ỨNG DỤNG HOẠT CHẤT CHITOSAN TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHỆP BỀN VỮNG

TS. Nguyễn Văn Bắc

Đặt vấn đề

Trong thế giới hiện đại, chưa bao giờ các thuật ngữ, nông nghiệp bền vững, nông nghiệp hữu cơ, nông nghiệp an toàn… lại được nhắc nhiều như hiện nay. Nông nghiệp bền vững là phương thức canh tác nông nghiệp theo cách bền vững, có nghĩa là đáp ứng nhu cầu thực phẩm hiện tại của xã hội, mà không ảnh hưởng đến khả năng đáp ứng nhu cầu của các thế hệ hiện tại hoặc tương lai. Nông nghiệp bền vững cung cấp một giải pháp tiềm năng để cho phép các hệ thống nông nghiệp nuôi sống dân số ngày càng tăng trong điều kiện môi trường thay đổi. Có nhiều phương pháp để tăng tính bền vững của nông nghiệp.

Hiện nay, các phương pháp thân thiện với môi trường đã được ứng dụng, phát triển để canh tác cây trồng hay quản lý dịch bệnh cây trồng thay thế cho thuốc trừ sâu hóa học, như việc sử dụng các hợp chất tự nhiên như chitosan. Trong nội dung này, tác giả sẽ trình bày các công bố phổ biến của chitosan và các ứng dụng tiềm năng của nó trong việc canh tác và kiểm soát sâu bệnh hại cây trồng, như lớp phủ hạt giống, khả năng chống chịu của cây trồng và các ứng dụng cải tạo đất, khả năng chelate hóa….

Tóm lại, chitosan là một phân tử hoạt động có nhiều khả năng ứng dụng trong nông nghiệp, bao gồm cả kiểm soát sâu bệnh hại cây trồng.

1. Giới thiệu

Việc canh tác và kiểm soát, quản lý dịch bệnh cây trồng luôn được coi là một vấn đề được quan tâm nhiều vì những thiệt hại kinh tế to lớn đi kèm với chúng. Trong nhiều năm, việc kiểm soát mầm bệnh chủ yếu được thực hiện thông qua việc áp dụng các loại thuốc trừ sâu hóa học, do ứng dụng dễ dàng, chi phí tương đối thấp và phổ tác động rộng. Ứng dụng thuốc trừ sâu để phòng trừ sâu bệnh hại cây trồng đã được sử dụng rộng rãi từ những năm sau thế chiến thứ 2, dẫn đến tăng trưởng năng suất lớn trong nông nghiệp, góp phần phát triển kinh tế, giảm thiểu dịch bệnh đặc hữu và bảo vệ cây trồng.

Trên thực tế, bệnh cây là một vấn đề quan trọng để sản xuất thành công. Năng suất nông nghiệp đã được chứng minh là có được lợi ích từ việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật cả ở mức định lượng và mức độ lành mạnh, ví dụ: Khi thuốc bảo vệ thực vật được sử dụng đúng cách, chúng sẽ góp phần vào việc sản xuất và chất lượng cao hơn các đặc tính của cây trồng. Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm trong việc sử dụng chúng còn một số vấn đề hạn chế liên quan: sức khỏe con người và tác động môi trường. Trên thực tế, các hóa chất bảo vệ thực vật, kể cả đồng được phép sử dụng trong nông nghiệp hữu cơ, hầu hết đều độc hại, khó phân hủy, tích lũy sinh học và cực kỳ nguy hại không chỉ đối với sức khỏe con người mà còn đối với nhiều sinh vật sống. Thuốc trừ sâu có thể làm ô nhiễm các chất nền môi trường trong tầng nước ngầm, gây ra thiệt hại trực tiếp và vĩnh viễn cho hệ sinh thái. Ngoài ra, có khả năng thực sự là dư lượng của chúng có thể đi vào chuỗi thực phẩm của người tiêu dùng. Việc sử dụng ồ ạt các chất hóa học này cũng làm xuất hiện hiện tượng kháng thuốc ở các loài gây hại cây trồng chính và sự biến mất của nhiều loài thiên địch, chẳng hạn như ong vò vẽ, bướm và ong.

Việc ứng dụng thuốc bảo vệ thực vật và các tác động liên quan của chúng là một chủ đề lớn, được nhiều nhà khoa học quan tâm, do đó, theo chỉ thị mới của Châu Âu về một nền nông nghiệp bền vững, nhiều sản phẩm bảo vệ thực vật hiện đang được sử dụng sẽ được thay thế bằng các chất có tác động môi trường thấp hơn. Vì lý do này, nhiều công trình và nghiên cứu khoa học đã được tập trung vào việc phát triển các phương pháp tiếp cận thay thế việc sử dụng thuốc trừ sâu để quản lý bệnh cây trồng, thông qua các thử nghiệm theo các con đường khác nhau bao gồm các phương pháp vật lý quản lý dịch hại tổng hợp và phòng trừ sinh học. Hợp chất dẫn xuất như chitosan. Nó đã được chứng minh là có khả năng kiểm soát bệnh thực vật. Trên thực tế, nó đã được chứng minh là có hoạt tính kháng khuẩn phổ rộng chống lại một số sinh vật gây bệnh thực vật và tạo ra nhiều phản ứng sinh học có lợi trong quá trình phát triển ở thực vật.

