SỬ DỤNG RONG BIỂN TRONG NÔNG NGHIỆP

Mặc dù rong biển hiện nay được sử dụng cho nhiều mục đích, nhưng các ứng dụng đầu tiên của rong biển là cải tạo và làm phân bón để cải thiện năng suất đất hoặc bổ sung thức ăn gia súc trong thời gian thiếu nguồn thức ăn. Nông dân ở vùng ven biển biết các điều kiện môi trường cụ thể (thủy triều, gió, tiếp xúc bờ, dòng chảy) cho phép họ khai thác tốt nhất nguồn tài nguyên này. Ngoài ra, họ đã sửa đổi các công cụ canh tác hiện có và thiết kế giải pháp mới để thu hoạch chúng từ biển và đất liền.

Rong biển thường được trộn ở dạng tươi với đất hoặc được xử lý đơn giản để khắc phục một số vấn đề. Ví dụ, rong biển có thể được rửa với nước mưa để rửa một phần muối hoặc được ủ với chất thải hữu cơ còn lại giàu carbon khác, cải thiện chất lượng của nó để làm phân bón. Một thực tế phổ biến khác là xếp rong biển trên cánh đồng, sục khí định kỳ để loại bỏ các hợp chất lưu huỳnh độc hại (Milton, 1964; Craigie, 2011). Tảo nâu phát triển ở vùng nước ôn đới (đặc biệt làAscophyllum nodosum, Ecklonia maxima, vàFucus vesiculosus) được sử dụng rộng rãi nhất trong nông nghiệp, có thể vì kích thước thuận tiện và phổ biến hơn các loài khác.

Nhìn chung rong biển được sử dụng thường xuyên trong nông nghiệp. Trên thực tế, sự hiện diện của lượng sinh khối rong biển quá mức trên bờ biển có thể tạo tác dụng phụ và người ta kêu gọi loại bỏ nó. Một trong những lý do tại sao loại bỏ rong biển ven biển là để tránh thủy triều xanh, có liên quan đến hiện tượng phú dưỡng từ nông nghiệp, nước thải đô thị và công nghiệp, và nuôi trồng thủy sản (Barbara và Cremades, 2010). Những khối lớn rong biển này làm giảm đa dạng sinh học bằng cách gây ra các điều kiện anoxic và giải phóng H2S trong quá trình phân hủy của chúng, chúng có tác động môi trường mạnh mẽ và làm giảm lợi nhuận kinh tế trong các vùng thủy sản (Fei, 2004; Han et al., 2014; Niell et al., 1996). Sự hiện diện của rong biển cũng có thể gây rắc rối trong mùa hè vì sự tích tụ và phân hủy tiếp theo của nó có thể dẫn đến mùi hôi hoặc thậm chí các vấn đề sức khỏe cộng đồng. Vì lý do này, các hội đồng địa phương thường loại bỏ rong biển khỏi các bãi biển, đặc biệt là trong mùa tắm biển (Eyras et al., 1998; Rosenberg, 1985). Một trong những cách kinh tế và bền vững nhất để quản lý chất thải này là sử dụng nó trong nông nghiệp.

Lợi ích nông học từ rong biển

Những tác dụng có lợi của rong biển đối với nông nghiệp đã được chứng minh bằng thực nghiệm bởi những người nông dân ở vùng ven biển từ thời cổ đại. Ngoài ra, một số lượng lớn các nghiên cứu khoa học đã xác định và định lượng những lợi thế của việc sử dụng rong biển trên đất và cây trồng.

Thành phần của rong biển là một trong những nguồn lợi ích nông nghiệp đặc biệt của nó (Aitken và Senn, 1965). Rong biển khác biệt rõ rệt với thực vật trên cạn ở chỗ nó chứa ít cellulose và có được độ bền cơ học từ các polysacarit chất nền đặc trưng (Phycroploids như agar, carrageenan, ulvans và alginate, trong số những loại khác). Ngoài ra, thay vì lưu trữ năng lượng dưới dạng tinh bột, nó lưu trữ ở dạng laminarin và mannitol có độ bền cao và có thể hoạt động như các tác nhân chelat trong đất (Metting et al., 1990).

Hơn nữa, rong biển có chứa các yếu tố dinh dưỡng đa lượng và vi lượng (nitơ, phốt pho, kali, canxi, magiê, lưu huỳnh, clo, sắt, kẽm, đồng, molypden, mangan và boron) (Verkleij, 1992). Nó chứa một lượng lớn vitamin (Bourgougnon et al., 2011), chất kích thích sinh học và chất kháng khuẩn mà sau này có ích để chống lại một số loài gây hại và bệnh thực vật (Crouch et al., 1992).

