Hấp Thu, Vận Chuyển Và Chuyển Hóa Nano Kim Loại Trong Cây

tư (Calendula officinalis) ở ba giai đoạn phát triển đó là kéo dài thân, ra hoa, sau thu hoạch. Kết quả cho thấy sản lượng hoa và tinh dầu cao nhất đạt được khi sử dụng 1 g/L FeNPs ở giai đoạn kéo dài thân [26]. Khi ghi nhận các thông số sinh trưởng, phát triển trên cây hương bồ (Typha latifolia) nuôi cấy thủy canh trong nhà kính, Ma và cộng sự (2010) đã nhận thấy các cây được bổ sung FeNPs với nồng độ thấp hơn 50 mg/L cho cây tăng trưởng mạnh về kích thước cây, rễ, lá, sinh khối so với đối chứng không sử dụng nano [99]. Khi bổ sung nano bằng phương pháp phun FeNPs lên lá cho thấy tác động tích cực lên sự ra rễ, sinh trưởng cây, tăng cường hàm lượng chlorophyll, sinh khối, năng suất hạt, hàm lượng protein trong hạt lúa mì (Triticum spp.) [111].

Ngược lại, khi nồng độ sử dụng cao, độc tính của FeNPs cho thấy tác động làm giảm tỷ lệ nảy mầm, giảm hàm lượng chlorophyll và sinh trưởng nhiều cây trồng trên đồng ruộng như cây hắc mạch (Lolium perenne), đại mạch (Hordeum vulgare), lanh (Linum usitatissimum), hương bồ (Typha latifolia), dương lai (Populous deltoids × Populous nigra),…) [99], [166], [54], [104]. Các tác động tiêu cực của FeNPs được cho là do sự lắng đọng và tích tụ các hạt sắt trên bề mặt rễ ngăn chặn sự hấp thu nước và các chất dinh dưỡng lên cây. Trong khi đó, sự nảy mầm của hạt của nhiều đối tượng cây trồng như cải xoong (Lepidium sativum), dâu tằm (Sinapis alba), cao lương (Sorghum saccharatum) và lúa (Oryza sativa) đã được chứng minh không chịu tác động bởi các hạt FeNPs cũng như nồng độ của chúng [96], [166]. Tuy nhiên, thông tin về độc tính của FeNPs đối với sự sinh trưởng, phát triển thực vật vẫn còn rất ít và không rõ ràng [104].

1.2.3.3. Hấp thu, vận chuyển và chuyển hóa nano kim loại trong cây

Sự hấp thu và vận chuyển của các hạt nano trong cây phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc, hình dáng, tính chất bề mặt, sự ổn định của các hạt nano và đối tượng thực vật. Các hạt nano kim loại với kích thước rất nhỏ và hiệu quả tương tác bề mặt cao, hạt nano có thể xâm nhập qua rễ và lá vào trong tế bào sau đó tương tác với các cấu trúc nội bào, ảnh hưởng trực tiếp đến các cơ chế sinh học ở cấp độ tế bào [155]. Trong một số trường hợp còn cho thấy các hạt nano có thể cảm ứng hình thành các lỗ mới với kích thước trên thành tế bào thực vật, bằng cách đó các hạt nano với kích thước

lớn có thể thâm nhập được vào bên trong [180]. Tuy nhiên, các cơ chế về hấp thu, vận chuyển và biến đổi sinh học cũng như những rủi ro khi ứng dụng các hạt nano kim loại trên các cây trồng hiện nay vẫn đang được nghiên cứu và chưa được làm rõ. Rễ là cơ quan thực vật quan trọng nhất trong việc hấp thu các chất dinh dưỡng.

