ứng dụng năng l-ợng nguyên tử cho phát triển kinh tế xã hội 1 CáC CHế PHẩM CôNG NGHệ BứC Xạ PHụC Vụ NôNG NGHIệP TS. Nguyễn Quốc Hiến Trung tâm Nghiên Cứu và Triển Khai Công nghệ Bức xạ I. Mở đầu Công nghệ bức xạ (CNBX) là loại hình công nghiệp trong đó bức xạ ion hóa đ-ợc sử dụng làm nguồn năng l-ợng trong các quá trình sản xuất. CNBX sử dụng tia gamma Co-60, dòng điện tử gia tốc và tia X (chuyển đổi từ dòng điện tử gia tốc) đang đ-ợc triển khai ứng dụng ở nhiều n-ớc trên thế giới. Hiện nay trên thế giới có hơn 200 nguồn chiếu xạ gamma Co-60 và khoảng hơn 1.000 máy gia tốc điện tử hoạt động cho mục đích ứng dụng công nghiệp. Trong khoảng 30 năm qua, ứng dụng công nghiệp CNBX chủ yếu trên các lĩnh vực: 1. Biến tính polyme nh- vật liệu cách điện, màng ống co nhiệt, tiền l-u hóa cao su chế tạo vỏ (lốp) ô tô, l-u hóa latex, vật liệu biến tính polyme hóa ghép, 2. Khử trùng dụng cụ y tế, thanh trùng d-ợc phẩm, mỹ phẩm, 3. Chiếu xạ thực phẩm 4. Chiếu xạ xử lý khí thải, n-ớc thải. Xử lý bức xạ đang đ-ợc đánh giá là một kỹ thuật đặc thù thuận lợi để chế tạo các sản phẩm mới, sản phẩm có giá trị gia tăng (value added products). Hơn nữa CNBX là công nghệ thân thiện với môi tr-ờng và tiết kiệm năng l-ợng. Trong những năm gần đây áp dụng CNBX xử lý polyme tự nhiên bao gồm polysacarit biển (alginat, chitin/chitosan, caraginan), biến tính xenluloze, tinh bột, và các dẫn xuất của chúng để chế tạo các chế phẩm điều hòa tăng tr-ởng, bảo vệ thực vật và gel tr-ơng n-ớc giữ ẩm cho đất đ-ợc đánh giá là rất triển vọng ứng dụng qui mô lớn. Xử lý bức xạ polysacarit với mục đích là điều chỉnh giảm khối l-ợng phân tử và chế tạo oligosacarit. Đối với các dẫn xuất polysacarit thì mục đích chủ yếu là khâu mạch tạo vật liệu hydrogel (vật liệu gel tr-ơng n-ớc). Ngoài ra polyme hóa ghép bức xạ biến tính polysacarit và dẫn xuất của chúng với các loại monome sẽ tạo ra hàng loạt các sản phẩm với nhiều mục đích ứng dụng khác nhau. Polysacarit với trữ l-ợng trong tự nhiên rất lớn và có khả năng tái tạo. Hiện nay trừ xenluloze và các dẫn xuất, sản l-ợng khai thác hàng năm trên thế giới đối với alginat: 30.000 tấn, chitin/chitosan: 10.000 tấn, caraginan: 40.000 tấn là nguồn nguyên liệu dồi dào và có tiềm năng ứng dụng để xử lý bức xạ ở qui mô công nghiệp. Trong bài này chúng tôi trình bày qui trình chế tạo chất tăng tr-ởng thực vật từ alginat rong biển, chất bảo vệ và kích kháng bệnh thực vật từ chitosan vỏ ứng dụng năng l-ợng nguyên tử cho phát triển kinh tế xã hội 2 tôm và gel tr-ơng n-ớc từ tinh bột biến tính ghép với acrylic axít trên cơ sở áp dụng CNBX. II. Các chế phẩm công nghệ bức xạ phục vụ nông nghiệp 1. Chế phẩm tăng tr-ởng thực vật từ alginat rong biển Rong biển nâu (Brown seaweedSargassum) là nguồn nguyên liệu dồi dào và sẵn có ở n-ớc ta, -ớc tính sản l-ợng rong nâu hiện nay khoảng 30.000 tấn rong t-ơi/năm. Hàm l-ợng alginat trong rong nâu khô khoảng từ 20-40%. Sản l-ợng alginat trong rong nâu ở n-ớc ta -ớc tính vào khoảng 500 tấn/năm. Hiện tại ở n-ớc ta ch-a có nhà máy chiết tách alginat từ rong nâu qui mô công nghiệp và nh- vậy nguồn nguyên liệu rong nâu ch-a đ-ợc sử dụng hiệu quả. ứng dụng CNBX