Chế tạo vật liệu hấp phụ zeolit - polime và nghiên cứu khả năng giữ dinh dưỡng cho cây ngô

Tuy nhiên, việc xử lý này chưa có hiệu quả về kinh tế và môi trường do quá trình đốt các phụ phẩm nông nghiệp gây lãng phí nguồn nguyên liệu, không lợi dụng được nguồn dinh dưỡng hữu cơ



NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ ZEOLIT-POLIME

VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIỮ DINH DƯỠNG

CHO CÂY NGÔ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ ZEOLIT-POLIME

VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIỮ DINH DƯỠNG

CHO CÂY NGÔ

Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ

Mã số: 62 44 27 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS TRẦN THỊ NHƯ MAI

HÀ NỘI – 2011

MỞ ĐẦU

Việt Nam là một nước nông nghiệp với sản lượng lúa gạo và các sản phẩm nông nghiệp hàng năm rất lớn Sản lượng lúa năm 2009 khoảng 38,9 triệu tấn, sản lượng ngô khoảng 4 triệu tấn Bên cạnh quá trình gia tăng sản xuất nông nghiệp là

sự hình thành một lượng lớn các phụ phẩm nông nghiệp, nếu không có biện pháp xử

lý hiệu quả sẽ dẫn đến những vấn đề môi trường và xã hội

Các phụ phẩm nông nghiệp như vỏ trấu, rơm rạ, thân lá ngô, bã mía… được biết đến như một nguồn dinh dưỡng phong phú gồm: protein, axit amin, gluxit, vi lượng… đặc biệt là nguồn silic hữu cơ, NPK hữu cơ dễ thâm nhập, giúp cây hấp thu tốt hơn Việc sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp tái sử dụng lại trong nông nghiệp là xu thế mà thế giới đang hướng đến nhằm tận dụng các nguồn dinh dưỡng sẵn có

Trước đây, các phụ phẩm nông nghiệp thường được sử dụng làm chất đốt hoặc được vùi trực tiếp xuống đất trồng để tái sử dụng làm phân bón Tuy nhiên, việc xử lý này chưa có hiệu quả về kinh tế và môi trường do quá trình đốt các phụ phẩm nông nghiệp gây lãng phí nguồn nguyên liệu, không lợi dụng được nguồn dinh dưỡng hữu cơ sẵn có, đồng thời phát thải ra môi trường một lượng lớn khí thải

CO2, CO, CxHy, NOx, SOx…; việc vùi trực tiếp các phụ phẩm nông nghiệp xuống đất trồng tận dụng được các nguồn dinh dưỡng nhưng quá trình phân hủy xảy ra chậm, phải kết hợp với việc sử dụng vi sinh vật để tạo thành các sản phẩm dễ hấp thu nên khó khăn trong quá trình kiểm soát các chủng vi sinh Ngoài ra, quá trình phân hủy các phụ phẩm nông nghiệp bằng vi sinh còn phụ thuộc vào độ ẩm đất và trực tiếp tạo ra một lượng khí metan được giải phóng trong khi ủ, tuy có cung cấp cho đồng ruộng một phần dinh dưỡng cho mùa vụ tiếp theo, nhưng rất có thể lại mang mầm sâu bệnh cho cây trồng

Mặt khác, sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học vật liệu polime đã đem lại những thành tựu to lớn, polime ưa nước trên cơ sở axit acrylic chiếm tỷ lệ cao, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: Phụ gia chống thấm, công nghiệp mỹ phẩm, thực phẩm, công nghiệp dược, y tế, xây dựng đặc biệt là làm chất giữ ẩm và điều

tiết vi lượng cho cây trồng Những phụ gia này đang được ứng dụng ở những vùng đất dốc, bãi thải Tuy nhiên, hạn chế của vật liệu này là khó phân hủy sinh học thường phải kết hợp với tinh bột hoặc xenlulozơ Mặt khác, các polime trên cơ sở axit acrylic, acrylamit là các sản phẩm của hóa học dầu mỏ, trong khi đó, nguồn nguyên liệu hóa thạch không phải là vô tận, vì vậy xu thế hiện nay trên thế giới là

sử dụng các nguồn nguyên liệu tái tạo, trong đó có các polime thiên nhiên nhằm phát triển bền vững

Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, thay vì thải đi, trấu với thành phần chứa silic hữu cơ, xenlulozơ có thể sử dụng làm vật liệu ban đầu để tổng hợp các vật liệu zeolit - vật liệu vi mao quản – một trong những chế phẩm có khả năng hấp thụ và chống rửa trôi dinh dưỡng Việc tổng hợp zeolit từ trấu có chứa thành phần silic hữu cơ, xenlulozơ làm template có thể thay thế các nguồn silic hữu cơ đắt tiền đang tồn tại trên thị trường như: tetramethyl orthosilicate (TMOS), tetraethyl orthosilicate (TEOS)

Luận án này nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp là trấu nhằm tận dụng các nguồn polime thiên nhiên, nguồn silic hữu cơ sẵn có trong vỏ trấu để tổng hợp zeolit NaX, đồng thời kết hợp với vỏ trấu thủy phân bằng axit photphoric tạo ra chế phẩm gồm xenlulozơ, protein, NPK hữu cơ, vi lượng, silic hữu cơ dễ hấp thu, kết hợp cùng với zeolit NaX trực tiếp làm phụ gia phân bón bổ sung các chất dinh dưỡng cho cây trồng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Phụ phẩm nông nghiệp Thành phần, tính chất và ứng dụng

1.1.1 Thành phần và tính chất

Cây trồng hút dinh dưỡng từ đất để sinh trưởng và phát triển, ngoài các bộ phận thu hoạch ra, các phụ phẩm nông nghiệp cũng chứa đựng một lượng lớn các chất dinh dưỡng mà cây lấy từ đất Ở các nước phát triển như Canada, Mỹ, Nhật… các phụ phẩm nông nghiệp thường được sử dụng trực tiếp làm nguồn cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng

Hàng năm, một lượng phụ phẩm nông nghiệp rất lớn được tạo ra, tùy thuộc vào đặc tính của từng loại cây trồng, ước tính mỗi ha lúa cho 3,5-4,5 tấn phụ phẩm, ngô khoảng 2,7-3,2 tấn, đậu tương 0,8-1,0 tấn [110, 132] Mỗi ha lúa lấy đi khoảng 200kg kali, trong khi đó, lượng kali trong hạt gạo chỉ khoảng 5-7kg/tấn nên lượng kali còn lại nằm trong các phụ phẩm

Thân lá đậu tương

Thân lá khoai lang

0,53 0,78 1,61 1,03 0,51

0,35 0,29 0,55 0,27 0,31

1,3 1,25 2,3 1,42 1,7 Trong sản xuất lúa gạo, các phụ phẩm chiếm 40% tổng lượng đạm, 80-85% tổng lượng kali, 30-35% tổng lượng lân, 40-50% tổng lượng lưu huỳnh mà cây hút được [50] Trong đó, vỏ trấu hiện đang được quan tâm trong nhiều lĩnh vực, do những thành phần cấu trúc đáng quý của nó Trên thế giới, nhiều tác giả đã nghiên cứu thành phần cấu trúc của vỏ trấu [62, 99, 104, 143]

Bảng 1.2 Một số thành phần cấu trúc của vỏ trấu [143]

Năng lƣợng đốt cháy

Kali Canxi Sắt Nhôm Titan Natri Kẽm Magie Photpho

Bảng 1.3 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu

Tro Pentosan Thành phần không tan của tro axit Dịch chiết không chứa nitơ

13,2-29,0 16,9-22,0 13,7-20,8 24,7-38,8

Từ các số liệu trên cho thấy, trong thành phần của vỏ trấu có chứa hầu hết các chất dinh dưỡng: Chất hữu cơ – cacbon chiếm 45,28%, các dinh dưỡng đa lượng và trung lượng (N, P, K, Si, S…), các dinh dưỡng vi lượng (Ca, Fe, Al, Ti,

Zn, Mg, Na…), đây đều là các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của cây trồng Đặc biệt, ở đây, các nguyên tố đều tồn tại dưới dạng cấu trúc hữu cơ, tương hợp mà cây trồng dễ hấp thu

1.1.1.1 Thành phần xenlulozơ

Trong trấu, cacbon chủ yếu nằm trong thành phần cấu trúc của xenlulozơ Xenlulozơ chiếm 34-44% trọng lượng trấu, là hợp chất cacbohidrat, được cấu tạo từ hàng trăm thậm chí đến hàng nghìn mắt xích glucozơ liên kết với nhau bằng các liên kết -1,4-glycozit tạo thành các chuỗi mạch thẳng

Hình 1.1 Cấu trúc của chuỗi xenlulozơ

Xenlulozơ không có mùi, không vị, ưa nước với các góc tiếp xúc từ 20-300, không hòa tan trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ, bị phân hủy bởi axit hoặc kiềm Xenlulozơ là một chuỗi mạch thẳng, nguyên tử hidro trên phân tử đường của chuỗi mạch này tạo liên kết với nguyên tử oxi trên chuỗi liền kề, giữ vững các

chuỗi liên kết với nhau (side-by-side) và hình thành các chuỗi vi sợi với độ bền cơ học cao

So với tinh bột, xenlulozơ có mức độ tinh thể cao hơn Giản đồ XRD của xenlulozơ thể hiện các pic đặc trưng ở góc 2 = 14,47, 16,35, 22,62, 34,610 [98] Trong khi tinh bột trải qua một trạng thái tinh thể để chuyển tiếp vô định hình khi bị nung nóng quá 60-70°C trong nước, xenlulozơ đòi hỏi phải có nhiệt độ 320°C và áp suất là 25 MPa để trở thành vô định hình trong nước

Tính chất của xenlulozơ phụ thuộc vào độ dài chuỗi hoặc mức độ trùng hợp,

số lượng các đơn vị glucozơ tạo thành một phân tử polime Xenlulozơ từ bột gỗ có chiều dài chuỗi điển hình khoảng 300 đến 1700 đơn vị glucozơ Xenlulozơ trong bông, sợi thực vật khác và xenlulozơ trong vi khuẩn có chiều dài chuỗi khoảng 800 đến 10.000 đơn vị Chiều dài chuỗi phân tử rất nhỏ tạo thành từ sự phân hủy xenlulozơ, gọi là amyloit Amyloit là hợp phần của xenlulozơ, mạch ngắn hơn, linh động và ưa nước hơn

