Phương pháp trồng rau sạch không cần đất bằng công nghệ thủy canh, vi thủy canh và thủy canh in vitro
- Thứ bảy - 12/03/2016 10:09
- In ra
- Đóng cửa sổ này
Phương pháp trồng rau thủy canh từ lâu đã được nhiều quốc gia có nền nông nghiệp công nghệ cao ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, ở nước ta thì đây vẫn là mô hình mới, còn xa lạ với nông dân. Ưu điểm của phương pháp trồng rau thủy canh là tạo được môi trường dinh dưỡng tốt nhất cho cây trồng, kiểm soát được chất dinh dưỡng, nhờ vậy có thể giảm chi phí đầu tư phân bón. Quan trọng hơn, trồng rau thủy canh loại trừ được thuốc trừ sâu vì có thể kiểm soát được sâu bệnh.
1. Hệ thống thủy canh
1.1. Khái niệm thủy canh
Thủy canh thường được định nghĩa như là “trồng cây trong nước”. Tuy nhiên do có rất nhiều môi trường tổng hợp được sử dụng để trồng cây nên có thể mở rộng định nghĩa thủy canh là “trồng cây không sử dụng đất”.
Từ nhiều thế kỷ trước ở các vùng Amazon, Babylon, Ai Cập, Trung Quốc và Ấn Độ, người xưa đã biết sử dụng phân bón hòa tan để trồng dưa chuột, dưa hấu và nhiều loại rau củ khác. Sau đó các nhà sinh lý thực vật bắt đầu trồng cây trên môi trường dung dịch dinh dưỡng đặc biệt để thí nghiệm và gọi đó là “nuôi cấy dinh dưỡng”.
Năm 1929, William F. Goricke đã thành công trong việc trồng cây cà chua đạt kích thước 7.5 m trong dịch dinh dưỡng. Ông gọi hệ thống mới này là “thủy canh” (“Hydroponic” - theo tiếng Hy Lạp, hydros là “nước” và ponos là “làm việc”). Từ đó, thủy canh được ứng dụng và phát triển rộng rãi, và mở rộng thành các phương pháp trồng cây trên môi trường rắn trơ sử dụng dung dịch dinh dưỡng.
Việc trồng cây không có đất thật sự đem lại rất nhiều thuận lợi. Khi sử dụng một môi trường sạch khuẩn và không phải lo lắng cho việc trừ cỏ dại, trừ sâu và côn trùng có hại trong đất. Hơn nữa khi dùng kỹ thuật thủy canh, cây trồng sẽ có được môi trường sống đầy đủ các thành phần dinh dưỡng thiết yếu. Do vậy cây sẽ sinh trưởng và phát triển nhanh hơn, việc canh tác cũng đơn giản hơn đối với rau và cây hoa. Một thuận lợi lớn của kỹ thuật thủy canh là cho phép thiết lập hệ thống nuôi trồng tự động. Khi sử dụng hệ thống tự động, người làm vườn có thể linh hoạt được thời gian chăm sóc cây trồng.
Đặc biệt, do đặc điểm của kỹ thuật thủy canh là không cần đất nên đây chính là giải pháp cho ngành nông nghiệp ở những đất nước vốn có ít đất canh tác – các thành phố lớn hoặc vùng đất cằn cỗi. Các nước tiên tiến đã nhanh chóng ứng dụng kỹ thuật này để sản xuất rau sạch, cây kiểng.
Trong tương lai, khi dân số ngày một gia tăng, đời sống được nâng cao, đất đai trở nên khan hiếm, thì kỹ thuật thủy canh sẽ dần thay thế phương pháp trồng trọt truyền thống. Vì không chỉ đem lại những món lợi nhuận khổng lồ cho ngành nông nghiệp, kỹ thuật này còn giúp giữ gìn môi trường được trong sạch, đây chính là mục tiêu được coi trọng hàng đầu để góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống của con người.
Ưu điểm của kỹ thuật thủy canh:
Không cần đất, chỉ cần không gian để đặt hộp dụng cụ trồng, do vậy có thể triển khai ở những vùng đất cằn cỗi như hải đảo, vùng núi xa xôi, cũng như tại gia đình trên sân thượng, balcon.
Không phải làm đất, không có cỏ dại, không cần tưới.
Trồng được nhiều vụ, có thể trồng trái vụ.
Không phải sử dụng thuốc trừ sâu bệnh và các hóa chất độc hại khác.
Năng suất cao vì có thể trồng liên tục.
Sản phẩm hoàn toàn sạch, đồng nhất. Giàu dinh dưỡng và tươi ngon.
Không tích lũy chất độc, không gây ô nhiễm môi trường.
Không đòi hỏi lao động nặng nhọc, người già, trẻ em đều có thể tham gia hiệu quả.
Nhược điểm của kỹ thuật thủy canh
Vốn đầu tư ban đầu cao do chi phí về trang thiết bị. Tuy nhiên, chi phí này không phải là cao so với những chi phí phải trả để diệt sâu bệnh và côn trùng, thuê nhân công. Hơn nữa, các máy móc thiết bị được tái sử dụng nhiều lần nên chỉ tốn chi phí cho đầu tư ban đầu.
Đòi hỏi trình độ chuyên môn kỹ thuật cao để sản xuất có hiệu quả. Điều này gây trở ngại cho việc đưa phương pháp thủy canh mở rộng đại trà.
Trong quá trình hấp thu các chất dinh dưỡng, thực vật làm thay đổi độ pH trong dung dịch thủy canh. Do đó, cần phải điều chỉnh pH mỗi ngày. Giá trị pH tối thích từ khoảng 5.8 – 6.5. Giá trị pH càng chênh lệch khỏi khoảng này thì mức độ ảnh hưởng không tốt lên hệ thống thủy canh càng lớn.
Ngoài ra, những thay đổi đột ngột các yếu tố môi trường cũng như việc cung cấp chất dinh dưỡng hay tưới nước không đúng có thể gây ra những triệu chứng rối loạn sinh lý ở cây (như hiện tượng thối quả cà chua, nứt quả cà chua).
