Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo một số hạt nano vi lượng ứng dụng làm phân bón lá nano

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:103

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Hóa học "Nghiên cứu chế tạo một số hạt nano vi lượng ứng dụng làm phân bón lá nano" trình bày các nội dung chính sau: Khảo sát, đánh giá được ảnh hưởng từ tỷ lệ nồng độ tiền chất trong chế tạo đến kích thước và cấu trúc của 05 hạt nano tạo thành; Chế tạo thành công phân bón lá có thành phần vi lượng là 05 hạt nano sắt, đồng, kẽm, mangan, selen; Đánh giá được hiệu quả của phân bón lá nano chỉ có nguyên tố vi lượng cho cây măng tây và cây ngô trong phòng thí nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo một số hạt nano vi lượng ứng dụng làm phân bón lá nano

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Tú Oanh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ HẠT NANO VI LƯỢNG ỨNG DỤNG LÀM PHÂN BÓN LÁ NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Tú Oanh Lớp: ENT2019B, Khóa 2019-2021 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ HẠT NANO VI LƯỢNG ỨNG DỤNG LÀM PHÂN BÓN LÁ NANO Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 8 52 03 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Nguyễn Hoài Châu Hà Nội, 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Những nội dung trong luận văn “Nghiên cứu chế tạo một số hạt nano vi lượng ứng dụng làm phân bón lá nano” là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Hoài Châu. Các kết quả trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm về mọi vấn đề liên quan đến nội dung luận văn này. Hà Nội, tháng 11 năm 2021 Học viên Nguyễn Thị Tú Oanh
ii LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường với đề tài “Nghiên cứu chế tạo một số hạt nano vi lượng ứng dụng làm phân bón lá nano” được thực hiện tại Viện Công nghệ Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn Hoài Châu. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi luôn nhận được sự định hướng khoa học, hỗ trợ, quan tâm động viên của giáo viên hướng dẫn. Bằng tất cả sự kính trọng, lòng biết ơn, tôi xin gửi tới PGS. TS Nguyễn Hoài Châu lời cảm ơn chân thành nhất. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc Học viện, Phòng Đào tạo, Khoa Công nghệ môi trường – Học viện Khoa học và Công nghệ, các thầy cô giáo đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nghiên cứu viên Phòng ứng dụng và chuyển giao công nghệ - Viện Công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện các thí nghiệm thuộc phạm vi thực hiện luận văn. Luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ quý thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn. Hà Nội, tháng 11 năm 2021 Học viên Nguyễn Thị Tú Oanh
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... v DANH MỤC BẢNG ..................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................... vii MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................. 5 1.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHÂN BÓN LÁ NANO ........................................ 5 1.1.1. Vai trò của phân bón lá đối với cây trồng ....................................................... 5 1.1.2. Cơ chế tác dụng và vai trò của phân bón lá đối với quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng ........................................................................................... 8 1.1.3.Các nguyên tố dinh dưỡng vi lượng .............................................................. 10 1.1.4. Một số kết quả nghiên cứu chế tạo phân bón lá nano vi lượng trên thế giới .... 13 1.1.5. Một số kết quả nghiên cứu về phân bón lá nano vi lượng tại Việt Nam ........ 18 1.2. TỔNG QUAN CHUNG VỀ MỘT SỐ VẬT LIỆU NANO KIM LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP ............................................................................... 22 1.2.1. Hạt nano sắt ................................................................................................. 22 1.2.2. Hạt nano đồng.............................................................................................. 23 1.3.3. Hạt nano kẽm............................................................................................... 28 1.3.4. Hạt nano mangan ......................................................................................... 30 1.3.5. Hạt nano selen ............................................................................................. 32 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ......................................................................... 34 2.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU............................................................................... 34 2.3. NGUYÊN VẬT LIỆU ..................................................................................... 34 2.3.1. Nguyên vật liệu, hóa chất............................................................................. 34 2.3.2. Thiết bị và dụng cụ ...................................................................................... 35 2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................................... 36 2.4.1. Phương pháp thu thập, phân tích, xử lý số liệu ............................................. 36 2.4.2. Phương pháp thực nghiệm ........................................................................... 36 2.4.3. Phương pháp đánh giá đặc trưng vật liệu ..................................................... 44 2.4.4. Phương pháp xử lý, thống kê số liệu ............................................................ 45
iv CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................... 46 3.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO KIM LOẠI ..................... 46 3.1.1. Kết quả nghiên cứu chế tạo hạt nano sắt ...................................................... 46 3.1.2. Kết quả nghiên cứu chế tạo hạt nano đồng ................................................... 51 3.1.3. Kết quả nghiên cứu chế tạo hạt nano ZnO .................................................... 58 3.1.4. Kết quả nghiên cứu chế tạo hạt nano mangan............................................... 63 3.1.5. Kết quả nghiên cứu chế tạo hạt nano selen ................................................... 67 3.2. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA PHÂN BÓN LÁ NANO CHỈ CÓ NGUYÊN TỐ VI LƯỢNG CHO CÂY TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM...................................... 71 3.2.1. Đánh giá hiệu quả của phân bón lá nano chỉ có nguyên tố vi lượng cho cây măng tây ......................................................................................................................... 71 3.2.2. Đánh giá hiệu quả của phân bón lá nano chỉ có nguyên tố vi lượng cho cây ngô .............................................................................................................................. 72 3.3. ỨNG DỤNG TẠO CÔNG THỨC PHÂN BÓN LÁ NANO ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TRÊN CÂY ĐIỀU........................................................................................ 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ PHỤ LỤC ........................................................................................................ Phụ lục: Bài báo “Ảnh hưởng của chế phẩm nano vi lượng bón lá đến sự ra hoa đậu quả của cây điều (Anacardium Occidentale L.) tại Bình Phước”..................................
