Trồng trọt là lĩnh vực sản xuất quan trọng của nông nghiệp, cung cấp lương thực, thực phẩm cho con người, thức ăn cho chăn nuôi, nguyên liệu cho công nghiệp, nông sản để xuất khẩu... Do vậy, nghề trồng trọt vẫn là nghề muôn đời và đang ngày càng có giá trị bởi sức ép về lương thực thực phẩm cho con người ngày một gia tăng. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, trồng trọt đang gặp phải rất nhiều thách thức như biến đổi khí hậu, sử dụng tài nguyên không hợp lý và sử dụng quá nhiều phân bón hóa học.
2.1.1.1. Công nghệ sinh học nano trong xử lý môi trường trồng trọt
Việc thường xuyên sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón trong trồng trọt dẫn đến một vấn đề là không kiểm soát được các chất không mong muốn có trong phân bón hóa học và thuốc trừ sâu vào môi trường. Công nghệ sinh học nano với cách tiếp cận đầy hứa hẹn giúp cải thiện sản xuất cây trồng và khắc phục ô nhiễm đất và nước ngầm. Qua các báo cáo ứng dụng gần đây của công nghệ nano trong môi trường nông nghiệp, các nhà khoa học đã cho thấy rằng việc sử dụng các vật liệu nano để cải thiện chất lượng của môi trường, giúp phát hiện và khắc phục ô nhiễm ở các khu vực khác nhau.
2.1.1.2. Công nghệ sinh học nano trong việc tăng năng suất và chất lượng nông sản
Phân bón đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên việc lạm dụng phân bón hóa học đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với môi trường, tác động xấu đến đất trồng, làm ảnh hưởng đến chất lượng và an toàn nông sản, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Công nghệ sinh học nano cho phép chúng ta tạo
20
được các sản phẩm nano tích hợp giúp cây trồng sinh trưởng, phát triển tốt, nâng cao năng suất và chất lượng nông sản, ngoài ra còn giúp cây trồng tăng sức đề kháng, từ đó giảm được đáng kể lượng phân bón hóa và thuốc bảo
vệ thực vật sử dụng trong trồng trọt, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững.
Đã có nhiều thực nghiệm chứng minh hiệu quả của chế phẩm nano đối với sinh trưởng, phát triển, năng suất và chất lượng của cây trồng như: Khi sử dụng phân bón nano
phospho cho cây đậu tương có thể tăng tốc độ phát triển thêm 33%, năng suất hạt tăng 20% so với sử dụng phân lân thông thường. Một nghiên cứu khác cho thấy cây đậu tương khi sử dụng phân bón lá chứa vi lượng Zn dưới dạng nano ZnO nồng độ 20 mg/l đã tăng lần lượt 42%, 41%, 98% và 76% chiều dài rễ, sinh khối rễ, chiều dài thân và sinh khối thân. Ngô được xử lý bằng nano đồng (1,3mg/kg hạt giống)cho cây cao hơn 10cm và năng suất cao hơn33,3% so với không xử lý. Xử lý nano TiO2 20 mg/Lthúc đẩy quang hợp và chuyển hóa nitơ, từ đó cải thiện đáng kể tốc độ tăng trưởng của rau bina. Xử lý hạt nano kim loại Cu, Co và Fe cho hạt đậu tương trước khi gieo trồng (liều lượng nano 100 mg/70 kg hạt) làm tăng tỷ lệ nảy mầm, tăng số lượng diệp lục và tăng năng suất đậu tương (Viện Công nghệ môi trường). Nano bạc với nồng độ 8ppm đã thúc đẩy sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của hai giống khoai tây Atlantic và Bliss, khối lượng trung bình củ đạt 25,6 g (Atlantic) và 20,4 g (Bliss), năng suất thực thu cao hơn 1,6 lần so với không xử lý nano bạc.
