Xử lý giống bằng nano kim loại: Từ phòng thí nghiệm tới ruộng đồng

Để tăng năng suất ngô, loại cây “thoát nghèo” và đồng thời góp phần giảm gánh nặng nhập khẩu tới 50% lượng ngô hằng năm, các nhà khoa học tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam đã tạo ra chế phẩm nano kim loại giúp tăng năng suất ngô lên tới 20%.

Kiểm tra công tác triển khai của đề tài: Ban Chủ nhiệm Chương trình Tây Bắc, lãnh đạo Sở KH&CN, Sở NN&PTNT tỉnh Sơn La, Công ty CPNN Chiềng Sung và chủ nhiệm đề tài (PGS. Hoàng Anh Sơn đứng giữa). Ảnh: NVCC

Khi các phương pháp “truyền thống” đã tới hạn

Tưởng chừng như không mấy quan trọng nhưng câu chuyện về ngô lại là vấn đề rất lớn bởi Việt Nam nằm trong top nước tiêu thụ nhiều ngô trên thế giới, nhưng ngô trong nước chỉ đáp ứng 50% nhu cầu sản xuất chế biến thức ăn chăn nuôi trong nước và năm 2016 Việt Nam đã phải chi 1,7 tỷ USD để nhập khẩu 8,4 triệu tấn ngô.

Với những vùng khó khăn và nhiều nhóm dân tộc thiểu số sinh sống như Tây Bắc, ngô còn là cây trồng xóa đói giảm nghèo, thu nhập từ ngô có thể chiếm từ 50% đến 80% tổng thu nhập hằng năm của các hộ gia đình. Hiện nay, ngô là cây trồng chủ đạo ở Tây Bắc, với diện tích đạt hơn 550.000 ha, năng suất đạt bình quân 37 tạ/ha. Để tăng sản lượng ngô, nhiều năm nay, các tỉnh đã áp dụng các biện pháp “truyền thống” như tăng diện tích canh tác, không ngừng thử nghiệm giống mới, năng suất cao, ngắn ngày, đồng thời cải thiện các biện pháp kỹ thuật canh tác. Nhưng để tiếp tục tăng sản lượng được trên nền tảng những biện pháp truyền thống ấy là khó khăn, bởi hiện nay khả năng tăng diện tích canh tác gần như... không thể vì quỹ đất hạn chế. Mặt khác, điều kiện canh tác ở vùng núi phía Tây Bắc chủ yếu trên đất có độ dốc lớn - hiện nay đất có độ dốc trên 25 độ chiếm tới 61,7%, đất có độ dốc từ 15 - 25 độ chiếm khoảng 16,4% - nên đất canh tác ngô của vùng đang bị xói mòn, rửa trôi với tốc độ cực nhanh, đất nhanh thoái hóa, năng suất suy giảm mạnh. Từ những năm 1990, các giống ngô mới đã được nghiên cứu, thử nghiệm, đưa vào canh tác và đã tạo ra cuộc cách mạng về tăng năng suất trong vài thập niên qua. Tuy nhiên cho đến nay, theo Cục Trồng trọt, Bộ NN&PTNT, năng suất của các giống ngô lai thường đã đến mức tới hạn và đòi hỏi các tiến bộ khoa học công nghệ khác, các giải pháp có tính đột phá với chi phí thấp. Gần đây, ngô biến đổi gene (GMO) đã bắt đầu được đưa vào canh tác tại Việt Nam nhưng giá thành hạt giống cao gấp đôi so với ngô thông thường.

PGS. Hoàng Anh Sơn, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam đã suy nghĩ về vấn đề này từ cách đây nhiều năm: làm thế nào để có một sản phẩm đạt được tiêu chuẩn tăng năng suất cây trồng nhưng dễ sử dụng, có khả năng triển khai trên quy mô lớn, dễ bảo quản? và quan trọng là giá thành rẻ để tất cả mọi đối tượng, từ các nông trường sản xuất lớn cho tới người nông dân canh tác nhỏ lẻ đều có khả năng tiếp cận? Ông đã “dò đá qua sông” - bằng việc tiến hành rất nhiều nghiên cứu có tính cơ bản từ phòng thí nghiệm đến thử nghiệm triển khai ở quy mô nhỏ theo hướng xử lý hạt giống ngô trước khi gieo bằng một số chế phẩm nano kim loại hóa trị 0. Khi đã nghiên cứu được cơ chế và nhận thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi, nhằm trả lời những vấn đề mấu chốt trong phát triển cây ngô nói riêng và nông nghiệp nói chung, ông đã cùng một nhóm liên ngành gồm các nhà nghiên cứu vật liệu, nông nghiệp và di truyền đề xuất một giải pháp ở quy mô lớn hơn. Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng và chuyển giao công nghệ xử lý hạt ngô giống bằng một số nano kim loại để tăng năng suất thu hoạch của cây ngô tại một số địa phương vùng Tây Bắc” do PGS Hoàng Anh Sơn làm trưởng nhóm, kết hợp với Viện Di truyền nông nghiệp, Viện Nghiên cứu ngô, Bộ NN&PTNT thực hiện trong khuôn khổ Chương trình KH&CN trọng điểm cấp Nhà nước giai đoạn 2013-2018 “KH&CN phục vụ phát triển bền vững vùng Tây Bắc” đã góp phần trả lời câu hỏi quan trọng đó.