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Việt Tiếng Anh BVTV Bảo vệ thực vật Confocal Laser Scanning CLSM Hiển vi quét laze đồng tiêu Microscope CMC Carboxyl Methyl Cellulose CNMT Công nghệ môi trường Viện CNMT Viện Công nghệ môi trường DC Đối chứng Hàn lâm Khoa học và Công HLKHCN nghệ Nông nghiệp và Phát triển NNPTNT nông thôn PBL Phân bón lá PVP Polyvinylpyrrolidon Scanning Electron SEM Kính hiển vi điện tử quét Microscope Kính hiển vi điện tử truyền Transmission Electron TEM qua Microscopy Ultraviolet–visible UV - VIS spectroscopy XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X
vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần nguyên tố vi lượng trong phân bón lá ................................. 13 Bảng 1.2. Nồng độ các hạt nano vi lượng trong công thức phân bón Nanoplant .... 18 Bảng 1.3. Một số phương pháp để tổng hợp hạt nano đồng bằng phương pháp khử hóa học .................................................................................................................. 25 Bảng 2.1. Các hóa chất sử dụng trong chế tạo hạt nano sắt....................................... 34 Bảng 2.2. Các thiết bị, dụng cụ sử dụng trong chế tạo hạt nano sắt........................ 35 Bảng 2.3. Bảng số liệu khảo sát tỷ lệ NaBH4/Fe2+ ................................................. 37 Bảng 2.4. Bảng số liệu khảo sát nồng độ nano Fe0 tạo thành ................................. 37 Bảng 2.5. Bảng số liệu khảo sát tỷ lệ nồng độ NaBH4/Cu2+ ................................... 38 Bảng 2.6. Bảng số liệu khảo sát theo nồng độ Cu0................................................. 38 Bảng 2.7. Bảng số liệu khảo sát tỷ lệ mol Zn2+/C2O42- ........................................... 39 Bảng 2.8. Bảng số liệu khảo sát nồng độ Zn2+ ....................................................... 39 Bảng 2.9. Bảng số liệu khảo sát tỷ lệ nồng độ BH4-/Se4+ ....................................... 41 Bảng 2.10. Bảng số liệu khảo sát nồng độ selen .................................................... 41 Bảng 2.11. Thiết kế thí nghiệm đánh giá hiệu quả của phân bón lá nano chỉ có nguyên tố vi lượng cho cây măng tây .................................................................... 42 Bảng 2.12. Thiết kế thí nghiệm đánh giá hiệu quả của phân bón lá nano chỉ có nguyên tố vi lượng cho cây ngô ............................................................................. 43 Bảng 3.1. Số măng mọc mới và đường kính của các công thức thí nghiệm............ 72 Bảng 3.2. Chiều dài thân măng tây của các công thức thí nghiệm ......................... 72 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của phân bón lá nano vi lượng tới cây ngô .......................... 72 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của phân bón lá nano vi lượng tới số lá và diện tích lá của cây ngô ........................................................................................................................ 73 Bảng 3.5. Thành phần chế phẩm nano RH1, RH2, ĐQ3 và ĐQ4 ........................... 76
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu trúc lá của cây 2 lá mầm ................................................................... 8 Hình 1.2. Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano đồng .................................................... 23 Hình 1.3. Cơ chế của phản ứng khử hóa học điều chế hạt nano đồng từ CuAOT2 . 26 Hình 2.1. Sơ đồ thí nghiệm chế tạo các hạt nano Fe .............................................. 36 Hình 2.2. Sơ đồ quy trình chế tạo các hạt nano ZnO ............................................. 39 Hình 2.3. Sơ đồ quy trình chế tạo các hạt nano mangan ........................................ 40 Hình 2.4. Thiết kế chậu trồng cây măng tây dùng trong thí nghiệm....................... 