Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nông nghiệp bền vững, việc bổ sung các nguyên tố vi lượng thiết yếu cho cây trồng ngày càng được quan tâm. Theo ước tính, đất trồng thường chứa hàm lượng rất thấp các nguyên tố đất hiếm, khoảng 0,0015 – 0,002% Ln2O3, trong khi cây cối trung bình chỉ chứa khoảng 0,0003% Ln2O3. Sự hao hụt các nguyên tố này qua các vụ canh tác làm giảm hiệu quả sinh trưởng và năng suất cây trồng. Đồng thời, silica, mặc dù chưa được công nhận là yếu tố dinh dưỡng thiết yếu, nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng khả năng quang hợp, sức đề kháng và năng suất cây trồng. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Nd2O3/SiO2 nhằm ứng dụng làm chất cung cấp dinh dưỡng cho cây dược liệu Xáo tam phân tại Bình Định trong năm 2023 có ý nghĩa thiết thực trong việc phát triển phân bón thế hệ mới, kết hợp đất hiếm và silica để nâng cao hiệu quả sinh trưởng và chất lượng cây trồng. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là tổng hợp và đặc trưng vật liệu Nd2O3/SiO2, khảo sát ảnh hưởng của vật liệu này đến sự sinh trưởng của cây Xáo tam phân trong điều kiện đồng ruộng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tổng hợp vật liệu từ quặng cát và tiền chất Nd(NO3)3, khảo sát tại khu thực nghiệm Nhơn Tân, thị xã An Nhơn, tỉnh Bình Định trong khoảng thời gian từ tháng 12/2022 đến tháng 11/2023. Kết quả nghiên cứu dự kiến góp phần phát triển nông nghiệp xanh, nâng cao năng suất và chất lượng cây dược liệu thông qua ứng dụng vật liệu đất hiếm/silica.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: (1) vai trò của nguyên tố đất hiếm trong sinh trưởng và phát triển cây trồng, đặc biệt là neodymium (Nd) với tính chất hóa học ổn định và khả năng kích thích hấp thu dinh dưỡng; (2) tác dụng của silica (SiO2) trong việc tăng cường khả năng quang hợp, sức đề kháng và điều hòa dinh dưỡng khoáng cho cây trồng. Mô hình nghiên cứu tập trung vào tổng hợp vật liệu đa pha Nd2O3/SiO2, kết hợp tính chất vật lý – hóa học của oxide đất hiếm và silica vô định hình. Các khái niệm chính bao gồm: vật liệu oxide đất hiếm, silica vô định hình, vật liệu nano silica, phân bón vi lượng, và hoạt tính sinh học của cây dược liệu Xáo tam phân. Lý thuyết về cấu trúc tinh thể và đặc trưng vật liệu được áp dụng qua các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FT-IR), hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) và đo hấp phụ – khử hấp phụ đẳng nhiệt (BET).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm vật liệu tổng hợp từ quặng cát và tiền chất Nd(NO3)3, cùng với mẫu cây Xáo tam phân trồng tại khu thực nghiệm Nhơn Tân, Bình Định. Phương pháp tổng hợp vật liệu gồm: điều chế Na2SiO3 từ quặng cát bằng phương pháp kiềm hóa; điều chế SiO2 từ dung dịch Na2SiO3 bằng phương pháp kết tủa; tổng hợp Nd2O3/SiO2 bằng phương pháp kết tủa kết hợp nhiệt pha rắn. Phân tích đặc trưng vật liệu sử dụng XRD để xác định pha và cấu trúc tinh thể, FT-IR để xác định nhóm chức và liên kết hóa học, SEM và TEM để khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt, EDX để phân tích thành phần nguyên tố, BET để đo diện tích bề mặt và đặc tính mao quản. Thí nghiệm đồng ruộng được bố trí theo phương pháp khối hoàn toàn ngẫu nhiên với 4 công thức (đối chứng, SiO2, Nd2O3, Nd2O3/SiO2), mỗi công thức có 3 lần nhắc lại trên diện tích 30 m2/ô. Các chỉ tiêu theo dõi gồm chiều cao thân, chiều dài rễ, khối lượng thân và rễ khô. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 12/2022 đến tháng 11/2023. Phương pháp định lượng ostruthin trong mẫu rễ sử dụng sắc ký lỏng cao áp (HPLC) với mẫu chuẩn có độ tinh khiết trên 98%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu Nd2O3/SiO2: Giản đồ XRD cho thấy vật liệu tổng hợp có cấu trúc pha lục giác đặc trưng của Nd2O3 kết hợp với silica vô định hình. Kích thước hạt trung bình xác định theo phương trình Debye-Scherrer khoảng 15-20 nm. Diện tích bề mặt riêng (SBET) của vật liệu NS-7 đạt khoảng 250 m²/g, cao hơn đáng kể so với Nd2O3 đơn thuần (khoảng 50 m²/g), cho thấy vật liệu tổng hợp có tính xốp và diện tích bề mặt lớn hỗ trợ hấp phụ dinh dưỡng.

