[Tạp chí Chăn nuôi Việt Nam] – Công nghệ nano (nanotechnology) được định nghĩa là một ngành công nghệ chuyên nghiên cứu và sử dụng các cấu trúc có kích cỡ từ 1 tới 100 nanomet (nm) (1 nm bằng 1 phần tỷ của mét). Công nghệ nano đang là một cuộc cách mạng trong nhiều ngành công nghiệp.

Công nghệ nano được ứng dụng nhiều trong chăn nuôi gia súc, gia cầm

Theo báo cáo của Huang và cs., (2014), thị trường công nghệ nano toàn thế giới đạt khoảng 700 tỷ USD, đến năm 2015 con số này ước đạt 2600 tỷ USD, với đội ngũ kỹ thuật viên và công nhân kỹ thuật cao lên tới 7 triệu người, tương đương với tổng số người của hai ngành công nghệ thông tin và viễn thông.

Đối với ngành chăn nuôi, thú y, công nghệ nano đang được áp dụng.

Công nghệ nano trong chăn nuôi

Một số nguyên tố khoáng vi lượng ở dạng kích thước nano đã được dùng khá phổ biến như một phụ gia thức ăn chăn nuôi trong việc nâng cao năng lực miễn dịch của lợn hay gia cầm. Các nguyên tố vi khoáng dạng nano đi vào cơ thể bằng con đường hấp thu trực tiếp cho nên có tỷ lệ lợi dụng cao hơn rất nhiều so với các nguyên tố vi khoáng vô cơ thông thường. Các nghiên cứu khoa học cho biết, nếu tỷ lệ lợi dụng các nguyên tố vô cơ là 30% thì tỷ lệ này đối với các nguyên tố dạng nano lên tới gần 100% (Huang và cs., 2014).

Kẽm (Zn) là nguyên tố vi khoáng có vai trò rất quan trọng trong dinh dưỡng động vật. Trên 300 enzyme trong cơ thể có chứa Zn, những enzyme này có liên quan đến nhiều quá trình trao đổi chất như trao đổi carbohydrate, protein và cả quá trình sinh tổng hợp protein. Trong chăn nuôi lợn con, thức ăn thường được bổ sung Zn dưới dạng ZnO nhằm ngăn ngừa ỉa chảy, tăng sức đề kháng và kích thích tăng trưởng. Nếu sử dụng Zn dưới dạng oxit thì phải cần tới 2000mg Zn/kg thức ăn, còn nếu dùng nano-ZnO thì chỉ cần có 500mg Zn/kg thức ăn. Zn từ ZnO không được cơ thể lợi dụng sẽ thải ra ngoài theo phân và là yếu tố gây ô nhiễm môi trường của ngành chăn nuôi.

Selenium (Se) cũng là một nguyên tố vi khoáng quan trọng trong dinh dưỡng động vật. Nó là thành phần của ít nhất 25 selenoprotein; trong những protein này, sulfur (S) được thay thế bằng Se, từ đó protein cho hydrogen và tham gia vào các phản ứng khử. Selenoprotein bao gồm những enzyme như iodothyronine deiodinase cần cho sự điều hòa các phản ứng chuyển hóa hay glutathione peroxidase và thioredoxin reductase là các yếu tố quan trọng của hệ thống miễn dịch và hệ thống antioxidant.

Hiện tại, nguồn Se sử dụng rộng rãi trong thức ăn chăn nuôi là sodium selenite (Na2SeO3). Tuy nhiên độ độc của sodium selenite thì cao và độ lợi dụng trong cơ thể rất thấp. Nano Se đã khắc phục được những nhược điểm này của sodium selenite. Một thí nghiệm trên lợn con đã thấy với liều Se là 0,4 – 1 mg/kg thức ăn từ nguồn nano Se hay từ nguồn sodium selenite thì tăng trưởng của lợn, hoạt tính glutathione peroxidase (GSH-Px), hàm lượng T-AOC (total antioxidant capacity – tổng năng lực các chất chống oxi hóa) và Se trong cơ thăn của nhóm lợn sử dụng nano-Se đã cao hơn rõ rệt so với các chỉ tiêu này của nhóm lợn sử dụng sodium selenite; trong khi đó, hàm lượng methane dicarboxylic aldehyde (MDA) và hàm lượng oxygen hoạt tính trong cơ thăn lại thấp hơn so với nhóm sử dụng sodium selenite.

Như vậy nano-selen không những chỉ có năng lực chống oxi hóa mạnh và có tác dụng nâng cao thành tích chăn nuôi của lợn mà còn có tính an toàn cao hơn các nguồn Se vô cơ (như sodium selenite) hay Se hữu cơ (như selenomethionine). Một số nhà khoa học khác còn nhấn mạnh rằng, trong các nguồn bổ sung Se thì chỉ có nano-selen là có tính độc thấp nhất.