42 Hình 3.1. Phổ XRD của hạt nano Fe thu được với tỷ lệ nồng độ NaBH4-/Fe2+ thay đổi ......................................................................................................................... 47 Hình 3.2. Ảnh SEM của mẫu hạt nano sắt thu được với điều kiện tỷ lệ nồng độ NaBH4-/Fe2+ thay đổi ............................................................................................. 48 Hình 3.3. Ảnh TEM của mẫu hạt nano sắt thu được với điều kiện tỷ lệ nồng độ NaBH4/Fe2+ thay đổi.............................................................................................. 49 Hình 3.4. Ảnh SEM mẫu nano Fe chế tạo với nồng độ Fe0 thay đổi ...................... 50 Hình 3.5. Ảnh TEM nano Fe chế tạo với nồng độ Fe0 thay đổi.............................. 51 Hình 3.6. Phổ XRD của vật liệu nano Cu thu được với tỉ lệ nồng độ NaBH4/Cu2+ thay đổi ................................................................................................................. 51 Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu hạt nano đồng thu được với điều kiện tỷ lệ nồng độ NaBH4-/Cu2+ thay đổi ............................................................................................ 53 Hình 3.8. Ảnh TEM của mẫu hạt nano đồng thu được với điều kiện tỷ lệ nồng độ NaBH4-/Cu2+ thay đổi ............................................................................................ 54 Hình 3.9. Phổ XRD của vật liệu nano Cu thu được với nồng độ Cu0 thay đổi ........ 55 Hình 3.10. Ảnh SEM của mẫu hạt nano đồng thu được với điều kiện với nồng độ Cu0 thay đổi........................................................................................................... 56 Hình 3.11. Ảnh SEM của mẫu hạt nano đồng thu được với điều kiện với nồng độ Cu0 thay đổi........................................................................................................... 57
viii Hình 3.12. Phổ XRD của vật liệu nano ZnO thu được theo tỉ lệ Zn2+/C2O42- ......... 58 Hình 3.13. Ảnh SEM của mẫu hạt nano ZnO thu được với điều kiện tỷ lệ nồng độ Zn/C2O4 thay đổi ................................................................................................... 59 Hình 3.14. Ảnh TEM của mẫu hạt nano ZnO thu được với điều kiện tỷ lệ nồng độ Zn/C2O4 = 0,75 ...................................................................................................... 60 Hình 3.15. Phổ XRD của vật liệu nano ZnO thu được với nồng độ của Zn(CH3COO)2 thay đổi ......................................................................................... 61 Hình 3.16. Ảnh SEM của mẫu hạt nano ZnO thu được với nồng độ của Zn(CH3COO)2 thay đổi ......................................................................................... 62 Hình 3.17. Ảnh TEM của mẫu hạt nano ZnO thu được với nồng độ của Zn(CH3COO)2 = 0,05M ......................................................................................... 63 Hình 3.18. Phổ XRD của hạt nano MnO2 thu được với tỷ lệ MnSO4/KMnO4 thay đổi ......................................................................................................................... 65 Hình 3.19. Ảnh SEM của hạt nano MnO2 thu được với tỷ lệ MnSO4/KMnO4 thay đổi ......................................................................................................................... 66 Hình 3.20. Phổ UV – VIS của hạt nano selen thu được với tỷ lệ ........................... 67 Hình 3.21. Ảnh TEM của hạt nano selen thu được với tỷ lệ BH4-/Se4+thay đổi...... 68 Hình 3.22. Phổ UV – VIS của hạt nano selen thu được với nồng độ thay đổi trong dung dịch chitosan sử dụng chất khử ascorbic ....................................................... 