Nano kẽm oxit được phủ lên phân urê giúp tăng năng suất cây trồng
Các hạt nano kẽm oxit (ZnO-NP) hứa hẹn là chất dinh dưỡng phân bón mới cho cây trồng. Tuy nhiên, kích thước siêu nhỏ của chúng có thể cản trở việc ứng dụng tại hiện trường quy mô lớn do khả năng bị trôi, hòa tan hoặc kết tụ không kịp thời. Trong nghiên cứu này, urê được phủ bằng ZnO-NP (1%) hoặc ZnO kích thước lớn – bulk (2%) và được đánh giá trong lúa mì (Triticum aestivum L.) trong nhà kính, trong điều kiện khô hạn (40% khả năng giữ ẩm đồng ruộng; FMC) và không điều kiện khô hạn (80% FMC), so với urê không phủ ZnO (đối chứng) và urê có bổ sung ZnO-NP (1%) hoặc ZnO (2%). Thực vật đã tiếp xúc với ≤ 2,17 mg/kg ZnO-NP và ≤ 4,34 mg / kg ZnO dạng khối , cho thấy tỷ lệ tiếp xúc với Zn cao hơn từ ZnO dạng khối . ZnO-NP và ZnO bulk cho thấy hiệu quả phủ urê tương tự nhau là 74–75%. Hạn hán đáng kể (p ≤ 0,05) làm tăng thời gian bắt đầu trổ bông, giảm năng suất hạt và hạn chế sự hấp thu Zn, nitơ (N) và phốt pho (P). Trong điều kiện khô hạn, nano kẽm oxit làm giảm đáng kể thời gian trung bình đến khi trổ bông là 5 ngày, bất kể lớp phủ và so với đối chứng. Ngược lại, ZnO dạng khối không ảnh hưởng đến thời gian bắt đầu hình thành bông. So với đối chứng, năng suất hạt tăng đáng kể, 51 hoặc 39%, với urê được phủ ZnO-NP hoặc không phủ. Sự gia tăng năng suất từ urê được phủ ZnO dạng khối hoặc không tráng phủ là không đáng kể, so với cả nghiệm thức đối chứng và xử lý ZnO-NP. Sự hấp thụ Zn của cây trồng tăng lên 24 hoặc 8% với các ZnO-NP có phủ hoặc không phủ; và bằng 78 hoặc 10% với ZnO dạng khối có phủ hoặc không phủ. Trong điều kiện không khô hạn, việc xử lý Zn không làm giảm đáng kể thời gian bắt đầu trổ bông, ngoại trừ với ZnO dạng khối không phủ. So với đối chứng, nano kẽm oxit (không phân biệt lớp phủ) đã làm tăng đáng kể năng suất hạt; và các kẽm oxit được phủ tăng cường khả năng hấp thụ Zn đáng kể. Việc bón phân Zn không ảnh hưởng đáng kể đến sự hấp thu N và P, bất kể kích thước hạt hoặc lớp phủ. Nói chung, những phát hiện này chứng minh rằng việc phủ urê bằng nano kẽm oxit giúp tăng cường năng suất của cây trồng và tích lũy Zn, do đó thúc đẩy việc triển khai vi chất dinh dưỡng quy mô nano trên quy mô thực địa. Đáng chú ý, đầu vào Zn thấp hơn từ kẽm oxit đã nâng cao năng suất cây trồng, có thể so sánh với đầu vào cao hơn từ ZnO dạng khối. Điều này làm nổi bật một lợi ích chính của phân bón nano: giảm đầu vào chất dinh dưỡng vào nông nghiệp mà không bị ảnh hưởng đến năng suất.
Giới thiệu
Các hạt nano kẽm oxit (ZnO-NPs; ≤100 nm ở ít nhất một chiều) được kết hợp vào nhiều loại sản phẩm công nghiệp, y tế và gia dụng để nâng cao chất lượng và chức năng ( Piccinno và cộng sự, 2012 ). Tuy nhiên, ZnO là một chất phản ứng sinh học, gây ra các tác dụng có lợi, có hại cho môi trường. So với các hạt ZnO bulk, các hiệu ứng như vậy có thể được làm nổi bật nếu tiếp xúc với các ZnO-NP. Đây là kết quả của việc tăng cường khả năng phản ứng của các hạt nano phát sinh từ kích thước nhỏ và diện tích bề mặt lớn hơn của chúng, so với các hạt dạng khối. Những hiệu ứng cụ thể về chiều cao hoặc kích thước nano như vậy đã được quan sát thấy ở vi khuẩn, thực vật và các loài trên cạn khác ( Dimkpa và cộng sự, 2012b ; Dimkpa, 2014 ; Anderson và cộng sự, 2018 ; Rajput và cộng sự, 2018). Ngoài khả năng phản ứng ở kích thước nano lớn hơn, mức độ ảnh hưởng của ZnO-NP còn phụ thuộc vào liều lượng, loài thực vật và độ tuổi, lộ trình và thời gian tiếp xúc cũng như các điều kiện môi trường như độ pH và tương tác bề mặt với các thành phần đất khác ( Jośko và Oleszczuk, 2013 ; Watson và cộng sự, 2015 ; Mukherjee và cộng sự, 2016 ; García-Gómez và cộng sự, 2017 ; Dimkpa và cộng sự, 2019a ). Sự tương phản (độc hại so với. có lợi) tác dụng của ZnO-NP cho thấy chúng có thể được sử dụng làm phân bón thực vật nếu được cung cấp với liều lượng hợp lý. Theo đó, trong bối cảnh nông nghiệp và sức khỏe con người và môi trường, các ZnO-NP đang được đánh giá một cách có hệ thống trong thực vật để nâng cao khả năng điều chỉnh năng suất và hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng; tạo khả năng chống chịu với các căng thẳng sinh học và phi sinh học; và củng cố các bộ phận cây ăn được bằng Zn ( Elmer and White, 2016 ; Raliya et al., 2016 ; Dimkpa et al., 2017a ; Dimkpa et al., 2017b ; Elmer et al., 2018 ; Dimkpa et al., 2018b ; Zhang và cộng sự, 2018 ; Adisa và cộng sự, 2019 ; Dimkpa và cộng sự, 2019a ;Dimkpa và cộng sự, 2019b ).
