Nano kẽm oxit và kẽm sulfat trong phân bón lá cho cây cà phê

Một nghiên cứu trong nhà kính so sánh các phản ứng sinh lý và sự hấp thụ của cây cà phê ( Coffea arabica L.) với các ứng dụng qua lá của kẽm sulfat (ZnSO 4 ) và phân bón nano kẽm (ZnO NPs) đã được thực hiện với mục đích tìm hiểu tác động của chúng đối với sinh lý thực vật . Cây cà phê một năm tuổi được trồng trong điều kiện nhà kính và được xử lý bằng hai lần bón lá 10 mg / L Zn dưới dạng kẽm sulfat monohydrat (ZnSO 4 ‧ H ₂O) hoặc hạt nano kẽm oxit (ZnO NPs 20% w / t) và so với cây đối chứng không được xử lý trong thời gian 45 ngày. ZnO NPs ảnh hưởng tích cực đến trọng lượng tươi và trọng lượng khô (FW và DW) của rễ và lá, làm tăng 37% FW (gốc) và 95% (lá) so với đối chứng. Mức tăng DW lần lượt là 28%, 85% và 20% ở rễ, thân và lá. Tỷ lệ quang hợp thực tăng 55% khi phản ứng với xử lý nano kẽm oxit vào cuối thí nghiệm so với đối chứng. Lá được xử lý bằng ZnO NPs chứa lượng Zn cao hơn đáng kể (1267,1 ± 367,2 mg / kg DW) so với cây được xử lý bằng ZnSO ₄ (344,1 ± 106,2 mg / kg DW), trong khi cây đối chứng có hàm lượng Zn trong mô lá thấp nhất. (53,6 ± 18,9 mg / kg DW). Bản đồ phân tích vi tia X đã chứng minh sự gia tăng sự xâm nhập của các NP ZnO trong mô lá cà phê. Nhìn chung, các NPN ZnO có tác động tích cực hơn đến sinh trưởng và sinh lý cà phê so với các muối Zn thông thường, điều này rất có thể là do khả năng hấp thụ của lá tăng lên. Những kết quả này chỉ ra rằng việc áp dụng nano kẽm oxit có thể được xem xét cho các hệ thống cà phê để cải thiện khả năng đậu trái và chất lượng trái, đặc biệt là ở những nơi thiếu Zn cao.

(Bản Quyền NanoCMM Technology)

1. Giới thiệu

Việc bổ sung phân bón để bổ sung độ phì tự nhiên cho đất là một thói quen trong nông nghiệp hiện đại, mặc dù đất ôn đới và nhiệt đới thường thiếu vi chất dinh dưỡng, đặc biệt là kẽm (Zn) (Kaya và Higgs, 2001; Barker và Pilbeam, 2015). Zn cần thiết cho hoạt động của các enzym như dehydrogenase, aldolase, isomerase, transphosphorylase, và RNA và DNA polymerase (Lacerda và cộng sự, 2018). Nó cũng tham gia vào quá trình tổng hợp tryptophan, phân chia tế bào, duy trì cấu trúc màng và quang hợp, và hoạt động như một đồng yếu tố điều tiết trong quá trình tổng hợp protein (Lacerda và cộng sự, 2018; Marschner, 2011). Cà phê ( Coffeaspp.) là một trong những cây trồng nhiệt đới quan trọng nhất ở các nước đang phát triển và được nghiên cứu trong lịch sử về các chủ đề quản lý và dinh dưỡng cây trồng. Các nguyên tố vi lượng có vai trò quan trọng trong việc đậu trái và giữ trái, cũng như năng suất và chất lượng trái của cây cà phê. Đặc biệt, Zn là một nguyên tố vi lượng thiết yếu trong cây cà phê và nó cần thiết cho quá trình tổng hợp đại phân tử và đóng vai trò như một đồng yếu tố điều hòa trong quá trình tổng hợp protein. Mặc dù Zn cần thiết cho sự trao đổi chất tối ưu, nhưng sự thiếu hụt vẫn phổ biến một phần do cây trồng kém hiệu quả trong việc hấp thụ và chuyển hóa vi chất dinh dưỡng (Martinez và cộng sự, 2011; Wintgens, 2009). Hơn nữa, người ta đã chứng minh rằng bón phân Zn cải thiện sản lượng và chất lượng của hạt cà phê bằng cách tác động tích cực đến hoạt động polyphenol oxidase, chỉ số màu, hàm lượng sucrose, caffein, trigonelline (Lacerda và cộng sự, 2018), và axit chlorogenic (Perrone và cộng sự, 2009). Với nhu cầu ngày càng tăng đối với cà phê chất lượng cao đặc sản, việc nghiên cứu sâu hơn về việc sử dụng, áp dụng kỹ thuật và hấp thụ Zn được đảm bảo để đáp ứng các mục tiêu của cả người sản xuất và người tiêu dùng (Rice, 2001).

