Nghiên cứu đánh giá tác động của một số loại nano kim loại đến vi khuẩn cố định đạm Rhizobium trên cây đậu tương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------------

Nguyễn Quang Hùng

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA MỘT SỐ
NANO KIM LOẠI ĐẾN VI KHUẨN CỐ ĐỊNH ĐẠM
RHIZOBIUM TRÊN CÂY ĐẬU TƢƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------------

Nguyễn Quang Hùng

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA MỘT SỐ
NANO KIM LOẠI ĐẾN VI KHUẨN CỐ ĐỊNH ĐẠM
RHIZOBIUM TRÊN CÂY ĐẬU TƢƠNG

Chuyên nghành : Khoa học môi trường
Mã số

: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHAN THỊ HỒNG THẢO
PGS.TS. NGUYỄN KIỀU BĂNG TÂM

Hà Nội – 2018


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS. Nguyễn
Kiều Băng Tâm (Khoa Môi trường – Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN),
T.S. Phan Thị Hồng Thảo (Viện Công nghệ Sinh học – Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Viêt Nam), người cô mẫu mực đã tận tụy hướng dẫn và truyền đạt
kiến thức cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài cũng như luôn quan tâm,
động viên và giúp đỡ tôi trong cuộc sống. Xin cảm ơn nguồn kinh phí từ dự án
KHCN trọng điểm cấp Viện Hàn lâm KH và CN Việt Nam mã số
VAST.TĐ.NANO-NN/15-18 “ Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ nano trong nông
nghiệp” do PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu làm chủ nhiệm.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong Khoa Môi trường,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã dành mọi tâm
huyết giảng dạy, trang bị kiến thức cho chúng tôi trong suốt khóa học này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các anh, chị, em Phòng Vi sinh vật
Đất, Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam đã
nhiệt tình cộng tác và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn ở bên
động viên, và chia sẻ khó khăn giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận
văn này.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Học viên cao học

Nguyễn Quang Hùng


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN .........................................................................................3
1.1. Cây đậu tương và ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp Việt Nam ............3
1.1.1. Giới thiệu chung về cây đậu tương ...........................................................3
1.1.2. Tình hình sản xuất và vai trò của cây đậu tương trong nông nghiệp ........3
1.1.3. Những vấn đề trong sản xuất đậu tương ở Việt Nam ...............................5
1.2. Quá trình chuyển hóa nitơ trong tự nhiên ........................................................7
1.2.1. Quá trình khoáng hóa ................................................................................7
1.2.2. Quá trình phản nitrat hóa ..........................................................................8
1.2.3. Quá trình cố định nitơ phân tử ..................................................................8
1.3. Tổng quan về vi khuẩn cố định nitơ ..............................................................10
1.3.1. Vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh Rhizobium ...........................................11
1.3.2. Vi khuẩn cố định nitơ tự do ....................................................................12
1.4. Công nghệ nano và ứng dụng của công nghệ nano trong nông nghiệp .........14
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ..........................................................14
1.4.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ........................................................19
1.5. Ảnh hưởng của các hạt nano sắt, đồng, coban đến sinh trưởng và phát triển
của cây đậu tương .................................................................................................20
1.5.1. Ảnh hưởng của coban .............................................................................20

1.5.2. Ảnh hưởng của sắt...................................................................................21
1.5.3. Ảnh hưởng của đồng ...............................................................................23
Chƣơng 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................25
2.1. Nội dung nghiên cứu......................................................................................25
2.2. Đối tượng và địa điểm nghiên cứu ................................................................25


2.2.1. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................25
2.2.2. Địa điểm nghiên cứu ...............................................................................25
2.2.3. Thời gian nghiên cứu ..............................................................................26
2.2.4. Thiết bị và hóa chất nghiên cứu ..............................................................26
2.3. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................26
2.3.1. Phương pháp phân lập .............................................................................26
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu đặc điểm sinh học ..........................................27
2.3.3. Phương pháp tách chiết DNA tổng số và nhân gen bằng phản ứng PCR .....29
2.3.4. Phương pháp định danh chủng Rhizobium..............................................29
2.3.5. Đánh giá tác động của nano Fe, Cu và Co đến sự sinh trưởng của chủng
Rhizobium .........................................................................................................30
2.3.6. Phương pháp xác định định lượng polysaccharide bằng UV-VIS ..........30
2.3.7.Đánh giá ảnh tác động của nano kim loại Fe, Cu, Co đến sinh trưởng phát
triển của cây đậu tương trong phòng thí nghiệm nghiệm ..................................31
2.3.8. Pháp xác định hoạt tính cố định nitơ của vi khuẩn nốt sần cây họ đậu ..32
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................33
3.1. Nghiên cứu phân lập và mô tả một số chủng vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh
cây đậu tương Rhizobium sp. ở Thanh Trì và Thanh Hóa ...................................33
3.1.1. Phân lập chủng vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh cây đậu tương tại khu
vực Thanh Trì và Thanh Hóa ............................................................................33
3.1.2. Mô tả một số đặc điểm sinh học của các chủng vi khuẩn đã phân lập ...35
3.1.3. Đặc điểm sinh học của chủng TT14 và phân tích trình tự gen 16S- rDNA...39
3.1.4. Phân tích trình tự gen 16S - rDNA của chủng TT14 ..............................44

3.2. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của các nồng nộ nano kim loại Fe, Cu, Co đến
sinh trưởng và phát triển vi khuẩn cố định đạm Rhizobium trên cây đậu tương
trong phòng thí nghiệm .........................................................................................46


3.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nano kim loại Fe đến khả năng sinh trưởng
và sinh polysaccharite của chủng vi khuẩn Sinorhizobium fredii TT14 ...........46
3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nano kim loại Cu đến khả năng sinh trưởng
và sinh polysaccharite của chủng vi khuẩn Sinorhizobium fredii TT14 ...........49
3.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nano kim loại Co đến khả năng sinh trưởng
và sinh polysaccharite của chủng vi khuẩn Sinorhizobium fredii TT14 ...........52
3.3. Ảnh hưởng của các nano kim loại đến khả năng sinh trưởng của cây đâu tượng
trong điều kiện phòng thí nghiệm ...........................................................................54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................61


DANH MỤC VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Viết đầy đủ

APO:

Asiaa Productivity Organization

CTAB:

Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide

DNA:

Acid Deoxyribonucleic

Fe-NP:

Fe Nanoparticles

Kb :

Kilobase

NPAg:

Nanoparticles Ag

NPCu:

Nanoparticles Cu

NP:

Nanoparticles

PCR :

Polymerase Chain Reaction

TAE :

