La Tìm kiếm các giải pháp thay thế bền vững cho thuốc trừ sâu hóa học Đây là một trong những thách thức lớn mà nền nông nghiệp hiện đại đang phải đối mặt. Nhiều năm sử dụng thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ một cách rộng rãi đã giúp chúng ta nuôi sống dân số toàn cầu ngày càng tăng, nhưng chúng cũng để lại những tác động đáng lo ngại đến nguồn nước, đa dạng sinh học và sức khỏe con người. Do đó, bất kỳ công nghệ nào giúp giảm sự phụ thuộc vào các chất này trong khi vẫn duy trì năng suất cây trồng đều được quan tâm đặc biệt.
Trong bối cảnh đó, Diệt trừ sâu bọ bằng rung động và siêu âm Công nghệ này đã từ chỗ chỉ là một sự tò mò khoa học trở thành một công cụ thực sự hữu ích trong quản lý dịch hại tổng hợp. Từ các thiết bị mô phỏng tín hiệu rung động mà côn trùng sử dụng để sinh sản đến các thiết bị phát sóng siêu âm mô phỏng sự hiện diện của thiên địch, các nghiên cứu gần đây đang chứng minh rằng có thể "nói cùng ngôn ngữ" với sâu bệnh để thu hút, gây nhầm lẫn hoặc xua đuổi chúng, tất cả mà không cần phun thuốc hóa học ra đồng ruộng.
Vì sao ngành nông nghiệp đang tìm kiếm các giải pháp thay thế cho thuốc trừ sâu?
La Nền nông nghiệp thâm canh hiện đại chắc chắn gây ảnh hưởng xấu đến môi trường.Điều này là do phương pháp này dựa trên việc ưu tiên một loài cây trồng duy nhất so với bất kỳ đối thủ cạnh tranh nào: cỏ dại, côn trùng, nấm hoặc động vật có vú nhỏ. Với sự cơ giới hóa và nhu cầu sản xuất nhiều hơn trên mỗi hecta, giải pháp nhanh chóng là sử dụng thuốc trừ sâu, vốn đã là những trợ thủ đắc lực trong nhiều thập kỷ để đảm bảo mùa màng bội thu.
Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi các chất này đã tạo ra những vấn đề môi trường và sức khỏe rất nghiêm trọngÔ nhiễm tầng nước ngầm, gây hại cho hệ động vật không phải mục tiêu (bao gồm cả các loài thụ phấn như ong mật và ong vò vẽ), sự xuất hiện hiện tượng kháng thuốc ở nhiều loài gây hại, và rủi ro sức khỏe cho những người tiếp xúc. Đó là con dao hai lưỡi kinh điển: chúng giúp sản xuất lương thực, nhưng đồng thời, chúng cũng có thể gây hại cho chúng ta.
Tình huống này đã thúc đẩy sự phát triển của giải pháp sinh học chẳng hạn như phân bón sinh học và thuốc trừ sâu sinh họcCác phương pháp này dựa trên vi sinh vật hoặc côn trùng có lợi cạnh tranh hoặc tấn công sâu hại. Mặc dù chúng thể hiện một bước tiến đáng kể, nhưng chúng vẫn không thể thay thế hoàn toàn các hóa chất nông nghiệp mà không làm giảm hiệu quả, đặc biệt là trong các hệ thống canh tác thâm canh cao.
Do đó, sự quan tâm đến các chiến lược đổi mới như... Kiểm soát dịch hại bằng phương pháp vật lý hoặc hành vi thông qua rung động.Điều này cho phép can thiệp vào quá trình giao tiếp của côn trùng hoặc mô phỏng sự hiện diện của động vật ăn thịt, giảm thiểu thiệt hại mà không để lại dư lượng độc hại trong môi trường.
Vai trò của rung động và siêu âm trong giao tiếp giữa các loài gây hại
Nhiều loài sâu hại nông nghiệp sử dụng rung động và tín hiệu âm thanh Để định hướng, tìm bạn đời hoặc phát hiện kẻ săn mồi. Một số loài giao tiếp thông qua các rung động được truyền bởi thực vật (qua thân và lá), trong khi những loài khác sử dụng sóng siêu âm phát ra trong không khí, không thể nghe thấy đối với con người nhưng hoàn toàn có thể nhận biết được bởi các loài động vật khác.