69 Hình 3.23. Ảnh TEM của hạt nano selen thu được với nồng độ thay đổi trong dung dịch chitosan sử dụng chất khử ascorbic ................................................................ 70 Hình 3.24. Các chậu măng tây tại tầng 3-Viện Công Nghệ Môi trường ................. 71 Hình 3.25. Đồ thị thể hiện sự sai khác về sinh khối tươi của thân và rễ ở các công thức thí nghiệm...................................................................................................... 73 Hình 3.26. Ảnh hưởng của phân bón lá nano vi lượng tới bộ rễ của cây ................ 74 Hình 3.27. Sơ đồ quy trình phối trộn phân bón lá nano ......................................... 75
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí đang là mối quan tâm cấp thiết của toàn thế giới, đòi hỏi nhân loại phải chung tay bảo vệ môi trường sống của chính mình. Việt Nam là một nước đang phát triển, có thế mạnh về sản xuất nông nghiệp, đây cũng là ngành đóng vai trò nền tảng của nền kinh tế quốc dân. Tỷ lệ sản xuất và tăng trưởng nông nghiệp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khí hậu, đất đai, nguồn nước,… Để tăng sản lượng cây trồng, người ta ngày càng bón nhiều phân bón hóa học hơn vào đất, nhiều nghiên cứu cho thấy, cây chỉ sử dụng 45 – 50% lượng dinh dưỡng bón vào đất, thậm chí thấp hơn. Phần phân bón hóa học và thuốc trừ sâu không được sử dụng sẽ ngấm vào đất, bị rửa trôi hoặc bay hơi gây ô nhiễm hóa học và tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Tình trạng này làm mất cân bằng dinh dưỡng đất, ảnh hưởng đến lượng nitơ (N), phốt pho (P), kali (K) có sẵn trong đất, thoái hóa đất, nhiễm mặn và đặc biệt là hiện tượng nhiễm mặn thứ cấp [14]. Do đó, cần có những phương pháp bón phân mới để giảm thiểu tác động của các quá trình nhiễm mặn, thoái hóa đất đến năng suất và chất lượng cây trồng, đảm bảo vừa nâng cao năng suất vừa góp phần bảo vệ môi trường, hướng tới phát triển nền nông nghiệp bền vững. Công nghệ nano là một công nghệ mới với nhiều tiềm năng và cũng đã đạt nhiều thành tựu nổi bật trong các lĩnh vực y học, điện tử, năng lượng mặt trời, quang học, nông nghiệp. Trong nông nghiệp, người ta sử dụng công nghệ nano trong chế tạo phân bón nano, thuốc trừ sâu nano, cảm biến nano [6], công nghệ này kiểm soát, tăng khả năng hòa tan của phân bón, giúp chúng hoạt động hiệu quả hơn, giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường đồng thời giảm chi phí phân bón và thuốc trừ sâu. Ý tưởng nghiên cứu về phân bón lá sử dụng các hạt nano kim loại với đặc tính kém bền, dễ bị oxy hóa ở điều kiện thường là một hướng đi mới nhưng hứa hẹn nhiều triển vọng đối với nền nông nghiệp Việt Nam.
2 Trước những lí do cấp thiết về mặt khoa học, môi trường và để đáp ứng nhu cầu thực tiễn trên, luận văn được thực hiện với đề tài: “Nghiên cứu chế tạo một số hạt nano vi lượng ứng dụng làm phân bón lá nano”. Luận văn tiến hành nghiên cứu, chế tạo các hạt sắt, đồng, kẽm, mangan, selen kích thước nano bằng phương pháp khử hóa học. Phương pháp này thực hiện trong môi trường Carboxyl Methyl Cellulose (CMC) với tác nhân khử NaBH4, nhằm khảo sát các ảnh hưởng đến quá trình hình thành hạt nano kim loại, bước đầu nghiên cứu ứng dụng của vật liệu làm phân bón lá, thử nghiệm phân bón lá nano chỉ có nguyên tố vi lượng cho cây măng tây và cây ngô trong phòng thí nghiệm và đánh giá hiệu quả. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo được các hạt nano vi lượng: sắt, đồng, kẽm, mangan, selen; - Khảo sát, đánh giá được ảnh hưởng từ tỷ lệ nồng độ tiền chất trong chế tạo đến kích thước và cấu trúc của 05 hạt nano tạo thành; - Chế tạo thành công phân bón lá có thành phần vi lượng là 05 hạt nano sắt, đồng, kẽm, mangan, selen; - Đánh giá được hiệu quả của phân bón lá nano chỉ có nguyên tố vi lượng cho cây măng tây và cây ngô trong phòng thí nghiệm. 3. Ý nghĩa khoa học của đề tài Nghiên cứu chế tạo một số hạt nano vi lượng ứng dụng làm phân bón lá nano, kết quả thu được của luận văn góp phần xác định được điều kiện thích hợp để chế tạo một số hạt nano vi lượng sắt, đồng, kẽm, mangan, selen đồng thời bước đầu chế tạo phân bón lá có thành phần vi lượng là năm loại hạt kích thước nano trên. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập số liệu: thu thập các số liệu sơ cấp và thứ cấp về vật liệu nano và phân bón lá nano; - Phương pháp thực nghiệm:
3 + Sử dụng NaBH4 làm chất khử chế tạo hạt nano sắt, đồng, selen; + Chế tạo hạt nano ZnO từ dung dịch kẽm acetate dihydrate tác dụng với axit oxalic; + Chế tạo nano mangan từ MnSO4 tác dụng với KMnO4; + Thí nghiệm bón phân bón lá nano chỉ có thành phần vi lượng là 05 loại hạt nano sắt, đồng, kẽm, mangan, selen đã điều chế được ở trên cho cây măng tây và cây ngô trong điều kiện phòng thí nghiệm. - Phương pháp đánh giá đặc trưng vật liệu + Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để đánh giá kích thước hạt và sự phân bố của các hạt nano điều chế được; + Sử dụng kính hiển vi quét (SEM) được sử dụng để xác định hình thái bề mặt của vật liệu; + Sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định thành phần phần và kích thước hạt trung bình của các hạt sơ cấp trong sản phẩm điều chế được; + Sử dụng phương pháp phổ UV-Vis để xác định thuộc tính quang học của dung dịch chứa hạt nano từ đó đánh giá được hình dạng, kích thước và nồng độ của hạt. 5. Nội dung nghiên cứu và dự kiến kết quả đạt được Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan chung về phân bón lá nano, vai trò của phân bón lá và các nguyên tố dinh dưỡng vi lượng với cây trồng, các nghiên cứu chế tạo phân bón lá nano vi lượng trong nước và trên thế giới. Nghiên cứu tổng quan chung hạt nano sắt, đồng, mangan, selen và các phương pháp tổng hợp vật liệu nano; Nội dung 2: Tổng hợp hạt nano vi lượng sắt, đồng, mangan, selen trong phòng thí nghiệm và tiến hành xác định các điều kiện thích hợp để chế tạo hạt nano qua việc sử dụng các phương pháp đánh giá đặc trưng vật liệu;
4 Nội dung 3: Chế tạo phân bón lá nano chỉ có thành phần vi lượng là 05 hạt nano vi lượng đã chế tạo ở trên. Đánh giá hiệu quả của phân bón lá nano chỉ có thành phần vi lượng trên cây măng tây và cây ngô trong phòng thí nghiệm. Tham gia chế tạo 05 hạt nano vi lượng có trong thành phần phân bón lá nano dành cho cây điều.
5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHÂN BÓN LÁ NANO 1.1.1. Vai trò của phân bón lá đối với cây trồng Những thập kỷ gần đây, cùng với môi trường ngày càng bị ô nhiễm, đặc biệt là môi trường nước và đất, việc sử dụng quá liều lượng thuốc trừ sâu và phân bón hóa học đã làm xuất hiện hàng loạt vấn đề an toàn thực phẩm ảnh hưởng đến sức khỏe con người tại hầu hết các khu vực trên thế giới. Phân bón có vai trò hết sức quan trọng đối với quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, nhưng phần lớn các loại phân bón có hiệu quả sử dụng không cao do nhiều yếu tố như rửa trôi, phân hủy quang học, thủy phân, bốc hơi vào khí quyển. Các nguyên tố vi lượng tuy có mặt trong đất trồng cũng như trong cây với liều lượng rất nhỏ nhưng lại giữ vai trò quan trọng như là các dưỡng chất sơ cấp và thứ cấp. Các nguyên tố vi lượng thiết yếu đối với cây trồng gồm 6 nguyên tố, cụ thể là Fe, Mn, Zn, Cu, B and Mo. Vì vậy cần thiết phải giảm thiểu sự mất mát các dưỡng chất vi lượng này trong quá trình bón phân và tăng sản lượng thu hoạch bằng cách áp dụng phân bón lá. Tất cả các loài thực vật trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có nhu cầu được cung cấp các nguyên tố đa lượng, trung lượng và vi lượng để thực hiện các chức năng sinh lý sinh hóa bình thường của chúng. Ngoài các khoáng chất cơ bản như nitơ, phospho và kali, một số