Phương pháp sol-gel
Lịch sử phát triển
Vào giữa thế kỷ 19, phương pháp sol-gel để sản xuất gốm sứ và kính đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học, bắt đầu với Ebelman và Graham trong nghiên cứu gel Silic Từ những năm 1950 đến 1960, Roy cùng các cộng sự đã áp dụng phương pháp sol-gel để phát triển gốm sứ mới từ các hợp chất hóa học như Si, Al, và Zn, mà không cần đến các kỹ thuật gốm truyền thống Phương pháp sol-gel cũng cho phép tạo ra bột, sợi, độ dày màng và thấu kính quang học.
Quá trình chính xảy ra trong sol-gel
Quá trình sol-gel là một phương pháp hóa học ướt, dùng để tổng hợp các phần tử huyền phù dạng keo rắn trong chất lỏng Phương pháp này tạo ra nguyên liệu lưỡng pha với bộ khung chất rắn, được chứa đầy dung môi cho đến khi xảy ra quá trình chuyển tiếp sol-gel Trong quá trình này, các phần tử trung tâm sẽ trải qua những biến đổi quan trọng.
Hai phản ứng hóa học cơ bản là phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ, diễn ra dưới sự xúc tác của axit hoặc bazơ, tạo thành một mạng lưới trong dung dịch Phản ứng thủy phân diễn ra khi nhóm alkoxide (-OR) trong liên kết kim loại alkoxide được thay thế bằng nhóm hydroxyl (-OH), dẫn đến sự hình thành liên kết kim loại-hydroxyl.
Phản ứng ngưng tụ tạo ra liên kết kim loại-oxide-kim loại, là nền tảng cấu trúc cho các màng oxide kim loại Hiện tượng này diễn ra liên tục, dẫn đến sự gia tăng không ngừng của các liên kết kim loại-oxide-kim loại, hình thành một mạng lưới kim loại và oxide trong dung dịch (Le et al., 2015).
Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong quá trình gel hóa
Sol chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó các hạt sẽ hút lẫn nhau để hình thành các phần tử lớn hơn Những phần tử này tiếp tục phát triển đến kích thước khoảng 1 nm, và sự phát triển của chúng sẽ phụ thuộc vào các xúc tác có mặt trong dung dịch.
Hình 1.2 Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác acid
Dưới điều kiện xúc tác, hạt sẽ phát triển thành polymer mạch nhánh ngẫu nhiên hoặc mạch thẳng cơ bản, đan xen vào nhau
Dưới tác động của xúc tác bazơ, các hạt phát triển thành các cluster phân nhánh với mức độ cao hơn, không bị xen kẽ trước khi hình thành gel, và thể hiện như những cluster riêng biệt.
Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác base cho thấy rằng các loại xúc tác khác nhau ảnh hưởng đến chiều hướng phát triển của hạt sol Quá trình phát triển của các hạt trong dung dịch diễn ra thông qua sự ngưng tụ, dẫn đến việc tăng cường số liên kết giữa kim loại và oxide, tạo thành một mạng lưới phân tán trong toàn bộ dung dịch (Brinker and Scherer, 2014).
Hình 1.4 Sự phát triển cấu trúc màng trong quá trình sol-gel
Chitosan
Các phương pháp chế tạo oligochitosan (OCTS) và ứng dụng công nghệ bức xạ
Oligochitosan (OCTS) là sản phẩm từ chitosan (CTS) được phân cắt và có khối lượng phân tử thấp Hiện nay, đã có nhiều phương pháp chế tạo OCTS được áp dụng.
- Phương phỏp sử dụng tỏc nhõn húa học (Tứmmeraas et al., 2001;
- Phương pháp dùng tác nhân sinh học sử dụng các enzyme (Cabrera and Van Cutsem, 2005)
- Phương pháp siêu âm (Tsaih and Chen, 2003)
- Phương pháp vi sóng (Xing et al., 2005)
- Phương pháp chiếu xạ (tia γ-Co-60, electron beam) (Luan et al.,
2005; Duy et al., 2011; Hien et al., 2012)
Phương pháp cắt mạch hóa học được xem là cách đơn giản nhất, nhưng thường gặp bất lợi do quá trình này có thể dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của CTS, bao gồm hiện tượng deamination và thậm chí là phá vỡ vòng glucopyranose.
Phương pháp cắt mạch hóa học gặp phải hạn chế về hiệu suất thấp và nguy cơ ô nhiễm môi trường cao (Du et al., 2018) Hiện nay, thủy phân sinh học là phương pháp phổ biến, sử dụng enzyme để thủy phân CTS thành OCTS cho cây trồng, nhưng có nhược điểm về chi phí cao và khó kiểm soát khối lượng phân tử sản phẩm Ngược lại, phương pháp bức xạ cho thấy nhiều ưu điểm nổi bật, như không cần chất xúc tác, sản phẩm tinh khiết, khả năng điều chỉnh khối lượng phân tử OCTS, chi phí thấp, an toàn cho môi trường và dễ sản xuất quy mô công nghiệp.
Tổng quan về nano bạc
Tính chất kháng khuẩn của AgNPs
Hình 1.8 Các cơ chế tác động của AgNPs đến vi sinh vật (Nasrollahi et al.,
Nghiên cứu cho thấy AgNPs có khả năng điều chỉnh quá trình truyền tín hiệu trong vi sinh vật Cụ thể, sự phosphoryl hóa protein trong cytosol của vi khuẩn ảnh hưởng đến khả năng truyền tải tín hiệu, thường xảy ra tại vị trí gốc tyrosine của peptide Quá trình phosphoryl hóa này dẫn đến việc ức chế truyền dẫn tín hiệu, từ đó ngăn chặn sự tăng trưởng của vi khuẩn (Kim et al., 2009).