Trong trường hợp côn trùng hút ngũ cốcCác loài gây hại quan trọng đối với đậu nành, ngô, lúa mì và đậu đã được chứng minh là kết hợp hai hệ thống: ở khoảng cách xa, lên đến khoảng 100 mét, chúng sử dụng pheromone Để thu hút các đối tác tiềm năng. Khi họ đến gần hơn, họ chuyển kênh và bắt đầu phát sóng. tín hiệu rung động truyền qua cây Để chỉ rõ vị trí chính xác của nó, một thông điệp có thể đại loại như "Tôi đang ở đây, hãy tiến về phía tôi".
Những rung động này truyền qua thân cây, đóng vai trò như một hệ thống dẫn truyền thực sự. “Cáp” tự nhiên truyền tín hiệuĐiều thú vị là nhiều cá thể cái cũng như các cá thể đực khác có thể phản hồi cùng một tín hiệu, vì vậy "sự giao tiếp bằng rung động" trong một nền văn hóa có thể khá phức tạp.
Ở các loài gây hại khác, chẳng hạn như bướm đêm thuộc chi SpodopteraSiêu âm đóng vai trò quan trọng. Những con bướm này là con mồi phổ biến của dơi, chúng định vị chính xác vị trí của chúng nhờ khả năng định vị bằng tiếng vang siêu âm. Ngược lại, dơi đã tiến hóa một loạt các phản ứng âm thanh có thể... nhằm gây nhầm lẫn cho khả năng định vị bằng tiếng vang của dơi. hoặc giúp chúng phát hiện sự hiện diện của bạn kịp thời để trốn thoát. Nói cách khác, có một "cuộc chiến âm thanh" thực sự trên bầu trời đêm.
Việc hiểu rõ các hệ thống giao tiếp này đã cho phép các nhà nghiên cứu đề xuất một ý tưởng rất mạnh mẽ: Nếu chúng ta biết được côn trùng gây hại nghe được gì và chúng giao tiếp như thế nào thì tốt biết mấy.Chúng ta có thể tạo ra các thiết bị bắt chước, thay đổi hoặc chặn các tín hiệu đó để thao túng chúng theo hướng có lợi cho mình.
Thiết bị của Brazil sử dụng vi rung động để thu hút rệp giường.
Một trong những tiến bộ nổi bật nhất trong việc kiểm soát dịch hại bằng rung động đến từ Brazil, nơi một nhóm nghiên cứu từ... Tập đoàn Nghiên cứu Nông nghiệp Brazil (Embrapa) Và Đại học Bang Mato Grosso đã phát triển một thiết bị điện tử có khả năng tái tạo các tín hiệu rung động được sử dụng bởi các loài côn trùng hút nhựa cây trong giai đoạn sinh sản của chúng.
Công nghệ này dựa trên nhiều năm quan sát về hành vi sinh sản của những loài côn trùng nàyCác nhà khoa học đã phân tích tần số rung động cụ thể mà chúng phát ra khi tìm kiếm bạn tình và đã ghi lại, lưu trữ và tái tạo chúng một cách có kiểm soát bằng một nguyên mẫu điện tử gắn vào bẫy ngoài thực địa.
Những chiếc bẫy này kết hợp hai loại mồi: pheromone tổng hợpchúng hoạt động từ xa để thu hút rệp giường bằng "mùi", và một thiết bị rung nhỏ bắt chước... tín hiệu rung chính xác Điều này khiến côn trùng hiểu đó là tiếng gọi giao phối. Kết quả là tạo ra một loại "tín hiệu giả" khiến côn trùng tập trung vào bẫy thay vì phân tán chúng ra khắp cánh đồng.
Theo nhà sinh vật học Raúl Alberto Laumann, từ Phòng thí nghiệm Hóa học bán dẫn của Tài nguyên Di truyền và Công nghệ Sinh học tại Embrapa, việc sử dụng kết hợp của rung động và pheromone Nó không chỉ cho phép bắt rệp giường mà còn thu được thông tin rất chính xác về mật độ và sự phân bố không gian của quần thể sâu hại trong khu vực nghiên cứu.
