Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu sản xuất nông nghiệp Việt Nam, nhóm rau họ hoa thập tự (Cruciferae) giữ vai trò chủ lực khi đóng góp khoảng 50% tổng sản lượng rau cả nước. Tuy nhiên, do đặc điểm thân lá mềm, mọng nước và giàu dinh dưỡng, nhóm cây trồng này là đối tượng ký sinh và phá hại của nhiều loài sâu bệnh nguy hiểm. Trong đó, sâu xanh bướm trắng (Pieris rapae, thuộc họ Pieridae, bộ Lepidoptera) được xác định là đối tượng gây hại nghiêm trọng nhất trên các vùng chuyên canh rau, đặc biệt là tại các tỉnh phía Bắc. Sâu non thường đục ngọn, cắn thủng lá bắp cải non và đục sâu vào trong bắp cải cuộn kèm theo thải phân, làm giảm nghiêm trọng năng suất thương phẩm cũng như mẫu mã sản phẩm. Thời gian phát sinh gây hại kéo dài từ tháng 10 năm trước đến tháng 5 năm sau, đỉnh điểm bùng phát mạnh nhất vào tháng 2 trên các giống bắp cải cuộn.

Để kiểm soát dịch hại, tập quán canh tác truyền thống phụ thuộc chủ yếu vào các loại thuốc bảo vệ thực vật hóa học. Các số liệu điều tra thực tế phản ánh tình trạng lạm dụng nghiêm trọng: nông dân vùng ngoại thành Thành phố Hồ Chí Minh sử dụng thuốc hóa học từ 20 đến 30 lần trong một vụ bắp cải; tại khu vực ngoại thành Hà Nội, tần suất phun dao động từ 9,7 đến 15,1 lần/vụ với liều lượng cao gấp 1,7 đến 2,4 lần so với mức khuyến cáo kỹ thuật. Đáng chú ý, có tới 80% hộ nông dân tự ý phối trộn 2 loại thuốc và từ 6,6% đến 12,2% hộ phối trộn trên 3 loại thuốc hóa học khác nhau trong một lần phun. Hệ quả trực tiếp của việc lạm dụng này là làm suy giảm 70% đến 100% số lượng thiên địch và sinh vật có ích trên đồng ruộng, làm gia tăng tính kháng thuốc của sâu hại từ 20 đến 1000 lần so với mức bình thường, đồng thời gây tồn dư hóa chất độc hại trong nông sản, ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí và đe dọa trực tiếp đến sức khỏe người tiêu dùng.

Trước yêu cầu cấp bách về việc xây dựng các vùng sản xuất rau an toàn và phát triển các giải pháp quản lý dịch hại tổng hợp (IPM) bền vững, đề tài được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ khoa học sau:

  1. Tuyển chọn chủng nấm Paecilomyces javanicus và Metarhizium anisopliae có hoạt lực cao trong việc diệt trừ sâu xanh bướm trắng (Pieris rapae) từ các nguồn mẫu nấm thu thập tại Viện Bảo vệ thực vật.
  2. Nghiên cứu các đặc tính sinh học, môi trường và nhiệt độ tối ưu nhằm ứng dụng hai loài nấm Paecilomyces javanicus và Metarhizium anisopliae trong quy trình nhân sinh khối sản xuất chế phẩm sinh học phòng trừ sâu xanh bướm trắng hại rau họ hoa thập tự.
  • Đối tượng nghiên cứu: Các dòng nấm ký sinh côn trùng thuộc loài Paecilomyces javanicus, Metarhizium anisopliae (và mẫu đối chiếu Beauveria bassiana) lưu trữ tại Viện Bảo vệ thực vật; sâu non sâu xanh bướm trắng (Pieris rapae) tuổi 2–3 nuôi nhân tạo trên cây bắp cải.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu được triển khai tại phòng thí nghiệm và hệ thống nhà lưới của Trung tâm Đấu tranh sinh học – Viện Bảo vệ thực vật (phường Đức Thắng, quận Bắc Từ Liêm, thành phố Hà Nội) trong khoảng thời gian từ ngày 01/03/2014 đến ngày 07/06/2014.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu vận dụng cơ chế ký sinh và gây bệnh của nấm côn trùng thuộc ngành nấm túi Ascomycota và nhóm nấm bất toàn Deuteromycetes. Theo phân loại học:

