Đồng huy giới
khoa công nghệ sinh học, học viện nông nghiệp việt nam
1. giới thiệu:
Trồng trọt là lĩnh vực sản xuất quan trọng của nông nghiệp, cung cấp lương thực, thực pHẩm cho with người, thức Ăn chăn nuôi, nguyên liệu choc công nghiệp, nôn … đời và đang ngày càng có giá trị bởi sức ép về lương thực thực phẩm cho con người ngày một ng. Tuy Nhiên, Trong NHữNG NăM GầN đY, TRồNG TRọT đANG GặP PHảI RấT NHIềU THÁCH THứC NHư BIếN ổI KHÍ HậU, SửNG Tài NGUYêN KHôNG HợP Lý Và sử DụNG ọNG.
công nGhệ nano (Nanotechnology) lànhnh công nghệ liên quan ến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu truc, thiết bịt bịt và và và h , kích thước trên quy mô nanomet. nó được coi là một lĩnh vực khoa học mới nổi và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học trong đó cóng ựcnh vôp. với những đặc tính ưu việt, công nghệ nano được kỳ vọng sẽ giúp cải thiện năng suất và chất lượng cây trồng thông qua việc cung cấp các ứng dụng mới, các giải pháp mới trong các lĩnh vực dinh dưỡng, bảo vệ thực vật, xử lý môi trường trồng trọt…, gop phần định hướng và phát triển một nền nông nghiệp an toàn và bền vững.
2. phương pháp chế tạo vật liệu nano
phương pháp tổng hợp vật liệu nano rất đa dạng và phong phú, mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng. Chynh vì vậy, Tù thuộc vào mục đích sửng mà khi tổng hợp vật liệu nano talựa chọn pHươNg PHAPP
căn cứ vào kích thước của nguyên liệu so với kích thước của vật liệu nano, việc tổng hợp vật liệu nano được tiếp cận theo haip
phương pháp từ trên xuống(from top to bottom): là phương pháp tạo vật liệu nano từ các hạt có kích thước lớn hơn kích thước vật liệu nano.
hai kỹ thuật thường được sử dụng trong phương pháp từ trên xuống là kỹ thuật nghiền và kỹ thuật biến dạng:
ối với kỹ thuật nghiền, vật liệu ở dạng bột ược trộn lẫn với những viên bi ược làm từ các vật liệu rất cứt cứng vát. máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. kết quả jue được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano).
kỹ thuật biến dạng: có thể là đùn thủy lực, tuốt, cán, ép. nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. nếu nhiệt ộ lớn hơn nhiệt ộ pHòng thì ược gọi là biến dạng nóg, còn nhiệt ộ nhỏ hơn nhiệt ộ ộ pHòng thì ược gọi là biến dạng nguội. kết quả jue được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (màng nano).
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể chế tạo được một lỰợng v luệt. tuy nhiên, vật liệu nano được tạo ra bằng phương pháp này thường có tính đồng nhất của không cao.
phương pháp từ dưới lên(from bottom to top):
nguyên lý của phương pháp này là tạo ra vật liệu có kích thước nano từ các nguyên tử hoặc ion (có kích thước nhỏ hơn kích thưp>u).
Ưu điểm của phương pháp này là: có tính linh động cao, chất lượng sản phẩm tốt và tính đồng nhất của sản phẩm cao. phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này.
3. một số tính năng độc đáo của hạt nano
hiệu ứng bề mặt
khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia lên. do nguyên tử trên bề mặt co -nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của cágyn ở ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứn là hiệu ứng bề mặt) tăng lê. hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng bề mặt càng lớn và ngưải. Ở đy không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng náy bỰ quan. vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng. Ví dụ, với một hạt nano fo mặt trên năng lượng toàn phần là 82.2%. tuy nhiên, các giá trị vật lí sẽ giảm đi một nửa khi kích thước của hạt nano tăng gấp hai lần (từ 5nm lên 10 nm).
hiệu ứng kích thước
khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước củavật liệunano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu Truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tinh chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm. chính điều này đã làm nên cái tên “vật liệu nano” mà ta thường nghe đến ngày nay. Ởvật liệukhối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tinh chất vật biật lí đã. nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh ược với ộ dài ặc trưng đó thì tính chất có liên quan ến ộ dài ặc trưng bịt thay. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. c cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xét tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối nhưng cũng có cc thể xét t tynht chất khác thì lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ lạ tuy nhiên, chúng ta cũng may mắn là hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào. ví dụ, đối với kim loại, quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. khi chung ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so với quãng ường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này tho unh only t Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. bây giờ chung ta thu nhỏ kích thước của sợi dây cho ến khi nhỏ hơn ộ dài quãng ường tự do trung bình của điện tong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giệng đ đ ử ử ử ử ử ử ử ử ử ử ử ử ử ử ử ử ử đ ữ ữ ữ. lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là hằng số planck. lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm đi. hiện tượng này ược gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển lượng tử trong các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một mang hẹng giant.