Trong các cuộc thử nghiệm thực địa đang được tiến hành, các bẫy có gắn thiết bị được đặt ở vị trí xấp xỉ... cứ mỗi năm hectaSau đó, số lượng côn trùng bị bắt tại mỗi điểm được đếm và các mô hình toán học được sử dụng để ước tính mật độ sâu bệnh thực tế trên toàn bộ cây trồng. Cách tiếp cận này làm cho bẫy rung trở nên hiệu quả. công cụ giám sát tốtĐây là yếu tố then chốt để quyết định khi nào và bằng cách nào can thiệp.
Ưu điểm và tiềm năng của việc diệt rệp giường bằng rung động
Rệp giường và sâu bướm là hai trong số những loài gây hại nghiêm trọng nhất đối với cây đậu nành và các loại cây ngũ cốc khác. Mặc dù cây trồng biến đổi gen và vi sinh vật gây bệnh cho côn trùng được sử dụng, cùng với nhiều biện pháp khác, để kiểm soát sâu bướm, việc kiểm soát rệp vẫn chủ yếu dựa vào thuốc trừ sâu hóa học. Do đó, tìm kiếm các phương pháp thay thế ít gây hại hơn và an toàn hơn cho môi trường và sức khỏe con người là một thách thức chiến lược.
Thiết bị rung của Brazil hướng chính xác theo hướng đó. Sức hấp dẫn lớn của nó nằm ở chỗ nó có thể trở thành một... Một giải pháp thay thế thực sự cho thuốc trừ sâu thông thường.hoặc ít nhất là giảm đáng kể việc sử dụng chúng bằng cách tích hợp chúng vào các chương trình quản lý dịch hại tổng hợp. Bẫy sẽ vừa có tác dụng giám sát vừa giảm số lượng rệp giường xuống mức dưới ngưỡng gây thiệt hại kinh tế.
Hơn nữa, đó là một công nghệ. có tính đặc hiệu cao đối với loài gây hại mục tiêuKhông giống như thuốc trừ sâu phổ rộng, có thể tiêu diệt cả các loài côn trùng có lợi như thiên địch hoặc côn trùng thụ phấn, rung động và pheromone chỉ nhắm vào các loài côn trùng hút nhựa cây nhận biết được các tín hiệu này. Điều này giúp giảm thiểu tác động đến các loài côn trùng có lợi.
Theo kết quả sơ bộ do nhóm nghiên cứu Embrapa công bố, việc kết hợp sử dụng pheromone tổng hợp và rung động đã cho phép... Giảm thiểu rõ rệt sự xuất hiện của rệp giường trên đồng ruộng. nhiều thử nghiệm đã được tiến hành, và tất cả đều không gây ảnh hưởng đến hoạt động của các loài côn trùng có lợi như ong mật hoặc ong vò vẽ. Trong bối cảnh FAO ước tính rằng sâu bệnh có thể gây ra sự suy giảm tới 40% sản lượng nông nghiệp toàn cầu, bất kỳ tiến bộ nào trong lĩnh vực này đều có ý nghĩa rất lớn. tác động kinh tế và sinh thái đáng kể.
Bằng sáng chế cho công nghệ này đã được nộp vào cuối năm 2023 tại Viện Sở hữu Công nghiệp Quốc gia Brazil và hiện tại, Sản phẩm này hiện chưa được bán rộng rãi trên thị trường.Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các đối tác công nghiệp, đặc biệt là các công ty chuyên phát triển bẫy tự động, với mục tiêu mở rộng quy mô sản xuất và đưa các thiết bị này ra thị trường nông nghiệp.
Những thách thức trong việc ứng dụng vi rung động trên quy mô lớn
Mặc dù sự đổi mới này đã tạo ra nhiều sự hào hứng, nhưng cũng có một số lo ngại được nêu ra. những nghi ngờ hợp lý về tính khả thi trên quy mô lớn của nóNhà côn trùng học José Maurício Simões Bento, chuyên gia về sinh thái hóa học và hành vi côn trùng tại Đại học São Paulo, đánh giá cao công trình nghiên cứu của Embrapa, đặc biệt là việc xác định chính xác tần số rung động mà rệp giường sử dụng.
