Luận văn Nghiên cứu tạo nước hoạt hóa plasma và ứng dụng nâng cao tỷ lệ nảy mầm hạt và tăng trưởng của xà lách xoăn (lactuca capitata)

Vai trò của các ROS và RNS ngoại sinh đến sự nảy mầm và tăng tưởng hạt Zhou và cộng sự báo cáo rằng ROS và RNS được tạo ra trong PAW, chẳng hạn như H2O2, NO2-, NO3-và amoniac (NH4+), có tác động tích cực đến sự nảy mầm của hạt và sự phát triển của cây con [60]. 16 Hình 1.3. Quá trình đồng hóa Nitơ trong thực vật [51] (NR = nitrate reductase, NiR = nitrite reductase, Nase = nitrogenase, GS = glutamine synthetase, GOGAT = glutamate synthase) Cụ thể hơn, NO3- là nguồn cung cấp Nitơ dồi dào nhất có sẵn trong đất canh tác trong khoảng 1-20 mM [58]. Sau khi hấp thụ, nó được đồng hóa thành axit amin ở rễ hoặc chồi thông qua các quá trình trao đổi chất khác nhau. Thiếu Nitơ gây ra hiện tượng úa lá ở các lá già vì N được chuyển hóa sang các lá non [58] đổi chất và phát triển ở thực vật [61,62] nó có khả phá vỡ trạng thái ngủ của hạt ở cây Arabidopsis, gây ra sự mở rộng của lá và điều phối sự biểu hiện của các gen liên quan đến nitrat. Gần đây, phương pháp xử lý H2O2 ngoại sinh cũng đã được áp dụng trên thực vật. H2O2 ngoại sinh có thể điều chỉnh H2O2 nội sinh. Barba-Espin và cộng sự đã chứng minh rằng H2O2 ngoại sinh làm tăng sự nảy mầm của hạt đậu, cũng như sự phát triển của cây con. Họ cũng cho thấy rằng H2O2 và các protein cảm ứng (14-3-3, TCTP, proteasome,...) có liên quan đến tín hiệu và sự phát triển của thực vật, sự đông tụ và phân chia tế bào cũng như kiểm soát chu kỳ tế bào. Việc sử dụng H2O2 ngoại sinh đã cung cấp một hệ thống rễ khỏe hơn và tăng sự phát triển của cây con và tăng khả năng chịu mặn ở lúa mì. Le và cộng sự quan sát thấy rằng với nguồn cung cấp H2O2 ngoại sinh trong lúa mì, tốc độ sản xuất anion superoxide (O2) và malondialdehyde (MDA) giảm và hoạt động của superoxide dismutase (SOD) giảm khi phản ứng với stress muối. Hàm lượng của MDA, một sản phẩm của quá trình peroxy hóa lipid, đã được coi là một chất chỉ thị về tổn thương do quá trình oxy hóa. Fedina và cộng sự chứng minh 17 rằng MDA và nồng độ H2O2 nội sinh đã giảm đáng kể ở cây lúa mạch khi bị stress do muối bằng cách xử lý trước l µM H2O2. Một số cơ chế H2O2 tác động đến hạt được cho là: - Góp phần huy động các chất dự trữ trong hạt thông việc oxy hóa các protein dự trữ, có thể được cơ quan lưu trữ chất dinh dưỡng nhận ra là tín hiệu để huy động nguồn dự trữ đến trục đang phát triển nhanh chóng [63]; - Oxy hóa chọn lọc các protein và mRNA nên có thể xem H2O2 hoạt động như một chất điều hòa tích cực đối với nảy mầm hạt [50]; - Điều chỉnh sự biểu hiện gen thông qua quá trình oxi hóa protein, hoạt hóa điều hòa các tầng dẫn truyền kinase, thay đổi trạng thái oxy hóa khử của gốc cysteine của các yếu tố phiên mã điều chỉnh hoạt động của chúng và thay đổi trạng thái oxi hóa khử của tế bào [50] - Kích hoạt tín hiệu sinh tổng hợp GA và/hoặc ức chế tín hiệu ABA; - Thay đổi trạng thá oxy hóa khử của các phytohoocmon làm thay đổi sự tương tác giữa chúng với các protein liên quan đến tín hiệu nảy mầm [50] Tuy nhiên H2O2 là tác nhân oxi hóa mạnh nên chúng có khả năng tương tác hầu hết các phân tử sinh học (axit amin, protein, lipid) do đó khi nồng độ H2O2 trong tế bào quá cao có thể dẫn đến: 1) stress oxi hóa gây tổn thương tế bào; 2) peroxy hóa lipid làm ảnh hưởng đến các axit béo không bão hòa trên màng tế bào hay các lipid dự trữ. Trong các loại RNS có NO được biến đến như là một phân tử tín hiệu trong thực vật - gây ra sự biểu hiện của các protein liên quan đến Axit Abscisic (ABA), các enzym chống oxy hóa, sự phát triển của rễ và tổng hợp Axit Jasmonic (JA). Các tác động khác nhau của việc xử lý ozone đối với sự phát triển của cây trồng và sự nảy mầm của hạt giống đã được biết đến trong nhiều nghiên cứu [64]. Một vài cơ chế ozone tác động đến hạt là: 18 - O3 là một chất oxy hóa mạnh nên nó có khả năng oxy hóa các hợp chất trong vỏ hạt giúp hỗ trợ bào mòn vỏ hạt và đồng thời diệt khuẩn trên bề mặt hạt - Tăng tổng hợp etylen và giảm ABA trong cây con - Kích thích cơ chế sửa chữa DNA và hoạt động chống oxy hóa hoặc tác dụng phá vỡ trạng thái ngủ trong hạt ngậm nước. 1.2.4.4. Ứng dụng nước hoạt hóa plasma trong nảy mầm và tăng trưởng hạt Hạt đã được xử lý bằng plasma nguội để nghiên cứu ảnh hưởng đến tính chất hút nước, nảy mầm [64], tăng trưởng [65-67] và hoạt tính của enzym [68]. Bormashenko và cộng sự [85] chứng minh rằng trong khoảng thời gian từ 15 giây đến hai phút xử lý plasma (10 MHz, 20 W, 0,067 Pa) làm tăng khả năng hút nước của hạt đậu lăng và hạt đậu, giảm góc tiếp xúc từ 127° xuống 20° đối với hạt đậu lăng và từ 98° đến 53° đối với hạt đậu. Họ cho rằng khả năng hút nước tăng lên do quá trình oxy hóa và nitrat hóa bề mặt hạt khi xử lý plasma. Sự nảy mầm của hạt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nước, oxy, nhiệt độ và ánh sáng [80]. Ảnh hưởng của các yếu tố vật lý như xử lý plasma phụ thuộc vào loại hạt giống. Ví dụ, độ nảy mầm tăng lên đối với lúa mì [64,69] và đậu lăng [66], và giảm đối với yến mạch [64] bằng cách xử lý plasma nguội (500 W, 140 Pa). Sera và cộng sự [64] suy đoán rằng việc xử lý plasma trực tiếp trên lớp vỏ hạt có thể gây ảnh hưởng đến các tế bào bên trong hạt khiến hạt nảy mầm. Bằng cách đo các hợp chất phenolic trong cây con, họ cũng kết luận rằng các gốc plasma đã thâm nhập vào các caryopse và ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất. Xử lý plasma nguội với hạt giống không chỉ ảnh hưởng đến tỷ lệ nảy mầm mà còn cả sự tăng trưởng sau khi nảy mầm của cây con. Heneselova và cộng sự [82] đã nghiên cứu những thay đổi về tăng trưởng, phát triển và hoạt động của enzym trong rễ ngô do xử lý hạt bằng plasma. 19 1.2.5. Vai trò của nước hoạt hóa plasma đối với sự tăng trưởng trong giai đoạn đầu của hạt Trồng cây bằng nước hoạt hóa plasma là một khái niệm rất phổ biến trong những năm gần đây. Nghiên cứu đầu tiên được thực hiện bởi Takaki và cộng sự [54], nước được chiếu xạ bởi một máy phát điện xung kiểu nén từ tính để tạo ra dòng chảy dưới nước với tốc độ lặp lại 250 pps. Sau đó, nước nước đã được hoạt hóa plasma được dùng để tưới cây (Brassica rapa var. Perviridis). Kết quả cho thấy trọng lượng khô và chiều dài lá của cây con được sử dụng nước hoạt hóa plasma cao hơn đáng kể so với đối chứng. Sự phát triển của cây con cũng tăng lên khi tăng thời gian chiếu plasma. 1.2.6. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.6.1. Nước ngoài Trong lĩnh vực nông nghiệp, công nghệ plasma đã được tận dụng để xử lý vật lý và hóa học có lợi cho cây trồng, hạt giống và đất. Nhiều nghiên cứu của T. Ohta (2016) đã chỉ ra việc kết hợp phản ứng trung tính, các chất có điện tích (điện tử, ion), điện trường, và tia cực tím được tạo ra trong quá trình xả của hệ thống plasma nguội đã góp phần làm nảy mầm hạt, khử trùng hạt giống, tăng trưởng cây trồng, kiểm soát côn trùng, giữ được chất lượng nông sản, và cải tạo đất, góp phần tạo ra sản xuất lương thực bền vững hơn. Nghiên cứu của nhóm tác giả L. Sivachandiran và A. Khacef (2017) [70] cho thấy khả năng kết hợp của việc xử lý bằng plasma nguội trên hạt giống và dùng nước qua xử lý bằng plasma nguội để kiểm soát sự tăng trưởng của một số loại cây, củ... đã cho kết quả đáng khích lệ: Chiều dài thân và rễ của các đối tượng tăng lên khoảng 60% so với mẫu đối chứng, tỷ lệ nảy mầm tăng cao. Tuy nhiên, nếu hạt và cây con tiếp xúc lâu dài với các tác nhân được tạo ra từ plasma nguội sẽ có một tác động tiêu cực: Sự tăng trưởng và sức sống của cây đã giảm so với mẫu đối chứng. Các kết quả này cho thấy các lò phản ứng plasma có thể được sử dụng để cải thiện đáng kể sự nảy mầm hạt cũng như sự phát triển của cây trồng, tuy nhiên, thời gian xử lý plasma phải được tối ưu hóa cho mỗi hạt, mỗi loại cây trồng. 20 Trong năm 2018, S. Padureanu và cộng sự [71] đã theo dõi sự ảnh hưởng của 2 loại PAW có nồng độ NO3- lần lượt là 34 ppm và 54 ppm đến sự nảy mầm và phát triển của xà lách xoăn (Lactuca Sativa L.) trong 8 ngày. Qua các kết quả đo về chiều dài của rễ phôi, thân và lá từ 10 cây con/mẫu trong 6 ngày liên tiếp sau nảy mầm, nhóm tác giả đã cho thấy nước hoạt hoát plasma không ảnh hưởng lớn đến tỷ lệ nảy mầm nhưng lại có tác dụng tích cực trong việc tăng năng suất cây trồng. Nghiên cứu chế tạo nước hoạt hóa plasma (PAW) bằng cách xử lý nước khử ion bằng điện áp cao [72] đã được thực hiện bởi Salek Ahmed Sajib và cộng sự vào năm 2019. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể về các đặc điểm nông học khác nhau. Nồng độ H2O2- một loại oxy phản ứng (ROS) trong hạt, lá và rễ có sự thay đổi. Sự gia tăng catalase trong rễ của cây được xử lý bằng PAW 3 phút và 6 phút cũng được chứng minh. Điều này cho thấy PAW có tác dụng tích cực cho sự nảy mầm, tăng trưởng và phát triển của cây. 1.2.6.1. Trong nước Công nghệ plasma nguội được quan tâm và nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chủ yếu trong y tế, thực phẩm, xử lý môi trường nước. Điển hình trong bảo quản thực phẩm có các nghiên cứu của nhóm Trịnh Khánh Sơn, Nguyễn Thị Thu Thảo (2014) [73], nghiên cứu về khử trùng vật liệu bao gói và bề mặt trứng cho kết quả: Xử lý bằng plasma nguội cho kết quả tương đương xử lý bằng tia UV và ozone mà không gây tác hại lên chất lượng lớp vỏ ngoài tự nhiên của trứng để chống lại vi sinh vật (trên bề mặt trứng) và plasma lạnh có thể xử lý nhanh và an toàn các bao bì thực phẩm như chai nhựa, nắp đậy mà không gây biến tính vật liệu và không để lại dư lượng trên sản phẩm (vật liệu bao gói). Nhóm nghiên cứu của Bùi Nguyên Quốc Trình đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị bảo quản thực phẩm thông qua việc tạo ra nguồn phát plasma nguội, khống chế nhiệt độ đầu phát plasma, đóng gói sản phẩm thế hệ 1, tên là DUHATA-G1. Thiết bị có thể gây ức chế hoặc tiêu diệt vi khuẩn có hại. So với các phương pháp bảo quản hóa học, bảo quản bằng nhiệt độ cao, phương pháp plasma lạnh đã chứng tỏ được ưu thế, không để lại lượng dư hoá chất không 21 mong muốn trong thực phẩm sau xử lý. Hiện tại, qua nhiều thông tin, chưa có nhóm nào nghiên cứu sử dụng nước hoạt hóa plasma cho nông nghiệp ngoài nhóm nghiên cứu thuộc phòng Kỹ thuật Vật lý – Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng của chúng tôi, do vậy thành công của đề tài này sẽ đóng góp một phần nhỏ cho sự phát triển một hướng nghiên cứu mới, an toàn, hiệu quả. 22 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU Thời gian thực hiện: 06 tháng Đề tài nghiên cứu tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Viện Sinh học Nhiệt đới 2.2. NGUYÊN VẬT LIỆU Nguyên liệu: - Hạt giống xà lách xoăn (Lactuca capitata) được dùng phổ biến tại các nông trại tại quận Cái Răng, tỉnh Cần Thơ. - Giá thể xơ dừa chưa qua xử lý vi sinh. Hình 2.1: Hoa chứa hạt xà lách xoăn (Ảnh chụp tại phòng thí nghiệm) Hóa chất: - Nước cất 2 lần - Cồn 70 độ - Các bộ kit phân tích chỉ tiêu hóa lý của nước hoạt hóa plasma Thiết bị: - Hệ thống tạo nước hoạt hóa plasma (máy phát xung điện cao áp tạo tia plasma, bình khí, hệ thống ống dẫn khí, bơm, ống thạch anh,...) - Máy ly tâm mini MyFuge - hãng Benchmark - Máy UV-Vis, Model: V-670 – hãng Jasco - Cân điện tử Ohaus - Kính hiển vi điện tử cầm tay Digital Microscope - Khay nhựa trồng cây 23 - Các dụng cụ thí nghiệm như: thước đo, cốc thủy tinh, đĩa petri, kẹp gắp, giấy lọc, pipette,... 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1. Điều chế và xác định tính chất lý hóa của nước hoạt hóa plasma Chế tạo và tối ưu hóa các điều kiện tạo nước hoạt hóa plasma: Bố trí hệ plasma nguội và các reactor như hình 2.2 với các thông số như sau: - Máy phát xung điện cao áp tạo tia plasma với tần số 1,5kHz; điện áp 24kV - Sử dụng ống thạch anh có đường kính ngoài 26 mm, đường kính trong 22 mm; khoảng cách điện cực 2 mm - Khí cung cấp: Argon và không khí, lưu lượng: 2 lít/ giờ - Lưu lượng nước: 200 mL/ phút - Thay đổi thời gian xử lý plasma tăng dần từ 5, 10, 15, 20, 25 đến 30 phút để tạo ra các loại nước hoạt hóa plasma khác nhau. Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo PAW (trái) và hình vẽ minh họa sơ đồ (phải) 1. Khí vào; 2. Ống thủy tinh; 3. Ống đồng; 4. Tấm lưới đồng; 5. Máy tạo plasma; 6. Ống bơm nước ra; 7. Ống bơm nước vào; 8. Bơm; 9. Cốc chứa nước 24 Các mẫu nước sau khi được xử lý được chứa trong các bình kín màu tối và được ký hiệu lần lượt là C (control – nước cất), P5 (nước hoạt hóa plasma trong 5 phút), P10 (nước hoạt hóa plasma trong 10 phút), P15 (nước hoạt hóa plasma trong 15 phút), P20 (nước hoạt hóa plasma trong 20 phút), P25 (nước hoạt hóa plasma trong 25 phút), P30 (nước hoạt hóa plasma trong 30 phút). Xác định các đặc tính hóa lý của nước hoạt hóa plasma dựa vào các thông số gồm: pH, độ dẫn điện, nồng độ NO3-, O3, H2O2 - pH dùng để đo nồng độ ion hydro của dung dịch. Giá trị pH được đo bằng máy đo pH (Hanna Instrments HI991300, Romania). - Độ dẫn điện thể hiện khả năng cho dòng điện chạy qua của dung dịch. Sự hiện diện của các ion ngoại lai trong nước ảnh hưởng rất nhiều đến độ dẫn điện. Trong nghiên cứu, độ dẫn điện của các mẫu nước hoạt hóa plasma được đo bằng máy đo độ dẫn điện (Hanna Instrments HI991300, Romania). - Nồng độ NO3- chứng minh cho sự hình thành RNS. Nồng độ NO3- được xác định dựa vào phản ứng màu và thang đo đã quy định sẵn trong bộ kit thương mại (NO3- Sera test kit, Germany). - Nồng độ H2O2 được xác định bằng phương pháp chuẩn độ. H2O2 phản ứng chậm với iod trong dung dịch axit (Hanna Instrments HI3844 test kit, Romania). - Nồng độ O3 đo bằng phương pháp DPD (Hanna Instrments HI38054 test kit, Romania). 2.3.2. Sự ảnh hưởng của nước hoạt hóa plasma đến quá trình nảy mầm hạt Để xác định hiệu quả kích thích sự nảy mầm của nước hoạt hóa plasma đối với thực vật thì cần phải dựa vào nhiều yếu tố bao gồm tỷ lệ nảy mầm, chỉ số sinh lực, trọng lượng nghìn hạt, hình ảnh hạt, Các bước thực hiện đo đạt các chỉ tiêu trên được tiến hành như sau: 25 2.3.2.1. Trọng lượng nghìn hạt Cân 100 hạt xà lách xoăn trước khi đem gieo ẩm (chọn các hạt có hình dáng, kích thước tương tự nhau để giảm sai số) bằng cân phân tích. Ngâm hạt xà lách xoăn vào các mẫu nước C, P5, P10, P15, P20, P25 và P30 (đã được chuẩn bị như ở mục 2.3.1) trong các đĩa petri (1 mẫu nước/đĩa). Sau 2 giờ lấy mỗi mẫu 100 hạt ra để trên giấy lọc cho thấm hết phần nước đọng lại bên ngoài vỏ hạt sau đó đi cân trọng lượng bằng cân phân tích. Từ trọng lượng 100 hạt suy ra trọng lượng nghìn hạt. Mỗi mẫu lặp lại 4 lần, mỗi lần 100 hạt (TCVN 1700:1976). 2.3.2.2. Tỉ lệ nảy mầm hạt Ngâm hạt xà lách xoăn bằng các mẫu nước đã được chuẩn bị ở trên trong các đĩa petri (1 mẫu nước / đĩa). Sau 2 giờ đem gieo hạt trên đĩa petri có chứa giấy lọc đã được làm ẩm bằng 3mL các loại nước tương ứng (20 hạt/ đĩa). Các đĩa được để ở nhiệt độ 30 ± 20C, điều kiện chiếu sáng 16h sáng / 8h tối. Thí nghiệm với 03 lần lặp lại, mỗi lần 20 hạt [9]. Tính tỉ lệ nảy mầm (Rg), chỉ số nảy mầm (Ig) và chỉ số sinh lực (Iv) của hạt sau 24 và 48 giờ (Hạt nảy mầm được xác định khi rễ kéo dài khỏi phôi khoảng 1 mm) theo công thức: Rg = (Số hạt nảy mầm)/(Tổng số hạt gieo) x 100 Iv = ∑ 𝐒ố 𝐡ạ𝐭 𝐧ả𝐲 𝐦ầ𝐦 𝐭𝐫𝐨𝐧𝐠 𝐧 𝐧𝐠à𝐲 𝐧 Ig = Rg x Iv Quan sát hạt dưới kính hiển vi sau 3 giờ, 6 giờ và 24 giờ để thấy phát triển của hạt bằng kính hiển vi điện tử cầm tay Digital Microscope (Trung Quốc). Quan sát sự thay đổi về cấu trúc trên bề mặt hạt thông qua ảnh chụp SEM hạt sau khi ngâm 2 giờ với các loại nước plasma khác nhau. Mẫu thực vật tươi nên được chuẩn bị bởi phương pháp lạnh đông sâu (cryo-SEM) nhằm đảm bảo quan sát được cấu trúc chi tiết mà không bị phá vỡ. 26 2.3.3. Sự ảnh hưởng của nước hoạt hóa plasma đến quá trình tăng trưởng sớm của hạt 2.3.3.1. Theo dõi sự tăng trưởng của cây Hạt xà lách xoăn sau nảy mầm được chuyển vào các khay nhựa chứa giá thể là xơ dừa (lượng xơ dừa là bằng nhau ở tất cả các lỗ trong khay). Theo dõi cây được tưới bằng nước cất (C – Control) và các mẫu nước hoạt hóa plasma ở các mốc thời gian khác nhau trong 7 ngày. Các cây được trồng trong cùng điều kiện 30 ± 20C, 16h sáng/ 8h tối. Quan sát các chỉ tiêu: - Chiều cao là chiều cao cây được đo từ gốc đến đỉnh lá cao nhất. - Chiều dài rễ được đo từ gốc đến đỉnh rễ của rễ dài nhất. - Diện tích lá được xác định dựa vào phần mềm LeafBye trên hệ điều hành IOS. - Nồng độ diệp lục tố trong lá được đánh giá thông qua hàm lượng chlorophyll a và b phương pháp phân tích quang phổ hấp phụ của dịch lá. 1 gam lá xà lách xoăn tươi cắt nhỏ, ly tâm 6000 vòng/ phút trong 5 phút sau đó thu dịch nổi để đo lượng chlorophyll trong mẫu trước khi phân tích quang phổ hấp phụ bằng máy đo quang phổ UV - Vis. Độ hấp phụ (OD) được đo ở bước sóng 662 và 645 nm. Hàm lượng chlorophyll a và b được tính theo công thức (Lichtentaler, Wellburn, 1985): Chlorophyll a = (11,75*A662 – 2,35*A645) Chlorophyll b = (18,61*A645 – 3,96*A662) Thí nghiệm ba lần lặp lại, mỗi lần 15 cây mầm. 2.3.3.2. Theo dõi sự thay đổi trọng lượng tươi, trọng lượng khô của cây Hạt xà lách xoăn sau nảy mầm được chuyển vào các khay nhựa chứa giá thể xơ dừa (lượng xơ dừa là bằng nhau ở tất cả các lỗ trong khay). Theo dõi cây được tưới bằng nước cất (C – Control) và các mẫu nước hoạt hóa plasma ở các thời gian khác nhau trong 7 ngày. Đo trọng lượng tươi và trọng lượng khô của cây sau 7 ngày: Trọng lượng tươi được cân khi đến giờ và để trên giấy thấm hút nước còn dư ngoài cây. Trọng lượng khô được xác định sau khi sấy ở nhiệt độ 1050C sau 2 giờ hạ xuống 800C, cân lại cho đến khi trọng lượng không đổi. 27 Thí nghiệm lặp lại ba lần, mỗi lần 15 cây mầm. 2.3.4. Phương pháp xử lý số liệu Các số liệu thu được xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel® 2013 và chương trình Statistical Program Scientific System (SPSS) với Duncan’s test ở mức α = 0,05. Các bước tiến hành thí nghiệm về sự ảnh hưởng của nước hoạt hóa plasma đối với sự nảy mầm và tăng trưởng hạt trong giai đoạn sớm được tóm tắt trong sơ đồ ở hình 2.10. Hình 2.3: Các bước tiến hành theo dõi sự ảnh hưởng của PAW đối với sự nảy mầm và tăng trưởng hạt xà lách xoăn 28 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA NƯỚC HOẠT HÓA PLASMA Như đã đề cập ở chương 1, trong nước hoạt hóa plasma (Plasma Activated Water – PAW) có chứa rất nhiều hợp chất chứa oxy có hoạt tính (Reactive oxygen species – ROS) và các hợp chất chứa ni-tơ tự do (Reactive nitrogen species – RNS), nhờ vào sự khác nhau về thành phần và nồng độ của những chất này trong PAW mà PAW có các đặc tính lý hóa có khác nhau. Các loại ROS và RNS đặc trưng của của nước hoạt hóa plasma gồm NO3-, H2O2, O3, Nồng độ các hợp chất như NO3-, H2O2, O3 trong nước hoạt hóa plasma ở các thời gian khác nhau từ 5 đến 30 phút được thể hiện trong hình 3.1. Nhìn chung, tất cả các thông số về các hợp chất hình thành trong PAW đều tỉ lệ thuận với thời gian tiếp xúc của các tia plasma với nước. Hình 3.1: Sự thay đổi nồng độ của NO3-, H2O2, O3- trong nước khi thay đổi thời gian hoạt hóa plasma 29 (C: control, P5: nước hoạt hóa plasma 5 phút, P10: nước hoạt hóa plasma 10 phút, P15: nước hoạt hóa plasma 15 phút, P20: nước hoạt hóa plasma 20 phút, P25: nước hoạt hóa plasma 25 phút, P30: nước hoạt hóa plasma 30 phút) Nồng độ H2O2 tăng dần đều từ 0 ppm ở mẫu control lên đến giá trị cao nhất là 70 ppm ở thời gian hoạt hóa plasma lâu nhất là 30 phút. Sự hình thành của hydro peroxit trong nước chủ yếu bắt nguồn từ hai nguồn: 1) H2O2 được hình thành trong pha khí của plasma chuyển vào nước và 2) Tạo ra trực tiếp trong pha lỏng do sự tái kết hợp của các gốc OH hòa tan từ pha khí và / hoặc phản ứng giữa các ROS khác trong pha lỏng. Vậy nên khi tăng thời gian tiếp xúc giữa các tia plasma và nước thì lượng OH cũng như H2O2 được tạo ra càng nhiều. H2O + e → H + OH + e H2O + e → H + O + H + e H2O + + e → H + OH H3O + + e → H2 + OH + e H2O + + H- → H2 + OH H3O + + H- → H2 + OH + H OH + OH → H2O2 Với nồng độ của NO3- cũng tương tự như H2O2, nồng độ NO3- tăng dần đều khi tăng thời gian hoạt hóa plasma. Điều này phù hợp với kết quả của các nghiên cứu trước đây về sự hình thành của NO3- trong dung dịch [74,75]. Nồng độ NO3- đạt giá trị cao nhất là 60 ppm ở mẫu P30. Sự hình thành của NO3- trong PAW là nhờ vào một loạt các phản ứng hóa học diễn ra ở pha khí và pha lỏng trong quá trình hoạt hóa plasma. Cụ thể là đầu tiên nitrit được tạo ra trong nước hoạt hóa plasma thông qua sự hòa tan NOx sinh ra từ các phản ứng của N2 và O2 ở pha khí trong quá trình phóng điện plasma. Trong PAW có chứa các chất oxy hóa như H2O2 và O3 nên NO2- dễ dàng chuyển hóa thành nitrat (NO3-). Phase1: NO2 + O → NO + N 30 N + O2 → NO + N NO + O + M → NO2 + M O2 + O + M → O3 + M Phase 2: 2NO2(g) + H2O→ NO2(aq) + NO3(aq) + 2H+ NO(g) + NO2(g) + H2O → 2NO2(aq) + 2H+(aq) Phase 3: NO2 + O3→ NO3 + O2 NO2 + H2O2 + H +→ NO3 + H2O + H+ Khác với 2 trường hợp trên, sự hình thành O3 - diễn ra trong PAW rất chậm khi tăng thời gian hoạt hóa plasma. Ngoài mẫu control không chứa O3- thì mẫu P5 O3-cũng chưa được hình thành. Tăng thời gian hoạt hóa plasma lên từ 10 đến 25 phút thì lượng O3- có trong PAW cũng chỉ 0.1 ppm và tăng lên 0.15 ppm ở mẫu P30. Ngoài NO3 -, H2O2, O3 - thì trong PAW còn chứa các chất không bền như nitric oxide (NO), peroxynitrite (O=NOOH), superxide (O2 -), amonium ion (NH3). Các chất này là các chất không bền, dễ phân li trong nước và đồng thời nồng độ của chúng trong PAW cũng rất thấp nên việc định tính cũng như định lượng của các chất này rất khó. Tuy nhiên vẫn có nhiều nghiên cứu đề cập đến vai trò tích cực của các chất này đối với thực vật [76]. Thời gian hoạt hóa plasma khác nhau nên thành phần và nồng độ các hợp chất có trong PAW cũng khác nhau. Để chứng minh được sự thay đổi này ta dựa vào giá trị độ dẫn điện và pH của các loại PAW. Dựa vào kết quả đo độ dẫn điện ở hình 3.2 ta có thể thấy khi tăng thời gian hoạt hóa plasma thì độ dẫn điện trong nước cũng tăng. Nước cất có độ dẫn là 1 µS/cm sau khi có sự tác động của tia plasma đã tăng dần đều lên 10 µS/cm, 13 µS/cm, 15 µS/cm lần lượt ở các mẫu P5, P10 và P15. Khi tiếp tục tăng thời gian hoạt hóa plasma thì độ dẫn điện bắt đầu tăng chậm lại đến P25 và P30 là 18 µS/cm. Sự thay đổi độ dẫn điện này là do sự hình thành của các hợp chất ROS, RNS và ion trong quá trình hoạt hóa plasma đã hòa tan trong nước [76]. Điều này phù hợp với kết quả về các hợp chất sinh ra sau plasma trong PAW ở hình 3.1, lượng H2O2, NO3- và O3- đã làm tăng độ dẫn điện của dung dịch. 31 Hình 3.2: Sự thay đổi độ dẫn điện của nước khi tăng thời gian hoạt hóa plasma Bên cạnh độ dẫn điện thì pH cũng là giá trị thể hiện được sự thay đổi thành phần các chất có trong PAW. Hình 3.3 cho thấy độ pH của PAW tỉ lệ nghịch thời gian hoạt hóa plasma. Cụ thể hơn, ở thời gian đầu hoạt hóa plasma, giá trị pH giảm mạnh từ 6.22 ở mẫu control xuống 4.79 ở mẫu P15. Khi tiếp tục tăng thời gian hoạt hóa plasma thì pH của các dung dịch PAW tiếp tục giảm nhưng không đáng kể, chỉ trong khoảng 4.77 – 4.65 (P20 – P30). Sự thay đổi này được giải thích là do sự hình thành của các axit bền cũng như không bền khi các tia plasma tương tác với nước [76]. Khi các tia plasma tương tác với nước sẽ tạo ra NOx, chất này ngoài việc tạo ra NO3- và NO2- trong PAW còn có vai trò góp phần làm cho độ pH của dung dịch thấp [32,54]. Hơn nữa, các gốc NO3- và NO2- trong pha lỏng dễ dàng kết hợp với H+ để hình thành axit HNO3 và HNO2, điều này cũng góp phần làm giảm pH của PAW. Mặt khác, theo kết quả ở hình 3.1 thì càng tăng thời gian hoạt hóa plasma thì lượng H2O2 – một axit yếu sinh ra càng nhiều, vì thế độ pH của PAW cũng bị ảnh hưởng. 0 5 10 15 20 C P5 P10 P15 P20 P25 P30 E C , μ S /c m Tên mẫu EC EC 32 Hình 3.3: Sự thay đổi pH trong nước khi tăng thời gian hoạt hóa plasma Qua các kết quả về tính chất lý hóa của nước hoạt hóa plasma vừa trình bày ta thấy sự hình thành của các hợp chất trong PAW tỉ lệ thuận với thời gian hoạt hóa plasma. Trong phạm vi đề tài, tôi chỉ thực hiện khảo sát thời gian hoạt hóa plasma trong 30 phút đầu vì qua kết quả thực tế cho thấy ở khoảng thời gian sau 20 phút thì sự hình thành của các chất được sinh ra trong PAW bắt đầu chậm dần (khi tiếp tục tăng thời gian hoạt hóa plasma lên đến 60 phút thì pH của PAW cũng không thay đổi – kết quả tại phòng thí nghiệm thể hiện ở hình 3.4). Như đã trình bày, trong thành nước hoạt hóa plasma có nhiều hợp chất khác nhau và nồng độ của các hợp chất này cũng không giống nhau. Chính vì thế mà việc tìm hiểu về mối quan hệ giữa cách thành phần và nồng độ các chất trong PAW đến sự kích thích nảy mầm hạt là điều cần quan tâm để có thể chọn lọc và áp dụng công nghệ plasma trong nông nghiệp. Các thí nghiệm tiếp theo đã sử dụng các PAW có thời gian hoạt hóa từ 5 đến 30 phút để khảo sát. 4 4.5 5 5