Tổng quan nghiên cứu

Lúa là cây lương thực chủ lực của Việt Nam, đóng vai trò quan trọng trong đảm bảo an ninh lương thực quốc gia và xuất khẩu gạo đứng thứ hai thế giới. Tuy nhiên, bệnh bạc lá do vi khuẩn Xanthomonas sp. gây ra đã làm giảm năng suất lúa từ 20% đến 50%, thậm chí có thể lên đến 100% nếu không được kiểm soát kịp thời. Theo số liệu của Cục Bảo vệ thực vật, tính đến tháng 2 năm 2021, diện tích lúa bị thiệt hại do bệnh bạc lá là 7.197 ha, trong đó 187 ha bị nhiễm nặng, chủ yếu ở các tỉnh phía Nam. Việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) tổng hợp hữu cơ hiện nay gây ra nhiều tác động tiêu cực như ô nhiễm môi trường, sức khỏe con người và sự xuất hiện các chủng vi sinh vật kháng thuốc.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá hiệu quả phòng trừ bệnh bạc lá trên cây lúa của vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate, so sánh với thuốc BVTV thương mại Xantocin 40WP nhằm định hướng sử dụng vật liệu nano như một chất kiểm soát bệnh an toàn, bền vững. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm và nhà lưới tại thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển nông nghiệp xanh, giảm thiểu sử dụng thuốc BVTV độc hại, góp phần nâng cao chất lượng và an toàn thực phẩm, đồng thời bảo vệ môi trường và sức khỏe người tiêu dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cơ chế kháng khuẩn của nano kim loại Cu và oxit Cu2O: Các hạt nano Cu2O-Cu có kích thước nhỏ (khoảng 5 nm) với diện tích bề mặt lớn, tạo ra các ion Cu+ và Cu2+ có khả năng phá vỡ cấu trúc màng tế bào vi khuẩn, tạo gốc tự do oxy hóa (ROS) gây chết tế bào vi khuẩn Xanthomonas sp.
  • Tính chất vật liệu nano và vai trò của alginate: Alginate là polysaccharide chiết xuất từ rong nâu, có khả năng tạo gel và ổn định các hạt nano, ngăn ngừa kết tụ, đồng thời cung cấp dinh dưỡng vi lượng và chất điều hòa sinh trưởng cho cây lúa.
  • Mô hình hiệu lực ức chế vi khuẩn và phòng trừ bệnh thực vật: Đánh giá hiệu lực ức chế vi khuẩn qua thí nghiệm in vitro và hiệu lực phòng trừ bệnh bạc lá trên cây lúa trong điều kiện nhà lưới, sử dụng các chỉ số tỷ lệ bệnh (TLB), chỉ số bệnh (CSB) và hiệu lực phòng trừ (HLPT).

Các khái niệm chính bao gồm: nano Cu2O-Cu, alginate, vi khuẩn Xanthomonas sp., hiệu lực ức chế vi khuẩn, hiệu lực phòng trừ bệnh bạc lá, độc tính cấp LD50.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vi khuẩn Xanthomonas sp. được cung cấp từ Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp miền Nam; alginate chiết xuất từ rong nâu Khánh Hòa; vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate tổng hợp trong phòng thí nghiệm.
  • Phương pháp tổng hợp vật liệu nano: Sử dụng CuSO4 làm tiền chất, hydrazin hydrate làm chất khử, alginate làm chất ổn định. Quy trình tổng hợp gồm tạo phức Cu(NH3)4^2+, hòa tan alginate, khử Cu2+ thành Cu+ và Cu° trong môi trường kiềm (pH > 11), thêm PEG để ổn định dung dịch keo nano.
  • Phân tích vật liệu: Kích thước hạt xác định bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) với kích thước trung bình 5,3 ± 2,5 nm; cấu trúc tinh thể xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD); phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) và phổ tử ngoại – khả kiến (UV-vis) để xác định các nhóm chức và đặc trưng hấp thụ của vật liệu.
  • Đánh giá độc tính: Thử nghiệm độc tính cấp đường miệng và kích ứng da trên chuột nhắt trắng theo hướng dẫn OECD, với liều thử nghiệm 300 mg/kg và 3.000 mg/kg.
  • Hiệu lực ức chế vi khuẩn in vitro: Nuôi cấy vi khuẩn Xanthomonas sp. trên môi trường LB Agar bổ sung vật liệu nano ở các nồng độ Cu 15, 22,5 và 30 ppm, so sánh với thuốc thương mại Xantocin 40WP (250 ppm broponol).
  • Hiệu lực phòng trừ bệnh trong nhà lưới: Phun dung dịch nano Cu2O-Cu/alginate lên cây lúa giống IR 4625 ở các nồng độ 20, 30, 40 ppm Cu, so sánh với thuốc Xantocin 40WP, sau đó lây nhiễm vi khuẩn nhân tạo và theo dõi tỷ lệ bệnh, chỉ số bệnh sau 7 và 14 ngày.
  • Xử lý số liệu: Phân tích phương sai và so sánh mức ý nghĩa bằng phần mềm IRRISTAT 5.0 và Microsoft Excel 2016, biểu diễn số liệu dưới dạng trung bình ± sai số chuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Kích thước và cấu trúc vật liệu nano: Hạt nano Cu2O-Cu/alginate có kích thước trung bình 5,3 ± 2,5 nm (TEM), cấu trúc tinh thể gồm Cu2O và Cu kim loại với kích thước hạt lần lượt 5,6 nm và 6,3 nm (XRD). Hàm lượng Cu trong dung dịch keo đạt 5,087 mg/L, cao hơn hàng trăm lần so với các nghiên cứu trước đây.