Một trong những lợi ích tiềm năng của phân bón kích thước nano là khả năng giảm tỷ lệ bón phân dinh dưỡng mà không làm giảm năng suất ( Kottegoda et al., 2017 ), do đó tiết kiệm chi phí đầu vào và giảm tác động môi trường của phân bón hóa học một cách bền vững. Như đã thảo luận trước đây ( Dimkpa và Bindraban, 2018), bất chấp những lợi ích này, việc sử dụng làm phân bón nano Zn và các nguyên tố vi lượng thiết yếu khác trong sản xuất cây trồng trên cánh đồng quy mô lớn hiện không khả thi do có một số biến chứng tiềm ẩn. Trong trường hợp ứng dụng các hạt nano bột, sự lơ lửng của bột nano trong không khí sẽ dẫn đến tổn thất lớn và khả năng hít phải của con người và các nguy cơ về sức khỏe sau này đối với người xử lý và các mục tiêu sinh học ngoài ý muốn. Trong khi việc đặt sâu bột nano vào đất có thể giảm thiểu nguy cơ xử lý, thì sự bám dính của hạt vào bề mặt phân bón, đặc biệt là trong điều kiện ẩm ướt, có thể cản trở việc phân phối hiệu quả. Tương tự, huyền phù của các hạt nano trong nước, đặc biệt là các sản phẩm không ổn định (tức là vật liệu nano trần không có chức năng bề mặt), để sử dụng làm rãnh đất, phun qua lá, hoặc tưới phân có ít nhất hai vấn đề tiềm ẩn. Trong môi trường nước, các hạt có thể hòa tan thành ion; hoặc chúng có thể kết tụ lại thành các hạt không có kích thước nano. Sự hòa tan hạt ở tốc độ cao làm xáo trộn hiệu quả của việc xử lý bằng phân bón nano do hoạt động ion phổ biến (García-Gómez và cộng sự, 2017 ; Qiu và Smolders, 2017). Ngược lại với sự hòa tan, sự tập hợp của các hạt nano để tạo ra các hạt lớn hơn phủ định định nghĩa về “nano” và khả năng phản ứng sẽ giảm. Do đó, trong cả hai trường hợp, sự biến đổi hạt chống lại chức năng cơ bản của phân bón nano. Hơn nữa, sự khác biệt lớn về trọng lượng giữa hạt urê và bột ZnO gây ra sự phân tách phụ thuộc vào kích thước hạt khi chúng được trộn với nhau và đóng gói để vận chuyển. Vấn đề phân tách hạt này sẽ trở nên tồi tệ hơn khi sử dụng kẽm oxit để trộn với urê. Do đó, cần phải phát triển các phương pháp cung cấp chất dinh dưỡng kích thước nano hiệu quả và an toàn cho cây trồng, đồng thời hợp lý hóa các sự kiện bón phân trong chế độ bón đa lượng.Dimkpa và Bindraban, 2018 ). Các nghiên cứu trước đây đã mô tả lớp phủ của urê bằng kẽm oxit và nghiên cứu động học hòa tan Zn từ urê ( Milani và cộng sự, 2012 ; Milani và cộng sự, 2015 ); đáng chú ý là ảnh hưởng của urê phủ nano kẽm oxit đến năng suất của cây trồng không được đánh giá.
Khi phát triển các loại phân bón hỗ trợ nano để bón cho đất, hiệu quả của sản phẩm trong sản xuất cây trồng trên đồng ruộng có thể bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng tự nhiên như hạn hán, làm giảm khả năng di chuyển chất dinh dưỡng trong đất và do đó cây trồng hấp thụ. Thật vậy, hạn hán tiếp tục tàn phá các khu vực khác nhau trên toàn cầu, với những hậu quả tàn khốc đối với khả năng sinh học dinh dưỡng của đất và năng suất cây trồng ( Lesk và cộng sự, 2016 ; Moreno-Jiménez và cộng sự, 2019 ). Về mặt cơ học, Zn có thể giảm thiểu tác động của hạn hán trên cây trồng ( Karim và cộng sự, 2012 ; Dimkpa và cộng sự, 2017a ; Dimkpa và cộng sự, 2019b), do vai trò của Zn trong quá trình trao đổi chất điều hòa động lực của nước. Ví dụ, trong điều kiện căng thẳng về nước, thực vật tạo ra một lượng cao axit abscisic (ABA) để tối ưu hóa quá trình đóng khí khổng nhằm bảo tồn nước ( Karim và Rahman, 2015 ; Yang và cộng sự, 2018 ). Zn được biết là làm tăng sản xuất ABA trong thực vật ( Zengin, 2006 ; Yang và cộng sự, 2018 ), do đó tăng cường điều chỉnh khí khổng của ABA trong điều kiện hạn chế nước.
Người ta còn biết rất ít về việc liệu phủ ZnO-NP lên urê có dẫn đến kết quả tốt hơn, về mặt hiệu suất và khả năng thu nhận chất dinh dưỡng, đối với cây trồng phát triển trong điều kiện môi trường khó khăn và không có thách thức hay không, hoặc vật liệu mới này sẽ so với các chế độ bón phân khác như với urê và ZnO-NP được áp dụng riêng biệt. Mục tiêu của nghiên cứu này là: i) hiểu sự khác biệt về năng suất lúa mì sử dụng urê phủ ZnO-NP so với. urê tách riêng biệt với ZnO-NP; ii) xác định xem liệu ZnO-NP được phủ trên urê có thể giảm thiểu tác động của căng thẳng hạn hán đến năng suất của lúa mì hay không; và iii) đánh giá xem việc sử dụng liều lượng ZnO-NP thấp hơn có thể tạo ra các hiệu ứng tương đương như ZnO dạng khối ở liều lượng cao hơn hay không. Nói chung, tất cả các hiệu ứng được so sánh với các hiệu ứng của ZnO dạng khối để xác định tầm quan trọng của kích thước nano.
Nguyên liệu và phương pháp
Hóa chất
Các nano kẽm oxit thương mại (18 nm) được mua từ US Research Nanomaterials, Inc., Houston, Texas, Hoa Kỳ. Bột ZnO (≥1.000 nm) được mua từ Sigma-Aldrich, St Louis, Missouri, Hoa Kỳ. Đối với in vitro đặc trưng, một huyền phù của các kẽm oxit trong nước được thử sonic, sau đó để kết tủa. Phần nổi phía trên được lọc bằng pipet (lỗ 20 µm) và pha loãng 1:1 trong metanol. Một giọt (3 μl) huyền phù được gắn trên một lưới Cu bọc carbon 300 mesh. Các hạt nano được chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM; Hitachi 7800) ở chế độ phân giải cao ở điện áp gia tốc 80 kV. Hơn nữa, độ hòa tan của cả hai loại hạt ôxít trong đất thí nghiệm được đánh giá bằng cách cho 10 mg mỗi loại bột riêng biệt vào 20g đất và ủ ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ. Đất có gai được chiết xuất trong dung dịch chiết xuất axit diethylenetriaminepentaacetic (DTPA) ( Lindsay và Norvell, 1978), lắc, lọc và sau đó ly tâm ở tốc độ 10.000 vòng/phút trong 10 phút. Các chất nổi phía trên được thu thập và phân tích Zn hòa tan bằng phương pháp quang phổ phát xạ quang plasma kết hợp cảm ứng (ICP-OES; model Spectro Arcos, SPECTRO Analytical Instruments GmbH, Kleve, Germany). Các ZnO-NP không được đặc trưng thêm trong đất vì các đặc tính liên quan đến kích thước. Điều này là do sự phức tạp của môi trường đất, chẳng hạn như sự hiện diện của các chất keo kích thước nano tự nhiên, sẽ làm xáo trộn kết quả của đặc tính kích thước NP trong đất.
