Các ứng dụng nông nghiệp mới nổi của các hạt nano bạc
Nông nghiệp canh tác là nền tảng của hầu hết các nền kinh tế đang phát triển, khoảng 60% dân số sống dựa vào nông nghiệp. Bộ phận nông nghiệp của Ấn Độ đại diện cho 18% tổng sản lượng quốc gia của Ấn Độ và cung cấp việc làm cho 50% lực lượng lao động của cả nước. Các lĩnh vực nghiên cứu như phát hiện bệnh cây trồng, cải thiện chất lượng đất, bón phân nano và nảy mầm hạt giống vẫn là những lĩnh vực được chú trọng và thu hút các nhà nghiên cứu. Để đối phó với lĩnh vực hấp dẫn này, Công nghệ nano, một lĩnh vực nghiên cứu liên ngành, đang cung cấp nền tảng. Ví dụ, sự tiến bộ trong phân bón nano, đang có hiệu suất hấp thụ cao vào cây mục tiêu do tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao. Sử dụng phân bón nano phốt pho, hiệu quả hấp thụ lên đến 90,6%. Một khía cạnh có lợi khác của việc sử dụng phân bón nano là khả năng cung cấp các chất dinh dưỡng giải phóng chậm vào cây trồng trong khoảng thời gian 40-50 ngày, thay vì khoảng thời gian 4-10 ngày của các loại phân bón thông thường. Trong bài viết này, chúng tôi đã thảo luận ngắn gọn về ứng dụng của công nghệ nano trong quan điểm nông nghiệp. Ở đây, chúng tôi đã tóm tắt các ứng dụng của hạt nano bạc (Ag) trong nông nghiệp như năng suất cây trồng, phát hiện bệnh cây trồng, đóng gói thực phẩm, chất lượng đất, v.v.
1. GIỚI THIỆU
Các nhu cầu cơ bản rõ ràng của con người bao gồm thực phẩm, chỗ ở, quần áo và thuốc men, … Nông nghiệp là một trong những ngành chính cung cấp thực phẩm cho con người, gián tiếp hoặc trực tiếp các nhu cầu khác. Dân số ngày càng gia tăng dẫn đến nhu cầu của tất cả những thứ nói trên tăng lên rất nhiều mặc dù nguồn tài nguyên thiên nhiên luôn sẵn có từ trồng trọt. Vì vậy, điều quan trọng nhất là phải đặc biệt quan tâm đến việc tìm hiểu kiến thức trong lĩnh vực nông nghiệp và sử dụng công nghệ mới để sản xuất cây trồng hiệu quả.
Mặc dù, ngành nông nghiệp cũng đã áp dụng canh tác dựa trên công nghệ được gọi là “canh tác thông minh”, nhưng vẫn có phạm vi nghiên cứu về vấn đề này để cải thiện. Sản xuất nông nghiệp phải đối mặt với thách thức trong việc tăng cường sản xuất cây trồng và cung cấp khẩu phần dinh dưỡng đầy đủ cho dân số ngày càng tăng, trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt bất định, khan hiếm nước, diện tích đất hạn chế (và bị thoái hóa ở nhiều nơi), và hầu hết là nước và không khí chất lượng kém, liên quan đến thay đổi đa dạng sinh học tự nhiên.
Để giải quyết những vấn đề này, cần phải khám phá một trong những công nghệ tiên tiến như ‘Công nghệ nano’ để phát triển những cách thức thông minh thúc đẩy năng suất cây trồng đồng thời đảm bảo an toàn môi trường và hiệu quả sử dụng cao hơn. Công nghệ nano xử lý các hạt ở kích thước nano (1-100 nm). Các vật liệu có kích thước siêu nhỏ khi giảm xuống kích thước nano thể hiện các đặc tính phân biệt do hạn chế lượng tử. [1]
Các đặc tính phụ thuộc vào kích thước của vật liệu nano dẫn đến các ứng dụng độc đáo. Khoa học nano đã mang lại cuộc cách mạng trong các lĩnh vực tiềm năng bằng cách phát triển các quy trình và sản phẩm khó có thể tiến hóa thông qua các phương pháp thông thường. Các ứng dụng hỗ trợ của công nghệ nano có tiềm năng thay đổi sản xuất nông nghiệp bằng cách cho phép quản lý và bảo tồn tốt hơn các đầu vào của sản xuất động thực vật.