Cà phê được trồng ở một số khu vực đa dạng sinh học và nhạy cảm với môi trường nhất trên hành tinh, do đó, một phương pháp bón phân thận trọng là cần thiết để bảo vệ những môi trường này đồng thời cho phép các trang trại phát triển thịnh vượng (Somarriba và cộng sự, 2004). Sự quan tâm ngày càng tăng đến việc bón phân qua lá để quản lý cây trồng bền vững đã diễn ra để giải quyết các vấn đề như điều kiện đất đai hạn chế về chất dinh dưỡng, tỷ lệ thất thoát phân bón trong đất cao và những hạn chế khi điều kiện môi trường hạn chế việc cung cấp chất dinh dưỡng đến các cơ quan thực vật trong thời gian quan trọng các giai đoạn tăng trưởng (Fernández và Brown, 2013). Bón phân qua lá đã được chứng minh là có thể giảm thiểu sự thiếu hụt vi chất dinh dưỡng, tránh các triệu chứng nhiễm độc và giảm ô nhiễm liên quan đến phân bón (Alexander và Schroeder, 1987; Fageria và cộng sự, 2009; Kuepper, 2003; Kannan, 2010).

Một bước tiến xa hơn trong việc bón phân qua lá là sử dụng công nghệ nano (Solanki và cộng sự, 2015). Vật liệu có kích thước nhỏ hơn 100 nm, ít nhất ở một chiều, được định nghĩa là vật liệu nano. Các ứng dụng của công nghệ mới này được tìm thấy trong nông nghiệp và công nghệ nano đã được áp dụng cho sản xuất, chế biến, bảo quản, đóng gói và vận chuyển nông sản (Khot và cộng sự, 2012; Nair và cộng sự, 2010). Phun phân bón lá nano đã được chứng minh là thuận tiện cho việc sử dụng đồng ruộng vì chúng có thể cung cấp thức ăn cho cây trồng dần dần và có kiểm soát hơn so với phân bón muối (Kah et al., 2018; Subramanian et al., 2015) do đó làm giảm các triệu chứng nhiễm độc có thể xảy ra sau khi bón đất cùng các nguyên tố vi lượng.

Cung cấp dư thừa Zn có thể tạo ra các triệu chứng ngộ độc thực vật bằng cách làm giảm trực tiếp quá trình quang hợp (Andrade và cộng sự, 2010) hoặc bằng cách tạo ra sự mất cân bằng dinh dưỡng do tương tác với các chất dinh dưỡng khác (Kabata-Pendias, 2010). Phân bón nano cho thấy khả năng tránh cảm ứng độc tố thực vật ở thực vật thông qua việc cung cấp vi chất dinh dưỡng chậm hơn và phù hợp hơn trong khi giảm ô nhiễm đất tiềm ẩn và các rủi ro môi trường khác có thể xảy ra khi sử dụng phân bón hóa học bón trực tiếp vào đất (Solanki và cộng sự, 2015) . Một ưu điểm khác của việc sử dụng phân bón nano là việc bón có thể được thực hiện với lượng nhỏ hơn so với các loại phân bón thông thường (Davarpanah et al., 2016). Một nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng Fe ₂ O ₃ NP có thể thay thế phân Fe truyền thống trong canh tác lạc (Arachis hypogaea L.) thực vật trên đất cát (Rui và cộng sự, 2016). Một nghiên cứu về táo ( Malus pumilaMiller) cho thấy các đặc điểm sinh trưởng của cây (như chiều cao cây, đường kính, số lá và diện tích lá) tăng lên khi xử lý bằng phân bón nano Fe và Zn (Mohasedat và cộng sự, 2018). Các tác động tích cực của ZnO NPs đã được báo cáo về sự nảy mầm của hạt, sức sống của cây con, hàm lượng diệp lục trong lá, sự phát triển của thân và rễ ở cây lạc (Prasad et al., 2012) và lựu (Davarpanah et al., 2016). Mặc dù những nghiên cứu này đã chứng minh những tác động sinh lý tích cực của phân bón hạt nano đối với sự phát triển của cây trồng, các đặc tính độc đáo của hạt nano (NP) cũng có thể gây ra stress oxy hóa và độc tính ở thực vật (Nhan và cộng sự, 2015) và các sinh vật khác trong hệ sinh thái (Heinlaan et cộng sự, 2008; Baek và An, 2011; Hajipour và cộng sự, 2012). Một nghiên cứu gần đây kết luận rằng độc tính nano phụ thuộc vào cả thành phần hạt nano và loài thực vật tiếp xúc (Nhan và cộng sự, 2015). Đặc biệt, nồng độ 200 mg / L của ZnO NP (kẽm, 35 nm) và ZnO (oxit kẽm, 20 nm) đã ức chế sự nảy mầm của cỏ lúa mạch đen và ngô, tương ứng. Sự phát triển rễ của các loài củ cải, cải dầu, lúa mạch đen, rau diếp, ngô và dưa chuột bị ức chế khi tiếp xúc với Zn và ZnO kích thước nano 2000 mg / L (Lin và Xing, 1987).

