Công nghệ nano ứng dụng trong chăn nuôi

Công nghệ nano (nanotechnology) đang làm một cuộc cách mạng trong nhiều ngành công nghiệp. Đối với ngành nông nghiệp, công nghệ nano cũng đang được nghiên cứu để áp dụng vào sản xuất.

Công nghệ nano được định nghĩa là: “một ngành khoa học và công nghệ mà ở đó các kích thước từ 0,1 tới 100 nanomet (nm) đóng vai trò chủ đạo” (định nghĩa của Học viện Công nghệ Nano Anh quốc) .

Nanomét là đơn vị đo lường bằng một phần tỷ của mét. Để hình dung một phần tỷ của mét to nhỏ như thế nào hãy so sánh một số con số sau: một sợi tóc có bán kính bằng 10-50 micromét, một tế bào hồng cầu hay bạch cầu có bán kính 2-5 micromét (mỗi micromét có 1000 nm), đường kính của vòng xoắn kép DNA bằng 2,5 nm, khoảng cách giữa các nguyên tử carbon trong phân tử, tức là chiều dài của dây nối giữa carbon này với carbon khác là 0,12-0,15 nm.

Trường Đại học Copenhaghen – Đan mạch đang tiến hành nghiên cứu nano sinh học, được gọi là “nanobiotics”, đặc biệt là những nghiên cứu về  nano bạc (Nanobiotic Silver) ứng dụng trong ngành chăn nuôi gia cầm. Những nghiên cứu này của Đại học Copenhaghen đã kết hợp với Đại học Warsaw từ năm 2007.

Bạc và những ion của nó từ lâu đã được biết là có tính kháng khuẩn. Tuy nhiên những ion bạc thì độc với liều rất nhỏ, cho nên bị hạn chế sử dụng làm chất kháng khuẩn trong chăn nuôi.

Công nghệ nano đã tạo ra được những hạt bạc có kích thước nano (Nanobiotic-Ag) có đặc tính sinh học cao, độc tính thấp và không có tính kháng thuốc. Không những thế Nanobiotic-Ag còn có thể tăng hoạt động chuyển hoá tế bào, từ đó dẫn đến tăng tốc độ sinh trưởng của động vật. Các nhà khoa học của các trường đại học trên dự kiến Nanobiotic có thể thay thế kháng sinh cũng như các thuốc chống cầu trùng (coccidiostate) vào năm 2010.

Một dự án công nghệ nano của Đan mạch mang tên “Dự án bảo vệ gà mái và gà thịt chống lại bệnh truyền nhiễm”, viết tắt là CHIP (Chicken and Hen Infection Protection Project) đã được triển khai với sự tham gia của 13 đối tác thuộc khu vực nhà nước và tư nhân. Thời gian thực hiện dự án là 4 năm với kinh phí là 13,4 triệu DKK (tương đương 2,3 triệu USD), kinh phí này do Bộ Khoa học, Công nghệ và Đổi mới của Đan mạch tài trợ.

Mục tiêu của CHIP là sử dụng những thành quả mới nhất của công nghệ nano và công nghệ sinh học để phá vỡ những con đường truyền bệnh và hạn chế các bệnh truyền nhiễm trong ngành chăn nuôi gia cầm. Dự án nhắm chủ yếu vào vấn đề vệ sinh bằng cách thử nghiệnhững thuốc vô trùng mới và những chất phủ bề mặt các thiết bị chuồng nuôi bằng chất liệu nano (nanocoating). Các chất phủ bề mặt này vừa dễ làm sạch , vừa có tính sát khuẩn. Dự án cũng nghiên cứu tác động của “nanobiotics” đến số lượng vi khuẩn và tốc độ đột biến của chúng, đến khả năng gây bệnh và tình trạng bệnh để từ đó đưa ra các giải pháp phòng ngừa và xử lý hiệu quả cho những đàn gia cầm lớn. Vi khuẩn E.coli được dùng làm mô hình nghiên cứu cho nhóm vi khuẩn gram âm và vi khuẩnEnterococcus feacalis được dùng làm mô hình nghiên cứu cho nhóm vi khuẩn gram dương.

Một dự án khác của Đan mạch là nghiên cứu hiệu quả của công nghệ nano bề mặt ( nanocoating) đối với các thiết bị quạt thông gió trong chuồng nuôi. Sự tiêu thụ điện của quạt đã được đánh giá theo một số loại chất phủ bề mặt khác nhau, trong đó có  nano-bạc.

Bụi trong chuồng có thể bám vào các phiến lọc của quạt dày đến 1cm, làm giảm hiệu quả thông gió và tăng chi phi phí điện (mỗi trại gà của Đan mạch hàng năm chi từ 100 ngàn đến 200 ngàn DKK, tương đương 18-36 ngàn USD cho việc sử dụng điện).

Trong một thí nghiệm sử dụng quạt phủ nano-bạc đã thấy giảm 6% chi phí về điện. Những ion từ  nano-bạc đã ngăn không cho bề mặt bị phủ bởi một lớp biofilm, nhờ vậy bụi không có cơ hội dính vào lớp biofilm này (biofilm tạm dịch là màng sinh học do sự kết tập của các vi khuẩn trên bề mặt các chất vô cơ hay hữu cơ).

Công nghệ nano đã có những ứng dụng to lớn và hữu ích trong các ngành điện tử, năng lượng, y dược, mỹ phẩm…và sẽ còn đi xa hơn nữa trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong sinh y học.

Công nghệ mô nano (Nanotissue Engineering) có tham vọng tổng hợp nên những khung sinh học của các mô trong cơ thể, các khung này có cấu trúc nano, có thể tự thiết kế và tái tạo giống như protein tự nhiên. Và như vậy con người có thể  hy vọng tạo ra được “collagen nhân tạo”, “tuỷ sống nhân tạo” hay “võng mạc nhân tạo” … để thay cho xương bị gẫy, để chữa bại liệt cho những người bị tổn thương cột sống hoặc để cho những người  mù sáng mắt lại.

Trước mắt công nghệ nano còn nhiều thách thức cả về khoa học về công nghệ cũng như về sức khoẻ và môi trường.

Thách thức lớn nhất phải kể đến là con đường bắt chước tự nhiên để chế tạo và lắp ráp những vật liệu có cấu trúc nano. Xin nêu một thí dụ để minh hoạ:

Cây xanh có chất diệp lục (chloroplast) có khả năng chuyển ánh sáng mặt trời thành năng lượng và sinh khối với hiệu suất cao. Chloroplast chứa hàng trăm cấu trúc kích thước nanomet gọi là thylakoid. Bên trong thylakoid có những anten có cấu trúc nano có thể bắt được ánh sáng một cách hiệu quả và chuyển chúng thành hoá năng. “Pin mặt trời” là dụng cụ quang điện do con người tạo ra cũng có thể chuyển năng lượng của ánh sáng mặt trời thành điện năng. Tuy nhiên “pin mặt trời” thì đắt hơn và hiệu suất chuyển hoá kém hơn rất nhiều so với “pin cây xanh” (chloroplast).

Pin mặt trời hay những thiết bị quang điện cũng như các thiết bị vi điện tử do con người  tạo ra đều đi theo con đường “từ trên xuống” (top-down), đó là con đường đi từ vật liệu có cấu trúc lớn đến vật liệu có cấu trúc nano. Ở các hệ thống sinh học, sinh vật sử dụng con đường “từ dưới lên” (bottom-up), đó là con đường “tự lắp ráp” những phân tử thành các cấu trúc nano, rồi thành các cấu trúc lớn hơn và cuối cùng thành cái cây hay con vật.

Một thách thức rất lớn cho công nghệ nano là cần phải tìm cách kết hợp hai con đường này để cho phép chúng ta lắp ráp được những thiết bị quang điện và điện tử rẻ tiền và hiệu quả giống như tự nhiên.

Liên quan đến môi trường và sức khoẻ của công nghệ nano, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng những hạt nano-bạc đưa vào sợi tất để khử mùi hôi chân có thể thải vào rác thải và gây những hậu quả tiêu cực. Hạt nano-bạc có tác dụng ức chế sự hoạt động của vi khuẩn bệnh cũng có thể phá hoại vi khuẩn có lợi được sử dụng để phân giải chất thải hữu cơ trong các trang trại hay trong các nhà máy xử lý rác thải.

Một nghiên cứu gần đây cho biết một vài dạng của carbon nanotube có thể có hại như bụi amian nếu hít vào một số lượng nào đó. Như vậy khi thực hành trên loại vật liệu nano này thì cần có biện pháp đề phòng cẩn thận.

Trong khi chưa có những quy định hướng dẫn về nano của Nhà nước, Paull và Lyons (tạp chí Organic Systems, 3(1) 3-22, 2008) cho rằng : “cần loại bỏ tất cả các hạt nano trong các loại thực phẩm hữu cơ”.

Học viện Nông Nghiệp Việt Nam