Tổng quan nghiên cứu

Thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) đóng vai trò thiết yếu trong ngành nông nghiệp nhằm kiểm soát sâu bệnh và nâng cao năng suất cây trồng. Tuy nhiên, việc sử dụng thuốc trừ sâu hóa học truyền thống đã gây ra nhiều tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường. Xu hướng hiện nay chuyển dịch sang sử dụng thuốc BVTV sinh học có nguồn gốc tự nhiên nhằm giảm thiểu các tác hại này. Theo báo cáo của ngành, thị trường thuốc BVTV sinh học tại Việt Nam năm 2019 đạt giá trị khoảng 30,7 triệu USD và dự kiến tăng lên 65,7 triệu USD vào năm 2024 với tốc độ tăng trưởng trên 16,4% mỗi năm. Nghiên cứu này tập trung khảo sát hoạt tính kháng côn trùng của một số thảo mộc gồm ớt, bình bát, mãng cầu xiêm, cúc áo hoa vàng, bồ hòn và thanh hao hoa vàng, nhằm phát triển chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học hiệu quả, thân thiện môi trường.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá khả năng kháng côn trùng của các chiết xuất thảo mộc, khảo sát tính hiệp đồng khi phối hợp các chiết xuất, xây dựng công thức chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học từ cao chiết và đánh giá hiệu quả phòng trừ sâu bệnh trong điều kiện thực tế ngoài đồng ruộng. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 5/2022, thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM và một số địa phương như Bến Tre, Đà Lạt. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển giải pháp BVTV sinh học có hiệu quả cao, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng, đồng thời thúc đẩy phát triển nông nghiệp bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về thuốc bảo vệ thực vật sinh học, đặc biệt là thuốc trừ sâu thảo mộc và cơ chế tác động của các hợp chất tự nhiên lên côn trùng. Hai mô hình tương tác hỗn hợp được áp dụng để đánh giá tính hiệp đồng giữa các chiết xuất:

  • Mô hình tác động đồng thời lên cùng vị trí (Mô hình 1): Giả định các cao chiết tác động đồng thời lên cùng một vị trí receptor trên côn trùng, làm tăng hoặc giảm độc tính hỗn hợp. Giá trị kỳ vọng được tính theo tổng nồng độ gây tử vong của từng cấu tử.

  • Mô hình tác động lên hai vị trí riêng biệt (Mô hình 2): Giả định các cao chiết tác động lên các vị trí khác nhau trên cá thể côn trùng, tính xác suất tử vong hỗn hợp dựa trên xác suất tử vong từng cấu tử riêng biệt.

Các khái niệm chính bao gồm: độc tính tiếp xúc (contact toxicity), khả năng kháng ăn (antifeeding activity), giá trị LC50 (nồng độ gây chết 50% cá thể), LC100 (nồng độ gây chết 100% cá thể), và hệ số MDR (model deviation ratio) để đánh giá tương tác hiệp đồng, cộng tính hay đối kháng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các chiết xuất thảo mộc gồm ớt, bình bát, mãng cầu xiêm, cúc áo hoa vàng, bồ hòn và thanh hao hoa vàng, được thu hái tại các địa phương như Vĩnh Long, Bến Tre, Đà Lạt và Tây Nguyên. Nguyên liệu được xử lý, phơi khô và chiết xuất bằng ethanol 96° theo quy trình chuẩn với tỉ lệ dung môi và thời gian chiết cụ thể nhằm thu cao chiết chứa hoạt chất.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xác định độc tính tiếp xúc: Phun dung dịch cao chiết lên ấu trùng Alphitobius diaperinus (10-20 ngày tuổi), theo dõi tỉ lệ tử vong sau 24 giờ. Cỡ mẫu mỗi lần thử là 20 cá thể, thực hiện lặp lại để đảm bảo độ tin cậy.

  • Xác định khả năng kháng ăn: Lá cây được nhúng vào dung dịch cao chiết ở nồng độ LC100, ấu trùng được cho ăn và quan sát mức độ kháng ăn sau 24 giờ.

  • Khảo sát tính hiệp đồng: Kết hợp các cao chiết theo các tỉ lệ khác nhau ở nồng độ LC50, đánh giá tương tác qua hai mô hình lý thuyết và tính hệ số MDR.

  • Xây dựng chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học: Phối trộn cao chiết ớt, hạt mãng cầu xiêm và bột azadirachtin 30% thành dạng nhũ tương đậm đặc (EC), đánh giá hàm lượng hoạt chất và hiệu quả trừ sâu.