Các hạt nano xâm nhập qua rễ sẽ trực tiếp tiếp xúc với các mô dẫn như xylem và phloem, tạo thuận lợi cho việc vận chuyển các hạt nano tới các vị trí bên trên của cây. Tuy nhiên, trước khi đi vào xylem của thực vật, các hạt nano kim loại phải xuyên qua được hệ thống vách tế bào và màng nguyên sinh chất của các tế bào lông hút, biểu mô, nhu mô và vành đai caspary. Bằng những hệ thống kính hiển vi huỳnh quang điện tử hiện đại và các kỹ thuật phân tích vật chất rắn, các nhà khoa học đã quan sát thấy nano kim loại có thể được đưa vào trong hệ thống xylem ở rễ qua khoảng gian bào (apoplast), qua tế bào chất (symplast), qua tế bào (transcellular), qua cầu nối liên bào (plasmodesmal transport), hoặc vận chuyển qua màng tế bào (membrane transport) và cuối cùng phải được vận chuyển qua vành đai caspary. Cơ chế di chuyển qua vành đai caspary của hạt nano vẫn chưa được biết đến một cách rõ ràng. Một khi đã xuyên qua vành đai caspary đến hệ thống mạch, nano sẽ được đưa lên các mô, cơ quan ở phía bên trên cùng với sự di chuyển của dịch dinh dưỡng và nước trong mô mạch [144].

Các tế bào thực vật được bảo vệ bởi vách tế bào cứng và gần như không có sự thực bào. Trước khi đi vào tế bào thực vật, các hạt nano kim loại phải xuyên qua được thành tế bào và màng nguyên sinh chất. Kích thước lỗ trên vách tế bào thực vật vào khoảng 5 – 20 nm [43] và chỉ các hạt nano với kích thước nhỏ hơn các lỗ trên vách tế bào mới có thể xâm nhập vào bên trong để tiến đến màng sinh chất, trong khi các hạt nano có kích thước lớn sẽ không thể vào được. Ví dụ như, những hạt nano vàng hình cầu với kích thước 3,5 nm được hấp thu vào trong cây một cách dễ dàng trong khi các hạt nano vàng kích thước lớn hơn (18 nm) thì bị chặn lại hầu hết và kết tụ ở bề mặt ngoài của rễ cây ngăn cản hoạt động hấp thu của rễ [133] . Do đó, các vật liệu có kích thước lớn hơn kích thước lỗ sẽ bị hạn chế xâm nhập vào tế bào. Tuy nhiên, với những nghiên cứu sâu hơn về tương tác giữa các hạt nano với thực vật, rõ ràng là các hạt nano kích thước lớn đến 50 nm vẫn có thể xâm nhập vào tế bào thực vật bằng

cách đi qua thành tế bào hoặc gian bào và trong một số trường hợp tạo ra lỗ mới kích thước lớn hơn trên vách tế bào. Ví dụ như các hạt nano bạc kích thước 38,6 nm vẫn có thể xâm nhập qua màng tế bào vào không bào và khí khổng [94], hạt nano sắt có kích thước nhỏ hơn 50 nm vẫn có thể được hấp thu và vận chuyển trong cây [100]. Tuy vẫn còn nhiều tranh luận xung quanh cơ chế hấp thu, vận chuyển hay chuyển hoá nano trong thực vật, nhưng khả năng xâm nhập nội bào của nano được chấp nhận rộng rãi, mặc dù cơ chế cụ thể của việc hấp thu nano vẫn chưa được xác định rõ ràng.

Sau khi hấp thu vào trong cây, các hạt nano kim loại sẽ tương tác với các thành phần khác và bị thay đổi về mặt lý hoá. Ví dụ như bị bao bọc bởi các tác nhân hữu cơ tự nhiên hoặc các phân tử sinh học, bị phân rã, hoặc bị khử. Các hạt nano kim loại có thể bị phân rã, giải phóng ion kim loại và các dạng dẫn xuất hoá học khác khi phản ứng với các thành phần vô cơ hay hữu cơ trong thực vật, hoặc có thể tương tác vật lý với các dạng ion vô cơ, phân tử sinh học và vật liệu hữu cơ, làm thay đổi trạng thái kết đám và trạng thái hoá học bề mặt [155]. Do đó tính chất, hiệu quả tác động và độc tính của hạt nano không những phụ thuộc vào trạng thái được sản xuất mà còn phụ thuộc nhiều vào dạng chuyển hoá của chúng. Tuy nhiên, hiện tại, việc xác định các đặc tính của các hạt nano kim loại và các phương thức chuyển hóa của chúng sau khi được hấp thu vào thực vật bị hạn chế bởi các công nghệ hiện có.