Tris Acetate EDTA

SEM:

Scaning Lectron Microscope

SPT:

Hạt siêu phân tán hay hạt nano

YEM-Fe-NP :

Yeast Extract Mannitol Fe Nanoparticles

YEM-Cu-NP :

Yeast Extract Mannitol Cu Nanoparticles

YEM-Co-NP :

Yeast Extract Mannitol Co Nanoparticles

YEMA-CR:

Yeast Extract Mannitol Agar Congo Red


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tình hình sản xuất đậu tương ở Việt Nam giai đoạn 2011-2016 ................4

Bảng 3. 1. Các chủng vi khuẩn phân lập trên môi trường YEMA-CR tại Thanh Trì
và Thanh Hóa ............................................................................................................33
Bảng 3. 2. Một số đặc điểm sinh hóa các chủng vi khuẩn nốt sần đã phân lập tại
Thanh Trì ...................................................................................................................36
Bảng 3. 3. Một số đặc điểm sinh hóa các chủng vi khuẩn nốt sần đã phân lập tại
Thanh Hóa .................................................................................................................37
Bảng 3. 4. Định danh các chủng phân lập .................................................................38
Bảng 3. 5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng phát triển của chủng TT14.........40
Bảng 3. 6. Ảnh hưởng của nồng độ muối đến sinh trưởng của vi khuẩn TT14........41
Bảng 3. 7. Đặc điểm sinh học của chủng TT14 ........................................................42
Bảng 3. 8. Mức độ tương đồng di truyền giữa chủng TT14 với các loài vi khuẩn có
họ hàng gần dựa vào trình tự nucleotide của gen 16S rDNA ...................................45
Bảng 3.9. Kết quả đo hoạt tính cố định nito của các mẫu trong điều kiện phòng
thí nghiệm .................................................................................................................58


DANH MỤC HÌNH
Hình 2. 1. Đồ thị đường chuẩn glucose.....................................................................31
Hình 3. 1. Một số hình ảnh phân lập từ nốt sần đậu tương ở Thanh Trì ...................34
Hình 3. 2. Một số hình ảnh phân lập từ nốt sần đậu tương ở Thanh Hóa .................35
Hình 3. 3. Khả năng sinh trưởng nhanh và tạo axit trên môi trường YEM-BTB và MT
Keto-lactose sau 48 giờ của vi khuẩn TT14 .................................................................36
Hình 3. 5. Khuẩn lạc chủng TT14 trên môi trường YEMA-CR (a) và tế bào chủng
TT14 bắt mầu Gram (-) (b) sau 24 giờ nuôi cấy .......................................................43
Hình 3. 6. Khả năng chuyển hóa nitrat thành nitrit (a) và không chuyển hóa gelatin
(b) của vi khuẩn TT14 ...............................................................................................43
Hình 3. 7. Tế bào TT14 (x 3000 lần) (trái) và (x 10000) (phải). ..............................44
Hình 3. 8. Điện di đồ sản phẩm PCR (1) và sản phẩm DNA tổng số (2) của TT14
trên gel agarose 1%. M: thang chuẩn DNA 1Kb (Norgen) .......................................45
Hình 3. 9. Ảnh hưởng của nano kim loại Fe ở các nồng độ khác nhau đến sinh

trưởng của vi khuẩn Sinorhizobium fredii TT14.......................................................47
Hình 3. 10. Ảnh hưởng ở các nồng độ nano 100, 250 và 500 đến sinh trưởng của
chủng vi khuẩn TT14 ................................................................................................47
Hình 3. 11. Ảnh hưởng của nồng độ nano Fe đến sinh tổng hợp polysacharit ngoại
bào của TT14 sau 96 giờ ...........................................................................................48
Hình 3. 12. Ảnh hưởng của nano Fe ở nồng độ 250 ppm đến hình thái của tế bào vi
khuẩn TT14 ...............................................................................................................48
Hình 3. 13. Ảnh hưởng của nano kim loại Cu ở các nồng độ khác nhau đến sinh
trưởng của vi khuẩn Sinorhizobium fredii TT14.......................................................50
Hình 3. 14. Ảnh hưởng của nồng độ nano Cu đến sinh tổng hợp polysacharit ngoại
bào của TT14 sau 96 giờ ...........................................................................................51
Hình 3. 15. Ảnh hưởng của nano Cu ở nồng độ 50 ppm đến hình thái của tế bào vi
khuẩn TT14 ...............................................................................................................51


Hình 3. 16. Ảnh hưởng của nano kim loại Co ở các nồng độ khác nhau đến sinh
trưởng của vi khuẩn Sinorhizobium fredii TT14.......................................................52
Hình 3. 17. Ảnh hưởng của nồng độ nano Co đến sinh tổng hợp polysacharit ngoại
bào của TT14 sau 96 giờ ...........................................................................................53
Hình 3. 18. Ảnh hưởng của các nano kim loại đến sinh trưởng của cây đậu tương
trong phòng thí nghiệm .............................................................................................54
Hình 3. 19. Ảnh hưởng của nano kim loại và vi khuẩn cố định đạm TT14 đến sinh
trưởng và số lượng nốt sần trên cây đậu tương. ........................................................55
Hình 3.20. Đậu tương không xử lý nano: không bổ sung vi khuẩn (a), có bổ sung vi
khuẩn T14 (b) ............................................................................................................56
Hình 3.21. Đậu tương xử lý nano Fe 2 ppm và 250 ppm .........................................56
Hình 3.22. Đậu tương xử lý nano Cu 2 ppm và 25 ppm ...........................................57
Hình 3.23. Đậu tương xử lý nano Co 2ppm và 100 ppm ..........................................57