Các tương tác sinh lý có thể có giữa cà phê và việc sử dụng phân bón nano mới chưa được khám phá rộng rãi và cho đến nay, chỉ có một số nghiên cứu được công bố về bón phân qua lá (Wang và Nguyen, 2018). Để hiểu được sự tương tác giữa các hạt nano và sinh lý cây cà phê, mục đích của cuộc điều tra này là (i) so sánh các phản ứng tăng trưởng thực vật của cây cà phê với sulfat kẽm (ZnSO ₄ ) và phân bón nano kẽm oxit (ZnO NPs) và (ii) để phân tích sự hấp thụ Zn và những thay đổi sinh lý ở lá cà phê được xử lý bằng ZnSO ₄ và ZnO NPs.

2. Vật liệu và phương pháp

2.1. Nguyên liệu thực vật

Khoảng 100 hạt của hai loài cà phê (Coffea arabica L.var. ‘Anacafe 14’ và C. canephora Pierre ex A. Froehner var. ‘Nemaya’) đã được ngâm vào ngày 11 tháng 3 năm 2016 trong 24 giờ trong nước thẩm thấu ngược và sau đó được gieo trong khay hạt chứa đầy môi trường Sungro® Sunshine LC1 (rêu than bùn sphagnum, vỏ cây, đá trân châu, vermiculite và đất sét; Sun Gro Horticulture, Bellevue, WA, USA). Khay được đặt trong nhà kính (27 ° C ngày / 22 ° C đêm) tại Viện Sinh học Thực vật và Công nghệ Sinh học, Khu phức hợp Nhà kính Cải thiện Cây trồng Miền Nam Norman Borlaug, Đại học Texas A&M, ở College Station, Texas, Hoa Kỳ (30,6280 ° N, 96.3344 ° W, 103 m a.s.l.) trong bóng tối hoàn toàn trong khoảng ba tuần. Hạt giống bắt đầu xuất hiện giữa tuần thứ ba và thứ tư sau khi gieo và tiếp tục trong khoảng 6 tuần. Vào ngày 19 tháng 5 năm 2016, cây con C. arabica và C. canephora có kích thước đồng đều được lấy ra khỏi khay hạt một cách cẩn thận và phần trên cùng của mỗi cây con C. arabica được ghép vào phần dưới cùng của cây con C. canephora. Ghép cành đã được thực hiện để bắt chước một thực tế phổ biến ở các nước nơi tuyến trùng rễ là mối đe dọa nghiêm trọng đối với sản xuất cà phê. Ngay sau khi ghép, cây con được chuyển sang chậu 12-L (một cây con mỗi chậu) có chứa môi trường Sungro® Sunshine LC1 và được đặt dưới tấm vải che nắng, nhận được thông lượng photon quang hợp trung bình vào buổi trưa khoảng 700 μmol m − 2 s −1 để bắt chước điều kiện phát triển trong bóng râm, rất lý tưởng cho việc trồng C. arabica. Cây được tưới thủ công hai tuần một lần bằng cách sử dụng nước thẩm thấu ngược.