2. Chitosan

Chitosan là một polysaccharide mạch thẳng có thể thu được từ quá trình dẫn xuất đã khử từ chitin có trong tự nhiên, trong thành tế bào nấm và trong vỏ giáp xác, từ đó nó có thể được chiết xuất dễ dàng. Chitosan đã được báo cáo là có hoạt tính kháng nấm và kháng khuẩn và nó cho thấy có hiệu quả chống lại các mầm bệnh từ hạt giống khi được áp dụng làm xử lý hạt giống. Nó có thể tạo thành các rào cản vật lý (màng) xung quanh bề mặt hạt giống, và nó có thể di chuyển các hợp chất kháng khuẩn khác có thể được thêm vào các phương pháp xử lý hạt giống. Chitosan hoạt động như một chất kích kháng gây ra các phản ứng bảo vệ thực vật tại chỗ và toàn thân ngay cả khi được xử lý vào hạt. Chitosan được sử dụng làm cải tạo đất đã được chứng minh là mang lại nhiều lợi ích cho các loài thực vật khác nhau bằng cách giảm sự tấn công và lây nhiễm của mầm bệnh.

 Hình 1. Cấu trúc của các phân tử chitin (β- (1-4) -N-acetyl-D-glucosamine) và chitosan (β- (1-4) -D-glucosamine) là kết quả của quá trình khử một phần chitin.

Ngoài việc sản xuất với chi phí thấp, chitosan còn sở hữu các đặc tính sinh học khác như không độc, tương hợp sinh học và khả năng phân hủy sinh học, làm cho chitosan trở thành một phân tử bền vững và thân thiện với môi trường.

Chitin là nguồn cacbon tái tạo thứ hai sau sinh khối lignocelluloses và trên thực tế, khoảng 1600 tấn chitin được sản xuất hàng năm. Đối với sản xuất công nghiệp, chitin rắn được ngâm trong 40–50% (w/v) NaOH. Quá trình này loại bỏ hơn 80% dư lượng acetyl và chuyển N-acetyl-D-glucosamine thành β-1,4-D-glucosamine. Có thể khử oxy hóa hoàn toàn bằng cách lặp lại xử lý kiềm. Do đó, thuật ngữ “chitosan” không liên quan duy nhất đến một hợp chất xác định, mà là một nhóm các chất đồng trùng hợp bán sẵn trên thị trường không đồng nhất về mức độ deacetyl hóa, khối lượng phân tử, mức độ trùng hợp và hằng số phân ly axit (giá trị pKa). Những đặc điểm khác nhau này, đặc biệt là mức độ khử oxy hóa và trọng lượng phân tử, ảnh hưởng đến các tính chất lý-hóa (bao gồm độ nhớt và độ hòa tan), và chúng có ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính sinh học của chất và ảnh hưởng đến thực vật và mầm bệnh.

Tất cả những đặc điểm này làm cho chitosan rất hữu ích cho một số ứng dụng công nghiệp, cụ thể là thẩm mỹ, thực phẩm, công nghệ sinh học, dược học, y học và gần đây là nông nghiệp.

Dựa trên hiện trạng nghiên cứu và tiến bộ trong nông nghiệp, tham luận sẽ xem xét các ứng dụng tiềm năng của hợp chất tự nhiên này trong việc các ứng dụng trong canh tác và kiểm soát bệnh hại cây trồng, chủ yếu dựa trên phương thức hành động kép liên quan đến hoạt động kháng khuẩn trực tiếp và cảm ứng kháng gián tiếp nhằm tạo ra một số biện pháp bảo vệ phản ứng trong thực vật, xử lý hạt giống và các ứng dụng cải tạo đất.

2.1. Ứng dụng khả năng kháng khuẩn của hợp chất chitisan

Một trong những chất hỗ trợ được nghiên cứu nhiều nhất của chitosan là hoạt tính kháng khuẩn cao của nó chống lại nhiều loại vi sinh vật như nấm, vi khuẩn và vi rút. Chất kháng khuẩn được định nghĩa là chất tiêu diệt hoặc ức chế sự phát triển của vi sinh vật.