Nghiên cứu cơ chế để mở ra nhiều hướng ứng dụng

Trên thực tế, ý tưởng ứng dụng nano kim loại vào tăng năng suất cây trồng không mới, trước khi đề tài này thực hiện, có một số nhóm nghiên cứu khác ở trong nước đã từng ứng dụng nano bạc để kháng nấm trên cây trồng và trị được các nấm Puccinia spp. gây bệnh gỉ sắt, bệnh mụn cóc ở cây hoa cúc, nấm Plasmodiophora brassicae gây bệnh sưng rễ ở cây bắp cải, bệnh đốm nâu (Alternaria passiflorae) ở cây chanh dây, bệnh vàng lá (Fusarium spp., Phytophothora spp.) ở cây tiêu; hoặc nanochitosan dùng để bảo quản trái cây. Đặc biệt, gần đây nhóm nghiên cứu của PGS. Nguyễn Hoài Châu, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm KH&CN đã thử nghiệm phân bón lá nano cho 1ha đậu tương và thu được kết quả khả quan: thời gian thu hoạch được rút ngắn đáng kể, cây phát triển cao hơn so với cây đối chứng, tiết kiệm được hơn nửa các loại phân đạm, ka-li bón cho cây.

Tuy nhiên, có một điểm hạn chế là các kết quả trên mới chỉ thuần túy dựa trên thử nghiệm và ứng dụng, chưa đi vào nghiên cứu cơ chế, bản chất tác động của hạt nano kim loại mà điều này “sẽ mở ra nhiều ứng dụng khác, vì mỗi nano kim loại có thể gây tác động kích thích loại cây trồng này nhưng lại gây ức chế cây trồng khác” - theo PGS.TS Hoàng Anh Sơn, Phó Viện trưởng Viện Khoa học vật liệu, trưởng nhóm nghiên cứu. Do đó, đề tài này được thực hiện với mục đích phải ứng dụng được ngay để tăng năng suất thu hoạch của cây ngô tuy nhiên cũng cần phải giải quyết được vấn đề làm rõ cơ chế tác động của hạt nano kim loại trong quá trình xử lý hạt giống, các vấn đề ảnh hưởng tới môi trường, tồn dư trong sản phẩm thu hoạch... Vì vậy, ngoài việc giải quyết một nhu cầu rất cấp thiết trong tăng năng suất cho cây ngô vùng Tây Bắc thì còn phải đạt các yêu cầu khoa học rất cao khác là có các công bố khoa học có tầm uy tín quốc tế và sở hữu trí tuệ - bằng độc quyền sáng chế.

Để đạt được điều đó, “nhóm nghiên cứu đã xây dựng thành công hệ thống thiết bị và qui trình công nghệ chế tạo cho cả ba loại hạt nano kim loại là sắt, đồng và cobalt” - PGS Hoàng Anh Sơn nói. Hạt nano kim loại chế tạo bằng phương pháp hoàn nguyên từ các oxit, hydroxit của kim loại có kích thước trung bình 40 - 50 nm, độ tinh khiết trên 99%. Trong số các loại nano kim loại được nghiên cứu thử nghiệm thì nano đồng cho thấy khả năng tác động nhất đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây ngô, đặc biệt tác động tích cực đến một số enzyme giúp tăng khả năng chống chịu của cây và tăng năng suất thu hoạch cao nhất đến trên 20%, các nano sắt và cobalt cho khả năng tăng năng suất thấp hơn tuy nhiên sản phẩm ngô hạt thu hoạch được lại có hàm lượng tinh bột cao hơn đáng kể. Các kết quả này đã được công bố trên tạp chí Scientific Reports thuộc hệ thống xuất bản của Nature và một bằng độc quyền sáng chế đối với “Phương pháp xử lý hạt giống ngô bằng hạt nano kim loại“. Khi sử dụng chế phẩm bột nano đồng, người dân chỉ cần pha nước ấm theo hướng dẫn để tạo ra được dung dịch huyền phù nano, ngâm hạt giống trong 10ha và vớt cho ráo nước rồi mang gieo.