1.2. Các yêu cầu cơ bản của hệ thống thủy canh
Đất có khả năng duy trì nhiệt độ và độ thoáng khí cần thiết cho sự sinh trưởng rễ. Khi đất bị thoái hoá, sự sinh trưởng và năng suất cây cũng giảm do độ thoáng khí và nhiệt độ không phù hợp. Việc trồng cây không thể thực hiện trong điều kiện thoát nước kém do những vấn đề trên. Đất tự điều chỉnh để phù hợp với sự tăng trưởng của cây, đó gọi là hoạt động đệm của đất. Thực vật cũng hấp thu các chất dinh dưỡng được tiết ra thông qua sự khoáng hóa tự nhiên.
Trong một dung dịch, hoặc môi trường trơ, việc duy trì độ acid hay độ kiềm (dựa vào pH), độ dẫn điện (EC) trong một khoảng giá trị phù hợp với hệ thống rễ của thực vật được gọi là hoạt động đệm. Việc này cần phải được thực hiện nhân tạo trong các hệ thống thủy canh. Ở bất kỳ hệ thống thủy canh nào, các yêu cầu cơ bản sau cần được duy trì ở mức độ thích hợp:
Hoạt động đệm của nước hay của giá thể trơ được sử dụng.
Dung dịch dinh dưỡng hoặc hỗn hợp phân bón phải chứa tất cả các thành phần vi lượng và đa lượng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây.
Hoạt động đệm của dung dịch dinh dưỡng trong khoảng phù hợp để hệ thống rễ hoặc giá thể trơ không bị ảnh hưởng.
Nhiệt độ và độ thoáng khí của giá thể trơ hoặc dung dịch dinh dưỡng phải phù hợp với hệ thống rễ.
1.3. Dung dịch dinh dưỡng thủy canh
Trong hệ thống thủy canh, tất cả các thành phần dinh dưỡng cần thiết được cung cấp cho cây ở dạng dung dịch, chứa muối khoáng và phân bón tan trong nước.
Phương pháp thủy canh cho phép người canh tác kiểm soát các thành phần cần thiết bằng cách điều chỉnh hay thay đổi dung dịch dinh dưỡng cho phù hợp với từng giai đoạn tăng trưởng của cây và cung cấp chúng với một lượng cân bằng. Các chất dinh dưỡng hiện diện ở dạng ion trong dung dịch thủy canh, cây trồng không cần phải tìm kiếm hay cạnh tranh với các sinh vật khác như khi trồng trong đất. Do đó, việc tối ưu hoá điều kiện dinh dưỡng của hệ thống thủy canh cũng dễ hơn nhiều so với trong đất.
Dung dịch dinh dưỡng dùng cho dung dịch thủy canh phải đáp ứng được những điều kiện sau:
Độ pH: Giá trị pH tối thích nằm trong khoảng 5.8 – 6.5. Giá trị pH càng lệch ra khỏi khoảng này thì càng có ảnh hưởng tiêu cực lên hệ thống thủy canh, pH trên 7.5 sẽ làm giảm khả năng hấp thu sắt và có thể xảy ra hiện tượng úa vàng thân, pH dưới 6.0 sẽ làm giảm mạnh khả năng hòa tan acid phosphoric, ion calcium và mangan. Có thể sử dụng các chất đệm hoá học để giữ ổn định giá trị pH.
Độ dẫn điện: Giá trị độ dẫn điện (EC) tốt nhất là trong khoảng 1.5 – 2.5 dS/m. Giá trị EC cao hơn sẽ ngăn cản sự hấp thu chất dinh dưỡng, EC thấp sẽ ảnh hưởng đến sức sống và năng suất cây. Khi cây hấp thu chất dinh dưỡng và nước từ dung dịch, tổng nồng độ muối và EC đều thay đổi.
Tính dung hợp của các thành phần trong dung dịch dinh dưỡng: Tránh những loại công thức pha chế dung dịch có chứa nhiều tạp chất như cát, đất sét, hay bùn; cũng cần phải tránh các công thức pha chế có chứa các muối không hòa tan hoặc hòa tan kém, hay có chứa các chất tương tác với nhau tạo ra chất không tan.
1.4. Ảnh hưởng của các giá thể nuôi trồng thủy canh
Người ta đã sử dụng nhiều cơ chất khác nhau trong nuôi trồng thủy canh. Tuy nhiên một trong số những đòi hỏi đầu tiên của việc nghiên cứu đó là rễ cây phải dễ dàng tách ra khỏi môi trường. Than bùn, perlite và vermiculite là những cơ chất tốt, nhưng rễ thường đâm sâu vào trong môi trường nên sẽ gặp khó khăn trong việc nghiên cứu hình thái, kích thước của rễ.
Đối với môi trường cát, ta dễ dàng lấy rễ ra nhưng rễ phát triển trong cát thường ngắn và ốm hơn vì cát chặt hơn. Cây phát triển trong cát thường ít tốt hơn trong các cơ chất khác, có lẽ vì sự phát triển của rễ kém hơn. Trong nhiều năm qua, người ta thường dùng đất nung (hay còn gọi là turface, profil, arcillite) để nghiên cứu thủy canh vì loại nó ra khỏi rễ rất dễ. Tuy nhiên đất nung có hai bất lợi:
Không có tính trơ về mặt hóa học. Những loại đất nung khác nhau cho ra những lượng dinh dưỡng khoáng khác nhau và điều này làm cho kết quả nghiên cứu không còn chính xác. Có thể dùng dung dịch dinh dưỡng để rửa bỏ những chất không mong muốn nhưng tốn kém.
Đất nung có kích cỡ không giống nhau và khả năng hấp thu nước tùy thuộc vào kích thước, cho nên tính đồng nhất không giống nhau.
Gần đây, một loại sản phẩm mới được đóng ép gọi là isolite. Vùng biển Nhật Bản là nơi có nhiều loại này – nó trộn với đất sét 5% (đóng vai trò như chất kết dính). Ngoài ra trong thành phần của nó còn có SiO2 (dioxid silic). SiO2 có tính trơ cao về mặt vật lý học. Isolite có đường kính từ 1 – 10 mm. Các thí nghiệm cho thấy isolite có tính trơ cao về mặt hóa học và giữ nước rất tốt. Tuy nhiên điểm bất lợi của nó là giá thành cao.