4. Ứng dụng công nghệ nano trong trồng trọt
4.1. công nghệ sinh học nano trong xử lý môi trường trồng trọt
vệc thường xuyên sử Dụng thuốc trừ sâu và pHân bón trong trồng trọt dẫn ến một vấn ề ề là không kiểm ược các chất khyg mong muốn con pHôn bón hườ sườc. công nghệ sinh học nano với cách tiếp cận đầy hứa hẹn giúp cải thiện sản xuất cây trồng và khắc phục ô nhiễm đất và nước. qua các báo cáo ứng dụng gần đây của công nghệ nano trong môi trường nông nghiệp, các nhà khoa học đã cho thấy rằng việc sử dụng các vật liệu nano để cải thiện chất lượng của môi trường, giúp phát hiện và khắc phục ô nhiễm ở các khu vực khác nhau.
4.2. công nghệ sinh học nano trong việc tăng năng suất và chất lượng nông sản
phân bón đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong sản xuất nông nghiệp. tuy nhiên việc lạm dụng phân bón hóa học đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với môi trường, tác động xấu đến đất trồng, làm ảnh hưởng đến chất lượng và an toàn nông sản, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Công nGhệ Sinh Học Nano Cho Pel vệ thực vật sử dụng trong trồng trọt, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, gopn phần phát triển nông nghiệp vững.
đã Co NHIềU THựC NGHIệM CHứNG minh hiệu quảa chếa pHẩm nano ối với sinh trưởng, phat triển, năt suất và chất lượng của trồng như: khi sửng dụng ph so với sử dụng phân lân thông thường. MộT NGHIêN CứU KHAC CHO THấY Cây ậU TươNG KHI Sử DụNG Phân Bón Lá Chứa VI LượNG ZN DướI DạNG NANO ZNO NồNG ộ 20 mg/l rễ, chiều dài thân và sinh khối thân. ngô được xử lý bằng nano đồng (1.3mg/kg hạt giống)cho cây cao hơn 10cm và năng suất cao hơn33.3% so với không xử lý. xử lý nano tio2 20 mg/lthúc đẩy quang hợp và chuyển hóa nitơ, từ đó cải thiện đáng kể tốc độ tăng trưởng của rau bina. Xử Lý hạt nano kim loại cu, co và Fe choc hạt ậu tương trước khi gieo trồng (liều lượng nano 100 mg/70 kg hạt) làm tăng tỷ lệ nảy mầm, tăng số Lượng diệp lục và tăn tăn năt ật ật ậ công nghệ môi trường). nano bạc với nồng ộ 8ppm đã thúc ẩy sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của hai giống khoai tuy atlantic và bliss, khối lượng trung trung 2 bìỡ ct. suất thực thu cao hơn 1,6 lần so với không xử lý nano bạc.
4.3. công nghệ nano trong phòng trừ sâu bệnh hại cây trồng
vệc sửng thuốc thuốc bảo vệ thực vật Hóa học ể chống lại dịch bệnh choc cây trồng ều gây nêng tac hại nhất ịnh, Nón giải phón môi trường và ảnh hưởng ến công nghệ nano cho phép tạo ra các sản phẩm có khả năng lại các vi sinh vật gây bệnh ể ể bảo vệ cây trồng, ồng thời các sảnnm này thi lẛ v.
các nguyên tố kẽm, đồng, bạc là những nguyên tố có tính kháng nấm, kháng khuẩn cao. khi các hạt nano kim loại có kích thước vài nm thì hiệu quả kháng khuẩn, kháng nấm tăng lên hàng ngàn lần so với nguyên tố ở dạng ion. ngoài ra, độc tính của chúng có tính chọn lọc cao với vi khuẩn, vi nấm. hiện nay đã with nhi pHẩm nano như nano bạc, nano ồng, nano kẽm, nano chitosan, nano TiO2… ược chứng minh là có khả nĂng pHòng trừ hiệu quả cac bệnh do vi khuẩn, nấm, vi rút gây gây ra trrê
bệnh cây cần được phát hiện ở giai đoạn sớm để giảm thiểu tối đa diện tích cây trồng bị nhiễm bệh thiệt hệh. các nhà khoa học đã tạo ra các thiết bị nano có khả năng theo dõi và phát hiện sâu bệnh hại một cách chynh xác, thi phát hiện nhanh nhóng, có th῏t cho k. , Dễ SửNG Và Có ộ Chính Xác Cao, Không Cần Bất Kỳ Kỹ Thuật Phức Tạp Nào ểể Hoạt ộng, Ngay Cả Một Nông dân Cũng Có CC thể Sửng Hệ Thống này. Các Cảm Biến Nano tự ộng kết nối với một hệng gps có thể giá sat toàn bộ một khu vực sản xuất, ththi đu kiện ất đai, tình hình sính, sứt đt. hộ nông dân. sự kết hợp công nGhệ Sinh học và công nghệ nano trong cảm biến đã tạo ra các thiết bịc fi ộ chínnh xác cao, cho pHép phản ứng nhanh hơn trước những thay ổi môi trệ
5. rủi ro tiềm tàng của công nghệ nano
các nhà khoa học cho rằng, có một số tác ộng tiêu cực của vật liệu nano ối với các hệ thống sinh học và môi trường như sự cáưa cồn. nano kim loại với nồng độ qua cao. bên cạnh đó, trong một số trường hợp, vật liệu nano tạo ra các gốc tự do trong mô sống dẫn đến gây tổn thương dna. vì vậy, công nghệ nano nên được nghiên cứu, đánh giá một cạnh cẩn thận trước khi tăng việc sử dụng vật liệu nano trong trồtng.