  2. Độc tính cấp trên chuột: Vật liệu nano không gây chết chuột ở liều 3.000 mg/kg sau 15 ngày theo dõi, không có biểu hiện kích ứng da hay các dấu hiệu bất thường về sinh lý, cho thấy độ an toàn cao khi sử dụng.

  3. Hiệu lực ức chế vi khuẩn in vitro: Nano Cu2O-Cu/alginate ở nồng độ 30 ppm đạt 100% hiệu lực ức chế vi khuẩn Xanthomonas sp., tương đương với thuốc Xantocin 40WP 250 ppm. Ở nồng độ 15 ppm và 22,5 ppm, hiệu lực ức chế lần lượt là khoảng 70% và 90%.

  4. Hiệu lực phòng trừ bệnh trong nhà lưới: Sau 14 ngày, vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate ở nồng độ 30 ppm và 40 ppm giảm tỷ lệ bệnh bạc lá từ 87,22% (đối chứng) xuống còn 8,5% và 6,3%, chỉ số bệnh giảm từ 56,35% xuống còn 3,2% và 2,1%, hiệu quả tương đương hoặc vượt trội so với thuốc Xantocin 40WP (tỷ lệ bệnh 7,8%, chỉ số bệnh 3,0%). Độc tính cấp đối với cây lúa được đánh giá ở mức 1 (không ảnh hưởng đến sinh trưởng).

Thảo luận kết quả

Kích thước hạt nano nhỏ và cấu trúc lõi-vỏ Cu2O@Cu giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, nâng cao hiệu quả giải phóng ion Cu+ và Cu2+, từ đó tăng cường khả năng ức chế vi khuẩn Xanthomonas sp. Kết quả độc tính thấp phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy nano Cu ít độc hơn các muối Cu2+. Hiệu lực ức chế và phòng trừ bệnh tương đương thuốc BVTV thương mại chứng tỏ tiềm năng ứng dụng vật liệu nano trong nông nghiệp bền vững.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu lực ức chế vi khuẩn ở các nồng độ nano và thuốc thương mại, cũng như biểu đồ tỷ lệ bệnh và chỉ số bệnh trong thí nghiệm nhà lưới. Bảng tổng hợp độc tính cấp trên chuột và cây lúa giúp minh họa rõ ràng mức độ an toàn của vật liệu.

So với các nghiên cứu trong và ngoài nước, vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate có ưu điểm về kích thước hạt nhỏ, hàm lượng Cu cao, quy trình tổng hợp đơn giản, chi phí thấp và tính ổn định cao nhờ alginate. Đây là bước tiến quan trọng trong phát triển vật liệu nano ứng dụng kiểm soát bệnh thực vật an toàn và hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate trong sản xuất lúa: Khuyến cáo sử dụng vật liệu nano ở nồng độ 30-40 ppm để phòng trừ bệnh bạc lá, thay thế hoặc giảm liều lượng thuốc BVTV tổng hợp, áp dụng trong vụ hè thu và đông xuân tại các vùng đồng bằng sông Cửu Long trong vòng 2-3 năm tới.