MỞ ĐẦU
Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí đang trở thành
mối quan tâm cấp thiết của toàn thế giới đòi hỏi nhân loại bảo vệ môi trường sống
của chính mình. Nền nông nghiệp hiện đại đang phải đối mặt với một thách thức
lớn là mức độ sử dụng và giá cả phân bón ngày càng tăng với tốc độ chóng mặt.
Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp, hằng năm sử dụng một lượng lớn phân
bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật nhằm nâng cao hiệu suất cây trồng. Lượng
tàn dư của các chất hóa học trong đất, trong các sản phẩm nông nghiệp là nguyên
nhân làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống và sức khỏe con người. Vì
vậy việc đưa ra nhưng biện pháp nâng cao năng suất, chất lượng cây trồng đồng
thời góp phần bảo vệ môi trường cho một nền nông nghiệp sạch và bền vững là
một đòi hỏi cần thiết.
Cùng với sự phát triển của các nghành công nghệ cao như công nghệ thông
tin, công nghệ sinh học là sự ra đời của một nghành công nghệ mới đó chính là công
nghệ nano. Hiện nay, vật liệu mới có cấu trúc nano đã trở thành một trong những
vật liệu được sử dụng rộng rãi trong đời sống. Loại vật liệu này có đặc tính khác
biệt, thường vượt trội hơn so với các vật liệu thông thường ở hai đặc điểm chính:
hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lượng tử. Những đặc điểm này ảnh hưởng đến đặc tính
hóa lý chung của các vật liệu nano và tạo ra các đặc tính mới chưa từng có ở các vật
liệu khối. Việc áp dụng công nghệ nano vào các ngành nông nghiệp và thực phẩm
được đặt ra lần đầu tiên trong chương trình hành động của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ
vào tháng 9 năm 2003 và được dự đoán sẽ là công nghệ then chốt tạo ra thay đổi
quan trọng trong các ngành này. Trong những năm đầu tiên, việc áp dụng công nghệ
nano trong sản xuất nông nghiệp chủ yếu được thực hiện qua các nghiên cứu trong
phòng thí nghiệm, nhưng ngay sau đó nó đã bắt đầu và đang tiếp tục có ảnh hưởng
đáng kể trong các lĩnh vực quan trọng như lai tạo các giống cây trồng mới, phát
triển vật liệu chức năng mới và hệ thống phân phối thông minh cho hóa chất nông
nghiệp như thuốc diệt cỏ, phân bón và thuốc trừ sâu, hệ thống thông minh cho chế
biến thực phẩm, bao bì và các lĩnh vực khác như như khắc phục hậu quả của dư
1

lượng chất diệt cỏ và thuốc trừ sâu trong thực vật và đất, trong xử lý nước thải, quản
lý tài nguyên thiên nhiên và phát hiện sớm các mầm bệnh, các chất gây ô nhiễm
trong cây trồng và thực phẩm... Do khả năng ứng dụng kỳ diệu và sâu rộng của
công nghệ nano mà hiện nay trên thế giới đang xảy ra một cuộc chạy đua sôi động
về việc nghiên cứu và phát triển ứng dụng công nghệ nano vào đời sống. Công nghệ
nano được xem như là cuộc cách mạng công nghiệp mới không chỉ ở các nước phát
triển, mà còn ở cả các nước đang phát triển. Công nghệ nano là một nghành công
nghệ đang rất được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, hứa hẹn sẽ mang lại
những thành tựu to lớn, có tiềm năng trong việt giải quyết các bài toán về khoa học
và công nghệ như vấn đề năng lượng, bảo vệ sức khỏe con người, hạn chế lượng
phân bón vi lượng kim loại, phục hồi môi trường, bảo vệ môi trường và phát triển
nông nghiệp.
Kinh nghiệm sử dụng phân bón vi lượng cho thấy các dạng muối của chúng
thường phản ứng với một số tạp chất trong đất tạo thành các hợp chất khó tan, làm
cho cây trồng khó hấp thu và tạo ra các phụ phẩm và tồn dư kim loại nặng trong đất.
Sử dụng các nano kim loại thay thế phân bón vi lượng kim loại, kích thích tăng
trưởng cho cây là một hướng nghiên cứu hiện nay được thế giới quan tâm.
Trong nhiều năm gần đây, việc sử dụng các nano kim loại Cu, Fe, Co, ... cho
tăng năng suất các loại cây trồng trong nông nghiệp đã được công bố. Ở nước ta,
cây đậu tương là một trong những cây lương thực quan trọng. Cây đậu tương còn là
cây cố định đạm nhờ các loại vi sinh vật cố định đạm trong đó quan trọng nhất là
các loài vi khuẩn Rhizobium tạo nốt sần trên cây đậu tương. Để có thể ứng dụng các
nano kim loại hiệu quả trong tăng năng suất đậu tương, việc nghiên cứu tác động
của chúng đến vi khuẩn cố định đạm là rất cần thiết nhằm tìm ra nồng độ thích hợp
cho ứng dụng nano kim loại trong phát triển cây đậu tương.
Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu
đánh giá tác động của một số nano kim loại đến vi khuẩn cố định đạm Rhizobium
trên cây đậu tương”.

2


Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Cây đậu tƣơng và ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp Việt Nam
1.1.1. Giới thiệu chung về cây đậu tương
Cây đậu tương thuộc bộ Fabaceae, họ Fabaceae, chi Glycine có tên khoa học
là Glycine Max (L) Merr, là một trong những loại cây trồng mà loài người đã biết sử
dụng và trồng trọt từ lâu đời, vì vậy nguồn gốc của cây đậu tương cũng sớm được
xác minh. Những bằng chứng về lịch sử, địa lý và khảo cổ học đều công nhận rằng
đậu tương có nguyên sản ở châu Á và có nguồn gốc từ Trung Quốc. Cây đậu tương
được thuần hoá ở Trung Quốc qua nhiều triều đại tiền phong kiến và được đưa vào
trồng trọt và khảo sát có thể trong triều đại Shang (năm 1700-1100 B.C) trước công
nguyên [2].
Theo (Ngô Thế Dân và công sự, 1999) cả nước ta đã hình thành 7 vùng sản
xuất đậu tương. Trong đó, diện tích trồng đậu tương lớn nhất là vùng trung du miền
núi phía Bắc chiếm 37,1% diện tích gieo trồng cả nước, tiếp theo là vùng đồng bằng
sông Hồng với 27,21% diện tích. Năng suất đậu tương cao nhất nước ta là vùng đồng
bằng sông Cửu Long đạt bình quân 22,29 tạ/ha vụ Đông xuân và 29,71 tạ/ha vụ mùa.
Vùng trung du miền núi phía Bắc nơi có diện tích trồng đậu tương lớn nhất cả nước
lại là nơi có năng suất thấp nhất, chỉ đạt trên 10 tạ/ha. Theo (Lê Quốc Hưng, 2007),
nước ta có tiềm tăng rất lớn để mở rộng diện tích trồng đậu tương ở cả 3 vụ Xuân,
hè và đông với diện tích có thể đạt 1,5 triệu ha, trong đó miền núi phía Bắc khoảng
400 nghìn ha [1].
1.1.2. Tình hình sản xuất và vai trò của cây đậu tương trong nông nghiệp
Ở Việt Nam, cây đậu tương đóng vai trò rất quan trọng trong cơ cấu cây trồng
nông nghiệp và đặc biệt là ở các tỉnh miền núi phía Bắc. Do đậu tương là loại cây
ngắn ngày và có khả năng trồng trên nhiều loại đất khác nhau nên rất thích hợp làm
cây trồng luân canh, xen canh, gối vụ với nhiều loại cây trồng khác nhau làm tăng