Tuy nhiên, Simões chỉ ra rằng ẩn số lớn nhất là Làm thế nào để nhân rộng hệ thống này trong các đồn điền trải rộng hàng trăm nghìn hecta.Đây là trường hợp của đậu nành ở Brazil, nơi có hơn 45 triệu ha được canh tác. Việc lắp đặt thiết bị tại đủ số lượng địa điểm có thể tốn kém và phức tạp về mặt hậu cần, và sự cân bằng tối ưu giữa chi phí công nghệ và giảm thiểu thiệt hại vẫn chưa rõ ràng.
Một khía cạnh kỹ thuật quan trọng khác là... Sự giao tiếp bằng rung động của rệp giường diễn ra thông qua thực vật.Không truyền trực tiếp vào không khí. Để tín hiệu được truyền tải hiệu quả, thiết bị phải được được kết nối với nhà máy hoặc một cấu trúc cho phép rung động lan truyền khắp mô thực vật. Điều này đặt ra những câu hỏi như: Liệu chỉ cần đặt một thiết bị cho mỗi bẫy là đủ? Liệu thiết bị có cần được gắn vào một cây cụ thể? Sự lan truyền thay đổi như thế nào tùy thuộc vào mật độ cây trồng?
Laumann và nhóm của ông đề xuất giải quyết một số thách thức này thông qua... sử dụng các mô hình toán học Hệ thống này liên kết số lượng côn trùng bị bẫy bắt với mật độ sâu bệnh thực tế, từ đó tránh được việc phải đặt thiết bị trên từng cây. Hơn nữa, họ đề xuất tích hợp công nghệ này với các phương pháp kiểm soát sinh học khác, chẳng hạn như sử dụng... ký sinh trùng trứng rệp giườngChúng ăn và phát triển bên trong trứng của loài gây hại, giúp giảm thiểu số lượng quần thể của chúng hơn nữa.
Nếu có tiến bộ trong việc tự động hóa việc đếm số lượng côn trùng bị bắt, một việc cũng đang được nghiên cứu, thì bẫy rung có thể được chuyển đổi thành một thiết bị hiệu quả hơn. công cụ quan trọng trong quản lý dịch hại tổng hợpThông báo cho nông dân gần như theo thời gian thực về mức độ rệp giường ở từng khu vực trong trang trại, từ đó giúp đưa ra các quyết định kiểm soát chính xác và kịp thời hơn.
Thiết bị siêu âm để xua đuổi bướm đêm và các loại côn trùng bay khác.
Ngoài những rung động do thực vật truyền tải, một lĩnh vực nghiên cứu rất tích cực khác là... Sử dụng sóng siêu âm để xua đuổi côn trùng gây hại.Một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) bởi một nhóm các nhà khoa học Nhật Bản đã cho thấy những kết quả đặc biệt khả quan trong việc diệt trừ loài bướm đêm thuộc chi Spodoptera, một loại sâu hại chính đối với các loại cây trồng như dâu tây, hành tây, cà chua và nhiều loại rau khác.
Dưới sự chỉ đạo của nhà nghiên cứu Ryo Nakano đến từ Đại học Nagoya, các thử nghiệm đã được tiến hành tại... cánh đồng và nhà kính trồng dâu tây và hành tây Tại đây, người ta lắp đặt các thiết bị phát sóng siêu âm hình trụ, có khả năng phát ra âm thanh 360 độ. Các thiết bị này mô phỏng sóng siêu âm do dơi phát ra, loài săn mồi tự nhiên của bướm đêm.
Các nhà khoa học tập trung vào việc điều chỉnh chính xác thời lượng, tần số và cường độ của tín hiệu siêu âm để đạt hiệu quả xua đuổi tối đa. Kết quả cho thấy, khi các thiết bị được kích hoạt từ hoàng hôn đến bình minh (thời kỳ hoạt động của loài bướm đêm này), hoạt động bay của bướm cái giảm đáng kể, và trên hết, khả năng bay của chúng cũng giảm. đẻ trứng trên diều.
