Cơ Chế Diệt Khuẩn Nano Bạc Và Ứng Dụng Của Nano Bạc Trong Nông Nghiệp

1.Các đặc tính cơ bản của Bạc kim loại

+ Cấu hình electron của bạc: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s¹

+ Bán kính nguyên tử Ag: 0,288 nm

+ Bán kính ion bạc: 0,23 nm

2.Tính chất và thành phần cơ bản của nano Bạc

2.1 Tính chất cơ bản của hạt nano Bạc

+ Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi xa, chống tĩnh.

+ Không có hại cho sức khỏe con người cho dù với liều lượng tương đối cao, không có phụ gia hóa chất.

+ Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong các dung môi phân cực như nước và trong các dung môi không phân cực như benzene, toluene).

+ Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thường.

+ Chi phí cho quá trình sản xuất thấp.

+ Ổn định ở nhiệt độ cao. 

   Ảnh TEM của các hạt nano bạc kích thước 10 nm

Với các đặc tính cơ bản trên Nano Bạc được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp (phòng và trị bệnh cho vật nuôi, cây trồng).

Tính kháng khuẩn của nano Bạc:

Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi khuẩn, virus, tảo và nấm . Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc không thể hiện tính độc với con người.

Từ xa xưa, người ta đã sử dụng đặc tính này của bạc để phòng bệnh. Người cổ đại sử dụng các bình bằng bạc để lưu trữ nước,dấm. Trong thế kỷ 20, người ta thường đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tươi của sữa. Bạc và các hợp chất của bạc được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử trùng.

Sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao người ta không còn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa. Tuy nhiên, từ những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng trở nên kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano.

(Xem cơ chế diệt khuẩn của Nano bạc ở phần sau)

2.2 Thành phần cơ bản và một số tính chất của Nano Bạc dùng trong nông nghiệp

+ Nồng độ: nồng độ 1000ppm(1000mg/lít)

+ Kích thước hạt: 10-12nm, hình khối cầu, dễ phân tán di chuyển trong môi trường nước.

+ Chất hoạt động bề mặt: PVP – K30 nồng độ 300ppm, tinh bột 30-35ppm.

+ pH = 9-10, môi trường khử(môi trường phân tán), nước cất vừa đủ.

+ Màu sắc dung dịch: ở nồng độ 500mg/lít nano Bạc có màu cánh gián.

+ Thời hạn sử dụng: 3 năm

Nano Bạc là một sản phẩm sạch, không độc hại, không gây ô nhiễm môi trường, an toàn khi sử dụng, hiệu quả kinh tế cao. Khi sử dụng có thể trực tiếp dùng tay pha sản phẩm mà không cần đồ bảo hộ. Ở nồng độ 500ppm(500mg/lít), cứ 1ml có chứa tới 50×10¹² hạt Nano Bạc (năm mươi nghìn tỷ hạt) với kích thước 10-12nm. Do Nano bạc nằm trong môi trường phân tán (môi trường khử mạnh, có chất hoạt động bề mặt) nên các hạt Nano Bạc mặc dù rất nhỏ nhưng hầu như không bị “kết tụ” do đó thời hạn sử dụng của Nano Bạc 500-1000ppm nên tới 3 năm. Kích thước hạt vô cùng nhỏ, có bề mặt riêng rất lớn cho nên khả năng diệt khuẩn của Nano Bạc rất cao, hiệu quả nhanh.  Đặc biệt trong môi trường nước khi sử dụng Nano Bạc té xuống ao đầm nuôi thủy sản, trong quá trình di chuyển và phân tán của các hạt Nano Bạc trong môi trường nước các hạt Nano bạc có khả năng bám lên bề mặt tế bào vi khuẩn và diệt chúng chỉ trong khoảng 10-15 phút (Để diệt 1 vi khuẩn trong môi trường nước, trung bình cần 3-4 hạt Nano Bạc bám trên một vi khuẩn với hiệu suất bám của các hạt là 20-30%) do đó chỉ sau một thời gian ngắn các vi sinh vật đơn bào gây bệnh có trong môi trường nước bị tiêu diệt hoàn toàn. Sau khi diệt khuẩn các hạt Nano Bạc cùng với “xác” vi khuẩn chìm xuống đáy ao hồ mà không gây ảnh hưởng đến thủy sản.