Trong lĩnh vực nông nghiệp, nó có thể được sử dụng để quản lý côn trùng dịch hại thông qua các công thức của thuốc trừ sâu và thuốc trừ sâu dựa trên vật liệu nano, nâng cao năng suất nông nghiệp bằng cách sử dụng các hạt nano liên hợp sinh học (bao gói) đặc biệt để giải phóng chậm chất dinh dưỡng và nước, gen trung gian hạt nano và cho chuẩn bị nhiều loại cảm biến sinh học để canh tác chính xác.
Việc ứng dụng công nghệ nano vào ngành nông nghiệp và thực phẩm lần đầu tiên được đề cập trong một lộ trình của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ được công bố vào tháng 9 năm 2003. [2]
Việc sử dụng công nghệ nano trong nông nghiệp hầu hết chỉ là lý thuyết nhưng nó đã bắt đầu và sẽ tiếp tục có tác dụng đáng kể trong các lĩnh vực chính của phát triển nông nghiệp bằng cách sử dụng các vật liệu chức năng mới, phát triển sản phẩm, thiết bị đo an toàn thực phẩm và an ninh sinh học một cách hiệu quả. [3]
Các nhà nghiên cứu đã cho thấy năng suất cây trồng tăng lên nhờ sử dụng vật liệu nano theo nhiều cách. Các nhà khoa học nông nghiệp đã thu hút theo hướng cách mạng vật liệu nano. Các hạt nano bạc như tác nhân kháng nấm và kháng khuẩn có vai trò trong việc bảo vệ cây trồng nông nghiệp, nơi các hạt này cũng điều chỉnh dinh dưỡng thích hợp cho cây trồng. [4]
Cảm biến nano sử dụng các ống nano carbon hoặc bộ chuyển đổi nano đủ nhỏ để bẫy và đo các protein riêng lẻ hoặc thậm chí các phân tử nhỏ. [5] Các hạt nano oxit kẽm (kích thước hạt trung bình 25 nm) đã thúc đẩy sự nảy mầm của hạt, sức sống của cây con, và sự phát triển của cây và được chứng minh là có hiệu quả trong việc tăng sự phát triển của thân và rễ ở cây lạc. Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Leeds ở Anh đã xác định rằng các hạt nano oxit magie và oxit kẽm có hiệu quả cao trong việc tiêu diệt vi sinh vật và có thể được sử dụng trong bao bì thực phẩm. [6]
Nghiên cứu được thực hiện trên ứng dụng Fe, Ag, Mn, Zn, Cu, Mo, Ti và ống nano cacbon làm phân bón nano và thuốc trừ sâu nano để cải thiện sự phát triển của cây trồng cũng như bảo vệ thực vật. [7] Do đó, có thể đề xuất rằng những đổi mới phù hợp trong việc ứng dụng các công nghệ nano trong lĩnh vực nông nghiệp sẽ là hiện tượng đầy thách thức trong tương lai và có tiềm năng cách mạng hóa sản xuất nông nghiệp và thực phẩm cũng như giúp duy trì tính bền vững của các sản phẩm nông nghiệp một cách thích hợp.
Hình 1 cho thấy các ứng dụng khác nhau của công nghệ nano đối với lĩnh vực nông nghiệp. Trong bối cảnh đó, các bài báo này đã tổng hợp về các ứng dụng của nano bạc (Ag) trong phòng trừ sâu bệnh, cải tạo cây trồng, phát hiện bệnh hại cây trồng, đóng gói thực phẩm. Để tiến hành các ứng dụng của AgNp, việc chuẩn bị các hạt này phải được thực hiện một cách có hệ thống hơn. Các hạt nano bạc có thể được tổng hợp bằng các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học.
Do yêu cầu của điều kiện khắc nghiệt và hóa chất độc hại trong các phương pháp vật lý và hóa học, phương pháp sinh học được sử dụng rộng rãi. Là tổng hợp một bước và thân thiện với môi trường, các nhà nghiên cứu khác nhau đã tổng hợp các hạt nano bạc từ các nguồn khác nhau như chiết xuất thực vật, vi khuẩn, nấm, v.v.
2. Ứng dụng của nano bạc
Nano bạc là loại hạt nano được nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất cho hệ sinh học. Nó đã được biết đến là có tác dụng ức chế và diệt khuẩn mạnh cũng như một loạt các hoạt động kháng khuẩn. Các hạt nano bạc, có diện tích bề mặt cao và tỷ lệ nguyên tử bề mặt cao, có tác dụng kháng khuẩn cao so với bạc dạng khối. Ngoài ra, AgNPs đã được công nhận nổi tiếng về đặc tính chống oxy hóa, kháng khuẩn, kháng nấm, chống vi rút và chống viêm. Người ta thường đề cập rằng việc sử dụng AgNP trong nông nghiệp chủ yếu là lý thuyết nhưng trong tương lai gần các nhà nghiên cứu sẽ nhận được các ứng dụng đa dạng của các hạt nano bạc.
