Theo số liệu thống kê của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hợp quốc năm 2017, sản lượng lương thực toàn cầu là 2,627 tỷ tấn, trong đó 618 triệu tấn được sản xuất tại Trung Quốc, chiếm 23,5% tổng sản lượng lương thực toàn cầu trong cùng thời kỳ. . Để duy trì năng suất cao như vậy, sản xuất nông nghiệp của Trung Quốc hàng năm đòi hỏi phải tiêu thụ một lượng lớn đất nông nghiệp và nguồn nước ngọt. Tuy nhiên, sự khan hiếm nguồn tài nguyên nói trên ở Trung Quốc là vô cùng rõ ràng. Theo thống kê, diện tích đất canh tác bình quân đầu người chưa đến 0,1 hm2, chỉ bằng 1/3 diện tích đất bình quân đầu người của thế giới và chưa bằng 1/7 so với Hoa Kỳ; Tài nguyên nước ngọt bình quân đầu người của Trung Quốc chưa đến 2200 m3, chỉ bằng 1/4 mức trung bình của thế giới, khiến nước này trở thành một trong những quốc gia có nguồn tài nguyên nước bình quân đầu người nghèo nhất thế giới. Vì vậy, một lượng lớn phân bón hóa học phải được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp ở Trung Quốc để đảm bảo năng suất tổng thể.

Tuy nhiên, trong sản xuất nông nghiệp của Trung Quốc, tỷ lệ tận dụng phân bón chưa đạt yêu cầu. Lấy phân đạm làm ví dụ, năm 2017, tổng lượng phân đạm được sử dụng ở Trung Quốc đạt 22,06 triệu tấn, chiếm 35% tổng lượng phân đạm của thế giới. Tuy nhiên, tỷ lệ sử dụng toàn diện phân bón nitơ ở Trung Quốc vào năm đó chưa đến 35%, gây lãng phí lớn. Vì vậy, các nhà khoa học công nghệ nông nghiệp ở Trung Quốc đang dần bắt đầu nghiên cứu các loại phân bón hòa tan trong nước cao cấp để thích ứng với quá trình tích hợp phân bón trong nước [1-2]. Theo nghiên cứu do Trung tâm Xúc tiến Công nghệ Nông nghiệp Quốc gia thực hiện, hiện có hơn 30 triệu ha đất canh tác phù hợp cho việc tích hợp nước và phân bón ở Trung Quốc, trong khi tỷ lệ áp dụng hiện nay ở nước này chỉ là 3,2%. Vì vậy, tiềm năng phát triển phân bón hòa tan trong nước ở Trung Quốc là rất lớn và đây là trọng tâm phát triển phân bón trong tương lai.

Phân bón hòa tan trong nước là loại phân hỗn hợp đa nguyên tố, tác dụng nhanh, hòa tan hoàn toàn trong nước. Nó có đặc tính hòa tan trong nước tốt, không có cặn, có thể được rễ và lá của cây trồng hấp thụ và sử dụng trực tiếp. Là một thành phần quan trọng của việc tích hợp phân bón trong nước, phân bón hòa tan trong nước có những ưu điểm rõ ràng. Thứ nhất, nó có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ sử dụng phân bón. Theo thống kê, tỷ lệ sử dụng phân bón thông thường ở Trung Quốc là khoảng 30%, trong khi tỷ lệ sử dụng phân bón hòa tan trong nước là từ 70% đến 80%. Nó cũng có thể giảm tổng lượng phân bón, đáp ứng các yêu cầu cơ bản của chu trình carbon kép quốc gia; Thứ hai, phân bón hòa tan trong nước có hàm lượng dinh dưỡng cao và dinh dưỡng toàn diện, có thể cải thiện đáng kể năng suất và chất lượng cây trồng, trở thành một trong những hướng phát triển trọng điểm của ngành phân bón trong tương lai; Cuối cùng, việc thúc đẩy và sử dụng phân bón hòa tan trong nước, kèm theo sự kết hợp giữa nước và phân bón, có thể tiết kiệm một lượng lớn tài nguyên nước ngọt và giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của người dân Trung Quốc. 