  2. Ảnh hưởng đến sinh trưởng cây Xáo tam phân: Sau 11 tháng thí nghiệm, cây trồng sử dụng vật liệu Nd2O3/SiO2 có chiều cao thân tăng trung bình 18,5% so với đối chứng, chiều dài rễ tăng 22,3%. Khối lượng thân và rễ khô tăng lần lượt 20,1% và 25,7%. So sánh với công thức chỉ sử dụng Nd2O3 hoặc SiO2 riêng lẻ, vật liệu tổng hợp cho hiệu quả kích thích sinh trưởng vượt trội hơn khoảng 10-12%.

  3. Hàm lượng ostruthin trong rễ: Phân tích HPLC cho thấy hàm lượng ostruthin trong mẫu rễ cây sử dụng vật liệu Nd2O3/SiO2 tăng 30% so với đối chứng, chứng tỏ vật liệu tổng hợp không chỉ kích thích sinh trưởng mà còn nâng cao hàm lượng hoạt chất sinh học quan trọng trong cây dược liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện sinh trưởng và hàm lượng hoạt chất là do sự kết hợp giữa tính chất xúc tác quang và khả năng hấp phụ dinh dưỡng của vật liệu Nd2O3/SiO2. Diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp của silica giúp giữ và điều tiết các ion dinh dưỡng, trong khi Nd2O3 cung cấp nguyên tố đất hiếm thiết yếu kích thích quá trình quang hợp và tổng hợp diệp lục. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của đất hiếm và silica trong nông nghiệp, đồng thời mở rộng ứng dụng cho cây dược liệu Xáo tam phân. Biểu đồ so sánh chiều cao thân và khối lượng rễ khô giữa các công thức thí nghiệm minh họa rõ ràng hiệu quả vượt trội của vật liệu tổng hợp. Bảng phân tích hàm lượng ostruthin cũng cho thấy sự gia tăng đáng kể, góp phần nâng cao giá trị dược liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu Nd2O3/SiO2 làm phân bón vi lượng cho cây dược liệu: Khuyến nghị sử dụng vật liệu tổng hợp với liều lượng 1 gam/lít dung dịch chitosan nồng độ 500 mg/L, phun lá sau 4 tuần trồng, nhằm tối ưu hóa sinh trưởng và hàm lượng hoạt chất trong vòng 1 năm đầu. Chủ thể thực hiện là các cơ sở sản xuất phân bón và nông dân trồng dược liệu.

  2. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại cây trồng khác: Đề xuất khảo nghiệm trên cây trồng nông nghiệp phổ biến như cam, ớt, bí để đánh giá hiệu quả sinh trưởng và năng suất, thời gian thực hiện 2-3 năm, phối hợp với các viện nghiên cứu nông nghiệp.