2.1 Tăng cường sự phát triển của cây trồng
AgNPs đã được sử dụng như một ứng cử viên tiềm năng để tăng năng suất cây trồng bằng cách tăng cường sự nảy mầm của hạt và sự phát triển của cây trồng. Nồng độ của các hạt nano bạc (AgNPs) ảnh hưởng đến phản ứng sinh trưởng của thực vật với các tác động tích cực hoặc tiêu cực. Ảnh hưởng của nồng độ Ag đến các thông số sinh trưởng của lúa mì, đậu đũa và Brassica được thể hiện trên Hình 2.
Nồng độ cụ thể của các hạt nano Ag phải được tối ưu hóa. Ảnh hưởng của các hạt nano bạc có đường kính 20 nm trên hạt Cỏ cà ri (Trigonella foenum-graecum) đã được thực hiện. [9] Các nồng độ khác nhau của các hạt nano bạc (0, 10, 20, 30 và 40 μg mL-1) đã được sử dụng và kết quả cho thấy hạt nảy mầm tối đa (76,11%), tốc độ nảy mầm (4.102), chiều dài rễ (76,94 mm), rễ tươi trọng lượng (2.783) và trọng lượng khô của rễ (1.204) ở nồng độ 10 μg mL− 1.
Việc cho cây tiếp xúc với các nồng độ cụ thể của AgNP có thể thúc đẩy sự phát triển của cây so với cây không tiếp xúc, trong khi nồng độ cao hơn và thấp hơn có thể có tác dụng ức chế sự phát triển của cây. [10] Phản ứng tăng trưởng của AgNPs sử dụng các nồng độ khác nhau (0, 25, 50, 100, 200 và 400 ppm) trong cây cải cúc và người ta kết luận một cách có hệ thống rằng xử lý 50 ppm đã được xác định là tối ưu với tác động tích cực đến trọng lượng tươi, rễ và chiều dài bắn. [11]
Ngoài ra, nồng độ AgNPs chịu trách nhiệm cho các tác động quan sát được đối với cả đậu đũa và Brassica; trong đậu đũa, nồng độ 50 ppm giúp thúc đẩy tăng trưởng và gián tiếp tăng nốt sần ở rễ. [12] Những kết quả này cho thấy rằng ứng dụng của các hạt nano bạc có thể được sử dụng để tăng cường đáng kể khả năng nảy mầm của hạt, thời gian nảy mầm trung bình, chỉ số nảy mầm của hạt, chỉ số sức sống của hạt, cây con trọng lượng tươi và trọng lượng khô.
Hình 2 Hiệu quả của nồng độ Ag đến các thông số sinh trưởng của lúa mì, đậu đũa và cải Brassica (sao chép với sự cho phép của [12], Copyright 2016, The Author). 2.2 Quản lý bệnh hại cây trồng và bảo vệ thực vật Phòng trừ dịch bệnh thực vật trên cây lương thực và cây ăn quả là lĩnh vực kinh tế quan trọng và cần được nghiên cứu.
Các AgNP dạng keo được phân tán tốt và ổn định sẽ kết dính hơn trên bề mặt tế bào vi khuẩn và nấm, do đó hoạt động như chất diệt khuẩn và diệt nấm tốt hơn. [13] Hình 3 cho thấy ứng dụng của vật liệu nano làm chất bảo vệ hoặc chất mang để bảo vệ cây trồng Các nhà nghiên cứu đã xây dựng thành tựu đáng kể trong việc kiểm soát bệnh thực vật với việc áp dụng AgNPs.