Hơn nữa, rong biển là nguồn phân sinh học tự nhiên không chứa mầm bệnh hoặc mầm cỏ dại, có thể sử dụng trong nông nghiệp hữu cơ. Liên minh châu Âu đã coi rong biển phù hợp để sử dụng như là phân bón hữu cơ cho sản xuất hữu cơ (Hội đồng EC, 2008). Đây là một lợi thế khác của rong biển trong nông nghiệp, dựa trên khảo sát toàn cầu mới nhất của Viện nghiên cứu nông nghiệp hữu cơ (FiBL), diện tích đất được sử dụng để làm nông nghiệp hữu cơ, số lượng nhà sản xuất và bán lẻ các sản phẩm hữu cơ tiếp tục phát triển và đã đạt đến đỉnh cao lịch sử (Willer et al., 2018).

Rong biển cải thiện đất trồng

Theo Karlen và Stott (1994), chất lượng đất là khả năng đặc trưng của một loại chức năng riêng của đất, trong ranh giới hệ sinh thái tự nhiên hoặc được quản lý, để duy trì năng suất của thực vật và động vật, duy trì hoặc tăng cường chất lượng nước và không khí, và hỗ trợ sức khỏe con người và nơi ở. Chất lượng đất có thể được đánh giá theo một số chỉ số; tuy nhiên, Hội nghị quốc tế về đánh giá và giám sát chất lượng đất (Arshad và Martin, 2002) đã khuyến nghị sử dụng ba thành phần khác nhau cho mục đích này, cụ thể là:

(a) một thành phần năng suất (khả năng của đất để cải thiện sản xuất cây trồng);

(b) một thành phần chất lượng môi trường (khả năng của đất để làm giảm tác động của các chất ô nhiễm và mầm bệnh môi trường, và để ngăn ngừa thiệt hại ngoài khu vực); và

Rong biển trên thực tế có thể cung cấp một số lợi thế dẫn đến chất lượng đất được cải thiện trong ba khía cạnh trước đó. Do đó, như đã lưu ý trong phần trước, rong biển là một nguồn dinh dưỡng hữu ích do hàm lượng khoáng chất của nó; Ngoài ra, nó có chứa một số hợp chất liên quan đến các quá trình hóa lý làm tăng khả năng cung cấp và lưu giữ chất dinh dưỡng. Ví dụ, phycroploids là các polyelectrolytes anion phản ứng cao và do đó trao đổi cation tuyệt vời với mục đích giữ lại các chất dinh dưỡng trong đất (Garcı Mìnha và Martel, 2000). Rong biển có chứa các chất hữu cơ khác, bao gồm axit, methionine, alginate và Fucoidan mà nó có thể tạo ra một số chất dinh dưỡng và tăng khả dụng sinh học của chúng (Khan et al., 2009; Lynn, 1972).

Rong biển cung cấp hàm lượng Ca cao và sự hiện diện của alginate, tạo ra phức nhôm trao đổi, do đó vô hiệu hóa tính axit của đất giàu Al (đất phèn) (Crouch et al., 1990; Eyras et al., 1998 ; Lo Bípez-Mosquera và Pazos, 1997). Rong biển cũng tác động đến các tính chất vật lý của đất. Do đó, nó cải thiện cấu trúc đất và tăng khả năng giữ nước. Chất nền phycocolloids có thể tạo thành một mạng lưới với các đặc tính lưu biến duy nhất cho phép giữ lại một lượng lớn nước; do đó, chúng có thể hoạt động như vòi lấy nước (Garcı dữa và Martel, 2000). Muối axit alginic liên kết các ion kim loại trong đất để tạo thành các khối lượng phân tử cao có tác dụng cải thiện cấu trúc đất (Khan et al., 2009) và giữ ẩm đất, do đó làm giảm yêu cầu tưới tiêu (Lattner et al., 2003; Verkleij, 1992 ). Ngoài ra, tính chất nhớt, keo của các chất keo này cho phép chúng để tạo thành một lớp hydrat hóa mỏng trên đất giúp cải thiện cấu trúc và chống xói mòn (Garcı´avà Martel, 2000).

Rong biển có chứa hơn 5000 loại enzyme khác nhau (Canales Lo Muffpez, 1999), đặc biệt thú vị là các oxyoreductase và hydrolase, tương ứng xúc tác oxi hóa khử và phản ứng thủy phân. Oxidoreductase cung cấp một bức tranh tổng thể về các quá trình vi sinh vật đất, trong khi hydrolase cung cấp thông tin cụ thể về các chu trình hóa sinh của C, N, S và P (Garcıêa-Izquierdo et al., 2003; Gil-Sotres et al., 2005). Gần đây, Wang và cộng sự. (2018) đã tìm thấy phân bón rong biển để tăng các hoạt động của vi sinh vật và enzyme trong đất.