Cơ chế gắn AgNPs lên vi hạt silica sử dụng CTS làm chất ổn định
Cơ chế khử Ag + thành Ag nano được mô tả tóm tắt như sau (Kharisov et al., 2013):
2Ag + + e - aq (H ) 2Ag o nAg + nAg o (5)
Phương pháp điều chế AgNPs bằng bức xạ γ Co-60 mang lại nhiều lợi ích như thực hiện trong điều kiện bình thường, có hiệu suất cao trong việc tạo ra AgNPs, không cần sử dụng chất khử hóa học, và dễ dàng kiểm soát kích thước hạt nano thông qua việc điều chỉnh suất liều và nồng độ các chất phản ứng Phương pháp này cũng có tiềm năng áp dụng cho sản xuất quy mô lớn và đáp ứng yêu cầu sản xuất sạch.
Ag+ được khử thành Ag0 chủ yếu nhờ vào electron solvát (e-aq) và gốc tự do hydrogen (H•) từ phản ứng xạ ly các phân tử nước trong dung dịch Gốc tự do hydroxyl (•OH) cũng hình thành từ phản ứng xạ ly nước, có khả năng phản ứng với các alcohol như etanol, metanol, và isopropanol, tạo ra các gốc tự do hydroxyalkyl Những gốc này góp phần vào quá trình khử Ag+ thành các cụm Ag0 (Ag0 clusters).
Khi hệ keo SiO2 xuất hiện, các hạt Ag+ dễ dàng được hấp thu lên bề mặt SiO2 Khi chiếu xạ Ag+ trên bề mặt này, chúng sẽ bị khử, tạo thành các cụm kim loại bao quanh các hạt SiO2.
Hình 1.9 minh họa sơ đồ phản ứng tạo ra AgNPs gắn trên vi hạt SiO2 (Hien et al., 2015) Sự hiện diện của CTS trong dung dịch khi chiếu xạ dẫn đến việc gắn bạc lên vi hạt SiO2, đồng thời CTS sẽ bị cắt mạch, tạo thành OCTS Kết quả cuối cùng là hệ ổn định đồng nhất AgNPs/SiO2/CTS.
Độc tính của silica, AgNPs và CTS
Nghiên cứu về độc tính của CTS chiết xuất từ vỏ tôm cho thấy sản phẩm này an toàn cho người sử dụng, ngay cả với liều cao LD50 của CTS trên chuột là 16 g/kg, không có dấu hiệu độc tính khi uống với liều 10 g/kg Thí nghiệm trên chuột Charles River albino cho thấy không có sự khác biệt về khối lượng khi sử dụng 1 và 5% CTS trong 4 tuần Chuột Wistar cũng không có sự khác biệt về tăng trưởng và khối lượng gan khi sử dụng 1 và 5% OCTS trong 21 ngày Các thí nghiệm trên người cho thấy không có tác dụng phụ khi uống OCTS với nồng độ 4,5 g/ngày cho nam và 2,5 g/ngày cho nữ trong 12 ngày Không quan sát thấy độc tính cấp khi sử dụng 6,75 g/ngày trong 12 tuần CTS không gây độc tính qua da và không kích thích mắt ở chuột lang và thỏ OCTS không gây độc tính cận mãn tính khi bổ sung 3,0% vào thức ăn chuột Sprague-Dawley Cả CTS và OCTS không gây độc tính mãn và ung thư khi sử dụng trên chuột với hàm lượng trên 2.000 mg/kg OCTS không kích hoạt enzyme trao đổi chất của vi khuẩn và không hình thành micronucleus trong tủy xương chuột Cuối cùng, CTS có khả năng hấp thụ thấp qua đường tiêu hóa, với mức hấp thu tối đa đạt 10% ở chó, 2,5 - 6% ở ngựa và 20% ở chuột.
Nhiều nghiên cứu về độc học của silica cho thấy rằng silica có khả năng tích lũy và gây độc thấp trong cơ thể động vật Khoảng 70-80% lượng nano silica hấp thụ qua đường uống được đào thải qua nước tiểu, trong khi 7-8% được thải qua phân Một lượng nhỏ silica có thể tích lũy trong gan, thận và lá lách sau 6 giờ tiêu thụ Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều chỉ ra rằng silica không có độc tính cấp, mãn tính hoặc gây đột biến gen, ngay cả khi sử dụng ở liều cao trên 2.000 mg/kg thể trọng.
Độc tính của AgNPs (hạt nano bạc) và nano kim loại nặng đang gây tranh cãi trong cộng đồng khoa học Các nghiên cứu in vitro cho thấy AgNPs có độc tính cao đối với tế bào, trong khi nghiên cứu in vivo lại cho thấy AgNPs được bài tiết chủ yếu qua phân (90-99,6% tùy loại động vật) Cụ thể, chuột nhắt bài tiết 99,6%, chuột lớn 98%, chó 90% và khỉ 94% Nghiên cứu của Kim và cộng sự (2008) cho thấy AgNPs kích thước khoảng 60 nm không gây đột biến gen ở chuột sau 28 ngày Mặc dù Lee và cộng sự (2012) phát hiện AgNPs (5 nm) có thể gây hình thành micronucleus ở nồng độ cao (25 µg/mL), nhưng độc tính bán mãn tính trên chuột chỉ nhẹ với liều lượng cao Nghiên cứu của Kim và cộng sự (2008) cũng chỉ ra rằng khi cho chuột F344 5 tuần tuổi uống AgNPs với liều 30, 125 và 500 mg/kg, có sự thay đổi về enzyme alkaline phosphatase và cholesterol, cho thấy tổn thương nhẹ gan ở liều trên 125 mg/kg, cùng với sự tích tụ bạc trong thận chuột cái, nhưng không có dấu hiệu hoại tử hay sơ hóa trong mô chuột.
Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), trong thời gian 12 tuần quan sát, mức độ dư lượng bạc cho phép trong nước uống là 0,1 mg/L, và mức hấp thụ tối đa cho phép cho mỗi người trong suốt cuộc đời là 10 g.
Tồng quan về cây đậu nành
Cây đậu nành
Đậu nành, hay còn gọi là đỗ tương (tên khoa học Glycine max), là một loại cây thuộc họ Đậu (Fabaceae) và có nguồn gốc từ Đông Á Đậu nành đã được gieo trồng từ khoảng 1.100 năm trước công nguyên và hiện nay phân bố rộng rãi từ 48 độ Bắc đến 30 độ Nam Loài cây này phản ứng mạnh mẽ với độ dài ngày và là một trong những cây ngày ngắn điển hình Từ Bắc Trung Quốc, đậu tương đã phát triển sang Nhật Bản, Hàn Quốc, và các vùng Đông Nam Á, bao gồm Việt Nam Vào thế kỷ 17, đậu tương được giới thiệu vào Châu Âu Với hàm lượng protein cao, đậu nành được trồng chủ yếu làm thức ăn cho con người và gia súc.