Xử lý các giống ngô lai Việt Nam LVN-10 và VN 8960 bằng nano Fe0, Cu0, Co0 ở các liều lượng khác nhau.

Nhưng xử lý được những vấn đề phức tạp nhất về bản chất hóa học, hay thực nghiệm trên các loại cây trồng trong phòng thí nghiệm vẫn chưa phải là bước cuối cùng. Để tới được tay người nông dân, phải trải qua các bước thực nghiệm và đánh giá chặt chẽ về tác động của nano kim loại tới di truyền của cây, chẳng hạn như xác định chế phẩm này không gây biến đổi gene - từ phía các nhà khoa học ở Viện Di truyền nông nghiệp, mà thậm chí lúc đầu “họ còn không tin là nano kim loại có tác động [tốt] như thế đến cây trồng”.

Kết quả của đề tài mới chỉ thuần túy dựa trên thử nghiệm và ứng dụng, chưa đi vào nghiên cứu cơ chế, bản chất tác động của hạt nano kim loại mà điều này “sẽ mở ra nhiều ứng dụng khác, vì mỗi nano kim loại có thể gây tác động kích thích loại cây trồng này nhưng lại gây ức chế cây trồng khác”, theo PGS.TS Hoàng Anh Sơn, Phó Viện trưởng Viện Khoa học vật liệu, trưởng nhóm nghiên cứu.

Sau đó, nhóm nghiên cứu phải “loại trừ các yếu tố gây nhiễu có thể làm ảnh hưởng tới tác động thực sự của nano kim loại lên cây trồng” như lượng mưa, độ phì của đất, nhiệt độ... Những mẻ ngô thử nghiệm đầu tiên được gieo trồng ở Viện Nghiên cứu ngô tại Đan Phượng. Tại đây, các nhà nghiên cứu ngô thực hiện thí nghiệm mô phỏng bằng cách trồng trong nhà kính, gây hạn nhân tạo và tăng nhiệt độ trong nhà kính, kiểm soát điều kiện thổ nhưỡng để nhằm tính toán được chính xác mức độ chịu đựng hạn hán, khả năng tương thích của hạt ngô được xử lý bằng nano kim loại so với điều kiện thổ nhưỡng và thời tiết ở vùng Tây Bắc. Khâu này tuy đơn giản nhưng quả thực không thể thiếu, do các nhà nghiên cứu như PGS. Hoàng Anh Sơn và cộng sự ở Viện Khoa học Vật liệu “không thể có hiểu biết về nông nghiệp, mùa vụ và đặc điểm sinh lý của cây ngô”.

Cây xử lý nano đồng và đối chứng trong điều kiện thường và gây hạn nhân tạo.

Không chỉ dừng lại ở đó, để đánh giá hiệu quả thực sự của các chế phẩm này, nhóm nghiên cứu đã triển khai thử nghiệm ứng dụng và theo dõi sát sao những đợt gieo trồng tại các vùng khác nhau như xã Chiềng Sung, Mai Sơn, Sơn La; xã Tổng Cọt, Thuận Châu, Sơn La và đặc biệt là một số xã thuộc vùng cao Lục Khu huyện Hà Quảng, Cao Bằng... trong 3 năm liên tiếp ở các thời vụ khác nhau. Để khẳng định chính xác khả năng chịu hạn trên thực tế ở các vùng này, nhóm nghiên cứu còn phải “trả tiền cho các trạm quan trắc trên đó để đo lượng mưa và chắc chắn về điều kiện nhiệt độ và lượng mưa trong vòng 3 năm không đổi”. Hằng ngày, PGS Hoàng Anh Sơn và nhóm đều phải liên tục cập nhật về tình hình “sức khỏe cây ngô” qua zalo để đảm bảo chắc chắn việc chăm sóc ngô ở nhóm thử nghiệm và đối chứng đều theo đúng hướng dẫn. Quá trình kiểm soát về khả năng chịu hạn này rất cần thiết trong bối cảnh canh tác ngô ở nhiều địa phương vùng Tây Bắc chủ yếu dựa vào “nước trời”, thậm chí nhiều vùng ở Hà Giang, Sơn La, Hòa Bình thường xuyên thiếu nước sản xuất và sinh hoạt trầm trọng.