Một số giá thể hữu cơ được sử dụng
Than bùn
Đây là chất tốt nhất trong các giá thể hữu cơ có khả năng giữ nước và các chất dinh dưỡng cao hơn các loại giá thể hữu cơ khác. Than bùn có chứa nhiều khoáng như: N, P, K, Ca, Mg và một số nguyên tố vi lượng, trong đó có silic.
Thông thường trong nuôi trồng thủy canh, than bùn được dùng để nuôi trồng các loại cây cho quả như: cà chua, dưa leo, ớt tây, dâu tây.
Than bùn cần thanh trùng trước khi sử dụng.
Mùn cưa
Mùn cưa, cát và hỗn hợp hai loại vật liệu đó đã được dùng có kết quả để sản xuất dưa chuột. Một hỗn hợp có khoảng 25% cát có lợi là phân bố độ ẩm đồng đều hơn khi dùng riêng mùn cưa.
Vỏ cây, xơ dừa
Đây là loại vật liệu tương đối rẻ tiền, có khả năng dễ phân hủy do vi sinh vật nhiều. Phần lớn các nghiên cứu dùng vỏ cây hoặc xơ dừa cần phải cho dòng nước chảy chậm để lôi cuốn các hợp chất tanin có trong vỏ cây và xơ dừa.
Tóm lại việc trồng cây trong giá thể trơ và trên giá thể tự nhiên mang lại một số thuận lợi như điều chỉnh được dinh dưỡng của cây trồng, giảm bớt yêu cầu về lao động, dễ tưới nước, cải thiện năng suất, sản xuất ra các loại rau quả chất lượng cao.
1.5. Một số mô hình thủy canh
1.5.1. Hệ thống thủy canh không hồi lưu
Còn gọi là hệ thống mở, dịch dinh dưỡng không tuần hoàn mà chỉ được sử dụng một lần và khi nồng độ chất dinh dưỡng giảm, pH hay độ dẫn điện thay đổi, dịch sẽ được thay thế.
Kỹ thuật ngâm rễ (root deeping technique): cây được trồng trong chậu chứa các giá thể trơ có đục lỗ để rễ có thể phát triển ra bên ngoài chậu và để trong một chậu lớn hơn chứa dung dịch dinh dưỡng. Chậu giá thể chứa cây ngập trong dung dịch khoảng 2-3 cm, một số rễ của cây được ngâm trong dung dịch còn một số khác lại nằm trong giá thể tiếp xúc với không khí nhiều hơn.
Kỹ thuật nổi (floating technique): cây được nuôi trong chậu cố định trên vật liệu nhẹ nổi trên mặt dung dịch dinh dưỡng và dung dịch được thông khí nhân tạo.
Kỹ thuật mao dẫn (cappillary action technique): với kỹ thuật này, có hai loại chậu được sử dụng. Cây được trồng trong các chậu chứa giá thể, dung dịch dinh dưỡng chứa từ một chậu chứa bên dưới được mao dẫn lên tới chậu chứa cây ở trên thông qua dây dẫn (có thể bằng bông gòn, tim đèn hay dây dù).
1.5.2. Hệ thống thủy canh hồi lưu
Còn gọi là hệ thống đóng, nghĩa là dịch dinh dưỡng được bơm qua hệ thống rễ cây và dịch dư được thu nhận, làm đầy và tái sử dụng.
Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (nutrient film technique – NFT): Với hệ thống này, dung dịch dinh dưỡng chảy qua các kênh có độ dốc tạo ra một lớp mỏng dinh dưỡng trong kênh và tiếp xúc trực tiếp với rễ cây để cung cấp dinh dưỡng.
Kỹ thuật dòng sâu (deep flow technique): Với loại hệ thống này, dung dịch dinh dưỡng chảy qua các ống nhựa PVC (polyvinylclorua) và tiếp xúc với rễ cây bằng cách thấm qua các chậu chứa giá thể và có đục lỗ. Hệ thống sắp xếp các ống nhựa theo hình zig zag tận dụng được không gian nuôi cấy rất tốt, thể hiện một trong những thế mạnh của thủy canh.
1.5.3. Hệ thống thủy canh có sử dụng giá thể rắn
Các hệ thống kết hợp giữa dung dịch lỏng và các giá thể rắn để cây phát triển bên trên, hệ thống có thể là đóng hay mở:
Kỹ thuật túi treo (hanging bag technique): cây giống được cho vào các lỗ bên của các túi treo chứa giá thể trơ (thường là xơ dừa), dài khoảng 1 m, có dạng hình trụ, ngoài trắng trong đen, đã xử lý UV, dày, làm bằng polyethylene. Dịch dinh dưỡng được bơm lên đỉnh của mỗi túi, từ đó dịch dinh dưỡng sẽ thấm xuống giá thể và tới rễ cây.
Kỹ thuật túi tăng trưởng (growing bag technique): cây giống được trồng vào các túi nhựa tổng hợp chứa giá thể (thường là bột xơ dừa đã khử trùng), chống tia UV, ngoài trắng trong đen, dài khoảng 1 – 1,5 m, cao khoảng 6 cm và rộng khoảng 18 cm, dưới mỗi bên túi có khe nứt nhỏ để thoát nước hoặc rửa trôi.
Kỹ thuật rãnh (trench or trough technique): trồng cây vào các rãnh chứa giá thể (có thể là bột xơ dừa cũ, cát, sỏi, rêu, vermiculite, perlite, mạt cưa cũ hay hỗn hợp các vật liệu này) được phân cách với đất bằng vật liệu không thấm nước (tấm polythene chống UV, dày, gồm hai màng). Dịch dinh dưỡng và nước được cung cấp qua một hệ thống tưới nhỏ giọt hay tưới thủ công. Ở đáy rãnh, một ống đường kính 2,5 cm có xoi lỗ để thoát dịch dinh dưỡng thừa.
Kỹ thuật chậu môi trường (pot technique): cây được trồng vào các chậu (bằng đất sét hay plastic) chứa giá thể và được cung cấp dinh dưỡng bởi một hệ thống vòi tưới.