2.1.1.3. Công nghệ nano trong phòng trừ sâu bệnh hại cây trồng
Việc sử dụng thuốc thuốc bảo vệ thực vật hóa học để chống lại dịch bệnh cho cây trồng đều gây nên những tác hại nhất định, nó giải phóng chất hóa học vào rau quả và môi trường xung quanh, gây ra ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến chất lượng nông sản. Công nghệ nano cho phép tạo ra các sản
21
phẩm có khả năng chống lại các vi sinh vật gây bệnh để bảo vệ cây trồng, đồng thời các sản phẩm này lại thân thiện với môi trường và an toàn với con người.
Các nguyên tố kẽm, đồng, bạc là những nguyên tố có tính kháng nấm, kháng khuẩn cao. Khi các hạt nano kim loại có kích thước vài nm thì hiệu quả kháng khuẩn, kháng nấm tăng lên hàng ngàn lần so với nguyên tố ở dạng ion. Ngoài ra, độc tính của chúng có tính chọn lọc cao với vi khuẩn, vi nấm. Hiện nay đã có nhiều chế phẩm nano như nano bạc, nano đồng, nano kẽm, nano chitosan, nano TiO2… được chứng minh là có khả năng phòng trừ hiệu quả các bệnh do vi khuẩn, nấm, vi rút gây ra trên cây trồng, không những thế chúng còn là những sản phẩm thân thiện với môi trường, an toàn với con người và không gây ra tính kháng thuốc.
Bệnh cây cần được phát hiện ở giai đoạn sớm để giảm thiểu tối đa diện tích cây trồng bị nhiễm bệnh và thiệt hại sâu bệnh gây ra. Các nhà khoa học đã tạo ra các thiết bị nano có khả năng theo dõi và phát hiện sâu bệnh hại một cách chính xác, thời phát hiện nhanh chóng, có thể cho kết quả trong vòng vài giờ, thiết bị nhỏ gọn, linh động, dễ sử dụng và có độ chính xác cao, không cần bất kỳ kỹ thuật phức tạp nào để hoạt động, ngay cả một nông dân cũng có thể sử dụng hệ thống này. Các cảm biến nano tự động kết nối với một hệ thống GPS có thể giám sát toàn bộ một khu vực sản xuất, theo dõi điều kiện đất đai, tình hình sâu bệnh, sức khỏe cây trồng, điều này sẽ rất hữu ích cho các hộ nông dân. Sự kết hợp công nghệ sinh học và công nghệ nano trong cảm biến đã tạo ra các thiết bị có độ chính xác cao, cho phép phản ứng nhanh hơn trước những thay đổi môi trường và bệnh hại.
22
*Phòng và trị bệnh do nấm, vi khuẩn, virus gây bệnh: Nano hợp kim bạc đồng, nano đồng oxyclorua, nano đồng...
*Bổ sung vi lượng, hạn chế rụng quả non, thúc đẩy tăng trưởng quả, chống mưa axít hại hoa-quả non: nano kẽm, nano canxi, nano canxi cacbonate(chống mưa axít), nano silic. Ngoài ra nano silic còn được sử dụng phối trộn với cơ chất (nguyên liệu) trồng nấm ăn (nấm sò, mộc nhĩ, nấm, linh chi…).
Đối với trồng trọt hiện có 2 dòng chế phẩm nano hợp kim bạc đồng và nano đồng oxyclorua mang lại hiệu quả phòng và đặc trị bệnh toàn diện do tính cộng hưởng của chúng. Khi phun/tưới hỗn hợp nano bạc đồng và nano đồng oxyclorua theo tỷ lệ 2/1 hoặc 1/1 cho cây trồng thì hầu hết các nhóm bệnh do nấm, vi khuẩn đều được kiểm soát chủ động, giúp nhà nông tiết kiệm chi phí BVTV, sản phẩm lại không độc hại, không gây ô nhiễm môi trường.
