CHẾ TẠO NANO BẠC – ALGINATE ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT RAU SẠCH BẰNG CANH TÁC THỦY CANH

HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHẾ TẠO NANO BẠC – ALGINATE ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT RAU SẠCH BẰNG CANH TÁC THỦY CANH Hướng dẫn khoa học Sinh viên thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CHẾ TẠO NANO BẠC – ALGINATE ỨNG DỤNG

TRONG SẢN XUẤT RAU SẠCH BẰNG

CANH TÁC THỦY CANH

Ngành học : CÔNG NGHỆ SINH HỌC Sinh viên thực hiện : LÊ THỊ NHƯ THẢO

Niên khóa : 2006 – 2010

Tháng 07 năm 2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CHẾ TẠO NANO BẠC – ALGINATE ỨNG DỤNG

TRONG SẢN XUẤT RAU SẠCH BẰNG

CANH TÁC THỦY CANH

Hướng dẫn khoa học Sinh viên thực hiện

TS LÊ QUANG LUÂN LÊ THỊ NHƯ THẢO

Tháng 07-2010

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên con muốn nói lời cảm ơn đến ba má, chị, anh và hai em thật nhiều

đã luôn động viên, ủng hộ con đường mà con đã chọn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh – Bộ môn Công nghệ Sinh học đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức khoa học, kiến thức chuyên ngành và những kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tại trường Giúp chúng em có những kiến thức bước vào đời

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy TS Lê Quang Luân người đã định hướng đề tài, hướng dẫn và luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Quốc Hiến và chị Kim Lan trung tâm VINAGAMMA đã hướng dẫn và tạo điều kiện cho em trong quá trình làm việc tại trung tâm

Em xin gửi lời cảm ơn đến cô Thu Hà, chị Phương Uyên Phòng Sinh học Trung tâm Hạt nhân Tp Hồ Chí Minh đã giúp đỡ em trong suốt thời gian làm đề tài này Em cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị đang làm việc tại Công ty Cổ Phần Sài gòn Thủy canh đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất và giúp đỡ cho em trong quá trình thực tập tại Công ty

Xin cảm ơn bạn Thanh, bạn Khôi, bạn Lộc và các bạn lớp DH06SH đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận tốt nghiệp này

Do hạn chế về thời gian và kiến thức nên khóa luận sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Em mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để khóa luận được đầy đủ và hoàn chỉnh hơn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2010

Sinh viên

Lê Thị Như Thảo

TÓM TẮT

Nhiều nghiên cứu gần đây đã chứng minh được Alginate xử lý cắt mạch bằng phương pháp bức xạ là một chất kích thích tăng trưởng an toàn và hiệu quả đối với cây trồng Bên cạnh đó, Nano Bạc có tác dụng kháng khuẩn cao ở nồng độ rất thấp Nếu như chế tạo được Alginate và Nano Bạc ứng dụng trong canh tác thủy canh sản xuất rau sạch không những có tác dụng tăng trưởng cho cây trồng do tác dụng Alginate cắt mạch bức xạ mà còn có tác dụng hạn chế sự phát triển của vi sinh vật do sự hiện diện của Nano Bạc

Trong đề tài này, Nano Bạc được chế tạo bằng kỹ thuật bức xạ với nguồn xạ gamma Co-60 Đồng thời, sử dụng Alginate làm chất ổn định với suất liều 1,3 kGy/h Nano Bạc – Alginate có kích thước hạt Bạc Nano 4 nm sau khi chế tạo được sẽ được

sử dụng để khảo sát nồng độ sử dụng trên rau mầm cải củ và rau thủy canh Khi đã xác định được nồng độ tối ưu nhất cho cây chúng tôi tiếp tục xác định sự ảnh hưởng của kích thước hạt Nano lên sự phát triển của cây trồng

Đã chế tạo được Nano Bạc bằng phương pháp chiếu xạ sử dụng Alginate làm chất ổn định có kích thước hạt là 4 nm bằng phương pháp chiếu xạ Co-60.Tìm được nồng độ Nano Bạc – Alginate tối ưu bổ sung cho mục đích trồng rau mầm là 1 ppm và rau thủy canh là 0,5 ppm Sản phẩm Nano Bạc – Alginate chế tạo được rất có triển vọng trong sản xuất rau sạch bằng canh tác thủy canh

Từ khóa: Nano Bạc – Alginate, Thủy canh, Kỹ thuật bức xạ, Công nghệ Nano

In this study, silver Nano – Alginate particles was prepared by γ-irradiation using Alginate stabilizer with a dose of rate 1.3 kGy/h Silver Nano – Alginate has size

of silver Nano particles about 4 nm after preparing was used for testing of the effect concentration on the growth vegetable seeding and vegetable hydroponics the selected optimal concentration was use to test size effect of Nano particles on the growth and development of plants

The Silver Nano particles with diameter 4 nm by γ-irradiation Co-60 was successfully prepared Alginate stabilizer.The optimal concentrations of prepared Silver Nano particles were found about 1 ppm for vegetable seeding and 0.5 ppm for vegetable in hydroponics culture.The Silver Nano particles prepare by γ- irradiation using Alginate stabilizer is a potential material for clean vegetable production using hydroponics techniques

Keywords: Nano Bạc – Alginate, Hydroponic, Radiation processing, Nanotechnology

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn …… i

Tóm tắt ii

Summary iii

Mục lục iv

Danh sách các chữ viết tắt vii

Danh sách các bảng viii

Danh sách các hình ix

Chương 1 Mở đầu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Nội dung thực hiện 2

Chương 2 Tổng quan tài liệu 3

2.1 Công nghệ Nano 4

2.1.1 Xu hướng của khoa học ứng dụng hiện nay 4

2.1.2 Các khái niệm về khoa học, công nghệ và vật liệu Nano 4

2.1.3 Cơ sở khoa học của Công nghệ Nano 5

2.1.4 Phương pháp chế tạo vật liệu Nano 6

2.1.5 Ứng dụng của công nghệ Nano 7

2.2 Nano Bạc – Alginate 8

2.2.1 Khái niệm về Nano Bạc 8

2.2.2 Alginate 9

2.2.3 Công nghệ bức xạ 9

2.2.4 Chế tạo keo Nano Bạc bằng phương pháp khử hóa bức xạ 11

2.2.5 Ứng dụng của Nano Bạc 11

2.3 Công nghệ nuôi trồng Thủy canh 12

2.3.1 Khái niệm thủy canh 12

2.3.2 Lịch sử phát triển 13

2.3.3 Những yêu cầu cơ bản của kỹ thuật thủy canh 14

2.3.4 Phân loại thủy canh 14

2.3.4.1 Kỹ thuật thủy canh dịch lỏng 15

2.3.4.2 Thủy canh có sử dụng giá thể rắn 20

2.4.5 Ưu và nhược điểm trong sản xuất bằng phương pháp thủy canh 23

2.4.5.1 Ưu điểm 23

2.4.5.2 Nhược điểm 24

2.4.6 Tình hình phát triển Công nghệ thủy canh trên thế giới và tại Việt Nam 24

Chương 3 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 27

3.1 Thời gian và địa điểm 27

3.2 Vật liệu thí nghiệm 27

3.2.1 Giống 27

3.2.2 Giá thể trồng cây 27

3.2.3 Hóa chất 27

3.2.4 Dụng cụ thí nghiệm 30

3.2.5 Điều kiện thí nghiệm 30

3.3 Phương pháp nghiên cứu 30

3.3.1 Chế tạo Nano Bạc -Alginate bằng phương pháp chiếu xạ Co-60 30

3.3.2 Xác định đặc trưng của Nano Bạc – Alginate 31

3.3.3 Khảo sát hiệu ứng của Nano Bạc – Alginate trên rau thủy canh 31

3.3.3.1 Khảo sát hiệu ứng của Nano Bạc – Alginate trên rau mầm cải củ 32

3.3.3.2 Khảo sát hiệu ứng của Nano Bạc – Alginate trên rau thủy canh 34

3.4 Pháp xử lý số liệu 38

Chương 4 Kết quả và thảo luận 39

4.1.1 Chế tạo Nano Bạc – Alginate bằng kỹ thuật bức xạ Co-60 39

4.1.2 Hiệu ứng tăng trưởng 41

4.1.2.1 Hiệu ứng tăng trưởng của Nano Bạc 41

4.1.2.2 Hiệu ứng tăng trưởng của Nano Bạc – Alginate 46

4.2.1 Sản phẩm Nano Bạc 58

4.2.2 Hiệu ứng tăng trưởng của Nano Bạc – Alginate trên rau thủy canh 60

4.2.2.1 Hiệu ứng tăng trưởng 60

4.2.2.2 Hiệu ứng tăng trưởng của Nano 60

Chương 5 Kết luận và đề nghị 65

5.1 Kết Luận 65

5.2 Đề nghị 65

Tài liệu tham khảo

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

λmax : Bước sóng hấp thụ cực đại

ATVSTP : Vệ sinh an toàn thực thực phẩm

BVTV : Bảo vệ thực vật

CNNN : Công nghệ Nano

CNSH : Công nghệ sinh học

ĐC : Đối chứng

EPA : Environmental protection agency

FDA : Food and drug administration

NLNT : Năng lượng nguyên tử

SIAA : Society of industrial technology

SVĐC : So với đối chứng

TEM : Transmission electron microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua)