1.2.4. Tính an toàn sinh học của các nano kim loại

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 195 trang tài liệu này.

Vật liệu nano đã được chứng minh là có tiềm năng vượt trội trong nhiều lĩnh vực. Số lượng các sản phẩm nano kim loại đã tăng đáng kể trong suốt thập kỷ qua. Một phần nhỏ của những sản phẩm này được phát triển phục vụ mục đích sức khỏe con người. Các sản phẩm còn lại thuộc các lĩnh vực điện tử, máy tính, ô tô, thiết bị gia dụng, thực phẩm, môi trường, vật liệu xây dựng, nông nghiệp,… Vì vậy mà mối lo ngại về hoạt động, ảnh hưởng của hàm lượng tồn dư nano trong môi trường ngày một gia tăng. Cho đến nay, con người ít biết rõ về sự an toàn của việc sử dụng các hạt nano trong môi trường. Các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề này bằng cách tập trung vào tương tác của nano với thực vật, động vật và con người thông qua nghiên cứu ảnh hưởng của chúng trong các hệ thống đất, nước, không khí. So với các kim loại khác, bạc là một trong những dạng độc nhất với các vi sinh vật nhưng lại ít

độc đối với con người dẫn đến sự phát triển hàng loạt các sản phẩm AgNPs có ứng dụng diệt khuẩn trong y học và đời sống [41]. Bên cạnh AgNPs, FeNPs cũng là loại hạt nano có tiềm năng ứng dụng cao. Đây là nano có khả năng khử nitrat, các hợp chất chlor hữu cơ vòng thơm và các kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường mạnh nhất so với các nano kim loại khác, do đó nó được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực làm sạch môi trường đất, nước, không khí. Hơn nữa, nó là một kim loại rất thân thiện với môi trường, sản phẩm khử của nó là Fe2+ và Fe3+ tương đối ít nên cũng không gây độc với môi trường và sinh vật [49], [173], [175]. Vì vậy, trong nông nghiệp, AgNPs và FeNPs ngày càng được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghệ trước và sau thu hoạch nông sản để hạn chế dịch bệnh phát triển, dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, nâng cao chất lượng và kéo dài thời gian bảo quản của nông sản.

SƠ LƯỢC VỀ CÁC ĐỐI TƯỢNG CÂY TRỒNG SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU

1.3.1. Cây salem

Giới : Plantae

Ngành : Spermatophytina Lớp : Magnoliopsida Bộ : Caryophyllanae Họ : Plumbaginaceae Chi : Limonium

Loài : Limonium sinuatum

Hình 1.4. Cây salem

(https://hoadepdalat.com/san-pham/tt01- salem-trang/)

Cây salem (Limonium sinuatum) thuộc họ Plumbaginaceae, phân bố rộng khắp châu Âu, châu Á, châu Phi, châu Úc và Bắc Mỹ. Bao gồm hơn 150 loài, hoa salem chủ yếu có màu trắng, ngoài ra còn có màu tím, vàng, hồng, đỏ. Cây có lông, cao 60