Theo đó chế phẩm nano đồng oxyclorua khi phun qua lá hoặc tưới gốc, các hạt nano đồng oxyclorua sẽ sản sinh ra các nguyên tử Oxi và nguyên tử Clo có tính oxi hóa cực mạnh, các nguyên tử oxi và clo này sẽ tác động trực tiếp đến cấu trúc của tế bào vi khuẩn(màng tế bào), bào tử nấm làm bộ phận màng tế bào của chúng dễ dàng bị tổn thương. Sau đó các hạt nano bạc - đồng hợp kim sẽ dễ dàng xâm nhập và phá vỡ cấu trúc của tế bào vi khuẩn, nấm, virus theo cơ chế đặc thù riêng. Do sự cộng hưởng của nano bạc đồng và nano đồng oxyclorua nên hiệu quả diệt nấm khuẩn gây bệnh trên cây trồng là rất nhanh và mạnh hơn nữa phổ diệt nấm khuẩn gây bệnh cũng rộng hơn vì thế bộ đôi nano bạc đồng và nano đồng oxyclorua có khả năng phòng trị được nhiều nhóm bệnh trên cây ăn quả, cây lương thực, cây công nghiệp và cây rau hoa màu…
Rủi ro tiềm tàng của công nghệ nano
Các nhà khoa học cho rằng, có một số tác động tiêu cực của vật liệu nano đối với các hệ thống sinh học và môi trường như sự tồn dư của các ion kim loại nặng trong các
23
sản phẩn trồng trọt khi xử lý nano kim loại với nồng độ quá cao. Bên cạnh đó, trong một số trường hợp, vật liệu nano tạo ra các gốc tự do trong mô sống dẫn đến gây tổn thương DNA. Vì vậy, công nghệ nano nên được nghiên cứu, đánh giá một cạnh cẩn thận trước khi tăng việc sử dụng vật liệu nano trong trồng trọt.
Các chế phẩm nano kim loại được sản xuất theo công nghệ nano tiên tiến. Mục đích chính là phòng và đặc trị bệnh do nấm, khuẩn và virus gây bệnh trên cây trồng và vật nuôi.
2.1.2. Ứng dụng công nghệ nano trong chăn nuôi thủy sản, gia súc - gia cầm: nanobạc, nano kẽm oxít, nano kẽm, nano hợp kim đồng sắt…
Trong ngành chăn nuôi, ứng dụng công nghệ nano chủ yếu ở dạng khoáng chất nano. Lĩnh vực này có tầm quan trọng vì nó làm tăng sự hấp thụ khoáng vi lượng bằng cách giảm hiệu ứng đối kháng giữa các cation hóa trị.
Quá trình chuyển đổi các phân tử lớn hơn này thành một phân tử nhỏ tạo ra những thay đổi về bản chất vật lý và hóa học vốn có của vật liệu cơ bản. Những thay đổi này bao gồm thay đổi về độ hòa tan, sự hấp thụ, cơ chế vận chuyển, bài tiết và quan trọng là sự đối kháng. Sự đối kháng khoáng chất trong đường ruột gia súc, gia cầm hoặc trong tế bào dẫn đến mất cân bằng khoáng chất ở sự hấp thụ, vận chuyển và bài tiết.
Các chất phụ gia nano như vậy sẽ có lợi thế về sinh khả dụng tốt hơn, tỷ lệ liều nhỏ và tương tác ổn định với các thành phần khác. Do sử dụng liều thấp, chúng có thể được sử dụng thay thế cho kháng sinh làm chất kích thích tăng trưởng, loại bỏ dư lượng kháng sinh trong các sản phẩm động vật, giảm ô nhiễm môi trường và sản xuất các sản phẩm động vật bảo đảm an toàn thực phẩm. Phụ gia nano cũng có thể được kết hợp trong viên nang protein hoặc một thành phần thức ăn tự nhiên khác.