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Các nghiệm thức trong thí nghiệm 33

Bảng 3.2 Các nghiệm thức trong thí nghiệm ảnh hưởng 34

Bảng 3.3 Các nghiệm thức trong thí nghiệm ảnh hưởng nồng độ 36

Bảng 3.4 Các nghiệm thức trong thí nghiệm ảnh của kích thước hạt Nano Bạc 37

Bảng 4.1 Đặc trưng của Nano Bạc – Alginate trước và sau khi chiếu xạ 41

Bảng 4.2 Sự sinh trưởng của rau mầm 42

Bảng 4.3 Sự ảnh hưởng của ra mầm Cải củ 44

Bảng 4.4 Hàm lượng chất khô 51

Bảng 4.5 Chỉ tiêu về chất lượng vi sinh 58 

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (NFT) 16

Hình 2.2 Mô hình kỹ thuật dòng sâu 17

Hình 2.3 Kỹ thuật dòng sâu (DFT) theo kiểu zigzag 18

Hình 2.4 Mô hình kỹ thuật ngâm rễ 19

Hình 2.5 Mô hình kỹ thuật nổi 19

Hình 2.6 Mô hình kỹ thuật mao dẫn 20

Hình 2.7 Mô hình kỹ thuật khí canh 20

Hình 2.8 Mô hình kỹ thuật túi treo 21

Hình 2.9 Mô hình kỹ thuật túi tăng trưởng 20

Hình 2.10 Mô hình kỹ thuật rảnh 23

Hình 2.11 Mô hình kỹ thuật chậu 23

Hình 3.1 Phổ UV – VIS của mẫu Ag+/Alginate 28

Hình 3.2 Đặc trưng về kích thước của hạt Nano Bạc 39

Hình 3.3 Mô hình thủy canh tĩnh 35

Hình 4.1 Phổ UV-Vis của mẫu Ag+/Alginate trước khi 39

Hình 4.2 Ảnh TEM và sự phân bố kích thước hạt Nano Bạc 40  

Hình 4.3 Ảnh hưởng của Nano Bạc – Alginate 43 

Hình 4.4 Ảnh hưởng của Nano Bạc – Alginate có kích thước 45

Hình 4.5 Ảnh hưởng của nồng độ Nano Bạc – Alginate 47 

Hình 4.6 Cây Cải xanh sau 12 ngày trồng 48 

Hình 4.7 Cải xanh sau 35 ngày gieo trồng 48

Hình 4.8 Ảnh hưởng của nồng độ Nano Bạc – Alginate lên 49

Hình 4.9 Cải ngọt sau 35 ngày 49 

Hình 4.10 Ảnh hưởng của nồng độ Nano Bạc – Alginate 50

Hình 4.11 Xà lách sau 35 ngày gieo trồng 51

Hình 4.12 Ảnh hưởng của kích thước hạt Nano Bạc 53

Hình 4.13 Cây Cải xanh 54

Hình 4.14 Ảnh hưởng của kích thước 55

Hình 4.15 Cây Cải ngọt 55

Hình 4.16 Ảnh hưởng của ích thước hạt 56

Hình 4.17 Cây Xà lách sau 35 ngày gieo trồng 57

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Rau – quả là một trong các loại thực phẩm không thể thiếu trong khẩu phần ăn hàng ngày của mỗi người, đặc biệt là người dân Châu Á Khi đời sống người dân được nâng cao thì nhu cầu về thực phẩm nói chung không những đa dạng, có màu sắc và mùi vị đặc trưng dễ nhận thấy mà còn quan tâm đến chất lượng bên trong Riêng về

rau không chỉ phải tươi, ngon, hấp dẫn mà còn phải an toàn Điều này đòi hỏi nhà sản

xuất phải đổi mới tập quán sản xuất, thay đổi công nghệ và thiết bị để tạo ra các sản phẩm phù hợp với nhu cầu người tiêu dùng Rau không sạch – mất an toàn, nghĩa là dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, các hoá chất bất lợi và các vi sinh vật gây bệnh trong rau vượt ngưỡng cho phép gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe của người tiêu dùng

Quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa đang dần dần làm thu hẹp diện tích đất dành cho canh tác nông nghiệp, đặc biệt là tại các khu đô thị và khu vực đông dân cư Nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu dùng rau của người tiêu dùng, người trồng rau thường tìm cách tăng năng suất và sản lượng bằng nhiều biện pháp khác như: dùng phân bón hóa học, chất kích thích sinh trưởng thực vật vượt mức cho phép hoặc thuốc trừ sâu để kiểm soát sâu bệnh, v.v

Trong những thập kỷ gần đây, nông nghiệp Việt Nam có bước phát triển mạnh

mẽ và đạt được những thành tựu đáng kể về năng suất, sản lượng, chủng loại và quy

mô sản xuất, v.v.; đã tạo ra một khối lượng sản phẩm nông nghiệp rất lớn đảm bảo tiêu dùng trong nước và xuất khẩu Tuy nhiên, nền nông nghiệp nước ta đang đứng trước những thách thức đó là: vấn đề ô nhiễm môi trường, đất đai bạc màu, suy giảm đa dạng sinh học, ngộ độc thuốc bảo vệ thực vật ở người, bùng phát sâu bệnh do sự phá hủy hệ sinh thái do sử dụng quá nhiều hóa chất

Để khắc phục những nhược điểm trên, nông nghiệp nước ta đang từng bước chuyển dịch sản xuất nông nghiệp sang sản xuất nông nghiệp an toàn, nông nghiệp hữu cơ Trên thị trường, người dân đã biết đến và đang làm quen dần với các sản phẩm nông sản như: rau, quả và thực phẩm an toàn Hiện nay, vấn đề thực phẩm sạch được

Vệ sinh an toàn thực phẩm (VSATTP) đối với nông sản nhất là rau xanh đang được xã hội đặc biệt quan tâm Vì rau là thực phẩm không thể thiếu trong mỗi bữa ăn hàng ngày, là nguồn cung cấp vitamin, chất khoáng, vi lượng, chất xơ, v.v cho cơ thể con người Việc ô nhiễm vi sinh vật, hóa chất độc hại, kim loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) tồn dư trên rau, đặc biệt là rau ăn lá đã gây ảnh hưởng không nhỏ trước mắt cũng như lâu dài đối với sức khỏe cộng đồng Để đáp ứng nhu cầu của người dân thì rau an toàn phải đảm bảo các yêu cầu về chất lượng như tiêu chuẩn về hóa chất bảo vệ thực vật, NO-3, kim loại nặng, chỉ tiêu vi sinh, ký sinh trùng và chỉ tiêu hình thái