Hoạt động sinh học cũng tác động, gián tiếp lên cấu trúc đất. Do đó, việc giải phóng carbon dioxide tạo điều kiện cho sục khí, từ đó thúc đẩy sự phát triển của rễ cây và tăng hoạt động của vi sinh vật trong đất (Eyras et al., 1998; Gandhiyappan và Perumal, 2001; Moore, 2005). Rong biển cũng có tác dụng thuận lợi đối với sinh học đất bằng cách kích hoạt sự phát triển của hệ vi sinh vật có lợi (Chen và cộng sự, 2003; Khan và đồng sự, 2009; Kuwada et al., 2000, 2006). Ishii et al. (2000) đã tìm thấy sự phân hủy enzyme của axit alginic để thúc đẩy đáng kể sự tăng trưởng của sợi nấm và sự kéo dài mycorrhiza của arbuscular, do đó cải thiện sự hấp thu phốt pho của thực vật. Ngoài ra, Khan et al. (2012) đã tìm thấy rong biển để tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn Sinorizobium xâm nhập, cùng với rễ cây họ đậu, giúp cố định nitơ trong khí quyển.

Rong biển chứa một lượng lớn muối (đặc biệt là NaCl) và do đó có thể dẫn đến nhiễm mặn khi sử dụng một lượng lớn vào đất ở khu vực khô cằn và bán khô; tuy nhiên, vấn đề này có thể được giải quyết dễ dàng bằng cách rửa nó trước khi ứng dụng (Illera-Vives et al., 2015a). Mặc dù có hàm lượng muối cao, rong biển có chứa các enzyme có thể thủy phân một số thành phần đất thành các hợp chất không hòa tan, do đó tạo điều kiện cho quá trình khử khoáng và khử muối (Canales Lo Muffpez, 1999).

Các đặc tính polyanionic của rong biển và tảo đơn bào đã tỏ ra hữu ích trong việc khắc phục đất bị ô nhiễm kim loại nặng (Metting et al., 1988). Tuy nhiên, các tính chất như vậy có thể có tác dụng phụ khi đất được bón rong biển từ các khu vực bị ô nhiễm, nó có thể làm tăng mức độ các chất hòa tan trong nước biển (ví dụ: Cr, Pb, As, Hg, Sr, các nguyên tố phóng xạ) lên đến 4 lần, qua đó giới thiệu ô nhiễm trong đất nông nghiệp (Garcı dữa và Martel, 2000; Sudharsan et al., 2012). Do đó, rong biển cho mục đích nông nghiệp nên được lấy một cách lý tưởng từ các khu vực không bị ô nhiễm để tránh kết hợp các chất gây ô nhiễm bất lợi như Cd vào đất.

Rong biển là một chất kích thích sinh học

Khái niệm về chất kích thích sinh học của người Viking là khá mới và chưa được xác định rõ ràng. Trong một báo cáo của Ủy ban Châu Âu, du Jardin (2012) đã định nghĩa các chất kích thích sinh học thực vật là các chất và nguyên liệu, ngoại trừ các chất dinh dưỡng và thuốc trừ sâu, khi áp dụng cho cây, hạt hoặc chất nền trong các công thức cụ thể, có khả năng sửa đổi quá trình sinh lý của thực vật theo cách cung cấp lợi ích tiềm năng cho sự tăng trưởng, phát triển và / hoặc phản ứng căng thẳng. Do đó, các chất kích thích sinh học có tác dụng sinh lý đối với thực vật, thực tế, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng chúng có thể làm thay đổi hệ thống chuyển hóa thực vật (Battacharyya et al., 2015).

Sự hiện diện của chất kích thích sinh học trong rong biển đặc biệt rõ ràng khi được sử dụng ở dạng chiết xuất. Bởi vì chiết xuất rong biển được sử dụng ở độ pha loãng cao (1000 lần hoặc cao hơn), lợi ích của chúng đối với cây trồng không thể chỉ được quy cho hiệu quả bón phân hoặc cải thiện tính chất của đất. Thay vào đó, một hiệu ứng bổ sung từ các chất thúc đẩy sự phát triển của thực vật phải được sử dụng. Finnie và Van Staden (1985) đã tìm thấy những tác dụng thuận lợi của chất chiết xuất biến mất khi tro hóa và kết luận rằng việc cải tiến cây trồng phải là do các hợp chất hữu cơ có trong dung dịch cô đặc.