6. kết luận:
công nghệ nano được coi là một chìa khóa mới để phát triển sản xuất nông nghiệp nói chung và trồng trọt nói riêng trong thời kỳ 4.0 với việc cung cấp cho trồng trọt các giải pháp công nghệ mới về dinh dưỡng cây trồng, bảo vệ thực vật, phát hiện sâu bệnh, theo dõi sự phát triển của cây trồng, công nghệ nano hứa hẹn sẽ ngành trồng trọt nâng cao năng suất, sản lượng và chất lượng nông sản, ồng thời hướng ến phát triển một nền nông nghiệp an toàn, bền vững và thân thiện với môi trường.
tài liệu tham khảo
1. abobatta w.f. (2017). “nanotechnology a new key for the development of the agricultural sector”. international conference on nanotechnology, biotechnology and spectroscopy icnbs egypt.
2. Adhikari T., et al. (2010). “nanofertilizers- a new dimension in agriculture”. indian fertilizer magazine 6.8:22-24.
3. Banfield JF and Zhang H. (2001). “nanoparticles in the environment”. Mineralogical Society of America, Washington, DC Chapter 1: 1-58.
4. buffalo j. (2006). “The key role of environmental colloids/nanoparticles for the sustainability of life”. Environmental Chemistry 3.3: 155-158.
5. dehner ca., et al. (2010). “Size-dependent bioavailability of hematite (alpha-fe2o3) nanoparticles for a common aerobic bacterium”. environmental science and technology. 45: 977-983.
6. dekkers., et al. (2016). “Towards a nanospecific approach to risk assessment”. Regulatory Toxicology & Pharmacology 80: 46-59.
7. duhan js., et al. (2017). “Nanotechnology: The New Perspective in Precision Agriculture”. biotech reports 15:11-23.
8. galbraith d.w. (2007). “Nanobiotechnology: Silica breaks into plants”. nature nanotechnology 2.5: 272-273.
9. González-Melendi P., et al. (2008). “Nanoparticles as intelligent treatment delivery systems in plants: evaluation of different microscopy techniques for their visualization in plant tissues”. Annals of Botany 101.1: 187-195.
10. klingenfuss, f. (2014). “Tio2 nanoparticle assay on wheat and microorganisms in a microcosm of soil”. master of science thesis in ecotoxicology, gothenburg university: 62.
11. Lucm., et al. (2011). “Research on the effect of nanometric materials on germin meetoo d. nanotechnology and the food sector: from farm to table”. emirates food and agriculture magazine 23.5: 387-403.
12. Martinez, Leticia Myriam Torres, Kharissova, Oxana Vasilievna, Kharisov, Boris Ildusovich, (2017). synthesis techniques for the preparation of nanomaterials. spring nature.
13. mousavi sr and rezaei m. (2011). “nanotechnology in agriculture and food production”. Journal of Applied Biological and Environmental Sciences 1.10: 414-419.
14. rameshaiah gn., et al. (2015). “nano fertilizers and nano sensors an attempt to develop smart agriculture”. International Journal of General Science and Engineering Research 3.1: 314-320.
15. Raliya R., et al. (2015). “Biosynthesis of thio2 nanoparticles and their physiological effect on mung beans (Vigna radiata L.)”. Biotech Reports 5:22-26.
16. Raliya R., et al. (2017). “nanofertilizers for precision and sustainable agriculture: current status and future prospects”. agricultural and food chemistry magazine.
17. roberts tl. (2009). “The role of fertilizers in growing the world’s food”. better crops vegetable food 93: 12-15.
18. yang l and dj watts. (2005). “Particle surface characteristics may play an important role in the phytotoxicity of alumina nanoparticles.” Toxicology Letters 158.2: 122-132.
19. yatavk., et al. (2018). “Nanoscience in food and agriculture: research, industries and patents”. environmental chemistry letters 16.1: 79-84.