Nhiều nước tiên tiến trên thế giới và một số nước trong khu vực (Đài Loan, Trung Quốc, Thái Lan, Hàn Quốc, v.v.) đã và đang sử dụng công nghệ sản xuất rau – quả sạch bằng nhiều biện pháp khác nhau như trồng trong nhà kính hoặc nhà lưới, thủy canh Thủy canh được đánh giá là phương pháp hiệu quả và an toàn Tuy nhiên, môi trường sử dụng trong thủy canh là môi trường tối ưu cho cây phát triển, không chỉ bao gồm đầy đủ các nguyên tố đa lượng và vi lượng mà cả yếu tố pH cũng được điều chỉnh cho phù hợp, và do đó vi sinh vật cũng dễ phát triển nếu như ta không có phương pháp hạn chế chúng Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy Alginate được xử lý cắt mạch bằng phương pháp bức xạ được khẳng định là một chất kích thích tăng trưởng an toàn và hiệu quả đối với cây trồng Bên cạnh đó, Nano Bạc có tác dụng kháng khuẩn cao ở nồng độ rất thấp Vì vậy nếu như chế tạo được Alginate và Nano Bạc ứng dụng trong canh tác thủy canh sản xuất rau sạch không những có tác dụng tăng trưởng cho cây trồng do tác dụng Alginate cắt mạch bức xạ mà còn có tác dụng hạn chế sự phát triển của vi sinh vật do sự hiện của Nano Bạc

Vấn đề đặt ra hiện nay là tìm kiếm nguồn vật liệu thay thế cho thuốc bảo vệ và nguồn vật liệu này vẫn đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm Đây là vấn đề đang được các nhà khoa học rất chú trọng hiện nay Điều đó cho thấy việc sử dụng Nano Bạc – Alginate là nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao do Nano Bạc – Alginate không chỉ có hoạt tính sát khuẩn cao, mà còn là chất kích thích tăng trưởng giúp cây trồng phát triển nhanh chóng Sản phẩm nếu thành công sẽ là vật liệu có tính ưu việt cao, có khả năng kháng vi sinh vật trùng cao dùng trong hệ thống thuỷ canh, nếu

chúng ta sử dụng hệ thống lọc cặn khử trùng bằng UV hoặc hoá chất thì rất là tốn kém, độc hại và bất lợi

Trên tinh thần tìm hiểu về chất sát khuẩn và kích thích tăng trưởng Nano Bạc – Alginate được chế tạo bằng phương pháp chiếu xạ Gamma Co-60, cũng như nhận thấy khả năng ứng dụng thực tiễn cao của nghiên cứu này, và dưới sự hướng dẫn của TS

Lê Quang Luân – Trung tâm Hạt nhân Tp Hồ Chí Minh, tôi thực hiện đề tài: “Chế tạo Nano Bạc – Alginate ứng dụng trong sản xuất rau sạch bằng canh tác thủy canh ”

1.2 Yêu cầu của đề tài

− Tạo ra chế phẩm Nano Bạc – Alginate vừa có khả năng kích thích tăng trưởng thực vật vừa có khả năng hạn chế vi sinh vật gây bệnh

− Đưa ra được quy trình chung ứng dụng Nano Bạc trong sản xuất rau sạch bằng canh tác thủy canh

1.3 Nội dung thực hiện

− Chế tạo Nano Bạc – Alginate bằng kĩ thuật bức xạ

− Đánh giá các đặc trưng của Nano Bạc – Alginate (đo phổ tử ngoại UV_VIS, chụp ảnh TEM)

− Khảo sát hiệu ứng sinh học của Nano Bạc trên cây rau trong cây trồng thủy canh về các chỉ tiêu như: chiều cao cây, độ dài rễ, sinh khối (sinh khối tươi và sinh khối khô), bệnh bằng 2 hiệu ứng :

+ Hiệu ứng theo nồng độ Nano Bạc – Alginate để tìm ra nồng độ tối ưu

+ Hiệu ứng theo kích thước hạt Nano Bạc để tìm ra kích thước tối ưu

− Đánh giá chất lượng của sản phẩm: Kiểm tra vi sinh trên mẫu rau (một số vi sinh

vật gây bệnh như E.Coli, Salmonella, Coliforms)

Chương 2 TỔNG QUAN CHUNG

2.1 Công nghệ Nano

2.1.1 Xu hướng của công nghệ Nano

Xu hướng của khoa học ứng dụng hiện nay là kết hợp chặt chẽ các thành tựu vĩ đại giữa các ngành khoa học: vật lý, hóa học, khoa học vật liệu, toán học, tin học, v.v

để cùng nghiên cứu các đối tượng nhỏ bé có kích thước của nguyên tử

Công nghệ Sinh học (CNSH) hiện nay đang có xu hướng nghiên cứu các quá trình, cơ chế ở mức độ phân tử Sinh học phân tử càng phát triển càng cần các công cụ, vật liệu mới nhằm thâm nhập sâu vào thế giới hiển vi của những quá trình, cấu trúc sinh học

Sự phát triển vượt bậc của Công nghệ Nano (CNNN) và CNSH làm cho các nhà khoa học tìm mối liên kết giữa chúng Bởi vì, CNNN có thể mang đến cho sinh học những công cụ mới trong khi sinh học cho phép CNNN đạt được các hệ thống có chức năng mới (Whitesides, 2003) Sự kết hợp này đã và đang mang lại nhiều thành quả trong công nghệ sinh học y dược, nông nghiệp như sản phẩm khẩu trang diệt khuẩn, bình sữa cho em bé ứng dụng công nghệ Nano Bạc, v.v

Cùng với xu hướng chung của xã hội CNNN và CNSH cũng đang kết hợp với nhau để tạo ra các công cụ, các chất ít gây ảnh hưởng đến môi trường nhất

2.1.2 Các khái niệm về khoa học, công nghệ và vật liệu Nano

Nano là thuật ngữ dùng để chỉ một phần tỷ của vật nào đó, có nguồn gốc từ tiếng

Hy lạp có nghĩa là lùn, nhỏ bé (J Uldrich and D Newberry, 2006) Tiền tố Nanos xuất hiện trong tài liệu khoa học đầu tiên vào năm 1908 khi Lohmann sử dụng để chỉ các vi sinh vật nhỏ bé có kích thước 200 nm

Khoa học Nano: là ngành khoa học nghiên cứu các hiện tượng và sự can thiệp

vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn

Công nghệ Nano: là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng cấu

trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô

Vật liệu Nano: là vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích thước nm Vật

liệu Nano bao gồm ba trạng thái: rắn, lỏng, khí Dựa vào hình dáng của vật liệu Nano người ta chia thành dạng chủ yếu như: không chiều (hạt Nano), một chiều (dây Nano), hai chiều (màng Nano) và Nanocomposit (Đặng Văn Phú, 2008)

2.1.3 Cơ sở khoa học của Công nghệ Nano

a Hiệu ứng bề mặt

Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích

thước Nanomét khác biệt so với vật liệu ở dạng khối

b Hiệu ứng kích thước

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước giới hạn này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi Chính vì tính chất này đã làm cho vật liệu Nano có tính chất kỳ lạ hơn so với vật liệu truyền thống

Ở vật liệu khối, kích thước của vật liệu lớn hơn rất nhiều lần độ dài đặc trưng của vật liệu, điều này đã quy định những tính chất vật lý của vật liệu như chúng ta đã biết Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng của vật liệu thì tính chất của vật liệu có những thay đổi đột ngột và khác hẳn so với những tính chất mà ta đã biết trước đó Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa Lúc đó điện trở của vật

có kích thước Nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử Không phải bất cứ vật liệu nào

có kích thước Nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu

2.1.4 Phương pháp chế tạo vật liệu Nano

Vật liệu Nano chủ yếu được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống và phương pháp từ dưới lên Đối với các hạt Nano kim loại như hạt Nano vàng, Bạc, Bạch kim, v.v thì phương pháp từ dưới lên thường được áp dụng

a Phương pháp từ trên xuống

Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu có kích thước Nano từ vật liệu khối ban đầu, hay là tạo hạt có kích thước Nano từ hạt có kích thước lớn hơn Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước Nano Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu) Tuy nhiên, sản phẩm thu được có độ tinh khiết và độ đồng nhất không cao, chất lượng vật liệu Nano còn nhiều hạn chế Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh) Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước Nano Kết quả thu được là vật liệu Nano không chiều (các hạt Nano)

b Phương pháp từ dưới lên:

Phương pháp từ dưới lên hình thành vật liệu Nano từ các nguyên tử hoặc ion Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu Nano mà chúng ta dùng hiện nay như tủ lạnh, máy điều hòa, bình sữa đều được chế tạo từ phương pháp này

Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa – lý

2.1.5 Ứng dụng của công nghệ Nano

Công nghệ Nano thuộc vào lĩnh vực khoa học và công nghệ ở quy mô Nano của các nguyên tử và phân tử Những tính chất của vật chất trong lĩnh vực này có thể được quan sát và khảo sát ở quy mô vi mô hoặc vĩ mô và được ứng dụng để phát triển các

nguyên liệu, dụng cụ với chức năng và tính năng mới

Hiện tại, ước tính có hàng trăm sản phẩm của CNNN đã được thương mại ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: vật lý, tin học, khoa học vũ trụ, hàng tiêu dùng và khoa học vật liệu, v.v

Cuộc cách mạng khoa học và công nghệ Nano thật sự lan tỏa đến mọi lĩnh vực khoa học và đời sống Các công ty luôn tăng cường đầu tư và hoàn thiện quy trình

CNNN nhằm chiếm lĩnh thị trường đầy tiềm năng này Năm 2001, tập đoàn Toyota sản xuất bộ chắn chống va đập từ vật liệu Nanocomposit dùng cho xe hơi, nó nhẹ hơn

60 % nhưng khả năng chống va đập và xây xát gấp đôi so với loại chắn trước đây Công ty Mitsibitsi, năm 2007 sản xuất 6000 tấn vật liệu các fullerene dùng trong y tế,

mỹ phẩm và pin Và nhiều công ty khác như Samsung, Siemens, v.v cũng đang chú ý vào CNNN

Y dược là thị trường lớn nhất tiêu thụ vật liệu Nano, các ứng dụng hạt Nano để dẫn truyền thuốc đến vị trí nào đó trên cơ thể là một trong những ứng dụng của hạt Nano Một trong những khối cấu trúc Nano được sử dụng phổ biến nhất trong chiến lược phân phối, dẫn truyền thuốc là dendrimer bởi tính chất hướng đích của nó

Trong nông nghiệp, CNNN cũng có những bước tiến mới Sản phẩm thuốc trừ nấm bệnh phổ rộng MIFUM 0,6 DD đã được nghiên cứu bởi TS Bùi Huy Du Sản phẩm thuốc trừ bệnh được khảo nghiệm trừ bệnh đạo ôn, lem lép hạt trên lúa thuộc địa bàn tỉnh Lâm Đồng và đã đạt những kết quả rất khả quan

Vật liệu Nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước Nano so sánh được với kích thước tế bào (10 – 100 nm), virus (20 – 450), protein (5 – 50 nm) Với kích thước nhỏ bé cộng với việc “ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và

có thể thâm nhập vào các tế bào hoặc virus Ứng dụng của vật liệu từ Nano trong sinh học có rất nhiều, những ứng dụng đang được nghiên cứu sôi nổi và có triển vọng phát triển đó là phân tích tế bào, dẫn truyền thuốc, thân nhiệt cao cục bộ và tăng độ nét hình ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân

2.2 Nano Bạc – Alginate

2.2.1 Khái niệm Nano Bạc

Nano Bạc là những hạt Bạc có kích thước trong khoảng 0,1 đến 100 nm Nano Bạc thường ở dưới dạng dung dịch keo với các chất bảo vệ là các polyme giúp cho các hạt Bạc không bị kết tụ Bạc ở kích cỡ Nano thể hiện một số đặc tính ưu việt so với Bạc bình thường, đó là một kháng sinh tự nhiên có khả năng phòng ngừa sự truyền nhiễm và vô hiệu hoá các enzyme trọng yếu tham gia trao đổi oxygen của vi khuẩn, vi rút và vi nấm, từ đó phá hủy các màng tế bào của vi sinh vật Vi khuẩn không thể phát

triển bất kỳ khả năng miễn dịch nào đối với Bạc Bạc không độc, không dị ứng, không tích tụ và do đó kim loại nay vô hại đối với cả động vật hoang dã và môi trường

Các hạt Nano có kích thước siêu nhỏ làm cho các hạt có diện tích bề mặt lớn cân đối với khối lượng của chúng Trường hợp Bạc ở dạng hạt Nano, cho phép chúng tương tác dễ dàng với các hạt khác và tăng hiệu quả kháng khuẩn Hiệu quả này lớn tới mức 1 gam hạt Nano Bạc có thể tạo tính chất kháng khuẩn tới hàng trăm mét vuông chất nền

Hiện nay, các sản phẩm làm bằng những hạt Nano Bạc đã được các cơ quan FDA, EPA của Mỹ, SIAA của Nhật Bản, v.v chính thức phê chuẩn

Ở nước ta, Bộ y tế đã đưa keo Bạc (colloidal silver) vào danh mục các hóa chất diệt khuẩn được phép đăng ký để sử dụng trong lĩnh vực gia dụng và y tế

2.2.2 Alginate

Alginate là một loại polysaccharide có nhiều trong các loại tảo nâu, được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp thực phẩm, một số ngành kỹ nghệ, y dược, các ngành công nghiệp ứng dụng quan trọng khác

Muối Alginate cả dạng hòa tan và không hòa tan có nhiều công dụng khác nhau Amonium Alginate sử dụng trong các kết cấu chống lửa Trong thực phẩm, kem, bia, sause, sữa có Alginate sẽ ngon hơn Trong kỹ nghệ mỹ phẩm, Alginate rất quan trọng, được dùng trong thuốc nhuộm, thuốc thoa tóc, các kem, v.v Trong công nghiệp ứng dụng các đặc tính của Alginate rất quý trong kỹ nghệ giấy, dệt, trong kỹ nghệ cao su Alginate được sử dụng rất nhiều, vải hồ với Alginate có thể tan được, ngâm vào muối nhôm sẽ không thấm nước, đó là phương pháp tạo vải bố không thấm nước, nếu tẩm vào gỗ thì các Alginate làm chúng lâu mục, Alginate đã được khảo cứu làm sợi dệt (với formol), nhất là sợi chỉ khâu phẫu thuật

Gần đây, Alginate chiếu xạ được phát hiện như là chất kích thích tăng trưởng đối với cây trồng Hoạt chất này được xem là một triển vọng rất hiệu quả trong công nghiệp sản xuất rau an toàn bởi lẽ nhiều nghiên cứu cho thấy Alginate chiếu xạ không những có tác dụng kích thích tăng trưởng mà còn hoạt động như một Elecitor có tác dụng kích thích quá trình gây tạo các Phytoalexin giúp cây trồng kháng lại các tác nhân gây bệnh

2.2.3 Công nghệ bức xạ

Công nghệ bức xạ là một trong những nghiên cứu và ứng dụng rất hiệu quả của ngành hạt nhân Việt Nam và thế giới Công nghệ bức xạ là sử dụng nguồn bức xạ làm nguồn năng lượng trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng Công nghệ bức xạ hiện tại chủ yếu sử dụng các nguồn bức xạ gamma phát ra từ đồng vị Co-60 và Cr-157, chùm điện tử gia tốc điện tử (Electron Beam) và chùm tia ion phát ra từ các máy gia tốc ion (Ion Beam) Theo số liệu năm 1996, toàn thế giới có hơn 180 nguồn chiếu xạ gamma Co-60 và khoảng 700 – 800 máy gia tốc điện từ hoạt động phục vụ cho mục đích ứng dụng công nghiệp, trong đó bao gồm ứng dụng trong lĩnh vực sinh học (Nguyễn Quốc Hiến, 1997)

Các ứng dụng thành công nổi bật của công nghệ bức xạ ở nước ta tập trung chủ yếu trong lĩnh vực nông nghiệp, như chiếu xạ để bảo quản thực phẩm (gia vị, trái cây, thực phẩm đông lạnh, v.v.) nhằm giảm thiểu số lượng vi sinh vật trong sản phẩm, biến tính các loại polymer tự nhiên (bao gồm ghép mạch, khâu mạch và cắt mạch) nhằm tạo

ra các sản phẩm mới có tính ưu việt cao trong nông nghiệp Bên cạnh đó chếu xạ kích thích và gây đột biến tạo các giống cây trồng mới (lúa, đậu tương, hoa cúc, v.v.), chiếu

xạ gây bất dục côn trùng gây hại, chiếu xạ phế thải nông nghiệp, chiếu xạ gây biến tính vật liệu tạo chế phẩm mới (chế phẩm gel giữ nước, chế phẩm phòng và trị bệnh thực vật từ chitosan chiếu xạ v.v.), v.v