Hoạt động diệt nấm phổ rộng của chitosan có khả năng ức chế sự phát triển của nhiều loại nấm gây bệnh, ví dụ, Botrytis cinerea, Colletotrichum gleosporoides và Rhizopus stolonifer. Sự ức chế được quan sát thấy ở các giai đoạn phát triển của mầm bệnh khác nhau như sự phát triển của sợi nấm, sự hình thành bào tử, khả năng tồn tại và nảy mầm của bào tử, và sự sản sinh các yếu tố độc lực của nấm. Tuy nhiên, hiệu quả kháng khuẩn của chitosan dường như đối với nấm cao hơn vi khuẩn, và giữa các vi khuẩn thường chống lại vi khuẩn Gram dương cao hơn so với vi khuẩn Gram âm, điều này có thể được giải thích bởi cấu trúc khác nhau của bề mặt vi khuẩn và thành phần thành tế bào. Ngoài ra, chitosan có thể vô hiệu hóa sự sao chép của vi rút và vi khuẩn, do đó hạn chế sự lây lan của chúng.

Phương thức hoạt động chính được đề xuất liên quan đến các đặc tính cation của nó, giả thuyết được hỗ trợ bởi sự thiếu hoạt động chống nấm của các oligome chitin không tích điện. Trên thực tế, không giống như chitosan, dạng cao phân tử của chitin không được tích điện tự nhiên và nó không cho thấy hoạt động kháng khuẩn đáng kể. Dựa trên mô hình này, các điện tích dương trên các phân tử chitosan tương tác với các bề mặt mầm bệnh tích điện âm (tương tác tĩnh điện); điều này dẫn đến sự phá hủy cấu trúc tế bào, gây ra sự thay đổi bề mặt tế bào trên diện rộng và tăng tính thấm của màng. Một cơ chế khác được đề xuất liên quan đến sự thay đổi tính thấm của tế bào bởi chitosan bao gồm sự lắng đọng của nó vào tế bào mầm bệnh

Chitosan cũng có thể chelate một số chất dinh dưỡng thiết yếu, các ion kim loại và các nguyên tố vi lượng cần thiết cho sự phát triển của cây trồng, giúp cây trồng có khả năng hấp thụ dinh dưỡng một cách hiệu quả nhất, điều này có thể giải thích các ion kim loại mang điện tích dương, rễ cây mang điện tích âm, vì vậy sẽ tạo ra ái lực mạnh làm khả năng hấp thụ các ion của cây giảm, việc chelate háo làm trung hòa điện tích của các ion, sự hấp thụ dinh dưỡng tốt của cây trồng sẽ giúp cây sinh trưởng tốt hơn, giảm dư lượng trong đất cũng như tạo ra các chất nội sinh có khả năng chống lại sâu bệnh hại.

2.2. Khả năng chống chịu của thực vật và kích kháng của Chitosan

Tất cả thực vật, cho dù chúng có khả năng chống chịu hay mẫn cảm, đều phản ứng lại sự tấn công của mầm bệnh bằng cách cảm ứng hệ thống tín hiệu tọa độ, dẫn đến sự tích lũy các sản phẩm gen khác nhau. Các phản ứng đối với sự tấn công của mầm bệnh có hiệu quả ở các mức độ khác nhau: lúc đầu, sự nhận biết mầm bệnh dẫn đến sự phát triển của tế bào chết cục bộ nhanh chóng ở cây, còn được gọi là phản ứng quá mẫn cảm (HR), gây hoại tử tại vị trí nhiễm bệnh (phản ứng của địa phương). Sau đó, ngay cả ở những bộ phận không bị nhiễm bệnh của cây, sự biểu hiện toàn thân của một phổ rộng và khả năng kháng lâu dài chống lại sự lây nhiễm mầm bệnh tiếp theo sẽ được kích hoạt. Điều này dẫn đến việc sản xuất các loại oxy phản ứng (ROS), kích hoạt các gen liên quan đến phòng thủ cũng như tăng cường biểu hiện của các gen liên quan đến việc sản xuất các phân tử, chẳng hạn như phytoalexins, terpens, protein liên quan đến bệnh sinh (PR).