Ở cừu, việc bổ sung Nano-Selenium với nồng độ 3 ppm trong chế độ ăn cơ bản đã làm giảm đáng kể pH dạ cỏ (khoảng 6,68 - 6,8) và nồng độ amoniac (khoảng 9,95 - 12,49 mg/100 ml) và tăng tổng nồng độ VFA (phạm vi 73,63 - 77,72 mM) tuyến tính (p < 0,01) và bậc hai (p < 0,01) với việc tăng bổ sung nano-Se. Trong một thử nghiệm khác trên cừu, nano-Se có tác dụng tích cực chống lại tổn thương peroxidative trong các thành phần máu khi được cho ở mức 1 mg kg1 của thức ăn. Tương tự ở dê đực, việc bổ sung nano- Se vào chế độ ăn kiêng với nồng độ 0,3 ppm cho thấy sự gia tăng trọng lượng cơ thể cuối cùng (p < 0,05) và tăng trưởng trung bình hàng ngày. Toàn bộ máu, huyết thanh và mô Se, hoạt động của enzyme chống ôxy hóa trong huyết thanh cũng được tăng lên nhờ bổ
24
sung nano-Selen trong chế độ ăn uống. Đối với các cơ quan sinh sản ở dê đực, bổ sung 0,3 mg kg -1 của chế độ ăn uống của nano-Se (60 - 80 nm) dẫn đến ảnh hưởng thuận lợi trên vi cấu trúc tinh hoàn, tinh trùng cấu trúc ultramicroscopic tinh hoàn, tinh hoàn hoạt động peroxit glutathione và chất lượng tinh dịch .
Bổ sung crom (Cr) vào chế độ ăn uống như crom nanocompozit (CrNano) với tỷ lệ 200 μg ở heo làm giảm đáng kể nồng độ glucose, nitơ urê, triglyceride, cholesterol và axit béo không este hóa trong huyết thanh. Ngược lại, nồng độ protein trong huyết thanh, lipoprotein mật độ cao và hoạt động lipase tăng đáng kể. Cũng có sự gia tăng yếu tố tăng trưởng giống như insulin trong huyết thanh và làm giảm đáng kể nồng độ insulin và cortisol trong huyết thanh. Ngoài ra, CrNano bổ sung dẫn đến mức độ cao hơn của globulin miễn dịch, Ig M và Ig G trong huyết tương. Nano Crom cũng có tác dụng đáng kể đối với các đặc tính thân thịt, chất lượng thịt heo, khối lượng cơ xương và tăng nồng độ crom mô trong các cơ. Ở heo con, việc bổ sung đồng nano (Cu) với nồng độ 50 ppm đã tạo ra những cải thiện đáng kể về hiệu suất tăng trưởng. Hàm lượng đồng trong phân đã giảm và tính khả dụng của Đồng được cải thiện đáng kể so với nhóm đồng sunfat (CuSO4) thông thường. Cũng có sự khác biệt đáng kể đã được quan sát thấy trong việc cải thiện khả năng tiêu hóa chất béo và năng lượng thô ở heo theo chế độ ăn nano Cu. Những cải thiện đáng kể về mặt thống kê đã được quan sát thấy về các chỉ tiêu IgG,- globulin và tổng mức protein globulin và trong hoạt động SOD của nhóm nanoCu.
Bổ sung các hạt nano bạc kim loại 20 và 40 ppm làm chất kích thích tăng trưởng và kháng khuẩn trong giai đoạn chuyển tiếp (trọng lượng 5 - 20 kg) của heo con cai sữa dẫn đến giảm Coliform trong đường ruột. Bên cạnh đó, nồng độ của Clostridium perfringens hoặc Cl. nhóm histolyticum ở hồi tràng đã giảm với 20 ppm bạc.