Phủ urê bằng bột ZnO
Bột nano kẽm oxit khô (0,4 g) hoặc bột ZnO (0,8 g) được cho vào các chai nhựa trong suốt. Đối với những thứ đó được thêm 0,4 ml dầu thực vật (cải dầu) thương mại và 0,08 ml màu thực phẩm đen (McCormick, Thung lũng Hunt, Maryland) cho bột nano ZnO, hoặc 0,8 ml dầu thực vật và 0,16 ml màu thực phẩm cho ZnO bột. Các hạt urê và bột ZnO đều có màu trắng; do đó, màu thực phẩm tạo ra sự tương phản báo hiệu sự liên kết vật lý của bột ZnO lên bề mặt urê mà nếu không thì rất khó quan sát bằng mắt thường. Các dung dịch được trộn để tạo ra bùn ZnO màu xám. Hạt urê được sàng trong các sàng có đường cắt 2 mm để thu được các hạt có kích thước đồng đều. Khoảng 40 g hạt urê đã được thêm vào bùn ZnO. Với tỷ lệ này, dầu thực vật và màu thực phẩm chiếm 1,0 và 0,2% trọng lượng, tương ứng của hạt urê, đối với hỗn hợp thuốc đối chứng và thuốc nano; và 2,0 và 0,4% trọng lượng urê tương ứng đối với hỗn hợp bột ZnO dạng khối. Tương tự, các ZnO-NP và ZnO dạng khối tương ứng với 1 và 2% trọng lượng của urê, tương ứng. Urê đối chứng chỉ được phủ bằng dầu thực vật và màu thực phẩm và không thêm bất kỳ bột ZnO nào. Mỗi hỗn hợp urê dạng hạt bùn được chuyển đến máy lắc cơ học tốc độ thấp tạo ra khoảng 32 vòng / phút và tất cả các mẫu được phép trộn qua đêm. Urê phủ ZnO được phân tích thành phần Zn cuối cùng bằng cách phân hủy axit (20 ml HCl 50%), sau đó đun sôi trong 15 phút, lọc và pha loãng. ICP-OES được sử dụng để xác định hàm lượng Zn. Urê ban đầu chứa 46% N; sau khi phủ, hàm lượng N tương ứng là 45,7 và 45,3%,
Chuẩn bị đất
Đất thí nghiệm là đất thịt pha cát, có các đặc điểm sau: pH 6,87; hàm lượng chất hữu cơ 0,92%; N và P khả dụng sinh học tương ứng là 4 và 2 mg / kg; và Zn khả dụng sinh học (có thể chiết xuất từ DTPA) là 0,1 mg / kg, cho thấy trạng thái của Zn thấp hơn rất nhiều so với mức đất quan trọng đối với hầu hết các loại cây trồng, 0,5–1,0 mg / kg. Đất đã được bổ sung P (75 mg / kg; từ monocalcium phosphate) và thêm vào chậu với liều lượng 8 kg / chậu, trong ba lần lặp lại. Không có K được thêm vào, vì đất chứa quá lượng vừa đủ, ở mức 1.903 mg / kg.
Sự phát triển của cây trồng
Một thí nghiệm trồng trong chậu trong nhà kính liên quan đến lúa mì mùa đông (Triticum aestivumvéc tơ. Dyna-Gro 9522) được tiến hành ở Muscle Shoals, Alabama (34,7448 ° N, 87,6675 ° W) trong thời gian từ tháng 11 đến tháng 5 năm 2018–2019 (nhiệt độ, 1–33 ° C; độ ẩm tương đối, 25–92%). Ba hạt lúa mì được gieo vào bầu và được tỉa thành một hạt khi nảy mầm. Hai tuần sau khi nảy mầm, bầu được bón phân urê có tráng Zn và không tráng; cụ thể, 217 mg urê được bón cho mỗi kg đất bằng cách bón phân dưới bề mặt cách gốc cây khoảng 2 cm và sâu khoảng 3 cm. Với 46% N, lượng urê dẫn đến tỷ lệ bón nitơ khoảng 100 mg / kg (217 x 0,46). Phủ urê với 1 hoặc 2% bột ZnO và bón 217 mg urê / kg đất dẫn đến việc bón 2,17 mg ZnO / kg đất cho hạt nano và 4,34 mg / kg đất cho hạt rời. Các mức này của ZnO tương ứng với ≈1. 7 và ≈3,5 mg Zn / kg đất, tương ứng. Do đó, tỷ lệ Zn tương ứng được sử dụng trực tiếp để cải tạo trong đất cho các nghiệm thức urê không phủ không đối chứng, tương ứng với ≈17,4 mg ZnO-NP và ≈34,7 mg bột ZnO dạng khối trên mỗi chậu. Cuối cùng, năm phương pháp xử lý urê-Zn đã được thiết lập, mỗi phương pháp trong ba lần lặp lại: i) đối chứng (urê phủ dầu thực vật và màu thực phẩm); ii) kiểm soát urê phủ ZnO-NP (1%); iii) kiểm soát urê + bổ sung riêng lẻ nano kẽm oxit ZnO-NP (1%); iv) kiểm soát urê phủ ZnO dạng khối (2%); và v) kiểm soát urê + bổ sung riêng lẻ dạng khối ZnO (2%). Mỗi nghiệm thức này được sao chép cho các điều kiện khô hạn và không khô hạn, dẫn đến tổng cộng 10 nghiệm thức. tương ứng với ≈17,4 mg ZnO-NP và ≈34,7 mg bột ZnO dạng khối trên mỗi chậu. Cuối cùng, năm phương pháp xử lý urê-Zn đã được thiết lập, mỗi phương pháp trong ba lần lặp lại: i) đối chứng (urê phủ dầu thực vật và màu thực phẩm); ii) kiểm soát urê phủ ZnO-NP (1%); iii) kiểm soát urê + bổ sung riêng lẻ ZnO-NP (1%); iv) kiểm soát urê phủ ZnO dạng khối (2%); và v) kiểm soát urê + bổ sung riêng lẻ dạng khối ZnO (2%). Mỗi nghiệm thức này được sao chép cho các điều kiện khô hạn và không khô hạn, dẫn đến tổng cộng 10 nghiệm thức. tương ứng với ≈17,4 mg ZnO-NP và ≈34,7 mg bột ZnO dạng khối trên mỗi chậu. Cuối cùng, năm phương pháp xử lý urê-Zn đã được thiết lập, mỗi phương pháp trong ba lần lặp lại: i) đối chứng (urê phủ dầu thực vật và màu thực phẩm); ii) kiểm soát urê phủ ZnO-NP (1%); iii) kiểm soát urê + bổ sung riêng lẻ ZnO-NP (1%); iv) kiểm soát urê phủ ZnO dạng khối (2%); và v) kiểm soát urê + bổ sung riêng lẻ dạng khối ZnO (2%). Mỗi nghiệm thức này được sao chép cho các điều kiện khô hạn và không khô hạn, dẫn đến tổng cộng 10 nghiệm thức. iv) kiểm soát urê phủ ZnO dạng khối (2%); và v) kiểm soát urê + bổ sung riêng lẻ dạng khối ZnO (2%). Mỗi nghiệm thức này được sao chép cho các điều kiện khô hạn và không khô hạn, dẫn đến tổng cộng 10 nghiệm thức. iv) kiểm soát urê phủ ZnO dạng khối (2%); và v) kiểm soát urê + bổ sung riêng lẻ dạng khối ZnO (2%). Mỗi nghiệm thức này được sao chép cho các điều kiện khô hạn và không khô hạn, dẫn đến tổng cộng 10 nghiệm thức.