  • Paecilomyces javanicus: Thuộc giới Fungi, ngành Ascomycota, ngành phụ Pezizomycotina, lớp Eurotiomycetes, bộ Eurotiales, họ Trichocomaceae, chi Paecilomyces. Quá trình xâm nhiễm diễn ra thông qua tính kỵ nước của vách tế bào bào tử và phân tử nhận diện Lectins giúp bám dính vào lớp biểu bì kitin của sâu hại. Khi nảy mầm, sợi nấm tiết phức hệ enzyme thủy phân gồm exoproteases, endoproteases, esterases, lipase, chitinases và chitobiases để xuyên thủng biểu bì vào xoang máu (lympho), sau đó sản sinh các độc tố peptit vòng gồm Destruxin A ($C_{29}H_{47}O_7N_5$), Destruxin B ($C_{30}H_{51}O_7N_5$) và Beauvericin ($C_{45}H_{57}O_9N_3$) gây tê liệt hệ thần kinh, phá hủy hô hấp và làm chết côn trùng.
  • Metarhizium anisopliae (nấm lục cương/nấm xanh): Thuộc ngành Eumycota, lớp Deuteromycetes, chi Metarhizium. Nấm tiết ra các độc tố Destruxin A, B, C, D, E và Chytochalasin ngăn cản sự kéo dài sợi actin, ức chế miễn dịch thể dịch và phá hủy bạch huyết của sâu non.

Về công nghệ sản xuất, nghiên cứu ứng dụng phương pháp lên men xốp (lên men bán rắn) trên cơ chất nông sản nhằm thu nhận đính bào tử (conidiospore), khắc phục nhược điểm kém bền và đời sống ngắn của dạng bào tử chồi (blastospore) từ phương pháp lên men chìm.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế bao gồm:

  • Phương pháp phân lập và làm thuần: Phân lập mẫu nấm từ xác sâu chết trên môi trường thạch khoai tây Dextrose (PDA: 200g khoai tây, 20g Agar, 5g Dextrose/Sacharose, 1000ml nước cất, bổ sung kháng sinh streptomycin 0,1% để diệt khuẩn). Tách đơn bào tử thuần dòng trên môi trường thạch nước (WA: 20g Agar/1000ml nước cất), quan sát dưới kính lúp để cắt lọc sợi nấm đơn nảy mầm sau 12–24 giờ.
  • Phương pháp gây nhiễm nhân tạo và đánh giá hiệu lực: Lây nhiễm trực tiếp dịch huyền phù bào tử có bổ sung chất bám dính (Tween-80 tỷ lệ 0,1% hoặc Agral 0,01%) lên sâu non tuổi 2–3 (10 con/công thức/lần nhắc lại, 3 lần nhắc lại). Hiệu lực gây chết sâu được xác định theo công thức Abbott: $$M% = \frac{Ca - Ta}{Ca} \times 100$$ (Trong đó: $M$ là tỷ lệ chết hiệu chỉnh, $Ca$ là số sâu sống ở công thức đối chứng, $Ta$ là số sâu sống ở công thức thí nghiệm).
  • Phương pháp xác định mật độ bào tử: Pha loãng mẫu sinh khối theo cơ số 10 ($10^{-1}, 10^{-2}, 10^{-3}$), sử dụng buồng đếm hồng cầu Thoma (loại 25 ô lớn $\times$ 16 ô nhỏ = 400 ô nhỏ) dưới kính hiển vi quang học và tính mật độ theo công thức: $$A = \frac{a \times 400 \times 10^n}{B \times b} \times 10.000$$ (Trong đó: $A$ là số bào tử/g sinh khối; $a$ là tổng số bào tử đếm được; $B$ là số ô lớn; $b$ là số ô nhỏ trong mỗi ô lớn; $n$ là độ pha loãng).
  • Xử lý số liệu: Phân tích phương sai (ANOVA) và kiểm tra sự sai khác có ý nghĩa thống kê bằng phép thử LSD ở mức xác suất 95% ($\alpha = 0,05$) trên phần mềm thống kê chuyên dụng Statistix 8 và Microsoft Excel.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1. Tính cấp thiết của đề tài