1.5.4. Hệ thống khí canh (aeroponics)
Cây trồng thực vật được cố định trong các lỗ trên các tấm xốp và rễ được treo trong không khí dưới các tấm này. Các tấm này được xếp thành dạng hộp kín để ngăn sự xâm nhập của ánh sáng và kích thích sự tăng trưởng của rễ, đồng thời ngăn sự tăng trưởng của tảo, nấm. Dịch dinh dưỡng được phun vào rễ ở dạng sương, mỗi lần phun kéo dài khoảng vài giây, cứ mỗi 2 – 3 phút lại phun một lần. Làm như vậy có tác dụng giữ ẩm cho rễ và dịch dinh dưỡng được thoáng khí. Cây hấp thu chất dinh dưỡng và nước từ lớp dung dịch dính vào rễ.
Thuận lợi lớn của kỹ thuật này là tận dụng không gian tối đa. Kỹ thuật này có mật độ cây trồng cao gấp đôi so với các kỹ thuật khác. Một ứng dụng ưu thế khác của kỹ thuật này là tạo ra cây sạch đất từ các mẫu cắt để xuất khẩu.
2. Hệ thống vi thủy canh
2.1. Giới thiệu chung
Kỹ thuật vi nhân giống ra đời tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nhân giống thực vật, giúp cung cấp nhanh với số lượng lớn các giống cây quý theo yêu cầu mà vẫn giữ được đặc tính di truyền của thực vật.
Tuy nhiên, những giới hạn của điều kiện vi nhân giống in vitro làm giảm sức sống của cây nuôi cấy mô như: độ ẩm tương đối cao, nhiệt độ không đổi, cường độ dòng photon quang hợp thấp, nồng độ CO2 dao động lớn, sự hiện diện của đường, muối và chất điều hoà sinh trưởng ở nồng độ cao trong môi trường, sự tích lũy khí ethylen và những chất độc khác, vi sinh vật không hiện diện trong môi trường. Những điều kiện trên ngăn cản sự thoát hơi nước, làm giảm quang hợp, giảm hấp thu nước, chất khoáng, CO2 và thúc đẩy hô hấp trong tối. Điều này dẫn đến tỷ lệ cây chết khá cao khi chuyển ra vườn ươm.
Đã có nhiều nghiên cứu cải tiến để tìm ra một hệ thống vi nhân giống mới, trong đó môi trường nuôi cấy có thể được kiểm soát một cách thuận lợi.
Sau đó hệ thống nuôi cấy mô quang tự dưỡng cũng đã ra đời với mục đích khắc phục một số các nhược điểm của phương pháp truyền thống. Chẳng hạn như việc hạn chế được sự viêm nhiễm nhờ không sử dụng đường trong môi truờng nuôi cấy. Thay vào đó, phương pháp quang tự dưỡng chú trọng điều khiển điều kiện vật lý của môi trường như hàm lượng CO2, chất lượng ánh sáng, quang kỳ, nước, … Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn nhiều hạn chế do chi phí cho hệ thống kiểm soát tự động các điều kiện môi trường, và vì cây vẫn cần phát triển trong điều kiện vô trùng nên chi phí cho lao động cấy chuyền là đáng kể.
Và kỹ thuật vi thủy canh (microponics) ra đời, đó là sự kết hợp giữa kỹ thuật vi nhân giống và kỹ thuật thủy canh. Kỹ thuật kết hợp này bước đầu đã thể hiện những đặc tính ưu việt, có thể khắc phục nhiều nhược điểm của các hệ thống vi nhân giống in vitro truyền thống.
2.2. Ưu điểm của phương pháp vi thủy canh
Vi thủy canh lấy ý tưởng từ phương pháp thủy canh để ứng dụng cho giai đoạn cuối của quá trình nhân giống. Đặc điểm của phương pháp này là sử dụng điều kiện nuôi cấy không cần vô trùng, ứng dụng phương pháp này giúp khắc phục hoàn toàn các thiệt hại do nhiễm nấm khuẩn. Và vì thế có thể giảm đáng kể chi phí đầu tư vào hộp vô trùng, các cơ sở hạ tầng khác và việc điều khiển môi trường nuôi cấy cũng đơn giản hơn phương pháp quang tự dưỡng.
Hơn nữa, do điều kiện môi trường của hệ thống vi thủy canh là gần với điều kiện tự nhiên nên việc thuần hoá cây con ngoài vườn ươm thuận lợi hơn rất nhiều. Trong hệ thống vi thủy canh, các chồi cây in vitro được thuần hoá dần trong điều kiện gần điều kiện tự nhiên, cụ thể là môi trường không vô trùng, độ thoáng khí cao, giúp cho cây có thể tự quang hợp để lấy nguồn carbon từ CO2, thay vì từ đường như hệ thống vi nhân giống truyền thống. Vì vậy, khi đến giai đoạn ra vườn ươm, cây hoàn toàn có thể thích ứng kịp thời với môi trường mới.
3. Hệ thống thủy canh in vitro
Trong xu thế cải tiến các hệ thống nuôi cấy để tăng hiệu quả nuôi cấy in vitro, trên cơ sở ứng dụng các ưu điểm của thủy canh, các nhà khoa học đã phát triển thành hệ thống thủy canh in vitro, một hệ thống mới thể hiện sự kết hợp hài hòa của thủy canh và nuôi cấy in vitro với nhau. Hệ thống mới ra đời nhằm mục đích giải quyết một số khuyết điểm của nuôi cấy truyền thống sử dụng agar và nuôi cấy lỏng tĩnh làm mẫu cấy bị ngập chìm trong dung dịch, đồng thời áp dụng được ưu điểm nuôi cấy hiệu quả hơn bằng dung dịch, ưu điểm tiết kiệm không gian của thủy canh. Hơn nữa ở một số loài thực vật có những tính chất đặc biệt như rất ưa ẩm nhưng không thể phát triển tốt khi chìm hẳn trong dung dịch nuôi cấy trở thành những đối tượng của hệ thống mới. Đây là một hệ thống mới, bước đầu đang khảo sát các thành phần cơ bản của hệ thống và thử nghiệm các nồng độ môi trường khác nhau để tìm ra một số mô hình hệ thống phù hợp cho một số đối tượng thử nghiệm ban đầu là khoai tây, lily và địa lan.
