầu hết các dạng giống như cellulose được sử dụng làm vật liệu tham khảo, được sử dụng làm thí nghiệm Kết quả, cellulose bị phân hủy nhanh nhất, khoảng 80 % sau một tháng CMC bị phân hủy chậm hơn nhiều nhưng tỉ lệ CO2 trong sản phẩm vẫn có ý nghĩa Sau một tháng, CMC có độ thế là 2,2 bị phân hủy khoảng 3,8 % - không chiếu xạ và 8,4 % - chiếu xạ và CMC có độ thế là 1,29 bị phân hủy khoảng 12,3 % - không chiếu xạ và 18,7 % - chiếu xạ Mạch nhánh bảo vệ, ngăn cản

sự hình thành việc phân tách sườn chính của mạch cacbon bằng sự tham gia của các vi sinh vật hữu cơ đến vùng lân cận của liên kết glycoside khác dựa vào cấu hình không gian của nguyên tử Sự chuyển hóa của các polymer sau chiếu xạ làm cải thiện việc

tiêu hóa của vi khuẩn Polymer được chiếu xạ ở 20 % dung dịch có nước ở liều xạ thấp hơn 10 và 20 kGy đối với CMC (2,2) và CMC (1,29) tương ứng, tăng nhanh năng suất phân hủy, mặc kệ một số tác nhân khâu mạch đã được giới thiệu Đoạn gel của hydrogel đã được nghiên cứu ở 15 % đối với CMC (2,2) và 47 % đối với CMC (1,29)

Có thể giải thích theo cách này, sự bằng phẳng trong khâu mạch hydrogel, mạch polymer trở nên ngắn hơn so với vật liệu ban đầu Trong suốt quá trình chiếu xạ của sự phân hóa polysaccharide là phản ứng nổi bật Nhưng với sự gia tăng quá trình ete hóa của quá trình khâu mạch là tăng đa phần Sự phân cắt ngẫu nhiên là nguyên nhân làm giảm bớt/thu nhỏ trọng lượng phân tử trung bình Vì vậy, sau chiếu xạ không còn liên kết của các đại phân tử tồn tại bên cạnh mạng lưới gel và việc này đã làm cho chúng tăng khả năng tự phân hủy nhanh nhất

Vật liệu khâu mạch cũng bị chuyển hóa rồi phân hủy Hydrogel chứa đựng nhiều chuỗi mạch, mà đa số những mạch chính bị cắt thành các phân đoạn nhỏ hơn nhưng chúng liên kết lẫn nhau Sự tồn tại của một ít các phân tử trung gian bị khâu mạch trên chuỗi ban đầu không hạn chế hoàn toàn khả năng phân hủy Vì vậy, đó là nguyên lý cơ bản làm gia tăng tỉ lệ tự phân hủy sinh học của hydrogel đã được chiếu xạ (Phạm Thị

Lệ Hà và ctv, 2005)

2.1.5 Ứng dụng của hydrogel

Vật liệu hydrogel hay còn gọi là vật liệu trương nước, là loại vật liệu được sử dụng rất phổ biến trong công nghệ sinh học (CNSH), y học, nông nghiệp…Vật liệu hydrogel có phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn polymer tan nước rất nhiều Chúng được ứng dụng làm màng vi lọc, siêu lọc, thấm khí, thẩm tích thuận nghịch trong các quá trình tách chiết (Nguyễn Quốc Hiến và ctv, 1996)

Trong lĩnh vực y-sinh, hydrogel được dùng trong chẩn đoán, điều trị, tạo vật liệu cấy ghép, tạo da nhân tạo, màng chửa bỏng, màng lọc máu, các hệ ly giải có điều khiển, vật liệu trong nha khoa, mô ghép, ứng dụng trong việc chữa trị mắt và các ứng dụng khác (Phạm Thị Lệ Hà và ctv, 1996; Lê Hải và ctv, 2000)