2.2. Thiết kế thử nghiệm

Vào tháng 4 năm 2017, 18 cây được chia ngẫu nhiên thành ba nhóm, mỗi cây được chỉ định cho một phương pháp xử lý bón lá khác nhau: (i) kẽm sulfat monohydrat (ZnSO4 ‧ H2O; 10 mg Zn / L; hóa chất Alpha, Cape Girardeau, MO, Hoa Kỳ), ( ii) hạt nano oxit kẽm (ZnO NP 20% w / t; 10 mg Zn / L, và (iii) kiểm soát (không bón phân). Nồng độ Zn (tức là 10 mg / L) được chọn theo các hướng dẫn có thể tìm thấy ở Wintgens (2009). Bón lá được bón vào giữa buổi sáng hai lần trong suốt quá trình thí nghiệm, khi bắt đầu thí nghiệm (D0) và 14 ngày sau lần phun ban đầu (D14) bằng máy phun bình polyetylen cầm tay ½ gallon. Khoảng 0,25 L được bón cho từng cây, tiếp tục bón cho đến khi lá ướt hoàn toàn và dừng lại trước khi nhỏ giọt. Để tránh tiếp xúc với đất, mỗi cây được phun riêng, và dùng màng nhựa phủ lên đầu mỗi chậu trước khi phun. . Một mẫu môi trường đang phát triển đã được thu thập trước khi ứng dụng đầu tiên ication để xác định hàm lượng Zn nền trong đất. Thí nghiệm được kết thúc sau 45 ngày kể từ ngày D0 (D45).

2.3. Các nano kẽm oxit

Sự phân tán của các nano kẽm oxit thu được từ US Research Nanomate Materials, Inc. (Houston, TX). Kích thước NPN ZnO thu được bằng cách đo hơn 270 NP riêng lẻ bằng phần mềm xử lý hình ảnh ImageJ (phiên bản 1.49, Viện Y tế Quốc gia, Bethesda, MD, Hoa Kỳ). Hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của các nano kẽm oxit được sử dụng trong nghiên cứu này được thể hiện trong Hình 1A và B. Các NPN ZnO chủ yếu là hình cầu, nhưng các hình dạng đa giác khác cũng được tìm thấy. Hình ảnh TEM cho thấy hầu hết các NPN ZnO nằm trong khoảng kích thước từ 15–137 nm, với kích thước trung bình là 68,14 nm, phù hợp với kết quả mô tả đặc tính trước đó của chúng tôi về các NPN ZnO từ cùng một lô (Wang và cộng sự, 2018). Các NP ZnO tập hợp trong dung dịch lỏng và kích thước thủy động lực học trung bình của các NP ZnO trong 100 mg / L dung dịch được đo là 621 nm bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS). Thế zeta của các hạt nano là -28,80 ± 2,04 mV.

Hình 1. Hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy sự thay đổi kích thước của các nano kẽm oxit NP ZnO. Các NP chính gần như hình cầu (A), nhưng các hình dạng khác cũng được quan sát thấy (B).

2.4. Các thông số quang hợp

Tốc độ đồng hóa cacbon thực (A) và độ dẫn của khí khổng đối với hơi nước (gs), được đo ở 0900–1200 H trong điều kiện mật độ thông lượng photon quang hợp bão hòa, nhân tạo (PPFD) là 900 μmol m − 2 s −1 bằng máy phân tích khí hồng ngoại (LI-6400, LI-COR, Lincoln, NE, Hoa Kỳ) được trang bị tiêu chuẩn LI-6400, buồng lá 2 × 3 cm và nguồn sáng đỏ / xanh (6400–02B, LI-COR). Các lá nở hoàn toàn trên cành thứ hai từ ngọn cây được đo hai tuần một lần để quan sát sức khỏe và năng suất của cây. Tất cả các phép đo được thực hiện ở nồng độ CO2 là 400 mol m − 2 s −1 và với nhiệt độ buồng lá của máy phân tích được đặt ở 23 ± 2 ° C. Các phép đo được lặp lại sau mỗi mười lăm ngày cho cả A và gs. Phép đo huỳnh quang diệp lục lá được thực hiện bằng máy phân tích huỳnh quang diệp lục kích thích liên tục (OS1p, Opti-Sciences, Hudson, NH, USA). Lá được làm quen với bóng tối bằng cách sử dụng kẹp lá nhẹ trong ít nhất 30 phút trước khi thực hiện phép đo (Maxwell và Johnson, 2000). Độ phát huỳnh quang cơ bản (F0) và cực đại (Fm) được đo và huỳnh quang biến thiên (Fv = Fm – F0) và tỷ lệ giữa huỳnh quang biến đổi với tỷ lệ huỳnh quang tối đa (Fv / Fm) được tính toán từ những dữ liệu này. Các phép đo Fv / Fm được lặp lại sau mỗi mười ngày.

