Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Khi phân bón truyền thống lãng phí nhiều hơn nuôi cây

Phần lớn lượng phân bón bón xuống đất không đến được cây trồng. Tùy loại phân và điều kiện đất, từ 40 đến 90% lượng dinh dưỡng bị rửa trôi xuống mạch nước ngầm, bay hơi vào khí quyển, hoặc bị các khoáng sét trong đất giữ lại dưới dạng không hòa tan. Hiệu suất sử dụng đạm trong nông nghiệp toàn cầu hiện chỉ đạt khoảng 30–35%, lân 18–20%, kali 35–40%. Phần thất thoát đó vừa là chi phí của người trồng, vừa là nguồn ô nhiễm nitrate trong nước và khí nhà kính trong khí quyển.

Nguyên nhân cơ bản nằm ở cách phân bón thông thường hoạt động: hòa tan ngay khi gặp nước, cung cấp dinh dưỡng ồ ạt trong thời gian ngắn, rồi phần còn lại phân tán ra môi trường. Cây trồng không thể hấp thu hết lượng dinh dưỡng đột ngột đó.

Hạt nano — kho chứa dinh dưỡng cỡ phần triệu milimet

Phân bón nano tiếp cận vấn đề từ góc độ khác. Thay vì để dinh dưỡng hòa tan tự do, công nghệ này đưa dinh dưỡng vào các hạt có kích thước từ 1 đến 100 nanomet — nhỏ hơn sợi tóc người khoảng 1.000 lần, và nhỏ hơn hầu hết vi khuẩn đất.

Ở kích thước đó, vật liệu có diện tích bề mặt trên một đơn vị khối lượng lớn hơn rất nhiều so với dạng hạt thông thường. Một gam vật liệu nano có thể có diện tích bề mặt tương đương vài sân bóng đá. Diện tích lớn đồng nghĩa với khả năng tiếp xúc và phản ứng cao hơn — hạt nano tương tác được với màng tế bào rễ, với enzyme trong đất, với các phân tử tín hiệu từ cây — những thứ mà hạt phân bón thông thường quá lớn để làm được.

Bốn cách giữ dinh dưỡng trong hạt nano

Tùy vào thiết kế, dinh dưỡng được cố định trong hạt nano theo những cơ chế khác nhau.

Xen kẹp giữa các lớp vật liệu. Một số vật liệu nano có cấu trúc dạng tấm xếp chồng — ví dụ hydroxide kép dạng lớp (layered double hydroxide, LDH). Các ion dinh dưỡng như phosphate có thể chui vào khoảng không gian giữa các lớp đó, tương tự như những tờ giấy kẹp giữa các trang sách. Khi điều kiện đất thay đổi, các lớp giãn ra và dinh dưỡng được phóng thích dần. Hệ LDH chứa phosphate trong thực nghiệm có thời gian cung cấp dinh dưỡng kéo dài gấp khoảng 10 lần so với phân lân thông thường.

Bao gói bên trong màng polyme. Đây là cơ chế giống viên thuốc nhả chậm trong y dược. Dinh dưỡng được bọc bên trong một lớp vỏ polyme sinh học — thường là chitosan (chiết xuất từ vỏ giáp xác) hoặc alginate (từ tảo biển). Vỏ bao ngăn dinh dưỡng hòa tan ngay khi gặp nước, đồng thời bảo vệ khỏi bay hơi và cố định trong đất. Khi độ pH hoặc độ ẩm thay đổi, vỏ bao biến tính và dinh dưỡng thoát ra. Trong thực nghiệm với viên nano chitosan–alginate chứa NPK cộng vi khuẩn có lợi, sau 30 ngày lần lượt khoảng 33%, 48% và 68% lượng N, P, K được giải phóng — một tốc độ phù hợp hơn nhiều với nhịp hút dinh dưỡng của cây so với phân bón hòa tan nhanh.

Hút bám bằng lực tĩnh điện. Bề mặt hạt nano có thể được xử lý để mang điện tích dương. Các ion dinh dưỡng mang điện âm như nitrate (NO₃⁻) và phosphate (PO₄³⁻) bị hút lên bề mặt qua lực hút tĩnh điện. Khi pH đất thay đổi — ví dụ trong vùng rễ đang hoạt động mạnh — lực hút giảm và dinh dưỡng được giải phóng. Zeolite biến tính bề mặt bằng chất hoạt động bề mặt cation có thể duy trì phóng thích dinh dưỡng trong hơn 1.200 giờ liên tục, so với vài chục giờ của phân bón thông thường.

Hấp phụ lên bề mặt. Dinh dưỡng bám lên bề mặt hạt nano qua liên kết vật lý yếu — liên kết hydrogen, lực Van der Waals. Phần bám lỏng giải phóng ngay khi bón (cung cấp dinh dưỡng tức thì), phần bám chặt hơn giải phóng dần theo tín hiệu từ rễ cây hoặc khi độ ẩm thay đổi. Cơ chế kép này cho phép một loại phân bón vừa đáp ứng nhu cầu tức thời vừa duy trì nguồn cung dài hạn.

Phân bón phản ứng theo tín hiệu

Một hướng phát triển xa hơn là thiết kế hạt nano chỉ phóng thích dinh dưỡng khi nhận được tín hiệu cụ thể — không phải theo lịch bón phân của người nông dân, mà theo tín hiệu sinh lý từ chính cây trồng và đất.

Theo pH. Vùng rễ đang hút dinh dưỡng mạnh có pH thấp hơn phần đất xung quanh. Hạt nano chứa polymer PDMAEMA — một loại polymer có nhóm amine trên bề mặt — phóng thích dinh dưỡng nhiều hơn khi pH giảm, do các nhóm amine bị proton hóa và mang điện tích dương mạnh hơn, đẩy dinh dưỡng ra ngoài. Nói cách khác, cây càng hút mạnh thì phân bón càng nhả nhiều.
Theo nhiệt độ. Polymer PNIPAm (poly-N-isopropylacrylamide) có tính chất đặc biệt: co lại khi nhiệt độ vượt ngưỡng khoảng 32–33°C. Khi co lại, nó đẩy dinh dưỡng hoặc thuốc bảo vệ thực vật ra khỏi hạt nano. Mùa hè khi đất ấm và cây sinh trưởng mạnh, hệ này tự động tăng lượng dinh dưỡng cung cấp.

Theo enzyme của sâu bệnh. Một ứng dụng đặc biệt trong bảo vệ thực vật: hạt nano chứa thuốc trừ sâu được bọc bằng vỏ alpha-cyclodextrin. Khi sâu tơ (Plutella xylostella) cắn lá và tiết enzyme alpha-amylase, enzyme này cắt vỏ bao và thuốc được phóng thích ngay tại vị trí có sâu — thay vì phun đều toàn bộ ruộng.

Theo tín hiệu oxy hóa khử. Vùng rễ trong điều kiện yếm khí hoặc khi cây bị stress có môi trường khử mạnh hơn. Hạt nano chứa liên kết disulfide (-S-S-) nhạy cảm với glutathione — một phân tử chống oxy hóa tăng cao khi cây bị tấn công. Khi glutathione cắt đứt liên kết disulfide, vỏ bao mở ra và hoạt chất được phóng thích.

Cây hấp thu phân bón nano như thế nào

Hạt nano đi vào cây theo hai đường.

Qua rễ, hạt nano tiếp xúc đầu tiên với vùng chóp rễ và lông hút — nơi có nhiều dịch tiết hữu cơ giúp hạt nano bám và xâm nhập. Từ đó, hạt đi qua vách tế bào (cấu trúc xốp với lỗ khoảng 5–20 nm) vào mạch dẫn, rồi theo dòng nước đi lên các bộ phận trên mặt đất. Hạt nano nhỏ hơn 50 nm và mang điện tích dương thường được hấp thu hiệu quả hơn.

Khi phun qua lá, hạt nano chủ yếu đi qua lỗ khí (khí khổng) — các lỗ nhỏ trên bề mặt lá dùng để trao đổi khí, với ngưỡng kích thước cho phép khoảng 10 nm. Một phần nhỏ hơn có thể thấm qua lớp sáp cuticle theo con đường thân dầu hoặc các lỗ nước cực nhỏ. Sau khi vào lá, hạt nano đi vào mạch libe và được phân phối đến hạt, quả, hoa — những bộ phận không tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng.

Giới hạn liều lượng

Phân bón nano không phải là vô hại ở mọi nồng độ. Ở liều cao, nhiều loại hạt nano kim loại gây stress oxy hóa trong tế bào cây — các hạt oxide kim loại như ZnO, CuO, Fe₂O₃ kích thích tạo ra gốc oxy phản ứng (ROS) thông qua phản ứng Fenton, làm hư hại lipid màng tế bào và protein. Hạt nano CuO ở nồng độ 10 mg/L gây tổn thương rễ cây Arabidopsis trong thực nghiệm; ở 2.000 mg/L, nó ức chế 95–97% tăng trưởng rễ ngô và lúa. Hạt nano CeO₂ ở trên 1.000 mg/kg gây đứt gãy chuỗi DNA ở đậu tương.

Ngưỡng gây hại thay đổi rõ rệt theo loài cây, giai đoạn sinh trưởng, pH đất và hàm lượng chất hữu cơ trong đất. Đất giàu chất hữu cơ có xu hướng làm giảm độc tính do chất hữu cơ bám lên bề mặt hạt nano, làm giảm hoạt tính của chúng. Đất chua có xu hướng làm tăng độc tính do thúc đẩy hòa tan ion kim loại từ hạt nano.

Tình trạng hiện tại và những gì chưa biết

Phân bón nano đang trong giai đoạn chuyển tiếp từ nghiên cứu phòng thí nghiệm sang thử nghiệm thực địa. Hầu hết dữ liệu hiện có đến từ thí nghiệm nhà kính hoặc đồng ruộng kéo dài một mùa vụ. Dữ liệu về tác động dài hạn lên hệ vi sinh vật đất — vốn đóng vai trò trung tâm trong chu trình dinh dưỡng — vẫn còn rất hạn chế.

Chi phí sản xuất hiện là rào cản lớn nhất với phần lớn nông dân, đặc biệt ở các nước đang phát triển. Thiếu quy trình chuẩn hóa để sản xuất quy mô lớn cũng khiến chất lượng sản phẩm giữa các nhà sản xuất khác nhau đáng kể.

Về quy định, Ấn Độ năm 2024 ban hành khung pháp lý đầu tiên dành riêng cho phân bón nano. Liên minh châu Âu và Hoa Kỳ quản lý thông qua các quy định hóa chất chung (REACH và TSCA), chưa có tiêu chuẩn riêng biệt cho lĩnh vực nông nghiệp. Chưa có khung pháp lý quốc tế thống nhất nào.

Nguồn: Sadiq V. và cộng sự, "Re-engineering of nanofertilizers for sustainable agriculture: synthesis, mechanistic insights, toxicity and regulatory frontiers", Frontiers in Soil Science, tập 6, 2026. DOI: 10.3389/fsoil.2026.1677386