Một tuần sau khi xử lý Zn, một phần cây con phải chịu áp lực về hạn hán bằng cách duy trì đất ở 40% khả năng giữ ẩm đồng ruộng (FMC) cho đến khi thu hoạch. Bốn mươi% FMC đã được xác định trước bằng cách sử dụng đất trồng trong chậu không thử nghiệm. Cuối cùng, mỗi chậu được ngập trong nước cho đến khi rửa sạch hoàn toàn trong 24 giờ vào một giá đỡ bên dưới. Sau đó, các chậu được cân và xác định nước trong đất ở 100% FMC bằng cách lấy trọng lượng ở 100% FMC trừ đi trọng lượng của đất bị rửa trôi. Với cây trồng trong chậu, các chậu riêng lẻ được cân định kỳ để xác định lượng nước cần thiết cho mỗi chậu, vì sinh khối thực vật khác nhau trên mỗi chậu. Sau đó, lượng nước cần thiết cho mỗi chậu đã được thêm vào để đạt được 40% FMC. Chế độ này được duy trì trong suốt phần còn lại của thời kỳ sinh trưởng của cây để giữ cho cây khô hạn ở mức FMC 40%. Ngược lại, các nhà máy không bị căng thẳng được giữ ở mức 80% FMC. Trong quá trình sinh trưởng, thời gian ra hoa (sự bắt đầu của bông bởi chồi chính) được theo dõi; và khi cây trưởng thành hoàn toàn, cây được thu hoạch, năng suất hạt được phân tích, và các bộ phận của cây trên mặt đất được phân tích về hàm lượng dinh dưỡng.
Phân tích chất dinh dưỡng thực vật
Các mô thực vật sau khi thu hoạch được sấy trong lò ở 60 ° C cho đến khi đạt được trọng lượng không đổi. Các mô khô được nghiền thành bột bằng Máy nghiền trong Phòng thí nghiệm Thomas Wiley Model 4 (Pennsylvania, Hoa Kỳ). Các mô đất được phân hủy bằng axit trong dung dịch axit sunfuric 75% (3 ml axit + 1 ml H 2 O 2 50% ), được đun nóng trong 1 giờ ở 350 ° C, làm lạnh đến nhiệt độ môi trường xung quanh và được cân bằng bằng chưng cất. H2O. Các mẫu phụ của các mô đã chuẩn bị sau đó được phân tích dòng phân đoạn Skalar đối với N và P, hoặc ICP-OES đối với Zn như đã nêu ở trên. Các mẫu đất cũng được thu thập từ các chậu thu hoạch cho mỗi lần xử lý, để xác định độ pH và mức độ khả dụng sinh học của N (dưới dạng các phân đoạn amoni và nitrat), P và Zn. Vì vậy, đất không có bất kỳ hạt rễ nào được thu thập cho mỗi lần xử lý. Các quy trình chi tiết để khai thác đất và phân tích các nguyên tố này đã được mô tả trước đây ( Dimkpa và cộng sự, 2018a ).
Phân tích dữ liệu
Một phân tích phương sai hai chiều (ANOVA; OriginPro 2018) đã được sử dụng để xác định sự khác biệt đáng kể trong phản ứng của thực vật đối với các xử lý Zn như một hàm của trạng thái nước, cho mỗi biến, bao gồm sự phát triển sinh dưỡng và sinh sản cũng như hàm lượng dinh dưỡng của cây và đất mẫu. So sánh trung bình Fisher chênh lệch ít có ý nghĩa nhất (LSD) được thực hiện để khám phá thêm sự khác biệt với ANOVA có ý nghĩa (p = 0,05). Xem xét rằng tỷ lệ tiếp xúc thực tế của Zn giữa các nghiệm thức ZnO là khác nhau, các giá trị thu được cho các biến đo lường thực vật khác nhau với ANOVA đáng kể đối với xử lý Zn (cụ thể là thời gian bắt đầu trổ bông, năng suất hạt và sự hấp thụ Zn) được chuẩn hóa bằng cách chia các giá trị bằng tỷ lệ tiếp xúc với Zn tương ứng.
Kết quả
Đặc tính của các hạt nano kẽm oxit
Hình ảnh của các nano kẽm oxit thu được bằng TEM được trình bày trong Hình 1 . Các nano kẽm oxit có nhiều hình dạng, bao gồm hình chữ nhật, hình ống, góc cạnh và hình tròn. Tuy nhiên, các hạt có hình dạng vô định hình cũng có thể được nhìn thấy. Các hạt có kích thước nhỏ hơn 100 nm và các hạt khác có kích thước lớn hơn 100 nm đã có mặt, xác nhận sự hiện diện của cả cấu trúc tập hợp và kích thước nano rời rạc. Khả năng hòa tan trong đất của các hạt sau 24 giờ là tương tự giữa các ZnO-NP và ZnO dạng khối, với sự phục hồi khoảng 100% khi 10 mg ZnO được áp dụng trong 20 g đất không có thực vật.
Lớp phủ Urea với nano kẽm oxit và các hạt dạng khối
Việc phủ urê bằng bột nano kẽm oxit và ZnO dạng khối trong dầu thực vật và bột màu thực phẩm dẫn đến các hạt urê có màu xám đen, trái ngược với urê không tráng có màu trắng. Quan sát bằng mắt thường cho thấy toàn bộ bề mặt của mỗi hạt urê được phủ một lớp bùn, cho thấy độ phủ đồng đều ( Hình 2). Tuy nhiên, đánh giá sau khi phủ của quy trình chỉ ra rằng không phải tất cả bùn được phủ lên urê; Một số hạt khô có màu xám bám vào thành thùng nhựa dùng để trộn bùn và urê. Theo đó, xác định hàm lượng Zn trong hạt urê phủ Zn, cho thấy hàm lượng Zn trong urê phủ nano chỉ bằng 0,74 ± 0,002% trọng lượng urê, trái với chỉ tiêu 1% ban đầu. Tương tự, Zn trong urê bọc dạng khối là 1,51 ± 0,003% trọng lượng urê, trái ngược với mục tiêu 2%. Với lượng ZnO ban đầu là 0,4 và 0,8 g, phát hiện này ngụ ý rằng chỉ ≈0,3 g nano và ≈0,6 g bột ZnO dạng khối cuối cùng được phủ lên 40 g urê. Điều này cho thấy hiệu quả tương tự, 74 và 75%, lớp phủ urê đối với bột nano và ZnO dạng khối. Từ quan điểm của việc tiếp xúc với thực vật,Bảng 1 ).
Ảnh hưởng của Urea phủ Zn đến sự phát triển của Panicle trong lúa mì trong điều kiện căng thẳng hạn hán
So với điều kiện đủ nước (80% FMC), hạn hán (40% FMC) làm chậm đáng kể thời gian trổ bông ở cây lúa mì khoảng 4–11 ngày, tùy thuộc vào cách xử lý ( Hình 3 ; bảng bên trái). Trong điều kiện khô hạn, nano kẽm oxit ZnO-NP làm giảm mạnh sự chậm trễ trong thời gian bắt đầu trổ bông, bất kể kim loại có được phủ lên urê hay không. Ngược lại, dạng khối ZnO không phân biệt lớp phủ không ảnh hưởng đến thời gian hình thành bông trong điều kiện khô hạn. Nhìn chung, việc bón phân Zn có ít ảnh hưởng đáng kể đến thời gian trổ bông trong kịch bản không khô hạn, mặc dù có xu hướng rõ ràng là giảm thời gian hình thành bông ở tất cả các nghiệm thức sử dụng Zn. Chỉ trong trường hợp dạng khối ZnO không được tráng thì thời gian hình thành bông khác hẳn so với đối chứng ( Hình 3; bảng điều khiển bên trái). Tuy nhiên, khi các ảnh hưởng của tốc độ tiếp xúc thực tế của Zn được xem xét bằng cách biểu thị các giá trị trên mg Zn theo sự thay đổi trong thời gian bắt đầu bông hoa và bình thường hóa trên một đơn vị tiếp xúc Zn, có thể thấy rằng ZnO-NP, bất kể lớp phủ hay không phủ urê, đặc biệt tạo điều kiện cho cây phát triển trong điều kiện khô hạn, so với các phương pháp xử lý bằng ZnO dạng khối ( Hình 3 ; bảng bên phải). Tuy nhiên, theo gợi ý của dữ liệu trong bảng điều khiển bên trái, tác dụng cụ thể của nano này không rõ ràng trong điều kiện không khô hạn.