Xenlulozơ là một loại polime thiên nhiên vừa có tính chất phân cực mạnh, vừa kết tinh cao, chỉ hòa tan trong một số ít dung môi Xenlulozơ có thể trương trong nước Sự trương của xenlulozơ có thể là trương giữa các tinh thể và trương trong tinh thể Trong nước, sự trương giữa các tinh thể xảy ra khi nước lọt vào khoảng trống giữa các tinh thể hoặc lọt vào vùng vô định hình của cấu trúc xenlulozơ, ở đó các phân tử liên kết với nhau lỏng lẻo Nếu đặt xơ xenlulozơ khô tuyệt đối vào trong môi trường không khí có độ ẩm 60% ở 200C thì xenlulozơ hấp phụ khoảng 8-14% ẩm, tiết diện của xơ tăng lên Nếu đưa vào trong nước thì đường kính xơ tăng thêm khoảng 25% nữa, chiều dài xơ không thay đổi, xơ chủ yếu trương theo chiều ngang [42]

Sự trương trong tinh thể xảy ra khi chất gây trương có ái lực mạnh hơn tương tác giữa các phân tử xenlulozơ Khi đó, trạng thái tinh thể ban đầu bị biến đổi Sự trương trong tinh thể xảy ra theo hai hướng: Trương hữu hạn hoặc trương vô hạn Khi tác nhân gây trương tạo hợp chất phân tử với xenlulozơ, các liên kết giữa

xenlulozơ không bị phá vỡ hoàn toàn, quá trình trương nở đạt tới cân bằng, xenlulozơ không bị hòa tan được gọi là trương hữu hạn Quá trình trương hữu hạn xảy ra khi xử lý xenlulozơ bằng NaOH đậm đặc, trong dung dịch NaOH 16-18% xenlulozơ bị trương mạnh, phá vỡ liên kết giữa các phân tử xenlulozơ Quá trình trương dẫn tới hòa tan gọi là trương vô hạn, xenlulozơ có thể trương vô hạn trong một số dung môi: Phức đồng-amoniac, cupri etylen diamin, bazo amin bậc 4, đibenzyl dimetyl amoni hidroxit [42]

Mạch xenlulozơ được hình thành bởi liên kết -1,4-glycozit giữa các đơn vị glucozơ, trong một số điều kiện: môi trường axit, bazơ hoặc dưới tác dụng của nhiệt

độ nó có thể bị cắt ngắn mạch:

- Thủy phân xenlulozơ dưới tác dụng của axit

Các liên kết glycozit trong phân tử xenlulozơ kém bền rất dễ bị thủy phân trong môi trường axit Proton nhanh chóng liên kết với nguyên tử oxi trên cầu nối liên kết -1,4-glycozit tạo thành ion oxoni Tiếp đó liên kết giữa C1 và C4 dần bị phân hủy, tạo thành ion cacboni dạng vòng có cấu hình nửa ghế (half-chair) Sau đó ion cacboni phản ứng nhanh với nước tạo thành glucozơ và giải phóng proton trở lại môi trường

Hình 1.2 Cơ chế thủy phân xenlulozơ bằng axit

- Thủy phân xenlulozơ dưới tác dụng của bazơ

Liên kết -1,4-glycozit trong xenlulozơ cũng có thể bị thủy phân dưới tác dụng của bazơ Đầu tiên, cấu hình dạng ghế chuyển từ 4

C1 sang 1C4 và nhóm hidroxyl chuyển từ hướng xa thành hướng trục Dưới tác dụng của xúc tác bazơ, xảy ra quá trình tách H từ nhóm HO-C2 và tạo vòng oxiran với C1 đồng thời xảy ra phản ứng tách loại alkoxy RO-, liên kết glycozit bị phá hủy Vòng oxiran có thể mở

để tạo thành một phân tử saccarit tự do hoặc một đơn vị trong mạch polisaccarit ngắn hơn vừa được tạo ra trong quá trình thủy phân

Hình 1.3 Sơ đồ phản ứng thủy phân xenlulozơ dưới tác dụng của bazơ

4 Glycozit nội phân tử

Phản ứng thủy phân xenlulozơ dưới tác dụng của kiềm xảy ra chậm hơn nhiều khi dùng xúc tác axit

- Tách loại β-alkoxy (phản ứng bào mòn)

Dưới tác dụng của kiềm, các phân tử xenlulozơ có thể bị cắt ngắn từ đơn vị cuối cùng của mạch nên phản ứng tách loại β-alkoxy còn được gọi là phản ứng bào mòn Đơn vị glucozơ cuối cùng của mạch tồn tại dưới dạng andozơ sẽ đồng phân hóa thành dạng xetozơ (2), liên kết glycozit ở vị trí β so với nhóm cacbonyl Dưới tác dụng của kiềm mạnh, một ion H+ bị tách khỏi C3 và hình thành dạng ion endiol (3) Liên kết glycozit ở vị trí C4 phát huy được hiệu ứng điện tử nên liên kết glucozơzit bị phân hủy, tách loại được alkoxy RO- giải phóng đơn vị saccarit cuối mạch ở dạng xeto-enol (4), tautome hóa thành dixeton (5), xắp xếp lại tạo thành axit glucoisosaccarinic (6) Phần mạch RO- nhận H+ từ nước hình thành đơn vị cuối mạch dạng andozơ, quá trình phản ứng bào mòn lại tiếp tục diễn ra Kết quả là mạch phân tử xenlulozơ ngắn dần

Hình 1.4 Phản ứng bào mòn xenlulozơ Trong đó R: Phần mạch xenlulozơ

Bên cạnh đó, dưới tác dụng của kiềm, xenlulozơ còn xảy ra phản ứng oxi hóa

và ngắt mạch đồng thời làm cho mạch xenlulozơ ngắn dần

1.1.1.2 Thành phần silic hữu cơ

Thành phần nguyên tố lớn thứ hai trong trấu là silic Trong cơ thể động thực vật, silic có trong các mô liên kết, xương sụn và gân do silic tham gia quá trình sinh tổng hợp của các tổ chức này

Hình 1.5 Cấu trúc của silic trong tế bào

Trong các phụ phẩm nông nghiệp, đặc biệt là trấu, có hàm lượng xenlulozơ cao, silic liên kết chủ yếu với mạch xenlulozơ qua cầu liên kết oxi:

Hình 1.6 Cấu trúc hữu cơ của silic trong trấu

Ngoài ra, silic còn có thể tạo liên kết trực tiếp với cacbon (Si-C) hoặc liên kết qua oxi (Si-O-C)

Silic là nguyên tố dinh dưỡng hữu ích cho hầu hết các loài thực vật, đặc biệt đối với cây một lá mầm (lúa, mía, ngô…), hàm lượng silic trong tế bào đạt 5% trở lên Khi cây được bón đầy đủ silic sẽ tăng tính kháng sâu đục thân, kháng bệnh, kháng nấm do silic tạo ra rào cản cơ học chống lại sự tấn công của côn trùng miệng nhai và chích hút Hàm dưới của sâu rất yếu nên không gặm được lớp cutin trên biểu bì của lá Đồng thời, silic cũng có vai trò xúc tác trong tính kháng sinh lý bằng cách sản sinh ra những hợp chất hóa học: tannin, phenol Do đó, dùng silic để kiểm soát dịch hại là góp phần quản lý tổng hợp về sâu bệnh hại vì nó không để lại tồn dư chất độc hóa học trên cây trồng và môi trường [100, 139]

Bên cạnh các thành phần chính là xenlulozơ và silic, trong trấu còn chứa một lượng đáng kể các hợp chất hữu cơ khác:

- Nitơ chủ yếu có trong thành phần của protein, chiếm 1,7-7,4% trọng

lượng trấu và trong thành phần của photpholipit

- Photpho có trong lipit chiếm 0,4-3% trọng lượng trấu, có mặt trong

photphatit giúp tăng tính thẩm thấu của tế bào, tăng khả năng chống chịu rét của cây Photpho tham gia vào thành phần của adenosin tri photphat, uridin tri photphat, cytidin tri photphat, guanin tri photphat

là các hợp chất hữu cơ tiền sinh học, tham gia vào các quá trình trao đổi chất và năng lượng Photpho tham gia vào cấu tạo của nucleotit – thành phần của nhân tế bào Photpho nằm trong phitin – là dạng photpho dự trữ trong tế bào

Ngoài ra, trong thành phần trấu còn chứa các nguyên tố kali, lưu huỳnh, magie, sắt, nhôm, kẽm… đều tồn tại dưới dạng các hợp phần hữu cơ sinh học, tương hợp giúp cây trồng dễ hấp thu

1.1.2 Ứng dụng của các phụ phẩm nông nghiệp

Trước đây, do điều kiện kinh tế còn nghèo nàn, khoa học kỹ thuật lạc hậu, chưa đáp ứng được nhu cầu của xã hội, các phụ phẩm nông nghiệp như rơm, rạ, thân lá ngô, thân lá mía, bã mía… thường được sử dụng làm chất đốt phục vụ cho sinh hoạt hàng ngày của con người

Ngày nay, với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật, ngành nông nghiệp nước ta có những bước phát triển vượt bậc, sản lượng ngày càng tăng, kéo theo đó là một lượng lớn các phụ phẩm nông nghiệp được thải ra môi trường Trong khi đó, nhu cầu sử dụng làm chất đốt giảm đi do có nhiều nguồn nhiên liệu tiên tiến thay thế Việc tái sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp bằng cách đốt trực tiếp trên những cánh đồng để trả lại cho đất nguồn dinh dưỡng mà cây trồng đã hấp thu, biện pháp này giải quyết bước đầu được lượng phụ phẩm tồn dư sau các mùa vụ, cung cấp lại một phần các chất dinh dưỡng như K, Si nhưng hiệu quả không cao do quá trình đốt cháy vô hình dung đã chuyển các hợp phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học,

dễ hấp thu cho cây thành các chất vô cơ khó hấp thu, đồng thời mất đi một lượng đáng kể các hợp chất hữu cơ khác: xenlulozơ, protein, lipit…