Màng hydrogel được chế tạo bởi các loại polymer ưa nước tổng hợp và tự nhiên bằng phương pháp khâu mạch bức xạ là dạng vật liệu thích hợp cho che phủ và điều trị các vết thương bỏng và mất da do tai nạn Màng có tính năng phù hợp vì che kín được vết thương, làm giảm được sự mất nước ở bề mặt vết thương, giảm sự nhiễm khuẩn và giữ ẩm bề mặt tạo điều kiện cho quá trình lành hóa vết thương (J.M Rosiak; A.G

Chmielewski và M.Haji-Saeid, 2004; A.B Lugao và Sonia Maria Malmonge, 2001) Nhiều nước trên thế giới đã có sản phẩm màng hydrogel thương mại dùng trong điều trị vết thương, vết bỏng như Ba Lan với màng Aqua-gel, Nhật Bản với màng Viewgel,

Ấn Độ với màng Hi-zel và Hàn Quốc với Cligel Ở Việt Nam, ứng dụng công nghệ bức xạ để nghiên cứu chế tạo màng hydrogel đã được tiến hành từ những năm cuối thập niên 90 của thế kỷ trước tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt và Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ bức xạ Tp Hồ Chí Minh

Trong nông nghiệp, vật liệu hydrogel được dùng như chất giữ nước, điều hòa độ

ẩm đất, phối trộn với phân bón, tiết kiệm nước tưới và chống sốc cho cây trồng ở các vùng canh tác khô hạn, vùng xa mạc, chất phụ gia chống xói mòn đất (Lê Hải và ctv, 2001; Nguyễn Quốc Hiến, 1996) Hydrogel còn được dùng trong xử lý nước thải (Lê Hải, 2003), chất thải gia súc (Lê Thị Thùy Trang, 2009)

Gel hấp thụ nước khâu mạch hóa học được dùng rất phổ biến để cải tạo đất hay các môi trường không đất nhằm duy trì nguồn nước và dinh dưỡng thường xuyên cho cây (J Letey, 1994; W Van Cotthem, 1999) Gel này hoạt động như một nguồn nước

dự trữ có sẵn cho cây khi cần, giảm sốc hay chống hạn cho cây một cách hiệu quả Thực tế, gel hấp thụ nước thường là copolymer của acrylamide (STA-Moist, Stockosorb, ) hay polymer của acrylic acid, hay tinh bột biến tính (R.A.I Azzam, 1980; K Suda và ctv, 2000) Do tính năng có lợi của gel hấp thụ nước mà các sản phẩm của chúng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, làm vườn Các sản phẩm này đã được thương mại hoá ở nhiều nước như: Mỹ, Úc, Nhật Bản, Nam Phi, Ai Cập và Đức (A Wallace và G.A Wallace, 1986 và G.J Keever, 1990) Hiện nay, ở Việt Nam đã nghiên cứu và chế tạo thành công loại vật liệu này trên cơ sở tinh bột sắn biến tính ghép bức xạ với acilic acid (AAc), đưa ra sử dụng vật liệu này trong nông nghiệp Gần đây, vật liệu hydrogel “siêu trương nước” chế tạo bằng kỹ thuật khâu mạch, ghép mạch bức xạ từ polylysine, polyacrylamide (PAM), CMC và tinh bột được dùng như chất giữ nước cho các vùng canh tác khô hạn, chất phụ gia chống xói mòn đất (Nguyễn Quốc Hiến và ctv, 1996) Vật liệu hydrogel cũng được dùng trong

xử lý nước thải (Lê Hải, 2003; Trần Đại Nghiệp, 2007)

Tạo các loại giá thể nhân tạo ứng dụng công nghệ bức xạ để phối hợp với vi khuẩn cố định đạm trong việc trồng, chăm sóc một số loại cây trồng phổ biến, góp phần hoàn thiện công nghệ sản xuất phân bón vi sinh có hoạt lực cao (Nguyễn Duy