Phương pháp chiếu xạ có nhiều ưu điểm nổi bật như: phản ứng ở nhiệt độ bình thường, dễ dàng điều chỉnh quá trình, sản phẩm không cần tinh chế, tạo vật liệu mới, thuận lợi cho quá trình ứng dụng ở quy mô lớn, hiệu quả kinh tế cao, v.v và chính nhờ những đặc tính ưu việt đó mà hiện nay nhiều nước trên thế giới đang tăng cường hợp tác nhằm phát triển mạnh lĩnh vực này Ở Việt Nam, công nghệ bức xạ cũng đã được nghiên cứu và triển khai ứng dụng nhiều vào thực tiễn sản xuất nông nghiệp

2.2.4 Chế tạo keo Nano Bạc bằng phương pháp khử hóa bức xạ

Nghiên cứu ứng dụng bức xạ để tổng hợp hạt Nano kim loại phân tán trong dung dịch được bắt đầu vào khoảng cuối những năm 1970

Nhiều nhóm nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu chế tạo Nano kim loại bằng phương pháp chiếu xạ Co-60 và đã xác nhận tính hiệu quả của phương

pháp này (Shin và ctv, 2004; Chen và ctv, 2007, v.v.) trích dẫn bởi Nguyễn Đức Châu (2009) Ở trong nước, nhóm nghiên cứu Nguyễn Thị Kim Lan và ctv (2009), Trung Tâm Nghiên Cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ, Viện NLNT Việt Nam đã nghiên cứu chế tạo keo Bạc Nano bằng phương pháp chiếu xạ sử dụng chất ổn định là Alginate

Phương pháp khử hóa bức xạ ion hóa để chế tạo vật liệu Nano kim loại đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu do có nhiều tính ưu việt:

- Không sử dụng các hóa chất khử độc hại, thân thiện môi trường, sản phẩm thu được

có độ tinh khiết cao

- Tác nhân khử tự sinh trong quá trình chiếu xạ và phân tán đều trong toàn hệ phản

ứng Chuyển hóa hoàn toàn Bạc ion thành Bạc kim loại khi chiếu xạ dung dịch muối Bạc

- Dễ dàng kiểm soát kích thước và độ phân bố kích thước thông qua việc chủ động

hiệu chỉnh suất liều và liều hấp thụ

- Phản ứng thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường Có thể sử dụng các

chất ổn định (stabilizer) không bền với nhiệt

- Phương pháp chế tạo đơn giản, có khả năng sản xuất khối lượng lớn (mass

production), hiệu quả kinh tế và an toàn môi trường (theo Hornebecq, 2003 trích dẫn bởi Đặng Văn Phú, 2008)

Cơ chế tạo hạt kim loại từ ion kim loại tương ứng chỉ cần tạo ra điều kiện khử trong quá trình chiếu xạ Gốc tự do OH- có tính oxi hóa sẽ được chuyển thành gốc tự

do có tính khử bằng việc thêm vào hệ chất hữu cơ bắt gốc tự do thường sử dụng là các alcohol

Quá trình chế tạo Nano Bạc – Alginate:

− Hòa tan Alginate vào nước cất ở nhiệt độ khoảng 50 oC, nồng độ Alginate tùy thuộc vào kích thước ta muốn nhận được

− Cân một lượng AgNO3 cần thiết pha vào dung dịch Alginate

− Khử ion Ag+ thành Ag có thể tiến hành bằng cách hòa tan các muối Bạc vào trong nước có sự hiện diện của chất khử, chất ổn định cũng như chất bắt gốc tự do

− Đưa dung dịch ion Bạc vào ống nghiệm có nút vặn kín khí, sục khí nitơ vào để loại

bỏ khí O2 và chiếu xạ trên nguồn gamma Co-60, suất liều 1,3 kGy/h ở điều kiện áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng

Sản phẩm phân ly bức xạ nước eaq- và H+ là tác nhân khử với

E0 ( H2O/ eaq-) = 2,87 V, E0 (H+/H.) = -2,3 V, trong khi đó E0 ( Ag+/Ag0) = -1,8 V Alginate đóng vai trò vừa là chất ổn định vừa là chất bắt gốc tự do OH-

¾ Vai trò của chất bắt gốc tự do

Trong quá trình bức xạ nước sẽ sinh ra OH- có tính oxi hóa mạnh, có khả năng oxi hóa nguyên tử kim loại Ag0 vừa mới tạo thành trở thành ion Ag+ Để hạn chế điều này, ta thường dùng các chất bắt gốc tự do như methanol, etanol, isopropanol, v.v Gốc

tự do mới tạo thành hầu như không phản ứng với electron bị sovat (eaq-)

¾ Vai trò chất ổn định

Nano Bạc được tạo ra bằng phương pháp chiếu xạ hay bất cứ phương pháp nào khác cũng có thể có khuynh hướng bị kết tụ trong nước thành những hạt có kích thước lớn hơn nếu chúng không được bảo vệ Đã có nhiều tác giả tìm ra các polymer có khả năng ổn định keo Bạc như polyvinyl pirrolidone (PVP), polyvivyl alcol (PVA), polyacrylate, polyacrymide (PAM) Các nhóm chức trên polymer tương tác với kim loại tạo điều kiện để gắn các phân tử polymer lên bề mặt của đám kim loại Khi đó chuỗi polymer sẽ ngăn cản sự keo tụ của các đám kim loại nhờ lực đẩy tĩnh điện hoặc

do sự cản trở bề mặt không gian Các polymer này có vai trò quyết định trong việc kiểm soát kích thước cũng như độ phân tán kích thước của các hoạt kim loại Nano Sau khi chế tạo Nano Bạc thành công tiến hành đo phổ tử ngoại (UV_VIS) mẫu Bạc để xác định mật độ quang của mẫu Bạc

Chụp ảnh TEM: chụp ảnh TEM các mẫu dung dịch keo Nano Bạc để xác định kích thước của nó

2.2.5 Ứng dụng của Nano Bạc

Hàng loạt các sản phẩm khác nhau từ Nano được sản xuất và thương mại trong

số đó đặc biệt là băng gạt chữa bỏng của hãng Smith và Nephew, UK được chế tạo bằng cách phủ Nano Bạc lên PE Tại Việt Nam hai năm nay phòng thí nghiệm Nano của Đại Học Khoa học Tự nhiên cũng đang tập trung sản xuất một số kit thử nhanh,

thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) từ Nano Bạc và tạo nên những sản phẩm trừ bệnh trừ nấm phổ rộng không độc hại cho người, động vật và môi trường, không tạo nên các dòng khuẩn, nấm, virus kháng nấm được xem là bước đột phá của ngành hóa lý Việt Nam Như sản phẩm thuốc trừ bệnh cây MIFUM 0,6 DD được sản xuất với nồng độ Bạc 1000 ppm và chitosan là 5000 ppm

Sản phẩm khử mùi hôi cơ thể có tên thương mại là “Hi Hi”, số đăng ký CBTC: 217/07/QLD-MP, của Công ty Dược phẩm Quang Minh, Việt Nam chứa thành phần hoạt hóa chất sát khuẩn là keo Nano Bạc cũng đã được thương mại trên thị trường Việt Nam

2.3 Công nghệ nuôi trồng Thủy canh

2.3.1 Khái niệm thủy canh

Theo tiếng Hy lạp thì hydroponics (thủy canh), được ghép từ hai chữ hydro (nước) và ponos (lao động), là hình thức canh tác trên các giá thể không phải là đất

Thủy canh có thể sử dụng hoặc không sử dụng giá thể, cây trồng được cung cấp đầy

đủ dinh dưỡng và nước cho cây sinh trưởng và phát triển

2.3.2 Lịch sử phát triển

Thủy canh đã được thực hiện từ nhiều thế kỉ trước ở vùng Amazon, Babylon, Ai Cập, Trung Quốc và Ấn Độ Người xưa đã sử dụng phân bón hòa tan để trồng dưa chuột, dưa hấu và nhiều loại rau củ khác ở các lòng sông đầy cát Sau đó, các nhà sinh

lý thực vật bắt đầu trồng các loại cây trên những môi trường dinh dưỡng đặc biệt vì mục đích thí nghiệm, họ gọi đó là nuôi cấy dinh dưỡng (nutriculture)