Hệ thống nuôi cấy thủy canh in vitro có một số ưu điểm sau:
Dịch dinh dưỡng sử dụng là dịch lỏng, sự tiếp xúc và hấp thu dinh dưỡng của mẫu cấy sẽ trở nên hiệu quả hơn, mẫu cấy phát triển tốt hơn, thời gian cần thiết để tăng trưởng sẽ ngắn lại. Hơn nữa, vì môi trường nuôi cấy là dung dịch lỏng nên sẽ đỡ tốn thời gian và năng lượng đun agar hòa tan.
Trong hệ thống này, mẫu cấy được đưa lên trên tầng cao có đệm giá thể và dịch dinh dưỡng được mao dẫn lên giá thể cung cấp cho mẫu cấy nên giải quyết được vấn đề mẫu cấy bị ngập trong dung dịch của nuôi cấy lỏng tĩnh.
Hệ thống thủy canh in vitro có thể thiết kế 2, 3 tầng nuôi cấy trong hộp nhựa vô trùng nên rất tiết kiệm không gian nuôi cấy, tăng hiệu quả nhân giống. Hơn nữa, dung dịch dinh dưỡng sử dụng chỉ cần để dưới đáy hộp rồi cho dây mao dẫn lên cho các tầng nuôi cấy bên trên nên chúng được tận dụng hơn nuôi cấy lỏng truyền thống (Khi nuôi cấy lỏng sử dụng cùng lượng thể tích môi trường nhưng chỉ nuôi cấy được số lượng hạn chế mẫu cấy và thường là dung dịch dinh dưỡng không được sử dụng hết). Đặc điểm này thể hiện rõ ràng nhất sự mô hình hóa của thủy canh vào hệ thống mới.
Hệ thống nuôi cấy sử dụng dung dịch lỏng nên có thể thay đổi và bổ sung các thành phần môi trường cũng như điều chỉnh độ pH, độ dẫn điện trong suốt thời gian nuôi cấy một cách dễ dàng.
Thành phần cấu trúc của hệ thống gồm hộp nhựa, tầng nuôi cấy là nắp nhựa cắt ra, lớp nylon làm giá đỡ, giá thể với bông gòn và giấy lọc, dây mao dẫn có thể là bông gòn hay tim đèn đều là những vật liệu đơn giản nên giá thành rẻ.
1.1. Khái niệm thủy canh
Từ nhiều thế kỷ trước ở các vùng Amazon, Babylon, Ai Cập, Trung Quốc và Ấn Độ, người xưa đã biết sử dụng phân bón hòa tan để trồng dưa chuột, dưa hấu và nhiều loại rau củ khác. Sau đó các nhà sinh lý thực vật bắt đầu trồng cây trên môi trường dung dịch dinh dưỡng đặc biệt để thí nghiệm và gọi đó là “nuôi cấy dinh dưỡng”.
Năm 1929, William F. Goricke đã thành công trong việc trồng cây cà chua đạt kích thước 7.5 m trong dịch dinh dưỡng. Ông gọi hệ thống mới này là “thủy canh” (“Hydroponic” - theo tiếng Hy Lạp, hydros là “nước” và ponos là “làm việc”). Từ đó, thủy canh được ứng dụng và phát triển rộng rãi, và mở rộng thành các phương pháp trồng cây trên môi trường rắn trơ sử dụng dung dịch dinh dưỡng.
Đặc biệt, do đặc điểm của kỹ thuật thủy canh là không cần đất nên đây chính là giải pháp cho ngành nông nghiệp ở những đất nước vốn có ít đất canh tác – các thành phố lớn hoặc vùng đất cằn cỗi. Các nước tiên tiến đã nhanh chóng ứng dụng kỹ thuật này để sản xuất rau sạch, cây kiểng.
Trong tương lai, khi dân số ngày một gia tăng, đời sống được nâng cao, đất đai trở nên khan hiếm, thì kỹ thuật thủy canh sẽ dần thay thế phương pháp trồng trọt truyền thống. Vì không chỉ đem lại những món lợi nhuận khổng lồ cho ngành nông nghiệp, kỹ thuật này còn giúp giữ gìn môi trường được trong sạch, đây chính là mục tiêu được coi trọng hàng đầu để góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống của con người.
Ưu điểm của kỹ thuật thủy canh:
Không phải làm đất, không có cỏ dại, không cần tưới.
Trồng được nhiều vụ, có thể trồng trái vụ.
Không phải sử dụng thuốc trừ sâu bệnh và các hóa chất độc hại khác.
Năng suất cao vì có thể trồng liên tục.
Sản phẩm hoàn toàn sạch, đồng nhất. Giàu dinh dưỡng và tươi ngon.
Không tích lũy chất độc, không gây ô nhiễm môi trường.
Không đòi hỏi lao động nặng nhọc, người già, trẻ em đều có thể tham gia hiệu quả.
Nhược điểm của kỹ thuật thủy canh
Vốn đầu tư ban đầu cao do chi phí về trang thiết bị. Tuy nhiên, chi phí này không phải là cao so với những chi phí phải trả để diệt sâu bệnh và côn trùng, thuê nhân công. Hơn nữa, các máy móc thiết bị được tái sử dụng nhiều lần nên chỉ tốn chi phí cho đầu tư ban đầu.
Đòi hỏi trình độ chuyên môn kỹ thuật cao để sản xuất có hiệu quả. Điều này gây trở ngại cho việc đưa phương pháp thủy canh mở rộng đại trà.
Trong quá trình hấp thu các chất dinh dưỡng, thực vật làm thay đổi độ pH trong dung dịch thủy canh. Do đó, cần phải điều chỉnh pH mỗi ngày. Giá trị pH tối thích từ khoảng 5.8 – 6.5. Giá trị pH càng chênh lệch khỏi khoảng này thì mức độ ảnh hưởng không tốt lên hệ thống thủy canh càng lớn.
Ngoài ra, những thay đổi đột ngột các yếu tố môi trường cũng như việc cung cấp chất dinh dưỡng hay tưới nước không đúng có thể gây ra những triệu chứng rối loạn sinh lý ở cây (như hiện tượng thối quả cà chua, nứt quả cà chua).