DNA chỉ đạo các nano bạc được phát triển trên graphene oxide và nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn chống lại xanthomonas perforans, một tác nhân gây bệnh đốm vi khuẩn ở Cà chua. [14] Hoạt động kháng khuẩn của chiết xuất thực vật là do sự hiện diện của các chất chuyển hóa thứ cấp như tanin, saponin và glycoside. [15]
Hoạt động kháng nấm in vitro của AgNPs chống lại mười chín loại nấm gây bệnh thực vật khác nhau được nghiên cứu. [16] Các hạt nano vàng arginine cation (ArgNPs) lắp ráp Cas9En (E-tag) -RNP (ribonucleoprotein) phân phối sgRNA cung cấp khoảng 30% hiệu quả chỉnh sửa gen tế bào chất / hạt nhân trong các dòng tế bào nuôi cấy, điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu phát triển cây trồng trong tương lai . [17] Hoạt tính chống nấm của các hạt nano bạc được tổng hợp bởi trichoderma longibrachiatum, chống lại chín dòng nấm phân lập như aspergillus thay thế và những loại khác. [18]
Các bệnh do vi khuẩn gây ra là một trong những nguyên nhân gây ra thiệt hại đáng kể về năng suất cây trồng trên toàn thế giới. AgNPs được chứng minh là có hoạt tính chống lại vi khuẩn gây bệnh cho cây trồng. Nó được tiết lộ rằng AgNPs có hoạt tính kháng khuẩn cao đối với vi khuẩn erwinia cartovora, E. so với các kháng sinh thông thường. [19] Họ cũng nghiên cứu hoạt tính kháng nấm của AgNPs chống lại viz nấm gây bệnh. Fusarium oxysporum, Alternaria alterta và aspergillus flavus và thu được những kết quả đầy hứa hẹn. Hiệu quả chống nấm của nano bạc dạng keo (đường kính trung bình 1,5 nm) đối với bệnh phấn trắng hoa hồng do sphaerotheca pannosa var rosae gây ra. Đây là một loại bệnh lây lan rất rộng và phổ biến cho cả hoa hồng trồng trong nhà và hoa hồng ngoài trời. Nó gây ra hiện tượng méo lá, quăn lá, rụng lá sớm và giảm ra hoa. Nano bạc hóa kép được điều chế bằng phản ứng hóa học của ion bạc với sự hỗ trợ của phương pháp vật lý, chất khử và chất ổn định. Nó giúp loại bỏ các vi sinh vật không mong muốn trong đất trồng cây và hệ thống thủy canh. Hơn nữa, bạc là một chất kích thích tăng trưởng thực vật tuyệt vời.
2.3 Sử dụng làm thuốc trừ sâu
Các hạt nano bạc đã được thử nghiệm làm thuốc trừ sâu để giảm gánh nặng dịch hại từ cây trồng. Nó có nhu cầu bảo vệ sâu bệnh và làm giàu dinh dưỡng. Điều này làm giảm việc sử dụng phân bón hóa học thường xuyên trong canh tác thông thường. Nó có thể tiêu diệt các vi sinh vật không mong muốn trong đất và hệ thống thủy canh. Như được thể hiện trong Hình 4, nó đang được sử dụng làm thuốc phun qua lá để ngăn chặn nấm, mốc, thối và một số bệnh thực vật liên quan đến vi sinh vật khác. [20] Dung dịch nước bạc, được sử dụng để điều trị thực vật, được báo cáo là có tác dụng phòng ngừa tuyệt vời đối với các vi sinh vật gây bệnh gây ra bệnh phấn trắng hoặc bệnh sương mai trên cây trồng. Hơn nữa, nó thúc đẩy hoạt động sinh lý và tăng trưởng của thực vật, gây bệnh và kháng stress cho cây trồng.
2.4 Bao bì thực phẩm
Quản lý sau thu hoạch, trong đó có bảo quản nông sản là một trong những ngành quan trọng của nông nghiệp. Các nghiên cứu trước đây đã báo cáo rằng bao bì chống vi khuẩn dựa trên AgNPs đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng thời hạn sử dụng của trái cây tươi và rau quả. [22] Hình 5 đưa ra ý tưởng ngắn gọn về ứng dụng của AgNPs trong bao bì thực phẩm. Tác dụng của lớp phủ AgNPs-PVP trong việc bảo quản măng tây xanh đã được nghiên cứu thành công. [23] Người ta quan sát thấy rằng lớp phủ của AgNPs PVP làm chậm quá trình giảm khối lượng, axit ascorbic và tổng chất diệp lục, làm giảm sự thay đổi màu sắc ở da của măng tây, ức chế sự gia tăng độ săn chắc của mô, sự phát triển của vi sinh vật và tăng thời hạn sử dụng của măng tây khoảng 10 ngày ở 2 ºC. Tương tự, việc bảo quản rau và trái cây bằng cách sử dụng AgNPs sinh tổng hợp được Fayaz và cộng sự kiểm tra. [24] Việc chuẩn bị màng natri alginate kết hợp AgNPs được thực hiện và nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn của nó, đo lượng giảm trọng lượng (%) của trái cây và rau quả, và thực hiện phân tích cảm quan. Giảm trọng lượng tối thiểu được quan sát thấy ở cà rốt và lê có tráng phim natri alginat với AgNPs so với đối chứng được tráng và không tráng natri alginat. Màu sắc, hình thức, kết cấu và mùi vị của cà rốt và lê được phủ màng natri alginat có chứa AgNPs được cho là có thể chấp nhận được trong thời gian bảo quản lên đến 10 ngày so với cà rốt và lê có tráng natri alginat không được tráng phủ và đối chứng. Ma trận polyme polyethylene (LDPE) mật độ thấp có chứa AgNPs đã được nghiên cứu để bảo quản và kéo dài thời hạn sử dụng của quả việt quất được lưu trữ. [25] Bao bì nano AgNPs-LDPE duy trì thành công các chất lượng cảm quan, hóa lý và sinh lý của quả dâu tây và dâu tây ở mức cao hơn so với bao bì thông thường bằng túi polyetylen.