Cấu tạo cây đậu nành
1.7.2.1 Cấu tạo rễ cây đậu nành
Rễ đậu nành bao gồm rễ cái và nhiều rễ con, với rễ cái có thể phát triển sâu tới 150 cm, nhưng thường chỉ đạt 20 - 30 cm Rễ con phát triển từ rễ cái và nhanh chóng phát triển hơn thân trong giai đoạn sinh trưởng dinh dưỡng, tiếp tục cho đến khi quả chín sinh lý Sự phát triển của rễ đậu nành phụ thuộc vào giống, điều kiện đất trồng, kỹ thuật canh tác và độ ẩm của đất; các giống chịu hạn thường có bộ rễ phát triển mạnh mẽ và ăn sâu Đặc biệt, bộ rễ đậu nành hình thành nốt sần chứa vi khuẩn Rhizobium japonicum, có khả năng tổng hợp nitơ từ không khí Nốt sần có màu đỏ hồng cho thấy khả năng cố định nitơ mạnh, trong khi nốt sần màu đen không còn khả năng này.
Cây đậu nành có thân thảo với nhiều đốt, lá mọc từ các đốt và cành phát triển từ nách lá Thân cây có màu sắc đa dạng như xanh, xanh nhạt, tím nhạt, với hoa trắng thì thân trắng và hoa tím Chiều cao của cây dao động từ 20 đến 50 cm và được phân loại thành thân đứng, bán đứng và leo Dựa vào sự sinh trưởng, cây được chia thành ba loại: sinh trưởng hữu hạn (thân ngừng phát triển khi quả chín), bán hữu hạn (thân vẫn tiếp tục dài ra khi quả sắp chín) và loại trung gian lá bán hữu hạn.
Đậu nành có ba loại lá: lá mầm đầu tiên, hai lá đơn mọc đối, và lá kép với ba lá chét Hình dạng lá có thể là quả xoan, ngọn giáo hoặc trứng, và màu xanh của lá ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng quả Vị trí của lá bên cạnh hoa quyết định chất lượng của chùm hoa và quả Độ góc sắp xếp lá cũng rất quan trọng; nếu lá được sắp xếp thẳng góc với ánh sáng, cây sẽ tận dụng tối đa năng lượng mặt trời và có thể trồng dày để đạt năng suất cao Cây có nhiều lá lớn, khỏe trong giai đoạn ra hoa, với phiến lá mỏng, phẳng và màu xanh đậm cho thấy cây đang phát triển mạnh mẽ.
Số cành trên thân cây đậu nành thay đổi tùy theo giống, thời vụ và điều kiện canh tác, với cành thường mọc khỏe từ đốt thứ 5 - 6 Giống chín sớm vụ Xuân có thể chỉ có 1 - 2 cành, trong khi giống chín muộn vụ hè có từ 4 - 6 cành Việc chọn tạo giống nhằm tăng số cành cấp 1 sẽ dẫn đến tăng năng suất quả Một số vùng trồng áp dụng biện pháp ngắt ngọn khi cây có 4-5 lá để cải thiện khả năng phân cành.
Hoa đậu nành có màu sắc đa dạng như tím, tím nhạt và trắng, thường mọc ở nách lá, đầu cành và ngọn thân Những bông hoa nhỏ, dài khoảng 6-7 mm, thường xuất hiện thành chùm Cấu trúc hoa đặc trưng với hình dạng cánh bướm, bao gồm 5 cánh không đều nhau và tràng hoa với cánh cờ phía sau cùng 2 cánh bên.
2 cánh phía trước tiếp xúc nhau nhưng không dính vào nhau Bộ nhị hoa gồm
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá cấu trúc của 10 nhị, được chia thành 2 nhóm: Nhóm 1 bao gồm 9 nhị liên kết với nhau thành một khối, trong khi Nhóm 2 chỉ có 1 nhụy hoa Nhụy hoa này có 1 lá noãn và có thể chứa từ 1 đến nhiều hạt.
Thời gian ra hoa của cây phụ thuộc vào giống và thời vụ gieo trồng, với các giống chín sớm vào vụ hè ra hoa chỉ sau 30 ngày, trong khi các giống chín muộn cần từ 40 đến 45 ngày Các giống ra hoa sớm thường cho quả chín tập trung, nhưng nếu gặp điều kiện bất lợi có thể dẫn đến thất thu lớn Ngược lại, giống ra hoa kéo dài có quả chín không tập trung, nhưng nếu xảy ra rụng quả, các đợt hoa sau vẫn có thể bù đắp và duy trì năng suất tốt.
Hoa đậu nành nở vào lúc 8 giờ sáng trong mùa hè nóng, trong khi vào mùa đông, hoa nở muộn hơn vào lúc 9 giờ sáng Nhiệt độ lý tưởng cho hoa nở là từ 25 đến 28 độ C, với độ ẩm không khí khoảng 75 đến 85%.
Quả đậu nành là loại quả giáp, với số lượng quả trên cây dao động từ 10 - 20 quả đối với giống chín sớm, trong khi các giống chín trung bình và chín muộn có thể đạt tới 150 quả/cây Mỗi quả thường chứa từ 1 - 4 hạt, chủ yếu là 2 - 3 hạt, có hình dạng hơi cong và chiều dài từ 2 - 7 cm Quá trình phát triển của quả diễn ra nhanh chóng, đạt chiều dài lớn nhất sau 20 - 25 ngày nở hoa và kích thước tối đa sau khoảng 30 ngày Khi chín, quả có thể có màu vàng tro hoặc vàng xám, nhưng một số giống có thể tự nứt khi khô, dẫn đến mất hạt và giảm năng suất.