3.Công dụng của Nano Bạc trong nông nghiệp

Khử mùi hôi và diệt vi khuẩn, nấm theo cơ chế đặc thù, ức chế và kìm hãm quá trình phát sinh và phát triển của virus gây bệnh. Khác với các dòng thuốc kháng sinh, Nano Bạc không có tính kháng thuốc, không độc hại, an toàn khi sử dụng. Dung dịch Nano Bạc 500-1000ppm có màu cánh gián đến đỏ bã trầu. Nano bạc không bị thay đổi tính chất, trơ với hầu hết mọi môi trường nên hiệu quả diệt nấm và vi khuẩn rất bền vững. Các hạt Nano Bạc có tác dụng diệt nấm khuẩn theo cơ chế đặc thù riêng biệt do đó Nano Bạc được sử dụng như một loại thuốc BVTV, có vai trò quan trọng trong việc phòng và trị bệnh. Để đạt hiệu quả phòng trị bệnh  cao nên sử dụng Nano Bạc thường xuyên, định kỳ phun qua lá kết hợp tưới gốc. Nano Bạc có tác dụng phòng chống sự xâm nhiễm của nấm và vi khuẩn gây bệnh xâm nhập qua các tế bào lá và rễ. Phòng và trị rất tốt các nhóm bệnh do nấm khuẩn gây ra như: bệnh lở cổ rễ, vàng lá thối rễ, các bênh đốm lá, loét cam, thối nhũn…

Ngoài ra khi sử dụng Nano Bạc phun qua lá sẽ làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của bộ lá qua đó giúp tăng cường hiệu suất quang hợp của cây, tăng khả năng vận chuyển dinh dưỡng đồng hóa về các cơ quan dự trữ (quả, củ) làm tăng năng suất cây trồng.

Khử mùi hôi và diệt vi khuẩn, nấm theo cơ chế đặc thù, ức chế và kìm hãm quá trình phát sinh và phát triển của virus gây bệnh. Khác với các dòng thuốc kháng sinh, Nano Bạc không có tính kháng thuốc, không độc hại, an toàn khi sử dụng. Nano bạc không bị thay đổi tính chất, trơ với hầu hết mọi môi trường nên hiệu quả diệt nấm và vi khuẩn rất bền vững. Các hạt Nano Bạc có tác dụng diệt nấm khuẩn theo cơ chế đặc thù riêng biệt do đó Nano Bạc được sử dụng như một loại thuốc BVTV, có vai trò quan trọng trong việc phòng và trị bệnh cho cây trồng. Để đạt hiệu quả phòng trị bệnh  cao nên sử dụng Nano Bạc thường xuyên, định kỳ phun qua lá kết hợp tưới gốc. Nano Bạc có tác dụng phòng chống sự xâm nhiễm của nấm và vi khuẩn gây bệnh xâm nhập qua các tế bào lá và rễ. Phòng và trị rất tốt các nhóm bệnh do nấm khuẩn gây ra như: bệnh lở cổ rễ, vàng lá thối rễ, các bênh đốm lá, loét cam, thối nhũn…

Ngoài ra khi sử dụng Nano Bạc phun qua lá sẽ làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của bộ lá qua đó giúp tăng cường hiệu suất quang hợp của cây, tăng khả năng vận chuyển dinh dưỡng đồng hóa về các cơ quan dự trữ (quả, củ) làm tăng năng suất cây trồng.

Như vậy có thể tóm lược những ứng dụng quan trọng của Nano Bạc đối với nông nghiệp như sau:

3.1 Đối với trồng trọt

+ Phòng và trị bệnh do nấm, khuẩn và virus gây ra (thay thế hoàn thoàn thuốc BVTV hóa học dùng để phòng trị bệnh trên cây trồng). Sử dụng Nano Bạc thường xuyên định kỳ theo các giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây giúp cây trồng ngăn ngừa chủ động từ xa dịch bệnh, giảm chi phí trong việc BVTV, tăng giá trị nông sản phẩm.

+ Nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng cho bộ lá cây trồng qua đó làm Tăng hiệu suất quang hợp của cây trồng, tăng cường vận chuyển dinh dưỡng về các cơ quan dự trữ, giúp cây trồng tăng năng suất, sản lượng.

+ Sử dụng Nano Bạc trong việc sản xuất giá đỗ và rau mầm làm tăng chất lượng giá đỗ: giảm quá trình gây mùi hôi trong quá trình trồng rau mầm và sản xuất giá đỗ, tăng thời gian bảo quản,tiêu diệt vi khuẩn và nấm gây bệnh thối nhũn…

+ Bổ sung Nano Bạc vào nước cắm hoa, giúp hoa tươi lâu, kéo dài thời gian chơi hoa, giảm mùi hôi thối và các bệnh thối nhũn hoa..