Nêu rõ vị trí chiến lược của rau họ hoa thập tự trong sản xuất hàng hóa và thực trạng bùng phát của sâu xanh bướm trắng (Pieris rapae). Phân tích chi tiết các hệ lụy môi trường, hiện tượng kháng thuốc và nguy cơ an toàn thực phẩm do lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật hóa học tại các vùng thâm canh rau ngoại thành Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Xác định rõ mục tiêu tuyển chọn chủng nấm bản địa có hoạt tính cao, khảo sát đặc điểm sinh học và tối ưu hóa điều kiện nhân sinh khối quy mô phòng thí nghiệm và nhà lưới.

Phần 2. Tổng quan tài liệu

Hệ thống hóa toàn diện các nghiên cứu về sâu xanh bướm trắng, vị trí phân loại học, đặc điểm hình thái, sinh lý và cơ chế tiết enzyme phân giải cùng ngoại độc tố của hai loài nấm P. javanicus và M. anisopliae. So sánh ưu nhược điểm giữa công nghệ lên men chìm và lên men xốp. Tổng kết lịch sử ứng dụng nấm côn trùng từ các công trình kinh điển của Mechnikov (1884) đến các chế phẩm thương phẩm trên thế giới (Cobican, Bioplast, Metarquino, Biogreen...) và thành tựu tại Việt Nam (các chế phẩm Ometar, Biovip, Boverit, Mat phòng trừ sâu hại trên lúa, đậu tương, dừa và rau màu).

Phần 3. Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết thông số các trang thiết bị (nồi hấp vô trùng RAYPA, tủ sấy Nahita, tủ cấy vô trùng BIOBASE, dụng cụ đong TGI, hóa chất Merck), công thức pha chế môi trường nuôi cấy (PDA, WA) và nguồn sâu thí nghiệm. Chi tiết hóa quy trình bố trí 4 bước thực nghiệm: (1) Khảo sát sàng lọc nguồn nấm ban đầu; (2) Phân lập, làm thuần và chọn dòng độc tính cao; (3) Khảo sát các công thức cơ chất nhân sinh khối và các ngưỡng nhiệt độ (20–23°C, 25–27°C, 30–33°C); (4) Đánh giá hiệu lực trừ sâu theo liều lượng trong phòng thí nghiệm và nhà lưới theo quy chuẩn thống kê sinh học.

Phần 4. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Trình bày toàn bộ số liệu thu thập qua các giai đoạn thử nghiệm:

  • Đánh giá khả năng ký sinh sơ bộ: Cả 3 loài nấm đều thể hiện khả năng gây bệnh trên sâu xanh bướm trắng, trong đó M. anisopliae và P. javanicus có tỷ lệ ký sinh và hiệu lực vượt trội so với B. bassiana.
  • Tuyển chọn chủng thuần: Xác lập các đặc điểm hình thái khuẩn lạc và cấu trúc sinh bào tử của 4 chủng phân lập (Pae-SXBT1, Pae-SXBT2, Ma-SXBT1, Ma-SXBT2). Tuyển chọn 2 chủng có độc lực cao nhất là Pae-SXBT1 và Ma-SXBT1.
  • Tối ưu hóa cơ chất: Môi trường gạo hấp chín 100g cho khả năng tăng sinh số lượng bào tử cao nhất ở cả hai loài nấm sau 10 ngày nuôi cấy.
  • Tối ưu hóa nhiệt độ: Xác định ngưỡng nhiệt độ tối thích cho sự hình thành bào tử của P. javanicus là 20–23°C và của M. anisopliae là 25–27°C.
  • Hiệu lực diệt sâu thực nghiệm: Đánh giá mối tương quan thuận giữa nồng độ bào tử phun và hiệu lực diệt sâu theo thời gian (5, 7 và 10 ngày sau xử lý).