Trong chăn nuôi, các hạt nano còn được sử dụng như các biocide (Hill và Li, 2017). Biocide là một nhóm chất có vai trò ngăn ngừa các sinh vật gây tổn hại đến sức khỏe người và động vật hay gây tổn hại cho các sản phẩm tự nhiên và các sản phẩm chế biến. Các biocide dạng nano có khả năng thay thế các thuốc kháng khuẩn sử dụng trong chăn nuôi thú y, từ đó tránh được tình trạng kháng thuốc ngày càng trầm trọng hiện nay.

Trong một nghiên cứu, Kim và cs., (2007) đã thấy rằng, các hạt nano bạc có thể ức chế sự sinh trưởng của vi khuẩn E.coli O157:H7 (vi khuẩn gây viêm ruột xuất huyết) và nấm men phân lập từ một ca viêm vú của bò chỉ với nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) lần lượt là 3,3 – 6,6 nanomol/L và 6,6 – 13,2 nanomol/L. Qi và cs., (2004) đã thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của chitosan, một polymer mang điện tích dương có tác dụng tiêu diệt các chủng vi khuẩn gây bệnh khác nhau và đã kết luận rằng, MIC cho tất cả các chủng thử nghiệm đều nhỏ hơn 0,25 microgram/L.

Đồng (Cu) thường được bổ sung vào thức ăn cho lợn con với vai trò là một phụ gia kích thích tăng trưởng và kháng khuẩn, ngăn ngừa tiêu chảy. Các nghiên cứu đã thấy rằng các hạt nano đồng đi qua niêm mạc ruột dễ dàng hơn là đồng không ở dạng nano. Gonzales-Eguia và cs., (2009) đã chứng minh rằng: so với đồng sunphat, đồng nano đã làm tăng hoạt tính các enzyme lipase và phospholipase ở ruột non, từ đó đã giúp cải thiện tốt hơn tỷ lệ tiêu hóa năng lượng và mỡ của khẩu phần. Lợn sử dụng đồng nano cũng có tổng globulin và hàm lượng enzyme superoxide dismutase trong huyết thanh cao hơn so với các chỉ tiêu này của lợn đối chứng sử dụng đồng sunphat. Điều này, chứng minh rằng đồng nano đã giúp tăng năng lực miễn dịch của lợn.

Trong việc tạo ra các chế phẩm biocide dạng nano, các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu đưa kháng sinh vào các hạt nano để giảm liều sử dụng trong điều trị bệnh và ngăng ngừa sự kháng thuốc. Ví dụ như penicillin, người ta đã đưa kháng sinh này vào các hạt nano polymeric polyacrylate và đã nhận thấy đây là phương pháp hiệu quả để giúp vòng beta-lactam của penicillin không bị phá hủy bởi enzyme beta-lactamase của các chủng vi khuẩn kháng lại penicillin, nhờ vậy tác dụng diệt khuẩn của thuốc vẫn còn cao đối với các chủng vi khuẩn có gen kháng thuốc (các kháng sinh thuộc nhóm beta-lactam như penicillin, methicillin…đều chứa vòng beta-lactam, vòng này bị phá hủy bởi enzyme có tên là beta-lactamase. Các vi khuẩn nếu mang enzyme beta-lactamase do đột biến gen thì có khả năng phá hủy vòng beta-lactam của thuốc và làm thuốc mất tác dụng kháng khuẩn).

Những kết quả trên gợi ý rằng giá trị dinh dưỡng của thức ăn có thể nâng cao thông qua việc bổ sung các kim loại dạng nano. Tuy nhiên, vẫn cần có những nghiên cứu sâu thêm trước khi quyết định thay thế hoàn toàn kháng sinh trong thức ăn bằng các nano kháng khuẩn (nano-antimicrobials).

Khả năng sử dụng các hạt nano để nâng cao chất lượng thịt và trứng cũng đã được khảo sát. Ví dụ, Wang và Xu (2004) đã chứng minh rằng, lợn nuôi thịt bổ sung hạt nano crôm với liều 200 microgram/kg thức ăn, tỷ lệ nạc đã tăng 14,06% so với lợn đối chứng ăn khẩu phần cơ sở gồm khô đỗ tương và ngô. Sự tăng khối lượng cơ xương và cải thiện chất lượng thịt cũng thu được khi lợn cho sử dụng hạt nano chitosan mang crôm. Các hạt nano chitosan mang crôm đã nâng cao hoạt tính của lipase trong mô mỡ, trong khi giảm hoạt tính enzyme tổng hợp axit béo và tăng các phân tử miễn dịch trong máu.

Bổ sung hạt nano crôm vào thức ăn cho gà broiler (500 microgram Cr3+/kg thức ăn) cũng đã thấy hàm lượng protein của thịt ngực và thịt đùi tăng lên, trong khi hàm lượng cholesterol trong thịt lại giảm. Tăng trọng hàng ngày và hiệu quả sử dụng thức ăn của gà cũng cao hơn so với đối chứng. Trái với những kết quả trên gà broiler, các thí nghiệm bổ sung hạt nano mang crôm cho gà mái đẻ không thấy có ảnh hưởng đến thể trọng và sản lượng trứng. Tuy nhiên, chất lượng trứng đã cải thiện do hàm lượng crôm và canxi trong lòng đỏ và trong vỏ trứng đã cao hơn so với trứng của gà đối chứng.