3.2 Đối với thủy sản

+ Cải thiện môi trường ao nuôi, giảm mùi hôi tanh của nước.

+ Phòng và trị bệnh do các VSV đơn bào gây ra trên tôm, cá, ba ba, ếch(nấm, vi khuẩn và virus gây bệnh). Nano Bạc thể hiện vai trò diệt khuẩn cực mạnh trong môi trường nước. Trong quá trình di chuyển và phân tán ở môi trường nước chúng vừa khử mùi và tiêu diệt mầm bệnh. Các hạt Nano Bạc tồn tại trong môi trường nước trong quá trình phân tán và di chuyển chúng sẽ bám hút nên bề mặt tế bào vi khuẩn và diệt chúng theo cơ chế đặc thù. Các hạt Nano Bạc mang điện tích dương, vi sinh vật(VSV) gây bệnh mang điện tích âm do đó Nano Bạc và vi khuẩn gây bệnh sẽ hút nhau, chỉ cần 3-4 hạt Nano Bạc bám trên một con vi khuẩn thì vi khuẩn đó hầu như không có cơ hội sống sót, do tại bề mặt tế bào vi khuẩn hạt Nano Bạc có kích thước nhỏ bé giải phóng liên tục ra các ion Bạc, các ion bạc này tiêu diệt trực tiếp vi khuẩn thông qua các cơ chế khác nhau (xem thêm phần cơ chế diệt khuẩn của Nano Bạc).

3.3 Đối với chăn nuôi gia súc, gia cầm

Nano Bạc có tác dụng phòng và trị bệnh thông qua việc phun Nano bạc trong môi trường sống của vật nuôi. Sử dụng Nano Bạc pha loãng với nước phun định kỳ 7-10 ngày có tác dụng phòng bệnh rất tốt, chúng sẽ tiêu diệt các nhóm vi khuẩn, nấm gây bệnh trên vật nuôi tồn tại ở môi trường sống. Ngoài ra Nano Bạc còn có tác dụng khử mùi hôi chuồng trại, giúp không khí sạch hơn qua đó phòng bệnh cho vật nuôi một cách chủ động (đặc biệt là bệnh hô hấp).

Sử dụng Nano Bạc cho vật nuôi ăn/uống: Tiêu diệt vi khuẩn E.Coli gây bệnh đường ruột (tiêu chảy, phân trắng), phòng và trị bệnh cầu trùng trên gà…

4.Vai trò của Nano Bạc đối với quá trình quang hợp của cây trồng

Quang hợp là quá trình chuyển hóa năng lượng “mặt trời” thành năng lượng hóa học “dự trữ” cần thiết cho tất cả sinh vật trên trái đất. Khi cường độ ánh sáng yếu, khả năng hấp thụ ánh sáng vào lá kém do đó hiệu suất quang hợp bị giảm sút. Nano Bạc làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng qua lá do đó tăng hiệu suất quang hợp. Vậy cơ chế xảy ra như thế nào?

Chúng ta đã biết quang phổ mặt trời là liên tục, do đó sự hấp thụ ánh sáng của các sắc tố quang hợp là gián đoạn mạnh nhất là tại vùng ánh sáng tím, xanh và đỏ.

Khi hấp thụ  hạt nano bạc, ngoài tác dụng diệt khuẩn, nấm  dựa vào tính chất vật lý của hạt nano bạc hấp thụ ánh sáng trong dải sóng 390 – 420 nm nên khi đó tại bước sóng này cường độ ánh sáng được hấp thụ tăng cường.

Nhìn vào phổ hấp thụ của hạt Nano Bạc chúng ta thấy rõ đỉnh hấp thụ ở bước sóng 420 nm do đó có một sự hỗ trợ về mặt hấp thụ ánh sáng rất lớn khi nó xâm nhập vào tế bào thực vật,

Ngoài ra tại đây chúng giao động do tính chất đặc trưng của hạt kim loại (hiện tượng plasmol )nên sinh ra nhiều năng lượng bổ xung cho các quá trình trao đổi chất và tổng hợp chất.

5.Cơ chế diệt khuẩn của Nano Bạc

Bạc là một nguyên tố có tính kháng khuẩn tự nhiên, có khả năng tiêu diệt phổ rộng các loài vi sinh vật gây bệnh, nhưng đồng thời là một chất kháng khuẩn thân môi trường, bởi vì không gây tác dụng độc hại đối với cơ thể con người và động vật nếu được sử dụng với liều lượng phù hợp cho việc khử trùng.