Những ứng dụng thực nghiệm của ‘nuôi cấy dinh dưỡng’ bắt đầu được chú ý vào năm 1925, khi kỹ thuật nhà kính đặt ra nhiều vấn đề cần được quan tâm đặc biệt Đất trong nhà kính phải được thay thế thường xuyên để khắc phục các vấn đề về cấu trúc đất, phân bón và sâu bọ Kết quả là các nhà nghiên cứu bắt đầu quan tâm đến ưu thế của nuôi cấy dinh dưỡng so với nuôi cấy trong đất theo kiểu truyền thống

Thuật ngữ thủy canh (hydroponics) lần đầu tiên được Gericke (1937) giới thiệu

để mô tả tất cả các phương pháp nuôi trồng thực vật trong môi trường lỏng cho mục đích thương mại Gericke (1929) cũng là người đầu tiên khảo sát, phát triển một

phương pháp nuôi trồng thực vật trong nước (dịch dinh dưỡng) khả thi về mặt kinh tế cho mục đích thương mại

Ngoài Gericke, nhiều nhà khoa học khác cũng đã đưa ra nhiều kỹ thuật và phương pháp nuôi trồng thực vật không cần đất (soiless culture) trên qui mô thương mại trong thập niên 1930 (Withorow và Biebel, 1936; Mllard và Stoughton, 1939) Mặc dù các tiêu chuẩn khoa học công nghệ thời kỳ đó đã có thể đáp ứng với việc trồng trọt không cần đất, song họ vẫn không thể thành công khi tính về hiệu quả kinh tế Tuy kết quả khảo sát trên qui mô thương mại chưa khả quan, nhưng thủy canh vẫn thu hút được rất nhiều sự quan tâm Ý tưởng trồng các loại cây có sức sống tốt, sản xuất rau quả, trái cây và hoa không cần đất hấp dẫn với nhiều người Do đó, bên cạnh những người canh tác chuyên nghiệp, nhiều nhà vườn nghiệp dư cũng cố gắng trồng nhiều loại cây khác nhau trong hệ thống thủy canh

Trong và ngay sau thế chiến thứ II, thủy canh được quân đội Hoa kỳ sử dụng khá rộng rãi để trồng rau quả ở một số nơi mà đất bị nhiễm độc do chiến tranh Trong suốt hai thập niên 1950 và 1960, diện tích canh tác thủy canh trên toàn thế giới vẫn chưa có

ý nghĩa quan trọng và những nghiên cứu về chúng còn rất ít Tuy nhiên, một số tài liệu

có liên quan đến thành phần dịch dinh dưỡng cho hệ thống thủy canh đã được xuất bản

từ giai đoạn này (Jacobson, 1951; Steiner, 1961; và Hewitt, 1966) Đến cuối thập niên

1960, mối quan tâm về áp dụng thủy canh trong qui mô thương mại tăng lên, thể hiện

rõ ở khối liên hiệp Anh, Hà Lan và các quốc gia Scandinavie

Đến năm 1975, Cooper đưa ra kỹ thuật màng dinh dưỡng (NFT – nutrient film technique), là kỹ thuật thủy canh đầu tiên được sử dụng trên qui mô lớn

Trong tương lai, kỹ thuật thủy canh sẽ được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực sản xuất thương mại Mặc dù là một phương pháp còn rất mới mẻ, mới chỉ cơ bản được áp dụng cho sản xuất thương mại khoảng 40 năm, thủy canh đã cho thấy tiềm năng phát triển cực kỳ to lớn của nó Do không sử dụng đất khi trồng nên kỹ thuật thủy canh có thể thích hợp với nhiều điều kiện khác nhau, từ vùng hải đảo đến cao nguyên,

từ vùng khô hạn đến vùng ẩm ướt Điều này cho thấy tính hiệu quả và khả năng phổ biến của kỹ thuật thủy canh là rất cao

2.3.3 Những yêu cầu cơ bản của kỹ thuật thủy canh

− Giá thể trơ được sử dụng

− Dịch dinh dưỡng hoặc hỗn hợp phân bón phải chứa tất cả các thành phần vi lượng

và đa lượng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây

− pH của dịch dinh dưỡng phải trong khoảng phù hợp để hệ thống rễ hoặc giá thể trơ không bị ảnh hưởng

− Nhiệt độ và độ thoáng khí của giá thể trơ hoặc dịch dinh dưỡng phải phù hợp với hệ thống

2.3.4 Phân loại thủy canh

Hiện nay có nhiều kỹ thuật thủy canh Tuy nhiên, cần xem xét các nhân tố sau

để chọn kỹ thuật thủy canh áp dụng cho phù hợp với điều kiện kinh tế, địa hình

− Năng suất mong muốn

− Diện tích canh tác và môt trường phát triển

− Chất lượng sản phẩm mong muốn – màu sắc, hình dạng

Một số kỹ thuật thủy canh thông dụng hiện nay:

− Kỹ thuật thủy canh dịch lỏng

− Kỹ thuật thủy canh có sử dụng giá thể rắn

2.3.4.1 Kỹ thuật thủy canh dịch lỏng

a Phương pháp hồi lưu (hệ thống đóng)

− Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (hình 2.1) là một hệ thống thủy canh mà rễ cây được tiếp xúc trực tiếp với chất dinh dưỡng Màng mỏng (0,5 mm) cho dinh dưỡng chảy qua các kênh dẫn Các kênh dẫn được làm bằng vật liệu dẻo Hạt giống cùng với môi trường phát triển được đặt ở giữa ống và ở mép của hạt giống được kẹp vào màng mỏng để ngăn cản sự bốc hơi và ngăn không cho ánh sáng lọt qua Môi trường cần cho

sự phát triển hấp thu chất dinh dưỡng cung cấp cho cây

Khi cây sinh trưởng và phát triển, bộ rễ của cây sẽ vươn ra khỏi giá thể để lấy chất dinh dưỡng từ kênh dẫn để cung cấp cho cây Chiều dài tối đa của kênh dẫn là từ 5 –

10 m và được đặt nghiêng 3,81 cm đến 4,5 cm so với mặt phẳng nằm ngang

Hình 2.1 Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (NFT)

Ở phía thấp hơn của kênh dẫn, dinh dưỡng được thu thập và chảy vào bể chứa dinh dưỡng Dung dịch này được kiểm tra nồng độ muối trước khi tái sử dụng Để cây phát triển tốt hơn, cần thay dung dịch dinh dưỡng hàng tuần để có dung dịch sạch, đảm bảo các yếu tố cần thiết cho cây phát triển

Tốc độ dòng chảy của dung dịch dinh dưỡng khoảng 2 – 3 lít/phút và chảy dọc suốt chiều dài của kênh dẫn Yêu cầu cung cấp đầy đủ dinh dưỡng cho sự phát triển chiều cao của cây là một trong những vấn đề cần chú ý của kỹ thuật này

Việc khó khăn chính của kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng là màng rất mỏng Do

đó, rất dễ bị ảnh hưởng bởi các tác nhân khác nhau

− Kỹ thuật dòng sâu (hình 2.2) là một hệ thống thủy canh Ở độ sâu 2 – 3 cm, dung dịch dinh dưỡng chảy xuyên qua ống nhựa PVC có đường kính 10 cm đến những túi lưới nhựa có chứa cây được gắn vào trong ống nhựa Túi nhựa chứa vật liệu trồng cây

và phần dưới cùng của chúng tiếp xúc với dịch dinh dưỡng chảy vào ống nhựa Ống nhựa PVC được sắp xếp trên mặt phẳng hoặc theo dạng zigzag, điều đó còn tùy thuộc

Hình 2.2 Mô hình kỹ thuật dòng sâu

Hệ thống zigzag (hình 2.3) có khả năng tận dụng được không gian nhưng cho năng suất thấp Hệ thống một mặt phẳng vừa cho cây phát triển về chiều cao vừa rút ngắn thời gian