Hạt đậu nành có hình dạng tròn, dẹt hoặc bầu dục, với màu sắc đa dạng như vàng, vàng rơm, xanh và đặc biệt là màu đen từ một số giống nhập nội Rốn hạt có thể có màu vàng, trắng, nâu hoặc đen, trong đó giống có rốn màu trắng được ưa chuộng hơn Khối lượng 1000 hạt thay đổi từ 50 - 400 g tùy thuộc vào giống và điều kiện canh tác Nhiệt độ lý tưởng cho quá trình quang hợp là từ 25-40 độ C, nhưng nếu nhiệt độ thấp trong giai đoạn phát triển cuối, hạt sẽ khó chín đều, tỷ lệ nước cao và chất lượng hạt sẽ kém.
Các loại bệnh hại trên cây đậu nành
1.7.3.1 bệnh hại do nấm, vi khuẩn và virus
Nấm Phakopsora pachyrhizi Sydow gây hại nghiêm trọng cho đậu nành trong các vụ Xuân hè ở miền núi, với triệu chứng bệnh thường xuất hiện ở mặt dưới lá, cuống lá và thân Các đốm vàng và nâu là dấu hiệu của bào tử phát triển trong vết bệnh, ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của lá Bệnh khởi phát ở tầng lá dưới và lan dần lên trên, đặc biệt nặng nề trong điều kiện thời tiết lạnh, âm u, độ ẩm cao Tuy nhiên, khi có ánh nắng và mưa rào, tình trạng bệnh sẽ giảm bớt.
Bệnh do nấm Septoria glycine Hemi gây ra, với bào tử nấm sống qua đông trên thân và lá cây Nấm xâm nhập qua lỗ khí khổng và phát triển giữa các tế bào, đồng thời cũng có thể truyền qua hạt Dấu hiệu đầu tiên của bệnh là những đốm nâu không hình dạng xuất hiện trên lá mầm, sau đó là những đốm đỏ có góc cạnh từ 1-5 mm trên hai lá đơn, khiến lá nhanh chóng chuyển sang màu vàng và rụng Các vết tổn thương thường hòa lẫn với nhau, khó phân biệt Bệnh thường xuất hiện trong vụ hè trên các giống cây chuyên vụ lạnh, gây rụng hoa, lá, quả và giảm năng suất đáng kể.
Bệnh do nấm Peronospora manshurica gây ra, thường phát triển trong điều kiện ẩm độ cao và nhiệt độ từ 20-22°C Nấm này tạo thành lớp màu xám hoặc phớt tím trên bề mặt lá, kèm theo vết màu xanh vàng lợt Khi các mô bị hoại tử, vết bệnh chuyển sang màu nâu xám hoặc nâu đậm, với viền màu xanh vàng xung quanh Trong những ngày ẩm ướt, vào buổi sáng, bề mặt dưới lá nơi có vết bệnh thường xuất hiện lớp sương, đặc trưng của bệnh sương mai Nếu bệnh nặng, lá có thể bị khô, mép ngoài rụng sớm, dẫn đến hạt lép và giảm năng suất tới 10% Một số cây bị bệnh sẽ có biểu hiện toàn thân như cây nhỏ và lá nhỏ hơn bình thường.
Bệnh phấn trắng là một bệnh phổ biến ảnh hưởng đến lá cây trồng, đặc biệt là đậu nành, do nấm Diffusa microsphaera gây ra Bệnh thường phát triển trong điều kiện thời tiết lạnh (10 - 18°C) và độ ẩm cao vào mùa xuân và mùa đông, đặc biệt trong giai đoạn cây ra hoa đến khi đậu quả, gây giảm năng suất rõ rệt Nếu bệnh xảy ra khi quả đã vào chắc, mức độ thiệt hại thường ít hơn Bệnh phấn trắng thường xuất hiện song song với các bệnh như gỉ sắt và sương mai trong mùa lạnh hoặc ở những vùng núi cao có độ ẩm cao vào ban đêm Tuy nhiên, bệnh có thể giảm bớt nếu có mưa rào và thời tiết nắng ráo.
Bệnh khảm lá đậu nành
Khi cây bị bệnh do virus SMV (Soybean mosaic virus), lá cây xuất hiện các đốm xanh nhạt, đậm và vàng xen kẽ, dẫn đến sự phát triển chậm và lá non biến dạng Cây có hiện tượng đọt non xoăn, các đốt thân co ngắn, và quả thường lép, ít và biến dạng, có vị đắng Virus lây lan chủ yếu qua rệp và bọ trĩ, với rệp muội ngoài đồng là nguyên nhân chính truyền bệnh từ cây bệnh sang cây khỏe Tỷ lệ nhiễm bệnh tăng lên khi số lượng bọ trĩ và rệp nhiều.
Bệnh lở cổ rễ do nấm Rhizoctonia solani gây ra, ảnh hưởng nghiêm trọng đến cây con và cây mới mọc với tỷ lệ chết cao Nấm phát triển tại gốc cây, gây thối rễ và hỏng vỏ ở phần cổ rễ tiếp xúc với mặt đất, dẫn đến cây héo và chết Bệnh thường xảy ra ở vùng đất thấp, ẩm ướt, đặc biệt trên ruộng đã trồng đậu, ngô trước đó, dễ bị lây nhiễm từ các cây này hoặc từ ruộng lúa bị bệnh khô vằn.
Bệnh do nấm Fusarium oxysporum gây ra, biểu hiện ở cây con với triệu chứng như héo, lá rũ, vàng và rụng sớm Khi cây trưởng thành, bệnh làm lép hạt, thối rễ và gốc, ảnh hưởng đến khả năng dẫn nước và dinh dưỡng Nếu gặp điều kiện ẩm độ cao, có thể thấy lớp khuẩn ty nấm màu trắng hoặc đỏ hồng Cây bệnh sẽ có lá héo và rụng sớm, đặc biệt là chồi ngọn và lá sò Hệ thống rễ có thể bị hư hại, dẫn đến sự phát triển chậm và cây yếu ớt Bệnh thường gây hại nghiêm trọng cho đậu nành, đặc biệt ở ruộng gieo trồng dày, tạo ẩm thấp trong mùa mưa Nguồn bệnh tồn tại trong đất và lây lan qua bào tử, xâm nhập qua khí khổng hoặc vết thương cơ giới.