nguyên tố khác như Mg, S, Fe, Cu, Co, Mn, Zn, B ... được xem là các nguyên tố thiết yếu đối với các quá trình chuyển hóa của cây bởi chúng đều là đồng nhân tố (cofactor) của nhiều loại enzym chuyển hóa [5]. Sự thiếu khoáng chất tác dụng lên sinh lý của các mô khác nhau trong cây, mà phổ biến nhất trong đó là triệu chứng bệnh vàng lá (chlorosis). Các nguyên tố thiết yếu đối với cây trồng được chia thành 3 nhóm theo độ linh động của chúng, gồm nhóm độ linh động cao (N, P, K, Mg, S, Cl, Ni), nhóm độ linh động trung bình hoặc linh động theo điều kiện (Fe, Zn, Cu, B, Mo) và nhóm kém linh động (Ca, Mn) [17]. Vì vậy việc phun bón lá với các khoáng chất có độ linh động cao có thể tác dụng lên toàn toàn bộ các tổ chức
6 trong cây (systemic responses), trong khi các khoáng chất không linh động chỉ thể hiện hiệu ứng tại chỗ. Phân bón lá đã được đưa vào áp dụng trong nông nghiệp từ cuối những năm 60 thế kỷ trước. Đối với các loài cây lương thực có diện tích lá lớn thực tế nó không thay thế được phân bón đất, nhưng lại có khả năng cải thiện quá trình hấp thu các khoáng chất đã được đưa vào đất trước đó. Phân bón lá ngày càng được sử dụng rộng rãi nhằm giảm bớt sự thiếu hụt các nguyên tố vi lượng. Đặc biệt các thay đổi về tương quan giữa các thành phần khoáng chất khác nhau trong đất dưới tác dụng của phân bón lá có thể gây ảnh hưởng có lợi lên quá trình sinh trưởng và năng suất thu hoạch của cây. Vai trò trực tiếp của phân bón lá là xử lý nhanh sự thiếu hụt dưỡng chất mà phân bón đất không đáp ứng được, đặc biệt đối với những chất có độ linh động cao như K, Mg,....Tác dụng của phân bón lá thể hiện rõ nhất ở giai đoạn quả hoặc hạt lớn nhanh, hoặc ở giai đoạn đầu mùa xuân của một số loài cây rụng lá là lúc hạt giống đã nảy mầm trong khi bộ rễ chưa kịp hấp thu dinh dưỡng, hoặc trong quá trình chồi cây phát triển dưới nhiệt độ không khí thích hợp trong khi nhiệt độ trong đất còn thấp gây cản trở quá trình hấp thu dưỡng chất. Tính linh động kém của dưỡng chất cũng có thể dẫn đến sự thiếu dưỡng chất ngay cả đối với đất nhiều dinh dưỡng, khi mà nhu cầu về dưỡng chất của một mô nào đó vượt quá khả năng vận chuyển dưỡng chất trong cây. Việc sử dụng hợp lý phân bón lá bao gồm: khi trong đất trồng tính khả dụng của một số dưỡng chất áp dụng cho đất trồng bị hạn chế; khi các dưỡng chất áp dụng cho cây trồng có thể bị mất mát với tốc độ cao; khi một giai đoạn sinh trưởng nào đó của cây trồng và nhu cầu nội tại của cây cùng với các yếu tố môi trường tác động lẫn nhau dẫn đến làm hạn chế quá trình vận chuyển dưỡng chất tới các cơ quan trong cây có nhu cầu. Phân bón lá được xem như là một cách thức giảm bớt lượng phân bón tiêu hao, được sử dụng cho những trường hợp sau đây: - Cây có nhu cầu tức thì về một nguyên tố vi lượng nào đó. - Khả năng hấp thụ kém các nguyên tố từ trong đất vào đầu mùa xuân do hoạt tính thấp của bộ rễ.
7 - Điều kiện của đất không thích hợp cho quá trình hấp thu nguyên tố (pH và độ ẩm hoặc rất cao hoặc rất thấp, thiếu độ thông thoáng trong đất,...). - Trong đất đá vôi với pH cao một số nguyên tố thiết yếu có thể bị thiếu hụt như Fe, Zn, Mn, Cu,... Ở giai đoạn sinh sản của cây trồng thường có sự cạnh tranh về hấp thụ dưỡng chất giữa bộ quả và bộ rễ. Vì vậy rất có thể có sự thiếu hụt dưỡng chất nơi bộ rễ do cây có nhu cầu cao về dưỡng chất vi lượng ở giai đoạn sinh sản (ra quả), làm cho cây phát triển chậm. Sự cạnh tranh này có thể được giảm đáng kể bằng cách áp dụng phun bón lá. Hiệu quả tác dụng của phân bón lá lên cây trồng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: loài cây khác nhau; mức độ dinh dưỡng và pH của đất; tuổi đời, diện tích bề mặt, mức độ phát triển cá thể của lá và vòm lá; yếu tố môi trường như nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm; độ linh