Giới thiệu về công nghệ plasma
Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất, khác biệt với các trạng thái rắn, lỏng và khí. Plasma được hình thành khi một nguồn năng lượng lớn được cung cấp cho chất khí, làm ion hóa và tạo ra một hỗn hợp chứa các electron, ion và phân tử năng lượng cao. Plasma lạnh, hay plasma ở nhiệt độ thấp, mang lại lợi ích đặc biệt trong nông nghiệp do tính hiệu quả trong xử lý mà không làm tăng nhiệt độ môi trường.
Cơ chế hoạt động của plasma lạnh và sản xuất nước plasma kích hoạt (PAW).
Plasma lạnh, hay plasma ở nhiệt độ thấp, là một dạng năng lượng được tạo ra khi khí bị ion hóa. Trong nông nghiệp, plasma lạnh được sử dụng để sản xuất nước kích hoạt bằng plasma (PAWs) nhờ quá trình phóng điện plasma trong môi trường nước chứa khí O₂.
Plasma lạnh được tạo ra qua quá trình ion hóa khí ở nhiệt độ thấp và có thể tạo ra các chất hoạt tính như ROS (Reactive Oxygen Species) và RNS (Reactive Nitrogen Species), bao gồm ozone, nitrit, và hydro peroxide. Trong sản xuất nước plasma kích hoạt (PAW), khí O₂ được ion hóa trong môi trường nước qua thiết bị đặc biệt, cho phép tạo ra một dung dịch giàu các chất oxy hóa mạnh mà không làm thay đổi nhiệt độ của nước.
PAW có tính ứng dụng cao nhờ các ROS và RNS trong nước có khả năng kháng khuẩn, chống nấm, cũng như cung cấp nguồn dinh dưỡng nitơ cho cây trồng.
Theo nghiên cứu của Aktar và cộng sự (2021), quá trình tạo plasma lạnh được thực hiện bằng một thiết bị phóng plasma trong nước với cấu trúc thiết kế đặc biệt từ thủy tinh Pyrex và dây tungsten làm điện cực. Nguồn điện xoay chiều từ 1–10 kV, 0,5–10 kHz tạo plasma phóng điện, cho phép dòng khí O₂ đi qua nước mà không làm thay đổi nhiệt độ của nước plasma kích hoạt (PAW). Dòng khí O₂ này kích thích tạo ra các chất oxy hóa mạnh (ROS) như ozone và nitrit trong PAW, giúp tăng hiệu quả xử lý trong nông nghiệp.
Hình: (a) Sơ đồ thiết bị, (b) phóng plasma trong nước
(Aktar và cộng sự, 2021)
Các ứng dụng nổi bật của công nghệ plasma trong nông nghiệp:
Khử trùng và loại bỏ dư lượng hóa chất:
Plasma lạnh tạo ra các chất oxy hóa mạnh như ROS và RNS (các loại oxy hóa và nitrit hoạt tính), có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, nấm mốc và các vi sinh vật gây bệnh trên bề mặt thực phẩm, hạt giống và sản phẩm nông sản. Ứng dụng plasma trong nước hoặc dung dịch đệm (PAW và PABS) giúp phân hủy các dư lượng thuốc trừ sâu trên trái cây, rau củ mà không gây ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm.
Một nghiên cứu của Murtaza Ali và cộng sự (2021) cho thấy việc sử dụng nước plasma kích hoạt (PAL) có thể giảm đáng kể dư lượng thuốc trừ nấm chlorothalonil (CTL) và thiram (THM) trên quả cà chua mà vẫn giữ được chất lượng sản phẩm. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: PAL với thành phần khí đầu vào là không khí hoặc Ar/O₂, có thể giảm lượng CTL và THM lên tới hơn 70% mà không làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của cà chua.
Xử lý hạt giống và kích thích sự tăng trưởngcủa cây trồng:
Plasma cũng được ứng dụng để xử lý hạt giống, nhằm tăng tỷ lệ nảy mầm và thúc đẩy sự sinh trưởng của cây giống. Các ion và chất oxy hóa trong plasma kích thích sự phát triển tế bào, cải thiện sức khỏe của hạt giống, giúp cây trồng phát triển nhanh hơn và thích ứng tốt hơn với điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Nghiên cứu của Aktar và cộng sự (2021) cũng chỉ ra rằng sử dụng plasma lạnh (PAW) trong xử lý khoai tây giúp kiểm soát hiệu quả bệnh mốc sương mai và tăng năng suất. Thí nghiệm trên khoai tây cho thấy tỷ lệ bệnh trên lá giảm, đồng thời năng suất cây trồng tăng lên nhờ vào xử lý hạt giống và phun trên lá bằng PAWs.
Cũng có một nghiên cứu của N. Punith và công sự (2019) đã phát triển quá trình tạo ra PAW. Nghiên cứu được thực hiện tạo ra PAW, tiến hành đo công suất và sử dụng phổ phát xạ quang học (OES). Điều đặc biệt là đây là lần đầu tiên plasma hồ quang được sử dụng để đánh giá tác động của PAW đối với sự phát triển của cây cà chua. Kết quả nghiên cứu cho thấy các cây cà chua được xử lý bằng PAW trong 30 phút (PAW-30) có sự tăng trưởng vượt trội: chiều dài chồi tăng 1,5 lần, số lượng lá tăng 4 lần và hàm lượng chất diệp lục trong lá cao gấp đôi so với nhóm đối chứng. Ngoài ra, trọng lượng tươi của cây được xử lý bằng PAW-30 cao hơn 61% so với cây đối chứng.
Nghiên cứu này mang đến tiềm năng cho việc ứng dụng PAW trong nông nghiệp bền vững, nhằm giảm bớt sự phụ thuộc vào phân bón hóa học và giảm tác động đến môi trường.
Cải thiện chất lượng và bảo quản nông sản sau thu hoạch:
Ứng dụng plasma có thể duy trì chất lượng thực phẩm sau thu hoạch bằng cách khử trùng bề mặt và kéo dài thời gian bảo quản mà không cần sử dụng hóa chất bảo quản. Công nghệ plasma giúp tiêu diệt vi khuẩn và ngăn ngừa sự phát triển của chúng trong thời gian dài, góp phần duy trì giá trị dinh dưỡng và chất chống oxy hóa trong nông sản.
Bảo vệ môi trường và giảm thiểu hóa chất:
Plasma có thể xử lý nước thải và đất nông nghiệp, loại bỏ các chất độc hại, giúp cải thiện môi trường sinh thái, hạn chế ô nhiễm nguồn nước và đất canh tác. Bằng cách giảm thiểu lượng thuốc trừ sâu và phân bón hóa học, plasma cũng giảm tồn dư hóa chất trong sản phẩm nông nghiệp và giảm nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng.
Ứng dụng công nghệ plasma kết hợp trong nông nghiệp đang mang đến bước tiến mới trong cải thiện chất lượng và hiệu quả sản xuất. Đây không chỉ là một giải pháp an toàn và thân thiện với môi trường mà còn là một phương pháp tiên tiến giúp ngành nông nghiệp phát triển bền vững.
ThS. Trần Thị Thưa -
Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Dịch vụ khoa học công nghệ
Nguyễn Tri Thức thực hiện