Đất có khả năng duy trì nhiệt độ và độ thoáng khí cần thiết cho sự sinh trưởng rễ. Khi đất bị thoái hoá, sự sinh trưởng và năng suất cây cũng giảm do độ thoáng khí và nhiệt độ không phù hợp. Việc trồng cây không thể thực hiện trong điều kiện thoát nước kém do những vấn đề trên. Đất tự điều chỉnh để phù hợp với sự tăng trưởng của cây, đó gọi là hoạt động đệm của đất. Thực vật cũng hấp thu các chất dinh dưỡng được tiết ra thông qua sự khoáng hóa tự nhiên.
Trong một dung dịch, hoặc môi trường trơ, việc duy trì độ acid hay độ kiềm (dựa vào pH), độ dẫn điện (EC) trong một khoảng giá trị phù hợp với hệ thống rễ của thực vật được gọi là hoạt động đệm. Việc này cần phải được thực hiện nhân tạo trong các hệ thống thủy canh. Ở bất kỳ hệ thống thủy canh nào, các yêu cầu cơ bản sau cần được duy trì ở mức độ thích hợp:
Hoạt động đệm của nước hay của giá thể trơ được sử dụng.
Dung dịch dinh dưỡng hoặc hỗn hợp phân bón phải chứa tất cả các thành phần vi lượng và đa lượng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây.
Hoạt động đệm của dung dịch dinh dưỡng trong khoảng phù hợp để hệ thống rễ hoặc giá thể trơ không bị ảnh hưởng.
Nhiệt độ và độ thoáng khí của giá thể trơ hoặc dung dịch dinh dưỡng phải phù hợp với hệ thống rễ.
1.3. Dung dịch dinh dưỡng thủy canh
Phương pháp thủy canh cho phép người canh tác kiểm soát các thành phần cần thiết bằng cách điều chỉnh hay thay đổi dung dịch dinh dưỡng cho phù hợp với từng giai đoạn tăng trưởng của cây và cung cấp chúng với một lượng cân bằng. Các chất dinh dưỡng hiện diện ở dạng ion trong dung dịch thủy canh, cây trồng không cần phải tìm kiếm hay cạnh tranh với các sinh vật khác như khi trồng trong đất. Do đó, việc tối ưu hoá điều kiện dinh dưỡng của hệ thống thủy canh cũng dễ hơn nhiều so với trong đất.
Dung dịch dinh dưỡng dùng cho dung dịch thủy canh phải đáp ứng được những điều kiện sau:
Độ pH: Giá trị pH tối thích nằm trong khoảng 5.8 – 6.5. Giá trị pH càng lệch ra khỏi khoảng này thì càng có ảnh hưởng tiêu cực lên hệ thống thủy canh, pH trên 7.5 sẽ làm giảm khả năng hấp thu sắt và có thể xảy ra hiện tượng úa vàng thân, pH dưới 6.0 sẽ làm giảm mạnh khả năng hòa tan acid phosphoric, ion calcium và mangan. Có thể sử dụng các chất đệm hoá học để giữ ổn định giá trị pH.
Độ dẫn điện: Giá trị độ dẫn điện (EC) tốt nhất là trong khoảng 1.5 – 2.5 dS/m. Giá trị EC cao hơn sẽ ngăn cản sự hấp thu chất dinh dưỡng, EC thấp sẽ ảnh hưởng đến sức sống và năng suất cây. Khi cây hấp thu chất dinh dưỡng và nước từ dung dịch, tổng nồng độ muối và EC đều thay đổi.
1.4. Ảnh hưởng của các giá thể nuôi trồng thủy canh
Người ta đã sử dụng nhiều cơ chất khác nhau trong nuôi trồng thủy canh. Tuy nhiên một trong số những đòi hỏi đầu tiên của việc nghiên cứu đó là rễ cây phải dễ dàng tách ra khỏi môi trường. Than bùn, perlite và vermiculite là những cơ chất tốt, nhưng rễ thường đâm sâu vào trong môi trường nên sẽ gặp khó khăn trong việc nghiên cứu hình thái, kích thước của rễ.
Không có tính trơ về mặt hóa học. Những loại đất nung khác nhau cho ra những lượng dinh dưỡng khoáng khác nhau và điều này làm cho kết quả nghiên cứu không còn chính xác. Có thể dùng dung dịch dinh dưỡng để rửa bỏ những chất không mong muốn nhưng tốn kém.
Đất nung có kích cỡ không giống nhau và khả năng hấp thu nước tùy thuộc vào kích thước, cho nên tính đồng nhất không giống nhau.
Gần đây, một loại sản phẩm mới được đóng ép gọi là isolite. Vùng biển Nhật Bản là nơi có nhiều loại này – nó trộn với đất sét 5% (đóng vai trò như chất kết dính). Ngoài ra trong thành phần của nó còn có SiO2 (dioxid silic). SiO2 có tính trơ cao về mặt vật lý học. Isolite có đường kính từ 1 – 10 mm. Các thí nghiệm cho thấy isolite có tính trơ cao về mặt hóa học và giữ nước rất tốt. Tuy nhiên điểm bất lợi của nó là giá thành cao.
Một số giá thể hữu cơ được sử dụng
Than bùn
Đây là chất tốt nhất trong các giá thể hữu cơ có khả năng giữ nước và các chất dinh dưỡng cao hơn các loại giá thể hữu cơ khác. Than bùn có chứa nhiều khoáng như: N, P, K, Ca, Mg và một số nguyên tố vi lượng, trong đó có silic.
Thông thường trong nuôi trồng thủy canh, than bùn được dùng để nuôi trồng các loại cây cho quả như: cà chua, dưa leo, ớt tây, dâu tây.
Than bùn cần thanh trùng trước khi sử dụng.
Mùn cưa
Mùn cưa, cát và hỗn hợp hai loại vật liệu đó đã được dùng có kết quả để sản xuất dưa chuột. Một hỗn hợp có khoảng 25% cát có lợi là phân bố độ ẩm đồng đều hơn khi dùng riêng mùn cưa.
Vỏ cây, xơ dừa
Đây là loại vật liệu tương đối rẻ tiền, có khả năng dễ phân hủy do vi sinh vật nhiều. Phần lớn các nghiên cứu dùng vỏ cây hoặc xơ dừa cần phải cho dòng nước chảy chậm để lôi cuốn các hợp chất tanin có trong vỏ cây và xơ dừa.