Các xét nghiệm miễn dịch đã cho phép xác định nhiều hợp chất có tác dụng kích thích sinh học (du Jardin, 2015). Phân bón lỏng rong biển đầu tiên được bán trên thị trường dưới tên Maxicrop vào năm 1949 và đến năm 1975, Booth đã cho rằng các tác dụng chiết xuất rong biển như cải thiện khả năng nảy mầm và chống stress. Rong biển có thể có nhiều tác dụng kích thích sinh học đối với cây trồng (Craigie, 2011; Battacharyya et al., 2015), bao gồm cải thiện sự nảy mầm (Sivritepe và Sivritepe, 2008), tăng trưởng (Basak, 2008), phát triển rễ (Crouch và Van Staden, 1991 ; Finnie và Van Staden, 1985), sự hấp thu chất dinh dưỡng (Castaings et al., 2011; Krouk et al., 2010; ; Luthje and Bottger, 1995), ra hoa (Basak, 2008), chất lượng và năng suất cây trồng (Povolny, 1981; Chouliara et al., 2009), và hàm lượng dinh dưỡng và đời sống cây trồng hữu ích (Kamel, 2014). Những ảnh hưởng này đặc biệt được đánh dấu đối với các cây trồng phát triển trong điều kiện dưới mức tối ưu (Craigie, 2011; Crouch và Van Staden, 1994).

Các chất kích thích sinh học thực vật được điều chế chủ yếu từ tảo nâu, các loài được sử dụng khác nhau giữa các địa điểm (du Jardin, 2015; McHugh, 2003). Các loài được sử dụng rộng rãi nhất cho sản xuất làA. nodosum, Laminaria spp., E. maxima, Sargassum spp.,và Durvillaea spp. (Craigie, 2011; Verkleij, 1992). Mặc dù các thành phần cụ thể chịu trách nhiệm cho các đặc tính sinh học của rong biển và cơ chế hoạt động của chúng vẫn còn gây tranh cãi (Craigie, 2011), theo Arioli et al. (2015) hầu hết các phát hiện khoa học cho thấy rằng chúng là do các chất thuộc các loại sau:

(a) hormone tăng trưởng (auxin, cytokinin, ethylene, gibberellin, axit abscisic);

(b) các hợp chất amoni bậc bốn (betaines, proline);

(d) các nguyên tố vi lượng và các phân tử dựa trên lipid (sterol).

Phản ứng của thực vật đối với chiết xuất rong biển phần lớn được quy cho các hormone có trong rong biển (du Jardin, 2015; Garcı a và Martel, 2000). Trên thực tế, tác dụng của chúng rất giống với phytohormone, thúc đẩy tăng trưởng thực vật ở nồng độ thấp nhưng ức chế ở mức cao (Battacharyya et al., 2015). Giống như thực vật bậc cao, rong biển chứa phytohormone tự nhiên vì nó cần các chất điều hòa tăng trưởng này để kiểm soát các sự kiện hình thái trong vòng đời của nó (Stirk et al., 2003); tuy nhiên, quá trình trao đổi chất và điều hòa các hormone như vậy phức tạp hơn nhiều ở thực vật bậc cao, do có nhiều hình thái mà chúng phải trải qua (Auer, 1997).

Sự hiện diện của các hormone như cytokin, auxin và axit abscisic cùng với các hợp chất khác giống như hormone như sterol và polyamide, trong rong biển đã được chứng minh rộng rãi (Battacharyya et al., 2015; Craigie, 2011; du Jardin, 2015; ; Khan và cộng sự, 2009; Stirk và cộng sự, 2014; Stirk và cộng sự, 2003). Tuy nhiên, hoạt động của các chất giống như hormone có trong rong biển không thể chỉ được quy cho hàm lượng hormone của nó (Battacharyya et al., 2015). Do đó, mặc dù có sự khác biệt lớn về hàm lượng phytohormone của rong biển được thu hoạch trong các mùa khác nhau (Featonby-Smith và Van Staden, 1984), lợi ích của nó vẫn còn trong suốt cả năm Craigie (2011). Các phân tử hữu cơ lớn khác như oligomers, polysacarit và phlorotannin đóng góp cho những lợi ích đó (Craigie, 2011; Stirk et al., 2020). Các phân tử này kích thích sự trao đổi chất của thực vật và các phản ứng bảo vệ của nó bằng cách thay đổi sự tổng hợp của phytohormone nội sinh (Wally et al. 2013), bằng cách tăng và điều hòa các gen sinh tổng hợp hormone (Stirk et al., 2020). Mặc dù nhiều thành phần rong biển và cơ chế hoạt động của chúng vẫn chưa được biết, nhưng chúng có thể hoạt động theo phương thức hiệp đồng (Battacharyya et al., 2015; Fornes et al., 2002; Vernieri et al., 2005).