2.5. Hàm lượng diệp lục

Để hiểu rõ hơn liệu các ứng dụng trên lá của ZnSO4 và nano kẽm oxit ZnO NP có ảnh hưởng đến sinh lý lá cây hay không, hàm lượng diệp lục tương đối được xác định ở D45 bằng cách sử dụng máy đo diệp lục cầm tay (SPAD-502, Minolta, Nhật Bản). Dữ liệu được thu thập từ ba lá mở rộng hoàn toàn trên cành thứ hai từ ngọn của mỗi cây.

2.6. Chuẩn bị mô

Cây được thu hoạch ở D45 và được tách thành rễ, chồi và mô lá. Các mô được rửa sạch bằng nước khử ion và thấm khô bằng khăn giấy. Trọng lượng tươi (FW) được đo cho tất cả các loại mô, sau đó được làm khô trong tủ sấy ở 70 ° C trong 48 giờ để đo sinh khối khô cuối cùng (DW).

2.7. Phân tích đồng hóa kẽm

Từ mỗi mô thực vật, 0,5 g sinh khối khô được cho vào thiết bị phân hủy khối nóng DigiPREP MS (Khoa học SCP, Clark Graham, Canada). Chồi khô và rễ của ba lần lặp lại được nghiền và trộn với 4 mL axit nitric 70% (v / v). Hỗn hợp này được tiêu hóa trước ở nhiệt độ phòng qua đêm, và sau đó được tiêu hóa trong khối nóng ở 95 ° C trong 4 giờ. Sau khi làm nguội đến nhiệt độ phòng, 2 mL H2O2 30% (w / v) được thêm vào hỗn hợp, và đun lại trên khối nóng ở 95 ° C trong 2 giờ. Cuối cùng, Zn trong chất phân hủy được định lượng bằng phương pháp khối phổ plasma ghép cảm ứng (ICP-MS, Perkin Elmer mod. DRCII, Waltham, MA, USA). Một chất chuẩn nội chứa 5 μg / L Rh được sử dụng cho tất cả các phép đo và các dao động của thiết bị được hiệu chỉnh theo sự thay đổi mật độ chuẩn nội bộ. Các đường cong hiệu chuẩn thu được với sáu nồng độ tiêu chuẩn ICP cấp phân tích của Zn và một mẫu trắng và một dung dịch tiêu chuẩn được chạy cho mỗi 15 mẫu để đảm bảo tính nhất quán. Lưu lượng Ar huyết tương là 19 L / phút. Tốc độ hấp thụ mẫu là 1 mL / phút và thời gian dừng được đặt là 50 ms.

2.8. Kính hiển vi điện tử quét kết hợp với máy phân tích vi phân tán năng lượng tia X

Một phân tích SEM được thực hiện trên lá của các cây được xử lý và đối chứng để xác định hàm lượng Zn trên bề mặt lá. Các lá nở hoàn toàn trên cành thứ hai từ ngọn cây được thu thập vào cuối thí nghiệm và khử nước bằng cách sử dụng hexamethyldisilazane (HMDS; Sigma-Aldrich Corporation, St. Louis, MO, USA) như một chất làm khô, có thể làm khô chất hữu cơ. vật liệu không bị ảnh hưởng tiêu cực của sức căng bề mặt. Các lá được đặt trong bốn lần thay đổi HMDS trong khoảng thời gian 48 giờ, và sau đó để khô trong không khí. Sau khi khử nước, một lớp phủ vàng được áp dụng bằng cách sử dụng máy đầm phun (Cressington 108, Cressington Scientific Instruments, Watford, Vương quốc Anh) để phủ vàng 20 nm lên mẫu vật nhằm loại bỏ sự tích điện trên bề mặt. Các mẫu được quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét (Tescan Vega 3, Tescan USA Inc., Warrendale, PA, USA). Việc lập bản đồ vị trí của các nguyên tố và phổ của các nguyên tố trong mẫu được thực hiện bằng phần mềm Oxford Aztec X-Ray (EDS Software – AztecEnergy; Oxford Instruments plc., Abingdon, Oxfordshire, UK). Tất cả các cuộc điều tra bằng kính hiển vi được thực hiện tại Trung tâm Hình ảnh và Kính hiển vi, Đại học Texas A&M, College Station, TX, Hoa Kỳ.

