Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nông nghiệp Việt Nam phát triển mạnh mẽ, cây thanh long đã trở thành cây trồng chủ lực với diện tích khoảng 30.000 ha tại Bình Thuận và hàng nghìn ha tại các tỉnh Long An, Tiền Giang, Trà Vinh. Tuy nhiên, bệnh đốm nâu do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây ra đã làm giảm năng suất và chất lượng quả, với tỷ lệ bệnh có thể lên đến 50% trong mùa mưa. Việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) tổng hợp hữu cơ hiện nay gây tồn dư độc hại, ảnh hưởng đến xuất khẩu nông sản sang các thị trường khó tính như Mỹ, Úc, châu Âu và Nhật Bản. Do đó, nghiên cứu phát triển vật liệu mới có khả năng kháng nấm hiệu quả, an toàn và thân thiện môi trường là cấp thiết.

Luận văn tập trung vào tổng hợp và khảo sát hiệu quả kháng nấm của nano Cu2O-Cu ổn định trong polymer alginate chiết xuất từ rong nâu, nhằm kiểm soát bệnh đốm nâu trên cây thanh long. Mục tiêu cụ thể là xây dựng quy trình tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate có hiệu quả kháng nấm đạt trên 90% trong điều kiện in vitro và khảo nghiệm hiệu quả phòng trừ bệnh trong nhà kính. Nghiên cứu được thực hiện từ năm 2019 đến 2020 tại Viện Sinh học Nhiệt đới, TP. Hồ Chí Minh, với các phương pháp phân tích hiện đại như TEM, XRD, FT-IR, UV-Vis và EDX.

Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển vật liệu nano ứng dụng trong nông nghiệp an toàn mà còn mở ra hướng đi mới cho việc kiểm soát các bệnh nấm khó trị trên cây trồng khác, đồng thời giảm thiểu độc tính và tồn dư thuốc BVTV trên nông sản, nâng cao giá trị xuất khẩu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về vật liệu nano kim loại và oxit kim loại, đặc biệt là nano đồng (Cu) và oxit đồng (Cu2O), cùng với lý thuyết về polymer alginate làm chất ổn định và điều hòa sinh trưởng thực vật.

  • Nano Cu và Cu2O: Với kích thước hạt nano nhỏ (3-10 nm), vật liệu này có diện tích bề mặt lớn, tăng cường khả năng kháng khuẩn, kháng nấm nhờ cơ chế giải phóng ion Cu+, phá vỡ cấu trúc màng tế bào vi sinh vật và tạo gốc tự do làm bất hoạt enzyme và protein của nấm bệnh.
  • Alginate: Là polymer tự nhiên chiết xuất từ rong nâu, có khả năng tạo gel với ion hóa trị 2 như Ca2+, Cu2+, giúp ổn định hạt nano, ngăn kết tụ và đồng thời điều hòa sinh trưởng thực vật nhờ các nhóm chức năng đặc trưng.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm: kích thước hạt nano, hiệu quả kháng nấm in vitro và in vivo, và độc tính cấp LD50 của vật liệu nano trên động vật thí nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu alginate chiết xuất từ rong nâu Khánh Hòa, hóa chất CuSO4, NH3, hydrazine hydrate làm chất khử, mẫu nấm Neoscytalidium dimidiatum được cung cấp bởi Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp miền Nam.
  • Phương pháp tổng hợp: Tổng hợp nano Cu2O-Cu bằng phản ứng khử ion Cu2+ trong dung dịch alginate với hydrazine hydrate, tạo phức [Cu(NH3)4]2+ ổn định trong môi trường kiềm (pH > 10). Quá trình được kiểm soát nồng độ Cu2+, hydrazine và alginate để điều chỉnh kích thước hạt nano.
  • Phân tích vật liệu: Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xác định kích thước và hình thái hạt nano; phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể; phổ hồng ngoại (FT-IR) để phân tích liên kết hóa học; phổ UV-Vis để khảo sát đặc tính quang học; phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác định thành phần nguyên tố.
  • Đánh giá độc tính: Xác định LD50 qua đường uống trên chuột Albino Swiss và khảo sát kích ứng da theo phương pháp Buehler.
  • Khảo nghiệm hiệu quả kháng nấm: Thí nghiệm in vitro bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch với các nồng độ nano Cu2O-Cu/alginate khác nhau; khảo nghiệm in vivo trong nhà kính trên cây thanh long ruột đỏ 5-6 tuổi, theo dõi tỷ lệ bệnh và chỉ số bệnh theo tiêu chuẩn Townsend-Heuberger.
  • Xử lý số liệu: Sử dụng phần mềm Photoshop CS6 để đo kích thước hạt, MS Excel 2013 và IRRISTAT 5 để phân tích thống kê, biểu diễn kết quả dưới dạng giá trị trung bình ± sai số chuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+ đến kích thước hạt nano: Khi tăng nồng độ Cu2+ từ 40 mM lên 80 mM, kích thước hạt nano Cu2O-Cu tăng từ khoảng 4,1 nm lên 10,1 nm. Mẫu nano ở 60 mM có kích thước trung bình ~5,5 nm, nhỏ hơn đáng kể so với mẫu 80 mM, cho thấy nồng độ Cu2+ là yếu tố quyết định kích thước hạt (Hình TEM minh họa phân bố kích thước hạt).