Tóm lại việc trồng cây trong giá thể trơ và trên giá thể tự nhiên mang lại một số thuận lợi như điều chỉnh được dinh dưỡng của cây trồng, giảm bớt yêu cầu về lao động, dễ tưới nước, cải thiện năng suất, sản xuất ra các loại rau quả chất lượng cao.
1.5.1. Hệ thống thủy canh không hồi lưu
Còn gọi là hệ thống mở, dịch dinh dưỡng không tuần hoàn mà chỉ được sử dụng một lần và khi nồng độ chất dinh dưỡng giảm, pH hay độ dẫn điện thay đổi, dịch sẽ được thay thế.
Kỹ thuật ngâm rễ (root deeping technique): cây được trồng trong chậu chứa các giá thể trơ có đục lỗ để rễ có thể phát triển ra bên ngoài chậu và để trong một chậu lớn hơn chứa dung dịch dinh dưỡng. Chậu giá thể chứa cây ngập trong dung dịch khoảng 2-3 cm, một số rễ của cây được ngâm trong dung dịch còn một số khác lại nằm trong giá thể tiếp xúc với không khí nhiều hơn.
Kỹ thuật nổi (floating technique): cây được nuôi trong chậu cố định trên vật liệu nhẹ nổi trên mặt dung dịch dinh dưỡng và dung dịch được thông khí nhân tạo.
Kỹ thuật mao dẫn (cappillary action technique): với kỹ thuật này, có hai loại chậu được sử dụng. Cây được trồng trong các chậu chứa giá thể, dung dịch dinh dưỡng chứa từ một chậu chứa bên dưới được mao dẫn lên tới chậu chứa cây ở trên thông qua dây dẫn (có thể bằng bông gòn, tim đèn hay dây dù).
1.5.2. Hệ thống thủy canh hồi lưu
Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (nutrient film technique – NFT): Với hệ thống này, dung dịch dinh dưỡng chảy qua các kênh có độ dốc tạo ra một lớp mỏng dinh dưỡng trong kênh và tiếp xúc trực tiếp với rễ cây để cung cấp dinh dưỡng.
Kỹ thuật dòng sâu (deep flow technique): Với loại hệ thống này, dung dịch dinh dưỡng chảy qua các ống nhựa PVC (polyvinylclorua) và tiếp xúc với rễ cây bằng cách thấm qua các chậu chứa giá thể và có đục lỗ. Hệ thống sắp xếp các ống nhựa theo hình zig zag tận dụng được không gian nuôi cấy rất tốt, thể hiện một trong những thế mạnh của thủy canh.
1.5.3. Hệ thống thủy canh có sử dụng giá thể rắn
Các hệ thống kết hợp giữa dung dịch lỏng và các giá thể rắn để cây phát triển bên trên, hệ thống có thể là đóng hay mở:
Kỹ thuật túi treo (hanging bag technique): cây giống được cho vào các lỗ bên của các túi treo chứa giá thể trơ (thường là xơ dừa), dài khoảng 1 m, có dạng hình trụ, ngoài trắng trong đen, đã xử lý UV, dày, làm bằng polyethylene. Dịch dinh dưỡng được bơm lên đỉnh của mỗi túi, từ đó dịch dinh dưỡng sẽ thấm xuống giá thể và tới rễ cây.
Kỹ thuật túi tăng trưởng (growing bag technique): cây giống được trồng vào các túi nhựa tổng hợp chứa giá thể (thường là bột xơ dừa đã khử trùng), chống tia UV, ngoài trắng trong đen, dài khoảng 1 – 1,5 m, cao khoảng 6 cm và rộng khoảng 18 cm, dưới mỗi bên túi có khe nứt nhỏ để thoát nước hoặc rửa trôi.
Kỹ thuật rãnh (trench or trough technique): trồng cây vào các rãnh chứa giá thể (có thể là bột xơ dừa cũ, cát, sỏi, rêu, vermiculite, perlite, mạt cưa cũ hay hỗn hợp các vật liệu này) được phân cách với đất bằng vật liệu không thấm nước (tấm polythene chống UV, dày, gồm hai màng). Dịch dinh dưỡng và nước được cung cấp qua một hệ thống tưới nhỏ giọt hay tưới thủ công. Ở đáy rãnh, một ống đường kính 2,5 cm có xoi lỗ để thoát dịch dinh dưỡng thừa.
Kỹ thuật chậu môi trường (pot technique): cây được trồng vào các chậu (bằng đất sét hay plastic) chứa giá thể và được cung cấp dinh dưỡng bởi một hệ thống vòi tưới.
1.5.4. Hệ thống khí canh (aeroponics)
Cây trồng thực vật được cố định trong các lỗ trên các tấm xốp và rễ được treo trong không khí dưới các tấm này. Các tấm này được xếp thành dạng hộp kín để ngăn sự xâm nhập của ánh sáng và kích thích sự tăng trưởng của rễ, đồng thời ngăn sự tăng trưởng của tảo, nấm. Dịch dinh dưỡng được phun vào rễ ở dạng sương, mỗi lần phun kéo dài khoảng vài giây, cứ mỗi 2 – 3 phút lại phun một lần. Làm như vậy có tác dụng giữ ẩm cho rễ và dịch dinh dưỡng được thoáng khí. Cây hấp thu chất dinh dưỡng và nước từ lớp dung dịch dính vào rễ.
Thuận lợi lớn của kỹ thuật này là tận dụng không gian tối đa. Kỹ thuật này có mật độ cây trồng cao gấp đôi so với các kỹ thuật khác. Một ứng dụng ưu thế khác của kỹ thuật này là tạo ra cây sạch đất từ các mẫu cắt để xuất khẩu.
2.1. Giới thiệu chung
Kỹ thuật vi nhân giống ra đời tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nhân giống thực vật, giúp cung cấp nhanh với số lượng lớn các giống cây quý theo yêu cầu mà vẫn giữ được đặc tính di truyền của thực vật.
Tuy nhiên, những giới hạn của điều kiện vi nhân giống in vitro làm giảm sức sống của cây nuôi cấy mô như: độ ẩm tương đối cao, nhiệt độ không đổi, cường độ dòng photon quang hợp thấp, nồng độ CO2 dao động lớn, sự hiện diện của đường, muối và chất điều hoà sinh trưởng ở nồng độ cao trong môi trường, sự tích lũy khí ethylen và những chất độc khác, vi sinh vật không hiện diện trong môi trường. Những điều kiện trên ngăn cản sự thoát hơi nước, làm giảm quang hợp, giảm hấp thu nước, chất khoáng, CO2 và thúc đẩy hô hấp trong tối. Điều này dẫn đến tỷ lệ cây chết khá cao khi chuyển ra vườn ươm.