Hiện nay, vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết trong sản xuất và sử dụng phân bón hòa tan trong nước ở Trung Quốc. Khả năng hòa tan trong nước kém và hàm lượng chất không hòa tan cao có thể dễ dàng gây tắc nghẽn đường ống, đặc biệt là ở những khu vực có nồng độ ion canxi và magie cao trong nước tưới. Hiện tại, yêu cầu về các chất không tan trong nước trong phân bón hòa tan ở Trung Quốc là 0,5%, trong khi hệ thống phân bón tích hợp nói chung là cố định hoặc bán cố định, có các đầu ra nước cực kỳ mịn và khó làm sạch, dễ bị tắc nghẽn bởi các chất không tan trong nước. Một phần muối trong phân bón sẽ ăn mòn đường ống. Hiện nay, các đường ống của hệ thống nước và phân bón tích hợp hầu hết được làm bằng thép carbon hoặc nhựa, trong đó các đường ống làm bằng thép carbon dễ bị ăn mòn bởi oxy, nước, axit và kiềm, làm giảm tuổi thọ của hệ thống và làm tăng chi phí sử dụng. Thành phần chính của phân bón hòa tan trong nước là phân bón hóa học, dễ gây ra hiện tượng nén đất, mất cân bằng quần xã vi sinh vật đất sau khi sử dụng lâu dài, cuối cùng dẫn đến suy thoái độ phì của đất. Xuất phát từ những lý do trên, cùng với sự phát triển của tích hợp phân bón trong nước, các công ty hóa chất lớn trong và ngoài nước đã lần lượt phát triển các loại hóa chất có tác dụng ức chế cáu cặn và ăn mòn để giải quyết các vấn đề trong sản xuất và sử dụng phân bón hòa tan trong nước. Trong số đó, axit polyaspartic và các dẫn xuất của nó là những chất được nghiên cứu rộng rãi nhất. 

1.1Ứng dụng axit polyaspartic trong phân bón hòa tan trong nước

Axit polyaspartic (PASP) là một loại protein hòa tan trong nước được tổng hợp nhân tạo, tồn tại tự nhiên trong chất nhầy của động vật có vỏ biển như hàu. Nó là một hoạt chất được động vật có vỏ biển sử dụng để làm giàu chất dinh dưỡng và tạo vỏ. Axit polyaspartic, như một loại chất tổng hợp phân bón mới, có thể tăng cường sự hấp thụ nitơ, phốt pho, kali và các nguyên tố vi lượng của cây trồng; Ngoài ra, axit polyaspartic không độc hại, vô hại và có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn, khiến nó trở thành hóa chất xanh được công nhận trên toàn cầu. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước cho thấy axit polyaspartic với vai trò là tác nhân hiệp đồng cho các loại phân bón hòa tan trong nước có tác dụng chính trên các mặt sau:

1.1 Tác dụng phân tán của axit polyaspartic

Những nguyên nhân chính gây tắc nghẽn đường ống trong quá trình sử dụng phân bón hòa tan trong nước bao gồm lượng mưa do phản ứng hóa học giữa các loại phân bón, độ hòa tan giảm do pH nước và các chất không hòa tan trong nước trong phân bón. Các chất không tan trong nước này được hình thành thông qua các con đường khác nhau dần dần bám vào bên trong hoặc đầu ra của đường ống, đặc biệt là các muối không tan trong nước như canxi và magie, từ đó làm tắc nghẽn toàn bộ hệ thống. 

Axit polyaspartic, như một loại chất phân tán xanh mới, có thể ngăn ngừa và làm giảm sự hình thành và kết tụ cặn muối vô cơ khi áp dụng cho hệ thống tưới nhỏ giọt (phun). Nó có thể phân tán cặn hình thành thành các hạt nhỏ lơ lửng trong hệ thống nước, từ đó làm giảm vấn đề tắc nghẽn của phân bón hòa tan trong nước trong hệ thống trong quá trình sử dụng. Theo nghiên cứu, axit polyaspartic, như một chất phân tán chelat trong hệ thống tuần hoàn nước, có tác dụng chelat và phân tán tốt đối với các oxit sắt, canxi cacbonat, titan dioxide, kẽm hydroxit, magie hydroxit, magie oxit, mangan dioxide, v.v. Koskan và cộng sự. tin rằng axit polyaspartic có thể ngăn chặn sự lắng đọng cặn trên bề mặt truyền nhiệt và đường ống của hệ thống nước. 

Trong khi đó, nghiên cứu về ảnh hưởng của trọng lượng phân tử axit polyaspartic và nhiệt độ hệ thống đến sự ức chế cặn đã xác nhận rằng tác dụng ức chế cặn của axit polyaspartic có liên quan chặt chẽ với trọng lượng phân tử của nó, nhưng không liên quan đến nhiệt độ hệ thống. Người ta thường tin rằng tác dụng ức chế cặn của axit polyaspartic được tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau có liên quan chặt chẽ với thang đo tương ứng của nó. Ví dụ, axit polyaspartic sử dụng axit aspartic làm nguyên liệu thô có tác dụng ức chế cặn tốt hơn đối với CaF2, trong khi axit polyaspartic sử dụng anhydrit maleic và các dẫn xuất của nó có tác dụng ức chế cặn tốt hơn đối với BaSO4, SrSO4, CaSO4, v.v. Ross và cộng sự. xác nhận rằng phạm vi trọng lượng phân tử trung bình trọng lượng tối ưu để phân tán axit polyaspartic như canxi cacbonat, canxi sunfat và bari sunfat là từ 10000 đến 4000. Quan Zhenhua và những người khác nhận thấy rằng khi nhiệt độ nước dưới 60oC, nhiệt độ thay đổi rất ít ảnh hưởng đến tốc độ ức chế cặn của axit polyaspartic; Khi Ca2+ là 800mg/L và liều lượng axit polyaspartic chỉ 3 mg/L, tỷ lệ ức chế cáu cặn vẫn có thể đạt trên 90%. Ở 20oC, axit polyaspartic gây ra sự chậm trễ ít nhất 150 phút trong quá trình tạo mầm của canxi cacbonat. Tất cả các nghiên cứu này đều chỉ ra tính phổ biến của hiệu suất ức chế quy mô axit polyaspartic đối với nhiệt độ. 