Các tín hiệu có thể kích hoạt các cơ chế bảo vệ ở thực vật được gọi là chất kích kháng, và chúng có thể được tạo ra tại vị trí nhiễm bệnh do cả tế bào thực vật bị nhiễm bệnh (chất kích thích nội sinh, do thực vật tiết ra khi tiếp xúc với mầm bệnh) và chính tác nhân gây bệnh (ngoại sinh yếu tố gây bệnh). Chúng bao gồm một số hợp chất bao gồm oligosaccharid, lipid, peptit và protein, và chúng có khả năng, ngay cả ở nồng độ thấp, hoạt động như các phân tử tín hiệu khiến thực vật kích hoạt các phản ứng phòng vệ. Các chất kích thích, một khi được nhận biết bởi các thụ thể xuyên màng của tế bào thực vật, gây ra phản ứng miễn dịch, cả tại chỗ (xung quanh vị trí / ứng dụng nhiễm trùng) và toàn thân, thông qua sự chuyển vị của các phân tử tín hiệu trong các mô xa. Kiến thức ngày càng tăng về các cơ chế cơ bản phản ứng của thực vật đối với sự tấn công của mầm bệnh đã hỗ trợ ý tưởng rằng có thể đạt được kiểm soát bệnh phổ rộng và tăng cường bảo vệ chống lại các mầm bệnh độc lực bằng cách tạo ra một cách nhân tạo các cơ chế đề kháng của chính thực vật bằng cách sử dụng các chất có chức năng elicitor. Hiện đã có tài liệu chứng minh rằng việc xử lý cây trồng bằng các tác nhân kích kháng khác nhau dẫn đến khả năng chống lại sự tấn công của mầm bệnh tiếp theo, cả cục bộ và hệ thống.

Chitosan ở trọng lượng phân tử thấp hoạt động như một chất kích kháng sinh học mạnh, có thể tạo ra các phản ứng bảo vệ thực vật và kích hoạt các con đường khác nhau làm tăng khả năng kháng bệnh của cây trồng. Các phản ứng của thực vật được nghiên cứu nhiều nhất đối với việc xử lý bằng chitosan là sự hình thành các rào cản hóa học và cơ học và tổng hợp các phân tử và enzym mới tham gia vào phản ứng phòng vệ. Trong một số trường hợp, chitosan gây ra phản ứng quá mẫn cảm, chủ yếu xung quanh vị trí nhiễm trùng, dẫn đến chết tế bào, phản ứng quá mẫn cảm này có thể được theo sau bởi phản ứng toàn thân của các cơ chế bảo vệ thực vật. Những thứ này chủ yếu bao gồm sự tổng hợp và tích lũy các chất chuyển hóa thứ cấp có vai trò tích cực trong việc bảo vệ: các hợp chất phenolic như lignin, callose, phytoalexin, protein PR và điều chỉnh hoạt động của các enzym quan trọng của các con đường trao đổi chất liên quan đến phản ứng phòng thủ.

Chitosan còn là tác nhân kích kháng các phản ứng bảo vệ thực vật. Các thay đổi tế bào và phân tử do chitosan tạo ra có thể được tóm tắt trong: khử cực màng, vỡ oxy hóa, dòng vào và thoát ra của các ion như Ca2 +, hoạt hóa MAP-kinase, biến đổi nhiễm sắc và DNA, tăng mRNA gen PR, tổng hợp protein PR, phytoalexin tích tụ, hóa lỏng và lắng đọng callose. TFs: các yếu tố phiên mã. HMG A: yếu tố phiên mã kiến ​​trúc nhóm tính di động cao

Các phản ứng phòng thủ do xử lý chitosan gây ra có thể phụ thuộc vào hệ bệnh và thậm chí trong cùng một loại cây trồng, vào nhiều yếu tố, bao gồm cả loại ứng dụng điều trị.

2.3. Ứng dụng xử lý hạt giống của Chitosan

Trong nông nghiệp, Xử lý hạt giống là các tác nhân và kỹ thuật sinh học, vật lý và hóa học được áp dụng cho hạt giống để bảo vệ và cải thiện việc trồng cây trồng khỏe mạnh. Nó đại diện cho tuyến phòng thủ đầu tiên của hạt giống và cây con chống lại các loài gây hại lây nhiễm vào vỏ hạt hoặc sống trong đất (mầm bệnh từ hạt và từ đất). Nó cung cấp sự bảo vệ trong giai đoạn nảy mầm quan trọng và sự phát triển của cây con đầu tiên, khi hạt giống và cây con không thể tự bảo vệ khỏi các mầm bệnh xâm nhập. Chất bón cho hạt có thể có nhiều bản chất khác nhau như thuốc trừ sâu hóa học, chất sinh hóa, hợp chất tự nhiên, và có nhiều kỹ thuật khác nhau có thể được sử dụng cho mục đích này. Trong số đó, phủ hạt và mặc quần áo đại diện cho một quy trình xử lý hạt giống phổ biến được áp dụng để ngăn ngừa bệnh và sâu hại ngoài việc cải thiện năng suất cây con, tức là thời gian cây con xuất hiện, xuất hiện đồng bộ, cải thiện tỷ lệ nảy mầm, tỷ lệ xuất hiện và năng suất trong nhiều loại cây trồng.