để chế tạo chất tăng tr-ởng thực vật từ alginat rong biển nâu nhằm đóng góp sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu rong nâu và đóng góp phát triển nền nông nghiệp sinh thái bền vững. Quy trình chế tạo chất tăng tr-ởng thực vật T&D 4DD từ alginat rong biển nâu bằng kỹ thuật chiếu xạ nh- sau: Rong biển nâu Phơi khô Xay Chiết alginat (Na 2 CO 3 ) Chiếu xạ cắt mạch alginat, Co-60 Xử lý sau chiếu xạ Chất tăng tr-ởng thực vật oligoalginat,T&D 4DD (dạng dung dịch) T&D 4DD chế tạo từ alginat rong biển chiếu xạ đ-ợc đánh giá là loại hoạt chất tăng tr-ởng đơn h-ớng, an toàn và hiệu quả, đáp ứng nhu cầu sản xuất nông phẩm sạch và phát triển nông nghiệp bền vững. Sử dụng phun lá chất T&D 4DD với độ pha loãng từ 1/500 - 1/1000 đã làm gia tăng năng suất nhiều loại cây trồng nh- cà rốt, nho, chè, cà chua, hành, đậu phộng, từ 10-40%. Chất T&D 4DD đã đ-ợc Bộ NN & PTNT cấp giấy phép sử dụng trên đồng ruộng số 88/2000/QĐ-BNN-BVTV. 0 20 40 60 80 0 50 100 150 200 Nong ủoọ, ppm Taờng NS, % Carot Cheứ Hình 1: Hiệu ứng tăng tr-ởng của T&D 4DD trên cây chè và càrốt ứng dụng năng l-ợng nguyên tử cho phát triển kinh tế xã hội 3 2. Chế phẩm bảo vệ thực vật từ chitosan vỏ tôm (fungicide) Có một l-ợng lớn vỏ, đầu tôm đ-ợc thải ra từ các nhà máy chế biến hải sản ở n-ớc ta, -ớc tính hàng chục ngàn tấn/năm. Trong đó hàm l-ợng chitin/chitosan vào khoảng 5-7% (tính theo vỏ t-ơi). Nh- vậy n-ớc ta mỗi năm có sản l-ợng chitin/chitosan khoảng hơn 1.000 tấn/năm, cũng đ-ợc đánh giá là nguồn nguyên liệu dồi dào và sẵn có. Hiện tại ở n-ớc ta đã có nhà máy sản xuất chitin/chitosan (Chitosan Cà Mau) chủ yếu xuất khẩu nên chitin/chitosan vẫn ch-a đ-ợc sử dụng hiệu quả ở trong n-ớc. áp dụng CNBX để chế tạo chất phòng trị nấm bệnh thực vật từ chitin/chitosan vỏ tôm cũng nhằm mục đích đóng góp sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu phế thải vỏ tôm, phát triển nền nông nghiệp sinh thái bền vững và làm giảm ô nhiễm môi tr-ờng. Qui trình chế tạo chất bảo vệ thực vật từ chitosan vỏ tôm bằng kỹ thuật chiếu xạ nh- sau: Vỏ tôm Chiết protein (NaOH) Khử khoáng (HCl) Chitin Deaxetyl hóa chitin (NaOH) Chitosan Chiếu xạ cắt mạch chitosan, Co- 60 Xử lý sau chiếu xạ Chất bảo vệ thực vật (dạng dung dịch) Chất phòng trị nấm bệnh thực vật OLICIDE 9DD dùng cho cây chè và bắp cải, GOLDRICE 8DD trị bệnh đạo ôn cho cây lúa chế tạo từ chitosan vỏ tôm chiếu xạ đ-ợc đánh giá là loại thuốc bảo vệ thực vật hiệu quả, đáp ứng nhu cầu sản xuất nông phẩm sạch và an toàn. Chất phòng trị nấm bệnh thực vật OLICIDE 9DD (No. 53/2002/QĐ-BNN) và GOLDRICE 8DD (No. 49/03 SRN) đ-ợc Bộ NN & PTNT cho phép sử dụng đồng ruộng. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 5 10 15 20 Sau xửỷ lyự, ngaứy CSB ủaùo oõn, % ẹC CTS-50kGy Hình 2: Hiệu ứng của GOLDRICE trị bệnh đạo ôn (Pyricularia Oryzae) trên cây lúa 3. Chế phẩm kích kháng bệnh thực vật (biotic elicitor) Oligochitosan đ-ợc xác nhận là chất kích kháng bệnh thực vật hiệu quả (vắc xin thực vật). Hơn nữa oligochitosan là chất kích kháng bệnh ngoại bào ứng dụng năng l-ợng nguyên tử cho phát triển kinh tế xã hội 4 (exogenous elicitor) có độ nhạy kích kháng bệnh cao hơn loại