hiệu quả sử dụng đất trong nông nghiệp. Tuy nhiên, quy mô sản xuất đậu tương còn

3


nhỏ lẻ và chưa cạnh tranh được với các loại cây khác. Diện tích trồng đậu tương đã
được mở rộng từ năm 2011 nhưng năng suất và sản lượng còn thấp. Năm 2013, tổng
sản lượng đậu tương toàn quốc mới chỉ đạt 168,4 nghìn tấn đáp ứng khoảng 1/10
nhu cầu. Năng suất tiếp theo (2014 và 2015) vẫn ở mức thấp. Vì thiếu khả năng
cạnh tranh, tới năm 2016, diện tích gieo trồng đậu tương đã bị giảm còn 94 nghìn
ha, sản lượng đạt 147,5 nghìn tấn, năng suất tăng nhẹ 8,2% so với năm 2015 (Bảng
1.1). Để bù đắp sự thiếu hụt về thực phẩm giàu protein trong nước, đồng thời đáp
ứng nhu cầu ngày càng tăng mạnh của nghành công nghiệp thức ăn chăn nuôi và
nuôi trồng thủy sản, Việt Nam phải nhập khẩu một lượng lớn bột đậu từ các nước
khác. Theo số liệu của Tổng cục Hải quan Việt Nam và USDA (United Stated
Department of Agriculture), năm 2012 Việt Nam nhập 1289,9 nghìn tấn đậu tương
(trị giá 777,3 triệu đô la Mỹ). Quí I/2013, Việt Nam nhập khẩu nguyên liệu thức ăn
chăn nuôi trên 712 triệu USD, tăng gần 54% so với cùng kỳ năm 2012, trong đó
những loại nguyên liệu thức ăn giàu đạm như đậu tương, khô dầu đậu tương phải
nhập khẩu khoảng 70 – 80 % nhu cầu. Theo ước tính gia trị nhập khẩu đậu tương 8
tháng đầu năm 2017 đạt hơn 1,1 triệu tấn và 509 triệu USD, tăng 17,9% về khối
lượng và tăng 22,5 % về giá trị so với cùng kỳ năm 2016.
Bảng 1.1. Tình hình sản xuất đậu tƣơng ở Việt Nam giai đoạn 2011-2016
Diện tích gieo trồng

Năng suất

Tổng sản lƣợng

(nghìn ha)

(tấn/ha)

(nghìn tấn)

2011

181,1

1,47

266,9

2012

119,1

1,45

173,7

2013

117,8

1,43

168,4

2014

109,4

1,43

156,5

2015

100,8

1,45

146,4

2016

94,0

1,57

147,5

Năm

Nguồn: Tổng cục Thống kê Việt Nam (GSO). Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

4

Thành phần dinh dưỡng trong hạt đậu tương rất cao, với hàm lượng protein
từ 38 - 40%, lipit từ 15 - 20%, carbohydrat từ 15 - 16% và nhiều loại vitamin và
muối khoáng quan trọng cho sự sống. Hạt đậu tương là loại sản phẩm duy nhất
mà giá trị của nó được đánh giá đồng thời trên 2 thành phần là protein và lipit.
Protein của hạt đậu tương không những có hàm lượng cao mà còn có đầy đủ và
cân đối các axit amin cần thiết. Lipit của đậu tương chứa một tỷ lệ cao các axit
béo chưa no (khoảng 60 -70%), có hệ số đồng hoá cao, mùi vị thơm như axit
linoleic chiếm 52- 65%, axit oleic chiếm 25 - 36%, axit lonolenoic chiếm 2 3%. Ngoài ra, trong hạt đậu tương còn có nhiều loại vitamin như vitamin PP, A,
C, E, D, K, đặc biệt là vitamin B1 và B2 [4].
1.1.3. Những vấn đề trong sản xuất đậu tương ở Việt Nam
Cũng như các nước sản xuất đậu tương trên thế giới, các yếu tố hạn chế đến
sản xuất đậu tương ở Việt nam bao gồm 3 nhóm yếu tố là: Nhóm yếu tố kinh tế xã hội, nhóm yếu tố sinh học và nhóm yếu tố phi sinh học. Yếu tố kinh tế - xã hội
hạn chế sản xuất đậu tương do chính sách của nhà nước, thủy lợi, cung ứng giống,
giá bán đậu tương và quan niệm của người dân về trồng cây đậu tương [3]. Nhóm
yếu tố sinh học hạn chế sản xuất đậu tương ở Việt Nam là sâu bệnh hại và thiếu
giống cho năng suất cao thích hợp với từng vùng sinh thái Đậu tương là cây trồng
bị nhiều loài sâu bệnh hại. Tại Việt Nam đã phát hiện ra trên 70 loại sâu hại thuộc
34 họ, 8 bộ và 17 loại bệnh. Trong đó 12-13 loại sâu và 4-5 loại bệnh hại phổ
biến ở nhiều vùng. Đối với đậu tương, các loài sâu hại nguy hiểm nhất là giòi đục
thân, sâu xanh, sâu đục quả, bọ xít, bọ nhảy, bọ trĩ, nhện... [3].
Các loại bệnh phổ biến hại đậu tương là lở cổ rễ, gỉ sắt, sương mai, đốm
chấm vi khuẩn, virus hại lá. Trong các loại bệnh trên ở miền Bắc bệnh gỉ sắt
thường gây hại nặng trong vụ Xuân. Bệnh gỉ sắt đã được phát hiện, có mặt và gây
thiệt hại trên tất cả các vùng trồng đậu tương trong cả nước, bệnh gây hại nặng
làm năng suất đậu tương giảm tới 40 - 50% [2].

