Nhằm đánh giá quá trình hình thành, mức độ tích lũy và đặc tính của Kphytolith (dạng kali sinh học) trong sinh khối một số loài thực vật siêu tích lũy Si và sử dụng kết quả nghiên cứu làm tiền đề để phát triển công nghệ khai thác, sử dụng K-phytolith thay thế một phần cho phân bón kali hóa học, PGS. TS. Nguyễn Ngọc Minh cùng với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội thực hiện đề tài: “Nghiên cứu K-phytolith tạo tiền đề phát triển kali sinh học thay thế cho phân bón kali hóa học”

Các nội dung chính được nghiên cứu bao gồm:

- Triển khai các thí nghiệm xác định sự hình thành, mức độ tích lũy K-phytolith trong thực vật và mức độ tích lũy K-phytolith trong đất;

- Nghiên cứu đặc tính của K-phytolith: K có thể cùng với chất hữu cơ bị "khóa, giam giữ" trong cấu trúc phytolith;

- Nghiên cứu tốc độ hòa tan, phân giải K-phytolith;

- Triển khai một số nghiên cứu trường hợp (case study) liên quan đến K-phytolith nhằm phát triển vật liệu giàu K-phytolith, đề xuất các biện pháp quản lý, sử dụng hiệu quả hơn nguồn K-phytolith sẵn có trong sinh khối và trong môi trường đất, và tìm kiếm một số ứng dụng khác trong lĩnh vực nông nghiệp.

Đề tài đã tiến hành khảo sát thực tế, lấy mẫu (đất và thực vật), phân tích trong phòng thí nghiệm, phân tích thống kê để có được bức tranh đầu tiên về Kphytolith trong một số loài thực vật và trong lớp vỏ phong hóa/thổ nhưỡng ở miền Bắc Việt Nam. Các mẫu thực vật, đất từ nhiều địa phương khác nhau ở miền Bắc Việt Nam trong 2 năm liên tiếp (2019 và 2020). Sau khi khảo sát thực tế và đánh giá sơ bộ về các loài thực vật có sự tích lũy Si và K-phytolith đáng kể, đề tài đã xác định được các loài (phụ phẩm) có tiềm năng về K-phytolith gồm có guột, dương xỉ, lau, lá mía, lá ngô và rơm rạ. Tổng số mẫu là 47 mẫu được lấy từ 44 địa điểm khác nhau trải khắp các khu vực vùng đồi núi Tây Bắc và Đông Bắc Bộ. Mẫu sinh khối được lấy theo các phương thức khác nhau: các mẫu lau, guột, dương xỉ, rơm rạ lấy toàn bộ phần sinh khối trên mặt đất; các mẫu mía, ngô lấy phần lá khô trên cây. Các mẫu sinh khối đều được lấy theo phương pháp hỗn hợp và trộn lại. Các mẫu đất (tầng 0-20 cm) cũng được lấy đồng thời tại các địa điểm lấy mẫu sinh khối theo phương pháp lấy mẫu hỗn hợp. Sau đó, các mẫu thực vật được tách chiết phytolith và K-phytolith, phân tích thành phần hóa học bằng phương pháp phân tích phát xạ tia X, nhiễu xạ huỳnh quang tia X (XRF), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), và phân hủy mẫu trong dung dịch cường thủy và xác định trên máy quang phổ phát xạ nguyên tử (ICP-OES) và quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS). Ngoài ra, các mẫu nghiên cứu cũng được phân tích bổ trợ bằng các phương pháp Phổ quang điện tử tia X (XPS) hay phổ hồng ngoại FTIR;, phân tích cấu trúc phytolith (K-phytolith), phân tích điện tích bề mặt (PCD) và phân tích thống kê.

Những nội dung chính của đề tài tập trung nghiên cứu quá trình hình thành phytolith trong các loài thực vật, hình thái và cấu trúc của phytolith và quá trình hòa tan giải phóng K-phytolith.

