Tài liệu Nghiên cứu vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong đất lúa vùng đồng bằng sông hồng​.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Vân NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA PHYTOLITH ĐỐI VỚI SỰ TÍCH LŨY CACBON HỮU CƠ TRONG ĐẤT LÚA VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Vân NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA PHYTOLITH ĐỐI VỚI SỰ TÍCH LŨY CACBON HỮU CƠ TRONG ĐẤT LÚA VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 8440301.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN NGỌC MINH Hà Nội – Năm 2020 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu, học viên đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ và sự hỗ trợ nhiệt tình của nhiều tập thể, cá nhân tạo điều kiện thuận lợi cho học viên hoàn thành luận văn này. Lời đầu tiên, học viên xin chân thành cảm ơn các thầy cô và Bộ môn Tài nguyên và Môi trường Đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để học viên có thể học tập và làm việc trong thời gian nghiên cứu. Đặc biệt, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành, lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng tới PGS.TS. Nguyễn Ngọc Minh - Bộ môn Tài nguyên và Môi trường Đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và góp ý để học viên hoàn thành luận văn. Học viên xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè luôn quan tâm động viên, ủng hộ và giúp đỡ trong suốt quá trình hoàn thiện luận văn. Học viên xin cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí thực hiện từ đề tài QG.17.22. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Nguyễn Thị Vân MỤC LỤC Chƣơng 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................. 3 1.1.Tổng quan về silic và phytolith...................................................................................... 3 1.1.1.Các dạng tồn tại của silic trong môi trường đất .......................................................... 3 1.1.2.Sự hình thành phytolith trong thực vật ....................................................................... 7 1.1.3.Vai trò của phytolith đối với thực vật ....................................................................... 12 1.1.4.Sự tích lũy phytolith và các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy phytolith trong môi trường đất .................................................................................................................. 16 1.2.Tổng quan về cacbon hữu cơ trong môi trường đất ..................................................... 19 1.2.1.Nguồn cacbon hữu cơ trong môi trường đất ............................................................. 19 1.2.2.Vai trò của cacbon hữu cơ trong đất ......................................................................... 21 1.2.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng chất hữu cơ trong đất ................................... 22 1.3. Mối quan hệ giữa phytolith và cacbon hữu cơ (PhytOC) trong môi trường............... 24 Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ 28 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 28 2.2. Phương pháp thu thập và tiền xử lý mẫu nghiên cứu ................................................. 30 2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 31 2.3.1. Xác định đặc điểm của phytolith trong cây lúa ....................................................... 32 2.3.2. Xác định đặc điểm của phytolith trong môi trường đất ........................................... 33 2.3.3. Xác định mối quan hệ giữa phytolith với một số tính chất lý, hóa học trong môi trường đất .................................................................................................................. 34 2.3.4.Xác định mối quan hệ giữa phytolith và một số tính chất lý, hóa học với loại đất .. 36 Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................................... 37 3.1.Đặc điểm của khu vực nghiên cứu ............................................................................... 37 3.2.Đặc điểm của phytolith trong cây lúa .......................................................................... 39 3.2.1. Hình thái và cấu trúc của phytolith trong cây lúa .................................................... 39 3.2.2. Thành phần hóa học của phytolith trong cây lúa ..................................................... 42 3.3.Đặc điểm của phytolith trong môi trường đất .............................................................. 45 3.3.1. Hình dạng và cấu trúc của phytolith trong môi trường đất ...................................... 45 3.3.2. Thành phần hóa học của phytolith trong môi trường đất ......................................... 46 3.4.Xác định mối quan hệ giữa phytolith với một số tính chất lý, hóa học trong môi trường đất ..................................................................................................................... 47 3.5.Xác định mối quan hệ giữa phytolith, một số tính chất lý, hóa học trong môi trường đất với loại đất ................................................................................................................... 54 KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 59 PHỤ LỤC.......................................................................................................................... 64 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Alox Hàm lượng Al linh động được tách chiết bằng oxalat ASi Silic vô định hình C EC Cacbon Nồng độ muối tan trong đất Feox Hàm lượng Fe linh động được chiết bằng oxalat MSi Silic trong khoáng vật OC PhytOC Si Chất hữu cơ Phytolith chứa chất hữu cơ Silic DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Địa điểm và thời gian thu thập mẫu nghiên cứu ....................................... 28 Bảng 2. Tóm tắt phương pháp nghiên cứu được sử dụng để xác định một số chỉ tiêu lý, hóa học trong môi trường đất ..................................................................... 34 Bảng 3: Kết quả phân tích một số tính chất lý, hóa cơ bản của mẫu đất ............... 47 Bảng 4: Hàm lượng phytolith trong mẫu đất ......................................................... 49 Bảng 5: Hệ số tương quan (theo Pearson’s test) giữa phytolith và một số tính chất lý hóa học môi trường đất khu vực nghiên cứu. .................................................... 53 Bảng 6: Thông tin về tính đồng nhất của phương sai ............................................54 Bảng 7: Hệ số tương quan trong phân tích Anova ................................................. 55 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Bồn Si trong đất và quá trình biến đổi (không tính xói mòn, lắng). ........... 3 Hình 2: Các bồn Si sinh học trong đất ..................................................................... 5 Hình 3: Phytolith trong cây lúa ................................................................................ 9 Hình 4: Quá trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật ............................. 11 Hình 5: Vai trò của Si trong việc giảm tác động của kim loại năng ở thực vật ..... 14 Hình 6: Vòng tuần hoàn của silic/phytolith trong đất lúa. ..................................... 17 Hình 7: Tích luỹ C trong đất trồng có hàm lượng PhytOC khác nhau .................. 25 Hình 8: Vị trí lấy mẫu nghiên cứu khu vực đồng bằng sông Hồng ....................... 28 Hình 9: Cấu trúc khung xương silic (phytolith) trong lá lúa (a) và trong mặt cắt ngang thân cây lúa (b) tái hiện từ dữ liệu chụp cắt lớp siêu hiển vi. ..................... 41 Hình 10: Hình ảnh phytolith trong tro rơm rạ được chụp qua kính hiển vi (a) và Phổ EDX của mẫu phytolith trong tro đốt rơm rạ (b). ........................................... 42 Hình 11. Biểu đồ phân tích nhiệt sai đối với mẫu rơm rạ của khu vực nghiên cứu .... 44 Hình 12: Hình ảnh phytolith trong môi trường đất được chụp bằng kính hiển vi điện tử .................................................................................................................... 45 Hình13: Phổ EDX của mẫu phytolith trong mẫu phytolith được tách tỷ trọng ..... 46 LỜI MỞ ĐẦU Phytolith là một dạng khoáng silic hình thành trong thực vật và mới chỉ nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong hai thập kỷ gần đây, nhờ vào ý nghĩa đối với môi trường của nó, cũng như đối với dòng dinh dưỡng Si trong các hệ sinh thái nông nghiệp (Sommer và nnk, 2006). Trong số 10 cây lương thực quan trọng nhất thì có đến 7 cây trồng thuộc nhóm siêu tích lũy Si, trong đó có lúa và ngô. Trung bình mỗi năm trên diện tích 1 ha, lúa có thể lấy đi khỏi đất khoảng 1 tấn Si, và lượng Si này sẽ bị mất đi nếu phế phụ phẩm (rơm rạ, trấu) không được hoàn trả lại đồng ruộng. Kể cả khi được hoàn trả lại thông qua vùi lấp hay đốt và bón trở lại, Si cũng có thể nằm ở dạng phytolith (Si sinh học). Phytolith được coi là kho dự trữ Si lý tưởng để cung cấp kịp thời cho nhu cầu của cây trồng do chúng hòa tan dễ hơn so với các silicat trong đất. Do tồn tại ở dạng vô định hình, phytolith có tốc độ hòa tan nhanh gấp khoảng 50 lần so với đa số các khoáng vật silicat trong đất (Fraysse và nnk, 2009). Tuy nhiên, quá trình hòa tan của phytolith bị chi phối mạnh mẽ bởi các yếu tố lý hóa học trong môi trường đất như pH, Eh, nồng độ và dạng các ion hòa tan trong dung dịch đất. Các yếu tố lý hóa học này có thể tác động trực tiếp đến các liên kết hóa học bề mặt của phytolith (Nguyen và nnk, 2015), giúp tăng cường hoặc hạn chế sự bẻ gãy các liên kết Si-O trên bề mặt và do đó thay đổi khả năng hòa tan của phytolith. Việt Nam có gần 4 triệu hecta đất canh tác lúa nước phân bố chủ yếu ở đồng bằng sông Hồng, dải đồng bằng duyên hải miền trung, và đồng bằng sông Cửu Long. Đây được coi là các “hệ sinh thái giàu C và Si”, và có dòng tuần hoàn các nguyên tố (theo thời vụ canh tác) tương đối nhanh. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của những phương pháp canh tác trong nông nghiệp, như hình thức vùi hoặc đốt rơm rạ có tác động như thế nào đối với “hệ sinh thái giàu C và Si” vẫn là một nội dung được quan tâm rất nhiều, không chỉ đối với các nhà khoa học mà còn có sự quan tâm đặc biệt của những người nông dân tại đất nước nông nghiệp này. Hơn nữa, trong những năm gần đây, sự gia tăng lượng phát thải khí CO 2 trên toàn cầu đang là một trong những vấn đề ngày càng trở nên cấp bách vì đây là 1 nguyên nhân góp phần làm cho trái đất nóng lên. Sự tích lũy cacbon trong các hệ sinh thái trên cạn là hướng tiếp cận đầy triển vọng nhằm giảm thiểu lượng phát thải khí CO2 vào bầu khí quyển, từ đó giảm nhẹ các tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu. Vì vậy, các nghiên cứu về phytOC - cacbon hữu cơ có trong cấu trúc của phytolith ngày càng được biết đến và nghiên cứu rộng rãi hơn. Do đó, đề tài “Nghiên cứu vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong đất lúa vùng đồng bằng sông Hồng” được thực hiện với mục tiêu như sau: 1. Cung cấp thông tin về cacbon hữu cơ và phytolith có trong môi trường đất và trong rơm rạ; 2. Tìm hiểu mối quan hệ giữa cacbon hữu cơ và phytolith; các yếu tố có ảnh hưởng đến sự tích lũy hoặc giải phóng của thành phần cacbon hữu cơ và phytolith trong môi trường; 3. Tìm hiểu mối quan hệ của loại đất đến phytolith và đến các yếu tố môi trường; 4. Đánh giá ảnh hưởng của phytolith đối với sự tích lũy cacbon trong môi trường. Với những mục tiêu trên, đề tài được tiến hành với những nội dung chính: 1. Nghiên cứu mức độ tích lũy cacbon hữu cơ và phytolith trong môi trường đất và trong rơm rạ; 2. Nghiên cứu mối quan hệ của cacbon hữu cơ và phytolith trong môi trường đất và các điều kiện ảnh hưởng đến mối quan hệ của 2 yếu tố; 3. Nghiên cứu mối quan hệ của loại đất đến phytolith và các yếu tố môi trường; 4. Nhận diện vai trò của phytolith đối với sự tích lũy cacbon hữu cơ trong môi trường đất. 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về silic và phytolith 1.1.1. Các dạng tồn tại của silic trong môi trường đất Silic (Si) là nguyên tố phổ biến thứ hai trong lớp vỏ trái đất với hàm lượng khoảng 28,8%. Là nguyên tố có mặt trong hầu hết các loại đá mẹ, do đó, Si trở thành một trong những nguyên tố cơ bản có mặt trong phần lớn các loại đất. Hàm lượng Si trong đất rất khác nhau đối với các loại đất khác nhau, phụ thuộc vào bản chất của đá mẹ và các quá trình chuyển hóa diễn ra trong đất. Mặc dù Si là một nguyên tố có tỷ trọng lớn, quan trọng trong đất, tuy nhiên nguyên tố này còn ít nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học. Hình 1: Bồn Si trong đất và quá trình biến đổi (không tính xói mòn, lắng) (Sommer và nnk, 2006). Trong lớp vỏ trái đất, Si chủ yếu tồn tại trong các khoáng vật silicat, trong đó bao gồm các oxit silic và 90% tất cả các loại khoáng vật đều chứa Si. Do đó, Si trở thành nguyên tố phổ biến thứ hai trên vỏ trái đất chỉ sau oxy. Bồn Si trong các khoáng vật đất bao gồm 3 phần chính: (1) khoáng vật nguyên sinh từ đá mẹ; (2) khoáng vật thứ sinh (chủ yếu là các khoáng vật sét có cấu trúc tinh thể) và (3) khoáng vật thứ sinh có cấu trúc vi tinh thể và vô định hình được phát triển thông qua quá trình hình thành đất (Monger và nnk, 2002). 3 a) Dạng silic trong khoáng vật Bồn khoáng vật Si trong đất gồm hai loại lớn: (1) khoáng vật nguyên sinh có nguồn gốc từ đá mẹ (thạch anh, fenspat, mica) và (2) các khoáng vật thứ sinh là kết quả của quá trình hình thành đất và bao gồm bốn giai đoạn: tinh thể (chủ yếu khoáng vật sét), tinh thể kém (thạch anh autigenic, opa CT, chalcedon), các dạng khoáng vật nano có trật tự thấp (Opal A, imogolite, allophane), oxit silic vô định hình (pedogenic Si) (Sommer và nnk, 2006). Khoáng vật nguyên sinh có nguồn gốc từ đá mẹ quyết định tính chất vật lý và hóa học của khoáng vật thứ sinh và các loại đất phát triển trên đó. Quá trình phong hoá khoáng vật nguyên sinh giải phóng ra các cation linh động cao (Ca2+, Mg2+, K+, Na+), một phần Si(OH)4, Al và Fe ít linh động vào dung dịch đất (Karathanasis và nnk, 2006). Một phần của Si giải phóng từ cấu trúc khoáng vật phản ứng với Al (và ở mức độ thấp hơn Fe và Mg) để tạo thành các khoáng sét thứ cấp, trong khi phần còn lại bị rửa trôi. b) Dạng silic hòa tan Trong dung dịch đất, Si tồn tại dưới dạng hòa tan có hàm lượng dao động từ khoảng 0,1 - 0,6 mM hoặc lên đến 0,8 mM ở trạng thái cân bằng khi pH dung dịch dưới 9 (Ma và Takahashi, 2002). Tuy nhiên, trong điều kiện kiềm mạnh (pH > 9), một phần của axit monosilicic chuyển sang thành polyme và nồng độ Si hòa tan trong dung dịch đất tăng gần như theo cấp số nhân với pH, là kết quả của sự phát triển đặc biệt H3SiO4- và H2SiO42-. Nồng độ của Si hòa tan trong đất biến thiên đa dạng, mặc dù quá trình thẩm thấu của Si từ đất và sự hấp thu của thực vật là quá trình quan trọng trong việc xác định nồng độ Si. Phần lớn nồng độ cân bằng được kiểm soát bằng các phản ứng hấp phụ/giải hấp, thành phần khoáng vật, sự cân bằng nước, nhiệt độ và phản ứng sinh hóa. Hơn nữa, nồng độ Si hòa tan trong dung dịch đất có liên quan đến chế độ nhiệt và khả năng giữ nước của đất (Drees và nnk, 1989). Nồng độ Si tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng từ 5 đến 25°C. Các hợp chất hữu cơ như axit hữu cơ có phân tử thấp góp phần vào sự phong hóa khoáng vật đất thông qua quá trình axit hóa và phản ứng tạo phức. Sự hiện diện của nhôm và sắt oxit dẫn đến giảm hàm lượng của 4 Si hòa tan trong dung dịch đất. Cụ thể, quá trình phong hóa mạnh mẽ, SiO2 tự do có thể bị cạn kiệt bởi sự hấp thụ hoặc liên kết của sesquioxit lên bề mặt và tách ra khỏi dung dịch đất. pH là yếu tố ảnh hưởng đáng kể tới sự hòa tan của Si, liên quan đến sự hấp thụ của axit monosilicic bởi sắt, nhôm và khoáng sét trong đất. Quá trình hấp thụ này được cho là tối ưu khi pH khoảng 9,5; khả năng hấp thụ Si hòa tan của đất thay đổi theo giá trị pH và đạt giá trị tốt nhất ở pH trong khoảng 8 đến 9. c) Dạng silic sinh học Si vô định hình được tìm thấy trong lá cây, thân cây, cơ quan sinh sản, rễ cây và tập trung nhiều nhất ở những nơi có lượng nước mất đi lớn nhất của cây. Sau khi lá rụng và cây chết đi, Si sinh học sẽ được trả lại cho tầng mặt và đóng góp vào bồn Si vô định hình ở tầng này. Si sinh học trong đất có thể chia thành các nhóm chính: Si (1) từ động vật, (2) từ thực vật (bao gồm cả phytolith), (3) từ vi sinh vật và (4) từ sinh vật đơn bào (Hình 2). Hình 2: Các bồn Si sinh học trong đất (Sommer và nnk, 2006) Đối với các bồn Si có nguồn gốc từ vi sinh vật và sinh vật đơn bào, hiện nay mới chỉ có các bằng chứng chứng tỏ sự có mặt của của bồn Si này trong đất (Clarke, 2003). Hệ vi sinh vật ảnh hưởng tới quá trình chuyển hóa Si trong đất thông qua các quá trình: (1) phân hủy lá, xác thực vật (giúp giải phóng Si từ rễ và các mô thực vật) và (2) thúc đẩy quá trình hòa tan các khoáng vật do hoạt động của nấm sợi (Smits và nnk 2005). Thành tế bào của vi sinh vật có thể đóng vai trò như hạt nhân tinh thể trong quá trình kết tủa Si (Kawano và Tomita, 2001). 5 Si tích lũy vào thực vật thông qua quá trình hút thu bị động cùng với nước hoặc qua cơ chế hút thu chủ động. Hàm lượng Si trong thực vật dao động từ 0,1 đến 16% khối lượng khô (Datnoff và nnk, 2001; Epstein, 1994). Trung bình, hàm lượng Si trong thực vật chiếm từ 1 đến 3% trọng lượng khô, tuy nhiên, một số loài tích lũy lượng Si vô định hình tới 10%, thậm chí cao hơn. Từ việc tiến hành điều tra trên 175 loài thực vật phát triển trên cùng một loại đất, Takahashi và Miyake (1976) đã phân chia thực vật thành hai nhóm: nhóm tích lũy Si (lượng Si hút thu >> lượng nước hút thu) và nhóm không tích lũy Si (lượng Si hút thu ≤ lượng nước hút thu). Marschner (1995) đã phân loại thực vật thành ba nhóm dựa trên hàm lượng Si trong chất khô của cây: (1) các loài họ Cói (Cyperaceae) thuộc bộ hòa thảo và các cây sống ở đất ngập nước (ví dụ như cây lúa) có chứa 10 - 15% SiO2 trong chất khô; (2) các cây trồng cạn như lúa mì, mía… với hàm lượng Si trong cây thấp hơn (1 - 3% SiO2 trong chất khô); và (3) nhóm không tích lũy Si gồm phần lớn các loài cây song tử diệp như cây họ đậu với ít hơn 0,5% SiO2 trong chất khô. Hàm lượng Si có nguồn gốc từ thực vật trong đất dao động từ 0,01 đến 50% (Clarke, 2003). Nếu tốc độ tích tụ Si có nguồn gốc từ thực vật lớn hơn tốc độ phân hủy, một bồn Si sinh học có thể hình thành trong đất. Việc trồng các loại cây có hàm lượng Si cao như lúa, mía có thể dẫn tới sự tích lũy Si nhiều hơn trong hệ sinh thái đất. Ví dụ, theo nghiên cứu của Berthelsen và nnk (1997) mỗi năm các cánh đồng mía có thể trả lại hơn 100 kg Si/ha cho đất. Tuy nhiên, lượng Si mất đi từ đất trong hệ sinh thái có thực vật bao phủ có thể gấp 2 – 8 lần so với các vùng đất trống, điều này được giải thích là do sự phong hoá dưới tác động của sinh vật đặc biệt là thực vật diễn ra nhanh hơn so với sự phong hoá khoáng do các cơ chế vật lý, hoá học. Sự biến đổi trong chu trình tuần hoàn Si trả lại cho đất dưới tác động của con người đã trở thành một vấn đề tác động đến trạng thái cân bằng và phát triển bền vững trong nông nghiệp. Nếu coi Si sinh học là nguồn Si duy nhất cho cây trồng, với tốc độ mất Si là 50 – 100 kg/ha/năm và lượng Si trong thực vật bổ sung là 1 tấn/ha/năm thì bể chứa này sẽ bị cạn hết trong vài thập kỷ (Bartoli, 1983). Ở Úc, 30 năm canh tác mía dẫn đến sự sụt giảm của Si dễ tiêu có sẵn trong đất đến khoảng một nửa so với số lượng ban đầu (tương ứng là 5,3 và 13,1 mg/kg). Trong nghiên 6 cứu trên cây lúa nước được thực hiện bởi Klotzbücher và nnk (2014) tại Laguna, Philipin cho thấy, tổng Si hấp thu bởi cây lúa khi thu hoạch là 51,4 – 70,8 gSi/m2 và phần lớn Si đã được lưu trữ trong tàn dư sau thu hoạch (> 86%). Với việc người dân không hoàn trả lượng lớn phụ phẩm sau thu hoạch lại cho đất và hàm lượng Si có trong nước tưới ở dưới giới hạn phát hiện gây ảnh hưởng tới năng suất của vụ kế tiếp cho thấy tàn dư sinh khối sau thu hoạch là một nguồn cung cấp Si quan trọng. 1.1.2. Sự hình thành phytolith trong thực vật Phytolith (trong tiếng Hy Lạp, phyto = cây, lithos = đá (cây hoá thạch) là dạng oxit sillic vô định hình có công thức tổng quát là SiO 2.nH2O (Alexandre và nnk, 1997) hình thành trong cả nội hay ngoại bào các mô của thực vật sống (Jones và Handreck, 1967). Nhiều họ thực vật hạt kín, hạt trần và một vài họ của thực vật không có hoa, đặc biệt là guột được biết đến như các nhà máy sản xuất phytolith với lượng khác nhau từ 0,1 đến 16% (Epstein và Bloom, 2005). Sự hình thành và phát triển của phytolith trong thực vật liên quan đến một số yếu tố, bao gồm điều kiện khí hậu, tính chất đất, lượng nước trong đất, độ tuổi của cây và quan trọng nhất là sự tương tác qua lại giữa các thành tố này. Quá trình hình thành phytolith được bắt đầu khi thực vật hấp thụ Si hoà tan qua rễ và kết thúc khi các tế bào Si rắn được hình thành trên tế bào, tế bào nội chất, hoặc các khoảng gian bào. Quá trình này đôi khi ở giai đoạn rất sớm hoặc cũng có thể rất muộn trong vòng đời phát triển của thực vật tuỳ thuộc vào loại thực vật và điều kiện môi trường sống của chúng. Sau khi cây chết, phytolith có thể hòa tan và tham gia vào chu trình Si hoặc được kết hợp và bảo quản trong đất, trầm tích hoặc trầm tích khảo. Cho đến nay, phytolith được phát hiện trong khoảng 260 loài thực vật khác nhau, trong đó 110 loại là từ cỏ, 50 loại từ dương xỉ, cây thân gỗ, tre nứa và các loài khác. Trong đất, sự tồn tại của phytolith có thể phụ thuộc vào nguồn nước, nhiệt độ, hoạt động của vi sinh vật và độ axit của khoảng hổng trong đất, trong đó sự hòa tan chậm nhất ở pH thấp và nhiệt độ thấp (Fraysse và nnk, 2006, 2009, 2010). Thời gian hòa tan phytolith được xác định bằng thực nghiệm là từ 6 tháng đến 3 năm (Fraysse và nnk, 2009). 7 Trong hệ sinh thái lúa nước Việt Nam và Philippin, hàm lượng Si cây trồng có thể hấp thụ được trên tầng đất mặt ở Philippin cao hơn so với Việt Nam (222 ± 92 mg/kg so với 37 ± 14 mg/kg). Do ở Việt Nam nguồn Si chủ yếu giải phóng ra từ quá trình phong hoá các tầng trầm tích cổ, trong khi ở Philippin có sự bổ sung từ tro của núi lửa đang hoạt động hoặc nguồn nước chảy ra từ các núi lửa đang hoạt động. Ngoài ra, phương thức canh tác trong nông nghiệp, phương thức quản lý dư lượng cây trồng cũng là yếu tố ảnh hưởng. Tổng Si hấp thu bởi cây lúa của Philippin cũng cao hơn đáng kể ở Việt Nam, 700 ± 144 kg/ha so với 201 ± 102 kg/ha, sự khác biệt này có thể là do tác động phương thức canh tác nông nghiệp ở mỗi đất nước là khác nhau vì nó sẽ phụ thuộc vào (giống, khí hậu, chế độ thuỷ lợi và đặc biệt là phương thức quản lý dư lượng cây trồng) (Klotzbücher và nnk, 2014). Cơ chế hấp thu Si của thực vật: Si hoà tan được thực vật hút thu qua lông hút của rễ và vận chuyển lên các cơ quan khí sinh trong dòng vận chuyển nước qua hệ thống mạch gỗ. Dạng Si trong dung dịch đất đi vào thực vật là axit monosilicic Si(OH)4 trong điều kiện pH từ 2 - 9, còn pH < 9 thì Si tồn tại ở dạng H4SiO4 (Raid và nnk,1992; Song và nnk, 2013), đây là dạng Si cây hút thu. Sự hút thu Si của cây được giải thích theo hai cơ chế: (1) Hút thu một cách thụ động bằng quá trình thoát hơi nước của cây; (2) Hút thu có chọn lọc do sự chi phối của quá trình trao đổi chất. Van der Worm (1980) cho rằng, sự hút thu Si một cách thụ động hay được điều khiển bằng quá trình trao đổi chất phụ thuộc vào loại cây và nồng độ của H4SiO4 ở bề mặt rễ. Cây hút thu lượng Si khác nhau tùy thuộc vào dạng và nồng độ axit silicic hòa tan trong dung dịch đất. Ví dụ cùng một tỷ lệ silica, sự hút thu ở cây lúa lớn hơn cây đậu. Hầu hết các cây, đặc biệt là cây bưởi, chúng không thể tích lũy được lượng Si cao ở cành. Sự tích lũy Si giữa các loài có sự khác nhau do khả năng hấp thu Si của rễ. Trong chồi, axit silicic được tập trung nhiều hơn thông qua việc thoát hơi nước và trùng hợp. Parr và Sullivan (2011) cho rằng khi nồng độ Si hoà tan trong thực vật đạt ngưỡng 100 - 200 mg/kg, phản ứng trùng hợp của axit monosilicic sẽ diễn ra hình thành hạt nhân cơ sở, các hạt nhân này tiếp tục phát triển thành các hạt hình cầu ổn định với kích thước tới hạn. Phản ứng polyme hoá tiếp tục ở cấp độ các hạt hình cầu tạo thành chuỗi phân nhánh hoặc cấu trúc hình học. Khi 8 hạt polyme Si phát triển tiệm cận kích thước 1 - 3 nm chúng sẽ mang điện tích âm bề mặt. Các hạt này sau đó tương tác với môi trường nội bào và lắng đọng tạo thành các lớp Si tiếp giáp với màng tế bào (phủ bên ngoài hoặc lót bên trong tế bào). Hình 3: Phytolith trong cây lúa (Rashid và nnk, 2019). Cường độ hấp thu Si cũng thay đổi phụ thuộc vào các loài thực vật. Các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện bởi về vận chuyển Si trên ba loài thực vật khác nhau bao gồm gạo, dưa chuột và cà chua. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc vận chuyển Si giữa dung dịch đất và vỏ tế bào được chuyển qua một trung gian đặc biệt trong cả ba loài. Sự vận chuyển Si được suy đoán phụ thuộc năng lượng, nhiệt độ thấp và chất ức chế vận chuyển Si. Trong quá trình hấp thu Si, dòng chảy Si được vận chuyển từ tế bào vỏ đến mạch gỗ tải. Sự khác biệt ở đây cho thấy mạch gỗ tải trong gạo được trung gian bởi một loại vận chuyển thay vì khuếch tán như trong dưa chuột và cà chua. Kết quả này chỉ ra rằng mạch gỗ là yếu tố quyết định quan trọng nhất đối với việc tích luỹ Si ở mức độ cao hoặc H2CO3 để hoà tan các khoáng vật silicat trong giá thể mà chúng sinh trưởng. Nói cách khác, thực vật ở đất nghèo Si hoà tan vẫn có thể quan sát được hàm lượng đáng kể phytolith được tạo ra (Blackman, 1996). Các nghiên cứu cho ra những bằng chứng tương đối thuyết phục, chứng minh cho sự tồn tại của hai cơ chế hút thu Si của thực vật, tuy nhiên, mối quan hệ 9 cũng như vai trò riêng biệt của mỗi cơ chế trong quá trình hút Si ra sao thì chưa được làm rõ. Trong thực vật tồn tại đồng thời hai cơ chế hút thu Si chủ động và thụ động tuỳ vào điều kiện môi trường mà mối quan hệ giữa 2 cơ chế có thể là tương hỗ hoặc cản trở nhau (ở đây là sự điều chỉnh quá trình hút thu thụ động dựa trên các cơ chế hút thu chủ động qua việc tăng cường hoặc cản trở sự xâm nhập của Si qua màng tế bào lông hút hoặc màng tế bào mạch gỗ). Tuy nhiên, sự biến động hàm lượng Si trong các loài thực vật được cho là phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố môi trường quyết định nồng độ của Si hòa tan trong đất (mức độ phong hoá khoáng vật silicat và dạng tồn tại của Si trong đất). Sự hấp thu của Si bởi thực vật tăng lên cùng với lượng nước hút thu và có thể là nhiệt độ của đất. Jones và Handreck (1967) nhận xét rằng lúa nước gần như chắc chắn có chứa Si nhiều hơn lúa trồng cạn khoảng 10 – 15%, cũng nhận thấy rằng cỏ trồng trong điều kiện ấm áp, môi trường ẩm có quá trình phytolith hoá hoàn chỉnh hơn ở các lớp biểu bì so với cỏ ở các vùng có điều kiện khô lạnh (McNaughton và Tarrants, 1983). Bên cạnh đó, có bằng chứng cho thấy các loại đất có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan cao thường kèm theo sự gia tăng lượng Si hoà tan. Trong khi, sự hiện diện của N và P với hàm lượng lớn được cho là dẫn đến việc giảm nồng độ của Si trong thực vật (Jones và Handreck, 1967). Quá trình hình thành phytolith trong thực vật: Khi axit monosilicic đi vào mô thực vật, quá trình hình thành phytolith được bắt đầu, một phần Si hoà tan được polyme hoá và hình thành dạng rắn của oxit silic (dạng SiO2 ngậm nước có tính chất giống với silicagel) lắng đọng bên trong và xung quanh các tế bào. Trong mô thực vật có ba vị trí có thể xảy ra sự lắng đọng: Si kết tủa trên thành tế bào, lấp đầy hệ thống khoang trống của tế bào và lắng đọng ở không bào. Các thông tin về quá trình lắng đọng Si ở cấp độ tế bào trong thực vật trên cạn chưa được giải thích một cách thỏa đáng và có hai giả thiết được đưa ra để giải thích cho quá trình này: thứ nhất là do kết tủa, và thứ hai là do lắng đọng xảy ra một cách thụ động như là kết quả của quá trình hút thu và thoát hơi nước hoặc quá trình lắng đọng Si được kiểm soát một cách chủ động. Trong thực tế, hai giả thuyết tương thích với nhau và cơ chế hoạt động phụ thuộc vào loại tế bào (Parr và Sullivan, 2011; Jones và Handreck, 1967). 10 Quan sát cơ quan khí sinh của cỏ, hàm lượng SiO2 lắng đọng ở lá cao hơn nhiều so với ở thân và rễ. Nguyên nhân do ở lá có mật độ khí khổng cao hơn nhiều so với ở than, trong khi ở rễ thì hoàn toàn không có. Sự mất nước trong quá trình thoát hơi nước dẫn đễn nồng độ Si trong tế bào lá tăng lên tương đối tại một thời điểm nào đó (khi lượng thoát hơi nước từ khí khổng lớn hơn so với lượng nước dẫn truyền lên qua mạch gỗ sau khi được hút thu bởi rễ) tại thời điểm này quá trình trùng hợp các phân tử axit monosilicic diễn ra (Jones và Handreck, 1967). Hình 4: Quá trình polyme hóa axit monosilicic trong thực vật (Perry và nnk, 2003) Một số nghiên cứu khác cho rằng, Si trong quá trình hình thành sẽ trùng hợp có thể được liên kết với các chất hữu cơ tham gia vào quá trình lignin hoá. Cơ sở của quá trình được hình thành bởi ái lực mạnh mẽ của axit monosilicic với hợp chất hữu cơ polyhydroxy tham gia vào tổng hợp lignin (Perry và Keeling-Tucker, 1998), ví dụ trong cây ngô, các phối tử Si liên kết với gen teosinte glume architecture 1 (tga 1) (Dorweiler và Doebley, 1997); trong khi ở bí ngô (Cucurbita), sự hình thành phytolith chủ yếu được quyết định bởi một di truyền chi phối. Bên cạnh đó một số đại phân tử hữu cơ khác giúp hình thành các ma trận hữu cơ tương hỗ cho sự lắng đọng của Si. Một số đại phân tử hữu cơ khác hình thành các ma trận hữu cơ tương hỗ cho sự lắng đọng của Si có thể kể đến như lysine và arginine được tổng hợp từ gen PRP1 (pronline – rich protein 1). Ở dưa chuột (Sativus) (Kauss và nnk, 2003), peptit này mang điện tích dương với mật độ lớn và có thể kết hợp với sản phẩm polyme của axit monosilicic. 11 1.1.3. Vai trò của phytolith đối với thực vật Tuy không phải là nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu đối với cây trồng, nhưng Si vẫn được tìm thấy trong mô tế bào với một khối lượng lớn, ngang bằng với tổng các chất dinh dưỡng thiết yếu (N, P, K, Ca, Mg). Cây trồng hút Si ở một dạng duy nhất là axit monosilicic, phổ biến gọi là axit Ortho-Si và tích lũy thông qua việc hình thành cấu trúc ở lá, thân và hệ thống rễ (Parr và Sullivan, 2005), sau đó kết tủa trong mô thực vật để hình thành nên các “tế bào Si sinh học” hay còn được gọi là phytolith (Alexandre và nnk, 1997). Khi thực vật chết đi phytolith sẽ được giải phóng và tích lũy trong đất đi kèm với lượng xác thực vật chưa phân hủy. So với các khoáng vật silic thì phytolith dễ tan và là nguồn dinh dưỡng tiềm năng cho cây trồng. Vai trò của Si trong vòng đời của cây trồng thể hiện qua: Tăng khả năng quang hợp, điều hoà dinh dưỡng khoáng: Si giúp cho cây mọc thẳng cứng cáp, lá đứng giúp cây sử dụng ánh sáng năng lượng mặt trời một cách hiệu quả, tăng khả năng quang hợp. Si được xem như là một nguyên tố quan trọng cần thiết cho sự phát triển bình thường của cây (Nguyễn Ngọc Minh, 2014). Chức năng sinh lý của Si trong hệ thống biểu bì lá là có thể hoạt động như một cửa sổ để tạo thuận lợi cho việc truyền ánh sáng đến mô thịt của lá. Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng tỏ vai trò của Si trong việc tăng cường khả năng chống chịu hạn của một số loại cây trồng như lúa gạo, lúa mì, dưa chuột, hoa hướng dương và ớt (Raid và nnk, 1992). Si giúp cây tránh bị ngộ độc Mn, Fe và Al vì Si giúp phân phối các nguyên tố kim loại này trong cây một cách hợp lý. Bên cạnh đó, Si còn giúp loại bỏ sự mất cân đối dinh dưỡng giữa Zn và P trong cây làm cho cây khỏe hơn (Ehrlich và nnk, 2010). Trong đất phèn, Si tạo phức với Fe, Al thành những hợp chất khó tan, qua đó, giảm nồng độ các yếu tố độc hại như Fe, Mn và Al trong dung dịch đất (Dorweiler và Doebley, 1997). Bên cạnh đó, Si đóng vai trò quan trọng trong giảm độc tính Cd ở lúa bằng cách tăng tích lũy Cd trong rễ và giảm vận chuyển Cd từ rễ đến chồi (Ehrlich và nnk, 2010). Tăng cường sức chống chịu cơ học: Trong thực vật, Si kết hợp với biểu bì giúp thành tế bào trở nên chắc chắn hơn. Silic có khả năng làm tăng khả năng chống 12 chịu của cây trồng đối với các yếu tố vô sinh hoặc hữu sinh (Koranteng và nnk, 2011; Li và nnk, 2013). Các yếu tố hữu sinh bao gồm bệnh hại và các loại côn trùng gây hại, trong khi các yếu tố vô sinh quan trọng thường được đề cập tới như hạn hán, lũ lụt, mặn hóa hoặc kim loại gây độc cho cây. Đối với các loại cây được trồng trên đất thiếu Si và thường xuyên chịu tác động của các yếu tố kể trên, việc bón phân Si sẽ góp phần làm tăng năng suất cây trồng một cách đáng kể. Ví dụ: việc bón phân Si cho cây mía đường góp phần làm tăng sản lượng mía 10 - 50% ở Hawaii, 20% ở khu vực Florida và 21 - 41% ở Australia (Fraysse và nnk, 2009; Parr và Sullivan, 2011). Si làm tăng khả năng kháng bệnh, bảo vệ cây trồng khỏi các yếu tố gây bệnh hại (chủ yếu do nấm và một số loại vi khuẩn) thông qua hai cơ chế. Thứ nhất, Si kết hợp với lớp biểu bì làm thành tế bào trở nên chắc chắn hơn, giúp cây cứng cáp nhưng lại có khả năng đàn hồi. Si tạo nên các phức hợp với polyphenol để hình thành những hợp chất với lignin tăng cường độ cứng của thành tế bào, ngăn cản khả năng xâm nhập của các loại nấm bệnh. Thứ hai, Si hòa tan đóng vai trò quan trọng trong cơ chế vật lý, hóa sinh/cơ chế phân tử để kháng bệnh hại (Fraysse và nnk, 2009; Ghareeb và nnk, 2011). Sự lắng đọng của Si ở lớp biểu bì cũng tạo ra một rào cản vật lý ngăn ngừa sự tấn công của côn trùng và các loài sâu bướm ăn lá. Si cũng có thể kích hoạt một số cơ chế phòng bệnh. Ví dụ, trong rễ của cây dưa leo bị nhiễm nấm Pythium, Si làm tăng hoạt tính của một số enzym như peroxidase, chitinase và polyphenoloxydase, từ đó ức chế sự xâm nhiễm của nấm gây hại (Cary và nnk, 2005). Các phản ứng sinh hóa chỉ xảy ra với Si hòa tan, cho thấy Si hòa tan đóng vai trò tích cực trong việc tăng khả năng chống lại các kháng nguyên của vật chủ bằng cách kích thích một số cơ chế phản ứng phòng vệ (Fauteux và nnk, 2005). Một nghiên cứu gần đây cho thấy trong quá trình tạo ra sức đề kháng từ hệ thống (SAR) ở dưa leo, sự biểu hiện của một gen mã hóa protein giàu axit amin proline được tăng cường (Karathanasis, 2002). Protein có các trình tự lặp đi lặp lại điểm đầu và điểm cuối là C chứa lượng lysine và arginine cao bất thường. Các peptit tổng hợp có nguồn gốc từ các trình tự lặp đi lặp lại đã có thể trùng hợp axit orthosilicic với silica 13 không hòa tan, liên quan đến việc cố định tại vị trí của sự xâm nhập của nấm vào tế bào biểu bì. Nghiên cứu cho thấy sự tăng cường khả năng kháng bệnh, tăng cường sức đề kháng thực vật đối với côn trùng gây hại như sâu đục thân và rầy (Keeping và nnk, 2009). Tác dụng này được cho là sự lắng đọng của Si trong mô thực vật, tạo ra một rào cản cơ học chống lại sự phá hoại của côn trùng. Tăng sức chống chịu với điều kiện bất lợi của môi trường: Trong đất phèn, Si tạo phức với Fe, Al thành những hợp chất khó tan, qua đó, giảm nồng độ các yếu tố độc hại như Fe, Mn và Al trong dung dịch đất (Datnoff và nnk, 2001). Bên cạnh đó, Si đóng vai trò quan trọng trong giảm độc tính Cd ở thực vật bằng cách tăng tích luỹ Cd trong rễ và giảm vận chuyển từ rễ đến chồi (Epstein và Bloom, 2005; Ma và Yamaji, 2006). Hình 5: Vai trò của Si trong việc giảm tác động của kim loại nặng ở thực vật (Ma và Yamaji, 2006) Cây trồng được hấp thu Si ở điều kiện có muối sẽ kích thích màng không bào của tế bào rễ cây, phần bề mặt xung quanh không bào tạo ra enzym và các enzym này sẽ kết hợp với nhau trong việc đưa gốc Na+ từ tế bào chất vào trong không bào, điều này làm cho việc vận chuyển từ rễ cây đến ngọn và lá giảm đi so với cây 14