Ảnh hưởng của Urê phủ Zn đến Năng suất Hạt Lúa mì trong Điều kiện Áp suất Hạn hán
Hạn hán làm giảm mạnh năng suất ngũ cốc, so với điều kiện không khô hạn, 59–73%, tùy thuộc vào cách xử lý. Trong điều kiện khô hạn, nano kẽm oxit làm tăng đáng kể năng suất hạt so với đối chứng và không phân biệt có phủ urê hay không. Ngược lại, dạng khối ZnO dẫn đến các tác động trung gian, không đáng kể đến năng suất hạt, so với cả nghiệm thức đối chứng và xử lý nano kẽm oxit ZnO-NPs. Cũng như với việc xử lý ở cấp độ nano, việc phủ urê bằng ZnO dạng khối không tạo ra hiệu quả khác biệt đáng kể, so với việc áp dụng riêng lẻ ZnO dạng khối ( Hình 4; bảng điều khiển bên trái). Ảnh hưởng của Zn đến năng suất ngũ cốc ở các nghiệm thức không khô hạn bắt chước ảnh hưởng của các nghiệm thức khô hạn. Thật không may, sự thay đổi lớn hơn trong các lần lặp lại (như được chỉ ra bởi các thanh sai số lớn) của các nghiệm thức ôxít dạng khối trong cả hai điều kiện tăng trưởng, hơn nữa trong điều kiện không khô hạn, dẫn đến các tác động không đáng kể của nghiệm thức đó, so với đối chứng ( Hình 4 ; bảng điều khiển bên trái). Khi hiệu ứng Zn được đánh giá bằng cách chuẩn hóa theo đơn vị Zn, lớp phủ bằng Zn tạo ra hiệu ứng tương tự như không phủ lên năng suất hạt, đối với cả nano kẽm oxit ZnO-NP và ZnO dạng khối trong điều kiện khô hạn. Tuy nhiên, ảnh hưởng của kích thước nano đã rõ ràng. Tương tự như điều kiện khô hạn, ảnh hưởng của kích thước nano đến năng suất cũng được chứng minh rõ ràng, không phụ thuộc vào lớp phủ Zn ( Hình 4; bảng điều khiển bên phải).
Ảnh hưởng của Urê phủ Zn đối với sự hấp thụ kẽm trong lúa mì dưới áp lực hạn hán
Hạn hán làm giảm mạnh sự hấp thu Zn vào các mô lúa mì trên mặt đất so với điều kiện không khô hạn, 29–116%, tùy thuộc vào cách xử lý. Trong điều kiện khô hạn, việc phủ các hạt ZnO kích thước nano hoặc dạng khối lên urê làm tăng đáng kể sự hấp thu Zn, so với xử lý urê đối chứng. Hiệu quả của lớp phủ với các hạt oxit kích thước nano không khác biệt đáng kể so với hiệu quả của việc sửa đổi riêng biệt các hạt nano. Ngược lại, urê được phủ bằng ôxít dạng khối mang lại sự hấp thụ Zn lớn hơn đáng kể, so với urê có ôxít dạng khối được bổ sung riêng biệt ( Hình 5; bảng điều khiển bên trái). Trong điều kiện không khô hạn, chỉ urê phủ nano kẽm oxit làm tăng đáng kể sự hấp thu Zn so với đối chứng; các nghiệm thức khác dẫn đến giá trị trung bình về sự hấp thụ Zn khi so sánh với đối chứng và urê phủ nano kẽm oxit ZnO-NP ( Hình 5 ; bảng điều khiển bên trái). Dữ liệu chuẩn hóa đã xác nhận lớp phủ urê bằng ZnO-NP có hiệu quả hơn đối với sự tích tụ Zn, so với các sửa đổi riêng biệt. Tương tự, các ZnO-NP có hiệu quả hơn trong việc phân phối Zn trên mặt đất so với loại ZnO Zn nguyên khối. Những tác động này nhất quán trong cả điều kiện sinh trưởng khô hạn và không khô hạn ( Hình 5 ; bảng bên phải).
Ảnh hưởng của Urê phủ Zn đối với sự hấp thụ Nitơ và Phốt pho trong lúa mì dưới áp lực hạn hán
Hạn hán làm giảm mạnh sự hấp thu N vào các mô lúa mì trên mặt đất (chồi và hạt) so với điều kiện không khô hạn từ 12–23%, tùy thuộc vào cách xử lý. Tuy nhiên, việc bổ sung Zn không giảm thiểu tác động của stress do hạn đến sự hấp thu N, bất kể loại Zn, lớp phủ hay không trên urê, và tình trạng nước của cây ( Hình 6 ; bảng điều khiển bên trái). Cũng như N, hạn hán làm giảm đáng kể sự hấp thu P vào các mô lúa mì trên mặt đất từ 18–37% so với điều kiện không khô hạn. Đáng chú ý, việc bổ sung Zn cũng không giảm thiểu tác động tiêu cực của hạn hán đối với sự hấp thụ P, bất kể loại Zn có được phủ lên urê hay không, và tình trạng nước của cây ( Hình 6 ; bảng bên phải).
Ảnh hưởng của Urê phủ Zn đến pH đất sau thu hoạch và N, P và Zn dư
Sự phát triển của thực vật trong đất khô hạn có bổ sung và không bổ sung Zn không làm thay đổi đáng kể độ pH của đất so với giá trị trước khi trồng là 6,87. Ngược lại, độ pH của đất bị thay đổi đáng kể khi tưới nước đầy đủ so với điều kiện khô hạn; Tuy nhiên, sự tăng pH trong điều kiện tưới nước bình thường không bị ảnh hưởng đáng kể bởi việc xử lý Zn ( Bảng 2 ). Hạn hán làm cho N tồn dư trong đất cao hơn đáng kể cả ở dạng phân đoạn amoni và nitrat. Trong cả hai phần, việc bổ sung Zn không ảnh hưởng đáng kể đến N dư, bất kể trạng thái nước. Tuy nhiên, N tồn tại trong đất dưới dạng nitrat nhiều hơn là amoni trong mọi trường hợp, ngoại trừ việc xử lý bằng ZnO dạng khối được sửa đổi riêng biệt trong cả hai điều kiện sinh trưởng ( Bảng 2). Mức P dư bị ảnh hưởng bởi trạng thái nước, nhưng không bị ảnh hưởng bởi việc xử lý Zn ( Bảng 2 ). Zn dư không bị ảnh hưởng bởi trạng thái nước của đất nhưng bị ảnh hưởng đáng kể khi xử lý Zn. Trong điều kiện khô hạn, tất cả các phương pháp xử lý Zn đều làm tăng lượng Zn dư, nhiều hơn với các hạt ZnO dạng khối. Trong điều kiện không khô hạn, chỉ các nghiệm thức ôxít dạng khối đã làm tăng đáng kể lượng Zn dư trong đất ( Bảng 2 ). Những tác động này tương tự nhau trong mỗi trường hợp, bất kể urê được phủ hay không với Zn.