  2. Phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp: Đầu tư nghiên cứu mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate với chi phí hợp lý, đảm bảo chất lượng và tính ổn định sản phẩm, nhằm cung cấp cho thị trường nông nghiệp trong 5 năm tới.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và nông dân về cách sử dụng vật liệu nano an toàn, hiệu quả, đồng thời xây dựng hướng dẫn kỹ thuật chi tiết, dự kiến triển khai trong 1-2 năm.

  4. Nghiên cứu bổ sung về tác động môi trường và an toàn sinh học: Thực hiện các nghiên cứu dài hạn đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano đến hệ sinh thái đất, nước và sức khỏe người sử dụng, nhằm đảm bảo phát triển bền vững, tiến hành song song trong quá trình ứng dụng thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành sinh học thực nghiệm, công nghệ nano và bảo vệ thực vật: Có thể sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học để phát triển các đề tài tiếp theo về vật liệu nano ứng dụng trong nông nghiệp.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh thuốc BVTV sinh học, vật liệu nano: Tham khảo để phát triển sản phẩm mới thay thế thuốc BVTV truyền thống, nâng cao hiệu quả và an toàn cho người tiêu dùng.

  3. Cán bộ kỹ thuật và quản lý nông nghiệp tại các viện nghiên cứu, trung tâm bảo vệ thực vật: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào công tác phòng trừ bệnh bạc lá lúa, xây dựng quy trình kỹ thuật phù hợp với điều kiện thực tế.

  4. Nông dân và hợp tác xã sản xuất lúa: Nắm bắt thông tin về vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate để áp dụng trong canh tác, giảm thiểu sử dụng thuốc BVTV độc hại, nâng cao năng suất và chất lượng lúa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate có an toàn cho người sử dụng không?
    Nghiên cứu độc tính cấp trên chuột cho thấy liều LD50 > 3.000 mg/kg, không gây kích ứng da hay biểu hiện bất thường, chứng tỏ vật liệu an toàn khi sử dụng đúng liều lượng.

  2. Hiệu quả của vật liệu nano so với thuốc BVTV truyền thống như thế nào?
    Ở nồng độ 30 ppm, vật liệu nano đạt hiệu lực ức chế vi khuẩn 100% và giảm tỷ lệ bệnh bạc lá tương đương hoặc vượt trội so với thuốc Xantocin 40WP 250 ppm.

  3. Vật liệu nano có ảnh hưởng đến năng suất và sinh trưởng cây lúa không?
    Thí nghiệm nhà lưới cho thấy vật liệu nano không gây độc cho cây lúa, thậm chí cung cấp dinh dưỡng vi lượng Cu và chất điều hòa sinh trưởng từ alginate, góp phần tăng năng suất.

  4. Quy trình tổng hợp vật liệu nano có phức tạp và tốn kém không?
    Quy trình sử dụng nguyên liệu phổ biến, chất khử hydrazin và alginate ổn định, thực hiện ở nhiệt độ phòng, chi phí thấp và có thể mở rộng quy mô sản xuất.

  5. Có thể ứng dụng vật liệu nano này trong các loại cây trồng khác không?
    Theo các nghiên cứu trước đây, nano Cu2O-Cu/alginate có hiệu lực kháng nấm và vi khuẩn trên nhiều loại cây trồng như thanh long, cao su, do đó có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp.

Kết luận

  • Vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate được tổng hợp thành công với kích thước hạt trung bình 5,3 nm, cấu trúc lõi-vỏ Cu2O@Cu ổn định trong alginate.
  • Độc tính cấp trên chuột và cây lúa rất thấp, đảm bảo an toàn khi sử dụng trong nông nghiệp.
  • Hiệu lực ức chế vi khuẩn Xanthomonas sp. đạt 100% ở nồng độ 30 ppm, hiệu lực phòng trừ bệnh bạc lá trên lúa tương đương thuốc BVTV thương mại.
  • Vật liệu nano không chỉ kiểm soát bệnh hiệu quả mà còn cung cấp dinh dưỡng vi lượng và chất điều hòa sinh trưởng cho cây lúa.
  • Đề xuất ứng dụng vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate trong sản xuất lúa bền vững, giảm thiểu thuốc BVTV độc hại, đồng thời phát triển quy trình sản xuất và chuyển giao công nghệ trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai ứng dụng thực tế vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate, đồng thời mở rộng nghiên cứu đánh giá tác động môi trường và an toàn sinh học để phát triển nông nghiệp xanh, bền vững.