động của dưỡng chất và khả năng di chuyển của chúng bên trong cây. Độ linh động của dưỡng chất vi lượng tác động mạnh đến khả năng biểu hiện và điều chỉnh sự thiếu hụt dưỡng chất. Với sự trợ giúp của kênh dẫn libe (phloem) nguyên tố dinh dưỡng có thể di chuyển từ các cơ quan giàu chúng đến các mô đang phát triển, nhờ vậy cây không nhất thiết phải thể hiện tức thì sự thiếu dưỡng chất hoặc sự ức chế tốc độ sinh trưởng của cây do nhu cầu đối với một dưỡng chất vượt quá tốc độ hấp thụ nó từ đất trồng. Độ linh động của dưỡng chất vi lượng bên trong cây là một đặc trưng quan trọng đối với tốc độ sinh trưởng và khả năng sống sót của cây trong điều kiện nguồn dinh dưỡng bị hạn chế. Có 3 yếu tố xác định độ linh động trong libe của một dưỡng chất: a) khả năng của dưỡng chất đi vào libe; b) khả năng di chuyển trong libe; và c) khả năng thoát ra khỏi libe để di chuyển đến các mô có nhu cầu đối với dưỡng chất đó (sink tissues). Marschner [17] đã phân chia dưỡng chất thành 3 nhóm dựa trên độ linh động libe, gồm: nhóm linh động cao (N, P, K, Mg, S, Cl, Ni); nhóm linh động trung bình hoặc linh động có điều kiện (Fe, Zn, Cu, B và Mo); và nhóm linh động kém (Ca, Mn). N, P, K, Ni, Mg, S, Cl là những nguyên tố linh động trong kênh dẫn libe (phloem) đối với tất cả các loài cây, trong đó tốc độ di chuyển nguyên tố được xác định bởi hiện trạng dinh dưỡng của vòm lá. Trong khi Ca, B và Mn dưới dạng hợp chất polyol được xem là ít linh động trong libe đối với
8 hầu hết các loài thực vật (riêng Mn và Ca linh động trong cây đậu lupin). Độ linh động của dưỡng chất trong libe có thể tăng cao đặc biệt trong quá trình hạt trưởng thành đối với cây một năm trong đó hầu hết các dưỡng chất đều được cung cấp bởi quá trình tái di chuyển vị trí (re-translocation) từ lá đến hạt. 1.1.2. Cơ chế tác dụng và vai trò của phân bón lá đối với quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng Phân bón lá là một công cụ quan trọng trong sản xuất nông nghiệp bền vững. Tuy nhiên những hiểu biết hiện nay về các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu quả cuối cùng của phân bón lá vẫn còn bị hạn chế. Để thấy được tính ưu việt của phân bón lá đòi hỏi phải nắm bắt được các nguyên lý vật lý, hóa học, sinh học và môi trường tác dụng lên quá trình hấp thụ và sử dụng các thành phần dưỡng chất trong phân bón được phun lên lá. Có thể thấy sự đa dạng đó liên quan trực tiếp đến khả năng hấp thụ và vận chuyển nước của bộ lá. Trong quá trình tiến hóa của thực vật nhu cầu hấp thu CO2 của lá nhằm đạt tới hiệu quả quang hợp tối đa trong bầu khí quyển hơi nước dưới bão hòa đã dẫn đến sự thích nghi về giải phẫu học và sự phát triển sức đề kháng của lá chống lại hiện tượng mất nước không kiểm soát [11]. Các đối tượng thích nghi đó bao gồm lớp biểu bì (cuticle) có tính kỵ nước nhờ sự hiện diện của lớp màng sáp, bao phủ lên toàn bộ bề mặt lớp biểu bì, và các lỗ khí khổng có khả năng tự điều chỉnh kích thước lỗ phù hợp cho quá trình hấp thụ CO2 đồng thời hạn chế được sự mất nước cũng như tạo ra được hàng rào bảo vệ chống lại sự xâm nhập của các chất tan từ bên ngoài (Hình 1.1). Hình 1.1. Cấu trúc lá của cây 2 lá mầm Thành phần sáp trong lớp màng cuticle gồm hỗn hợp của các chuỗi phân tử aliphatic C20 – C40 với các chuỗi vòng thơm. Thành phần sáp có thể thay