5


Nhóm các yếu tố phi sinh học ảnh hưởng đến sản xuất đậu tương ở nước ta

chủ yếu là đất đai và điều kiện khí hậu bất thuận [3]. Theo Văn Tất Tuyên và
Nguyễn Thế Côn, năm 1995 cho biết: đối với đậu tương vụ Đông, nhiệt độ thấp ở
giai đoạn sinh trưởng cuối đã kéo dài thời gian chín, làm giảm khối lượng hạt,
thậm chí làm đậu tương không chín được.
Về yếu tố đất và dinh dưỡng, ở nước ta nông dân chưa thực sự coi cây đậu
tương là cây trồng chính, nên đậu tương thường được trồng trên đất bạc màu phần
lớn nghèo dinh dưỡng đồng thời lại đầu tư thâm canh hạn chế nên chưa phát huy
tiềm năng sẵn có của cây. Có 16 nguyên tố cần thiết cho sinh trưởng và phát triển
của cây đậu tương. Trong đó, 3 nguyên tố Carbon (C), Hydro (H) và Oxy (O) là
thành phần chủ yếu trong chất khô và được hấp thụ dưới dạng CO2, H2O và O2 tự
do trong không khí. Những nguyên tố cần thiết khác là N, P, K, Ca, Mg, S, Fe,
Mn, Mo, Cu, B, Zn và Cl. Bên cạnh đó Coban (Co) là nguyên tố cần thiết cho
việc cố định đạm (N) và cũng được coi là nguyên tố cần thiết [3].
Trước đây, bón phân là biện pháp cần thiết để tăng năng suất cho cây đậu
tương. Ngày nay, việc sử dụng phân vô cơ nhiều và không hợp lý đã làm cho môi
trường đất ngày càng xấu đi, môi trường bị ô nhiễm, không hiệu quả về mặt kinh tế.
Khi bón đạm, cây chỉ sử dụng 40 – 60 %, phần còn lại nằm trong đất và gây ô
nhiễm đất. Các nhà nghiên cứu về dinh dưỡng cây trồng thường nói đến ảnh hưởng
của hàm lượng nitrat quá cao trong nông sản có thể gây ung thư. Việc bón thúc đạm
sẽ làm cho hàm lượng nitrat tích lũy trên mặt đất và làm giảm chất lượng nước. Khi
bón đạm từ phân khoáng và phân hữu cơ thì sẽ có một lượng khí thải được đưa vào
không khí. Trước hết là khí NH3 làm ô nhiễm môi trường không khí, ngoài ra còn
khí NO2 làm ảnh hưởng đến tầng ozon, thường số lượng khí N2O sản sinh ra từ
phân bón là 15%. Trong phân chuồng, phân bắc chưa hoại mục có chứa nhiều mầm
bệnh cho người và gia súc và còn có thể gây hại cho rễ cây, vì vậy bón phân chuồng
khi chưa hoại mục sẽ phản tác dụng.

6

Đồng thời, trong nghiên cứu và trong thực tế đã cho thấy nhu cầu dinh dưỡng
vi lượng của cây đậu tương dù rất nhỏ những ảnh hưởng của chúng tới sinh trưởng
và phát triển của đậu tương lại rất lớn, không kém các nguyên tố dinh dưỡng đa
lượng. Các nguyên tố vi lượng giữ nhiều vai trò phức tạp trong dinh dưỡng của thực
vật, nhưng hầu hết đều thực hiện các chức năng của hệ thống enzyme, giữ vai trò
thiết yếu trong chuỗi phản ứng phức tạp của quang hợp và các quá trình trao đổi
chất. Sự thiếu vi lượng rất khó nhận biết do triệu chứng khác nhau, dễ lẫn với triệu
chứng do bệnh hại, đặc biệt là do virus. Nếu thiếu vi lượng, quá trình sinh trưởng và
phát triển của cây bị ảnh hưởng lớn, gây tổn thương sinh lý nghiêm trọng trong cây,
sức nảy mầm kém, rễ phát triển yếu, lá non bị vàng mất khả năng quang hợp, quả và
hạt dễ bị biến dạng, kém chất lượng, nâng suất cây trồng giảm, sâu bệnh phát triển
nhiều… Nhiều năm gần đây, nhu cầu bón phân vi lượng của nông dân trở thành
thiết yếu đến mức có hàng ngàn sản phẩm phân bón trên thị trường đều phối trộn
các loại vi lượng, chưa kể đến rất nhiều các loại phân bón vi lượng trong danh mục
phân bón Việt Nam. Tuy vậy, những nghiên cứu về phân bón vi lượng cho các loại
cây trồng trên những loại đất khác nhau còn rất ít. Vì vậy, khi bón nhiều phân vi
lượng nhưng thiếu cơ sở khoa học không chỉ tăng chi phí sản xuất mà còn có nguy
cơ gây ngộ độc như tình trạng thừa Ze, Fe, B, Mn trên cây lúa, thừa B trên khoai
lang, dưa chuột, dứa… đã làm thiệt hại lớn đến hiệu quả kinh tế và môi trường.
Hiện nay, đã có nhiều biện pháp được áp dụng để giải quyết những bài toán trên cho
cây đậu tương như bón phân hợp lý, luân canh, xen canh giữa các loại cây trồng để
phòng trừ sâu bệnh. Tuy nhiên, năng suất đậu tương vẫn còn thấp khiến cho giá
thành chưa cạnh tranh trên thị trường.
1.2. Quá trình chuyển hóa nitơ trong tự nhiên
1.2.1. Quá trình khoáng hóa
Quá trình khoáng hóa là quá trình phân hủy xác hữu cơ dưới tác động của
quần thể vi sinh vật thành các chất khoáng hòa tan hay các chất khí và tỏa nhiệt, tùy
thuộc vào điều kiện khoáng hóa mà cho các sản phẩm khác nhau. Giai đoạn này có
sự tham gia của các chủng vi sinh vật nitrat hóa như: Nitrosomonas và Nitrobacter
7

– những vi khuẩn tham gia vào quá trình oxy hóa những hợp chất chứa nitơ thành
nitrat (NO3-), một dạng thích hợp để cho cây trồng dễ hấp thu.
Vi khuẩn amon hóa
Hợp chất hữu cơ

NH4+
Vi khuẩn nitrat hóa

NH4

+

NO2Nitrosomonas
Nitrobacter

NO2

-

NO3-

1.2.2. Quá trình phản nitrat hóa
Là quá trình phân hủy chuyển hóa hợp chất nitrat trong điều kiện yếm khí
dưới tác dụng của vi sinh vật tao thành nitơ
Vi khuẩn phản nitrat hóa
NO3-

N2

1.2.3. Quá trình cố định nitơ phân tử
Quá trình này được thực hiện do các vi sinh vật cố định nitơ như Rhizobium
sống cộng sinh ở rễ cây họ đậu hay Azotobacter sống tự do, sẽ biến đổi N2 trong
không khí thành NH3, từ NH3 sẽ tổng hợp ra các chất chưa nitơ khác cung cấp cho
cây trồng và đồng thời làm giàu thêm nitơ cho đất. Để quá trình này xảy ra thì phải
có lực khử mạnh, ATP và thực hiện ở điều kiện kỵ khí (do chỉ trong điều kiện này
enzyme nitrogenase mới hoạt động).
Nitrogenase

H2 O

N2 + H 2

NH3
Vi khuẩn cố định đạm

8

NH4+


Trong công nghiệp, nhờ các chất xúc tác nên năng lượng dùng cho phản ứng
cố định N2 được giảm nhiều, chỉ vào khoảng 16 – 20 Kcal/M, song lượng năng
lượng vẫn còn lớn so với trong cơ thể sinh vật. Tốc độ phản ứng nhanh chóng trong
tế bào sinh vật ở nhiệt độ thấp nhờ có hệ thống hydrogenase hoạt hóa H2 và
nitrogenase hoạt hóa N2.
Năm 1961 – 1962, người ta đã tách từ Clotridium pasteurrianum hai tiểu phần
hoạt hóa H2 và N2. Sau này người ta tìm thấy ở Azotobacter cũng có các tiểu phần
đó. Trong quá trình hoạt hóa này có sự tham gia của 2 nguyên tố khoáng Mo và Fe.