Phần 5. Kết luận và đề nghị

Đưa ra kết luận cụ thể về các thông số sinh học, môi trường, nhiệt độ tối ưu và nồng độ hiệu quả của từng chủng nấm; đồng thời đề xuất kiến nghị tiếp tục khảo nghiệm diện rộng trên đồng ruộng và nghiên cứu công nghệ kéo dài thời hạn bảo quản chế phẩm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chi tiết

Dữ liệu thực nghiệm qua các giai đoạn nghiên cứu được tổng hợp chi tiết trong các bảng số liệu sau:

Chỉ tiêu đánh giá Metarhizium anisopliae Paecilomyces javanicus Beauveria bassiana Đối chứng (Nước lã)
Hiệu lực trừ sâu sau 5 ngày (%) 10,0 10,0 10,0 -
Hiệu lực trừ sâu sau 7 ngày (%) 51,7 48,3 41,4 -
Hiệu lực trừ sâu sau 10 ngày (%) 64,3 57,1 50,0 -
Tỷ lệ ký sinh trở lại sau 10 ngày (%) 80,0 77,8 75,0 0

Ghi chú: Thí nghiệm thực hiện ở điều kiện nhiệt độ trung bình 24,3°C, ẩm độ không khí 85,6%.

Qua quá trình phân lập và làm thuần 4 chủng nấm, kết quả thử nghiệm độc tính trong điều kiện nhà lưới (nồng độ $5 \times 10^8$ bt/ml, nhiệt độ 27,6°C, độ ẩm 89,4%) cho thấy:

  • Chủng Pae-SXBT1 đạt hiệu lực diệt sâu 72,4% sau 10 ngày (cao hơn Pae-SXBT2 đạt 69,0%).
  • Chủng Ma-SXBT1 đạt hiệu lực diệt sâu 75,9% sau 10 ngày (cao hơn Ma-SXBT2 đạt 69,0%).
Loại môi trường nhân sinh khối Mật độ bào tử P. javanicus (Pae-SXBT1) Mật độ bào tử M. anisopliae (Ma-SXBT1)
Gạo hấp chín 100g $2,40 \times 10^9$ bt/g tươi ($2,61 \times 10^9$ bt/g khô) $1,78 \times 10^9$ bt/g tươi ($2,16 \times 10^9$ bt/g khô)
Cám 50g + Bột ngô 30g + Bã bia 20g $2,08 \times 10^9$ bt/g tươi ($2,38 \times 10^9$ bt/g khô) -
Cám 60g + Bột ngô 30g + Bã bia 10g - $1,52 \times 10^9$ bt/g tươi ($1,83 \times 10^9$ bt/g khô)
Cám 50g + Bột ngô 40g + Bột đậu nành 10g $2,05 \times 10^9$ bt/g tươi ($2,18 \times 10^9$ bt/g khô) $1,44 \times 10^9$ bt/g tươi ($1,75 \times 10^9$ bt/g khô)
Bột ngô mảnh 80g + Bã đậu 20g $1,34 \times 10^9$ bt/g tươi ($1,57 \times 10^9$ bt/g khô) -

Ghi chú: Nuôi cấy 10 ngày ở nhiệt độ trung bình 28,2°C, độ ẩm không khí 90,1%. Sự sai khác giữa môi trường gạo hấp chín và các môi trường khác có ý nghĩa thống kê ở mức 95% ($p < 0,05$).