nội bào (endogenous elicitor), ví dụ oligoalginat. Qui trình chế tạo chất kích kháng bệnh từ chitosan vỏ tôm bằng kỹ thuật chiếu xạ nh- sau: Chitosan Xử lý kỹ thuật Hòa tan thành dung dịch Chiếu xạ cắt mạch tạo oligochitosan, Co-60 Xử lý sau chiếu xạ Chất kích kháng bệnh thực vật (dạng dung dịch) Bảng 1. Hiệu ứng kích kháng bệnh của chitosan chiếu xạ trên cây mía (VN85- 1427) Mẫu Chỉ số bệnh lá, % Thân cây bị bệnh, % tăng năng suất % Chất l-ợng mía chữ đ-ờng, % Đối chứng 11,95 10,82 0 11,36 Chitosan, 0kGy 8,10 6,16 9,3 11,65 Chitosan, 30kGy 6,17 7,43 12,9 11,71 Chitosan, 50kGy 6,06 3,98 21,8 11,54 Chất kích kháng bệnh sinh học oligochitosan chế tạo bằng xử lý chiếu xạ đã thể hiện hiệu ứng kích kháng bệnh hiệu quả đối với cây mía. Ngoài ra năng suất cây mía cũng tăng lên đáng kể (21,8%). Hiện tại đang tiếp tục thử nghiệm hiệu ứng kích kháng bệnh trên các đối t-ợng cây trồng khác nh- cây lúa, cây tiêu, . 4. Gel siêu hấp thụ n-ớc điều hòa độ ẩm cho đất (super-water absorbent) CNBX đ-ợc sử dụng hiệu quả để khâu mạch các polyme tổng hợp tan trong n-ớc nh- polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic axit (PAA), polyacrylamide (PAM), polyethylene glycol (PEG), và các dẫn suất polyme có nguồn gốc tự nhiên nh- carboxymetyl (CM) xenluloze, CM-tinh bột, CM-chitin/ chitosan để tạo vật liệu hydrogel ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Việc ứng dụng gel siêu hấp thụ n-ớc sẽ cải thiện đ-ợc khả năng giữ ẩm cho đất. Qui trình chế tạo gel siêu hấp thụ n-ớc nh- sau: Tinh bột Hồ hóa bằng KOH Trung hòa với axit acrylic Chiếu xạ, Co- 60 Sấy khô Tạo hạt Sản phẩm (gel siêu hấp thụ n-ớc). ứng dụng năng l-ợng nguyên tử cho phát triển kinh tế xã hội 5 0 80 160 240 320 0 12 24 36 48 Thụứi gian, giụứ g(H 2 O)/g(gel) Haỏp phuù Giaỷi haỏp Hình 3. Hấp phụ và giải hấp n-ớc của gel siêu tr-ơng n-ớc Kết quả thử nghiệm cho thấy chế phẩm này có hiệu ứng giữ n-ớc và điều hòa độ ẩm cho đất hiệu quả, đặc biệt đối với những vùng khô hạn. Bảng 2. Đặc tr-ng của chế phẩm gel siêu tr-ơng n-ớc Tb-g-AAc Chỉ tiêu Kết quả 1. Tỉ lệ hợp phần Tb/AAc, g/g 2. Độ hấp thụ n-ớc, gH 2 O/g(gel khô) 3. Hàm l-ợng Kali, % 4. Độ ẩm, % 5. Kích th-ớc hạt, mm 6. Màu 7. Phân hủy trong đất, % - Sau 3 tháng - Sau 6 tháng - Sau 9 tháng 1/2 ~ 300 19,3 3-5 0,3-0,7 Trắng đục 46,2 82,1 85,5 III. Nhận xét chung Các chế phẩm tăng tr-ởng, bảo vệ và kích kháng bệnh sinh học chế tạo từ polysacarit tự nhiên (alginat, chitin/chitosan) và chất gel siêu hấp phụ n-ớc từ tinh bột biến tính bằng xử lý bức xạ rất có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp. Sử dụng các chế phẩm này sẽ làm giảm hay hạn chế việc sử dụng các loại nông d-ợc phòng trị bệnh độc hại, gia tăng năng suất chất l-ợng nông phẩm và giảm thiểu việc gây ô nhiễm môi tr-ờng góp phần phát triển nền nông nghiệp sinh thái an toàn, bền vững. . hội 1 CáC CHế PHẩM CôNG NGHệ BứC Xạ PHụC Vụ NôNG NGHIệP TS. Nguyễn Quốc Hiến Trung tâm Nghiên Cứu và Triển Khai Công nghệ Bức xạ I. Mở đầu Công nghệ bức xạ. với acrylic axít trên cơ sở áp dụng CNBX. II. Các chế phẩm công nghệ bức xạ phục vụ nông nghiệp 1. Chế phẩm tăng tr-ởng thực vật từ alginat rong biển Rong