  • Thử nghiệm thực địa: Đánh giá hiệu quả phòng trừ sâu bệnh trên đồng ruộng tại huyện Ba Tri, tỉnh Bến Tre, so sánh với đối chứng âm và đối chứng dương (thuốc trừ sâu thương mại).

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 5/2022, đảm bảo thu thập dữ liệu đầy đủ và phân tích chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất chiết xuất và hoạt tính kháng côn trùng: Cao chiết hạt bình bát có hiệu suất chiết cao nhất đạt khoảng 15,7% w/w, tiếp theo là ớt (11,9%) và cúc áo hoa vàng (12,1%). Giá trị LC50 của cao chiết hạt bình bát và mãng cầu xiêm lần lượt là 2,2 mg/mL và 3 mg/mL, cho thấy hoạt tính trừ sâu mạnh hơn so với các chiết xuất khác như ớt (LC50 = 12,1 mg/mL) và thanh hao hoa vàng (LC50 = 14,8 mg/mL).

  2. Khả năng kháng ăn: Hầu hết các chiết xuất thảo mộc thể hiện hiệu quả kháng ăn tốt ở nồng độ LC100 thực tế, với tỉ lệ ngăn chặn ăn của ấu trùng đạt trên 80% sau 24 giờ. Chế phẩm phối trộn ớt và hạt mãng cầu xiêm bổ sung azadirachtin 30% (0,125 mg/mL) tăng cường khả năng kháng ăn, đồng thời giữ được hoạt tính độc tiếp xúc mạnh.

  3. Tính hiệp đồng của các chiết xuất: Qua đánh giá theo hai mô hình tương tác, hỗn hợp chiết xuất ớt và hạt mãng cầu xiêm thể hiện tính hiệp đồng với hệ số MDR > 2, giúp tăng hiệu quả trừ sâu so với từng chiết xuất đơn lẻ. Các cặp phối hợp khác như ớt và bồ hòn hoặc bồ hòn và hạt mãng cầu xiêm chủ yếu thể hiện tính cộng tính hoặc đối kháng.

  4. Hiệu quả thực địa: Chế phẩm NP (6% cao chiết ớt, 6% cao chiết hạt mãng cầu xiêm, 6% bột azadirachtin 30%) khi pha loãng 500 lần gây tử vong khoảng 35% đối với sâu đầu đen (Opisina arenosella) và đạt hiệu lực trừ sâu trên 85% đối với sâu xanh hại rau (Diaphania indica) sau 7 ngày phun.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy các chiết xuất thảo mộc chứa nhiều hợp chất sinh học có hoạt tính kháng côn trùng hiệu quả, đặc biệt là acetogenin trong hạt bình bát và mãng cầu xiêm, capsaicin trong ớt, cùng azadirachtin từ neem. Đường cong đáp ứng liều lượng và giá trị LC50 minh chứng cho khả năng hấp thu nhanh và độc tính cao của các chiết xuất này. Việc phối hợp các chiết xuất theo tỉ lệ phù hợp tạo ra hiệu ứng hiệp đồng, giúp giảm liều lượng sử dụng và tăng hiệu quả trừ sâu, phù hợp với nguyên tắc giảm thiểu tác động môi trường.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả tương đồng với báo cáo về hoạt tính của acetogenin và capsaicin trong việc ức chế sâu bệnh. Hiệu quả thực địa của chế phẩm NP vượt trội so với nhiều sản phẩm sinh học hiện có, đồng thời giảm thiểu tác động phụ lên môi trường và sức khỏe người dùng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong đáp ứng liều lượng, bảng so sánh giá trị LC50 và biểu đồ hiệu quả trừ sâu thực địa để minh họa rõ ràng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển và sản xuất chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học từ cao chiết ớt, hạt mãng cầu xiêm và azadirachtin: Tập trung hoàn thiện công thức chế phẩm dạng nhũ tương đậm đặc (EC) với tỉ lệ phối trộn tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả trừ sâu, giảm liều lượng sử dụng. Thời gian thực hiện trong 12 tháng, chủ thể là các doanh nghiệp dược liệu và viện nghiên cứu.

  2. Mở rộng thử nghiệm thực địa và đánh giá đa dạng loài sâu bệnh: Tiến hành khảo sát hiệu quả trên các loại cây trồng và sâu bệnh khác nhau tại nhiều vùng sinh thái nhằm đánh giá tính phổ rộng và ổn định của chế phẩm. Thời gian 18 tháng, chủ thể là các trung tâm nghiên cứu nông nghiệp và hợp tác xã nông dân.