Đã có nhiều nghiên cứu cải tiến để tìm ra một hệ thống vi nhân giống mới, trong đó môi trường nuôi cấy có thể được kiểm soát một cách thuận lợi.
Sau đó hệ thống nuôi cấy mô quang tự dưỡng cũng đã ra đời với mục đích khắc phục một số các nhược điểm của phương pháp truyền thống. Chẳng hạn như việc hạn chế được sự viêm nhiễm nhờ không sử dụng đường trong môi truờng nuôi cấy. Thay vào đó, phương pháp quang tự dưỡng chú trọng điều khiển điều kiện vật lý của môi trường như hàm lượng CO2, chất lượng ánh sáng, quang kỳ, nước, … Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn nhiều hạn chế do chi phí cho hệ thống kiểm soát tự động các điều kiện môi trường, và vì cây vẫn cần phát triển trong điều kiện vô trùng nên chi phí cho lao động cấy chuyền là đáng kể.
Và kỹ thuật vi thủy canh (microponics) ra đời, đó là sự kết hợp giữa kỹ thuật vi nhân giống và kỹ thuật thủy canh. Kỹ thuật kết hợp này bước đầu đã thể hiện những đặc tính ưu việt, có thể khắc phục nhiều nhược điểm của các hệ thống vi nhân giống in vitro truyền thống.
2.2. Ưu điểm của phương pháp vi thủy canh
Vi thủy canh lấy ý tưởng từ phương pháp thủy canh để ứng dụng cho giai đoạn cuối của quá trình nhân giống. Đặc điểm của phương pháp này là sử dụng điều kiện nuôi cấy không cần vô trùng, ứng dụng phương pháp này giúp khắc phục hoàn toàn các thiệt hại do nhiễm nấm khuẩn. Và vì thế có thể giảm đáng kể chi phí đầu tư vào hộp vô trùng, các cơ sở hạ tầng khác và việc điều khiển môi trường nuôi cấy cũng đơn giản hơn phương pháp quang tự dưỡng.
Hơn nữa, do điều kiện môi trường của hệ thống vi thủy canh là gần với điều kiện tự nhiên nên việc thuần hoá cây con ngoài vườn ươm thuận lợi hơn rất nhiều. Trong hệ thống vi thủy canh, các chồi cây in vitro được thuần hoá dần trong điều kiện gần điều kiện tự nhiên, cụ thể là môi trường không vô trùng, độ thoáng khí cao, giúp cho cây có thể tự quang hợp để lấy nguồn carbon từ CO2, thay vì từ đường như hệ thống vi nhân giống truyền thống. Vì vậy, khi đến giai đoạn ra vườn ươm, cây hoàn toàn có thể thích ứng kịp thời với môi trường mới.
Trong xu thế cải tiến các hệ thống nuôi cấy để tăng hiệu quả nuôi cấy in vitro, trên cơ sở ứng dụng các ưu điểm của thủy canh, các nhà khoa học đã phát triển thành hệ thống thủy canh in vitro, một hệ thống mới thể hiện sự kết hợp hài hòa của thủy canh và nuôi cấy in vitro với nhau. Hệ thống mới ra đời nhằm mục đích giải quyết một số khuyết điểm của nuôi cấy truyền thống sử dụng agar và nuôi cấy lỏng tĩnh làm mẫu cấy bị ngập chìm trong dung dịch, đồng thời áp dụng được ưu điểm nuôi cấy hiệu quả hơn bằng dung dịch, ưu điểm tiết kiệm không gian của thủy canh. Hơn nữa ở một số loài thực vật có những tính chất đặc biệt như rất ưa ẩm nhưng không thể phát triển tốt khi chìm hẳn trong dung dịch nuôi cấy trở thành những đối tượng của hệ thống mới. Đây là một hệ thống mới, bước đầu đang khảo sát các thành phần cơ bản của hệ thống và thử nghiệm các nồng độ môi trường khác nhau để tìm ra một số mô hình hệ thống phù hợp cho một số đối tượng thử nghiệm ban đầu là khoai tây, lily và địa lan.
Hệ thống nuôi cấy thủy canh in vitro có một số ưu điểm sau:
Trong hệ thống này, mẫu cấy được đưa lên trên tầng cao có đệm giá thể và dịch dinh dưỡng được mao dẫn lên giá thể cung cấp cho mẫu cấy nên giải quyết được vấn đề mẫu cấy bị ngập trong dung dịch của nuôi cấy lỏng tĩnh.
Hệ thống thủy canh in vitro có thể thiết kế 2, 3 tầng nuôi cấy trong hộp nhựa vô trùng nên rất tiết kiệm không gian nuôi cấy, tăng hiệu quả nhân giống. Hơn nữa, dung dịch dinh dưỡng sử dụng chỉ cần để dưới đáy hộp rồi cho dây mao dẫn lên cho các tầng nuôi cấy bên trên nên chúng được tận dụng hơn nuôi cấy lỏng truyền thống (Khi nuôi cấy lỏng sử dụng cùng lượng thể tích môi trường nhưng chỉ nuôi cấy được số lượng hạn chế mẫu cấy và thường là dung dịch dinh dưỡng không được sử dụng hết). Đặc điểm này thể hiện rõ ràng nhất sự mô hình hóa của thủy canh vào hệ thống mới.
Hệ thống nuôi cấy sử dụng dung dịch lỏng nên có thể thay đổi và bổ sung các thành phần môi trường cũng như điều chỉnh độ pH, độ dẫn điện trong suốt thời gian nuôi cấy một cách dễ dàng.
Thành phần cấu trúc của hệ thống gồm hộp nhựa, tầng nuôi cấy là nắp nhựa cắt ra, lớp nylon làm giá đỡ, giá thể với bông gòn và giấy lọc, dây mao dẫn có thể là bông gòn hay tim đèn đều là những vật liệu đơn giản nên giá thành rẻ.