Nguồn hydro để khử N2 có thể là hydro phân thử H2. Trong trường hợp này
thì dưới tác dụng của hydrogenase, điện tử được truyền theo hệ thống:
Nguồn cho điện tử và hydro là axit pyruvic. Đáng chú ý là trong quá trình
chuyền điện tử có sự tham gia tích cực của feredoxine (Fd). Fd là cấu nối giữa 2 hệ
enzymee hydrogenase và nitrogenase để cố định N2.
Sự cố định N2 của vi khuẩn nốt sần có thể xảy ra theo sơ đồ phức tạp hơn.
Trong các nốt sần có một chất có bản chất HEM rất giống với hemoglobin trong
máu gọi là leghemoglobin. Nó dễ dàng liên kết với O2 để biến thành
oxyhemoglobin. Leghemoglobin chỉ được tạo nên khi vi khuẩn sống cộng sinh với
cây họ đậu, còn khi nuôi cấy tinh khiết các Rhizobium không tạo leghemoglobin và
không cố định được N2.
Những nghiên cứu gần đây về quá trình cố định N2 cho thấy quá trình này đòi
hỏi: (i) có sự tham gia của enzyme nitrogenase, (ii) Enzyme này hoạt động trong
điều kiện yếm khí (có thể đây là nhân tố chìa khóa cho quá trình này), (iii) có lực
khử mạnh với thế năng khử cao (NAD, NADP,…), (iv) có năng lượng ATP đủ và
có sự tham gia của nguyên tố vi lượng. Nhóm hoạt động của enzyme nitrogenase có
chứa Mo và Fe. Vì vậy sử dụng Mo và Fe cho cây họ đậu tương thường có hiệu quả
rất cao và (v) tiến hành trong điều kiện yếm khí. Các chất khử là NADH2 và Fd
cùng với năng lượng do hô hấp, quang hợp của cây chủ cung cấp. Sự cố định N2 rất
cần nhiều năng lượng, cần 16 ATP để khử 1 N2. NH3 tạo thành trong quá trình cố
9


định N2 được sử dụng dễ dàng vào quá trình amine hóa các cetoacid để tổng hợp
một cách nhanh chóng các acid amine, từ đó tham gia vào tổng hợp protein và nhiều
quá trình trao đổi chất khác.
Phản ứng cố định nitơ được xúc tác bởi enzyme nitrogenase theo phương trình sau:
N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP → 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
Như phương trình trên, nitrogenase xúc tác cho phản ứng N2 thành NH3
trong sự hiện diện của ATP và chất khử như dithionite trong phòng thí nghiệm hay

ferredoxin trong cơ thể sống. Nitrogenase là một phức hệ enzyme được cấu tạo bởi
2 thành phần, một thành phần gọi là protein sắt – molypden (Mo – Fe protein) gọi là
thành phần I, thành phần kia gọi là protein sắt (Fe protein), còn gọi là nitrogenase
khử hay thành phần II. Thành phần I và thành phần II rất mẫn cảm với oxy, vì vậy
nên hoạt động cố định nitơ của vi sinh vật diễn ra trong điều kiện kỵ khí.
1.3. Tổng quan về vi khuẩn cố định nitơ
Theo các nghiên cứu cho thấy muốn thu hoạch 12 tạ hạt trên mỗi hecta, cây
trồng lấy đi khỏi đất khoảng 30 kg nitơ. Theo thống kê hàng năm các sản phẩm
nông nghiệp trên thế giới đã lấy đi khỏi đất 100 – 110 triệu tấn nitơ [7]. Trong đó
khi đó lượng phân nitơ hóa học hiện nay chỉ bù đắp được một phần lượng nitơ mà
cây lấy đi khỏi đất, những tổn thất về nitơ được bù đắp bởi một quá trình sinh học
đặc biệt gọi là quá trình cố định nitơ tự do vi sinh vật thực hiện, chúng có khả năng
chuyển hóa nitơ phân tử trong không khí thành các hợp chất chứa nitơ và làm giàu
thêm nguồn đạm trong đất, có thể xếp chúng vào hai nhóm lớn:
-

Nhóm vi khuẩn cố định N tự do gồm:
+ Vi khuẩn cố định N tự do hiếu khí: Azotobacter và Beijerinskia sp.
+ Vi khuẩn cố định N kỵ khí: Vi khuẩn thuộc nhóm Clostridium

-

Nhóm vi khuẩn cố định N cộng sinh như cộng sinh với rễ cây họ đậu
Rhizobium …

10


1.3.1. Vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh Rhizobium
Trong các hệ thống cố định nitơ sinh học, cố định nitơ cộng sinh giữa vi

khuẩn nốt sần (Rhizobium) và cây họ đậu là quan trọng nhất, ước tính đạt trên 80
triệu tấn mỗi năm, tương đương với lượng phân đạm vô cơ trên toàn thế giới sản
xuất năm 1990. Trong hệ thống cố định nitơ sinh học này, mỗi nốt sần là một nhà
máy phân đạm mini, trong đó cây chủ vừa là chỗ trú ngụ đồng thời cũng là nguồn
cung cấp năng lượng cho quá trình cố định nitơ của vi khuẩn và nhận lại lượng đạm
từ quá trình cố định nitơ để cung cấp cho quá trình tổng hợp đạm trong thân, lá, hoa
quả [7].
Vi khuẩn Rhizobium tồn tại trong đất, có thể xâm nhập vào các lông hút của
rễ cây bộ đậu và kích tác tạo thành nốt sần nên còn được goị vi khuẩn nó sần. Giữa
cây bộ đậu và vi khuẩn nốt sần hình thành mối quan hệ cộng sinh nghĩa là quan hệ
mà cả hai bên cần có nhau và dựa vào nhau để phát triển, trong đó vi khuẩn nốt sần
tổng hợp đạm nitơ từ trong không khí cung cấp cho cây và ngược lại cây trồng cung
cấp dinh dưỡng cần thiết để vi khuẩn nốt sần tồn tại và sinh trưởng.
Hình dáng, kích thước, màu sắc và vị trí nốt sần trên cây rất khác nhau, phản
ánh tình trạng liên kết giữa vi khuẩn nốt sần và hiệu quả cố định nitơ. Căn cứ vào
hiệu quả cố định nitơ, hai loại nốt sần được phân biệt, đó là nốt sần hữu hiệu và nốt
sần vô hiệu.
Dựa vào số lượng, kích thước và màu sắc thịt nốt sần, có thể đánh giá được
hiệu quả của quá trình cố định nitơ của cây đậu tương và chủng vi khuẩn tương ứng.
Rễ cây có mật độ nốt sần hữu hiệu cao, chứng tỏ khả năng cố định nitơ tự do của vi
khuẩn nốt sần tốt.
Vi khuẩn Rhizobium có trong đất, có thể xâm nhiễm vào rễ cây họ đậu tạo
thành nốt sần cho nên còn gọi là vi khuẩn nốt sần. Vi khuẩn Rhizobium thuộc
loại vi khuẩn hiếu khí, có dạng hình que, kích thước 0,5 ÷ 0,9 x 1,2 ÷ 3
micromet. Khi còn non có khả năng di động nhờ tiêm mao, không sinh bào tử,
sinh sản bằng cách phân bào.
11


Dựa vào tốc độ phát triển trên môi trường đặc nhân tạo, người ta chia vi

khuẩn nốt sần thành 2 loại:
+ Loại mọc nhanh như Rhizobium meliloti sống cộng sinh với cây linh lăng,
cây hồ lơ ba (R. Legusminosarum) với cây cỏ chẽ ba, đậu xanh, đậu hà lan, đậu
tằm… loại này có chu kỳ sinh trưởng 2 – 4 giờ. Trên môi trường thạch đĩa tạo
khuẩn lạc đường kính 2 – 4 mm sau 3 – 5 ngày nuôi cấy.
+ Loại mọc chậm như Bradyrhizobium japonicum sống cộng sinh với cây
đậu tương hay Bradyrhizobium sp. (lupines) của cỏ lupin loại này có chu kỳ sinh
trưởng 6 – 8 giờ. Khuẩn lạc hình thành trên môi trường thạch đĩa sau 5 – 7 ngày
nuôi cấy. Đường kính khuẩn lạc nhỏ không quá 1 mm.
Vi khuẩn nốt sần thuộc loại vi khuẩn gram âm, phát triển tốt ở nhiệt độ 28 –
30°C, pH 6,5 – 7,0. Trên môi trường đặc, Rhizobium thường tạo khuẩn lạc tròn, lồi,
mép nhãn, bóng, nhày, đục không màu. Chúng sử dụng nhiều nguồn đường khác
nhau, một vài axit hữu cơ, thậm chí cả polisacarit làm nguồn cung cấp năng lượng.
Vi khuẩn Rhizobium có thể phát triển trong môi trường nghèo đạm. Nguồn đạm
thường là pepton, axit amin …
Vi khuẩn Rhizobium có thể đồng hóa photpho, kali, canxi và các nguyên tố
khác từ các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Một số nguyên tố vi lượng như: đồng, sắt,
coban, mangan, bo, molipden cũng cần cho sự phát triển của chúng.
Một số chủng Rhizobium có thể tự sản sinh được vitamin và chất kích thích sinh
trưởng, một số chủng khác lấy vitamin từ môi trường sống. Trong công nghệ nuôi cấy
vi khuẩn Rhizobium dùng nước chiết men để cung cấp chất này cho chúng [8].
1.3.2. Vi khuẩn cố định nitơ tự do
1.3.2.1. Vi khuẩn cố định nitơ hiếu khí (Azotobacter)
Các loài Azotobacter thuộc loài vi sinh vật cố định nitơ hoạt động nhất.
Trong số loài Azotobacter đã được miêu tả thì các loài được nghiên cứu nhiều hơn
cả là Az. chroococcum; Az. agilis và Az. vinelandii. Az. chroococcum là loài chủ yếu

12

đối với đất đồng cỏ. Trong ao hồ thường gặp Az. agilis. Các loài nói trên khác nhau
ở đặc điểm sinh trưởng trên môi trường đặc, ở kích thước, hình thái, tế bào và một
số đặc điểm sinh lý học. Az. chroococcum tạo ra những khuẩn lạc nhầy, lồi hoặc
lan, lúc đầu không màu, sau đó biến thành màu nâu tối, thập trí đến đen nhưng
không làm nhuộm màu môi trường khuẩn lạc. Đặc điểm của Az. vinelandii và Az.
agilis có khuẩn lạc trong, nhầy, sinh sắc tố huỳnh quang màu vàng – lục hoặc lam –
lục, sắc tố khuếch tán vào môi trường [19];[20];[25].
Khi còn non tế bào của Azotobacter có khả năng di động, hình que đầu tròn,
đứng riêng rẽ hay xếp thành từng đôi, đồng chất, tế bào chất nhuộm màu đồng đều.
Chiều dài của tế bào thay đổi từ 2 – 3 µm đến 4 – 6 µm. Các tế bào của Az. agilis có
kích thước lớn nhất (5 – 6 µm). Dần các tế bào hình que chuyển thành hình cầu hay
hình bầu dục lớn với đường kính lên tới 4 µm, hình dạng không cố định. Khi có
tiêm mao rụng đi và tế bào trở lên bất động, bọc bao nhầy, tế bào xuất hiện cấu tạo
dạng hạt, các tế bài tròn có thể phủ lớp vỏ dày và chuyển thành kén.
Tất cả các loài Azotobacter đều sống dị dưỡng. Để dùng nguồn các bon, chúng
sử dụng nhiều nguồn hữu cơ khác nhau – monosaccarit, disaccarit, một số
polysacarit nhiều rượu, các axit hữu cơ trong đó bao gồm cả các hợp chất thơm.
Nguồn nitơ đối với Azotobacter không chỉ là nitơ phân tử mà còn là muối amon,
nitrat, nitrit, aminoaxit. Tùy thuộc vào các hợp chất chứa nitơ có trong môi trường
mà quá trình cố định nitơ trong môi trường sẽ cố định nhiều hay ít. Azotobacter có
nhu cầu lớn đối với photpho và canxi. Để cố định nitơ phân tử một cách mạnh mẽ
chúng cần có Mo và Bo. Azotobacter nhận được năng lượng từ quá trình oxy hóa
các hợp chất hữu cơ thành CO2 và H2O [9].
1.3.2.2. Vi khuẩn cố định nitơ ky khí
Nhiều loại thuộc giống Clostridium có khả năng cố định nitơ không khí: Cl.
pastuerianum, Cl. acetobutylicum, Cl. felsineum. Chúng thuộc một nhóm phân loại
nhưng khác nhau về đặc điểm hình thái sinh học và sinh lý sinh hóa học. Cl.
pasteurianum có khả năng đồng hóa nitơ phân tử mạnh mẽ nhất. Tế bào là loại trực
13