Việc vùi trực tiếp các phụ phẩm nông nghiệp xuống đất trồng cung cấp đầy

đủ được các hợp phần hữu cơ trong phụ phẩm cho cây: xenlulozơ, protein, NPK hữu cơ, silic hữu cơ… tuy nhiên hạn chế của phương pháp này là thời gian phân hủy chậm nên phải kết hợp với sử dụng vi sinh vật để phân hủy các phụ phẩm, dẫn đến khó khăn trong quá trình kiểm soát các chủng vi sinh, đồng thời, các phụ phẩm

có thể mang mầm sâu bệnh cho các vụ tiếp theo

Ngày nay, các phụ phẩm nông nghiệp đang được quan tâm bởi các thành phần dinh dưỡng phong phú, giá trị kinh tế, môi trường và đặc biệt là nguồn gốc xanh của nó: Làm nhiên liệu đốt trong các thiết bị máy móc, sản xuất nhiên liệu sinh học, chế biến thức ăn gia súc, sản xuất phân bón hữu cơ, làm phụ gia xây dựng…

Việt Nam là một nước xuất khẩu gạo, sản lượng lúa năm 2009 khoảng 38,9 triệu tấn tương đương khoảng 7 triệu tấn trấu được thải ra Trước đây, vỏ trấu thường được sử dụng làm chất đốt tuy nhiên hiệu quả kinh tế của nó không cao do trấu có tỷ trọng nhỏ nên thể tích cồng kềnh, gây khó khăn cho quá trình vận chuyển Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngày nay, vỏ trấu đã được nghiên cứu và

sử dụng trong nhiều lĩnh vực: Vỏ trấu được dùng để ủ cùng với ure, với vôi để dễ tiêu hóa, làm thức ăn cho gia súc [103], dùng để chế tạo cồn công nghiệp, sản suất nhiên liệu sinh học; sử dụng SiO2 tách ra từ vỏ trấu để sản xuất các vi mạch, vật liệu bán dẫn, sử dụng trong thiết bị lọc nước; sản xuất điện, sản xuất ván, gỗ ép từ vỏ trấu [49, 103, 110, 132]… nhưng chưa thật sự có biện pháp nào hiệu quả để giải

quyết toàn bộ lượng trấu thải ra

Trấu được dùng làm nguyên liệu đầu cho nhiều quá trình tổng hợp do cấu trúc hạt của nó, không hòa tan trong nước, ổn định hóa chất, sức bền cơ học cao, sẵn

có tại địa phương với chi phí gần như không có và là nguồn nguyên liệu vô tận Trấu chiếm 18-25% khối lượng hạt thóc [36] Việc biến tính vỏ trấu thành nguồn nguyên liệu mới cho các ngành công nghiệp đang được quan tâm Trong đó có biện pháp sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu điều chế zeolit do trấu có hàm lượng silic cao (8-12%), là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho quá trình tổng hợp zeolit [48, 54, 56,

58, 70, 71, 72, 75,85, 86, 87, 91, 114, 117, 119, 120, 126, 129, 147, 148, 149]

Ưu điểm của zeolit-cacbon tạo thành là nó có khả năng hấp phụ cả những chất hữu cơ phân cực và không phân cực, có thể dùng trong nhiều lĩnh vực: Khử màu, khử mùi, làm sạch nước ô nhiễm, xử lý môi trường, không khí…

Quá trình tổng hợp zeolit với nguồn silic từ trấu có thể tiến hành theo nhiều cách khác nhau:

- Đốt cháy vỏ trấu ở nhiệt độ 600-10000C, chuyển toàn bộ thành phần các hợp chất trong vỏ trấu về dạng các oxit, sau đó dùng dung dịch NaOH chiết lượng SiO2 tạo thành [55, 71, 91] Sản phẩm tạo thành có thể là silic vô định hình hoặc silic tinh thể tùy thuộc vào nhiệt độ tiến hành phản ứng

- Thủy phân vỏ trấu bằng các dung dịch axit HCl, H2SO4 để loại bỏ các tạp chất

và phần hữu cơ sau đó nhiệt phân ở 500-6000C để phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu

cơ, thu được SiO2 vô định hình [72, 135]

- Chiết trực tiếp silic trong trấu bằng dung dịch NaOH [22, 44] Sản phẩm thu được là silic vô định hình

Luận án này nghiên cứu quá trình tổng hợp zeolit NaX - một loại zeolit mao quản lớn, được ứng dụng nhiều trong hấp phụ và trao đổi ion – với nguồn silic từ trấu bằng cách thủy phân trấu bằng kiềm trong thủy tinh lỏng Khi đó, dưới tác dụng của kiềm đặc trong thủy tinh lỏng, mạch xenlulozơ trong trấu trương tối đa, giúp quá trình tách silic diễn ra thuận lợi Lượng silic trong trấu được chiết ra, là dạng silic vô định hình, mới sinh, hoạt động, kết hợp với silic trong thủy tinh lỏng để tổng hợp zeolit Đồng thời, mạch xenlulozơ trong trấu bị thủy phân một phần tạo thành các hợp phần amyloit linh động Ưu điểm của phương pháp này là vẫn giữ nguyên được cấu trúc hữu cơ tứ diện của silic hữu cơ tự nhiên dùng để thay thế cho các nguồn silic hữu cơ tổng hợp đắt tiền như TEOS, TMOS; giữ nguyên được cấu trúc tứ diện của cacbon hữu cơ trong xenlulozơ đóng vai trò làm template cho quá trình tổng hợp zeolit Mặt khác, luận án nghiên cứu quá trình thủy phân vỏ trấu bằng axit photphoric nhằm thu được một chế phẩm hữu cơ giàu dinh dưỡng gồm có các thành phần hữu cơ trong trấu: xenlulozơ, protein, NPK hữu

cơ, silic hữu cơ, vi lượng và bổ sung thêm photpho, nitơ trong quá trình thủy phân, kết hợp với zeolit NaX trực tiếp làm phụ gia phân bón, cung cấp và điều tiết dinh dưỡng cho cây trồng

1.2 Giới thiệu chung về hidrogel

1.2.1 Định nghĩa và cấu tạo hidrogel

Hidrogel hay polime trương nở là các vật liệu polime có khả năng trương trong nước mà không bị hòa tan Các hidrogel có khả năng hấp thụ nước, nước muối sinh lý hoặc các dung dịch sinh lý với lượng dao động từ 10 đến 100 thậm chí có thể lên tới 1000 lần so với trọng lượng của hidrogel [15, 16]

Tính trương hay tính ưa nước của hidrogel được quyết định bởi các nhóm chức phân cực như: -OH, -COOH, -CONH2, -SO3H phân bố trên các mắt xích của polime Trong quá trình trương nở của hidrogel xảy ra đồng thời hai quá trình: Sự xâm nhập dung môi vào các lỗ của polime và sự giãn của mạch polime dẫn tới quá trình dẻo hóa và làm cho thể tích của hidrogel tăng lên Thực chất là do tác động của lực ion, lực Vander vaals, liên kết hidro, áp suất thẩm thấu [65, 67, 69]

Hidrogel được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Đệm thấm mồ hôi, vật liệu giữ nước, phụ gia chống thấm, công nghiệp xây dựng, công nghiệp mỹ phẩm, thực phẩm, bao gói, công nghiệp dược, y tế và một hướng ứng dụng đặc biệt quan trọng đang rất được quan tâm là làm chất giữ ẩm và cung cấp các nguyên

tố vi lượng cho cây trồng

1.2.2 Ứng dụng của hidrogel trong nông nghiệp

Việc sử dụng chất giữ ẩm là một tiến bộ khoa học kỹ thuật được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới từ những năm 80 Hiệu quả của biện pháp này đã được khẳng định ở Mỹ, Canada, Trung Quốc với việc cải tạo các vùng xa mạc, phủ xanh đồi núi trọc ở Mỹ, bón cho những cánh đồng cafe ở Braxin, củ cải đường ở Đức… kết quả là làm tăng năng suất cây trồng, giảm tỷ lệ chết ở thực vật, giảm sự chăm sóc cần thiết đối với cây trồng, tiết kiệm được thời gian và nước tưới [64, 73, 96,111, 121, 122, 130,144]

Ở Việt Nam, Viện Khoa học Kinh tế và Thủy lợi đã tiến hành nghiên cứu sử dụng vật liệu giữ ẩm trên một số cây trồng ở Tây Nguyên, Tây Bắc đã thu được kết quả tốt, làm tăng năng suất và chất lượng nông sản Bộ môn Sinh thái Môi trường - Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội đã sử dụng vật liệu giữ ẩm có nguồn gốc từ Nhật Bản và ứng dụng trên cây lạc, kết quả thu được rất khả quan, rút ngắn thời gian sinh trưởng của cây 7-9 ngày, năng suất trung bình đạt 39,8 tạ/ha (tăng 26,7% so với mẫu đối chứng) [6, 34]

Tại Viện Hóa học –Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nhóm nghiên cứu của GS.TS Nguyễn Văn Khôi đã nghiên cứu chế tạo thành công các chất giữ

ẩm AMS-1 và AMS-2 ứng dụng để giữ ẩm cho cây bông ở Đồng Nai cho năng suất tăng khoảng 20% Trồng lạc trên đất cát ở Huế cho năng suất tăng 45-56% và hiện đang được sử dụng để trồng cây keo tai tượng trên đất bãi thải mỏ than Hà Tu - Quảng Ninh nhằm cải tạo đất, chống sụt lún Kết quả bước đầu cho thấy, cây keo tai tượng có thể phát triển được trên đất của bãi thải khi được bổ sung vật liệu polime giữ ẩm, cây cứng cáp, rễ bám chắc [15, 16, 17, 18, 25, 40, 41]

TS Nguyễn Cửu Khoa – Viện Công nghệ Hóa học đã nghiên cứu trộn vật liệu giữ ẩm với vỏ trấu hoặc vỏ cà phê rồi bón xuống đất, sau mỗi lần tưới, chất giữ