Ngưỡng nhiệt độ nuôi cấy Mật độ bào tử tươi P. javanicus ($\times 10^9$ bt/g) Mật độ bào tử tươi M. anisopliae ($\times 10^9$ bt/g)
20 – 23°C 2,61 (khô: 3,10) 1,66 (khô: 1,91)
25 – 27°C 2,27 (khô: 2,61) 2,11 (khô: 2,53)
30 – 33°C 2,12 (khô: 2,47) 1,83 (khô: 2,11)

Về hiệu lực diệt sâu của chế phẩm sinh khối Pae-SXBT1 trong phòng thí nghiệm (nhiệt độ 28,1°C, độ ẩm 89,4%):

  • Liều lượng $1,0 \times 10^8$ bt/ml: Hiệu lực đạt 26,7% (5 ngày), 59,3% (7 ngày) và 76,9% (10 ngày).
  • Liều lượng $1,5 \times 10^8$ bt/ml: Hiệu lực đạt 33,3% (5 ngày), 63,0% (7 ngày) và 80,8% (10 ngày).
  • Liều lượng $2,0 \times 10^8$ bt/ml: Hiệu lực đạt 33,3% (5 ngày), 66,7% (7 ngày) và 84,6% (10 ngày).

Giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật

  • Lựa chọn cơ chất và điều kiện sản xuất: Khuyến nghị áp dụng công nghệ lên men xốp với cơ chất gạo hấp chín 100g để đạt sinh khối bào tử tối đa. Điều khiển dải nhiệt độ phòng nuôi từ 20–23°C đối với nấm P. javanicus và từ 25–27°C đối với nấm M. anisopliae.
  • Quy trình phun xử lý: Khi sử dụng chế phẩm phòng trừ ngoài thực tế, cần pha dịch nấm kết hợp bổ sung chất bám dính Tween-80 tỷ lệ 0,1% nhằm gia tăng khả năng lưu giữ bào tử trên bề mặt lá bắp cải và biểu bì sâu non; mật độ phun tối ưu đạt ngưỡng từ $1,5 \times 10^8$ đến $2,0 \times 10^8$ bt/ml.

Đóng góp khoa học của đề tài

Khóa luận đã bổ sung các dữ liệu thực nghiệm quan trọng về hoạt tính sinh học và khả năng ký sinh gây chết của hai loài nấm P. javanicus và M. anisopliae chuyên biệt trên đối tượng sâu xanh bướm trắng (Pieris rapae). Trước nghiên cứu này, phần lớn các công trình trong nước chỉ tập trung khảo sát hai loài nấm trên đối với rầy nâu hại lúa, sâu tơ hoặc sâu khoang. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học vững chắc để phát triển chế phẩm sinh học bản địa thay thế hóa chất trong mô hình canh tác rau an toàn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các thí nghiệm mới chỉ được thực hiện trong phạm vi quy mô phòng thí nghiệm và nhà lưới có kiểm soát tại Trung tâm Đấu tranh sinh học trong thời gian ngắn (từ tháng 3 đến tháng 6/2014); chưa tiến hành khảo nghiệm trên đồng ruộng thực tế với quy mô sản xuất lớn chịu ảnh hưởng trực tiếp của biến động thời tiết tự nhiên (mưa, bức xạ nhiệt, tia cực tím); chưa có điều kiện nghiên cứu các dạng chất mang bảo quản và đánh giá thời hạn sử dụng của chế phẩm sau khi sấy khô đóng gói.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tiếp tục thử nghiệm hiệu lực phòng trừ của hai chủng Pae-SXBT1 và Ma-SXBT1 trên các vùng chuyên canh rau họ hoa thập tự ngoài đồng ruộng ở các vụ đông và vụ xuân.
    • Nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ tạo dạng chế phẩm thương mại (chế phẩm dạng bột thấm nước WP, dạng nhũ dầu OD) nhằm nâng cao độ bám dính và khả năng chịu bức xạ mặt trời.
    • Đánh giá thời gian sống và khả năng duy trì mật độ của bào tử nấm trong các điều kiện bảo quản nhiệt độ thường và nhiệt độ mát ($4^\circ\text{C}$).