Thảo luận
Các nano kẽm oxit có hình dạng tương tự như thu được trong nghiên cứu này trước đây đã được quan sát và sự kết hợp của các ZnO-NP khi lơ lửng trong nước cũng được ghi lại (xem ví dụ: Dimkpa và cộng sự, 2012a ; Zhang và cộng sự, 2018). Tuy nhiên, sự tổng hợp cũng có thể là do làm khô huyền phù trên lưới TEM. Tuy nhiên, chúng tôi chứng minh trong nghiên cứu này rằng việc phủ urê với liều lượng thấp bột ZnO-NP khô có thể nâng cao năng suất lúa mì bằng cách thúc đẩy sự phát triển hình thái học (bắt đầu bông lúa) và tăng năng suất hạt và dinh dưỡng Zn từ đất thiếu Zn bị khô hạn. . Theo hiểu biết của chúng tôi, đây là báo cáo đầu tiên về ảnh hưởng của urê phủ ZnO-NP đối với năng suất cây trồng trong điều kiện sinh trưởng khó khăn, trong trường hợp này là hạn hán. Việc phủ các loại phân bón rời như urê có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các chế độ phân bón đòi hỏi phải sử dụng đồng thời các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng. Tuy nhiên,Santos và cộng sự, 2018 ). Theo đó, việc phủ vật lý các hạt nano vi lượng lên phân bón dạng khối đã được khuyến nghị là một lựa chọn khả thi để giải quyết vấn đề này ( Dimkpa và Bindraban, 2018 ).
Milani và cộng sự. (2015) phủ urê bằng nano kẽm oxit và dạng khối ZnO (mỗi loại ở mức 1,5%) bằng cách phun một lượng nhỏ nước đóng vai trò là chất liên kết cho các hạt, sau đó là làm khô. Họ báo cáo rằng sự hòa tan Zn thấp, <1%, tương tự từ các sản phẩm trong đất vôi kiềm, trong đó độ pH cao do urê gây ra ảnh hưởng đến sự hòa tan Zn do sự kết tụ của các hạt phụ thuộc vào pH. Tuy nhiên, không giống như đất kiềm, đất được sử dụng trong nghiên cứu này hơi chua (pH 6,87), và các nghiệm thức urê-Zn không làm thay đổi đáng kể độ pH sau khi cây phát triển ( Bảng 2), có thể là do sự tiết ra của các axit hữu cơ chống lại bất kỳ độ kiềm nào do urê gây ra. Điều này cho thấy rằng sự hòa tan là số phận chính của ZnO đối với cả hai loại Zn, trong hệ thống urê có lớp phủ và không có lớp phủ. Điều này được chỉ ra bởi mức Zn dư sinh khả dụng cao tương tự trong đất sau thu hoạch ( Bảng 2 ), điều này đồng ý với một nghiên cứu trước đây ( García-Gómez et al., 2017 ). Irfan và cộng sự. (2018) cũng phủ urê bằng các hạt ZnO dạng khối (2%) bằng cách sử dụng hỗn hợp sền sệt bao gồm sáp mật ong, kẹo cao su arabica (5% mỗi loại), sáp parafin hoặc mật đường, không có và có đun nóng (60 ° C) dưới sự khuấy đều. Họ báo cáo rằng độ hòa tan của Zn sau 24 giờ lớn hơn trong hệ thống được làm nóng. So với các phương pháp của Milani et al. (2012) vàIrfan và cộng sự. (2018) , quy trình được mô tả trong nghiên cứu hiện tại, mặc dù dễ dàng như nhau, là khác nhau vì dầu thực vật và màu thực phẩm đã được sử dụng. Điều này có thể cung cấp các đặc tính liên kết khác nhau và khả năng hòa tan của Zn, so với nước hoặc các chất liên kết được mô tả khác, ngoài việc bổ sung cacbon vào đất có chứa chất hữu cơ thấp.
Đáng chú ý, tỷ lệ cây tiếp xúc với Zn từ urê phủ ZnO-NP thấp hơn một chút (6%) so với urê có bổ sung nano kẽm oxit ZnO-NP riêng biệt (1,6 so với 1,7 mg / kg). So với ZnO dạng khối, nó thấp hơn 52–54%, tùy thuộc vào việc có phủ urê hay không (xem Bảng 1). Điều quan trọng là, urê được phủ ZnO-NP không chỉ ảnh hưởng đến thời gian bắt đầu trổ bông, năng suất hạt và sự tích lũy Zn ở mức độ tương tự như urê không phủ với sửa đổi ZnO-NP riêng biệt ở tỷ lệ tiếp xúc với Zn cao hơn một chút, nó còn hoạt động tốt so với dạng khối ZnO thậm chí với tỷ lệ Zn thấp hơn đáng kể (52%). Đáng chú ý, ảnh hưởng của Zn đến sự khởi đầu của bông ở tỷ lệ phơi nhiễm thực tế là ở cấp độ nano cụ thể trong điều kiện khô hạn. Trước đây, chúng tôi đã báo cáo sự tăng tốc phát triển lúa miến nhờ ZnO-NP, trong đó sự xuất hiện của lá cờ và đầu hạt bị kéo dài do hạn hán, nhưng sự chậm trễ đó đã được giảm bớt nhờ ZnO-NPs ( Dimkpa và cộng sự, 2019b); ZnO hoặc muối Zn dạng khối không được đồng đánh giá trong nghiên cứu đó. Trong lúa mì, riêng muối Zn (1–3 kg / ha; ≈ 0,5–1,5 mg / kg) không ảnh hưởng đến số ngày tạo phản ở cây trồng trong đất ban đầu chứa 0,17 mg / kg Zn. Tuy nhiên, sự tương tác của việc sử dụng N và Zn làm giảm đáng kể thời gian tạo phản ( Sher và cộng sự, 2018). Do đó, nghiên cứu hiện tại trong đó các ZnO-NP nhưng không phải ZnO dạng khối làm giảm thời gian bắt đầu trổ bông ở những cây chịu hạn nhưng không phải ở những cây không bị căng thẳng cho thấy cả tính đặc hiệu của nano và sự phụ thuộc vào trạng thái nước của những ảnh hưởng này. Cơ chế xung quanh ảnh hưởng của ZnO-NP đối với sự phát triển của cây trồng trong điều kiện khô hạn có thể liên quan đến việc Zn tác động đến cảm ứng nội tiết tố để điều chỉnh sự phát triển của rễ để cải thiện sự thích nghi với nguồn cung cấp nước hạn chế. Thật vậy, sự biểu hiện của các gen liên quan đến các hormone như ABA và cytokinin đã được tăng cường bởi ZnO-NP ở các cây lúa mì bị khô hạn, đồng thời với việc điều chỉnh cấu trúc rễ giúp chịu đựng được căng thẳng ( Yang và cộng sự, 2018). Ngoài ra, vi sinh vật đất có thể tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động nội tiết tố trong thực vật, vì thực vật có thể tiếp cận các kích thích tố do vi sinh vật tạo ra, góp phần chống chịu với căng thẳng khô hạn ( Defez và cộng sự, 2017 ; Yang và cộng sự, 2018 ). Trong khi các kích thích tố như axit axetic indole (IAA) có thể kéo dài thời gian phát triển sinh dưỡng của thực vật, kim loại nặng có thể làm giảm mức IAA của thực vật, như đã báo cáo ở đậu đũa bị suy giảm sinh trưởng trong đất ô nhiễm kim loại nặng ( Dimkpa và cộng sự, 2009 ). Do đó, cũng như với một số kim loại khác, nano kẽm oxit ZnO-NP có thể thay đổi ảnh hưởng của IAA trong thực vật bằng cách làm giảm mức độ của nó, theo báo cáo đối với vi khuẩn ( Dimkpa và cộng sự, 2012c ; Haris và Ahmad, 2017). Do đó, thời gian bắt đầu phát triển sinh sản ở lúa mì được đẩy nhanh khi có mặt các ZnO-NP trong điều kiện khô hạn.