Hạng và ctv, 2005) Kết quả nghiên cứu đã chứng tỏ vật liệu CMC-ghép-Acrylamide được tạo bằng kỹ thật bức xạ gamma là vật liệu thích hợp cho cố định vi khuẩn

Azotobacter , có khả năng cố định vi khuẩn đạt 98,78 % và khả năng ly giải vi khuẩn

đạt 66,65 %, ở độ trương nước càng cao thì khả năng cố định vi khuẩn càng tốt Chế phẩm vi khuẩn cố định đạm từ vật liệu CMC-ghép-Acrylamide và vi khuẩn

Azotobacter được ứng dụng lên một số cây trồng như: dâu tây, cải ngọt, xà lách Kết

quả nghiên cứu đã cho thấy khi sử dụng chế phẩm làm tăng khả năng sinh trưởng cây,

số lượng vi khuẩn cố định đạm trong đất ổn định đã góp phần cải tạo đất và bổ sung lượng đạm cho cây trồng

Hydrogel cũng được phát triển theo hướng ứng dụng trong nuôi trồng thủy canh Theo kết quả nghiên cứu của Võ Thị Thu Hà và các ctv (2007), vật liệu hydrogel chế tạo được khi chiếu xạ ở liều 15 kGy từ hợp phần CMC 20 % kết hợp với PAM 20 %, alginate 1 % và chất dinh dưỡng là phù hợp cho sự sinh trưởng của cây trồng như: kích thích gia tăng sự nảy mầm của hạt rau, kích thích sự sinh trưởng của cây rau mầm 14 ngày tuổi Trong nuôi trồng thủy canh, cây cải xanh và xà lách nuôi trồng trên vật liệu hydrogel này đã sinh trưởng và phát triển tốt hơn khi trồng trên xơ dừa Bằng phương pháp tổng hợp và biến tính có thể tạo được một số vật liệu hydrogel có chứa nhiều nhóm chức khác nhau

Ngoài ra còn rất nhiều nghiên cứu khác về hydrogel như: Thăm dò khả năng tạo gel alginate-cacboxymetyl xelulose bằng kỹ thuật chiếu xạ để ứng dụng trong trồng trọt (Trần Thị Thủy, 2005), Phát triển gel nước PVA làm chất băng bó vết thương (Trần Đại Nghiệp, 2005)…

2.3 Dung dịch dinh dưỡng để chế tạo hydrogel

Dinh dưỡng ở dạng dung dịch để khuấy trộn thành hỗn hợp trước khi chiếu xạ tạo hydrogel Dinh dưỡng này sẽ được hydrogel giữ bên trong các liên kết khâu mạch và nhả ra từ từ cho cây hấp thụ Chúng ta có thể thành lập công thức môi trường dinh dưỡng cho cây, giúp giữ được hàm lượng dinh dưỡng cân bằng trong hydrogel cố định dinh dưỡng của mình, giúp ngăn ngừa và xử lý vụ mùa khỏi tình trạng thiếu dinh dưỡng (Nguyễn Thị Ánh Vy, 2007)

Có thể nói trong cây có mặt hầu hết các nguyên tố đã tìm thấy trên võ trái đất Tính trung bình trong trọng lượng khô của cây thì C, O, H, N chiếm đến 95 % tổng lượng chất khô, trong đó C = 45 %, O = 42 %, H = 6,5 %, N = 1,5 % Bốn nguyên tố

này là thành phần chủ yếu tạo ra chất hữu cơ trong cây, chúng xâm nhập vào cây dưới dạng CO2, H2O, O2, NH4+, NO3- và thoát ra ở thể khí khi đốt cháy Những nguyên tố còn lại chứa trong tro thực vật Hàm lượng chúng khác nhau rất lớn, phụ thuộc vào

loại cây, vào các bộ phận khác nhau của cây [12]