2.9. Phân tích thống kê

Dữ liệu được phân tích phương sai (ANOVA) bằng thiết kế hoàn toàn ngẫu nhiên. ANOVA một chiều được thực hiện và có nghĩa là có được sự tách biệt giữa các phương pháp điều trị bằng cách sử dụng thử nghiệm Tukey. Dữ liệu được phân tích bằng Phần mềm Thống kê Minitab 17 (Minitab Inc., State College, PA, USA).

3. Kết quả

3.1. Sinh khối thực vật

Nano kẽm oxit ảnh hưởng tích cực đến trọng lượng tươi (FW) của rễ và lá (Hình 2 A và C), làm tăng FW lên 37% (gốc) và 95% (lá) so với đối chứng. Không có ảnh hưởng đáng kể nào của nano kẽm oxit được báo cáo trên FW của thân cây (Hình 2 B). Ngược lại, ZnSO4 ảnh hưởng tiêu cực đến FW. Sự giảm sinh khối của rễ (15%), thân (26%) và lá (8%) đã được quan sát thấy ở tất cả các cây được xử lý (Hình 2 A, B và C). Một mô hình tương tự đã được tìm thấy cho DW. ZnO NPs dẫn đến sự gia tăng DW của rễ (28%), thân (85%) và lá (20%), khi so sánh với đối chứng. Tuy nhiên, cây được xử lý bằng ZnSO4 cho thấy giảm rễ (19%), thân (16%) và lá (10%) DW (Hình 1 C, D và E).

Hình 2. Trọng lượng tươi và khô của rễ, thân và lá của lá Coffea arabica L. được bón bằng ZnSO4 và nano kẽm oxit ZnO NPs. Các phương tiện được gắn nhãn bằng các chữ cái khác nhau có sự khác biệt đáng kể trong bài kiểm tra sau giờ học của Tukey (p <0,05). Các thanh lỗi thể hiện độ lệch chuẩn (n = 6). Kết quả ANOVA hai chiều được báo cáo trong bảng. (A): Gốc FW, (B): Thân FW, (C): Lá FW, (D): Rễ DW, (E): Thân DW, (F): Lá DW.

3.2. Các thông số quang hợp

Tốc độ quang hợp thực (Hình 3A) không thay đổi theo thời gian đối với các cây được xử lý bằng ZnO NPs. Tuy nhiên, mức tăng 55% được đo ở D40 khi so sánh với đối chứng. Những thay đổi nhỏ khác đã được tìm thấy trong quá trình thử nghiệm, đặc biệt là trong giai đoạn đầu. Đối với độ dẫn của khí khổng (Hình 3B), sự giảm gs khoảng 30% được nhận thấy ở D20 đối với các cây được xử lý bằng ZnSO4. Ngược lại, mức tăng hơn 55% được ghi nhận đối với cả cây đối chứng và cây xử lý nano kẽm oxit NPN ZnO ở D30, khi so sánh với cây được xử lý bằng ZnSO4. Cuối cùng, sự gia tăng hơn 90% đã được quan sát thấy đối với các cây được xử lý bằng nano kẽm oxit ZnO NPs ở D40, khi so sánh với đối chứng. Sự khác biệt về gs giữa các nghiệm thức Zn là đáng kể ở D20, D30 và D40 (Hình 3B). Nhìn chung, không có sự khác biệt đáng kể nào được phát hiện giữa các phương pháp điều trị Fm / Fv khác nhau. (Hình 3C). Không có sự khác biệt đáng kể nào về số đo SPAD được phát hiện giữa các phương pháp điều trị (Hình 3D).

3.3. Đồng hóa kẽm

Hàm lượng Zn trong lá tăng lên ở cả hai nghiệm thức (Hình 4A). Đáng chú ý, lá được xử lý bằng nano kẽm oxit có hàm lượng Zn cao hơn (1267,1 ± 367,2 mg / kg DW) so với cây được xử lý bằng ZnSO4 (344,1 ± 106,2 mg / kg DW), trong khi cây đối chứng chỉ có một lượng nhỏ Zn trong lá của chúng ( 53,6 ± 18,9 mg / kg DW). Không có sự khác biệt đáng kể nào về nồng độ Zn trong thân và rễ (Hình 4 B và C). Hàm lượng Zn trong đất được sử dụng cho thí nghiệm là 17,8 ± 3,2 mg / kg trọng lượng khô của đất.

