Hệ thống kim siêu nhỏ đưa phân bón sinh học trực tiếp vào cây trồng, thúc đẩy tăng trưởng với lượng chất thải tối thiểu

Một miếng dán bằng kim siêu nhỏ chứa phân bón sinh học được ấn lên mặt sau của lá hoặc dọc theo thân cây bằng ngón tay cái hoặc dụng cụ cầm tay đơn giản. Trong vòng một phút, các kim siêu nhỏ sẽ tan ra, giải phóng các vi sinh vật có lợi trực tiếp vào mô thực vật. Nguồn: Đại học Quốc gia Singapore.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã phát triển các miếng dán bằng kim siêu nhỏ tự tan có khả năng đưa "phân bón sinh học" sống trực tiếp vào mô thực vật. Trong các thử nghiệm nhà kính, cải bắp và cải xoăn phát triển nhanh hơn - về sinh khối thân, diện tích lá và chiều cao - trong khi sử dụng ít hơn hơn 15% phân bón sinh học so với phương pháp bón phân vào đất thông thường.

Phương pháp này cho thấy khả năng cung cấp phân bón chính xác hơn, ít lãng phí hơn và có khả năng giảm thiểu tác động môi trường ngoài mục tiêu, phù hợp ngắn hạn với các trang trại đô thị và trang trại thẳng đứng, cũng như các loại cây trồng có giá trị cao cần được kiểm soát liều lượng.

Phân bón sinh học, chứa các vi khuẩn và nấm có lợi giúp cây trồng hấp thụ chất dinh dưỡng và chịu đựng được điều kiện khắc nghiệt, thường được bón vào đất. Tại đó, chúng phải cạnh tranh với các vi sinh vật bản địa và có thể bị cản trở bởi độ axit và nhiều điều kiện khác. Phần lớn lượng phân bón này không bao giờ đến được rễ cây. Bằng cách đưa vi khuẩn hoặc nấm có lợi trực tiếp vào lá hoặc thân cây, phương pháp mới được nhóm nghiên cứu của NUS phát triển đã vượt qua những trở ngại đó và đẩy nhanh tiến độ ban đầu.

Andy Tay, trưởng nhóm nghiên cứu tại Viện Đổi mới và Công nghệ Y tế (iHealthtech), người dẫn đầu công trình nghiên cứu, cho biết: "Lấy cảm hứng từ cách các vi sinh vật có thể di chuyển trong cơ thể người, chúng tôi đã đưa ra giả thuyết rằng bằng cách đưa các vi sinh vật có lợi trực tiếp vào mô của cây, chẳng hạn như lá hoặc thân cây, chúng có thể di chuyển đến rễ và vẫn thực hiện chức năng của mình, nhưng hiệu quả hơn nhiều và ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện đất đai hơn”.

Nghiên cứu được xuất bản trên Tạp chí Advanced Functional Materials vào ngày 13/9/2025.

Gentle delivery Phân phối nhẹ nhàng

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo kim siêu nhỏ phù hợp với thực vật từ polyvinyl alcohol (PVA), một loại polymer phân hủy sinh học, giá thành thấp. Đối với lá, một miếng dán 1 x 1cm mang một mảng 40 x 40 hình chóp dài khoảng 140μm, trong khi một hàng ngắn gồm các kim dài khoảng 430μm phù hợp với thân cây dày hơn. Vi sinh vật được trộn vào dung dịch PVA, đổ vào các khuôn nhỏ và được cố định ở đầu kim. Khi ấn bằng ngón tay cái hoặc bằng một dụng cụ cầm tay đơn giản giúp phân bổ lực đều, các kim sẽ trượt vào mô thực vật và tan ra trong khoảng một phút, giải phóng các vi sinh vật bên trong.

Miếng dán kim siêu nhỏ được làm từ polyvinyl alcohol (PVA), một loại polymer phân hủy sinh học, giá thành thấp, và được tẩm hỗn hợp vi khuẩn vùng rễ thúc đẩy tăng trưởng thực vật (PGPR) gồm Streptomyces và Agromyces-Bacillus. Miếng dán kim siêu nhỏ kích thước 1 x 1cm (hiển thị trong đĩa petri bên phải) có mảng 40 x 40 kim hình chóp đường kính 140μm để dán lên lá, trong khi một hàng kim ngắn hơn với đường kính khoảng 430μm (hiển thị trong đĩa petri bên trái) phù hợp với thân cây dày hơn. Nguồn: Đại học Quốc gia Singapore.

Ở các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, miếng dán hầu như không gây ảnh hưởng đến mô hoặc chức năng của cây. Các vết lõm nông trên lá biến mất trong vòng hai giờ; chỉ số diệp lục vẫn ổn định; và biểu hiện gen phản ứng với stress, vốn tăng lên trong thời gian ngắn sau khi cắm kim, đã trở lại mức cơ bản trong vòng 24 giờ.