Chitosan đại diện cho một triển vọng trong lĩnh vực này vì nó có thể bao gồm các khía cạnh khác nhau nhờ sự đa dạng của các đặc tính chủ yếu liên quan đến trọng lượng phân tử. Trọng lượng phân tử cao tạo nên các đặc tính của chitosan biopolyme, do đó nó có thể được sử dụng làm màng, tạo thành các rào cản vật lý (màng) xung quanh hạt ngăn ngừa sự lây nhiễm mầm bệnh.

Chitosan trọng lượng phân tử thấp có hoạt tính kháng khuẩn cao, tăng khi giảm trọng lượng, được chứng minh chống lại nhiều loại vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men và nấm ngay cả khi một số bằng chứng gây tranh cãi về mối tương quan giữa hoạt động diệt khuẩn và trọng lượng phân tử chitosan đã được tìm thấy. Cũng nhờ khả năng gây ra sức đề kháng của cây trồng, chitosan có trọng lượng phân tử thấp có tiềm năng to lớn như một chất bảo vệ chống lại bệnh tật.

Một ứng dụng thú vị trên hạt giống là việc sử dụng chitosan làm màng phủ như một hệ thống cung cấp phân bón, thuốc bảo vệ thực vật và vi chất dinh dưỡng để thúc đẩy tăng trưởng cây trồng. Trên thực tế, chitosan có thể đi lại và bảo vệ các hợp chất kháng khuẩn khác như tinh dầu. Tinh dầu đã chứng minh hoạt tính kháng khuẩn  nhưng rất dễ bay hơi và việc kết hợp chúng vào lớp phủ có thể đảm bảo hoạt chất tồn tại trên bề mặt tốt hơn và duy trì nồng độ cao của các phân tử hoạt động.

 Hiệu quả điều trị trong việc giảm sự phát triển của nấm đã được đánh giá trên cả Fusarium spp. Hạt lúa mì bị nhiễm tự nhiên và trên hạt bị nhiễm F. graminearum nhân tạo, một trong những tác nhân gây bệnh thối rễ và thối chân ở ngũ cốc. Kết quả cho thấy rằng xử lý lớp phủ bằng tinh dầu làm giảm sự phát triển của nấm trên hạt mà không ảnh hưởng đến khả năng nảy mầm và giảm mức độ nghiêm trọng trên cây con ở giai đoạn phát triển đầu tiên. Các nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét cho phép theo dõi sự ổn định cấu trúc bề ngoài của việc xử lý lớp phủ trên hạt sau quá trình ngâm ủ.

Một ứng dụng chính khác của chitosan là xử lý hạt giống liên quan đến việc kích thích khả năng kháng thuốc toàn thân ở thực vật. Dựa trên các bằng chứng gần đây, chitosan, khi được sử dụng như một chất xử lý hạt giống, hoạt động như một chất kích thích kháng thuốc, tạo ra khả năng phòng thủ được nâng cao về mặt sinh lý ở cây con và cây trồng, nhờ đó khả năng phòng vệ bẩm sinh của thực vật được tăng cường. Chitosan có thể vượt qua vỏ hạt, có thể bằng cách khuếch tán qua các vết vỡ cực nhỏ do nhiễm trùng và tương tác với tế bào phôi, ảnh hưởng đến sự trao đổi chất của tế bào thực vật trong các giai đoạn phát triển sau. Sử dụng chitosan được dán nhãn vô tuyến, người ta đã chỉ ra rằng chitosan được áp dụng cho hạt giống được chuyển sang cây con mới nổi trong quá trình phát triển của chúng. Sự cải thiện tăng trưởng quan sát được của chitosan cũng có thể liên quan đến sự kết hợp các chất dinh dưỡng (nitơ) từ chitosan. Xử lý hạt giống bằng chitosan cũng có thể làm tăng hàm lượng của các dấu hiệu kháng quan trọng, như phenol và các hoạt động của enzym liên quan đến phòng vệ, do đó cải thiện sức đề kháng của cây trồng. Các phân tích sinh hóa trên lúa mì cứng và hướng dương đã xác nhận khả năng của chitosan trong việc tạo ra khả năng bảo vệ thực vật, làm tăng hoạt động của PAL, PPO, peroxidases, và chitinase và hàm lượng phenolic trong cây con. Việc tăng cường các cơ chế bảo vệ thực vật này gợi ý sự kích hoạt các quá trình kháng thuốc toàn thân.

Xử lý hạt giống bằng chitosan cũng có thể có hiệu quả trong việc kiểm soát côn trùng vì nó kích thích cây trồng tạo ra các kháng thể toàn thân có tác dụng xua đuổi côn trùng gây hại, như đã báo cáo trong đậu tương chống lại Agrotis ypsilon, sâu đục quả đậu tương và rệp đậu tương. Phương pháp xử lý chitosan đã phát triển tỷ lệ kháng bệnh trên 80% đối với tất cả các loại côn trùng này, cùng với sự gia tăng khả năng nảy mầm của hạt, sự phát triển của cây và năng suất đậu tương.