  3. Phát triển quy trình sản xuất vật liệu Nd2O3/SiO2 quy mô công nghiệp: Tăng cường hợp tác giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp để hoàn thiện quy trình tổng hợp vật liệu với chi phí hợp lý, đảm bảo chất lượng và tính ổn định, thời gian 1-2 năm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho nông dân: Tổ chức các khóa tập huấn về kỹ thuật sử dụng phân bón vi lượng đất hiếm/silica, hướng dẫn cách pha chế và phun đúng liều lượng, nhằm nâng cao nhận thức và hiệu quả sử dụng phân bón, thực hiện liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Hóa vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức tổng hợp về tổng hợp và đặc trưng vật liệu oxide đất hiếm/silica, phương pháp phân tích hiện đại, giúp phát triển nghiên cứu vật liệu mới ứng dụng trong nông nghiệp.

  2. Chuyên gia và kỹ sư nông nghiệp, sản xuất phân bón: Tham khảo để ứng dụng công nghệ tổng hợp vật liệu vi lượng mới, cải tiến sản phẩm phân bón vi lượng, nâng cao hiệu quả sử dụng và phát triển nông nghiệp xanh.

  3. Nông dân và doanh nghiệp trồng, chế biến cây dược liệu: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tăng năng suất, chất lượng cây dược liệu Xáo tam phân và các loại cây trồng khác, nâng cao giá trị kinh tế và bền vững sản xuất.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp: Sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển phân bón vi lượng đất hiếm/silica, thúc đẩy nông nghiệp bền vững và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu Nd2O3/SiO2 có an toàn cho cây trồng và môi trường không?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu tổng hợp không gây độc hại cho cây Xáo tam phân mà còn kích thích sinh trưởng và tăng hàm lượng hoạt chất. Việc sử dụng liều lượng phù hợp giúp hạn chế ô nhiễm môi trường do giảm sử dụng phân bón hóa học.

  2. Phương pháp tổng hợp vật liệu có thể áp dụng quy mô lớn không?
    Quy trình tổng hợp sử dụng nguyên liệu phổ biến như quặng cát và muối neodymium, kết hợp phương pháp kết tủa và nung nhiệt, có thể điều chỉnh để sản xuất quy mô công nghiệp với chi phí hợp lý.

  3. Tại sao lại chọn cây Xáo tam phân làm đối tượng nghiên cứu?
    Xáo tam phân là cây dược liệu có giá trị kinh tế cao, chứa nhiều hợp chất sinh học quan trọng như ostruthin. Nghiên cứu giúp nâng cao năng suất và chất lượng cây, góp phần phát triển ngành dược liệu bền vững.

  4. Liều lượng và cách sử dụng vật liệu Nd2O3/SiO2 như thế nào?
    Khuyến cáo sử dụng 1 gam vật liệu pha trong 1 lít dung dịch chitosan 500 mg/L, phun lá sau 4 tuần trồng, phun một lần vào buổi chiều mát, tránh phun trước mưa để đảm bảo hiệu quả.

  5. Có thể ứng dụng vật liệu này cho các loại cây trồng khác không?
    Theo báo cáo ngành và một số nghiên cứu thực tế, vật liệu đất hiếm/silica có tiềm năng ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại cây trồng như cam, ớt, khoai tây, giúp tăng năng suất và sức đề kháng, tuy nhiên cần khảo nghiệm cụ thể từng loại cây.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu Nd2O3/SiO2 với kích thước hạt nano, diện tích bề mặt lớn, cấu trúc pha ổn định.
  • Vật liệu tổng hợp có khả năng kích thích sinh trưởng cây Xáo tam phân, tăng chiều cao thân, chiều dài rễ và khối lượng thân rễ khô từ 18-26% so với đối chứng.
  • Hàm lượng hoạt chất sinh học ostruthin trong rễ cây tăng 30%, nâng cao giá trị dược liệu.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển phân bón vi lượng thế hệ mới kết hợp đất hiếm và silica, góp phần phát triển nông nghiệp xanh, bền vững.
  • Đề xuất tiếp tục mở rộng ứng dụng vật liệu cho các loại cây trồng khác và phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp trong 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm quy mô lớn, hoàn thiện quy trình sản xuất và chuyển giao công nghệ cho các đơn vị sản xuất phân bón và nông dân nhằm ứng dụng rộng rãi kết quả nghiên cứu.