Bệnh thán thư là một bệnh phổ biến ở các vùng trồng đậu nành trên toàn cầu, do nấm Colletotrichum truncatum gây ra, ảnh hưởng đến nhiều loại cây họ Đậu như đậu xanh, đậu đen và lạc Bệnh có thể xuất hiện từ giai đoạn cây con đến khi thu hoạch, làm giảm chất lượng hạt do hàm lượng axit amin bị giảm Các triệu chứng bệnh bao gồm vết đốm màu nâu ướt trên lá, rụng lá mầm sớm, và các vết bệnh hình bầu dục trên phiến lá có viền nâu đỏ Bệnh phát triển mạnh trong điều kiện ẩm độ cao và nhiệt độ khoảng 28°C, trong khi điều kiện khô ráo và lạnh có thể ngăn chặn sự phát triển của bệnh Sợi nấm có thể lây lan qua hạt giống và bào tử phát tán qua gió, mưa, nước tưới và côn trùng Tỷ lệ nhiễm bệnh phụ thuộc vào mức độ nhiễm của hạt giống và điều kiện ẩm độ trên đồng ruộng, đặc biệt là ở những vùng có mưa nhiều và bón phân không hợp lý.
Nấm gõy gây bệnh nhiễm hệ thống trên cây, với triệu chứng xuất hiện sau khi cây đã thuần thục Sợi nấm tồn tại trong nội nhũ và phôi hạt, trong khi bào tử nấm nảy mầm tạo thành 1-2 ống mầm ngắn, xâm nhập qua biểu bì cây Ở nhiệt độ 20-25°C và có giọt nước, nấm có thể nảy mầm và hình thành giác bám chỉ trong 6 giờ, với thời kỳ tiềm dục kéo dài từ 60-65 giờ Nguồn bệnh chủ yếu tồn tại dưới dạng sợi nấm trên hạt giống và tàn dư cây bệnh, với khả năng sống sót cao trên hạt giống.
Rễ cây bị bệnh thường xuất hiện các bướu lớn, có màu trắng và hình dạng thon dài, dễ nhầm lẫn với nốt sần ở rễ Các bướu này thường tập trung gần chóp rễ, trong khi nốt sần lại nằm gần gốc cây Cây bị ảnh hưởng có thể bị lùn, lá phát triển kém và thay đổi màu sắc từ xanh nhạt sang vàng nhạt, vàng sậm, sau đó héo nâu và rụng sớm Mật độ tuyến trùng trong đất và mức độ nhiễm bệnh của cây là hai yếu tố chính quyết định mức độ nghiêm trọng của bệnh Ngoài ra, điều kiện môi trường như đất cằn cỗi và khô hạn cũng làm tăng triệu chứng bệnh Trong trường hợp bệnh nặng, các giống cây dễ bị nhiễm có thể chết trước khi quả chín.
Trứng và ấu trùng tiền ký sinh của tuyến trùng Meloidogyne incognita được tìm thấy trong đất, với ấu trùng dài khoảng 0,4mm, có hình dạng giống như con lươn Khi có ký chủ, ấu trùng chui vào rễ và phát triển thành con trưởng thành có hình dạng quả chanh Hành động chích hút của chúng kích thích sự phát triển bất thường của các tế bào rễ, tạo ra các "tế bào khổng lồ" và u bướu Những tế bào này gây ra sự phát triển rối loạn của cây, làm cản trở việc vận chuyển nước và dưỡng chất trong hệ thống rễ.
1.7.3.2 Dịch hại do côn trùng
Sâu khoang và sâu xanh da láng là những loại sâu gây hại nghiêm trọng nhất cho cây trồng, tiếp theo là các loại sâu cuốn lá Chúng có thể tấn công từ giai đoạn cây non với 2 - 6 lá kép, trong quá trình ra hoa, hình thành quả và hạt, cho đến khi quả đã chắc Sự phá hoại này ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tổng hợp vật chất trên lá và vận chuyển chất dinh dưỡng từ lá về hạt.
Sâu cuốn lá đậu nành
Bướm là một loài ngài nhỏ, có kích thước nhỏ hơn dìa cánh không đen, với cánh trước có ba đường vân dài cắt ngang và cánh sau có hai đường vân Trứng của chúng có màu hồng nhạt và thường được đẻ rời rạc trên các bộ phận của cây Ấu trùng có màu nâu nhạt với đầu nâu, hoạt động mạnh vào chiều tối và thích ánh sáng đèn, điều này có thể được tận dụng để diệt trừ chúng bằng bả chua ngọt Chúng thường đẻ trứng ở mặt dưới lá non, và ấu trùng mới nở sẽ nhả tơ kéo mép lá lại để ăn và phá hoại Trong giai đoạn nhỏ, sâu ăn phần mềm của lá, để lại gân lớn, còn ở giai đoạn lớn hơn, chúng ăn từng mảng và chỉ để lại gân chính Mỗi cuốn lá thường chỉ có một con sâu, và chúng gây hại chủ yếu trong giai đoạn 3-8, làm chậm phát triển và giảm năng suất cây trồng Sâu non nhả tơ cuốn tròn lá bên trong, ăn chất xanh còn lại và gây ra tình trạng lá co rụt, khô héo và chết.
Thành trùng là một loài ngài đêm có màu nâu đen, với cánh trước mang hình dáng phức tạp và có một vệt trắng từ mép cánh đến giữa cánh Khi đậu, cánh của chúng xếp hình mái nhà, tạo thành một vệt sáng giống hình chữ V Cánh sau có màu trắng bóng với ánh tím, trong khi trứng của chúng có hình bán cầu.