2.4. Chitosan làm chất cải tạo đất

Như đã mô tả trước đây, chitosan có thể được sử dụng theo một số cách để giảm mức độ bệnh hại cây trồng và ngăn ngừa sự phát triển và lây lan của bệnh, do đó bảo toàn năng suất và chất lượng cây trồng. Chitosan làm chất cải tạo đất đã được tìm thấy để làm giảm thành công bệnh héo Fusarium ở một số loài thực vật. Các kết quả tương tự cũng được báo cáo đối với nhiễm trùng Cylindrocladium floridanum, Alternaria solani và Aspergillus flavus sau khi xử lý đất bằng chitosan. Một phần tác động quan sát được của chitosan đối với việc giảm các mầm bệnh này đến từ thực tế là nó tăng cường các phản ứng phòng vệ của thực vật. Người ta đã chứng minh rằng chitosan hoạt động như một chất kích thích khả năng miễn dịch toàn thân của thực vật bằng cách tích tụ các hợp chất kháng khuẩn liên quan đến phòng vệ, và nó đóng một vai trò quan trọng trong việc kích hoạt sự đề kháng gây ra.

Việc cải tạo đất bằng chitosan là thân thiện với môi trường, vì trong đất chitosan có thể bị phân hủy với tốc độ đáng kể, do sự phong phú và đa dạng của vi khuẩn trong hầu hết các loại đất và sự hiện diện được cho là của chitinase trong một phần đáng kể các quần thể vi khuẩn. Quá trình thoái hóa chitin chủ yếu là do vi khuẩn. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ mức độ rộng lớn của quá trình phân giải chitinoit do quần thể vi khuẩn trong đất có sự phân giải chitin khác nhau và liệu nấm có thể đóng một vai trò quan trọng trong quá trình này hay không. Nghiên cứu trên các thành viên cộng đồng vi sinh vật đã đưa ra giả thuyết về vai trò của kitin trong việc kích thích cộng đồng vi khuẩn ở mức độ lớn hơn so với nấm. Trong số các chi vi khuẩn được phân lập từ đất xử lý chitin, có Streptomyces, Stenotrophomonas và Bacillus. Tuy nhiên, do sự phức tạp của phản ứng vi khuẩn trong đất được xử lý bằng chitin, các cơ chế đằng sau các tác động quan sát được, cụ thể là cộng đồng vi khuẩn hoạt động là gì, thời gian của hoạt động phân hủy tế bào và sự kế tiếp của vi khuẩn vẫn còn chưa được hiểu rõ. Có lẽ, các thành viên của vi khuẩn actinobacteria có vai trò quan trọng trong việc phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp như chitinosan trong thực địa.

Trong điều kiện đồng ruộng, chitosan làm thay đổi trạng thái cân bằng của sinh quyển, gây bất lợi cho vi sinh vật gây bệnh và thúc đẩy hoạt động của các vi sinh vật có ích, chẳng hạn như Bacillus, Pseudomonas fluorescens, xạ khuẩn, nấm rễ và vi khuẩn rhizobacteria. Ví dụ, xử lý đất bằng chitin và / hoặc chitosan từ chất thải của tôm đã được chứng minh là làm giảm tỷ lệ nhiễm tuyến trùng vào rễ cây và tăng cường khả năng ngăn chặn các bệnh lây truyền qua đất. Mặc dù không được chứng minh chắc chắn trong mọi trường hợp, các cơ chế đằng sau hiệu quả của chitosan thường liên quan đến sự thay đổi cấu trúc và / hoặc hoạt động của hệ vi sinh vật đất. Hai giả thuyết đã được đưa ra liên quan đến phản ứng của cộng đồng vi sinh vật đất đối với việc bổ sung chitosan: (a) vi sinh vật phân giải chitinoin, có khả năng thủy phân sợi nấm chitinous của nấm bệnh, làm tăng số lượng và / hoặc hoạt động của chúng (b) phản ứng thứ cấp đối với chất được thêm vào chitosan có hoạt tính bất lợi chống lại mầm bệnh.

