Các túi tinh bột giải phóng phân bón một cách có kiểm soát và có thể thay thế các polyme có nguồn gốc từ dầu mỏ

Nghiên cứu đã phát triển các túi tinh bột được xử lý bằng urê và axit citric, đồng thời được gia cường bằng zeolite giàu ion đồng. Nguồn: João Otávio Donizette Malafatti.

Một sản phẩm đổi mới với tiềm năng thay thế các polyme sử dụng trong phân bón đất đang được phát triển tại thành phố São Carlos, bang São Paulo, Brazil.

Sản phẩm này bao gồm các túi tinh bột được gia cường bằng hạt nano chứa phân bón dạng bột hoặc dạng hạt. Tinh bột là một polyme phân hủy sinh học và ở dạng túi, nó có thể được nạp vào hỗn hợp các nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng.

Nghiên cứu này được thực hiện thông qua sự hợp tác giữa Phòng thí nghiệm Quốc gia về Công nghệ Nano trong Nông nghiệp (LNNA) thuộc EMBRAPA Instrumentation, một trong các đơn vị trực thuộc của EMBRAPA (Tập đoàn Nghiên cứu Nông nghiệp Brazil) và Trường Đại học Liên bang São Carlos (UFSCar).

Nhà hóa học João Otávio Donizette Malafatti cho biết: “Các chất dinh dưỡng thiết yếu và không thể thay thế đối với cây trồng như nitơ, lân và kali (NPK); chúng thường được bổ sung vào đất dưới dạng muối kali clorua có độ hòa tan cao. Để đảm bảo cây hấp thu đầy đủ, nông dân thường bón một lượng lớn ra đồng. Tuy nhiên, cây trồng không thể hấp thu ngay toàn bộ lượng phân này”.

 “Lượng dư thừa này trở thành tổn thất kinh tế và có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường xung quanh. Các túi phân nhằm kiểm soát tốc độ giải phóng dưỡng chất, giúp cây hấp thu dần theo nhu cầu. Theo hướng này, chúng tôi điều chỉnh các loại túi khác nhau tùy thuộc vào loại dinh dưỡng cần đưa vào bên trong”.

Malafatti là tác giả chính của bài báo được công bố trên Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. Nghiên cứu được thực hiện dưới sự hướng dẫn của nhà khoa học Elaine Cristina Paris thuộc EMBRAPA Instrumentation. Bà Paris đồng thời là giảng viên thuộc Chương trình Sau đại học ngành Hóa học (PPGQ) của UFSCar.

Trong nghiên cứu, Malafatti phát triển các túi tinh bột được xử lý với urê và axit xitric, đồng thời được gia cường bằng zeolit giàu ion đồng. Zeolit là một khoáng chất có cấu trúc xốp với khả năng hấp phụ ion cao, chẳng hạn như ion đồng.

Malafatti giải thích: “Tinh bột là vật liệu dễ bị phân hủy. Do đó, cần có một công thức phù hợp để túi giữ được đặc tính cần thiết cho đến khi được đưa vào đất. Trong quá trình này, các ion đồng trong zeolit có chức năng kép: chúng có hoạt tính kháng khuẩn mạnh đối với cả nấm và vi khuẩn, giúp kiểm soát sự phát triển của vi sinh vật; đồng thời là nguồn cung cấp vi lượng khoáng, sau đó được rễ cây hấp thụ”.

Trong nghiên cứu, sự hiện diện của đồng đã kiểm soát được sự phát triển của nấm Alternaria alternata. Malafatti cho biết thêm: “Mục tiêu là tìm được trạng thái cân bằng giữa việc bảo tồn túi trong điều kiện ứng dụng cuối cùng trong đất và việc giải phóng dưỡng chất ra môi trường bên ngoài”.

Độ bền và tính ổn định

Theo Malafatti, các polyme phân hủy sinh học và nền tinh bột vẫn phải vượt qua nhiều thách thức so với các vật liệu tương tự có nguồn gốc từ dầu mỏ, đặc biệt liên quan đến độ bền cơ học và tính ổn định theo thời gian. Do đó, nghiên cứu hướng đến phát triển các công thức có khả năng cải thiện những tính chất này.

Trong nghiên cứu này, nhóm đã đánh giá các nồng độ zeolit khác nhau và nhận thấy rằng mức tối đa 3% so với khối lượng tinh bột giúp gia tăng đáng kể độ bền cơ học. Tuy nhiên, khi vượt quá ngưỡng này, các hạt zeolit có xu hướng kết tụ, dẫn đến làm suy yếu cấu trúc màng. Bên cạnh vai trò giải phóng dinh dưỡng, zeolit còn đảm nhiệm một chức năng khác trong điều kiện khô hạn.

 “Nó có thể giữ nước do có cấu trúc rất xốp và ưa nước, nghĩa là có ái lực cao với các phân tử nước”, Paris giải thích. Nhà nghiên cứu so sánh túi phân này với một túi trà, trong đó hạt phân bón dạng hạt được bổ sung vào bên trong.

Tính đa dụng của túi phân

Theo các nhà khoa học, các túi phân này có tính đa dụng nhờ khả năng gia tăng độ hòa tan của phân bón được chứa bên trong và kiểm soát quá trình giải phóng đối với các nguồn phân có độ hòa tan cao. Cơ chế này giúp giảm thất thoát phân bón do phát tán vào không khí và rửa trôi bởi nước mưa.