Phần lớn cây chỉ cần dùng một số ít các nguyên tố dinh dưỡng để hoàn thành chu

kỳ sống của nó, các nguyên tố này gọi là các nguyên tố thiết yếu (Essential elements) Theo định nghĩa của E Epstein (1972) thì một nguyên tố là thiết yếu khi nó vắng mặt thì cây không thể hoàn thành chu kỳ sống, có vai trò rõ ràng và không thể thay thế được bằng bất kỳ chất nào khác và nguyên tố đó là một thành phần của cây hay có vai trò trong sự chuyển hóa của cây Số lượng khoáng thiết yếu đối với thực vật bậc cao

chỉ là 17 nguyên tố (H, C, O, N, K, Ca, Mg, P, S, Cl, Fe, Mn, B, Zn, Cu, Ni, Mo) [12] 2.3.1 Dinh dưỡng không khoáng

2.3.1.1 Hàm lượng nước

Nước rất cần thiết cho sự sống của cây trồng Nước cung cấp cho cây hàm lượng hydro cần thiết cho sự chuyển hóa các hợp chất carbon hydrate cần thiết (đường), như

là cung cấp môi trường chuyển hóa bên trong cho toàn bộ cây

Nước thì được hấp thu bằng rễ, mang chất dinh dưỡng vào trong cây dưới dạng ion và thoát ra ngoài qua lá dưới dạng hơi nước, làm mát lá và giúp cho việc vận chuyển nước lên trên Nếu nước cứng được sử dụng, có thể tạo ra ion HCO3- cao quá mức cho phép Khi hàm lượng HCO3- gia tăng, sẽ ảnh hưởng đến pH pH phân phối độ acid hoặc độ kiềm của dung dịch (Nguyễn Thị Ánh Vy, 2007)

2.3.1.2 Hàm lượng CO 2

Gần 50 % trọng lượng khô của thực vật là carbon, phần lớn được lấy từ khí quyển CO2 được thực vật hấp thụ vào bằng khí khổng, lông hút trên lá Quá trình này được gọi là quang hợp, thực vật kết hợp CO2 với nước, sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để chuyển hóa thành các dạng đường đơn Hàm lượng nước và oxi dư thừa được thải ra ngoài thông qua quá trình này, và hầu hết hàm lượng đường tạo thành được tích lũy trong rễ, thân và trái cho các quá trình sau này

Sự bổ sung CO2 có thể được sử dụng hiệu quả trong nhiều ứng dụng Nếu tất cả các nhân tố môi trường ở mức tốt nhất như là cường độ ánh sáng mạnh, mức dinh dưỡng, nhiệt độ và độ ẩm, sự gia tăng CO2 có thể cung cấp vật liệu cần thiết để giúp cây (mọc sum sê) tươi tốt

2.3.1.3 Hàm lượng O 2

Oxi là nhiên liệu cho cây sử dụng để cung cấp cho quá trình hô hấp ở thực vật Oxi tự do được đưa xuống rễ như là một phần của quá trình hô hấp Trong suốt quá trình hô hấp, oxy kết hợp với hàm lượng đường dự trữ chuyển hóa thành nguồn năng lượng Nguồn năng lượng này được sử dụng làm nhiên liệu cho sự chuyển hóa một dãy phản ứng hóa học cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây CO2 và hơi nước được thải ra ngoài khí quyển như là sản phẩm của sự hô hấp (Nguyễn Thị Ánh

Thừa nitơ dẫn đến thiếu kali Quá nhiều nitơ có thể ảnh hưởng đến cây, rối loạn quá trình sản xuất nhựa cây làm cây ra ít hoa và ít trái