Phát hiện quan trọng rằng tỷ lệ Zn thấp hơn từ nano kẽm oxit ZnO-NP làm tăng năng suất hạt tương tự như tỷ lệ cao hơn từ ZnO dạng khối làm nổi bật giá trị của phân bón quy mô nano như một công cụ để giảm tỷ lệ phân bón đầu vào trong nông nghiệp, trong khi vẫn duy trì mức tương đương hoặc thậm chí tăng sản lượng so với bón phân dạng khối. Cùng với những dòng này, Subbaiah et al. (2016) đã chứng minh rằng năng suất ngô có thể tăng lên ở mức độ cao hơn nhờ ZnO-NP ở liều lượng thấp hơn 60-98% so với liều dạng khối Zn-sulfat. Tuy nhiên, không giống như nghiên cứu của chúng tôi, tỷ lệ Zn được đánh giá bởi Subbaiah et al. (2016)đã ở mức cao, 50–2,000 mg / L, và đường sử dụng là qua lá, thay vì qua đất. Trong các nghiên cứu liên quan đến urê được phủ một dạng khối ZnO hoặc Zn-sulfat (0,5–2,0%), năng suất hạt lúa mì đã tăng từ 5 đến 18 hoặc 8 và 22% so với đối chứng ( Shivay và cộng sự, 2008a ). Báo cáo hiện tại về sự gia tăng năng suất ngũ cốc do ZnO-NPs phù hợp với các nghiên cứu trước đây với các cây trồng khác ( Dimkpa và cộng sự, 2017a ; Dimkpa và cộng sự, 2017b ; Dimkpa và cộng sự, 2018b ; Dimkpa và cộng sự, 2019a ; Dimkpa và cộng sự ., 2019b ), đồng thời xác nhận rằng việc phủ Zn lên urê không làm giảm hiệu quả của phân bón do ảnh hưởng tiềm tàng đến khả năng hòa tan, như Milani et al đã chỉ ra. (2012).
Theo đó, sự tích tụ Zn ở mô trên mặt đất từ các hạt ZnO kích thước nano và dạng khối không bị giảm đi khi phủ các hạt lên urê. Trên thực tế, sự tích lũy Zn được tạo điều kiện thuận lợi bằng cách phủ ở tỷ lệ Zn cao hơn trong các nghiệm thức oxit dạng khối trong điều kiện khô hạn; và lớp phủ có hiệu quả hơn một chút so với việc sửa đổi riêng rẽ để phân phối Zn trong điều kiện không khô hạn trong hệ thống ZnO-NP. Hơn nữa, mức độ Zn trong mô là tương tự nhau giữa các nghiệm thức xử lý ở cấp độ nano và ZnO dạng khối, mặc dù mức độ tiếp xúc với Zn thấp hơn ở dạng kích thước nano. Tăng cường Zn cho cây trồng thông qua bón phân đã được báo cáo ( Joy và cộng sự, 2015 ; Dimkpa và Bindraban, 2016). Tuy nhiên, các nghiên cứu hạn chế về việc sử dụng urê bọc Zn để tăng cường dinh dưỡng Zn cho cây trồng; Đáng chú ý, những nghiên cứu này liên quan đến dạng khối muối ZnO hoặc Zn ( Shivay và cộng sự, 2008a ; Shivay và cộng sự, 2008b ). Do đó, như đã được chứng minh lần đầu tiên trong nghiên cứu hiện tại đối với ZnO-NP, việc phủ urê với Zn thể hiện một chiến lược rõ ràng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc đưa Zn vào thực vật, ngay cả với tỷ lệ Zn tương đối thấp, và bất kể tình trạng nước của đất. Rõ ràng là đặc điểm của Zn trong các cây tiếp xúc với NP, mặc dù không được đánh giá trong nghiên cứu này, có thể là Zn-photphat, dựa trên các báo cáo khác liên quan đến ZnO-NP và lúa mì ( Dimkpa và cộng sự, 2013 ; Zhang và cộng sự, 2018). Chúng tôi quan sát thấy không có ảnh hưởng của việc xử lý Zn đối với sự tích lũy N và P trong cây lúa mì. Điều này hơi đáng ngạc nhiên, ngược lại với những quan sát trước đây ( Dimkpa và cộng sự, 2018b ). Đối với N, quan sát trước đó liên quan đến lúa mì cho thấy sự hấp thụ vào các bộ phận của cây trên mặt đất có thể tăng lên tới 21% với 6 mg Zn / kg đất từ ZnO-NP (cùng một lô được sử dụng trong nghiên cứu hiện tại). Tuy nhiên, trong nghiên cứu được đề cập, nguồn N là amoni nitrat, chứ không phải urê. Rõ ràng, ảnh hưởng của Zn như một nguyên tố trong việc kích thích sự hấp thu N có thể phụ thuộc vào cả loại phân bón N và liều lượng Zn. Ví dụ, 4 mg / kg Zn (từ Zn-sulfat) không ảnh hưởng đến sự hấp thu N, nhưng liều cao hơn 6 và 8 mg / kg dẫn đến sự hấp thu N nhiều hơn so với đối chứng ( Abbas và cộng sự, 2009). Ngoài ra, sự phụ thuộc vào liều lượng Zn của sự hấp thụ N của thực vật dường như cụ thể theo loài; Sự hấp thu N được tăng cường mạnh mẽ ở đậu tương khi phơi nhiễm với Zn từ các ZnO-NP ở mức thấp 2–3 mg / kg, trong điều kiện khô hạn và không khô hạn ( Dimkpa và cộng sự, 2017a ; Dimkpa và cộng sự, 2019a ) . Đối với P, sửa đổi Zn được biết là ức chế sự hấp thu P ( Zhao và cộng sự, 2000 ; Abbas và cộng sự, 2009 ; Watts-Williams và cộng sự, 2014 ; Bindraban và cộng sự, 2020), do sự tạo phức Zn-photphat không tan. Chúng tôi giả thuyết rằng sự tách biệt theo thời gian và không gian của các ứng dụng Zn và P trong công việc hiện tại có thể góp phần làm thiếu tác dụng đối kháng giữa các chất dinh dưỡng này. Thực vật được biết là sử dụng một lượng đáng kể P trong quá trình phát triển sớm của rễ, điều này có thể làm giảm nồng độ P sẵn có của cây trước khi bón Zn-N.