Các đặc tính kháng khuẩn của bạc bắt nguồn từ tính chất hóa học của các ion Ag⁺. Hiện nay tồn tại một số quan điểm giải thích cơ chế diệt khuẩn của bạc được nhiều người ủng hộ. Các quan điểm đó chủ yếu dựa trên sự tương tác tĩnh điện giữa ion bạc mang điện tích dương và bề mặt tế bào vi khuẩn mang điện tích âm và dựa trên sự vô hiệu hóa nhóm Thiol trong enzym vận chuyển oxy, hoặc trên sự tương tác của ion bạc với DNA dẫn đến sự Dime hóa pyridin và cản trở quá trình sao chép DNA của tế bào vi khuẩn.

Cơ chế diệt vi khuẩn của nano bạc được diễn tả theo một số quan điểm sau:

Các nhà khoa học thuộc hãng INOVATION Hàn Quốc cho rằng Bạc tác dụng trực tiếp lên màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn. Màng này là một cấu trúc gồm các glycoprotein được liên kết với nhau bằng cầu nối axit amin để tạo độ cứng cho màng. Các ion Bạc vừa mới được giải phóng ra từ bề mặt các hạt nano Bạc tương tác với các nhóm Peptidoglican và ức chế khả năng vận chuyển oxy của chúng vào bên trong tế bào, dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn. Các tế bào động vật thuộc nhóm sinh vật bậc cao (Sinh vật đa bào: động vật nói chung bao gồm cả con người là ĐV bậc cao) có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào vi sinh vật đơn bào (Nấm, Vi khuẩn và Virus). Chúng có hai lớp Lipoprotein giàu liên kết đôi bền vững có khả năng cho điện tử do đó không cho phép các ion Bạc xâm nhập, vì vậy chúng không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion Bạc. Điều này có nghĩa Nano Bạc hoàn toàn không gây hại đến con người và động vật nói chung, do cấu trúc màng tế bào bền vững và dày hơn các vi sinh vật đơn bào.

                                    Tác động của ion bạc lên vi khuẩn

Cơ chế tác động của các ion bạc lên vi khuẩn được các nhà khoa học Trung Quốc làm việc trong hãng ANSON mô tả như sau: khi ion Ag⁺ tương tác với lớp màng của tế bào vi khuẩn gây bệnh nó sẽ phản ứng với nhóm Sunphohydril –SH của phân tử enzym vận chuyển oxy và vô hiệu hóa Enzym này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn.

                                   Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn

Ngoài ra, các ion bạc còn có khả năng ức chế quá trình phát triển của vi khuẩn bằng cách sản sinh ra oxy nguyên tử siêu hoạt tính trên bề mặt của hạt nano bạc:

2Ag⁺  +  O^-2  => 2Ag⁰  +  O⁰

Theo các nhà khoa học Nga, hiện nay có nhiều lý thuyết về cơ chế tác dụng diệt vi khuẩn của nano bạc đã được đề xuất, trong đó lý thuyết hấp phụ được nhiều người chấp nhận hơn cả. Bản chất của thuyết này là ở chỗ tế bào vi khuẩn bị vô hiệu hóa là do kết quả của quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang điện tích âm của tế bào vi khuẩn và ion Ag⁺ được hấp phụ lên đó, các ion này sau đó xâm nhập vào bên trong tế bào vi khuẩn và vô hiệu hóa chúng.

                                                     Các hạt nano Bạc bám trên bề mặt tế bào vi khuẩn

Cho đến nay, những gì liên quan đến cơ chế tác động của Nano Bạc lên tế bào vi sinh vật (đơn bào), mới chỉ có một quan điểm được hầu hết các nhà khoa học thừa nhận. Đó là khả năng diệt khuẩn của hạt Nano Bạc là kết quả của quá trình biến đổi (giải phóng liên tục) các nguyên tử Bạc kim loại trên bề mặt hạt Nano Bạc thành các ion Ag⁺ tự do và các ion tự do này sau đó tác dụng lên vi khuẩn và diệt khuẩn theo những cơ chế đã nói ở trên. Tuy nhiên nếu dùng Ag⁺ thì lại không có hiệu quả cao mà phải là hạt nano Ag, tức phân tử bạc.

Các nhà khoa học đã đề xuất một số giả thiết về cơ chế diệt khuẩn của Nano Bạc như sau: 

Cơ chế thứ nhất: Ức chế quá trình vận chuyển các ion Na⁺ và Сa²⁺ qua màng tế bào, ngăn cản quá trình trao đổi chất (Hình A).