Nhờ đó, hiệu quả đạt được rất đáng kể: ngô tăng năng suất, tăng khả năng chịu hạn vượt xa so với nhóm đối chứng. Cụ thể: Đối với nhóm giống ngô lai Việt Nam, giống ngô LVN 10 được xử lý bằng nano đồng liều lượng 80 mg/ha cho năng suất tăng ổn định từ 18-21% so, giống ngô VN 8960 tăng năng suất từ 13,86 - 20%; Một giống ngô nhập khẩu khác cũng được thử nghiệm đánh giá là giống DK9901 xử lý bằng nano Cu0 liều lượng 80 mg/ha cho năng suất tăng khoảng 15% so với đối chứng. Nhìn chung, với kết quả thử nghiệm trong 3 vụ vừa qua, năng suất ngô tăng ổn định ở mức 15-20%, chi phí xử lý giống khoảng 300-400 nghìn đồng/ha. “Công nghệ xử lý nano kích thích hạt giống nảy mầm sớm hơn 2-3 ngày, cây sinh trưởng, chống sâu bệnh tốt, chống gẫy đổ, thu hoạch sớm hơn 3-5 ngày, khi thu hoạch thân và lá vẫn còn xanh có thể tận dụng làm thức ăn gia súc. Đặc biệt, ở các thời vụ khí hậu không thuận lợi, hạn hán, cho thấy cây ngô gieo trồng bằng hạt giống xử lý nano cho khả năng chống chịu tốt hơn, ít sâu bệnh, năng suất vẫn ổn định”, ông Dương Văn Cần, Công ty Cổ phần Nông nghiệp Chiềng Sung cho biết.

Từ kết quả đó, Ban chủ nhiệm đề tài kiến nghị các cơ quan quản lý gồm Đại học QGHN, Ban Chủ nhiệm Chương trình Tây Bắc, Sở NN&PTNT Sơn La, Sở KH&CN Sơn La cho phép thực hiện dự án phát triển sản xuất nhân rộng ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào sản xuất ngô trên địa bàn tỉnh Sơn La. Dự án lấy Công ty Cổ phần Nông nghiệp Chiềng Sung làm đầu mối tiếp nhận qui trình kỹ thuật xử lý hạt ngô giống bằng các nano sắt, đồng, cobalt; trực tiếp hướng dẫn sản xuất cho nông dân cùng; cung ứng giống, vật tư phân bón và bao tiêu sản phẩm sau thu hoạch cho người nông dân.

Phù hợp với điều kiện và nhu cầu của nhiều địa phương

PGS. Hoàng Anh Sơn và nhóm nghiên cứu xác định, một đề tài nghiên cứu không thể chỉ có “đời sống” trong phòng thí nghiệm, hoặc dừng lại ở thử nghiệm, chuyển giao công nghệ là trọn vẹn. Làm sao nhân rộng - đưa kết quả này đến được nhiều khu vực khác, tiếp tục mở rộng hướng nghiên cứu mới trên nền tảng đó? Với tâm niệm đó, ông vẫn đang tiếp tục hỗ trợ kỹ thuật cho nhiều địa phương khác.

Chẳng hạn, “huyện Mèo Vạc, Hà Giang đã tìm đến Viện chúng tôi nhờ hỗ trợ thử nghiệm xử lý giống và trồng ngô ở những địa điểm cao, thiếu nước”, PGS. Hoàng Anh Sơn cho biết. Không chỉ Hà Giang, tỉnh Bắc Kạn cũng tìm đến nhóm nghiên cứu và đề nghị nghiên cứu khả năng xử lý giống gừng bằng nano kim loại, bởi tỉnh này đang tìm cách chuyển đổi cơ cấu, tăng năng suất giống cây trồng và xác định cây gừng có thể trở thành “cây thoát nghèo”. Viện Khoa học Vật liệu tặng miễn phí chế phẩm cho huyện Mèo Vạc và nhóm nghiên cứu lại tiếp tục “theo dõi hằng ngày những búp gừng từ Bắc Kạn và ngô Hà Giang”, PGS Hoàng Anh Sơn vừa nói vừa cho tôi xem một loạt tin nhắn từ các phòng nông nghiệp huyện mới gửi để “cập nhật tình hình”.

KHPT