1.2 Ức chế ăn mòn của axit polyaspartic

Người ta thường tin rằng các nhóm cực (bao gồm nhóm N và O) trong axit polyaspartic được hấp phụ trên đường ống kim loại, cải thiện đáng kể năng lượng kích hoạt của quá trình ion hóa kim loại. Đồng thời, các nhóm không phân cực (alkyl R) được sắp xếp theo chiều hướng ra xa kim loại, tạo thành một lớp màng kỵ nước, từ đó ức chế sự ăn mòn đường ống kim loại bởi dung dịch nước, bảo vệ hiệu quả hệ thống tưới nhỏ giọt trong môi trường tích hợp. nước và phân bón, kéo dài tuổi thọ của thiết bị và giảm chi phí sản xuất. Axit polyaspartic có tác dụng ức chế ăn mòn trên nhiều vật liệu kim loại khác nhau như thép cacbon, đồng, đồng thau và đồng trắng trong nhiều hệ thống khác nhau [25]; Khi nồng độ axit polyaspartic là 100 mg/L, tốc độ ức chế ăn mòn của thép carbon có thể đạt tới 93%, và ở nồng độ này, axit polyaspartic có thể làm chậm tốc độ ăn mòn của thép carbon tới 90%, kéo dài tuổi thọ của thép một cách hiệu quả. Đường ống dẫn. 

Trong các nghiên cứu liên quan, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng axit polyaspartic có tác dụng ức chế tốt sự ăn mòn đường ống trong hệ thống nước ở các điều kiện pH khác nhau. Nghiên cứu của Benton cho thấy rằng sử dụng axit polyaspartic và muối của nó có trọng lượng phân tử từ 1000 đến 5000 và nồng độ 25 mg/L trong môi trường dung dịch muối ăn mòn có độ pH từ 4,0 đến 6,6 có thể ức chế hiệu quả sự ăn mòn thép carbon bởi carbon dioxide . Khi Kalota và cộng sự. và Silverman và cộng sự. [30] đã nghiên cứu hiệu suất ức chế ăn mòn của axit polyaspartic trên sắt trong các điều kiện pH, nhiệt độ và độ ẩm khác nhau, họ phát hiện ra rằng axit polyaspartic có hiệu suất ức chế ăn mòn tốt khi pH lớn hơn 10. Mansfeld et al. [31] nhận thấy rằng cũng có thể đạt được kết quả tốt ở độ pH từ 8 đến 9. Do đó, axit polyaspartic có thể giải quyết sự ăn mòn đường ống trong quá trình sử dụng các công thức phân bón hòa tan trong nước khác nhau, rất hữu ích cho việc áp dụng phân bón cố định hoặc phân bón hòa tan trong nước. hệ thống đường ống bán cố định. 

1.3 Tác dụng hiệp đồng và nâng cao chất lượng của axit polyaspartic

Axit polyaspartic, với vai trò là chất tổng hợp phân bón hoặc chất tăng cường dinh dưỡng, đã được báo cáo về khả năng giải phóng chậm và nâng cao hiệu quả, tăng cường sử dụng phân bón, cải thiện chất lượng cây trồng, tăng năng suất và thu nhập. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung axit polyaspartic vào phân bón hòa tan trong nước có thể kéo dài hiệu quả của phân bón, đảm bảo cây trồng hấp thụ chất dinh dưỡng đồng đều trong toàn bộ quá trình sinh trưởng và do đó đảm bảo sử dụng phân bón hiệu quả. Thí nghiệm được thực hiện bởi Lei Quankui et al. cho thấy hiệu quả sử dụng phân N, P và K ở đậu phộng tăng lên ở các mức độ khác nhau sau khi bón axit polyaspartic và đậu phộng ít bị các triệu chứng thiếu chất dinh dưỡng hơn trong suốt mùa sinh trưởng. Cao Dân và cộng sự. đã nghiên cứu tính bền vững của axit polyaspartic và chứng minh rằng sử dụng axit polyaspartic mỗi năm một lần có tác dụng tăng năng suất cho cả hai loại cây trồng. 