Điều này rất quan trọng vì nhiều loài như Spodoptera littoralis (sâu bánh rán đen) hoặc Spodoptera exigua (sâu bánh rán xanh hoặc sâu róm) Chúng gây ra phần lớn thiệt hại trong giai đoạn ấu trùng. Ngăn chặn con cái đẻ trứng trong cây trồng sẽ loại bỏ vấn đề, làm giảm đáng kể số lượng ấu trùng ăn lá và quả.
Nhà côn trùng học Miguel Ángel Miranda Chueca, Giáo sư Động vật học tại Đại học Quần đảo Balearic, tin rằng phương pháp này đã cơ sở khoa học vững chắcĐiều này là do nó tận dụng ngôn ngữ âm thanh (siêu âm) mà những con bướm này sử dụng một cách tự nhiên để giao tiếp với kẻ thù của chúng. Ông tin rằng loại công nghệ này có thể trở thành một phương pháp kiểm soát mới trong hệ thống quản lý dịch hại tổng hợp.
Những hạn chế của siêu âm trong việc diệt trừ các loại sâu bệnh phổ biến khác.
Mặc dù kết quả thu được với loài bướm đêm thuộc chi Spodoptera rất khả quan, các chuyên gia đều đồng ý rằng Hiệu quả của sóng siêu âm không thể áp dụng chung cho mọi loại sâu bệnh.Mỗi loài có sinh học cảm giác riêng, và không phải tất cả đều sử dụng rung động hoặc siêu âm để giao tiếp hoặc phát hiện mối đe dọa.
Một ví dụ rõ ràng là ruồi giấm (Ceraitis capitata)Loài bọ chích là một trong những loài gây hại nghiêm trọng nhất đối với cây ăn quả trên toàn thế giới. Theo các chuyên gia, loài côn trùng này không sử dụng sóng siêu âm làm phương tiện giao tiếp chính, điều này làm phức tạp đáng kể việc tìm ra tần số và "thông điệp âm thanh" có thể khiến nó bị xua đuổi hoặc bỏ chạy. Nếu không có cơ sở sinh học này, việc thiết kế một hệ thống âm thanh thực sự hiệu quả gần như là không thể.
Hiện tượng tương tự cũng xảy ra với các loài gây hại trong nhà như... giánTrên thị trường hiện có những thiết bị tuyên bố có thể xua đuổi gián bằng sóng siêu âm. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu như Miranda Chueca lập luận rằng những sản phẩm này không có tác dụng sinh học vì gián không sử dụng các tín hiệu này theo cách cho phép xua đuổi chúng một cách bền vững.
Trong trường hợp muỗiLý thuyết này có cơ sở hơn một chút, vì chúng thực sự sử dụng âm thanh trong hành vi sinh sản (ví dụ, tiếng vo ve đặc trưng của đôi cánh để thu hút con cái). Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện có chỉ ra rằng việc tái tạo những âm thanh đó là không khả thi. Nó không có tác dụng xua đuổi rõ rệt.Cho đến nay, vẫn chưa xác định được kiểu sóng siêu âm nào có thể xua đuổi chúng một cách hiệu quả trong điều kiện thực tế.
Một lĩnh vực khác mà siêu âm đã được thử nghiệm là... kiểm soát loài gặm nhấm Ví dụ như chuột cống, chuột nhắt hoặc chuột đồng, đặc biệt là trong thời kỳ dịch hại nông nghiệp nghiêm trọng. Chúng ta biết rằng những động vật này có thể giao tiếp bằng âm thanh tần số cao, chẳng hạn như để tán tỉnh hoặc bảo vệ lãnh thổ, và điều này đã dẫn đến việc thiết kế các thiết bị được cho là có tác dụng xua đuổi. Tuy nhiên, bằng chứng khoa học cho thấy rằng Tác động này chỉ mang tính tạm thời.Ban đầu, một tiếng ồn mới có thể gây sợ hãi, nhưng theo thời gian, động vật thường quen với nó, giống như con người chúng ta với những âm thanh khó chịu liên tục.