Nitơ là nguyên tố linh động Vì vậy, thiếu nitơ sẽ biểu hiện đầu tiên ở lá và xuất hiện những triệu chứng sau: Thiếu nitơ là nguyên nhân cây kém phát triển và màu xanh của lá chuyển sang màu vàng xám Những lá già sẽ trở nên vàng úa từ khi nitơ đã được chuyển sang cho lá non Bộ lá bắt đầu trở nên vàng (bệnh vàng héo) Quá trình hóa nâu bắt đầu xuất hiện trên chóp và mép lá Quá trình sinh dưỡng diễn ra chậm chạp, gây hậu quả ức chế sinh trưởng thực vật

2.3.2.2 Hàm lượng Photpho

Photpho kích thích sự hình thành và phát triển rễ sớm và được thực vật hấp thu dưới dạng PO4- Photpho đẩy nhanh quá trình chín và kích thích tạo hạt Photpho là nguyên tố không linh động và bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ Nhiệt độ lạnh sẽ cản trở quá trình hấp thu photpho của cây

Nồng độ photpho cao là nguyên nhân gây ngộ độc photpho ở hầu hết các loại thực vật Đặc biệt nếu sắt và canxi là không đúng chuẩn hoặc nếu nitrat được duy trì ở mức độ thấp Quá nhiều photpho cũng sẽ ảnh hưởng đến chức năng thông thường của các nguyên tố khác như là sắt, mangan và kẽm, dẫn đến màu vàng giữa mạch dẫn của những lá non, với những lá thậm chí bị đổi màu và rụng đi

Thiếu photpho dẫn đến những dấu hiệu sau: Cây phát triển chậm, cành nhỏ và lá nhỏ Lá của một vài cây trở nên tím đỏ Màu xanh tối với chóp lá bị biến màu Sự trưởng thành bị chậm lại và quá trình tạo trái ít đi

Kali cũng là một nguyên tố linh động, dấu hiệu thiếu kali trước tiên sẽ xuất hiện trên những lá già như sau: Lá già sẽ bị cháy quanh mép Cành yếu Lá có xu hướng quăn lại

2.3.3 Nguyên tố trung lượng

2.3.3.1 Hàm lượng Canxi

Canxi được cây hấp thu dưới dạng ion Ca2+ và rất cần thiết cho quá trình hình thành và cấu tạo của tế bào Dưới những điều kiện lý tưởng hầu hết thực vật có thể hấp thu một lượng rất thấp canxi, thấp hơn nhiều so với hàm lượng hiện hữu của nó trong đất hoặc trong môi trường thủy canh Nhưng hàm lượng thấp như vậy sẽ dẫn đến sự bất lợi trong điều kiện acid, nhôm, mangan hoặc là natri cao Hàm lượng canxi cao được bổ sung trong hầu hết các dung dịch nuôi cấy nhằm loại trừ những yếu tố nói trên

Canxi là một nguyên tố không linh động, do đó dấu hiệu của sự thiếu hụt xảy ra trước hết là ở những lá non: Đỉnh sinh trưởng trở nên vàng và chết đen Lá trở nên xanh đậm bất bình thường Lá non bị biến dạng Chồi và hoa bị rụng sớm Chóp rễ chết và xuất hiện những cái vết màu đen (Nguyễn Thị Ánh Vy, 2007)

2.3.3.2 Hàm lượng Magie

Cây hấp thụ magie dưới dạng ion Mg2+ và nó là nguyên tố trung tâm của sắc tố chlorophyll, cần thiết cho quá trình quang tổng hợp và những quá trình sinh trưởng khác Những dấu hiệu thiếu Mg bao gồm: Lá già xuất hiện màu vàng Lá bị khô Mép

lá bị quăn lên

2.3.3.3 Hàm lượng lưu huỳnh

Lưu huỳnh được cây hấp thu dưới dạng SO42- và là thành phần chính của acid amin, cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp protein Nguyên tố này cũng ảnh hưởng mạnh đến mùi của thực vật Lưu huỳnh là một nguyên tố không linh động