Rong biển sở hữu hoạt động thẩm thấu và cung cấp sự bảo vệ enzyme khỏi betaine và glycylbetaine, hoạt động tương tự như cytokinin bằng cách cải thiện tính kháng thực vật đối với stress lạnh và lão hóa (Garcı ỉa và Martel, 2000). Ngoài ra, nó có thể làm tăng khả năng chịu đựng của thực vật đối với một loạt các căng thẳng phi sinh học như nhiễm mặn (Neily et al., 2008), hạn hán (Little và Neily, 2010; Mancuso et al., 2006), sương giá (Rayirath et al., 2009 ) và nhiệt độ cao (Moeller và Smith, 1998). Ngoài ra, một số hợp chất rong biển có chứa (ví dụ, polysacarit và các dẫn xuất của chúng) có thể kích hoạt cơ chế phòng chống mầm bệnh (Vera et al., 2011) để tăng sức đề kháng với sâu bệnh bằng cách tăng sản xuất protein liên quan đến mầm bệnh như PR1, phenylalanine ammonium lyase (PAL) và glycoprotein giàu hydroxyproline (Moon và Anderson, 2003, 2006).

Rong biển trong nông nghiệp

Từ giữa thế kỷ 20, phân bón từ rong biển đã được thay thế bởi nhiều loại chiết xuất đang ngày càng được sử dụng làm chất kích thích sinh học trong nông nghiệp hiện đại (Battacharyya et al., 2015; McHugh, 2003; Metting et al., 1990). Việc sử dụng chiết xuất ngày càng tăng có lẽ đã được thúc đẩy bởi sự dễ vận chuyển và lưu trữ của chúng, và do hoạt tính nhanh chóng của các hoạt chất của chiết xuất rong biển trên cây trồng (McHugh, 2003; Metting et al., 1990). Trên thực tế, chiết xuất rong biển cho đến nay đã được chấp nhận rộng rãi bởi ngành trồng trọt (McHugh, 2003); Ngoài ra, hầu hết các nghiên cứu về sử dụng nông nghiệp của rong biển đã tập trung vào cây trồng làm vườn.

Các hợp chất hoạt tính sinh học trong rong biển thu được bằng cách chiết xuất bằng nước, axit hoặc kiềm hoặc thông qua quá trình đông lạnh hoặc vỡ tế bào dưới áp suất cao (Sharma et al., 2014). Tất cả các phương pháp này tránh sự xuống cấp của các sản phẩm mục tiêu. Một số chiết xuất rong biển được sử dụng để tăng hiệu quả của phân bón thông thường bằng cách giảm liều để cải thiện sự cân bằng kinh tế và môi trường.

Việc ủ phân đặc biệt hữu ích ở những khu vực nơi rong biển phát triển quá mức tạo ra một lượng lớn chất thải, đòi hỏi phải quản lý đúng cách. Một số tác giả đã ủ rong biển để lấy phân bón và nhận thấy quá trình này có hiệu quả về mặt kinh tế và môi trường (Cuomo et al., 1995; Eyras và Sar, 2003; Maz e et al., 1993; Potoky et al., 1988; Vallini và cộng sự, 1993). Tuy nhiên, tỷ lệ C / N thấp của rong biển đòi hỏi sự pha trộn của nó với một vật liệu giàu carbon như mùn cưa (Eyras et al., 1998), trấu (Wang et al., 2009), rơm (Wosnitza và Barrantes, 2006), bã mía (Cole et al., 2016), hoặc vỏ cây thông (Illera-Vives et al., 2013) hoặc các thành phần khác. Rong biển cũng có thể được ủ với các vật liệu giàu dinh dưỡng khác như chất thải của cá (Illera-Vives et al., 2013) hoặc phân (Wosnitza và Barrantes, 2006) để tăng độ dinh dưỡng phân bón của sản phẩm tạo ra.

Tuy nhiên, quá trình chế biến có thể làm thay đổi chất lượng các chất kích thích sinh học có trong rong biển. Do đó, một số hợp chất hoạt tính sinh học như hormone tăng trưởng và chất chống oxy hóa dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao (Sharma et al., 2014; Stirk et al., 2004), vì vậy chất chiết xuất thường thu được từ rong biển lạnh hoặc đông lạnh (Sharma et al., 2014).

Theo TegoX dịch