Tác động sinh thái và "ô nhiễm tiếng ồn" ở vùng nông thôn
Một vấn đề không thể bỏ qua là Tác động sinh thái mà việc phát ra sóng siêu âm và rung động nhân tạo có thể gây ra Trong một hệ sinh thái nông nghiệp. Mặc dù mục đích có thể chỉ là để xua đuổi hoặc thu hút một số loài gây hại nhất định, nhưng sự thật là nhiều sinh vật khác cùng chia sẻ môi trường đó và có thể bị ảnh hưởng bởi những tín hiệu này.
Chính các tác giả của nghiên cứu Nhật Bản được công bố trên tạp chí PNAS cũng thừa nhận rằng việc sử dụng rộng rãi các thiết bị này có thể tạo ra một số tác động nhất định. “Ô nhiễm tiếng ồn” đối với các loài khácMặc dù con người không nghe thấy sóng siêu âm, nhưng nhiều loài động vật có thể nghe thấy và sóng siêu âm có thể gây cản trở đến khả năng giao tiếp hoặc hành vi của chúng nếu không được sử dụng một cách có kiểm soát.
Ví dụ, việc mô phỏng liên tục sóng siêu âm của dơi được thiết kế để xua đuổi bướm đêm có thể... cũng ảnh hưởng đến các loài bướm đêm vô hại khác. hoặc côn trùng là một phần trong chế độ ăn của chim hoặc các loài săn mồi khác. Bằng cách thay đổi hành vi của con mồi, toàn bộ hệ sinh thái có thể bị thay đổi một cách gián tiếp. chuỗi thức ăn Tình trạng này vốn đã khá căng thẳng trong các hệ thống nông nghiệp thâm canh.
Trong một môi trường đã bị con người tác động mạnh mẽ như nông nghiệp, bất kỳ sự can thiệp nào, dù với ý định tốt đẹp đến đâu, cũng đều có tác động tiêu cực. hậu quả đối với môi trườngDo đó, trước khi triển khai các giải pháp quy mô lớn dựa trên rung động hoặc siêu âm, các nhà côn trùng học nhấn mạnh sự cần thiết phải nghiên cứu kỹ hơn về các tác dụng phụ có thể xảy ra này và đánh giá xem liệu chúng có thể chấp nhận được so với thiệt hại cần tránh hay không.
Điều quan trọng là phải tìm ra một sự cân bằng giữa hiệu quả và tôn trọng sinh tháiSử dụng số lượng tín hiệu tối thiểu cần thiết, vào đúng thời điểm và địa điểm, và kết hợp các công cụ này với các chiến lược khác (kiểm soát sinh học, quản lý môi trường sống, giống kháng bệnh, v.v.) để giảm thiểu việc sử dụng hóa chất mà không tạo ra các vấn đề tiềm ẩn mới.
Tóm lại, việc kiểm soát dịch hại bằng rung động và siêu âm đang dần trở thành một phương pháp hiệu quả. lĩnh vực đổi mới rất mạnh mẽ Trong nông nghiệp bền vững, bẫy rung dành cho bọ hại ngũ cốc, có khả năng thu hút chúng bằng pheromone được tái tạo điện tử và các rung động siêu nhỏ, mở ra hướng kiểm soát mục tiêu ít phụ thuộc vào thuốc trừ sâu. Trong khi đó, các thiết bị phát sóng siêu âm lấy cảm hứng từ dơi cho thấy có thể "đánh lừa" các loài bướm đêm như Spodoptera và làm giảm đáng kể khả năng đẻ trứng của chúng. Mặc dù vẫn còn những thách thức liên quan đến khả năng mở rộng quy mô, chi phí, hạn chế về loài và tác động tiềm tàng đến các dạng sống khác, tất cả các dấu hiệu đều cho thấy rằng các công nghệ này sẽ được tích hợp dần vào các chương trình quản lý dịch hại tổng hợp, cung cấp cho nông dân một công cụ khác để bảo vệ mùa màng mà không gây hại cho môi trường hoặc ảnh hưởng đến sức khỏe của những người làm việc và phụ thuộc vào đất đai.