Dấu hiệu thiếu lưu huỳnh giống với các dấu hiệu khi thiếu nitơ trừ khi những dấu hiệu xuất hiện sớm ở những lá non như: Lá mới trở nên xanh nhạt hoặc vàng nhạt Cây trở nên nhỏ và khẳng khiu Sinh trưởng chậm dẫn đến quá trình trưởng thành chậm

là thiếu hụt Mn (Fumio Yoshii và ctv, 2003)

2.3.4.3 Hàm lượng Boron

B hấp thu vào cây dưới dạng H3BO3 B là nguyên tố cần thiết cho sự vận chuyển đường, cho sự sinh sản và lấy nước vào trong tế bào Nó có nhiệm vụ giữ cho canxi ở dạng hòa tan

Sự thiếu hụt B là nguyên nhân làm biến dạng và chết đỉnh sinh trưởng, vết lõm ở thân và làm biến dạng quả Lá thường bị cháy và xoắn và đốm bị mất màu Những lá non bị ảnh hưởng trước tiên Thừa B là nguyên nhân gây cháy mép lá tương tự như là thiếu kali và magie

2.3.4.4 Hàm lượng Kẽm

Kẽm là nguyên tố cần thiết cho sự tổng hợp protein và ảnh hưởng đến kích thích

và sự trưởng thành của thực vật Kẽm được hấp thụ dưới dạng Zn2+

Thiếu hụt kẽm là nguyên nhân cho lá bị vàng giữa những đường gân, thường thì với những màu tía và những đốm màu tía hoặc chết bắt đầu với những lá già Những lá khép lại, nhỏ và biến dạng, trái giảm Thừa kẽm có thể là nguyên nhân gây thiếu sắt

- pH thấp: có khả năng hòa tan N, P nhưng nhỏ

- pH trung tính, tơi xốp: có khả năng hòa tan N, P càng lớn

- pH acid: có khả năng hòa tan Fe, Mn, Mg, Bo, Cu, Zn

- pH trung tính hòa tan: đạm, lân, kali, S

- pH bazơ hòa tan Canxi

Bảng 2.1 Độ linh động của các ion trong dung dịch ở các giá trị pH khác nhau

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

Đề tài được thực hiện trong thời gian 5 tháng (2/2010 - 7/2010) tại Phòng Sinh học, Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh, 405-407 Cách Mạng Tháng 8, Quận 10, Thành phố Hồ Chí Minh

Các thí nghiệm đánh giá hiệu ứng của hydrogel lên cây trồng được thực hiện tại Công ty Cổ phần Sài gòn Thủy canh, 290/198 Nơ Trang Long, Quận Bình Thạnh, Thành phố Hồ Chí Minh

3.2 Vật liệu

3.2.1 Các polymer tự nhiên

Vật liệu polymer dùng trong nghiên cứu này là Carboxymethylcellulose (CMC)

có nguồn gốc từ Nhật Bản, Polyacrylamide (PAM) có nguồn gốc từ Đức

3.2.2 Giống

Cây rau được sử dụng trong nghiên cứu này do Công ty Trang nông cung cấp, bao gồm:

- Cải bẹ dúng có tên khoa học là Brassica cruciferae Var sabauda, tên thương mại là

F1 Chinese cabbage hello

- Cải bẹ xanh mỡ có tên khoa học là Brassica juncea Var rugosa, tên thương mại là

Chinese mustard

Các loại hoa do Công ty Cổ phần Sài gòn Thủy canh cung cấp, bao gồm:

- Hoa Dã yên thảo hay còn gọi là Dạ yến thảo, có tên tiếng anh là Petunia, tên khoa

- Máy đo đa năng Chậu nhựa có đường kính 10 cm, cao 10 cm

- Giấy lọc; lưới thép không rỉ có kích thước 100 mesh

- Phễu thủy tinh

- Cân điện tử OHAUS (độ chính xác 0,00001 g) và cân 2 kg

- Nguồn xạ gamma ST-SV Co-60/B tại Trung tâm Vinagama Thành phố Hồ Chí Minh

- Một số dụng cụ phòng thí nghiệm khác

3.2.4.2 Hóa chất

- Các hóa chất đa lượng và vi lượng để pha 3 loại dung dịch dinh dưỡng sử dụng trong chế tạo hydrogel