  2. Ảnh hưởng nồng độ chất khử hydrazine: Tăng nồng độ hydrazine từ 8% đến 16% làm kích thước hạt tăng nhẹ từ 5,5 nm lên 6,7 nm, do phản ứng cục bộ tại vị trí khử. Tuy nhiên, sự tăng kích thước không tuyến tính, bởi nồng độ Cu2+ cũng phải tăng để giữ ổn định nồng độ Cu.

  3. Ảnh hưởng nồng độ alginate đến kích thước hạt: Tăng hàm lượng alginate từ 4% lên 6% làm giảm kích thước hạt nano từ 8,6 ± 0,6 nm xuống 3,9 ± 0,8 nm. Alginate đóng vai trò chất ổn định hiệu quả, ngăn ngừa kết tụ hạt nano, giúp tạo dung dịch keo nano ổn định và linh hoạt.

  4. Hiệu quả kháng nấm in vitro: Nano Cu2O-Cu/alginate thể hiện khả năng ức chế nấm Neoscytalidium dimidiatum đạt 100% ở nồng độ 30 ppm Cu, vượt trội so với thuốc đối chứng Mancozeb 80WP (hiệu quả khoảng 78%). Đường kính vùng ức chế nấm tăng theo nồng độ nano, minh chứng qua biểu đồ so sánh.

  5. Hiệu quả phòng trừ bệnh trong nhà kính: Phun dung dịch nano Cu2O-Cu/alginate ở nồng độ 30-40 ppm Cu giảm tỷ lệ bệnh đốm nâu trên cây thanh long xuống dưới 10% sau 21 ngày, trong khi đối chứng không xử lý có tỷ lệ bệnh trên 50%. Chỉ số bệnh giảm tương ứng, hiệu quả sinh học đạt trên 90%, chứng tỏ tính ứng dụng cao của chế phẩm.

  6. Độc tính cấp LD50 và kích ứng da: LD50 qua đường uống trên chuột là khoảng 1344 mg/kg, cao hơn 2,1 lần so với ion Cu2+ (640 mg/kg), cho thấy nano Cu2O-Cu/alginate ít độc hơn. Thử nghiệm kích ứng da không ghi nhận phản ứng nhạy cảm đáng kể, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc điều chỉnh nồng độ Cu2+, hydrazine và alginate ảnh hưởng rõ rệt đến kích thước và tính ổn định của hạt nano Cu2O-Cu. Kích thước hạt nhỏ (~5 nm) tạo điều kiện cho diện tích bề mặt lớn, tăng cường tương tác với tế bào nấm, từ đó nâng cao hiệu quả kháng nấm. Sự ổn định của dung dịch keo nano nhờ alginate giúp duy trì hoạt tính lâu dài và dễ dàng ứng dụng trong phun xịt.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về nano Cu và các hợp chất nano đồng khác, vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate trong luận văn có hiệu quả kháng nấm vượt trội, đồng thời giảm thiểu độc tính và tồn dư trên cây trồng. Việc sử dụng polymer alginate tự nhiên không chỉ ổn định hạt nano mà còn hỗ trợ sinh trưởng thực vật, góp phần nâng cao năng suất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố kích thước hạt, biểu đồ hiệu quả ức chế nấm theo nồng độ, bảng so sánh tỷ lệ bệnh và chỉ số bệnh giữa các nghiệm thức trong nhà kính, giúp minh họa rõ ràng các phát hiện chính.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate trong phòng trừ bệnh đốm nâu thanh long: Khuyến nghị sử dụng dung dịch nano ở nồng độ 30-40 ppm Cu, phun 2 lần cách nhau 7 ngày khi bệnh mới xuất hiện, nhằm đạt hiệu quả phòng trừ trên 90% trong vụ mùa. Chủ thể thực hiện là nông dân và các doanh nghiệp sản xuất thuốc BVTV sinh học.

  2. Nâng cao quy trình tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate: Đề xuất tối ưu hóa tỷ lệ Cu2+, hydrazine và alginate để sản xuất quy mô công nghiệp, đảm bảo kích thước hạt nano nhỏ, ổn định và chi phí hợp lý. Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ hóa học nên phối hợp triển khai trong vòng 1-2 năm tới.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng nano Cu2O-Cu/alginate cho cán bộ kỹ thuật, nông dân tại các vùng trồng thanh long trọng điểm nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng sử dụng vật liệu nano an toàn, hiệu quả.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu tiếp theo áp dụng nano Cu2O-Cu/alginate kiểm soát các bệnh nấm khác trên cây trồng như lúa, cà phê, hồ tiêu, nhằm đa dạng hóa sản phẩm và tăng giá trị kinh tế. Thời gian nghiên cứu dự kiến 3-5 năm.