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên sâu và thiết thực cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ sinh học, Bảo vệ thực vật, Nông học và Khoa học môi trường:

  • Phương pháp vi sinh học ứng dụng: Cung cấp quy trình từng bước về kỹ thuật tách đơn bào tử thuần dòng trên môi trường thạch nước (WA) và kỹ thuật định lượng mật độ bào tử bằng buồng đếm hồng cầu Thoma.
  • Quy trình công nghệ sinh học nông nghiệp: Cung cấp thông số tỷ lệ phối trộn cơ chất nông sản rẻ tiền (gạo, cám gạo, bột ngô, bã bia, đậu nành) để nhân sinh khối nấm côn trùng theo công nghệ lên men xốp.
  • Phương pháp khảo nghiệm sinh học: Cung cấp quy trình bố trí thí nghiệm lây nhiễm nhân tạo trên sâu non và phương pháp xử lý thống kê bằng phần mềm Statistix 8 theo công thức Abbott.

Câu hỏi thường gặp

Chủng nấm nào thể hiện độc tính và hiệu lực gây chết sâu xanh bướm trắng cao nhất trong nghiên cứu? Trong các chủng được phân lập và làm thuần, chủng Ma-SXBT1 (thuộc loài Metarhizium anisopliae) đạt hiệu lực diệt sâu cao nhất trong điều kiện nhà lưới với 75,9% sau 10 ngày phun ở nồng độ $5 \times 10^8$ bt/ml. Tiếp theo là chủng Pae-SXBT1 (thuộc loài Paecilomyces javanicus) đạt hiệu lực 72,4% ở cùng điều kiện.

Cơ chất nào là tối ưu nhất để nhân sinh khối thu nhận bào tử của hai loài nấm này? Môi trường gạo hấp chín 100g là cơ chất tối ưu nhất cho cả hai loài. Sau 10 ngày nuôi cấy, mật độ bào tử nấm tươi của chủng Pae-SXBT1 đạt $2,40 \times 10^9$ bt/g và chủng Ma-SXBT1 đạt $1,78 \times 10^9$ bt/g, cao hơn rõ rệt và có ý nghĩa thống kê so với các công thức phối trộn cám gạo, bột ngô, bã bia hoặc bột đậu nành.

Nhiệt độ thích hợp nhất để nhân sinh khối nấm P. javanicus và M. anisopliae khác nhau như thế nào? Nấm Paecilomyces javanicus (Pae-SXBT1) phát triển tối ưu ở dải nhiệt độ thấp hơn từ 20–23°C, đạt mật độ $2,61 \times 10^9$ bt/g tươi sau 10 ngày. Ngược lại, nấm Metarhizium anisopliae (Ma-SXBT1) sinh trưởng và tạo bào tử tốt nhất ở dải nhiệt độ từ 25–27°C, đạt mật độ $2,11 \times 10^9$ bt/g tươi.

Hiệu lực diệt sâu của chế phẩm sinh khối P. javanicus trong phòng thí nghiệm đạt mức bao nhiêu khi tăng liều lượng phun? Khi tăng nồng độ phun dịch bào tử chủng Pae-SXBT1 từ $1,0 \times 10^8$ bt/ml lên $1,5 \times 10^8$ bt/ml và $2,0 \times 10^8$ bt/ml, hiệu lực gây chết sâu non tuổi 2–3 sau 10 ngày tăng tương ứng từ 76,9% lên 80,8% và đạt cao nhất là 84,6%.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Bạch Thị Điệp đã tuyển chọn thành công hai chủng nấm có độc lực cao là Paecilomyces javanicus (Pae-SXBT1) và Metarhizium anisopliae (Ma-SXBT1) có khả năng diệt trừ hiệu quả sâu xanh bướm trắng hại rau họ hoa thập tự. Nghiên cứu xác định môi trường gạo hấp chín là cơ chất tối ưu để nhân sinh khối lên men xốp, với ngưỡng nhiệt độ nuôi cấy thích hợp lần lượt là 20–23°C đối với P. javanicus và 25–27°C đối với M. anisopliae. Kết quả thử nghiệm đạt hiệu lực diệt sâu từ 72,4% đến 84,6%, khẳng định tính khả thi của việc sản xuất chế phẩm sinh học có nguồn gốc vi sinh bản địa nhằm thay thế thuốc trừ sâu hóa học, phục vụ sản xuất rau an toàn theo hướng phát triển nông nghiệp bền vững.