Cây trồng được thiết lập trong các túi nhựa có lưới và được đặt tập trung vào các

lỗ trong ống nhựa PVC Xơ dừa hoặc các mùn bã cellulose hoặc trộn chung cả hai thứ lại có thể được sử dụng như là vật liệu trồng cây để làm đầy các túi lưới Những chỗ trống nhỏ của miếng lưới được xem như là một lớp trung gian trong túi để ngăn ngừa vật liệu trồng cây bị rơi vào dung dịch dinh dưỡng Những hủ nhựa nhỏ có lỗ nhỏ ở phía dưới đáy và bên hông có thể được sử dụng thay cho các túi lưới nhựa

Khi dung dịch tái sử dụng chảy vào trong bể chứa thì dung dịch dinh dưỡng này được thông khí Ống nhựa PVC buộc phải có độ dốc khoảng 3,3 cm đến 3,5 cm để thuận lợi cho các dòng dinh dưỡng chảy Lớp sơn của ống nhựa PVC có màu trắng giúp làm giảm độ nóng của dung dịch dinh dưỡng

Hình 2.3 Kỹ thuật dòng sâu (DFT) theo kiểu zigzag

b Phương pháp không hồi lưu

Gồm có kỹ thuật ngâm rễ (root deeping technique), kỹ thuật nổi (floating technique), kỹ thuật mao dẫn (cappillary action technique)

Phương pháp không tuần hoàn này thì dung dịch dinh dưỡng không được tuần hoàn để tái sử dụng mà chỉ sử dụng một lần Khi nồng độ dinh dưỡng giảm hoặc pH hoặc Ec thay đổi, nó được thay thế bằng dung dịch mới

− Kỹ thuật ngâm rễ (root deeping technique) (hình 2.4): cây được trồng trong chậu chứa các giá thể trơ có đục lỗ để rễ phát triển ra bên ngoài chậu và để trong một chậu lớn hơn chứa dung dịch dinh dưỡng Chậu giá thể chứa cây ngập trong dung dịch khoảng 2 – 3 cm, một số rễ của cây được ngâm trong dung dịch còn một số khác lại nằm trong giá thể tiếp xúc không khí nhiều hơn

Hình 2.4 Mô hình kỹ thuật ngâm rễ

− Kỹ thuật nổi (floating technique) (hình 2.5): cây được nuôi trong chậu cố định trên vật liệu nhẹ nổi trên mặt dung dịch dinh dưỡng và dung dịch được thông khí nhân tạo

Hình 2.5 Mô hình kỹ thuật nổi

− Kỹ thuật mao dẫn (capillary action technique) (hình 2.6): trong kỹ thuật này, người

ta dùng hai loại chậu Một chậu dùng để trồng cây bằng các giá thể trơ, chậu còn lại chứa dịch dinh dưỡng, dịch này được mao dẫn lên chậu chứa giá thể bằng những vật liệu có tính mao dẫn như: tim đèn, bông gòn, v.v

Tấm chắn làm bằng xốp

Môi trường dinh dưỡng

Bể chứa Môi trường dinh dưỡng

Hình 2.6 Mô hình kỹ thuật mao dẫn

c Phương pháp khí canh (aeroponics) (hình 2.7)

Cây trồng được cố định trong các lỗ trên các tấm xốp và rễ được treo trong không khí dưới các tấm xốp này Các tấm này được xếp thành các hộp kín để ngăn sự xâm nhập của ánh sáng và kích thích sự tăng trưởng của rễ, đồng thời ngăn sự tăng trưởng của tảo, nấm Dung dịch dinh dưỡng được phun vào rễ dưới dạng sương mù, mỗi lần phun kéo dài khoảng vài giây, cứ mỗi 2 – 3 phút lại phun một lần Làm như vậy có tác dụng giữ ẩm cho rễ và dịch dinh dưỡng được thoáng khí Cây hấp thu chất dinh dưỡng và nước từ lớp dung dịch bám vào rễ

− Kỹ thuật túi treo (hanging bag technique) (hình 2.8): cây được cho vào các lỗ bên của các túi treo chứa giá thể trơ (thường là xơ dừa) đã xử lý UV, túi dài khoảng 1 m,

có dạng hình trụ, ngoài trắng, trong đen, dày, làm bằng polyethylene Dịch dinh dưỡng được bơm lên đỉnh của mỗi túi treo cung cấp cho túi bằng một máy phun nước (micro sprinkler) gắn bên cạnh đỉnh túi treo, từ đó dịch dinh dưỡng sẽ thấm xuống giá thể và tới rễ cây

Hình 2.8 Mô hình kỹ thuật túi treo

− Kỹ thuật túi tăng trưởng (growing bag technique) (hình 2.9): các túi có chiều dài 1 –

1,5 m, bên trên màu trắng đã được sử lý bằng tia UV, bên dưới là màu đen, bên trong

chứa xơ dừa đã được khử trùng Những túi này có chiều cao 6 cm và chiều rộng 18 cm

được đặt trên mặt phẳng nằm ngang Trên bề mặt có khoét các lổ nhỏ để gieo hạt hoặc trồng cây con trên đó Khoảng 2 – 3 cây con được trồng cho một phần túi Vậy túi này trồng được khoảng 6 cây Kỹ thuật này gồm có hai túi đặt song song nhau, ở giữa có ống dẫn môi trường dinh dưỡng Từ các ống này có các ống nhỏ cung cấp môi trường

dinh dưỡng cho mỗi lô gieo hạt hoặc trồng cây con

Trong suốt giai đoạn phát triển của cây có nhiều điều kiện bất lợi của môi trường Đặc biệt là lượng nước thấm vào Vì vậy, cần làm môi trường phát triển không bị thấm đẫm nước hoặc dung dịch dinh dưỡng, đảm bảo cho lượng oxy đủ để cung cấp cho rễ phát triển

Hình 2.9 Mô hình kỹ thuật túi tăng trưởng

− Kỹ thuật rảnh (trenh or trough technique) (hình 2.10): đây là hệ thống mở (không

tuần hoàn) Cây trồng sẽ được trồng trong các khe chứa giá thể Khe này có độ sâu khoảng 30 cm Giá thể có thể là xơ dừa hoặc các vật liệu có thể làm giá thể cho cây Giữa các khe chứa giá thể với nhau là một khe nhỏ cho đường ống cung cấp môi trường dinh dưỡng Các ống này sẽ cho dinh dưỡng vào những vị trí có cây trồng Dinh dưỡng sẽ thấm qua giá thể và giữa mặt đáy của khe chứa giá thể, có ống xả để xả môi trường ra ngoài

Hình 2.10 Mô hình kỹ thuật rảnh dinh dưỡng

− Kỹ thuật chậu (pot technique) (hình 2.11): cây trồng vào các chậu bằng đất sét hay nhựa (plastic) chứa giá thể và được cung cấp dinh dưỡng bằng một hệ thống vòi tưới

Hình 2.11 Mô hình kỹ thuật chậu đất sét hay nhựa 2.4.5 Ưu và nhược điểm trong sản xuất bằng phương pháp thủy canh

2.4.5.1 Ưu điểm

− Tiết kiệm đất

− Không phụ thuộc đất: do không cần đất tốt, những vùng đất xấu, đá sỏi, hải đảo có thể sử dụng cho sản xuất thủy canh

− Kiểm soát pH và dinh dưỡng

− Sản lượng cao hơn: vì thời gian quay vòng giữa các mùa vụ ngắn hơn, nên tổng lượng sản phẩm tạo ra cao hơn so với canh tác truyền thống trên đất Ví dụ khi trồng

Xà lách theo cách truyền thống được 3 – 4 vụ, còn khi canh tác bằng thủy canh thì được 7 – 14 vụ

− Kiểm soát được sâu, bệnh, cỏ dại: nó có thể hạn chế sự thiệt hại về năng suất và kiểm soát giá thành do dể dàng kiểm soát sâu hại và cỏ dại từ đất Ngoài ra còn có thể tránh được sự phá hoại của tuyến trùng

− Sự ổn định của môi trường: sản xuất thủy canh trong nhà kính có khả năng giảm

thiệt hại do những biến đổi của khí hậu (hạn hán, lũ lụt, nóng, lạnh)