  5. Giám sát an toàn và môi trường: Thiết lập hệ thống giám sát tồn dư và độc tính của vật liệu nano trong môi trường và nông sản, đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng và bảo vệ môi trường. Cơ quan quản lý nhà nước cần phối hợp với các viện nghiên cứu thực hiện thường xuyên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nông dân và nhà sản xuất thanh long: Nắm bắt công nghệ mới trong phòng trừ bệnh đốm nâu, áp dụng chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate để nâng cao năng suất, giảm thiểu sử dụng thuốc hóa học độc hại, đảm bảo nông sản sạch và tăng giá trị xuất khẩu.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Nông học, Công nghệ sinh học: Tham khảo quy trình tổng hợp vật liệu nano kim loại trong polymer tự nhiên, phương pháp đánh giá hiệu quả kháng nấm và độc tính, làm cơ sở cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thuốc BVTV sinh học và vật liệu nano: Áp dụng quy trình tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate để phát triển sản phẩm mới, mở rộng thị trường thuốc BVTV an toàn, thân thiện môi trường, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nông nghiệp bền vững.

  4. Cơ quan quản lý và chính sách nông nghiệp: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách khuyến khích ứng dụng công nghệ nano trong nông nghiệp, kiểm soát tồn dư thuốc BVTV, nâng cao chất lượng nông sản xuất khẩu và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano Cu2O-Cu/alginate là gì và có ưu điểm gì so với thuốc BVTV truyền thống?
    Nano Cu2O-Cu/alginate là vật liệu nano đồng và oxit đồng được ổn định trong polymer alginate tự nhiên. Ưu điểm là kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt lớn giúp tăng hiệu quả kháng nấm, ít độc hại, không để lại tồn dư độc hại trên nông sản, thân thiện môi trường và hỗ trợ sinh trưởng cây trồng.

  2. Quy trình tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate được thực hiện như thế nào?
    Ion Cu2+ được tạo phức với NH3, sau đó khử bằng hydrazine hydrate trong dung dịch alginate để tạo hạt nano Cu2O-Cu ổn định. Các yếu tố như nồng độ Cu2+, hydrazine và alginate được điều chỉnh để kiểm soát kích thước hạt và tính ổn định của dung dịch keo nano.

  3. Hiệu quả kháng nấm của nano Cu2O-Cu/alginate trên bệnh đốm nâu thanh long ra sao?
    Ở nồng độ 30 ppm Cu, nano Cu2O-Cu/alginate đạt hiệu quả ức chế nấm Neoscytalidium dimidiatum lên đến 100% trong thí nghiệm in vitro và trên 90% trong khảo nghiệm nhà kính, vượt trội so với thuốc đối chứng Mancozeb.

  4. Nano Cu2O-Cu/alginate có an toàn cho người sử dụng và môi trường không?
    Nghiên cứu xác định LD50 qua đường uống trên chuột là 1344 mg/kg, cao hơn nhiều so với ion Cu2+, đồng thời không gây kích ứng da đáng kể. Vật liệu này phân hủy thành ion Cu2+ là vi lượng dinh dưỡng cho cây, giảm thiểu tích tụ độc hại trong môi trường.

  5. Làm thế nào để ứng dụng nano Cu2O-Cu/alginate trong sản xuất nông nghiệp?
    Nông dân có thể phun dung dịch nano ở nồng độ 30-40 ppm Cu, phun 2 lần cách nhau 7 ngày khi bệnh mới xuất hiện. Cần tuân thủ hướng dẫn kỹ thuật để đảm bảo hiệu quả và an toàn. Đồng thời, doanh nghiệp có thể sản xuất chế phẩm theo quy trình tổng hợp đã được nghiên cứu để cung cấp ra thị trường.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp nano Cu2O-Cu ổn định trong polymer alginate với kích thước hạt nano từ 3,5 đến 10 nm, điều chỉnh bằng nồng độ Cu2+, hydrazine và alginate.
  • Chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate thể hiện hiệu quả kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long đạt trên 90% trong điều kiện in vitro và nhà kính.
  • Độc tính cấp LD50 của nano Cu2O-Cu/alginate thấp hơn nhiều so với ion Cu2+, không gây kích ứng da, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và môi trường.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng vật liệu nano kim loại trong nông nghiệp bền vững, giảm thiểu tồn dư thuốc BVTV độc hại, nâng cao chất lượng nông sản xuất khẩu.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi, đào tạo chuyển giao công nghệ và mở rộng nghiên cứu trên các cây trồng khác trong vòng 1-3 năm tới để phát huy tối đa tiềm năng của vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam để nhận bản đầy đủ luận văn và hợp tác phát triển ứng dụng thực tiễn.