Trứng có 36 - 39 đường gân từ đỉnh đến đáy, tạo thành những ô nhỏ và được bao phủ bởi lông Ấu trùng mới nở có màu xanh nhạt đến tối với 3 vệt dài từ đầu đến bụng, và mỗi đốt có 1 vệt đen hình bán nguyệt Đặc biệt, ở đốt bụng thứ 1 và 8, vệt đen lớn tạo thành đốm đen gọi là sâu khoang Nhộng có màu nâu bóng, với cặp gai ngắn ở cuối bụng Sâu trưởng thành hoạt động vào buổi tối, thường đẻ trứng trên mặt trên của lá, trong khi sâu non mới nở sống tập trung và ăn biểu mô lá Sang tuổi thứ 2, sâu bắt đầu phân tán và xuất hiện 2 đốm đen, chưa có phản ứng với ánh sáng.
Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của nhiệm vụ
Trong lĩnh vực nghiên cứu của nhiệm vụ, việc phân tích và đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan là rất quan trọng Những kết quả nghiên cứu mới nhất giúp làm sáng tỏ các vấn đề hiện tại và định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo Việc cập nhật thông tin và xu hướng mới trong ngành sẽ góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng oligosaccharide (OCTS) trong mô thực vật có khả năng kích thích sản xuất kháng sinh thực vật (phytoalexin), giúp cây chống lại bệnh tật Cụ thể, Ryan và các cộng sự (1988) đã phát hiện ra rằng các OCTS có độ polymer hóa từ 6-11 có thể tạo ra kháng sinh trong mô của nhiều loại thực vật Ngoài ra, OCTS và các dẫn xuất của nó đã kích thích sản xuất phytoalexin trong vỏ đậu, tế bào đậu nành và cây ngò tây khi được nuôi cấy ngập chìm tạm thời (Darvill et al., 1992) Hơn nữa, nghiên cứu trên lá cà chua và khoai tây của Walker-Simmons (1993) cho thấy OCTS còn tạo ra chất ức chế enzyme proteinase, liên quan đến khả năng đáp ứng tự vệ của cây.
Hạt nanosilica không chỉ tăng cường khả năng kháng bệnh cho cây trồng mà còn giúp phân phối phân bón, hoạt chất tăng trưởng và thuốc trừ sâu một cách hiệu quả Nghiên cứu của Suriyaprabha và cộng sự (2014) cho thấy nanosilica rút ngắn thời gian nảy mầm, tăng chiều dài và số lượng rễ ở cây bắp, đồng thời kích thích hoạt động của các enzyme như phenylalanine ammonia lyase, peroxidase và polyphenol oxidase để chống lại các tác nhân gây bệnh như Fusarium oxysporum và Aspergillus niger Bên cạnh đó, nanosilica còn thúc đẩy tăng trưởng và nảy mầm ở dưa leo qua kênh K+/Na+ (Alsaeedi et al., 2018) và hạn chế tác động của sâu bệnh ở cây cà chua, đặc biệt là bướm đêm (Spodoptera littoralis) (El-bendary et al., 2015) Silica cũng có khả năng ngăn chặn sự xâm nhiễm của vi sinh vật như nấm, vi khuẩn, virus và tuyến trùng thông qua ba cơ chế chính.
Silica là một thành phần quan trọng trong cấu trúc vách tế bào và biểu bì, giúp tăng cường độ cứng cáp và đàn hồi của tế bào Nhờ có silica, tế bào có khả năng kháng lại sự xâm nhiễm của vi sinh vật gây hại, góp phần bảo vệ cây trồng khỏi các tác nhân gây bệnh.
Silica có khả năng ức chế sự xâm nhiễm của vi sinh vật gây hại bằng cách kích thích hệ miễn dịch thực vật, tăng cường hoạt động của các enzyme như polyphenoloxidase, glucanase, peroxidase và phenylalanine ammonia-lyase (PAL) Ngoài ra, silica còn thúc đẩy hình thành các hợp chất thứ cấp như axit salicylic (SA), axit jasmonic (JA) và etylene (ET), có tác dụng tiêu diệt và ngăn chặn vi sinh vật gây hại (Fauteux et al., 2005; Datnoff et al., 2007; Van et al., 2013; Fortunato et al., 2012).
Silica đóng vai trò quan trọng trong việc tương tác giữa vật chủ và mầm bệnh, kích thích hoạt động của các gen liên quan đến cơ chế phòng chống vi sinh vật xâm nhập thông qua các phản ứng sinh lý, sinh hóa và tín hiệu thực vật.
AgNPs, hay hạt nano bạc, nổi bật với khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ, và nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng kích thước hạt càng nhỏ thì hiệu quả kháng khuẩn càng cao (Lee, 2005) Bên cạnh tính năng kháng khuẩn, các nghiên cứu của Nasrollahi và cộng sự cũng đã chỉ ra những ứng dụng tiềm năng khác của AgNPs trong lĩnh vực y tế và công nghệ.
Nghiên cứu của Kim và cộng sự (2011), cùng với Jo và các đồng nghiệp (2009), đã chứng minh khả năng kháng nấm của keo AgNPs, cho thấy AgNPs có tác dụng kháng nấm đáng kể so với các thuốc kháng nấm khác Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu ứng dụng AgNPs để kiểm soát bệnh cây trồng hiện nay vẫn còn hạn chế (Jo et al., 2009) Trong một nghiên cứu, Jo và cộng sự đã khảo sát hoạt động kháng nấm đối với hai loại nấm gây bệnh thực vật là Bipolaris sorokiniana và Magnaporthe grisea, và thu được những kết quả đáng chú ý Kết quả in vitro cho thấy AgNPs đã có tác động mạnh mẽ đến sự hình thành bào tử của hai loại nấm này.
Các nghiên cứu in vivo đã chỉ ra rằng hạt AgNPs có khả năng giảm đáng kể bệnh nấm trên cỏ Lolium perenne trưởng thành AgNPs không chỉ tồn tại trong cây mà còn đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng Chúng cũng kích thích quá trình nảy mầm của hạt, tăng cường hàm lượng protein tổng và carbohydrate, đồng thời giảm hàm lượng phenol ở Boswellia ovaliofoliolata (Savithramma et al., 2012) Hơn nữa, AgNPs còn nâng cao khả năng sinh trưởng và phát triển của cây lúa bằng cách tăng cường hàm lượng chlorophyll, carbohydrate, protein và enzyme kháng oxy hóa ở cây đậu và bắp (Salama, 2012; Sharma et al., 2012).