– 100 cm, lá xẻ, dài 20 – 25 cm, gốc hoa phân nhánh, dạng tán, thưa, cành hoa dài [29]. Loài hoa này nổi tiếng với sức sống mãnh liệt, khả năng chống bệnh, chịu hạn rất tốt. Điều đặc biệt ở hoa salem là cho đến khi tàn, cánh hoa không rụng mà vẫn

còn nguyên, cánh hoa tựa như một tờ giấy; tuy đã khô héo nhưng gần như vẫn giữ được một vẻ đẹp rất riêng, không bị mất màu [95]. Cây ưa khí hậu khô mát, ưa sáng, sống ở vùng có ít đá vôi, kị nóng và ẩm ướt, là loại cây xuất hiện ở nước ta đầu tiên tại Đà Lạt năm 1975 và từ đó được trồng quanh năm và trở nên rất phổ biến do khí hậu ôn hòa ở Đà Lạt rất thích hợp cho cây phát triển, được dùng làm hoa cắt cành và hoa khô, chủ yếu được tiêu thụ trong nước và xuất khẩu [139]. Cây hoa salem là một trong 20 loại hoa được thương mại hóa nhiều nhất trên thế giới. Sản lượng hoa cắt cành của Hà Lan tăng từ 50 triệu cành (2010) lên 72 triệu cành (2014), tương ứng với giá trị là 10,8 và 15 triệu euro [109]. Sản lượng cành hoa salem của Nhật Bản dao động từ 118 - 127 triệu cành từ năm 2006 – 2008 [72]. Đà Lạt là nơi có diện tích trồng hoa salem lớn nhất Việt Nam. Hiện nay, sản lượng hoa salem của Đà Lạt chỉ đáp ứng được nhu cầu trong nước. Hiện nay, thị trường lớn và tiềm năng của hoa salem tại khu vực miền Bắc (chủ yếu là Hà Nội), miền Trung (Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Bình Định, Khánh Hòa,...), Tây Nguyên (Gia Lai, Đắk Lắk,…) và miền Nam (chủ yếu là Thành phố Hồ Chí Minh). Cây salem có thể nhân giống bằng gieo hạt nhưng không phổ biến do số lượng hạt rất ít, cây con yếu, sức sống kém, chất lượng hoa không đẹp như cây mẹ, thời gian sinh trưởng và phát triển chậm. Phương pháp nhân giống bằng nuôi cấy mô phổ biến hơn do tạo được nguồn cây giống sạch bệnh, ổn định, độ đồng nhất cao [17].

1.3.2. Dâu tây

Giới : Plantae

Ngành : Magnoliophyta Lớp : Magnoliopsida Bộ : Rosales

Họ : Rosaceae

Chi : Fragaria

Loài : Fragaria x ananassa

Hình 1.5. Cây dâu tây

(https://dacsandalat.com.vn/san- pham/chau-dau-tay/)

Cây dâu tây (Fragaria × ananassa) thuộc họ Rosaceae là cây thân thảo thấp, lâu năm. Trái dâu tây đỏ, mọng, có nhiều nước ở dạng hình nón. Cây dâu tây là một trong những cây ăn trái quan trọng của thế giới, chứa nhiều khoáng chất cần thiết cho nhu cầu dinh dưỡng của con người [162]. Theo tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc, hơn 80 quốc gia trên thế giới canh tác cây Dâu tây, với tổng diện tích là

372.361 ha và đạt tổng sản lượng là 8.337.099 tấn vào năm 2018 (Internet 1). Các nước Mỹ, Mexico, Thổ Nhĩ Kỳ, Tây Ban Nha, Ai Cập và Trung Quốc là những nước có sản lượng Dâu tây hàng đầu thế giới, trong đó Trung Quốc là nước sản xuất lớn nhất. Sản lượng Dâu tây tiếp tục tăng trong những năm gần đây, đặc biệt là ở châu Á, Bắc Mỹ, Trung Mỹ và Bắc Phi cùng với sự gia tăng nhu cầu ở nhiều nơi trên thế giới [145]. Tại Việt Nam, cây dâu tây được trồng chủ yếu ở Đà Lạt và một số vụ tại đồng bằng sông Hồng. Thống kê trong năm 2015, diện tích trồng cây Dâu tây ở Lâm Đồng đạt khoảng 115 ha (diện tích trồng trong nhà kính khoảng 13 ha), gồm 80 ha ở các phường 4, 6, 7, 8, 9, 11 và xã Xuân Thọ thuộc thành phố Đà Lạt và 35 ha ở các xã Lát, Đạ Sar, Đạ Nhim thuộc huyện Lạc Dương (Internet 2). Đến năm 2018, tổng diện tích cây Dâu tây trên địa bàn tỉnh Lâm Đồng là gần 190 ha (diện tích trồng trong nhà kính gần 50 ha) với sản lượng trên 2.200 tấn. Thành phố Đà Lạt vẫn là địa phương trồng cây Dâu tây chủ lực của tỉnh Lâm Đồng, với khoảng 120 ha (Internet 3). Cây dâu tây được nhân giống bằng cách tách cây con (runner) vào những năm đầu thế kỷ

XIX. Cây dâu tây được rất nhiều người ưa chuộng và được tiêu thụ với số lượng lớn dưới nhiều dạng sản phẩm như quả tươi, đông lạnh, mức, nước giải khát… Chính vì vậy, đây là loại quả mang lại giá trị kinh tế lớn. Ngoài ra, trái dâu tây có tầm quan trọng về khả năng cung cấp các sinh tố có lợi cho sức khỏe con người [62]. Các chất sinh tố này thuộc 4 nhóm chính là các vitamin, các chất khoáng, các amino acid, và chất béo. Các vitamin bao gồm các vitamin A, B1, B2, đặc biệt là hàm lượng vitamin C rất cao, nhiều hơn cả cam và dưa hấu. Thành phần khoáng kể đến chủ yếu là Ca, P, Fe, trong đó hàm lượng Fe có trong quả dâu tây thậm chí còn lớn hơn các loại trái cây khác như cây cam, quýt, xoài; ít hơn là các thành phần như Mg, K, Na, Zn, Cu, Se. Trong thành phần các amino acid, phổ biến là tryptophan, threonine, isoleucine, leucine, lysine, methionine, cysteine, phenylalanine. Việc sử dụng quả dâu tây hoặc

các sản phẩm từ quả dâu tây làm tăng hàm lượng sinh tố trong cơ thể giúp chống lại mệt mỏi, giảm stress, chữa các bệnh về lợi, tăng sức đề kháng, chống nhiễm trùng, chữa bệnh về tim mạch và giảm thiểu sự lão hóa cơ thể. Cây dâu tây có thể nhân giống truyền thống bằng cách gieo hạt nhưng sản lượng kém, chất lượng quả không cao như cây mẹ [154]. Khi diện tích sản xuất được mở rộng, nhu cầu về cây giống có chất lượng cũng không ngừng tăng theo. Phương pháp vi nhân giống có thể tạo ra số lượng cây giống sạch bệnh, chất lượng đồng đều và đồng nhất về mặt di truyền trong thời gian ngắn; đặc biệt phương pháp này có hiệu quả khi kết hợp với phương pháp tách cây ngó từ cây mẹ [34].

1.3.3. Sâm Ngọc Linh

Giới : Plantae

Ngành : Magnoliophyta Lớp : Magnoliopsida Bộ : Apiales

Họ : Araliaceae

Chi : Panax

Loài : Panax vietnamensis Ha et Grushv

Hình 1.6. Cây sâm Ngọc Linh

(https://samnuingoclinh.net/hinh- anh-cay-sam-ngoc-linh)

Cây sâm Ngọc Linh (Panax vietnamensis Ha et Grushv.) thuộc họ Araliaceae. Sâm Ngọc Linh là một trong những loài cây có hàm lượng saponin khung dammaran cao nhất (khoảng 12-15%) và hàm lượng saponin nhiều nhất so với các loài khác của chi Panax trên thế giới [1]. Với những đặc điểm đó, sâm Ngọc Linh không chỉ là loài cây quý của Việt Nam mà còn của cả thế giới. Hiện nay sâm Ngọc Linh đang nằm trong 250 loài cây quý hiếm, đang có nguy cơ tuyệt chủng trong Sách đỏ Việt Nam. Giá sâm Ngọc Linh tăng lên rất cao, đạt 20 – 30 triệu đồng/kg sâm tươi và 60 – 80 triệu đồng/kg sâm khô. Các công trình nghiên cứu dược lý và lâm sàng cho thấy cây sâm Ngọc Linh có những tác dụng rất giống sâm Triều Tiên. Gần đây các thử nghiệm dược lý cho thấy majonosid-R2 - saponin chủ yếu của cây sâm Ngọc Linh - có tác

dụng chống stress và là một chất xúc tiến chống ung thư quan trọng. Ngoài ra, chúng còn nhiều tác dụng khác như kích thích hoạt động thần kinh và trí nhớ ở liều thấp, chống trầm cảm, tăng sinh lực, chống oxy hóa, tăng cường sức đề kháng, tác dụng phục hồi máu, tăng cường nội tiết tố sinh dục, điều hòa hoạt động của tim, tác dụng chống tăng cholesterol máu, tác dụng bảo vệ gan khỏi các yếu tố gây độc đối với gan [4]. Vì vậy, Tháng 9/2015, chính phủ đã phê duyệt đề án quốc gia về phát triển sâm Ngọc Linh đến năm 2030 với mục tiêu mở rộng vùng trồng sâm ra 7 xã của huyện Nam Trà My (Quảng Nam) với tổng diện tích trên 30,000 hecta, mức đầu tư trên 9,000 tỷ đồng. Ngày 18/6/2016 Sâm củ Ngọc Linh được Cục Sở hữu trí tuệ cấp giấy chứng nhận đăng ký chỉ dẫn địa lý số 00049 theo quyết định số 3235/QĐ-SHTT. Theo quyết định này, sản phẩm củ sâm mang chỉ dẫn địa lý nằm trên núi Ngọc Linh trong khu vực địa lý thuộc tỉnh Kon Tum và Quảng Nam. Ngày 1 – 3/10/2017 phiên chợ sâm Ngọc Linh được tổ chức lần thứ nhất tại huyện Nam Trà My và sau đó được tổ chức hàng tháng nhằm mục đích cung cấp sâm Ngọc Linh có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng đến người tiêu dùng. Tuy nhiên, nhân giống cây sâm Ngọc Linh gặp nhiều khó khăn do địa bàn phân bố hẹp, thời gian nuôi trồng kéo dài, nhân giống hữu tính (gieo hạt) không cho kết quả cao. Vì vậy, cần thiết ứng dụng những kỹ thuật mới trong sản xuất để nâng cao giá trị thương mại. Trong nhiều biện pháp, nuôi cấy mô là một kỹ thuật tiên tiến có thể áp dụng tốt cho sản xuất sản phẩm sâm Ngọc Linh. Bằng phương pháp nuôi cấy mô có thể tạo ra được nguồn giống với số lượng lớn cung cấp cho người dân, từ đó có thể xã hội hóa việc trồng cây sâm Ngọc Linh, mang lại lợi ích kinh tế cho các đồng bào dân tộc và phát triển thương hiệu sâm Việt Nam trên thế giới [2].

Tóm lại, vi nhân giống là phương pháp sản xuất cây giống hoàn toàn sạch bệnh với số lượng lớn trong nông nghiệp và lâm nghiệp. Hiệu quả nhân giống trên quy mô thương mại phụ thuộc vào mức độ phát triển nhanh của cây in vitrotrong giai đoạn nhân giống, tỷ lệ sống cao trong giai đoạn thuần hoá và sản phẩm đạt chất lượng cao trong sản xuất [17]. Sự sinh trưởng và phát triển của thực vật trong vi nhân giống chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy - cây sinh trưởng trong bình nuôi cấy có thể tích nhỏ, mật độ dinh dưỡng cao về khoáng đa lượng và khoáng vi lượng, độ