ẩm sẽ giữ lại phần lớn lượng nước tưới, giúp tiết kiệm được 30-60% lượng nước tưới cho cây trồng Các nhà khoa học đã thử nghiệm chất giữ ẩm này trên cây cà phê, ngô và bông ở tỉnh Gia Lai, cho kết quả khả quan Năng suất cây cà phê tăng khoảng 5 tấn/ha; cây ngô tăng thêm 50% năng suất so với trồng điều kiện thường; năng suất cây bông tăng khoảng 10-40% Ngoài ra, chế phẩm không ảnh hưởng đến môi trường đất và chất lượng cây trồng, có thể dùng cho cả loại cây ngắn và dài ngày

Các kết quả đạt được là do hidrogel có khả năng cải thiện cấu trúc đất, đối với đất nặng, hidrogel trương lên làm gãy một phần cấu trúc đất, làm tăng quá trình lưu thông và thoát nước Đối với đất cát, hidrogel làm tăng sức chứa ẩm, hidrogel trương lên giúp thoát nước nhanh chóng trong trường hợp bị ngập úng Bên cạnh

đó, hidrogel còn có khả năng lưu giữ phân bón và vi lượng - là những dinh dưỡng không thể thiếu đối với quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng [111]

Hidrogel trên cơ sở tinh bột ghép poliacrylic axit (Polime S) được tổng hợp trên nền tinh bột, là nguồn nguyên liệu rẻ tiền, có khả năng phân hủy sinh học nên việc chế tạo polime tinh bột ghép poliacrylic axit vừa có ý nghĩa môi trường, vừa có giá trị kinh tế [51, 52, 53, 57, 133, 134, 137, 141]

1.3 Zeolit - Đặc điểm, cấu trúc và ứng dụng trong nông nghiệp

1.3.1 Thành phần và cấu trúc của zeolit

Zeolit là các hợp chất polihidrat của nhôm silicat tinh thể, có hệ thống mao quản đồng đều và trật tự với thành phần hoá học:

(Men+)x/n(AlO2)x(SiO2)y z H2O hoặc (Men+)x/n (H2O)z [SiyAlxOt] Trong đó: Me là ion kim loại n: là điện tích của ion kim loại

z: số phân tử nước x,y: phụ thuộc vào từng loại zeolit (y  x)

Song, khi kỹ thuật tổng hợp zeolit ngày càng phát triển thì quan niệm này cũng không còn cứng nhắc nữa Sự thay thế đồng hình nguyên tử Si hoặc Al bởi P,

B, Ga, Fe, Ti, Ge đã tạo ra một lượng lớn các zeolit khác nhau mà trong thành phần không chỉ đơn thuần gồm Al và Si Từ đó có thể dẫn đến sự thay đổi tính chất axit - bazơ, oxi hoá - khử của vật liệu xúc tác

Đơn vị cấu trúc sơ cấp của zeolit là các tứ điện TO4: SiO4, AlO4- Đỉnh tứ diện là nguyên tử oxi, tâm là nguyên tử T (T = Al, Si, P, Fe ) Việc thay thế đồng hình nguyên tử T trong tứ diện bằng các nguyên tử có hoá trị thấp hơn (ví dụ Si4+

bằng Al3+

, Fe3+, B3+ ) sẽ dẫn đến sự tích điện âm trong bộ khung zeolit Điện tích

âm này được trung hòa bởi sự có mặt của cation Men+ (thường là ion Na+) gọi là cation bù trừ điện tích khung Liên kết giữa cation với khung zeolit có bản chất là liên kết ion nên các cation này có thể được trao đổi bằng các cation khác mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của zeolit Đây chính là cơ chế của quá trình hấp phụ kim loại trên zeolit

Zeolit là vật liệu rắn có cấu trúc lỗ nhỏ, lỗ xốp của zeolit được hình thành bởi

sự ghép nối của các tứ diện qua nguyên tử oxi chung tạo vòng gồm 6, 8, 10 hoặc 12 nguyên tử oxi Các tứ diện TO4 kết hợp với nhau theo một trật tự xác định tạo ra các đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU, Secondaly Building Units) trong zeolit Những SBU này có thể kết hợp lại với nhau theo 3 chiều trong không gian để tạo thành khối đa

diện gọi là sodalit Sự sắp xếp theo các hướng khác nhau của sodalit sẽ tạo nên các

zeolit với bộ khung gồm các hệ thống kênh mao quản và hốc có kích thước nhất định và khác nhau đặc trưng cho từng loại zeolit

Mỗi loại zeolit có những đặc trưng riêng biệt về thành phần hoá học và cấu trúc tinh thể như: kích thước cửa sổ, kích thước lỗ xốp, sự sắp xếp của các tứ diện trong mạng lưới zeolit tạo hệ thống mao quản một chiều, hai chiều hoặc ba chiều Chính vì vậy, khả năng ứng dụng của mỗi loại zeolit trong lĩnh vực hoá học hấp phụ, xúc tác… cũng rất khác nhau

1.3.2 Tính chất của zeolit

Với đặc điểm cấu trúc tinh thể đặc biệt và thành phần hoá học xác định, zeolit có những tính chất rất đặc trưng quyết định đến khả năng hấp phụ, xúc tác của chúng trong quá trình chuyển hoá các hợp chất hữu cơ

* Tính chất hấp phụ [26]

Zeolit có cấu trúc tinh thể với bộ khung là các mắt xích SiO2 và Al2O3 tạo thành các hốc có kích thước khác nhau tuỳ thuộc từng loại zeolit do vậy zeolit có khả năng hấp phụ một cách chọn lọc Tính hấp phụ chọn lọc phụ thuộc vào hai yếu

tố chính là kích thước cửa sổ mao quản của zeolit và năng lượng tương tác giữa trường tĩnh điện của zeolit với chất bị hấp phụ có momen lưỡng cực Khả năng hấp phụ của zeolit phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Bản chất của chất bị hấp phụ, bản chất cation trao đổi, mức độ trao đổi, sự phân bố của các cation và phụ thuộc vào từng loại zeolit

* Tính axit của zeolit - tính trao đổi ion

Theo thuyết axit, zeolit sau khi được trao đổi ion H+ hoặc cation kim loại đa hoá trị Men+ sẽ tồn tại hai loại tâm axit, đó là tâm axit Bronsted và tâm axit Lewis + Tâm axit Bronsted: Tâm axit Bronsted được xác định bởi khả năng tách proton của nhóm -OH, đây là tâm axit mạnh Tâm này được tạo thành do proton sinh ra trong quá trình xử lý zeolit tấn công vào liên kết Si-O-Al làm đứt liên kết Si-O hoặc Al-O tạo nhóm -OH mang tính axit

+ Tâm axit Lewis: Tâm axit Lewis trong zeolit là những trung tâm thiếu hụt electron (thường là nguyên tử Al còn chứa các obitan trống) Tâm này được xác định

bởi khả năng tiếp nhận thêm một cặp electron khi tương tác với các phân tử chất phản ứng là những bazơ Lewis

Như vậy, trên zeolit tồn tại hai loại tâm axit Nồng độ và cường độ của các tâm axit có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả phản ứng Tùy thuộc từng loại phản ứng, từng loại zeolit mà các tâm này phát huy khả năng hấp phụ, xúc tác ở những mức độ khác nhau

* Tính chọn lọc hình dạng của zeolit

Đối với lĩnh vực xúc tác đây là lý thuyết mới, đã và đang được nghiên cứu để tìm hiểu cơ chế ảnh hưởng, tính chất quyết định của nó đến các quá trình phản ứng, đến khả năng ảnh hưởng chọn lọc, đến các chất tham gia và sản phẩm phản ứng Đối với quá trình hấp phụ và giải hấp, tính chọn lọc hình dạng được quyết định bởi tính chất mao quản, lực mao quản, kích thước mao quản, khả năng trao đổi ion các yếu tố này ảnh hưởng quan trọng đến tính chất hấp phụ, khả năng giữ nước, giữ NPK, khả năng trao đổi K+

, H+ trong phân bón, điều hoà pH trong đất do vậy tính chất này có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong nông nghiệp

1.3.3 Đặc điểm cấu trúc của zeolit NaX

Zeolit NaX là loại zeolit có nguồn gốc tự nhiên, thuộc họ Faujazite Đơn vị cấu trúc thứ cấp là các vòng kép 6 cạnh, đơn vị cấu trúc cơ bản là sodalit Sodalit là một khối bát diện cụt gồm 8 mặt 6 cạnh và 6 mặt 4 cạnh do 24 tứ diện TO4 ghép lại Mỗi nút mạng của zeolit NaX đều là các bát diện cụt và mỗi bát diện cụt liên kết với

4 bát diện cụt khác ở 6 mặt thông qua liên kết cầu oxi (phối trí tứ diện như các đỉnh cacbon trong cấu trúc kim cương) Số mặt 6 cạnh của bát diện cụt là 8, do đó tồn tại

4 mặt 6 cạnh còn trống của mỗi bát diện cụt trong zeolit NaX

Theo kiểu cấu trúc này, một ô mạng chứa 8 bát diện cụt, trong một ô mạng

cơ sở, tổng số tứ diện SiO4 và AlO4- bằng 192, chứa 384 nguyên tử oxi tạo ra các hốc lớn với đường kính khoảng 13Å, mỗi hốc lớn thông với 4 hốc khác qua các vòng 12 nguyên tử oxi có đường kính bằng 7,4Å tạo nên một cấu trúc mạng có độ rỗng cao Khi các hốc lớn thông với các hốc nhỏ hoặc các hốc nhỏ thông với nhau

qua cửa sổ được giới hạn bởi vòng 6 nguyên tử oxi tạo nên hệ thống mao quản thứ cấp có đường kính khoảng 2,2Å