Trong một nghiên cứu trước đó dưới sự hướng dẫn của Paris, nghiên cứu sinh tiến sĩ Camila Rodrigues Sciena (UFSCar) đã khảo sát một ứng viên phân bón: hydroxyapatit, một nguồn cung cấp phốt pho. Mục tiêu là gia tăng độ hòa tan của nó. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng việc acid hóa môi trường bằng pectin trong thành phần của túi tinh bột giúp gia tăng độ hòa tan khi kết hợp với hydroxyapatit dạng hạt nano.

Sciena cho biết: “Khi gặp nước, tinh bột trở nên dạng gel và giữ phân bón trong đất ở trạng thái sẵn sàng cho cây hấp thu, nhờ đó hạn chế thất thoát do mưa hoặc gió trong tương lai. Mục tiêu là giảm thiểu sự thẩm thấu (quá trình nước đi qua vật liệu xốp kéo theo các hợp chất hòa tan) và hiện tượng cuốn trôi phân bón dạng hạt bên trong túi”.

Trong nghiên cứu của Malafatti, nhóm làm việc với một loại phân bón có độ hòa tan rất cao và nhanh chóng tan khi tiếp xúc với nước.

Paris giải thích: “Trong trường hợp này, mục tiêu là để phân bón được giải phóng từ từ, nhằm tránh thất thoát do rửa trôi hoặc phân tán trong không khí. Đây là cơ chế giải phóng kéo dài và sẽ phụ thuộc vào công thức của các túi phân”.

Để kiểm tra khả năng giải phóng dinh dưỡng, các túi được đặt trong môi trường nước trong 30 ngày. Thí nghiệm cho thấy sự giải phóng một phần các ion đồng (7 mg/ L) và urê (300 mg/ L). Các đặc tính ưa nước của túi tạo điều kiện tiếp xúc với môi trường bên ngoài, hỗ trợ quá trình thấm nước và giải phóng kali clorua.

Các tác giả nhận định: “Các túi phân thu được có thể giúp giảm thiểu tổn thất trong quá trình bón phân, đồng thời kiểm soát lượng dinh dưỡng tiếp xúc với đất”.

Các thử nghiệm độ hòa tan và độc tính tế bào cũng được thực hiện đối với zeolit chứa đồng nhằm xác định các đặc tính và khả năng tương tác của vật liệu với môi trường sau khi được giải phóng khỏi túi phân. Thử nghiệm độc tính dựa trên sự phát triển rễ cải xoong cho thấy tỷ lệ nảy mầm đạt 92% sau một giờ tiếp xúc với zeolit, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp.

Để kiểm tra khả năng hấp thụ đồng, các thử nghiệm hòa tan được tiến hành trong môi trường nước (pH trung tính) và axit citric. Hiệu suất giải hấp hay quá trình giải phóng một chất khỏi khối hoặc bề mặt của chất khác, làm gia tăng đáng kể trong môi trường axit, từ 5% lên 45% tổng lượng dự kiến.

Chi phí và khả năng tùy chỉnh

Theo Paris, các nghiên cứu hiện nay đang hướng tới việc tìm kiếm các giải pháp giúp giảm chi phí trong quy trình và vật liệu cho việc giải phóng phân bón kéo dài.

Nhà nghiên cứu cho biết: “Tinh bột là một nguyên liệu thô triển vọng, mặc dù việc bổ sung thêm một số thành phần có thể ảnh hưởng đến giá thành cuối cùng của vật liệu. Trong nghiên cứu của Malafatti, chúng tôi không sử dụng tinh bột từ các nguồn khác, chẳng hạn như chất thải, mà là tinh bột thương mại. Tuy nhiên, đối với mục đích bón đất, không nhất thiết phải dùng tinh bột có độ tinh khiết cao như trong công nghiệp thực phẩm. Mục tiêu là giảm chi phí tối đa để doanh nghiệp nông nghiệp có thể ứng dụng. Như vậy, các túi phân sẽ có tiềm năng thương mại hóa cao hơn, góp phần thúc đẩy tiến bộ công nghệ trong nông nghiệp”.

Một lợi thế khác là phân bón được bổ sung không ảnh hưởng đến công thức hoặc hình dạng của túi trong quá trình sản xuất.

Malafatti nhận định: “Mọi loại phân dạng hạt hoặc dạng viên đều có thể được đưa vào bên trong túi, đây là một điểm tích cực khác cho việc ứng dụng ở quy mô công nghiệp”. Ngoài ra, dạng túi còn giúp người lao động nông nghiệp không phải tiếp xúc trực tiếp với phân bón dạng hạt khi thao tác trên đồng ruộng.

Theo Paris, công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn phòng thí nghiệm. Các ứng dụng ban đầu có thể tập trung vào cảnh quan đô thị, làm vườn, thủy canh và nhà kính. Tuy nhiên, để đưa vào sản xuất nông nghiệp quy mô lớn, cần tối ưu hóa quy trình ở quy mô công nghiệp và đánh giá tính khả thi kinh tế, đây là các bước tiếp theo mà nhóm dự kiến triển khai.

Sciena cho biết thêm rằng các túi phân có thể sử dụng cho nhiều loại cây trồng khác nhau.

“Ví dụ, nho có nhu cầu dinh dưỡng khác với cà chua. Đây là một dạng bón phân tùy chỉnh, trong đó có thể điều chỉnh hỗn hợp dinh dưỡng và loại túi. Một loại túi có thể mang tính acid hơn nhằm gia tăng độ hòa tan của phân khó tan, trong khi loại khác ít acid hơn để hỗ trợ giải phóng chậm đối với phân dễ tan”, bà tổng kết.

Cao Thị Hải Yến theo Phys.org