Trong nước, việc phân tích và đánh giá tình hình nghiên cứu trong lĩnh vực đề tài là rất quan trọng Cần nêu rõ các kết quả khoa học và công nghệ (KH&CN) mà các cán bộ tham gia đã đạt được Nếu có các đề tài tương tự đang được thực hiện ở cấp độ hoặc địa phương khác, cần giải thích chi tiết về các nội dung kỹ thuật liên quan đến nhiệm vụ này.
Nghiên cứu gần đây về nanosilica và chế phẩm nanosilica ổn định trong CTS đã chỉ ra hiệu quả cao trong nông nghiệp, đặc biệt là trong việc tăng cường sinh trưởng và khả năng kháng bệnh của cây trồng Dũng và cộng sự (2016) cho thấy nồng độ 60 ppm của nanosilica giúp tăng khối lượng tươi, khô và hàm lượng chlorophyll của cây ớt sau 35 ngày gieo trồng Ngoài ra, chế phẩm nanosilica/CTS cũng giảm tỉ lệ bệnh thán thư trên cây ớt từ 90% xuống 22,2% với liều lượng 60 mg/L (Dung et al., 2017) Tương tự, Tuấn và cộng sự (2016) đã nghiên cứu chế phẩm nanosilica/CTS với kích thước hạt khoảng 32,5 nm và nồng độ 100 ppm, cho thấy khả năng hạn chế bệnh đạo ôn và bệnh bạc lá trên cây lúa, với tỉ lệ bệnh giảm đáng kể.
Sử dụng chế phẩm OCTS và OCTS/SiNPs trên cây đậu nành đã cho thấy tăng năng suất hạt lên 10,5% và 17% so với đối chứng, giúp nông dân tăng lợi nhuận từ 3 triệu đến hơn 5 triệu đồng mỗi hecta (Phu et al., 2017) Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu về kim loại nano, đặc biệt là AgNPs, đã được công bố, trong đó có việc chế tạo AgNPs bằng phương pháp chiếu xạ tia -Co-60 với ứng dụng trong y tế và nông nghiệp (Du et al., 2018) Nghiên cứu cho thấy AgNPs có khả năng điều tiết cytokin, rút ngắn thời gian phục hồi vết thương bỏng và hiệu quả trong điều trị các vết loét lâu dài (Dung et al., 2011) Gần đây, chế phẩm AgNPs/CTS đã chứng minh hiệu quả cao trong phòng và trị bệnh chết nhanh trên cây hồ tiêu và giảm thiểu dịch bệnh trên cây cà chua, đồng thời tăng năng suất quả cà chua thực tế lên khoảng 23%.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Vật liệu
- Bạc nitrate (Scharlau, Tây Ban Nha)
- HCl (Scharlau, Tây Ban Nha)
- Trấu được lấy tại vùng trồng lúa Bình Thuận
- CTS (Mw ~ 608 kDa, DD ~80%, Việt Nam)
- Nấm Rhizoctonia solani, Fusarium oxysporum và nấm Colletotrichum gloeosporioides được cung cấp từ ĐH Nông Lâm TP Hồ Chí Minh
- Hạt đậu nành giốngHNDN 910 được cung cấp bởi công ty Hoàng Nông, Tp.HCM
- Các hóa chất, dụng cụ và trang thiết bị khác
Phương pháp nghiên cứu
Nội dung 1: Nghiên cứu chế tạo vi hạt silica từ trấu
Hình 2.1 Quy trình chế tạo vi hạt silica
Quy trình chế tạo vi hạt silica bắt đầu bằng việc ngâm trấu trong HCl và rửa sạch, sau đó nung ở nhiệt độ cao để thu tro trấu Tro trấu này được hòa tan trong NaOH để tạo Na2SiO3, phục vụ cho phản ứng sol-gel Trong quá trình sol-gel, dung dịch Na2SiO3 được khuếch tán vào dung dịch butanol/nước có bổ sung CTAB, sau đó nhỏ từ từ HCl cho đến khi xuất hiện kết tủa gel trắng với pH khoảng 4 Kết tủa này được ly tâm, rửa sạch đến pH khoảng 7, sau đó sấy khô và nung ở 700°C để thu được vi hạt silica.
2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý trấu đến khả năng tinh sạch của tro trấu
2.2.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ và thời gian xử lý HCl lên quá trình tinh sạch tro trấu
Nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý trấu đến độ tinh sạch và khả năng loại bỏ oxit kim loại trong tro trấu sau khi nung Vỏ trấu (30 g) được rửa sạch, phơi khô và ngâm trong 300 mL dung dịch HCl với các nồng độ khác nhau là 3,7%; 7,4% và 11,1%, tương ứng với mức pha loãng 10%, 20% và 30% của dung dịch HCl đậm đặc, trong các khoảng thời gian 8 và 12 giờ.
24 giờ Sau đó, trấu được rửa cho đến khi pH về trung tính, tiến hành nung ở
600 o C trong 4 giờ thu tro trấu
Quan sát màu sắc của tro sau khi nung giúp đánh giá các đặc trưng của vi hạt silica Phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) và phổ nhiễu xạ tia X được sử dụng để xác định các tính chất này một cách chính xác.
X (XRD) để đánh giá độ tinh sạch của tro trấu
2.2.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến quá trình hình thành tro trấu
Sau khi xác định thời gian và nồng độ HCl tối ưu cho quá trình tiền xử lý tro trấu, các thông số này sẽ được áp dụng cho các thí nghiệm tiếp theo nhằm khảo sát ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ nung đến hiệu suất và độ tinh sạch của tro trấu sau nung Tro trấu đã được tiền xử lý sẽ được nung ở các nhiệt độ 500, 600 và 700 độ C trong khoảng thời gian 2, 3 và 4 giờ Hiệu suất nung tro trấu sẽ được tính toán theo công thức cụ thể.
Hiệu suất nung của mùn cưa (H %) được xác định thông qua khối lượng tro trấu sau khi nung (msn) so với khối lượng trấu trước khi nung (mbđ) Để đánh giá đặc trưng cấu tạo của tro trấu sau nung, các phương pháp phân tích FTIR và XRD được áp dụng.