Tác dụng có lợi của chitosan dường như không chỉ liên quan đến tác động của nó đối với hệ vi sinh vật trong đất, mà còn đối với bản thân cây trồng. Gần đây, một chiến lược cải tiến xử lý sinh học sử dụng khả năng của chitosan để chelate các khoáng chất và các chất dinh dưỡng khác, làm cho chúng sẵn có hơn cho cây hấp thụ. Điều này rất quan trọng, vì sản lượng cây trồng nhiều lần bị hạn chế bởi sự sẵn có của các nguyên tố khoáng thiết yếu thấp. Đồng ý với chiến lược này, trong một số nghiên cứu, hiệu quả của việc sử dụng chitosan oligosaccharides làm chất điều hòa đất đã được chứng minh trên sự ra hoa và phát triển quả của chanh dây tím. Người ta nhận thấy rằng chất điều hòa đất này làm tăng đáng kể số lượng hoa, trọng lượng quả và sản lượng nước trái cây. Việc đưa chitosan hòa tan vào các dòng tưới phân bón thủy canh cũng thúc đẩy sự tăng trưởng và năng suất cuối cùng của các vi ống trồng khoai tây thủy canh.

Do đó, nếu chitosan có thể làm tăng sự hấp thụ các khoáng chất cần thiết, nâng cao giá trị dinh dưỡng của cây trồng (quá trình xử lý sinh học), thì có thể nó cũng có thể giúp cây trồng hấp thụ các nguyên tố độc hại ở nồng độ cao hơn. Trên thực tế, khả năng chelate một số ion của chitosan cũng làm cho nó trở thành một hợp chất thú vị được sử dụng trong quá trình xử lý thực vật. Một số nghiên cứu cho thấy, việc xử lý đất bị ô nhiễm kim loại bằng cách sử dụng chitosan làm cải tạo đất đã được chứng minh là có thể thực hiện được.

2.5. kích thích ra rễ, chống vàng lá.

Nghiên cứu của Trung tâm DVNN huyện Bù Đốp năm 2017 và 2020 cho thấy, dùng Chitosan Oligomer với nồng độ 30 ppm xử lý tưới gốc cho cây hồ tiêu kinh doanh sau 15 và 30 ngày cho thấy, số cây tiêu được xử lý 1 lần với liều lượng 10 lít dung dịch nước thuốc/gốc có tỷ lệ rễ tơ cao hơn cây không xử lý sau 15 ngày là 19,7% và 30 ngày là 27%; đối với công thức xử lý 10 lít dung dịch nước thuốc và lặp lại sau 7 ngày, có tỷ lệ ra rễ lớn hơn đối chứng (không xử lý) 28,5% sau 15 ngày và 36% sau 30 ngày. Ngoài ra tỷ lệ vàng lá, cháy lá cũng giảm từ 15-23% so với đối chứng ở từng công thức

Đối với cây bưởi da xanh, tưới 15 lít dung dịch nước với chitosan oligomer, nồng độ 30 ppm và lặp lại sau 7 ngày; sau khi tưới 15 và 30 ngày (sau lần tưới đầu) quan sát thấy đầu các rễ tơ sáng bóng, ít các vết thâm đen hơn so với đối chứng, ngoài ra giảm tỷ lệ lá vàng từ 5,6% xuống còn 2,2% so với đối chứng (không tưới). Tỷ lệ bung chồi non và số lá non trên chồi cao hơn đối chứng ở thời điểm sau tưới 15 ngày là 18,6% và 30 ngày là 27%.

3.Kết luận

Chitosan là một phân tử hoạt động có nhiều khả năng ứng dụng trong nông nghiệp như chetate hóa phân bón, xử lý đất, hạt gống…với mục đích làm giảm lượng phân bón hoặc thay thế hoặc giảm nhiều loại thuốc trừ sâu hóa học gây hại cho môi trường. Mặc dù nó là một giải pháp thay thế tốt ngay cả trong canh tác thông thường, các ứng dụng chitosan sẽ tìm thấy những cơ hội, đặc biệt là trong canh tác hữu cơ. Việc kiểm soát bệnh hại cây trồng trong canh tác hữu cơ, đặc biệt là các bệnh do nấm và vi khuẩn gây ra, hiện đang dựa trên các biện pháp xử lý bằng đồng. Tuy nhiên, việc nghiên cứu một giải pháp thay thế sinh thái là bắt buộc vì các vấn đề tác động môi trường liên quan đến việc sử dụng kim loại nặng này. Trên thực tế, một số nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của chitosan trong việc bảo vệ thực vật khỏi các áp lực sinh học bằng các hành động trực tiếp và / hoặc gián tiếp, nhưng sự tương tác của nó với mầm bệnh và cây trồng vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Ứng dụng Chitosan trong lĩnh vực này, bao gồm cả các khía cạnh công thức, là một trong những vấn đề ít được nghiên cứu nhất và nó cần được thử nghiệm và xác nhận thêm.