− Cho sản phẩm sạch: môi trường làm việc sạch sẽ, cây trồng không phải tiếp xúc

với đất và phân hữu cơ

− Có thể canh tác ở những vùng đô thị

2.4.5.2 Nhược điểm

− Chi phí đầu tư ban đầu cao: chi phí xây dựng nhà kính, hệ thống tưới, hệ thống điều

khiển cao hơn so với canh tác truyền thống Vì thế mà thời gian thu hồi vốn dài Đòi hỏi nghiên cứu thị trường để có thể đầu tư và thu hồi vốn theo chiều hướng có lợi nhất, cần có một nguồn tiêu thụ ổn định

− Cần có năng lượng để hệ thống hoạt động

− Hạn chế về đối tượng cây trồng: hệ thống thủy canh không thích hợp cho những cây

rau ăn củ như khoai tây và cà rốt, các loại hoa, các loại cây dài ngày

− Vấn đề thụ phấn: khi sản xuất thủy canh trong nhà kính thì hạn chế được côn trùng,

nhưng cũng nảy sinh vấn đề thụ phấn đối với một số cây yêu cầu thụ phấn nhờ côn trùng

− Yêu cầu kỹ thuật: cần phải có tập huấn, hướng dẫn về kỹ thuật

2.4.6 Tình hình phát triển thủy canh

a Trên thế giới

Hiện nay, kỹ thuật thủy canh đã được áp dụng trong sản xuất nông nghiệp ở nhiều nước trên thế giới Kỹ thuật này được áp dụng trên nhiều loại cây trồng

Nhật Bản là một trong những nước tiên phong trong kỹ thuật trồng rau thuỷ canh

Từ rất lâu họ đã đẩy mạnh kỹ thuật thủy canh để sản xuất rau sạch An toàn thực phẩm

là một trong những vấn đề mà người Nhật rất quan tâm, lo ngại và thận trọng đối với những phụ gia thực phẩm hay thuốc trừ sâu nông nghiệp Hơn nữa vì diện tích đất canh tác quá hạn hẹp nên chính phủ Nhật rất khuyến khích và trợ giúp kỹ thuật này trồng này, rau sạch sản xuất bằng phương pháp này giá đắt hơn 30 % so với rau trồng

ở môi trường bên ngoài nhưng tiêu dùng vẫn chấp nhận Ở Singapore liên doanh Areo Green Technology là công ty đầu tiên ở Châu Á áp dụng kỹ thuật thủy canh trồng rau trong dung dịch dinh dưỡng, không cần đất và không phải dùng phân hóa học có hại

để sản xuất rau với quy mô lớn Hàng năm Singapore tiêu thụ lượng rau trị giá 260 triệu USD Vì đất có giới hạn nên hơn 90 % rau xanh được nhập khẩu, hiện tại nông trại Areo Green ở Lim Chu Kang trị giá 5 triệu USD đang được thu hoạch khoảng 900

kg rau mỗi ngày Trong khi đó ở các vùng khô cằn như Vịnh Ả Rập, Israel, thủy canh được sử dụng rất phổ biến để trồng rau Ở các nuớc Châu Mỹ La Tinh rau sạch cũng là

sản phẩm chính của Công nghệ thủy canh Hà Lan có hơn 3600 cây trồng không cần đất, Nam Phi có khoảng 400 ha

Các phức hợp nhà kính thủy canh đã được thiết lập tại Tucson, Arizona (11 ha), Phoenix, Arizona (khoảng 15 ha) và Abu Dhabi (5 ha, hiện nay mở rộng lên đến 20 ha) Ở quần đảo Canary, hàng trăm ha đất được dùng để trồng khoai tây bằng kỹ thuật thủy canh Hầu hết các Tiểu Bang của Mỹ đều có hệ thống nhà kính thủy canh công nghiệp Canađa cũng sử dụng kỹ thuật này để tăng năng suất rau quả Khoảng 90 % các nhà kính công nghiệp ở British Columbia (Canađa) sử dụng kỹ thuật thủy canh để giải quyết vấn đề thái hóa đất phòng trừ sâu bệnh Ở những vùng có khí hậu khô như Mêxico và Trung Đông, nơi mà nguồn cung ứng nước sạch bị giới hạn, thì kỹ thuật thủy canh được áp dụng nhằm sử dụng nước biển như là một nguồn nước sạch Những

hệ thống thủy canh này được đặt gần biển và cây trồng có thể phát triển trên nền đất cát hiện hữu

b Tại Việt Nam

Từ năm 1993, GS Lê Đình Lương – khoa Sinh học, ĐHQG Hà Nội phối hợp với Viện Nghiên cứu và Phát triển Hồng Kông (R&D Hong Kong) đã tiến hành nghiên cứu toàn diện các khía cạnh khoa học kỹ thuật và kinh tế xã hội cho việc chuyển giao công nghệ và phát triển thủy canh tại Việt Nam Đến tháng 10 năm 1995 mạng lưới nghiên cứu và phát triển ở Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh, Côn Đảo, Sở khoa học công nghệ và môi trường ở một số tỉnh thành Công ty Golden Garden và Gino, nhóm sinh viên Đại học Khoa Học Tự Nhiên Thành Phố Hồ Chí Minh với phương pháp thủy canh vài loại rau thông dụng, Cải xanh, Cải ngọt, Xà lách, v.v Phân viện Công nghệ Sau Thu hoạch, Viện Sinh học Nhiệt đới cũng nghiên cứu và sản xuất Nội dung chủ yếu là:

− Thiết kế và phối hợp sản xuất các nguyên liệu dùng cho thủy canh

− Nghiên cứu trồng các loại cây khác nhau, cấy truyền từ nuôi cấy mô vào hệ thủy canh trước khi đưa vào đất một số cây ăn quả khó trồng trực tiếp vào đất

− Triển khai thủy canh ở quy mô gia đình, thành thị và nông thôn

− Kết hợp thủy canh với dự án rau sạch của thành phố

Sản xuất rau sạch trên qui mô đại trà mức đầu tư thấp, giá thành hạ để có rau sạch cho hàng triệu người tiêu dùng thuộc mọi tầng lớp trong xã hội Sẽ có ý nghĩa rất lớn về dịch chuyển kinh tế xã hội và môi trường

Tuy nhiên, tình hình phát triển thủy canh ở Việt Nam cũng có những khó khăn:

− Đất nước VN nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, khí hậu nóng ẩm và biên độ nhiệt thay đổi khác nhau giữa các vùng

− Khả năng tài chính của các nhà đầu tư say mê thủy canh có nhiều giới hạn khi thực hiện ý muốn áp dụng hiện đại hóa thủy canh của mình

− Kinh nghiệm thực tiễn về trồng cây thủy canh phần lớn là kinh nghiệm nhỏ lẻ Nhà thực hiện ứng dụng kỹ thuật chưa đụng chạm đến vấn đề sản xuất thủy canh trên một diện tích lớn (ví dụ trên 1 ha)

Tại Việt Nam thủy canh đã được phát triển ở các thành phố lớn như Tp Hồ Chí Minh, Vũng Tàu, Nha Trang

Chương 3 VẬT LIỆU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Thời gian và địa điểm thực hiện

Đề tài được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 01 năm 2010 đến tháng 7 năm 2010 tại các địa điểm sau:

− Trung tâm Hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh địa chỉ: 405 – 407 Cách Mạng Tháng Tám, Quận 10, Tp Hồ Chí Minh

− Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ; địa chỉ: 202A Đường 11, Phường Linh Xuân, Quận Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh

− Công ty Cổ phần Sài gòn Thủy canh; địa chỉ: 280/198 Nơ Trang Long, Phường 12, Quận Bình Thạnh, Tp Hồ Chí Minh

− Trường ĐH Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh; địa chỉ: khu phố 6, Phường Linh Xuân, Quận Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh

3.2 Vật liệu, giá thể, hóa chất và thiết bị

3.2.1 Giống: Đối tượng nghiên cứu là các hạt giống rau được cung cấp bởi Công ty

Trang cung cấp bao gồm:

− Rau cải củ (Semen raphani)

− Rau Cải ngọt (Brassica intergrifolia)

− Rau cải bẹ xanh (Brassica juncea Var rugosa)

− Rau Xà lách lô lô đỏ (Lactuca sativa Var Capitta)