Cơ chế hình thành cấu trúc phytolith trong quá trình sinh trưởng của thực vật và quá trình cô lập các chất dinh dưỡng kèm theo: sự vận chuyển Si và chất dinh dưỡng trong mạch tế bào; sự liên kết của Si trên thành tế bào tiếp theo là sự polymer hóa Si để tạo các thành lớp oxit silic; sự phát triển của các lớp oxit silic để hình thành cấu trúc silic và tạo ra không gian cô lập một phần hoặc hoàn toàn trong đó có chứa các chất dinh dưỡng; quá trình mất nước và cô đặc của oxit silic. Hình thái của phytolith trong thực vật giàu Si được phân tích theo phương pháp chụp cắt lớp siêu hiển vi tia X (X-ray microtomography) đại diện cho các mẫu dương xỉ, guột và rơm rạ. Tốc độ phân hủy/hòa tan của phytolith và giải phóng K-phytolith đối với các mẫu lau, rơm rạ, lá ngô và lá mía cho thấy có sự tăng lên về nồng độ Si hòa tan trong dung dịch (phản ánh phytolith đang bị hòa tan) là xu hướng chung quan sát được cho các mẫu phytolith từ các loài khác nhau. Có thể thấy sự hòa tan phytolith diễn ra chủ yếu ở 2 tuần đầu, sau đó tốc độ hòa tan giảm mạnh hoặc dung dịch đạt đến trạng thái bão hòa. Sau 2 tuần (ở trạng thái bão hòa), lượng Si hòa tan cao nhất ghi nhận được là 69,1 mg/g (ở mẫu phytolith lá ngô), và lượng Si hòa tan thấp nhất là 22,7 mg/g (ở mẫu phytolith lá mía). Có thể nhận thấy tốc độ hòa tan các mẫu phytolith ở các loài khác nhau là rất khác nhau. Ngay cả trong cùng loài, sự hòa tan phytolith cũng diễn ra rất khác biệt.

Xu hướng giải phóng K-phytolith là khá tương đồng với Si, cụ thể là diễn ra chủ yếu trong tuần đầu và đạt trạng thái bão hòa sau 2 tuần. Lượng K-phytolith giải phóng cao nhất là 28,9 mg/g (ở phytolith từ lá ngô) trong khi đó lượng K-phytolith giải phóng thấp nhất là 0,8 mg/g (ở phytolith từ lá mía). Lượng K-phytolith giải phóng chiếm từ 12,7 đến 51,8 % so với lượng K tổng số có trong phytolith của các mẫu nghiên cứu. Điều này chứng tỏ rằng còn một lượng đáng kể vẫn được lưu giữ trong cấu trúc phytolith và sẽ chỉ được giải phóng khi phytolith tiếp tục bị phân hủy. Sự tương đồng về quá trình hòa tan Si và Kphytolith gợi ý rằng hai nguyên tố này có thể cùng giải phóng theo một cơ chế.

Quá trình hòa tan, giải phóng Kphytolith cũng có thể liên quan đến 2 quá trình khác: (1) hóa học - bẻ gẫy các liên kết O-K để giải phóng K; và (2) vật lý – phytolith bị phá vỡ giải phóng các chất bị lưu giữ trong cấu trúc của nó vào môi trường nước.

Về ứng dụng của vật liệu giàu K-phytolith, đề tài nhận thấy vật liệu Sichar có tiềm năng rất lớn để một mặt giải quyết được vấn đề dư thừa phụ phẩm sinh khối, mặt khác tạo ra được các sản phẩm nhả chậm dinh dưỡng cung cấp cho cây trồng. Mặt khác, phytolith là thành phần có hoạt tính, có khả năng thay đổi tốc độ hòa tan. Do đó, có thể can thiệp vào quá trình hòa tan phytolith để điều chỉnh tốc độ nhả K theo ý muốn.

Đề tài cũng đã thử nghiệm thay đổi môi trường (nhiệt độ, tính chất hóa lý dung dịch, sục khí CO2) để can thiệp vào quá trình nhả K. Những kết quả đạt được cho thấy hoàn toàn khả thi để phát triển vật liệu Sichar thành các thế hệ thông minh hơn và có hiệu năng cao hơn.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 20668/2022) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)