Hình 3. Tỷ lệ đồng hóa cacbon ròng (A), độ dẫn khí khổng (B), tỷ lệ Fv / Fm (C) được đo ở các ngày khác nhau sau khi gieo (ví dụ, D12 có nghĩa là mười hai ngày sau khi gieo). Đọc SPAD (D). Tất cả các phép đo đều được gọi là cây Coffea arabica L. bón lá bằng ZnSO4 và ZnO NPs. Các giá trị theo sau là các chữ cái khác nhau có sự khác biệt đáng kể trong bài kiểm tra sau khi học của Tukey (p <0,05). Các thanh lỗi thể hiện độ lệch chuẩn (n = 6).

Hình 4. Hàm lượng kẽm trong lá (A) thân (B) và rễ (C) của cây Coffea arabica L. Những cây được bón phân bằng ZnSO4 và nano kẽm oxit ZnO NPs. Các giá trị theo sau là các chữ cái khác nhau có sự khác biệt đáng kể trong bài kiểm tra sau khi học của Tukey (p <0,05). Các thanh lỗi thể hiện độ lệch chuẩn (n = 6).

3.4. Quét kính hiển vi điện tử (SEM) và phân tích phân tán năng lượng tia X

Cây được xử lý bằng ZnSO4 có nhiều Zn hơn trên bề mặt của chúng (Hình 5) khi so sánh với cây được xử lý bằng nano kẽm oxit (Hình 5E). Lượng Zn phát hiện trên bề mặt cây đối chứng ít hơn lượng phát hiện trên cây ZnSO4 (Hình 5B). Các bản đồ Zn được chụp ở cùng một vị trí như trong ảnh SEM (Hình 5A, C và E).

4. Thảo luận

Trong số hàng loạt các ứng dụng có thể có của công nghệ nano trong nông nghiệp, phát triển các hóa chất nông nghiệp nano mới là một trong những lĩnh vực được khám phá nhiều nhất (Subramanian và cộng sự, 2015). Trong khi một số lo ngại đã được bày tỏ về những rủi ro tiềm ẩn của các sản phẩm mới (Nhan và cộng sự, 2015), nhiều người thấy trước tiềm năng to lớn của phân bón nano để hỗ trợ sự gia tăng cần thiết trong sản xuất lương thực toàn cầu một cách bền vững (Kah và cộng sự, 2018). Tập trung vào việc cải tiến các phương pháp ứng dụng vi lượng và phân bón nano và tích hợp chúng vào các hệ thống cây trồng.