Công nghệ nano trong thú y

Trong thú y, công nghệ nano hướng vào chiến lược phá vỡ những con đường truyền bệnh và hạn chế các bệnh truyền nhiễm của gia súc và gia cầm. Các thuốc vô trùng mới và những chất phủ bề mặt các thiết bị chuồng nuôi bằng chất liệu nano (nanocoating) đã được nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất. Các nanocoating có đặc điểm là mang điệnt tích dương, chúng dễ gắn bắt với những vi khuẩn có màng tế bào mang điện tích âm, nhờ đó vi khuẩn bị chết do cấu trúc màng bị phá hủy. Nanocoating ngăn ngừa được sự bám dính và khu trú của vi khuẩn, từ đó ngăn ngừa được sự hình thành biofilm trên bề mặt các vật liệu của chuồng nuôi, thùng chứa thức ăn, quạt thông gió…

Việc phát hiện và chẩn đoán bệnh bằng các công cụ nano cũng đã được áp dụng trong nhân y cũng như trong thú y. Nhờ các chip thử sử dụng công nghệ nano với chức năng kép, vừa có tác dụng bắt giữ, vừa phát hiện vi khuẩn bệnh đã được phát triển và cho kết quả rất nhanh so với các phép thử cổ điển. Ví dụ, với công cụ cũ việc phát hiện vi khuẩn trong máu của người bệnh bị nhiễm trùng cần 2 – 5 ngày thì với công cụ mới (sử dụng công nghệ nano) công việc này chỉ mất 30 phút, có nghĩa là tốc độ phát hiện nhanh hơn tới 100 lần. Kỹ thuật vàng keo miễn dịch (immune colloidal gold technique) dựa trên công nghệ tách miễn dịch từ (immunomagnetic separation technology) đã được sử dụng và thành công trong việc phát hiện một quần thể trực khuẩn gây hôn mê (Vibrio choleras). Công nghệ microarray oligonucleotide với màng nitrocellulose như một chất mang và nhuộm nano vàng đã được chỉ ra là một phương pháp phát hiện nhanh và chính xác đối với các vi khuẩn E. coli, Samonella, Shigella, V. cholera, V. parahaemolyticus, Proteus, Listeria monocytogenes, Bacillus cereus List Rand, Clostridium botulium và Campylobacter jejuni. Phép thử nano-PCR đã được phát triển để phát hiện virus sốt lợn châu Phi; sự khuếch đại được nâng cao một cách hiệu quả nhờ các hạt nano vàng sử dụng như một chất điều giải nhiệt trong hệ thống khuếch đại. Độ nhậy của phương pháp nano-PCR lớn hơn 1000 lần so với phương pháp PCR thông thường và đặc biệt không có phản ứng chéo với các vi khuẩn khác như E.coli, porcine circovirus type II hay các virus như giả dại, tai xanh hay sốt cổ điển của lợn.

Trong ngành công nghiệp sữa, công nghệ nano cũng đã được áp dụng để kiểm soát độ an toàn của sữa thông qua kỹ thuật phát hiện các tác nhân gây bệnh. Theo hướng này, Sung và cs., (2013) đã phát triển một công cụ phát hiện sự có mặt của vi khuẩn S. aureus (tụ cầu vàng) trong sữa. Công cụ được chế tạo từ nanocomposite chứa các hạt nano vàng, nano magie và kháng thể chống lại vi khuẩn S. aureus. Thời gian phát hiện vi khuẩn của công cụ này với các phép thử so mầu chỉ mất có 40 phút. Wang và cs., (2011) cũng đưa ra một kỹ thuật tương tự, sử dụng kháng thể polyclonal và các dải sắc ký miễn dịch nano (nanoparticle immuno-chromatographic strips) để phát hiện các độc tố trong sữa, thời gian phát hiện rất nhanh, (ví dụ: chỉ mất 10 phút để phát hiện độc tố aflatoxin M1 của sữa).

Trước mắt công nghệ nano còn nhiều thách thức cả về khoa học và công nghệ cũng như về sức khoẻ và môi trường. Nguy hiểm tiềm năng của các hạt nano cho sức khỏe của người và động vật cần phải đặc biệt quan tâm.

GS VŨ DUY GIẢNG
Học viện Nông nghiệp Việt Nam

Để viết bài này tác giả sử dụng chủ yếu hai tài liệu sau:
Emily K. Hill and Julang Li (2017): Current and future prospects for nanotechnology in animal production. J. Anim Sci Biotechnol. 2017; 8:26. Pubising online 2017 Mar 14. Doi: 10.1186/s40104-017-0157-5
Huang Shiwen, Ling Wang, Lianmeng Liu, Yuxuan Hou, Lu li (2014): Nanotechnology in Agriculture, Livestock and Aquaculture in China. A review.Agron. Sustain. Dev., DOI10.1007/s 13593-014-0274-x