9 đổi phụ thuộc vào loài, tổ chức mô, giai đoạn sinh trưởng và phát triển của cây trồng, điều kiện môi trường. Phương pháp bón phân qua lá ngày càng trở nên quan trọng đối với ngành trồng trọt nhờ tính chất hướng đích và thân thiện môi trường, ưu việt hơn so với phương pháp bón gốc, mặc dù cơ chế kiểm soát quá trình các chất tan từ ngoài xâm nhập vào bên trong lá vẫn chưa hoàn toàn sáng tỏ, bởi hầu hết các dưỡng chất được phun lên lá bằng cách sử dụng phân bón lá truyền thống đều ở dưới dạng ion hoặc phân tử phân cực nên dễ bị hệ thống bảo vệ trong lá chặn lại. Hiệu quả phun bón lá trở nên đáng kể khi quá trình bón lá được thực hiện trên các loài cây thiếu dưỡng chất [21]. Tuy nhiên sau này phân bón lá được áp dụng đối với ngay cả những cây không có biểu hiện thiếu dưỡng chất vi lượng, ít nhất là đối với các nguyên tố có độ linh động không cao như Ca, B, Fe, Mn hoặc Zn. Ngày nay hầu như đa số các ý kiến cho rằng khí khổng giữ vai trò quan trọng trong việc lá hấp thụ các chất tan (dưỡng chất). Tuy nhiên, cơ chế mà khí khổng thực hiện quá trình hỗ trợ hấp thụ ra sao vẫn còn được bàn cãi. Một số giả thiết đã được đề xuất nhằm giải thích hiệu ứng khác thường mà khí khổng thúc đẩy quá trình hấp thụ các chất tan và khả năng chúng có thể không xâm nhập qua đường khí khổng. Một giả thiết cho rằng lớp biểu bì tại khu vực tế bào bảo vệ rất giàu mạng lưới “ectodesmata” trong đó có các kênh dẫn apoplast mà các chất tan ưu tiên xâm nhập vào mô lá. Một giả thiết khác lại cho rằng các đỉnh mấu biểu bì của các tế bào bảo vệ mới có thể là nơi diễn ra sự xâm nhập của các chất tan, đồng thời khả năng xâm nhập đó tăng lên một khi các khí khổng được mở ra. Kết quả nghiên cứu gần đây sử dụng 2 phương pháp độc lập: phương pháp tính toán mối quan hệ kích thước của đường xâm nhập ưa nước trên các bề mặt lớp biểu bì và phương pháp khảo sát (3D) quá trình xâm nhập chất tan bằng phương pháp CLSM (confocal laser scanning microscope - hiển vi quét laze đồng tiêu) đã xác nhận con đường xâm nhập chủ yếu qua biểu bì cùng với sự trợ giúp của khí khổng. Sự xâm nhập chất tan qua lá là một quá trình gồm
10 nhiều giai đoạn phức tạp, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, nên khó có thể xác lập các điều kiện tối ưu đối với mỗi loài thực vật. 1.1.3.Các nguyên tố dinh dưỡng vi lượng Tất cả các loài thực vật trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có nhu cầu được cung cấp các nguyên tố đa lượng, trung lượng và vi lượng để thực hiện các chức năng sinh lý sinh hóa bình thường của chúng. Ngoài các khoáng chất cơ bản như nitơ, phospho và kali, một số nguyên tố khác như Mg, S, Fe, Cu, Co, Mn, Zn, B ... được xem như các nguyên tố thiết yếu đối với các quá trình chuyển hóa của cây bởi chúng đều là đồng nhân tố (cofactor) của nhiều loại enzym chuyển hóa. Dưới đây là vai trò của các nguyên tố dinh dưỡng vi lượng Kẽm: Vai trò quan trọng của kẽm là tham gia tổng hợp auxin (indoleacetic axit) từ tryptophan. Kẽm là nguyên tố quan trọng đối với hoạt tính của một số enzym như alcohol dehydrogenaza và cacbonic anhydraza. Sự thiếu kẽm có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc tổng hợp RNA cần thiết cho quá trình tạo protein sinh dưỡng và quá trình chuyển hóa bình thường trong cây như các chuyển hóa cacbohydrat, protein và oxin, và cho các quá trình sinh sản. Sự thiếu kẽm có thể làm giảm đến 50 - 70% tốc độ quang hợp và hàm lượng lạp lục, làm giảm mức độ tăng phot pho vô cơ. Sự thiếu kẽm còn ảnh hưởng đến quá trình ra quả và khả năng chống hiện tượng rụng hoa, đồng thời ức chế quá trình tổng hợp protein do quá trình vận chuyển axit amin bị cản trở. Khi sự thiếu kẽm trở nên nghiêm trọng triệu chứng thiếu kẽm càng trở nên rõ ràng và phát triển thành các điểm hoại tử giữa các đường gân trên bề mặt lá. Sắt: Sắt tham gia trong các phản ứng quang hợp, khử nitrit và sunfat, đồng hóa nitơ. Trong trường hợp nếu cây không hấp thụ được từ đất các ion sắt, lá sẽ trở thành có màu vàng, trước tiên là các lá non tại vùng ngoài rìa của lá do tính ít linh động của Fe, sau đó lan dần ra toàn bộ bề mặt lá tại vị trí giữa các đường gân. Cũng cần lưu ý rằng triệu chứng vàng lá không chỉ dành cho Fe mà còn phổ biến đối với một số kim loại khác nữa như nitơ, sunfua, magie và một số nguyên tố khác.