Các kỹ sư tại Đại học California San Diego đã phát triển các hạt nano, được tạo thành từ virus thực vật, có thể đưa các phân tử thuốc trừ sâu đến độ sâu của đất mà trước đây không thể tiếp cận được. Tiến bộ này có khả năng giúp nông dân chống lại giun tròn ký sinh gây bệnh ở vùng rễ cây trồng một cách hiệu quả, đồng thời giảm thiểu chi phí, giảm sử dụng thuốc trừ sâu và tác hại đến môi trường.

Kiểm soát sự lây nhiễm do giun tròn gây hại rễ từ lâu đã là một thách thức trong nông nghiệp. Một lý do là các loại thuốc trừ sâu được sử dụng để diệt giun tròn có xu hướng bám vào các lớp trên cùng của đất, khiến việc tiếp cận đến tận gốc rễ nơi giun tròn tấn công trở nên khó khăn. Do đó, nông dân thường sử dụng lượng thuốc trừ sâu quá mức cũng như nước để đưa thuốc trừ sâu xuống vùng rễ. Điều này có thể dẫn đến ô nhiễm đất và nước ngầm.

Để tìm ra giải pháp bền vững và hiệu quả hơn, một nhóm do Nicole Steinmetz, Giáo sư kỹ thuật nano tại Trường Kỹ thuật San Diego Jacobs và Giám đốc sáng lập của Trung tâm Kỹ thuật Nano, dẫn đầu, đã phát triển các hạt nano virus thực vật có thể vận chuyển các phân tử thuốc trừ sâu sâu vào đất chính xác ở nơi cần thiết. Công trình được trình bày chi tiết trong một bài báo đăng trên tạp chí Nano Letters.

Nhóm của Steinmetz đã lấy cảm hứng từ y học nano, nơi các hạt nano được tạo ra để phân phối thuốc theo mục tiêu và áp dụng khái niệm này vào nông nghiệp. Ý tưởng tái sử dụng và thiết kế lại các vật liệu sinh học cho các ứng dụng khác nhau cũng là lĩnh vực trọng tâm của Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu Trường Đại học San Diego (MRSEC), trong đó Steinmetz là người đồng lãnh đạo.

Steinmetz, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đang phát triển một phương pháp canh tác chính xác, trong đó chúng tôi tạo ra các hạt nano để phân phối thuốc trừ sâu có mục tiêu. Công nghệ này hứa hẹn sẽ nâng cao hiệu quả xử lý trên đồng ruộng mà không cần tăng liều lượng thuốc trừ sâu”.

Điểm nổi bật của phương pháp này là vi rút khảm xanh nhẹ ở thuốc lá, một loại vi rút thực vật có khả năng di chuyển trong đất một cách dễ dàng. Các nhà nghiên cứu đã sửa đổi các hạt nano virus này, khiến chúng không lây nhiễm sang cây trồng bằng cách loại bỏ RNA của chúng. Sau đó, họ trộn các hạt nano này với dung dịch thuốc trừ sâu trong nước và đun nóng chúng, tạo ra các hạt nano hình cầu giống virus chứa đầy thuốc trừ sâu.

Sự tổng hợp này mang lại một số lợi thế. Đầu tiên, nó tiết kiệm chi phí, chỉ với một vài bước và quy trình thanh lọc đơn giản. Kết quả là một phương pháp có khả năng mở rộng hơn, mở đường hướng tới một sản phẩm có giá cả phải chăng hơn cho nông dân. Thứ hai, bằng cách đơn giản đóng gói thuốc trừ sâu bên trong các hạt nano, thay vì liên kết hóa học với bề mặt, phương pháp này sẽ bảo tồn cấu trúc hóa học ban đầu của thuốc trừ sâu.

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu, Adam Caparco, cho biết: “Nếu chúng tôi sử dụng phương pháp tổng hợp truyền thống, trong đó chúng tôi liên kết các phân tử thuốc trừ sâu với các hạt nano, thì về cơ bản chúng tôi đã tạo ra một hợp chất mới, cần phải trải qua một quy trình đăng ký và phê duyệt theo quy định hoàn toàn mới. Nhưng vì chúng tôi chỉ đóng gói thuốc trừ sâu bên trong các hạt nano nên chúng tôi không thay đổi thành phần hoạt chất nên chúng tôi sẽ không cần phải chờ cơ quan có thẩm quyền phê duyệt. Điều đó có thể giúp đẩy nhanh việc đưa công nghệ này ra thị trường”.

Hơn nữa, virus khảm xanh nhẹ ở thuốc lá đã được Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) phê duyệt để sử dụng làm thuốc diệt cỏ nhằm kiểm soát một loại cây xâm lấn có tên là táo soda nhiệt đới. Sự chấp thuận hiện tại này có thể hợp lý hóa hơn nữa con đường từ phòng thí nghiệm đến thị trường.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để chứng minh tính hiệu quả của các hạt nano chứa thuốc trừ sâu. Các hạt nano được tưới qua các cột đất và vận chuyển thành công thuốc trừ sâu đến độ sâu ít nhất 10 cm. Các dung dịch được thu thập từ dưới cùng của các cột đất và được phát hiện có chứa các hạt nano chứa thuốc trừ sâu. Khi các nhà nghiên cứu xử lý giun tròn bằng các dung dịch này, họ đã loại bỏ ít nhất một nửa số lượng giun tròn trong đĩa petri.

Mặc dù các nhà nghiên cứu chưa thử nghiệm các hạt nano trên giun tròn ẩn dưới đất nhưng họ lưu ý rằng nghiên cứu này đánh dấu một bước tiến đáng kể.

Caparco cho biết: “Công nghệ của chúng tôi cho phép sử dụng thuốc trừ sâu nhằm chống lại giun tròn trong đất. Với các hạt nano, giờ đây thuốc trừ sâu có khả năng di chuyển trong đất, có thể chạm tới mức rễ và có khả năng tiêu diệt giun tròn”.

Nghiên cứu trong tương lai sẽ liên quan đến việc thử nghiệm các hạt nano trên cây bị nhiễm khuẩn thực tế để đánh giá hiệu quả của chúng trong các tình huống nông nghiệp thực tế. Phòng thí nghiệm của Steinmetz sẽ thực hiện các nghiên cứu tiếp theo này với sự cộng tác của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Làm vườn Hoa Kỳ.