Theo báo cáo, axit polyaspartic có thể kích hoạt hiệu quả môi trường cần thiết và các nguyên tố vi lượng cho sự phát triển của cây trồng, cải thiện hiệu quả hấp thụ của một lượng lớn các nguyên tố và do đó tăng cường sử dụng phân bón. Sau khi sử dụng, nó có thể tăng cường khả năng chống chịu stress của cây trồng, điều chỉnh hoạt động của enzyme trong cây trồng, tăng năng suất và cải thiện chất lượng cây trồng. Li Jiangang và cộng sự. nhận thấy rằng việc áp dụng axit polyaspartic cho các loại cây trồng như rau xanh dẫn đến mức tăng vitamin C và hàm lượng đường hòa tan ở các mức độ khác nhau, có thể cải thiện hiệu quả chất lượng rau và trái cây. Jiao Yongkang và cộng sự. Thông qua việc phun lên lá các loại chelate axit polyaspartic khác nhau, việc sử dụng axit polyaspartic không chỉ làm tăng năng suất và chất lượng của quả lê Hoàng Quan mà còn làm giảm màu vàng. Thiệt hại do bệnh quằn quại trên cây lê. Tang Huihui và cộng sự. Qua nghiên cứu bón phân đạm polyaspartic cho ngô xuân Đông Bắc nhận thấy PASP N được sử dụng để trồng ngô với điều kiện giảm tổng lượng đạm đi 1/3 mà không làm giảm năng suất ngô và điều hòa hiệu quả hoạt động của enzyme trong ngô ở các giai đoạn khác nhau, Điều này có lợi cho việc giảm cân và nâng cao hiệu quả. Xu Yanwei và cộng sự. nhận thấy rằng sau khi bón urê chứa axit polyaspartic cho lúa, hiệu quả của phân bón được cải thiện đáng kể và phân bón không bị loại bỏ trong suốt mùa sinh trưởng. Cao Dân và cộng sự. nhận thấy rằng việc sử dụng axit polyaspartic để trồng cây dương đòi hỏi phải giảm mức sử dụng nitơ thích hợp để giảm bớt căng thẳng về nitơ cao do hiệu quả sử dụng nitơ cao gây ra.

1.4 Đặc tính bảo vệ môi trường của axit polyaspartic

Axit polyaspartic là một polyme chủ yếu bao gồm các axit amin, có thể bị phân hủy hoàn toàn bởi các vi sinh vật trong môi trường thành các axit amin, nước và carbon dioxide có trọng lượng phân tử thấp có thể sử dụng được. Có người đã sử dụng phương pháp OECD301A để nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học của axit polyaspartic và phát hiện ra rằng lượng carbon dioxide được giải phóng khi xử lý bằng axit polyaspartic gần với lượng glucose tham chiếu. Ngoài ra, Xiong Rongchun và những người khác cũng đã chứng minh rằng axit polyaspartic là một hóa chất xanh có khả năng phân hủy sinh học tuyệt vời. 

2 Triển vọng

Với việc dần dần hiện thực hóa mục tiêu "một kiểm soát, hai giảm thiểu và ba cơ bản" trong nông nghiệp Trung Quốc, quá trình tích hợp nước và phân bón ngày càng trở nên nhanh chóng và nhu cầu về phân bón hòa tan trong nước, đặc biệt là phân bón nước cao cấp- phân bón hòa tan ngày càng tăng. Axit polyaspartic, như một chất phân tán chelat và chất tổng hợp phân bón xanh và thân thiện với môi trường, không chỉ có thể ngăn chặn hiệu quả sự đóng cặn của phân bón hóa học và ăn mòn đường ống mà còn nâng cao hiệu quả và chất lượng, với triển vọng ứng dụng mạnh mẽ. 

Để đáp ứng thực trạng ứng dụng axit polyaspartic trong phân bón hòa tan trong nước, kết hợp với các đặc tính của axit polyaspartic thúc đẩy sự phát triển của rễ, điều hòa hoạt động của enzyme cây trồng, tăng cường hấp thu chất dinh dưỡng và chelat hóa các nguyên tố kim loại phân tán, tác giả cho rằng sự phát triển của polyaspartic phân bón hòa tan trong nước nên tập trung vào phân bón hòa tan trong nước đặc biệt và phân bón hòa tan trong nước cao cấp, đặc biệt thích hợp cho khoai tây và các loại cây trồng khác để thu hoạch củ, củ, và phân bón hòa tan trong nước chuyên dụng cho rau quả có khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng rào cản, chẳng hạn như bệnh lê và chân gà.