khuẩn khá lớn, dài 1,5 – 8 µm và rộng 0,8 – 1,3 µm Anton Hartmann (2006), B-R
Chandrasekar 2005. Đây là nhóm dị dưỡng hóa năng lượng hữu cơ, các nguồn hữu
cơ chúng sử dụng: monosaccarit, disaccarit và một số polysaccarit nhiều rượu, các
axit hữu cơ trong đó bao gồm các hợp chất thơm.
1.4. Công nghệ nano và ứng dụng của công nghệ nano trong nông nghiệp
Công nghệ nano có tiềm năng lớn trong việc cách mạng hóa nông nghiệp và
hệ thống thực phẩm bằng sự thay đổi cách thức thực phẩm được sản xuất, chế biến,
bảo quản, đóng gói, vận chuyển và tiêu thụ. Áp dụng những nguyên tắc cơ bản của
công nghệ nano vào trong khoa học nông nghiệp nhằm mục đích phát triển những
quy trình và sản phẩm, phân phối nguyên liệu đầu vào, thúc đẩy năng suất mùa vụ
mà không gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Công nghệ nano ứng dụng
trong nông nghiệp có tác dụng tăng cường hiệu quả sử dụng cho các yếu tố đầu vào
như giống, phân bón, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu. Công nghệ nano có thể mang đến
lợi ích đột phá trong trồng trọt, chăn nuôi, quản lý chất thải nông nghiệp, đất đai và
loại bỏ ô nhiễm nguồn nước. Trong hầu hết các nước APO (Asiaa Productivity
Organization – Tổ chức Năng suất Châu Á), việc ứng dụng công nghệ nano trong
nông nghiệp là một phương pháp mới rất được quan tâm hiện nay.
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Những thập kỷ gần đây trong chăn nuôi và trồng trọt ngày càng có xu hướng
thay thế thành phần vi lượng dưới dạng muối vô cơ hoặc phức chelat bằng các chế
phẩm thế hệ mới trên cơ sở các hạt nano. Kết quả nghiên cứu ứng dụng vi lượng
trông nông nghiệp trên thế giới đã chỉ ra rằng việc sử dụng trực tiếp muối kim loại
hoặc phức chelat của chúng bị hạn chế bởi liều lượng tối đa cho phép và nguy cơ
gây ô nhiễm đất và môi trường do phải sử dụng liều lượng cao [17].
Việc sử dụng các nguyên tố vi lượng dưới dạng hạt kích thước nano (dưới
100 nm) để đưa vào cây trồng đã bắt đầu được nghiên cứu. Kết quả bước đầu cho
thấy các chỉ số sinh lý, sinh hóa và năng suất của sản phẩm trồng trọt được tăng lên
đáng kể so với các chế phẩm phân vi lượng dạng muối kim loại hoặc chelat của

14


chúng. Một số công trình đề cập tới việc sử dụng các hạt oxit kim loại có kích thước
nano để xử lý hạt giống hoặc làm phân bón lá [45];[47]. Berahmand và cộng sự đã
sử dụng các hạt bạc kích thước nhỏ để kích thích tăng trưởng cho mầm cây ngô
bằng cách phun tưới dung dịch keo bạc (kích thước ~20 nm) với lượng bạc 40 g/ha,
cùng với sự trợ giúp của các thỏi nam châm cường độ 70 gaus được áp vào mỗi gốc
cây non. Kết quả thu hoạch cho thấy tỷ phần tổng khối lượng bắp tăng lên đến 41,3
% so với 32,4 % ở mẫu đối chứng, và hiệu suất thu hoạch 24,3 tấn/ha so với đối
chứng 19,8 tấn/ha (khối lượng khô).
Lu và cộng sự, năm 2002 nghiên cứu tác dụng của hỗn hợp hạt SiO2 và TiO2
làm tăng sức nảy mầm của hạt giống cây đậu [35]. Afshar và cộng sự, năm 2010
theo dõi tác dụng của phân bón lá chứa các loại kim loại có kích thước nano đối với
quá trình phát triển của cây đậu đũa trong điều kiện thời tiết khô hạn. Zhu và cộng
sự khảo sát quá trình hấp thu, vận chuyển và tích lũy các hạt oxit sắt trong cây bí
ngô [53]. Sah và cộng sự khảo sát ảnh hưởng của các hạt kim loại lên sự nảy mầm
của hạt xà lách và quần thể vi sinh vật trong đất trồng [47]. Ảnh hưởng của các hạt
ZnO tới tốc độ phát triển của hạt giống Vigna radiata, Cieer arietinum và cây lạc đã
được nghiên cứu [48];[26]. Theo đó, các ống cacbon siêu nhỏ đơn lớn (SWCNTS)
hoạt động như một hệ vận chuyển thông minh trong cây và có thể xâm nhập qua cả
lớp vỏ dầy của hạt giống để tác động lên quá trình nảy mầm và sinh trưởng của cây.
Trong nghiên cứu của Prasat và cộng sự sau khi củ lạc giống được xử lý bằng
dung dịch huyền phù nano ZnO (kích thước hạt 25 nm), sản lượng lạc thu hoạch đã
tăng 34% so với trường hợp xử lý bằng dung dịch sunfat Zn chelate hóa có cùng
nồng độ là 1000 mg Zn/L. Ngoài ra, các tác giả trên còn sử dụng dung dịch kẽm
oxit và chelate sunfat kẽm để phun lên lá cây lạc với nồng độ ZnO và chelate kẽm
tương ứng là 2 g/15 L và 30 g/15 L (tính theo nguyên tử Zn). Cơ chế tác dụng của
các hạt ZnO lên quá trình phát triển của cây được cho là các hạt ZnO sau khi xâm
nhập qua lớp vỏ của hạt giống đã thêm độ xốp mao quản trên lớp vỏ, dẫn đến làm

tăng khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng.

15