Hình 1.7 Các đơn vị cấu trúc Faujazite

Zeolit NaX có tỷ lệ Si/Al = 1-1,5 (hay tỷ lệ SiO2/Al2O3 = 2-3), số ion Al3+trong một đơn vị cơ bản khoảng 77-96 Công thức hoá học của zeolit NaX có dạng:

|Na88(H2O)220| [Si104Al88O384] Zeolit NaX thuộc loại zeolit mao quản lỗ rộng, nhiều nhôm và có hoạt tính axit cao, trước đây được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực xúc tác Tuy nhiên, zeolit NaX có nhược điểm là tạo cốc lớn, thành phần cấu trúc nhiều Al nên kém bền nhiệt nên hiện nay chỉ còn được dùng hạn chế trong hệ FCC, chủ yếu được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xúc tác đặc biệt là hấp phụ: Tách khí O2 từ hỗn hợp N2-O2 trong không khí, trao đổi K+, H+, trao đổi amoni gợi mở một hướng

đi mới trong nông nghiệp: Dùng zeolit làm vật liệu hấp phụ để lưu giữ phân bón, điều hoà pH, cung cấp bổ sung K+

, SiO2, Ca, Mg, các vi lượng cần thiết cho đất

1.3.4 Ứng dụng của zeolit trong nông nghiệp

Lượng zeolit tiêu thụ hàng năm trên thế giới rất lớn, chủ yếu ở 3 trung tâm kinh tế lớn nhất thế giới là Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản [61, 76, 78, 87]

Bảng 1.4 Tình hình tiêu thụ zeolit trên thế giới

76, 78]

Trong trồng trọt, zeolit được sử dụng làm chất phụ gia phân bón cho nông nghiệp, chất hỗ trợ đất giúp tăng sự hấp thu chất dinh dưỡng từ phân bón cho cây trồng Khi sử dụng phân bón có chứa zeolit, chất dinh dưỡng từ phân bón sẽ được zeolit hút vào rồi nhả ra dần dần theo nhu cầu của cây trồng Bên cạnh đó, nó còn góp phần cải tạo đất do tạo được độ tơi xốp và giữ ẩm cho đất Một số sản phẩm zeolit trên thị trường có chứa clinoptilolit hạt hoặc clinoptilolit đã điều chỉnh về mặt dinh dưỡng cho sự phát triển cây trồng [127]

Zeolit cải tiến khả năng trao đổi cation của đất cát và giảm sự rửa trôi các chất dinh dưỡng, nhờ đó cải tiến sự hấp thụ dinh dưỡng cho cây trồng và giảm ô

nhiễm trong nước Zeolit dạng vi xốp cũng làm giảm độ chặt của đất và tạo sự thông khí tốt hơn, đồng thời giúp nước ngấm vào các lớp đất chắc Zeolit không phân hủy, chúng vẫn ở trong đất và hoạt động từ năm này qua năm khác Người ta ước tính, ở Mỹ, lượng zeolit được bán cho mục đích cải tạo đất là khoảng 5.000 tấn/năm [61]

Hình 1.8 Cơ chế điều tiết dinh dưỡng của zeolit

Zeolit hấp phụ amoni, kali, canxi, magie và nhiều nguyên tố vi lượng khác Zeolit đặc biệt có ái lực lớn đối với các ion amoni và kali Khi cây trồng hấp thu amoni và kali từ zeolit, zeolit sẽ hấp thụ canxi từ canxi photphat trong đất để cân bằng điện tích âm trong zeolit, đồng thời giải phóng photpho cung cấp cho cây trồng

Việc hấp thụ và nhả dinh dưỡng cho cây trồng từ zeolit như một chu kỳ tự nhiên của nitơ, kali và photpho Zeolit hấp phụ các nguồn amoni hay kali khi trong môi trường dư thừa đồng thời ngăn ngừa sự rửa trôi bởi nước mưa và nước tưới Zeolit lưu giữ các dinh dưỡng bằng các liên kết hóa học cho đến khi các dinh dưỡng

đó được hấp thu bởi rễ cây

Zeolit là một chất cải tạo đất tiềm năng, là một tác nhân hấp phụ dinh dưỡng

và giữ ẩm tự nhiên Nó giúp nước thâm nhập vào đất và phân phối đều đến các khu vực Zeolite không có tính axit, nó có bản chất kiềm nhẹ, khi sử dụng với các loại phân bón có thể giúp tăng độ đệm pH của đất

Hình 1.9 Mô hình trồng trọt thông thường

Trong đó:

1 Quá trình cơ giới hóa cải tạo đất, giúp phân bổ N, K lên mặt đất

2 Quá trình tưới nước sau khi trồng cây làm giảm lượng nitơ do tạo thành

NH3 bay hơi

3 Quá trình tưới nước đưa phân bón vào vùng rễ cây

4 Cây có thể sử dụng lượng phân bón cần thiết khi nó vẫn còn trong vùng rễ cây, tuy nhiên một lượng phân bón đã bị rửa trôi

5 Sự rửa trôi phân bón xảy ra mạnh mẽ ở những loại đất có dung tích trao đổi ion thấp như đất cát Khi đó, cây trồng không hấp thu được các chất dinh dưỡng có trong đất

Theo thống kê của tổng công ty hóa chất Việt Nam, cây trồng chỉ hấp thu được khoảng 40-60% lượng phân bón mà con người cung cấp, còn lại là bị mất mát

do quá trình phân hủy bởi môi trường, do bị rửa trôi bởi nước mưa, nước tưới Quá

trình rửa trôi phân bón đặc biệt xảy ra nhanh và nhiều ở những vùng đất cát, đất dốc, những vùng đất có dung tích trao đổi ion thấp

Việc kết hợp sử dụng zeolit với phân bón nhằm tăng cường hiệu quả sử dụng phân bón của cây trồng, tránh rửa trôi, phân hủy đã được các nước phát triển nghiên cứu và chỉ ra:

Hình 1.10 Mô hình trồng trọt với sự điều tiết của zeolit

Trong đó:

1 Quá trình cơ giới cải tạo đất, bổ sung phân bón vào đất kết hợp với zeolit

2 Giảm sự tổn thất N do quá trình bay hơi NH3

3 Quá trình tưới nước cung cấp phân bón vào vùng rễ của cây, một lượng phân bón vẫn được hấp phụ trong zeolit

4 Phân bón trong zeolit vẫn tồn tại trong vùng rễ cây cho đến khi nó được hút bởi bộ rễ

5 Giảm sự tổn thất phân bón, tăng hiệu quả sử dụng phân bón

6 Cải thiện đất lâu dài (tăng CEC và duy trì chất dinh dưỡng trong đất)

Như vậy, với sự có mặt của zeolit, các cation không bị rửa trôi ra bên ngoài

mà sẽ cung cấp trực tiếp cho rễ hấp thu lên cây, giúp tăng hiệu quả sử dụng phân bón của cây trồng, giảm chi phí phân bón

Zeolit cũng được sử dụng trong các hỗn hợp phân bón hữu cơ Zeolit hấp thụ phần chất lỏng của phân bón và nạp các ion amoni bằng trao đổi ion Phân bón hữu

cơ bổ sung zeolit có chứa nhiều nitơ hơn so với phân hữu cơ thông thường và có cấu tạo thích hợp cho việc cải tạo đất Công ty ZeoponiX đã sử dụng quy trình độc quyền do NASA phát triển để đưa các chất tăng trưởng cây trồng với dinh dưỡng cân bằng vào các hạt zeolit Nhờ đó, chất lượng cây trồng đã được cải thiện, sản lượng cao hơn và chu kỳ sản xuất ngắn hơn Một số công ty bổ sung các chất dinh dưỡng như amoni sunfat, amoni nitrat hoặc một số các chất khác vào zeolit khi khách hàng yêu cầu

Zeolit là một loại khoáng có những tính chất đặc biệt, có khả năng trao đổi ion cao với ái lực chọn lọc đối với amoni và kali Nhờ những tính chất đó, zeolit có thể làm giảm sự mất mát các chất dinh dưỡng do khả năng giữ các chất dinh dưỡng

và giải phóng chậm theo nhu cầu của cây trồng Tính chọn lọc của zeolit đối với amoni có thể giảm tải cho đất, nhất là ngăn ngừa khả năng bị ngộ độc khi hàm lượng amoni quá thừa Tính chất này có thể cho phép người trồng trọt sử dụng rộng rãi dạng phân nitơ rẻ tiền hơn Khả năng của zeolit giữ được và giải phóng đúng lúc các chất dinh dưỡng cho cây trồng có ảnh hưởng rất tốt đối với toàn bộ lá và hoa, do

đó, trực tiếp làm tăng năng suất thu hoạch [110] Kết quả thử nghiệm với carot cho thấy, dưới sự hỗ trợ của zeolit giúp cây hấp thu thuận lợi các chất dinh dưỡng, phát triển tốt hơn, cho năng suất củ cao hơn

Hình 1.11 Carot trồng trong điều kiện không có zeolit và có bổ sung zeolit

Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu của PGS.TS Tạ Ngọc Đôn khảo sát đưa chất

hỗ trợ đất chứa zeolit vào trong phân bón cho lúa và mía ở Thanh Hoá [8, 10, 61] đã đem lại những hiệu quả nhất định, giảm mức độ đầu tư, giảm công chăm sóc nhưng vẫn đảm bảo năng suất đồng thời hạn chế được sâu bệnh Kết quả cho thấy, việc bổ sung chất hỗ trợ đất chứa zeolit đã giảm 20-40% lượng phân bón nhưng vẫn đem lại lợi nhuận 300.000-600.000 đồng/ha so với đối chứng Kết quả thử nghiệm ở huyện Lạng Giang đối với vụ lúa và lạc tại huyện Hiệp Hòa từ năm 2007 đến nay cho thấy, lạc vụ xuân thu lãi tăng thêm trên 2,6 triệu đồng/ha, lạc vụ đông thu lãi trên 1,3 triệu đồng/ha, năng suất thực thu tăng từ 4 - 6%; lúa xuân thu lãi tăng thêm trên 4,7 triệu đồng/ha, lúa mùa tăng thêm trên 1,4 triệu đồng/ha, năng suất tăng khoảng 2,6% so với khi chưa sử dụng sản phẩm công nghệ trên [11]

Trung tâm Công nghệ lọc hoá dầu đã nghiên cứu thành công hai loại phân nhả chậm trên cơ sở zeolit:

- Phân ure nhả chậm: Lượng ure bón trực tiếp xuống đồng ruộng thường bị rửa trôi khoảng 40%, cây trồng chỉ hấp thụ tối đa 60% Cần có biện pháp để hạn chế

sự rửa trôi ure và loại phân mới phải nhả từ từ ure, cung cấp theo nhu cầu sử dụng của cây Loại phân ure-zeolit đáp ứng được yêu cầu đó Dưới tác dụng của môi trường bên ngoài ure sẽ từ từ giải hấp Điều này sẽ giúp cho cây trồng hấp thu được ure tránh được sự rửa trôi nhiều ure như cách bón phân cổ điển

- Phân bón vi lượng nhả chậm: Các nguyên tố vi lượng cũng rất cần thiết cho cây trồng Việc đưa các nguyên tố vi lượng vào phân và khi bón phân vi lượng sẽ cung cấp cho cây trồng, quá trình này rất khó khăn vì các nguyên tố vi lượng cần cho cây vô cùng bé Ngoài ra còn có sự ảnh hưởng của quá trình rửa trôi vi lượng

do tác dụng của môi trường nên việc đưa vi lượng vào trong chất nền zeolit, khi bón xuống ruộng các nguyên tố vi lượng sẽ được nhả từ từ cho cây kịp hấp thu Như vậy

vi lượng sẽ phân bố đồng đều trên đồng ruộng cho cây hấp thu Lượng giải hấp không nhiều sau 28 ngày đạt 0,72% như vậy chúng ta có thể bón vi lượng cho cây trồng dùng cho nhiều niên vụ

Động lực tiếp theo cho sự phát triển của zeolit trong nông nghiệp là ứng dụng trong chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản Trong chăn nuôi, zeolit được sử dụng làm phụ gia thức ăn cho vật nuôi, làm giảm chi phí thức ăn, đồng thời, tăng sức đề kháng cho vật nuôi Do zeolit có tính chất trơ, có khả năng hấp thụ lớn giúp vật nuôi thải chất độc trong cơ thể, vô hiệu hóa những tác động xấu của thức ăn mốc, cải thiện mức tăng trọng trung bình hàng ngày cho lợn sữa và gia cầm, cải thiện chất lượng trứng và tuổi thọ của gà đẻ trứng, cải thiện môi trường, giảm mùi hôi Ở Mỹ, người

ta bổ sung khoảng 1/2 pao zeolit mịn cho một tấn thức ăn gia súc hoặc 2 aoxơ/ đầu vật/ ngày Zeolit được bổ sung vào thức ăn để làm phụ gia thực phẩm theo quy định của liên bang [61]

Trong nuôi trồng thuỷ sản, zeolit được cung cấp định kỳ để hút chất thải, các hợp chất hữu cơ, kim loại trong nước, giúp làm sạch môi trường nuôi trồng thuỷ sản Khả năng trao đổi cation cao của zeolit cho phép chúng trở thành môi trường rất tốt cho việc loại trừ amoniac độc hại giống như chất lọc hóa lý, hay phá hủy các

vi khuẩn giống như chất lọc sinh học Hơn nữa, ái lực của zeolit đối với nitơ giúp cho môi trường không khí giàu oxi, hệ thống nước trở nên thông thoáng [9, 61]

1.4 Vai trò của nước và dinh dưỡng đối với cây trồng

1.4.1 Vai trò của nước đối với cây trồng

Nước có vai trò rất quan trọng trong đời sống cây trồng, chiếm 70 - 90% trọng lượng tế bào Nước chứa trong các tế bào thực vật để duy trì các hoạt động sinh lý, sinh hóa diễn ra hàng ngày [29, 32] Nước được xem như là một thành phần quan trọng xây dựng nên cơ thể, là dung môi đặc hiệu cho các phản ứng hóa sinh và cũng là nguyên liệu quan trọng trong một số phản ứng: Nước cung cấp điện tử và proton để khử CO2 để tạo nên các sản phẩm hữu cơ trong quang hợp, nước tham gia trực tiếp vào việc oxy hóa nguyên liệu hô hấp để giải phóng năng lượng, nước tham gia vào các phản ứng thủy phân tinh bột, protein Nước là môi trường hòa tan tất

cả các khoáng chất lấy từ đất, các sản phẩm quang hợp, vitamin, enzim và vận chuyển đến tất cả các tế bào, các mô và cơ quan trong cơ thể [2, 3, 33] Có thể nói,

nước có chức năng lưu thông, phân phối, điều hòa trong cơ thể thực vật đảm bảo mối quan hệ mật thiết, hài hòa giữa các cơ quan trong cơ thể như một chỉnh thể thống nhất Ngoài ra, nước còn là yếu tố điều chỉnh nhiệt độ cho cây trồng nhất là khi nhiệt độ không khí cao, nhờ quá trình bay hơi nước làm giảm nhiệt độ ở bề mặt

lá tạo điều kiện cho quá trình quang hợp và các hoạt động sống khác thuận lợi Nhu cầu nước của cây trồng thay đổi theo từng giai đoạn sinh trưởng, phát triển Khi nhu cầu nước không được đáp ứng thì cân bằng nước trong cây bị phá vỡ, ảnh hưởng đến hoạt động sinh lý như quang hợp, hô hấp, vận chuyển, tích lũy chất hữu

cơ và giảm năng suất, phẩm chất nông sản Đối với đất, nước cũng là nhân tố điều hòa nhiệt độ và không khí, khi thiếu nước, hạn hán xảy ra thì các tính chất cơ lý- hóa học của đất như độ chặt, tính kết dính, tính liên kết, tính trương - co, sự hòa tan các chất dinh dưỡng thay đổi do đó ảnh hưởng trực tiếp cây trồng

Với cây ngô, trong suốt thời gian sinh trưởng cây ngô yêu cầu độ ẩm trong khoảng 70 - 85% Nếu nằm ngoài giới hạn này sẽ làm giảm năng suất 9 - 32% nhất

là vào thời kỳ cây 13 - 14 lá Muốn tạo ra một gam chất khô trong cây ngô cần khoảng 390g nước Trong khi đó với cây lúa cần 500 - 600g, bông cần 465g, cây mía cần 200g, lạc cần 400g, đậu tương cần 500g

1.4.2 Vai trò của NPK đối với cây trồng

Trong những thập kỷ vừa qua, năng suất của cây trồng không ngừng tăng nhanh ngoài vai trò của giống mới, biện pháp trồng trọt mới còn có vai trò của phân bón và vi lượng

- Vai trò của phân đạm: Tỷ lệ đạm trong cây từ 1 - 6% trọng lượng chất khô

[47] Đạm nằm trong các bộ phân non nhiều hơn các bộ phận già, trong thời kỳ hình thành quả đạm tập trung chủ yếu ở các cơ quan sinh sản Đạm là yếu tố quan trọng hàng đầu đối với cơ thể sống, là thành phần cơ bản hình thành protein Đạm nằm trong nhiều hợp chất cần thiết cho sự phát triển của cây như diệp lục, các chất men, AND, ARN Do vậy đạm là yếu tố cơ bản của quá trình đồng hóa cacbon, kích thích sự phát triển của bộ rễ và việc hút các chất dinh dưỡng khác Cây được bón đủ

đạm có lá màu xanh thẫm, sinh trưởng khỏe mạnh, chồi búp phát triển mạnh, năng suất cao Bón 100kg đạm/ha cho năng suất lúa 5tấn; 1kg đạm cho 50-105kg sắn; 15-23kg lúa; 1,3-4,6kg bông; 3,2-11kg đậu tương

- Vai trò của phân lân: Tỷ lệ lân trong cây từ 0,08 - 1,4% trọng lượng chất

khô [47] Lân chủ yếu tập trung trong hạt và một phần nhỏ trong thân và lá, chủ yếu dưới dạng hữu cơ và một phần nhỏ dưới dạng vô cơ Lân trong cây có vai trò phân chia tế bào, tạo thành chất béo và protein, thúc đẩy việc ra hoa, rễ, hình thành quả, quyết định phẩm chất hạt giống, làm cho cây vững chắc Cây thiếu lân sinh trưởng chậm, dáng mảnh khảnh Cây non rất mẫn cảm với việc thiếu lân, nếu thiếu lân trong thời kỳ này thì sau đó có bón nhiều lân cũng không bù lại được Cây lúa nếu thiếu lân thì đẻ nhánh kém, chín muộn, năng suất thấp, phẩm chất hạt kém

- Vai trò của phân kali: Tỷ lệ kali trong cây từ 0,5 - 6% trọng lượng chất khô

[47] Hàm lượng kali cao trong thân, lá và một lượng nhỏ trong hạt, rễ, củ Kali tồn tại dưới dạng ion trong dịch bào và một phần nhỏ tạo phức với các chất keo của tế bào chất Trong các mô thực vật kali tồn tại dưới dạng ion hidrat hóa do vậy nó rất linh động có thể di chuyển được ngay cả trong các cấu trúc dưới tế bào, có thể len lỏi vào giữa các bào quan để trung hòa các axit, kích thích quá trình hô hấp, quang hợp Kali tham gia vào hầu hết các quá trình sinh lí, hóa sinh quan trọng như quang hợp, vận chuyển các sản phẩm quang hợp, hoạt hóa enzim, làm tăng áp suất thẩm thấu do vậy tăng khả năng hút nước của rễ, điều khiển hoạt động của khí khổng giúp cây có thể chống chịu với khô hạn Kali tham gia vào quá trình hoạt hóa

60 loại men trong cơ thể thực vật, nó vừa đóng vai trò trực tiếp như một coenzim, vừa đóng vai trò gián tiếp như một chất xúc tác Thiếu kali làm giảm quá trình quang hợp, hô hấp, vận chuyển đường, nước, lá mất sức trương giảm khả năng sống sót của cây

1.4.3 Vai trò của silic đối với cây trồng

Trong cơ thể, silic (Si) có trong các mô liên kết, xương sụn và gân do silic tham gia quá trình sinh tổng hợp của các tổ chức này Cơ thể người chứa khoảng