2.2.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ và thời gian xử lý của NaOH lên khả năng hình thành Na 2 SiO 3 từ tro trấu
Cho 1,5 g tro trấu tinh sạch vào 50 mL NaOH 1, 2 và 3 M Đun hỗn hợp bằng máy khuấy từ gia nhiệt trong 2, 4 và 6 giờ ở 100 o C, đồng thời bổ sung nước khử ion để giữ nguyên thể tích Sau khi đun, để hỗn hợp qua đêm rồi lọc để thu nhận dung dịch.
Hiệu suất hình thành Na2SiO3 bằng công thức:
H (%): Hiệu suất hòa tan Na2SiO3 msl : Khối lượng cặn sau khi lọc mbđ : Khối lượng tro trấu ban đầu
2.2.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ butanol/nước và tỉ lệ CTAB đến quá trình hình thành vi hạt silica trong phản ứng sol-gel
2.2.1.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ butanol/nước đến quá trình hình thành vi hạt silica trong phản ứng sol-gel
Nhỏ giọt 100 mL Na2SiO3 vào cốc chứa hỗn hợp dung dịch butanol/nước với các tỉ lệ 1:1, 1:2 và 1:3, sau đó khuấy ở 60 o C Từ từ thêm dung dịch HCl 3,7% cho đến khi pH đạt khoảng 4 và xuất hiện kết tủa trắng, rồi ngừng khuấy Ủ mẫu trong 24 giờ ở 60 o C, sau đó ly tâm với tốc độ 5.500 vòng/phút trong 15 phút để thu nhận tủa gel silica Rửa gel bằng nước khử ion nhiều lần và loại bỏ muối dư bằng ethanol 96 o.
2 lần Tiếp theo, gel silica được nung ở 700 o C trong 5 giờ, sản phẩm nhận được cuối cùng là bột khô màu trắng chính là vi hạt silica
Xác định khối lượng kết tủa trắng sau khi nung là phương pháp quan trọng để đánh giá hiệu suất hình thành vi hạt silica Đồng thời, kích thước của vi hạt silica được đo bằng phương pháp đo kích thước hạt LS, giúp cung cấp thông tin chi tiết về đặc tính của vi hạt này.
2.2.1.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ CTAB đến quá trình hình thành vi hạt silica trong phản ứng sol-gel
Để giảm kích thước vi hạt silica, thí nghiệm sử dụng CTAB làm chất hoạt động bề mặt giúp phân tách các phân tử SiO2 và hình thành hệ gel Nồng độ CTAB 1, 2 và 3% được thêm vào phản ứng sol-gel, với hiệu suất tốt nhất ghi nhận ở thí nghiệm 2.2.1.4.1 Hiệu suất hình thành vi hạt silica và kích thước vi hạt được xác định thông qua phương pháp đo kích thước hạt LS.
2.2.1.5 Xác định các đặc trưng của mẫu tro trấu, vi hạt silica sau chế tạo
Phổ XRD được thực hiện trên mẫu tro trấu sau nung, được ép trên đế chuyên dụng và phân tích bằng máy nhiễu xạ tia X D8 Advance Eco (Bruker, Mỹ) Phương pháp sử dụng ống phát bức xạ CuKα với bước sóng 1,5406 Å, ở điện áp 40 kV và dòng điện 25 mA.
Phổ FTIR được thu thập từ các mẫu tro trấu sau khi nung, được nghiền thành bột mịn và trộn với KBr theo tỷ lệ 3:100 để tạo thành viên nén bằng máy nén chuyên dụng Việc đo phổ FTIR được thực hiện trên máy quang phổ hồng ngoại FT-IR 4700 (Jasco, Nhật Bản) trong khoảng số sóng từ 4000 đến 500 cm -1.
Để xác định kích thước hạt trung bình của vi hạt silica sau chế tạo, vi hạt này được hòa trong nước tạo thành dịch huyền phù 1% Kích thước hạt sau đó được phân tích bằng máy nhiễu xạ laser LS 13 320 của Beckman Coulter, Mỹ.
Phân tích kích thước vi hạt silica được thực hiện bằng ảnh SEM, với mẫu vi hạt silica đạt nghiệm thức tốt nhất sau chế tạo Kích thước hạt silica được xác định qua ảnh SEM, đồng thời độ tinh sạch của mẫu được kiểm tra bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) trên máy FE-SEM S4800 của Hitachi (Nhật Bản).
Nội dung 2: Nghiên cứu cắt mạch CTS bằng phương pháp chiếu xạ
2.2.2 Nghiên cứu cắt mạch CTS bằng phương pháp chiếu xạ
2.2.2.1 Nghiên cứu cắt mạch CTS dạng bột khô
Cho 30 g bột CTS (Mw ~ 608,5 kDa) vào các bình duran và chiếu xạ ở các liều xạ 100, 200, 300, 400 và 500 kGy Mw CTS tạo thành sau phản ứng được xác định bằng sắc ký gel thấm qua (GPC) Đặc trưng cấu trúc của vật liệu CTS sau chiếu xạ cũng được phân tích bằng phổ FTIR và phổ tử ngoại- khả kiến (UV-vis)
2.2.2.2 Nghiên cứu cắt mạch CTS dạng thấm ướt
Cân 30 g CTS (Mw ~ 608,5 kDa) dạng bột khô vào các bình duran sau đó bổ sung nước khử ion với tỉ lệ 1/5 (w/v) và để qua đêm cho đến khi CTS trương hoàn toàn và chiếu xạ ở các liều xạ 5, 10, 15, 20, 25 và 30 kGy Sau đó, CTS được sấy khô trong tủ sấy ở nhiệt độ 60 o C và nghiền thành dạng bột
Các kỹ thuật sử dụng chính
- Các kết quả thu được từ các thí nghiệm trong điều kiện in vitro và in vivo được xử lí thống kê bằng phần mềm Microsoft Excel và SPSS 16.0
- Phương pháp chiếu xạ tia γ Co - 60 sử dụng nguồn xạ gamma chamber GC-
5000 (BRIT, Ấn Độ) tại tại Trung tâm CNSH Tp HCM.