Tài liệu tham khảo:

1. Nguyễn Anh Dũng, Nguyễn Quốc Hiển, Ngô Đại Nghiệp, Trần Sỹ Trung: Chitin, Chitosan và các dẫn xuất: Hoạt tính sinh học và ứng dụng. Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam
2. Phan Văn Tân, Triệu Thị Lăng, Đỗ Thị Kiều An (2021): Sinh lý, sinh thái thực vật. Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam
3. Boobis A.R., Ossendorp B.C., Banasiak U., Hamey P.Y., Sebestyen I. và Moretto A. Đánh giá rủi ro tích lũy về dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong thực phẩm. 180. Toxicol. Lett. 2008; 180: 137–150.
4. Van Lenteren J.C. Cần kiểm tra chất lượng của các chất kiểm soát sinh học được sản xuất hàng loạt. In: van Lenteren J.C., chủ biên. Kiểm soát Chất lượng và Sản xuất Chất Kiểm soát Sinh học: Lý thuyết và Quy trình Kiểm tra. Đại học Wageningen, Hà Lan. 2003. tr. 1–18.
5. Tinivella F., Hirata L.M., Celan M.A., Wright S.A.I., Amein T., Schmitt A., Koch E., Van Der Wolf J.M., Groot S.P.C., Stephan D., Garibaldi A. và Gullino M.L. Kiểm soát mầm bệnh từ hạt trên cây họ đậu bằng vi sinh và các phương pháp xử lý hạt thay thế khác. Eur. J. Cây Pathol. 2009; 123: 139–151.
6. El Hadrami A., Adam L.R., El Hadrami I. và Daayf F. Chitosan trong bảo vệ thực vật. Mar. Drugs. 2010; 8: 968–987.
7. Malerba M. và Cerana R. Chitosan ảnh hưởng đến hệ thống cây trồng. Int. J. Mol. Sci. 2016; 17: 996.
8. Hamed I., Ozogul F. và Regenstein J.M. Các ứng dụng công nghiệp của các sản phẩm phụ của giáp xác (chitin, chitosan và chitooligosaccharides): A revew. Trends food Sci. 2016; 48: 40–50.
9. Kulikov S.N., Chirkov S.N., Il’ina A.V., Lopatin S.A. và Varlamov V.P. Ảnh hưởng của trọng lượng phân tử của chitosan đến hoạt động kháng vi rút của nó ở thực vật. Prik. Biokhim. Mikrobiol. 2006; 42 (2): 224–228.
10. Heil M. và Boostock R.M. Đề kháng hệ thống cảm ứng (ISR) chống lại các mầm bệnh trong bối cảnh cây trồng được bảo vệ. Ann. botanyl
11. Orzali L., Forni C. và Riccioni L. Hiệu quả của việc xử lý hạt bằng chitosan như là chất kích thích khả năng kháng nấm Fusarium graminearum ở lúa mì. Seed Sci. Technol. 2014; 42: 132–149.
12. 14. Hadwiger L.A. và Polashock J. DNase ty thể nấm: tác nhân có khả năng kích hoạt khả năng phòng vệ của thực vật đối với sự kháng thuốc không phải vật chủ. Phytopathology. 2013; 103: 81–90.
13. 15. Hadwiger L.A., Fristensky B., và Riggleman R.C. Chitosan, một chất điều hòa tự nhiên trong tương tác giữa nấm bệnh cây trồng, làm tăng năng suất cây trồng. Trong Zikakis J.P. eds. Chitin, Chitosan và các Enzyme liên quan. Học thuật, New York, NY. Năm 1984; 291–302.
14. Guan Y.J., Hu J., Wang X.J. và Shao C.X. Bón lót hạt bằng chitosan giúp cải thiện khả năng nảy mầm của ngô và sự phát triển của cây con liên quan đến những thay đổi sinh lý khi chịu áp lực nhiệt độ thấp. J. Zhejiang Univ. Năm 2009
15. Ruan S.L. và Xue Q.Z. Ảnh hưởng của lớp phủ chitosan đến sự nảy mầm của hạt và khả năng chịu mặn của cây con ở lúa lai (Oryza sativa L.). Acta Agron. Sinica. 2002; 28: 803–808.
16. Weller D.M., Raaijmakers J.M., McSpadden Gardener B.B và Thomashow L.S. Các quần thể vi sinh vật chịu trách nhiệm về sự ngăn chặn cụ thể của đất đối với các mầm bệnh thực vật. Annu. Rew Phytopathol. Năm 2002; 40: 309–348.
17. Murphy J.G., Rafferty S.M. và Cassells A.C. Kích thích nấm rễ cây dâu rừng (Fragaria vesca) bằng cách Bổ sung chất thải của động vật có vỏ vào chất nền sinh trưởng: tương tác giữa quá trình tạo nấm, sửa đổi chất nền và tính nhạy cảm với lõi đỏ (Phytophthora fragariae). Appl. Soil Ecol. 2000.
18. Laura Orzali, Beatrice Corsi, Cinzia Forni và Luca Riccioni. Chitosan trong nông nghiệp, thách thức mới để quản lý thực vật. Năm 2016