1,4g silic, trong đó hàm lượng silic ở động mạch, da, tuyến ức giảm dần theo độ tuổi, nhưng hàm lượng silic lại ổn định trong các cơ quan nội tạng Silic được đưa vào cơ thể qua đường thức ăn, tan rất nhanh và được phân bố đi khắp cơ thể Silic

có nhiều trong thức ăn có nguồn gốc thực vật Nhu cầu cơ thể khoảng 5-30mg/ngày

Sự bài tiết silic ra ngoài chủ yếu qua đường tiết niệu Trong cơ thể, silic tác động đến nhiều quá trình canxi hóa xương, là thành phần của hợp chất collagen của mô liên kết Nếu bị thiếu silic sẽ làm ức chế quá trình tổng hợp mucopolysaccharide cần thiết cho sự hình thành xương sụn Khi bị giảm hàm lượng silic trong động mạch chủ sẽ dẫn tới xơ cứng động mạch Sự xơ hóa động mạch, xơ hóa khớp và mô liên kết chủ yếu do rối loạn sử dụng silic hoặc sự thoái hóa theo độ tuổi

Silic giúp cây trồng cứng cáp, tăng khả năng quang hợp, chống lại sự tấn công của sâu bệnh và các yếu tố môi trường bất lợi như nhiễm mặn, hạn, úng, ngộ độc kim loại, giúp loại bỏ sự mất cân đối dinh dưỡng có hại giữa kẽm và lân 1 ha lúa cho năng suất 5 tấn thóc sẽ lấy 230 – 470 kg silic từ đất Nhu cầu silic ở cây trồng cao gấp 8 lần nhu cầu kali, gấp 4 lần nitơ [20] Để có một tấn lúa, cây lúa hấp thụ khoảng 20kg N, nhưng cần hấp thụ đến hơn 80kg silic Như vậy, silic là dưỡng chất có lợi vì làm gia tăng sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của lúa Silic giúp

lá, thân và rễ cây cứng cáp Khi cây trồng có đủ silic, lá đứng thẳng nên hấp thu được nhiều ánh sáng, làm gia tăng khả năng quang hợp của cây, thân cứng ít bị đổ ngã, giảm được tỷ lệ hạt lép và lửng Tuy nhiên, nhu cầu silic thấp ở giai đoạn sinh dưỡng, nhưng lại rất cao ở giai đoạn sinh sản

Khi cây được cung cấp đủ silic thì hàm lượng silic trong lá gia tăng Sự tích

tụ silic trong lớp tế bào biểu bì trên bề mặt lá là rào cản vật lý ngăn chặn sự xâm nhiễm của bệnh đạo ôn lá Một cơ chế khác giúp lá chống lại sự xâm nhiễm của bệnh đạo ôn là sự hình thành hợp chất silic-hữu cơ giúp ổn định vách tế bào, chống lại sự suy thoái của vách tế bào biểu bì lá dưới tác dụng của những men do nấm bệnh tiết ra Silic còn làm giảm bệnh đốm nâu trên lúa, đạo ôn cổ bông, khô vằn, lép hạt do nhiều loại nấm gây ra và cháy bìa lá cũng như tuyến trùng rễ, bón bổ sung 3 tấn SiO2/ha cho năng suất lúa tăng 12% [20]

Silic phát huy tác dụng của thuốc trừ nấm Kết hợp bón silic với phun thuốc trừ nấm làm gia tăng tác dụng của thuốc Benomyl, Mancozeb, Edifenfos, từ đó làm gia tăng năng suất cây trồng Silic giúp giảm số lần sử dụng thuốc hoặc giảm nồng

độ thuốc sử dụng Ở đất phèn, silic còn giúp cây trồng ngăn ngừa ngộ độc mangan

và sắt bằng cách nở rộng đường vận chuyển oxi từ lá xuống rễ, giúp rễ nhận được nhiều oxi hơn để oxit hóa sắt và mangan, làm các chất này không còn hòa tan trong dung dịch đất, hạn chế sự hấp thụ của rễ cây đối với những độc chất này

Silic là một chất khoáng chiếm khoảng 28% bề mặt vỏ trái đất, là một nguyên tố quan trọng với hàm lượng đứng hàng thứ hai trong đất Khoáng sét chứa silic trong đất có thành phần cấu tạo chủ yếu là silic và nhôm Trung bình nồng độ của silic có trong dung dịch đất từ 7 - 80 mg/lít SiO2 tùy từng loại đất Ở vùng nhiệt đới ẩm, mức độ phong hóa diễn ra mạnh mẽ, chủ yếu là sự phân hủy silic, hậu quả

là tạo ra đất bạc màu chứa nhiều oxit sắt, oxit nhôm, nghèo dưỡng chất bazơ và silic Loại đất xám bạc màu này được tìm thấy nhiều ở các tỉnh miền Đông Nam bộ, một số huyện ở Đồng bằng Sông Cửu Long, trong đó có huyện Giang Thành - Kiên Giang Sự rửa trôi silic có thể là nguyên nhân làm cho sản xuất nông nghiệp ở những vùng này kém phát triển Đối với vùng đất phù sa trẻ giàu silic, nhưng cây trồng cũng có thể không hấp thu đủ silic khi cây được bón quá nhiều phân đạm Bón silic cho đất nghèo silic giúp cho cây trồng giảm sự nhiễm bệnh do nấm, vi khuẩn, tuyến trùng và cải thiện năng suất là một kỹ thuật phù hợp với khái niệm quản lý dịch hại một cách thân thiện với môi trường, giúp canh tác được bền vững

Nhà khoa học người Mỹ, Julia Cooke nhận định lâu nay chúng ta chưa đánh giá đúng vai trò của silic trong đời sống của thực vật [100] Ở Pakistan, silic được biết như là nguyên tố dinh dưỡng nên nhu cầu dùng phân có silic đã giúp cây trồng cải thiện đáng kể tính chống chịu với các tác nhân gây bệnh Các kết quả nghiên cứu này đã đặt ra yêu cầu phải đánh giá lại vai trò của silic như là nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu Silic hiện diện trong một số cây trồng với số lượng lớn có thể sánh với canxi, lưu huỳnh và ngay cả lân Do vậy, cần cân nhắc xem silic như là nguyên

tố trung lượng đối với cây lớp một lá mầm Ở Nhật, Bộ Nông nghiệp, Lâm nghiệp

và Thủy sản nước này công nhận xỉ canxi silicat là phân bón cung cấp silic từ năm

1955 và phân bón silic đã có nhiều hứa hẹn trong việc tăng năng suất, giữ ổn định sản xuất cho Nhật Ở Trung Quốc, việc bón phân bổ sung silic cho ngô với lượng bón khoảng 40kg/mẫu (667m2) cho sản lượng tăng 7,9%-12,3% Cụ thể, nếu bón lót 35-50kg silic/mẫu sản lượng tăng 6,7% -19,1%; bón thúc 40kg silic/mẫu sản lượng tăng 17,4% - 21,4% [136, 150]

Silic là nguyên tố rất giàu trong lớp vỏ trái đất, ít ai nghĩ rằng đất trồng thiếu silic Tuy nhiên, silic trong đất hầu hết nằm ở dạng không hòa tan gồm cát, khoáng thạch anh và dioxit silic Vì hầu hết các hợp chất chứa silic nằm ở dạng trơ nên silic hữu hiệu trong đất rất thấp Việc nghiên cứu tái sử dụng phụ phẩm nông nghiệp để cung cấp trực tiếp các chất dinh dưỡng hữu cơ sẵn có, trong đó có silic tồn tại dưới cấu trúc hữu cơ giúp cây trồng dễ hấp thu hiện chưa được quan tâm

1.4.4 Vai trò của các nguyên tố vi lượng đối với cây trồng

Vai trò sinh lý và sinh hóa của các nguyên tố vi lượng thể hiện ở nhiều mặt Chúng tồn tại trong các men, vitamin, hoocmon [5] Vi lượng thúc đẩy sự trao đổi chất trong cây, tác động đến các quá trình sinh lý, sinh hóa, ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp diệp lục, nâng cao cường độ quang hợp, tăng cường khả năng chống chịu hạn, sâu bệnh và các điều kiện bất lợi của môi trường như nóng, lạnh, hạn hán, úng ngập Khi thiếu một vi lượng nào đấy thì hoạt tính của men chứa nó giảm đi rất nhiều Mỗi nguyên tố vi lượng có vai trò riêng trong đời sống thực vật, trong sinh trưởng, phát triển, năng suất cây trồng

+ Magie (Mg): Hàm lượng magie trong hạt khoảng 0,130,54%: hạt bông 0,54%, hạt hướng dương 0,51%, trong thân lá ngô 0,2-0,3%, trong lá rau 0,1% tỷ lệ chất khô [4]… Magie có trong thành phần của diệp lục, có vai trò rất quan trọng đối với đời sống của cây trồng: đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp diệp lục, ảnh hưởng đến các hoạt động quang hợp và hấp thu của cây; điều chỉnh

-pH trong tế bào, giữ -pH nằm ở phạm vi thích hợp với hoạt động sinh lý của cây Đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein như một tác nhân vận

chuyển Riboxom Magie tham gia nhiều phản ứng hoạt hóa enzim trong các quá trình tổng hợp ATP, điều chỉnh việc phân chia sản phẩm đồng hóa giữa việc tổng hợp tinh bột và chuyển triozơ photphat ra khỏi lục lạp… Ngoài ra, magie còn tham gia vào việc chuyển hóa năng lượng và đồng hóa lân của cây, tạo thuận lợi cho việc hình thành lipit trong cây có dầu, tăng sức trương của tế bào, góp phần ổn định cân bằng nước trong tế bào tạo điều kiện cho các quá trình sinh học trong tế bào xảy ra bình thường