Các miếng dán duy trì khả năng sống sót cao của vi sinh vật sau khi bảo quản đến bốn tuần - điều này có nghĩa là các miếng dán có thể được chuẩn bị trước - và quan trọng hơn, nồng độ chất tải chuyển đổi thành liều lượng được cung cấp, cho phép ứng dụng có kiểm soát, điều khó đạt được trong đất. Một dụng cụ bôi được in 3D cung cấp khả năng đưa chất vào đồng đều trên diện tích lá lớn và có thể trở thành một thành phần không thể thiếu trong tự động hóa robot trong tương lai.

Top of FormChứng minh phương pháp tiếp cận

Nhóm nghiên cứu của NUS đã chứng minh rằng việc cung cấp hỗn hợp vi khuẩn vùng rễ thúc đẩy tăng trưởng thực vật (PGPR) gồm Streptomyces và Agromyces-Bacillus qua lá hoặc thân cây đã cải thiện sự phát triển của cải thìa và cải xoăn so với nhóm đối chứng không được xử lý và cho kết quả tốt hơn so với việc xử lý đất bằng vi sinh vật. PGPR thường được sử dụng để cải thiện khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng và kích thích hormone tăng trưởng ở thực vật.

Thêm vào đó, cây trồng phát triển mạnh hơn khi các nhà nghiên cứu bổ sung thêm vi sinh vật vào mỗi luống, cho đến một mức tối đa hiệu quả. Vượt quá mức đó, việc bổ sung thêm vi sinh vật không giúp cây phát triển thêm nữa. Điều này cho phép người trồng xác định liều lượng hiệu quả thấp nhất, từ đó giảm chi phí và lãng phí.

Andy Tay cho biết: "Hệ thống kim siêu nhỏ của chúng tôi đã thành công trong việc đưa phân bón sinh học vào rau cải thìa và cải xoăn, giúp tăng trưởng hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống trong khi sử dụng ít hơn 15% phân bón sinh học. Tốc độ tăng trưởng nhanh hơn ở đây có nghĩa là tổng trọng lượng cây cao hơn, diện tích lá lớn hơn và chiều cao cây cao hơn".

Nhóm nghiên cứu đã theo dõi sự di chuyển của vi khuẩn từ lá được tiêm đến rễ trong vòng vài ngày. Tại rễ, vi khuẩn đã thúc đẩy hệ vi sinh vật ở rễ hướng tới một hỗn hợp có lợi hơn mà không làm mất cân bằng. Các chỉ số hóa học của cây cho thấy chu trình sản xuất năng lượng chính (bao gồm việc các tế bào chuyển hóa đường thành năng lượng có thể sử dụng) hoạt động mạnh hơn, nitơ được sử dụng hiệu quả hơn và các hợp chất cần thiết cho sự phát triển được tổng hợp với tốc độ cao hơn. Nhóm nghiên cứu cũng quan sát thấy khả năng chống oxy hóa mạnh hơn, một dấu hiệu cho thấy cây trồng đã chuẩn bị tốt hơn cho các tác động gây hại và sự phát triển.

Nhóm nghiên cứu đã mở rộng phương pháp này sang các loại nấm có lợi. Các mảng đất được bón chủng Tinctoporellus (AR8) đã thúc đẩy sự phát triển của cải bắp và điều chỉnh mức độ phytohormone – các phân tử tín hiệu hướng dẫn cách cây trồng sinh trưởng, phát triển và phản ứng với môi trường xung quanh – giúp giữ cân bằng hormone tăng trưởng của cây. Tay cho biết them: "Công trình này là công trình đầu tiên chứng minh rằng phân bón sinh học liên kết với rễ có thể được đưa trực tiếp vào lá hoặc thân cây để tăng cường sự phát triển. Với phát hiện này, chúng tôi đã giới thiệu một khái niệm mới về 'phân bón sinh học kim siêu nhỏ' giúp khắc phục những thách thức đáng kể của việc cấy vi sinh vật vào đất".

Các nhà nghiên cứu nhận thấy những ứng dụng ban đầu trong các trang trại đô thị và trang trại thẳng đứng, nơi việc định liều chính xác rất quan trọng, cũng như trong các loại cây trồng có giá trị cao, sinh trưởng chậm như thảo dược. "Trong tương lai, trọng tâm chính là khả năng mở rộng quy mô. Chúng tôi dự định khám phá việc tích hợp công nghệ kim siêu nhỏ của mình với robot nông nghiệp và hệ thống tự động để làm cho nó khả thi đối với các trang trại quy mô lớn. Chúng tôi cũng sẽ thử nghiệm điều này trên nhiều loại cây trồng hơn, chẳng hạn như dâu tây, và nghiên cứu cách các vi sinh vật này di chuyển hiệu quả từ lá đến rễ".

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Phys.org