3.3 Phương pháp nghiên cứu

3.3.1 Thí nghiệm 1: Chế tạo vật liệu hydrogel bằng kĩ thuật bức xạ

Bảng 3.1 Bố trí thí nghiệm chế tạo vật liệu hydrogel

Các nghiệm thức từ A1 đến A7 chiếu ở liều xạ 0, 10, 15, 20 kGy

Tiến hành thí nghiệm từ mẫu vật liệu Carboxylmethylcellulose (CMC) và polyacrylamide (PAM) có bổ sung chất dinh dưỡng ban đầu sau khi qua quá trình chiếu xạ khâu mạch tạo ra vật liệu hydrogel mới Qui trình chuẩn bị vật liệu chế tạo hydrogel được thực hiện tại Trung tâm Hạt nhân Tp.HCM như sau:

Cho PAM (dạng bột) trương trong dung dịch dinh dưỡng Sau khi trộn đều, cho CMC (dạng bột) vào, tiếp tục khuấy trộn cho đều, để trương qua đêm Sau đó trộn đều

và cho vào túi polyethylen rồi tiến hành chiếu xạ gamma Co-60 tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ VINAGAMMA

3.3.2 Thí nghiệm 2: Đánh giá các đặc trưng của hydrogel

Thí nghiệm này được thực hiện tại Trung tâm Hạt nhân Tp HCM Mục đích của thí nghiệm này là chọn ra các hydrogel vừa có hàm lượng gel cao vừa có độ trương nước lớn Từ kết quả của thí nghiệm, tiến hành chế tạo các hydrogel đã được chọn với số lượng lớn để dùng trong các thí nghiệm tiếp theo

3.3.2.1 Chỉ tiêu hàm lượng gel

Hàm lượng gel là thông số cơ bản đặc trưng cho quá trình khâu mạch bức xạ

polymer hay dung dịch polymer Dựa vào thông số này ta có thể chọn các loại

hydrogel có hàm lượng gel cao

Để xác định hàm lượng gel tạo được, cân một lượng nhỏ mẫu (M0) sau khi chiếu xạ (mỗi nghiệm thức 3 lần lặp lại) cho vào cốc nhựa Cho 200 ml nước vào mỗi cốc Ngâm trương 48 giờ ở nhiệt độ phòng Sau đó loại lượng nước tự do và phần sol (phần hòa tan) bằng cách lọc qua lưới thép không gỉ và thu nhận lấy phần gel (phần không tan), xác định khối lượng phần gel (Mgel trương) Sấy khô ở nhiệt độ 105 oC cho đến khối lượng không đổi, xác định khối lượng khô của phần gel (Mgel khô)

Để xác định hàm lượng khô tương đương của gel: cân một lượng nhỏ mẫu (M1) sau khi chiếu xạ (mỗi nghiệm thức 3 lần lặp lại), đem sấy khô rồi xác định khối lượng khô của mẫu gel (M2)

Hàm lượng khô tương đương = M2/M1

Khối lượng khô của gel (M) = (Hàm lượng khô tương đương) x M0

Hàm lượng gel đuợc xác định theo công thức:

Hàm luợng gel (%) = 100 × Mgel khô / M Trong đó: Mgel khô là trọng luợng khô của phần gel

M là trọng luợng khô của mẫu truớc khi trương

3.3.2.2 Chỉ tiêu độ trương nước

Độ trương = (Mgel trương - Mgel khô) / Mgel khô Trong đó: Mgel trương là trọng lượng mẫu gel sau khi đã trương bão hòa

Mgel khô là trọng lượng khô của mẫu gel