+ Bo (B) là nguyên tố vi lượng rất quan trọng với cây trồng, ảnh hưởng đến hoạt động của một số enzim, nó có khả năng tạo phức với các hợp chất polihidroxi khác nhau Bo làm tăng khả năng thấm ở màng tế bào, giúp cho thành tế bào vững chắc, ảnh hưởng đến quá trình phân chia tế bào và quá trình thụ phấn ở cây, đóng vai trò trong sự hình thành phấn hoa Thiếu bo phấn hoa không hình thành được, hoa rụng, không tạo được hạt hoặc hạt lép [4] Bo tăng cường sự tổng hợp và vận chuyển hidratcacbon, các chất sinh trưởng và axit ascobic từ lá đến cơ quan tạo quả Thiếu bo, sự trao đổi hidratcacbon và protein giảm, đường và tinh bột bị tích lũy ở

lá dẫn tới đỉnh sinh trưởng bị chết Bo ảnh hưởng tới sự hấp thu và sử dụng canxi của cây, giúp điều chỉnh tỉ lệ K/Ca trong cây Ngoài ra, bo cũng là nguyên tố điều hòa nitơ trong thực vật Hàm lượng bo trong cây trồng khoảng 4,7 - 8,1mg/kg chất khô, riêng trong khoai tây hàm lượng bo là 10-13mg/kg Lượng bo trong đất mất đi sau mỗi vụ thu hoạch khoảng 30 - 270g/ha Bo là nguyên tố ít di động nên triệu chứng thiếu bo thường bắt đầu xuất hiện ở các bộ phận non của cây, đỉnh sinh trưởng chùn lại, héo khô, lá non biến dạng, gấp nếp và mỏng Thiếu bo làm sự phát triển của rễ bị ảnh hưởng, các rễ cây nhỏ, mỏng, đầu rễ thường bị chết hoại Đối với ngô, thiếu bo làm cây thấp, khả năng trỗ cờ kém, bắp và hạt nhỏ, lõi lớn, số hạt trên bắp ít Ở cây bông, hoa rụng nhiều, xuất hiện các vết nứt gãy, mất màu trên nụ

+ Lưu huỳnh (S) tham gia quá trình tổng hợp 3 axit amin chứa lưu huỳnh cần thiết để tổng hợp protein (cystein, cystin, methionin), tạo clorophil, tổng hợp vitamin, glutamin, coenzim A, tạo thành các glucozit, thành phần chủ yếu của các loại dầu thực vật, tạo thành liên kết đisunfua Lưu huỳnh góp phần tăng cường khả

năng chống chịu lạnh và chịu hạn cho cây trồng, tạo thành ferrodoxin, một protein thực vật chứa sắt, có tác dụng như một chất mang điện tử trong quá trình quang hợp

và cố định đạm như vi khuẩn nốt sần và vi khuẩn tự do, hoạt hóa men sunfualaza ATP, một loại enzim có chức năng chuyển hóa lưu huỳnh Hàm lượng lưu huỳnh ở

lá nhiều hơn trong rễ và củ Nhu cầu lưu huỳnh đối với cây trồng khoảng 15 - 35 kg/ha

+ Đồng (Cu) có vai trò đặc biệt trong đời sống thực vật, là nguyên tố không thể thay thế được [4] Đồng tham gia vào các quá trình oxi hóa, tăng cường cường

độ các quá trình hô hấp Đồng tham gia vào quá trình trao đổi N, thiếu đồng làm giảm quá trình tổng hợp protein Trong cây, hàm lượng đồng chiếm 1,5 - 8,1mg/kg chất khô Lượng đồng do cây trồng lấy đi từ 7,3 - 52,5g/ha

+ Molipden (Mo) không chỉ có tác dụng đối với quá trình cố định N khí quyển của các vi khuẩn cố định đạm trong nốt sần của cây họ đậu và vi khuẩn sống

tự do trong đất mà nó còn cần cho các hoạt động sống bình thường của thực vật Molipden tác động đến quá trình khử nitrat và sinh tổng hợp axit amin, tham gia vào trao đổi hidratcacbon, tổng hợp vitamin và chất diệp lục Hàm lượng molipden trong cây khoảng 0,1 - 0,93mg/kg chất khô [4]

+ Mangan (Mn) có trong thành phần các men tham gia vào quá trình oxi hoá

- khử [4] Thiếu mangan rễ phát triển yếu, cây dễ bị nhiễm bệnh, năng suất giảm rõ rệt Hàm lượng mangan trong cây 30-80mg/kg chất khô Lượng mangan do mùa màng lấy đi 112-695g/ha

+ Coban (Co) nằm trong thành phần của vitamin B12 [4] Thiếu coban sẽ ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất trong cơ thể động vật Coban tham gia vào quá trình cố định nitơ trong khí quyển của vi khuẩn nốt sần Lượng coban chứa trong cây khoảng 0,2-0,6mg/kg chất khô

+ Sắt (Fe) có vai trò quan trọng trong hoạt động sống của cây, là thành phần của các men tham gia vào quá trình tổng hợp sắc tố màu xanh [4] Sắt là thành phần của một số protein đóng vai trò chìa khóa trong hệ thống enzim của cây: catalase,

peroxidase, cytochrome Sắt có tác dụng điều chỉnh các quá trình oxi hóa - khử trong các hoạt động sống của thực vật Hàm lƣợng sắt trong cây khoảng 0,02 - 0,03mg/kg chất khô Lƣợng sắt do mùa màng lấy đi khoảng 1,5 - 2,2kg/ha

Bảng 1.5 Nguyên tố vi lƣợng và men đƣợc hoạt hoá [4]

Nitratreductaza, hydregenaza, xantinoxidaza

Bảng 1.6 Biểu hiện thiếu nguyên tố vi lƣợng ở một vài loại cây trồng

B Lá non úa vàng và ngả màu nâu, chồi

ngọn bị chết, hoa phát triển kém, lõi than và rễ nhiễm bệnh, tế bào phân

chia bị gián đoạn

Họ đậu, họ cải, cần tây, nho, táo, lê

Zn Vàng giữa gân lá, lá hình hoa thị ở cây

ăn quả, trên lá xuất hiện đốm đỏ tím

Các loại cốc (ngô), họ đậu, lanh, nho, cam quýt

Cu Bệnh héo, bệnh đen, ngọn cây sùn có

màu trắng, tạo chuỳ yếu (đòng lúa cờ

Sự rối loạn trao đổi chất trong thực vật không chỉ do thiếu nguyên tố vi lượng gây ra Khi thừa vi lượng cũng gây hại cho cây

Bảng 1.7 Biểu hiện gây độc của nguyên tố vi lượng trên một số cây trồng [4]

B Vàng mép và đầu lá, đốm nâu trên lá,

thời điểm sinh trưởng, lá già cuốn lại

rồi chết

Hoà thảo, khoai tây, cà chua, dưa chuột, hướng dương…

Cu Lá xanh thẫm, rễ to, ngắn hoặc có dạng

dây thép gai, tạo chồi kém

Hoà thảo, họ đậu, cam, quýt,

layơn

Fe Lá màu xanh thẫm, phần trên mặt đất

và rễ phát triển chậm, trên một số cây

lá có màu huyết dụ

Lúa, thuốc lá

Mn Úa vàng và lá già bị chết hoại, vết hoại

màu đen nâu hoặc đỏ, MnO2 tĩch luỹ trong tế bào biểu bì, đầu lá khô, rễ gầy

Zn Úa vàng và chết hoại đầu lá, úa giữa

gân lá non, cây phát triển kém

Hoà thảo, rau bina

Ni Úa giữa gân lá non, lá xanh xám, rễ gầy

màu nâu

Hoà thảo

Al Cây sinh trưởng kém, lá màu xanh

thẫm, thân đỏ tía, chết đầu lá, hệ rễ

phát triển dị dạng

Hoà thảo

Hiện tượng thiếu vi lượng thường thể hiện ở đất chua (đất nhiều cát, sáng màu) hoặc đất kiềm (đất nhiều vôi), ở đất thứa photphat, N, Ca, Mn, Fe và chế độ nước không hợp lí

K cho hiệu suất tăng 4-5kg thóc Khi cung cấp đủ các nguyên tố vi lượng hiệu suất

sử dụng phân bón NPK cũng tăng 10-12%, hàm lượng các chất dinh dưỡng như protein, vitamin, đường bột… cũng tăng lên

1.4.5 Vai trò của kẽm đối với cơ thể sống

Kẽm, Zincum, là nguyên tố có độ phổ biến trung bình, chiếm 8,3.10-3% khối lượng vỏ trái đất Khoáng vật chính là quặng Sfalerit ZnS Kẽm tinh khiết là kim loại có ánh kim, màu trắng bạc với sắc thái lam nhạt Kẽm có nhiều công dụng, hàng ngày cơ thể con người cần 5-20mg kẽm Sự phân bố kẽm trong cơ thể: 50% trong cơ bắp, 20% trong xương, 30% còn lại trong não, võng mạc, tiền liệt tuyến Kẽm có nhiều trong thịt, sữa, trứng, gà, cá, tôm, cua các loại hoa quả như:

nho, lê, cam, cà chua… nhưng nhiều nhất là nấm Rau quả là nguồn cung cấp kẽm cho người và động vật, thiếu kẽm sẽ xảy ra hiện tượng chậm lớn, thiếu cân, cây cối cằn cỗi

Bảng 1.9 Hàm lượng Zn trong một số thực phẩm (mgZn/100g thực phẩm) Thực phẩm Hàm lượng Zn Thực phẩm Hàm lượng Zn

Kẽm là một yếu tố vi lượng cần thiết cho sự sống Kẽm tham gia nhiều quá trình sinh học quan trọng trong cơ thể, làm tăng khả năng miễn dịch, giúp cơ thể phòng chống các tác nhân gây bệnh, tăng quá trình phân chia và phát triển tế bào giúp cơ thể phát triển Kẽm còn làm tăng cảm giác ăn ngon miệng ở trẻ biếng ăn, suy dinh dưỡng Khi thiếu kẽm dẫn đến suy giảm miễn dịch: nhiễm trùng tái phát nhiều lần, gây rối loạn tiêu hóa, chán ăn, nôn trớ, gây rối loạn thần kinh, rối loạn giấc ngủ, gây tổn thương các biểu mô, viêm lưỡi, rụng tóc, loạn dưỡng móng, chậm lớn, thiểu năng sinh dục Thiếu kẽm đang là vấn đề phổ biến trong cộng đồng, đặc biệt là