Do vai trò quan trọng của Zn đối với thành phần và chất lượng cà phê, cuộc điều tra này nhằm mục đích khám phá việc sử dụng một phương pháp cung cấp Zn mới và hiệu quả bằng cách nghiên cứu tác động sinh lý của phân bón nano đối với cà phê so với các phương pháp bón phân truyền thống. Sau 45 ngày xử lý, dữ liệu của chúng tôi cho thấy các NPN ZnO ảnh hưởng tích cực đến sinh khối thực vật, xác nhận ảnh hưởng lớn đến trọng lượng tươi và khô nói chung. Trong khi các thí nghiệm với các NPN ZnO đã được tiến hành trên các loài khác và các tương tác tích cực tổng thể đã được mô tả trước đây (Davarpanah và cộng sự, 2016; El-Kereti và cộng sự, 2013; Panwar, 2012; Tarafdar và cộng sự, 2014), dữ liệu được trình bày ở đây là những dữ liệu đầu tiên thu được về cà phê. Ngược lại, các phương pháp xử lý truyền thống với ZnSO4 dường như cản trở sinh khối thực vật tổng thể, như đã được khẳng định khi so sánh dữ liệu FW và DW với đối chứng. Chứng thực cho những phát hiện này, các kết quả tương tự cũng được tìm thấy ở cây con Cicer arietinum L. được trồng trong các nano kẽm oxit NPN ZnO và ZnSO4. Nghiên cứu trước đây (Pavani và cộng sự, 2014) cho thấy sự gia tăng FW và DW của cây con được trồng trong các NPN ZnO, trong khi cây con được trồng trong ZnSO4 cho thấy sự tăng trưởng chậm hơn. Mặc dù Zn là một nguyên tố thiết yếu, nó có thể làm giảm sức khỏe và hiệu suất của cây trồng ở nồng độ độc tố thực vật. Các triệu chứng của ngộ độc Zn có thể thấy là giảm sinh trưởng và sinh khối thực vật, ức chế sự kéo dài và phân chia tế bào, héo (Rout và cộng sự, 2009), quăn và cuốn lá non, đầu lá bị úa và hoại tử (Nagajyoti và cộng sự, 2010 ) và ức chế sự phát triển của rễ (Sharma và cộng sự, 1999). Các cây được sử dụng trong nghiên cứu ngắn hạn này không bị thiếu Zn, điều này có thể giải thích tại sao hàm lượng Zn trong lá lại tăng đáng kể vào cuối thí nghiệm. Tác động sinh lý khác nhau của các nano kẽm oxit NP ZnO và ZnSO4 có thể là do sự giải phóng chậm của Zn2 + khỏi các NP của ZnO. Trong khi các NP ZnO được biết đến với khả năng hòa tan cao hơn, nghiên cứu trước đây cho rằng sự hòa tan của các nano kẽm oxit trong nước tương đối chậm và chỉ khoảng 2% Zn được hòa tan khỏi các NP ZnO trong 24 giờ (Reed và cộng sự, 2012). Vì dung dịch ZnO NPs được làm mới trong mỗi lần sử dụng, nên độ hòa tan dự kiến ​​sẽ không cao. Tuy nhiên, sau khi các NP được gắn vào bề mặt lá cà phê, ion Zn có thể được giải phóng liên tục, cung cấp nguồn Zn dài hạn. Theo một phương pháp đã được thiết lập trước đây (Wang và cộng sự, 2018), sự hòa tan của các NP ZnO trong nước DI đạt khoảng 30% sau năm ngày trộn. Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của ZnSO4 và ZnO NP đối với sinh lý thực vật, một cuộc kiểm tra sinh lý của thực vật đã được tiến hành trong quá trình thí nghiệm. Kết quả cho thấy một số khía cạnh của bộ máy quang hợp đã được cải thiện khi cây cà phê tiếp xúc với ZnO NP trong hơn 30 ngày. Đặc biệt, các tương tác tích cực đã được tìm thấy giữa các nano kẽm oxit và tốc độ đồng hóa carbon ròng và độ dẫn khí của khí khổng, khẳng định vai trò của các NP ZnO trong điều chỉnh trao đổi chất. Zn là đồng yếu tố của carbonic anhydrase làm tăng hàm lượng CO2 trong lục lạp, và do đó cũng làm tăng khả năng carboxyl hóa của enzyme Rubisco (Salama và cộng sự, 2006). Zn có thể ảnh hưởng đến sự hấp thụ của các vi chất dinh dưỡng và vĩ mô khác nhau (Li và cộng sự, 2007; Peralta-Videa và cộng sự, 2014). Trong đất chua, Zn thường gây ra hiện tượng úa lá do thiếu Fe nghiêm trọng trong đất chua. Các loại cây trồng như rau diếp, cải và củ cải đường rất dễ bị nhiễm quá nhiều Zn trong đất (Chaney và Robson, 1993).

Không có thay đổi nào trong tỷ lệ Fv / Fm được báo cáo. Tỷ lệ này phản ánh sự tái phát ánh sáng của các phân tử diệp lục khi ánh sáng chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản và được sử dụng như một chỉ số về sự chuyển hóa năng lượng quang hợp ở thực vật bậc cao (Maxwell và Johnson, 2000). Những thay đổi không đáng kể cho thấy rằng không có công thức phân bón nào làm thay đổi hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng của thực vật của hệ thống quang II. Tương ứng, không có thay đổi nào được quan sát thấy trong hàm lượng chất diệp lục (chỉ số SPAD). Một nghiên cứu tương tự được thực hiện trên cà chua (Solanum lycopersicum L.) cho kết quả tương tự, trong đó chất diệp lục phần lớn không bị ảnh hưởng bởi việc sử dụng các nano kẽm oxit NP ZnO trên lá (Raliya và cộng sự, 2015).

Nguồn tham khảo: Effects of foliar application of zinc sulfate and zinc nanoparticles in coffee (Coffea arabica L.) plants

Lorenzo Rossia,c,∗ , Lauren N. Fedeniab , Hamidreza Sharifana,d , Xingmao Maa , Leonardo Lombardinib