Ở gà thịt, việc bổ sung 1,20 mg kg1 Se (Nano-Se) cho thấy phạm vi rộng hơn giữa mức độ tối ưu và độc hại của Nano-Se với khả năng duy trì hiệu quả trong cơ thể so với natri selenite. Cũng trong nghiên cứu này, việc bổ sung các nano-Se (60 nm) cho gà thịt cho thấy sự nâng lên của tỷ lệ sống, tăng trọng trung bình hàng ngày và thức ăn với tỷ lệ tăng với 0,15 - 1,20 mg kg-1 nồng Se. Ở gà con, khi bổ sung nano Se 0,3 mg/ kg1 vào chế độ ăn đã mang lại tác dụng sinh lý tốt hơn .
Một nghiên cứu về nano kẽm cho thấy, việc bổ sung 0,06 ppm trong chế độ ăn cơ bản của gà thịt cho thấy tình trạng miễn dịch và khả dụng sinh học được cải thiện so với kẽm vô cơ. Hơn nữa, nồng độ khác nhau của các hạt nano ZnO cũng được tìm thấy để ức
25
chế sự phát triển của nấm gây độc (A. flavus , A. ochraceus và A. niger) và các mycotoxin tương ứng (AF, OA và Fs). Do đó phương pháp này có thể được sử dụng để giảm các mối nguy tiềm ẩn của nhiễm độc nấm. Khi gà thịt được cho ăn bằng canxi photphat nano bằng cách thay thế tới 50% nhu cầu của dicalcium phosphate, chúng cho thấy tỷ lệ chuyển đổi thức ăn tốt nhất (1,39 ± 0,02) và khác biệt đáng kể so với các nhóm đối chứng (p < 0,05).
Nano bạc được sử dụng như một chế phẩm diệt vi khuẩn đã làm giảm đáng kể số lượng Escherichia coli, vi khuẩn Streptococcus, Salmonella có hại và tổng số vi khuẩn mesophilic trong đường ruột. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, nano bạc là phụ gia thức ăn có tác động chọn lọc tích cực đến số lượng vi khuẩn có lợi trong đường tiêu hóa của gia cầm. Khi bổ sung vào thức ăn 20, 40 và 60 ppm, nano-bạc quan sát thấy trọng lượng thấp nhất ở mức 60 ppm cho ăn trong 42 ngày tuổi. Sự giảm trọng lượng này tương quan với đặc tính chống vi trùng của các NP-Ag có thể dẫn đến tỷ lệ thuận lợi của các vi sinh vật không gây bệnh so với các VSV gây bệnh trong ruột. Một nghiên cứu của Andi et al đã cho thấy, sự cải thiện về tăng trọng lượng và hiệu quả chuyển hóa thức ăn của gà thịt khi được bổ sung hạt nano bạc. Tuy nhiên, Loghman et al đã nghiên cứu độc tính của nano bạc và nhận thấy những thay đổi về hình thái và bệnh lý ở gan gà thịt. Họ kết luận rằng mức độ cao hơn của nano bạc (8 và 12 ppm) có thể gây ra các tổn thương nghiêm trọng ở gan gà thịt.
Bên cạnh các mặt tích cực, việc ứng dụng công nghệ nano trong chăn nuôi cũng cần được đánh giá, phân tích các rủi ro có thể có. Cần có khung pháp lý và các quy trình sản xuất và ứng dụng được chuẩn hóa để đảm bảo an toàn cho các sản phẩm nano trong nông nghiệp ở phạm vi mỗi quốc gia và trên toàn cầu.
2.1.3. Một số vấn đề cần biết khi sử dụng các sản phẩm nano ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp
Vấn đề thứ nhất: Chúng ta cần phân biệt nano bạc đồng hợp kim với nano bạc đơn chất (dạng nano hợp kim giữa bạc và đồng - gọi tắt là nano bạc đồng. Nano bạc đơn chất gọi tắt là nano bạc).
Dung dịch Nano bạc chỉ bao gồm các hạt nano bạc phân bố trong dung dịch (có nước và