Thiết kế hệ thống canh tác không dùng đất có thể quyết định sự phát triển của vi sinh vật và tác động đến cây trồng

Tác giả: Jeff Mulhollem, Đại học Bang Pennsylvania.

Nồng độ vi khuẩn hiếu khí ưa ấm, được đo thông qua phân tích tổng số vi sinh vật hiếu khí (APC) trên các mẫu dung dịch dinh dưỡng thu từ những hệ thống canh tác không đất khác nhau trong các vụ mùa thu (n = 97) và mùa xuân (n = 98). DI: tưới nhỏ giọt; DWC: canh tác thủy canh nước sâu; EF: mô hình thủy canh ngập và rút nước (ebb and flow); KR: phương pháp Kratky; NFT: kỹ thuật màng dinh dưỡng. Nguồn: Applied and Environmental Microbiology (2026). DOI: 10.1128/aem.01167-26

Theo Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA), canh tác không dùng đất là một phương pháp trồng cây trong dung dịch giàu dinh dưỡng thay vì đất trồng truyền thống, chiếm tỷ trọng đáng kể trong sản xuất rau củ; cụ thể là hơn một nửa sản lượng cà chua, dưa chuột và xà lách được trồng bằng phương pháp thủy canh. Theo nhận định của nhóm nghiên cứu tại Đại học Penn State, mặc dù lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng này của nền nông nghiệp hiện đại giúp giải quyết các vấn đề về khan hiếm nước, hạn chế về quỹ đất và an ninh lương thực, nhưng việc kiểm soát vi sinh vật vẫn là một thách thức.

Nhóm nghiên cứu đã khảo sát vi khuẩn trong năm hệ thống canh tác không dùng đất và nhận thấy rằng: Thiết kế hệ thống thủy canh ảnh hưởng mạnh mẽ đến vi sinh vật trong dung dịch dinh dưỡng; chu kỳ sinh trưởng tác động lớn đến cấu trúc quần xã vi sinh vật; mỗi hệ thống có thể đòi hỏi các phương thức quản lý vi sinh vật khác nhau; và mức độ nhiễm khuẩn trên lá ít bị ảnh hưởng hơn so với vi sinh vật trong nước.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành trồng thử nghiệm cải thìa (bok choy) để kiểm tra xem liệu các thiết kế hệ thống canh tác không dùng đất khác nhau có ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật hay không và ảnh hưởng như thế nào, cũng như liệu sự khác biệt về vi sinh vật có tác động đến cây trồng hay không – yếu tố có liên quan đến an toàn thực phẩm.

Họ đã công bố kết quả nghiên cứu trên tạp chí Applied and Environmental Microbiology.

Ông Francesco Di Gioia là đồng tác giả nghiên cứu kiêm Phó Giáo sư chuyên ngành khoa học cây rau tại Trường Đại học Khoa học Nông nghiệp cho biết thị trường thực phẩm từ các hệ thống canh tác không dùng đất tại Hoa Kỳ đang phát triển nhanh chóng; đây là lĩnh vực trị giá hàng triệu đô la và được dự báo sẽ vượt mốc 6 tỷ đô la vào năm 2026. Ông nhận định rằng các hệ thống canh tác không dùng đất đang đóng vai trò quan trọng trên thị trường nông sản cao cấp tại địa phương, chẳng hạn như cà chua, các loại rau ăn lá và rau gia vị. Chính vì vậy, các phát hiện của nghiên cứu này mang ý nghĩa vô cùng quan trọng.

Tác giả chính của nghiên cứu Jasna Kovac – người giữ chức Giáo sư (với danh hiệu Chủ tịch Học thuật Lester Earl và Veronica Dorothy Foehr Huck và J. Lloyd Huck) chuyên ngành Hệ vi sinh vật trong An toàn Thực phẩm, đồng thời là Phó Giáo sư Khoa học Thực phẩm – cho biết: “Quản lý hệ vi sinh vật là một thách thức lớn trong canh tác không dùng đất; nó giống như con dao hai lưỡi, vừa có thể mang đến các tác nhân gây hại và làm gia tăng rủi ro về an toàn thực phẩm, lại vừa có thể tăng cường sức khỏe cho cây trồng. Một khi xâm nhập vào hệ thống, các mầm bệnh có thể lây lan qua dòng dung dịch dinh dưỡng tuần hoàn; do đó, việc chủ động quản lý hệ vi sinh vật có thể trở thành một công cụ tiềm năng để kiểm soát chúng”.

Năm loại hệ thống canh tác không dùng đất được các nhà nghiên cứu so sánh bao gồm: canh tác nước sâu (deep water culture) – nơi rễ cây ngâm trực tiếp trong dung dịch dinh dưỡng có sục khí oxy; Kratky – phương pháp thủy canh thụ động không sử dụng máy bơm; kỹ thuật màng dinh dưỡng (nutrient film technique) – dòng dung dịch dinh dưỡng mỏng chảy qua bộ rễ; mô hình thủy canh ngập và rút nước (ebb and flow) – nơi rễ cây được ngâm ngập và rút cạn nước định kỳ; tưới nhỏ giọt (drip irrigation) – phương pháp dung dịch dinh dưỡng nhỏ giọt lên rễ cây. Hệ thống tưới nhỏ giọt ghi nhận mật độ vi khuẩn cao nhất.

Nhóm nghiên cứu đã khảo sát các vi sinh vật tại hai vị trí. Đầu tiên, họ đo mật độ vi khuẩn trong dung dịch dinh dưỡng cung cấp cho cây. Họ cũng xác định các loài vi khuẩn hiện diện bằng phương pháp giải trình tự gen 16S rRNA – một kỹ thuật giúp nhận diện vi khuẩn thông qua việc giải trình tự một loại gen chung cho tất cả các loài vi khuẩn. Thứ hai, họ đếm trực tiếp số lượng vi khuẩn trên lá để đánh giá xem liệu vi khuẩn từ dung dịch dinh dưỡng có lây truyền sang lá cây hay không.

Kovac cho biết: “Trong canh tác không dùng đất, hệ vi sinh vật có ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng, chu trình dinh dưỡng, khả năng ức chế dịch bệnh, an toàn thực phẩm và năng suất cây trồng. Một số vi sinh vật có lợi, trong khi số khác lại gây hại. Việc hiểu rõ hệ sinh thái vi sinh vật có thể giúp cải thiện mức độ an toàn thực phẩm và năng suất của phương pháp canh tác không dùng đất, giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm, cũng như cho phép thiết kế các hệ thống an toàn hơn”.

Nhóm nghiên cứu do tác giả chính Auja Bywater – Nghiên cứu sinh về khoa học thực phẩm và nông nghiệp quốc tế và phát triển – dẫn đầu, đã báo cáo rằng thiết kế hệ thống có ảnh hưởng đến mật độ vi khuẩn và thành phần hệ vi sinh vật – cộng đồng các vi sinh vật như vi khuẩn, virus và nấm sống trong dung dịch dinh dưỡng. Mật độ và thành phần hệ vi sinh vật cũng thay đổi qua các chu kỳ canh tác, mặc dù một số nhóm vi khuẩn luôn hiện diện cho thấy chúng thích nghi tốt với môi trường canh tác không dùng đất. Nhóm cũng phát hiện ra rằng độ pH cao hơn trong dung dịch dinh dưỡng có liên quan đến việc giảm số lượng vi khuẩn.

Sự khác biệt về mật độ và thành phần vi sinh vật có thể ảnh hưởng đến vấn đề an toàn thực phẩm. Tuy nhiên, Bywater giải thích rằng vẫn chưa có lời giải đáp cho câu hỏi liệu các hệ thống có mật độ vi sinh vật cao hơn có tạo điều kiện thuận lợi hơn cho sự sống sót và tồn tại của các mầm bệnh lây truyền qua thực phẩm hay không nếu chúng xâm nhập vào hệ thống. Mặc dù mật độ vi khuẩn trong dung dịch dinh dưỡng có sự khác biệt giữa các hệ thống, nhưng số lượng vi khuẩn trên lá cải thìa lại tương đương nhau ở tất cả các hệ thống này.

Bà nói: “Điều này cho thấy hệ thống vi sinh vật trong nước không trực tiếp dẫn đến tình trạng nhiễm khuẩn trên lá cây”.

Bywater chỉ ra rằng những kết quả này – cho thấy các hệ thống trồng trọt đóng vai trò quan trọng đối với mật độ và chủng loại vi khuẩn hiện diện – có ý nghĩa quan trọng đối với ngành sản xuất. Bà bổ sung rằng các nghiên cứu tiếp theo về hệ vi sinh vật trong các hệ thống canh tác không dùng đất có thể ảnh hưởng đến các quy định trong tương lai về sản xuất thủy canh.

Bywater cho biết: “Hiện nay, trong ngành đang có nhiều cuộc thảo luận về việc cần quản lý các hệ thống này như thế nào. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy mật độ và sự biến động của vi sinh vật khác nhau tùy theo từng hệ thống và chu kỳ sinh trưởng đã làm nổi bật những yếu tố cần cân nhắc trong công tác quản lý, đồng thời chứng minh sự cần thiết phải nghiên cứu sâu hơn về việc thiết kế hệ thống và các quy trình vận hành ảnh hưởng thế nào đến khả năng sống sót và tồn lưu của các mầm bệnh lây truyền qua thực phẩm. Vẫn còn rất nhiều điều chúng ta chưa biết. Nghiên cứu này đã đặt ra nhiều vấn đề cho các nghiên cứu trong tương lai”.

Bùi Thị Huyền Nhung theo Phys.org