2.5 Quản lý dịch hại
Có thể kiểm soát sâu bệnh bằng cách kết hợp các hạt nano vào chúng. Nano bạc đóng vai trò như một chất quản lý dịch hại hiệu quả, không độc hại, an toàn và là một công cụ kiểm soát dịch hại nâng cao, và thuốc trừ sâu dạng hạt nano bạc cũng cung cấp liều lượng thuốc trừ sâu cao cho cây trồng. [26,27] Hoạt động của thuốc trừ sâu nano bạc có thể giúp ích rất nhiều trong việc kiểm soát sâu bệnh, bởi vì trong phương pháp điều chế hạt nano bạc theo phương pháp xanh, Các tác nhân sinh học được sử dụng để tổng hợp chúng có thể là vi khuẩn hoặc thực vật và flavinoids có trong thực vật được chứng minh là độc hại đối với cây trồng . [28] Việc sử dụng AgNPs trong quản lý côn trùng gây hại đã được báo cáo. [29] AgNPs được sử dụng để kiểm soát bệnh trên mọt gạo và sâu ăn cỏ. Gạo bảo quản được xử lý bằng AgNPs vẫn không bị nhiễm bệnh kể cả sau 2 tháng xử lý, vì vậy người ta cho rằng Ag NPs cũng có thể được sử dụng như một chất bảo vệ hạt giống tuyệt vời.
3. Kết luận và phạm vi trong tương lai
Công nghệ nano là một công nghệ đầy hứa hẹn với khả năng tạo ra những thay đổi lớn trong ngành nông nghiệp. Nó ngày càng trở nên quan trọng đối với ngành kinh doanh nông nghiệp. AgNPs được công nhận là ứng cử viên tiềm năng trong nông nghiệp nhờ thể hiện những đặc điểm đáng chú ý. AgNP được sử dụng thành công để tăng năng suất cây trồng, bảo vệ cây trồng khỏi nhiễm vi khuẩn, nấm / bệnh và sự tấn công / phá hoại của sâu bệnh. Ngoài ra, AgNP được sử dụng dưới dạng ‘gói nano’ để tăng thời hạn sử dụng của nông sản tươi như trái cây và rau quả. Hiện nay, cần có những nghiên cứu đánh giá tác động thực tế của AgNPs đối với môi trường và sức khỏe con người trước khi đưa vào sản xuất và sử dụng đại trà trong các ứng dụng nông nghiệp. Mặc dù công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học mới nổi được khai thác rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau chủ yếu là điện tử, năng lượng, môi trường và y tế, ứng dụng của nó trong nông nghiệp hiếm khi được khai thác ở Ấn Độ và nước ngoài mặc dù nó có tiềm năng to lớn như một công cụ hữu hiệu mới trong lĩnh vực nông nghiệp. giải pháp cho các vấn đề hiện trường chưa được giải quyết. Công nghệ mới này sẽ hữu ích trên thị trường về mặt kinh tế. Các nghiên cứu trong lĩnh vực này ở Ấn Độ vẫn đang ở giai đoạn sơ bộ và cũng ở mức độ khái niệm để hiểu được những đánh giá thực tế. Người nông dân của chúng ta sẽ được hưởng lợi từ việc sử dụng sáng tạo như vậy trong nông nghiệp thì chỉ chúng ta mới có thể nhận ra việc sử dụng các hạt nano ở các khía cạnh xã hội. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ nano có phạm vi rộng để sử dụng các hạt nano đã chuẩn bị cho các ứng dụng nông nghiệp một cách thông minh.
Nguồn tham khảo: Emerging Agriculture Applications of Silver Nanoparticles
Sonali K. Kale,1,* Gajanan V. Parishwad,2 Avesahemad S. N. Husainy3 and Aishwarya S. Patil4