  3. Xây dựng hướng dẫn sử dụng và đào tạo kỹ thuật cho nông dân: Tổ chức các khóa tập huấn về cách pha chế, sử dụng chế phẩm sinh học an toàn, hiệu quả, đồng thời nâng cao nhận thức về bảo vệ môi trường. Thời gian 6 tháng, chủ thể là các cơ quan quản lý nông nghiệp và tổ chức phi chính phủ.

  4. Nghiên cứu cải tiến công nghệ chiết xuất và bảo quản cao chiết: Áp dụng công nghệ chiết xuất hiện đại nhằm tăng hiệu suất và chất lượng hoạt chất, đồng thời phát triển phương pháp bảo quản chế phẩm để duy trì hoạt tính lâu dài. Thời gian 24 tháng, chủ thể là các viện công nghệ và doanh nghiệp sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Nông học, Sinh học: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về hoạt tính sinh học của các chiết xuất thảo mộc, phương pháp phân tích và xây dựng chế phẩm sinh học, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thuốc bảo vệ thực vật sinh học: Thông tin về công thức phối trộn, hiệu quả trừ sâu thực địa và các thành phần hoạt chất giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng tăng.

  3. Cơ quan quản lý nông nghiệp và môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách quản lý, khuyến khích sử dụng thuốc BVTV sinh học, giảm thiểu tác động của thuốc hóa học đến sức khỏe cộng đồng và môi trường.

  4. Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp: Hướng dẫn sử dụng thuốc trừ sâu sinh học hiệu quả, an toàn, giúp nâng cao năng suất cây trồng, giảm chi phí và bảo vệ sức khỏe người lao động.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thuốc bảo vệ thực vật sinh học khác gì so với thuốc trừ sâu hóa học?
    Thuốc BVTV sinh học có nguồn gốc tự nhiên, ít gây độc hại cho con người và môi trường, phân hủy nhanh, không tích tụ trong đất và cây trồng, trong khi thuốc hóa học thường có độc tính cao, tồn lưu lâu và gây ô nhiễm.

  2. Các chiết xuất thảo mộc nào có hoạt tính kháng côn trùng mạnh nhất?
    Cao chiết hạt bình bát và mãng cầu xiêm thể hiện hoạt tính mạnh với giá trị LC50 lần lượt là 2,2 mg/mL và 3 mg/mL, vượt trội so với các chiết xuất khác như ớt và thanh hao hoa vàng.

  3. Tại sao cần phối hợp các chiết xuất thảo mộc trong chế phẩm?
    Phối hợp giúp tạo hiệu ứng hiệp đồng, tăng hiệu quả trừ sâu, giảm liều lượng sử dụng, hạn chế hiện tượng sâu bệnh kháng thuốc và giảm chi phí sản xuất.

  4. Chế phẩm sinh học có thể áp dụng cho những loại sâu bệnh nào?
    Chế phẩm NP đã được thử nghiệm hiệu quả trên sâu đầu đen (Opisina arenosella) với tỉ lệ tử vong khoảng 35% và sâu xanh hại rau (Diaphania indica) với hiệu quả trên 85% sau 7 ngày, có tiềm năng mở rộng cho nhiều loài sâu khác.

  5. Làm thế nào để bảo quản chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học hiệu quả?
    Chế phẩm dạng nhũ tương đậm đặc nên được bảo quản ở nhiệt độ phòng, tránh ánh sáng trực tiếp và độ ẩm cao để duy trì hoạt tính lâu dài. Nghiên cứu cũng đề xuất cải tiến công nghệ bảo quản nhằm nâng cao độ bền sản phẩm.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được cao chiết hạt bình bát và mãng cầu xiêm có hoạt tính kháng côn trùng mạnh với giá trị LC50 lần lượt là 2,2 mg/mL và 3 mg/mL.
  • Hỗn hợp chiết xuất ớt và hạt mãng cầu xiêm phối hợp với azadirachtin 30% tạo ra chế phẩm sinh học có hiệu quả trừ sâu cao, đặc biệt trên sâu xanh hại rau với hiệu quả trên 85% sau 7 ngày.
  • Tính hiệp đồng giữa các chiết xuất giúp giảm liều lượng sử dụng và tăng hiệu quả, góp phần phát triển thuốc BVTV sinh học thân thiện môi trường.
  • Thử nghiệm thực địa tại Bến Tre chứng minh tính khả thi và hiệu quả của chế phẩm trong điều kiện sản xuất thực tế.
  • Đề xuất tiếp tục hoàn thiện công thức, mở rộng thử nghiệm và đào tạo kỹ thuật nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp bền vững.

Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp phát triển sản phẩm, đồng thời tổ chức các chương trình đào tạo và phổ biến kiến thức cho nông dân nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng thuốc BVTV sinh học.