Cơ chế thứ hai: Phá vỡ màng tế bào, Oxy hóa nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn, phá hủy nguyên sinh chất bởi oxi hòa tan trong nước với vai trò xúc tác của Bạc (Hình B).

Cơ chế thứ ba: Tác động gián tiếp lên phân tử DNA bằng cách tăng số lượng các gốc tự do làm giảm hoạt tính của các hợp chất chứa ôxy hoạt động, làm rối loạn các quá trình ôxy hóa cũng như Phosphoryl hóa trong tế bào vi khuẩn (Hình C).

  Gốc tự do hình thành làm rối loạn quá trình trao đổi chất của tế bào vi khuẩn

Cơ chế thứ tư: vô hiệu hóa enzym có chứa các nhóm –SH và –COOH, phá vỡ cân bằng áp suất thẩm thấu, hoặc tạo phức với axit nucleic dẫn đến làm thay đổi cấu trúc DNA của tế bào vi sinh vật (tác động trực tiếp đến cấu trúc DNA_ Hình D).

                                                                             Cơ chế diệt khuẩn của Nano bạc

Ngoài ra, một số nhà khoa học còn cho rằng ion bạc có khả năng vô hiệu hóa các loài Virus gây bệnh đậu mùa, bệnh cúm A-1, B, adenovirus và HIV, cho hiệu quả điều trị tốt đối với các bệnh virus Marburg, virus bệnh đường ruột (enteritis)  và virus bệnh chó dại. Tuy nhiên, để có thể vô hiệu hóa hoàn toàn virus  bacteriophag đường ruột N163, virus Koksaki serotyp A-5, A-7, A-14 cần đến nồng độ bạc cao hơn (0.5 – 5.0 mg/lít) so với trường hợp xử lý Escherichia, Salmonella, Shigellia và các loài virut đường ruột khác (0.1 – 0.2 mg/lít).

Nano bạc thể hiện mạnh mẽ khả năng diệt nấm: tại nồng độ 0.1mg/lít (0,1ppm), với mật độ 10⁵ tế bào/lít, nấm Candida albicans có thể bị vô hiệu hóa hoàn toàn sau 30 phút tiếp xúc với các hạt Nano Bạc. Ngoài ra còn rất nhiều thử nghiệm khoa học đã chứng minh phổ diệt khuẩn rất rộng của Nano Bạc.

Tựu chung lại xét trên góc độ sinh học các nhà nghiên cứu đều có một quan điểm thống nhất rằng Nano Bạc diệt khuẩn theo một trong những cơ chế sau:

Một là: Nano Bạc phá hủy chức năng hô hấp.

Hai là: Nano Bạc phá hủy chức năng của thành tế bào.

Ba là: Nano Bạc liên kết với DNA của tế bào vi sinh vật và ức chế chức năng sao chép của chúng, kìm hãm chúng, không cho chúng phát triển mạnh.

Ion bạc liên kết với các base của DNA

Với những tính năng diệt khuẩn vượt trội và an toàn của Nano Bạc mà hiện nay ngoài lĩnh vực trồng trọt Nano Bạc còn được ứng dụng trong cả lĩnh vực nuôi trồng thủy hải sản đem lại hiệu quả kinh tế cao, bền vững, giảm chi phí đầu tư trong quản lý dịch bệnh trên tôm, cá nói chung. Nano Bạc được sử dụng để xử lý môi trường nước ô nhiễm, xử lý đáy ao(đầm nuôi) trước khi thả cá, tôm giống, diệt mầm bệnh trong môi trường nuôi một cách an toàn, hiệu quả nhanh mà không gây ảnh hưởng đến thủy sản (tham khảo thêm sản phẩm Nano Bạc 1000ppm).

6.Liều lượng sử dụng

Tùy vào điều kiện môi trường, đối tượng sử dụng và mức độ nhiễm bệnh của đối tượng đó mà có cách sử dụng(liều lượng) thích hợp. Liều lượng phòng bệnh thường nhỏ hơn so với liều lượng trị bệnh. Liều lượng khuyến cáo dùng trong phòng trị bệnh trên cây trồng là 1-10ppm.

Hiểu rõ vai trò quan trọng của Nano Bạc đối với nông nghiệp Việt Nam. Hiện nay chúng tôi cho ra dòng sản phẩm NANO BẠC KBO với nhiều tính năng diệt khuẩn mạnh mẽ cùng với nhiều đặc điểm vượt trội hy vọng sẽ góp phần phát triển ngành nông nghiệp Việt Nam theo hướng bền vững, an toàn và hiệu quả.