Nói chung, khi dữ liệu về sự phát triển của cây trồng, năng suất ngũ cốc và sự hấp thụ Zn được chuẩn hóa, sẽ có một số kịch bản giả thuyết thú vị dựa trên việc thực vật tiếp xúc với cùng một lượng (một gam) Zn. Nhìn chung (tức là trong điều kiện khô hạn và không khô hạn), những dữ liệu này chỉ ra rằng thực sự có sự khác biệt dựa trên kích thước hạt. Khi được biểu thị trên cơ sở trên một gam Zn, thời gian bắt đầu hình thành bông với nano kẽm oxit ZnO-NP tăng nhanh hơn so với ZnO dạng khối, và lớp phủ không có ảnh hưởng gì trong mỗi trường hợp. Tuy nhiên, hiệu ứng này chỉ được tìm thấy trong điều kiện khô hạn; trong khi trong điều kiện không khô hạn, chỉ có ZnO dạng khối không được tráng mới tạo điều kiện cho bông bắt đầu ra hoa. Đối với năng suất hạt, một hiệu ứng cụ thể nano được tìm thấy trong cả hai điều kiện sinh trưởng và không có ảnh hưởng của lớp phủ. Đối với sự hấp thụ Zn, hiệu ứng kích thước của các ZnO-NP đã được chứng minh một cách rõ ràng, cũng như ảnh hưởng của lớp phủ ZnO, bất kể điều kiện tăng trưởng. Hạn hán làm tăng sự tiết dịch của rễ cây để thích ứng với căng thẳng (Karlowsky và cộng sự, 2018 ), có khả năng ảnh hưởng đến tốc độ hòa tan của các hạt, tùy thuộc vào các chất chuyển hóa cụ thể trong dịch tiết ( Martineau và cộng sự, 2014 ; Yang và cộng sự, 2018 ). Do đó, Zn đủ khả dụng sinh học từ các ZnO-NP trong điều kiện khô hạn, thậm chí ở tỷ lệ tiếp xúc thấp hơn so với ZnO dạng khối. Tuy nhiên, các nghiên cứu bổ sung nhằm tối ưu hóa hiệu quả lớp phủ để cung cấp tỷ lệ Zn trong urê giống như việc bổ sung Zn riêng biệt cho cả ZnO-NP và ZnO dạng khối có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về ý nghĩa của những giả định này.
Lượng N dư trong đất cao hơn đáng kể ở những cây bị khô hạn so với chế độ tưới nước bình thường có thể phản ánh thực tế là sự tăng trưởng sinh khối, và do đó, sự đồng hóa N, thấp hơn ở những cây bị khô hạn (dữ liệu không được hiển thị). Người ta quan sát thấy rằng N thường tồn tại trong đất dưới dạng nitrat nhiều hơn là amoni, ngoại trừ trường hợp ZnO dạng khối không được phủ ở cả hai điều kiện sinh trưởng. Ý nghĩa của việc thay đổi dạng khối ZnO đối với động lực của các loại N trong đất hiện chưa rõ ràng. Tuy nhiên, sự hiện diện trong đất của nhiều nitrat hơn amoni có thể phản ánh động lực chuyển hóa của các loại phân N khác nhau. Hơn nữa, độ pH của đất và các yêu cầu cụ thể của cây trồng đối với amoni hoặc nitrat cũng sẽ đóng một vai trò trong tỷ lệ các chất dinh dưỡng còn lại. Trong trường hợp này,Maathuis, 2009 ), dẫn đến lượng nitrat còn lại nhiều hơn dưới dạng N dư trong đất. Trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi với lúa mì ( Dimkpa và cộng sự, 2018b ), ZnO-NP không làm giảm mức N còn sót lại trong đất, tương tự như phát hiện hiện tại. Cũng như đối với N, việc xử lý Zn bằng ZnO cỡ nano hoặc dạng khối không ảnh hưởng đến mức P còn lại trong đất, tương tự như phát hiện trước đó với ZnO-NP ( Dimkpa và cộng sự, 2018b ). Tuy nhiên, những điều này trái ngược với việc ZnO-NP làm tăng lượng P dư trong đất trong cây lúa miến ( Dimkpa và cộng sự, 2017b). Về mặt dư lượng Zn, sự khác biệt về mức độ tiếp xúc của Zn giữa đất ZnO-NP và đất ZnO dạng khối phản ánh trực tiếp tỷ lệ tiếp xúc, mặc dù chỉ cần tăng gấp đôi giá trị trung bình thu được đối với dạng nano sẽ cho thấy lượng Zn hòa tan cao hơn từ các NP từ sản phẩm dạng khối.
Theo ghi nhận, đất sử dụng trong nghiên cứu có hàm lượng chất hữu cơ thấp. Vào thời điểm này, vai trò của cacbon sẽ được bổ sung vào đất bởi một lượng nhỏ dầu và màu thực phẩm được sử dụng để phủ trong việc tăng cường chất hữu cơ cho đất. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tất cả urê, có và không có ZnO, cũng được phủ một lớp dầu, điều này làm cho bất kỳ tác dụng nào của lớp phủ đều đồng nhất giữa các nghiệm thức.
Các phát hiện được báo cáo ở đây chỉ ra rằng Zn ở dạng hạt nano có thể đẩy nhanh sự phát triển hình thái học của lúa mì, năng suất sinh sản và dinh dưỡng của Zn trong điều kiện căng thẳng khô hạn, như đã báo cáo trước đây đối với lúa miến. Hàm ý rộng hơn của nghiên cứu này là tỷ lệ Zn thấp hơn từ các nano kẽm oxit ZnO-NP có thể đủ để nâng cao năng suất cây trồng dưới áp lực hạn hán, so với đầu vào cao hơn từ ZnO dạng khối. Điều này chứng tỏ rõ ràng một trong những mục tiêu của nông nghiệp hỗ trợ nano, đó là giảm tỷ lệ chất dinh dưỡng đầu vào vào sinh quyển mà không bị phạt về năng suất. Phủ urê hoặc các loại phân N khác với các vi chất dinh dưỡng quy mô nano như Zn có thể làm tăng năng suất cây trồng; tạo thuận lợi cho việc sử dụng các vi chất dinh dưỡng có kích thước nano trong các ứng dụng thực địa; loại bỏ vấn đề phân tách các hạt dinh dưỡng nhỏ hơn và lớn hơn trong hỗn hợp phân bón dạng khối; và tạo điều kiện cho việc sử dụng Zn-urê một lần. Tuy nhiên, lớp phủ có thể không nhất thiết ảnh hưởng đến năng suất ở một mức độ lớn hơn so với các ứng dụng riêng biệt của Zn và urê, như được quan sát trong nghiên cứu này. Điều này đặc biệt đúng vì các hạt Zn cuối cùng sẽ hòa tan khỏi bề mặt urê và trải qua quá trình biến đổi độc lập thành các ion hoặc các tập hợp lớn hơn, tương tự như các hạt ZnO được ứng dụng riêng biệt. Nói như vậy, rất có thể việc cải tiến quy trình phủ urê để tăng hiệu quả phủ của ZnO-NP sẽ cải thiện hơn nữa kết quả về năng suất cây trồng và thu nhận Zn. Điều này đặc biệt đúng vì các hạt Zn cuối cùng sẽ hòa tan khỏi bề mặt urê và trải qua quá trình biến đổi độc lập thành các ion hoặc các tập hợp lớn hơn, tương tự như các hạt ZnO được ứng dụng riêng biệt. Nói như vậy, rất có thể việc cải tiến quy trình phủ urê để tăng hiệu quả phủ của nano kẽm oxit ZnO-NP sẽ cải thiện hơn nữa kết quả về năng suất cây trồng và thu nhận Zn. Điều này đặc biệt đúng vì các hạt Zn cuối cùng sẽ hòa tan khỏi bề mặt urê và trải qua quá trình biến đổi độc lập thành các ion hoặc các tập hợp lớn hơn, tương tự như các hạt ZnO được ứng dụng riêng biệt. Nói như vậy, rất có thể việc cải tiến quy trình phủ urê để tăng hiệu quả phủ của ZnO-NP sẽ cải thiện hơn nữa kết quả về năng suất cây trồng và thu nhận Zn.
Nguồn tham khảo: