Từ quản lý hệ vi sinh vật đất đến nâng cao hiệu quả sử dụng đầu vào và kiểm soát chất lượng nông sản

Đơn vị nghiên cứu và phát triển: Công ty Cổ phần Tập đoàn Quốc tế ECOM

Tóm tắt

Sự phát triển của nông nghiệp hàng hóa đang đặt ra một bài toán kép: duy trì năng suất và chất lượng nông sản trong khi giảm áp lực lên đất, nước và hệ sinh thái. Trong bối cảnh đó, sản phẩm sinh học, đặc biệt là chế phẩm chứa vi sinh vật có chức năng, ngày càng được quan tâm như một thành phần của hệ thống quản lý dinh dưỡng, sức khỏe đất và sinh vật gây hại.

Khác với cách tiếp cận đơn thuần thay thế phân bón hoặc thuốc bảo vệ thực vật hóa học, ứng dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp hiện đại hướng đến việc khai thác các tương tác giữa đất – rễ – vi sinh vật – cây trồng. Các nhóm vi sinh vật như vi khuẩn vùng rễ kích thích sinh trưởng (PGPR), vi khuẩn cố định đạm, vi khuẩn hòa tan phosphate, nấm cộng sinh rễ và các tác nhân kiểm soát sinh học thuộc chi Bacillus, Trichoderma… có thể tham gia vào chu trình dinh dưỡng, cạnh tranh sinh thái, tạo chất chuyển hóa thứ cấp hoặc kích hoạt cơ chế phòng vệ của cây.

Tuy nhiên, hiệu quả của chế phẩm vi sinh không mang tính cố định. Một tổng quan hệ thống công bố năm 2026 tổng hợp 280 nghiên cứu tại 68 quốc gia cho thấy hiệu quả của microbial inoculants phụ thuộc vào nhóm vi sinh vật, cây chủ và điều kiện sinh thái; đáng chú ý, phần lớn nghiên cứu hiện có vẫn được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm hoặc nhà kính.

Do đó, đối với các cây trồng có giá trị xuất khẩu của Việt Nam như sầu riêng, cà phê, hồ tiêu và lúa, vấn đề không chỉ là lựa chọn một chế phẩm sinh học, mà là xây dựng được quy trình ứng dụng có cơ sở khoa học, có khảo nghiệm đồng ruộng và có khả năng kiểm chứng bằng dữ liệu.

1. Đặt vấn đề: Từ năng suất đơn thuần đến sức khỏe của hệ canh tác

Trong nhiều thập niên, năng suất thường được sử dụng như chỉ tiêu trung tâm để đánh giá hiệu quả sản xuất. Tuy nhiên, với nền nông nghiệp hàng hóa hiện nay, một hệ thống canh tác được xem là hiệu quả không chỉ khi tạo ra năng suất cao mà còn phải duy trì được chất lượng đất, hiệu suất sử dụng phân bón, khả năng chống chịu của cây và tính an toàn của nông sản.

Điều này đặc biệt quan trọng đối với Việt Nam khi nông sản ngày càng phụ thuộc vào các thị trường có yêu cầu cao về chất lượng, dư lượng thuốc bảo vệ thực vật và truy xuất nguồn gốc. Năm 2025, kim ngạch xuất khẩu nông, lâm, thủy sản của Việt Nam ước đạt 70,09 tỷ USD; riêng cà phê đạt khoảng 8,6 tỷ USD và rau quả khoảng 8,6 tỷ USD. Những con số này cho thấy quy mô thương mại ngày càng lớn cũng đồng nghĩa với yêu cầu quản lý chất lượng đầu vào và quy trình sản xuất ngày càng chặt chẽ.

Trong hệ thống đó, đất không thể được xem đơn thuần là một giá thể giữ rễ. Vùng rễ là một hệ sinh thái có mật độ vi sinh vật rất cao, nơi xảy ra đồng thời quá trình phân giải chất hữu cơ, chuyển hóa nitrogen, phosphorus, sulfur, tạo chất kích thích sinh trưởng và tương tác giữa vi sinh vật với rễ cây.

Vì vậy, suy giảm sức khỏe đất không nhất thiết biểu hiện ngay bằng sự sụt giảm năng suất. Những thay đổi về carbon hữu cơ, hoạt tính enzyme, cấu trúc đất, khả năng giữ nước hoặc quần xã vi sinh vật có thể diễn ra trước khi biểu hiện rõ trên sinh trưởng của cây.

Đây chính là khoảng không gian mà công nghệ sinh học nông nghiệp có thể tham gia: không chỉ cung cấp thêm một nguồn đầu vào, mà tác động vào các quá trình sinh học vốn đã tồn tại trong hệ đất – cây.

2. Vi sinh vật đất và cơ sở khoa học của sản phẩm sinh học

2.1. Vi sinh vật vùng rễ là một thành phần chức năng của hệ đất

Vùng đất chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi rễ cây, hay rhizosphere, là khu vực có cường độ tương tác sinh học cao. Rễ tiết ra đường, amino acid, acid hữu cơ và nhiều hợp chất khác; ngược lại, vi sinh vật có thể cung cấp hoặc huy động một phần nguồn dinh dưỡng và các chất chuyển hóa có lợi cho cây.

Nhóm PGPR được nghiên cứu nhiều do khả năng thực hiện nhiều chức năng cùng lúc: cố định nitrogen sinh học, hòa tan phosphate khó tan, sản sinh siderophore, tạo phytohormone và kích hoạt phản ứng phòng vệ của cây.

Điểm cần nhấn mạnh là “có khả năng thực hiện một chức năng” không đồng nghĩa với “luôn tạo ra cùng một mức hiệu quả ngoài đồng ruộng”.

Vi sinh vật được đưa vào đất phải cạnh tranh với quần xã bản địa, chịu ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, độ ẩm, carbon hữu cơ, chất lượng giá thể và phương thức quản lý đồng ruộng. Vì vậy, cùng một chủng vi sinh có thể cho phản ứng khác nhau giữa đất cát, đất đỏ bazan, đất phù sa hoặc đất có hàm lượng hữu cơ khác nhau.

Một nghiên cứu tổng hợp năm 2024 cũng nhấn mạnh rằng việc sử dụng bio-inoculant cần đi cùng kiểm soát chất lượng, công nghệ tạo công thức và điều kiện ứng dụng phù hợp mới có thể cải thiện khả năng sử dụng ngoài thực tế.

2.2. Từ “bón vi sinh” sang quản lý chức năng sinh học

Một chế phẩm vi sinh có thể được thiết kế để thực hiện một hoặc nhiều chức năng:

Cố định nitrogen → huy động phosphorus → phân giải chất hữu cơ → cạnh tranh sinh thái → đối kháng sinh vật gây bệnh → kích hoạt đáp ứng phòng vệ của cây.

Do đó, việc đánh giá sản phẩm cần trả lời được câu hỏi: vi sinh vật được đưa vào nhằm thực hiện chức năng nào, trong điều kiện nào và bằng chỉ tiêu nào để xác nhận chức năng đó?

Ví dụ, nếu mục tiêu là nâng hiệu quả sử dụng phosphorus, chỉ tiêu không nên dừng ở việc đo năng suất. Có thể cần theo dõi phosphorus dễ tiêu trong đất, hàm lượng P trong mô cây, chỉ số hấp thu P và hiệu suất sử dụng P.

Nếu mục tiêu là quản lý bệnh vùng rễ, cần theo dõi mật độ hoặc tỷ lệ nhiễm của tác nhân gây bệnh, tình trạng rễ, sinh khối rễ và diễn biến bệnh theo thời gian.

Đây là sự khác biệt giữa ứng dụng chế phẩm và nghiên cứu ứng dụng chế phẩm.

3. Cơ chế kiểm soát sinh học: Không phải “diệt sạch” mà là điều chỉnh hệ sinh thái

Một trong những hạn chế của cách truyền thông về vi sinh hiện nay là sử dụng ngôn ngữ “diệt tận gốc”, “triệt tiêu hoàn toàn” hoặc “xử lý trong vài ngày”. Về mặt sinh thái học, đây không phải là cách mô tả phù hợp cho phần lớn cơ chế kiểm soát sinh học.

Với Trichoderma, chẳng hạn, cơ chế có thể bao gồm cạnh tranh không gian và dinh dưỡng, ký sinh nấm, tiết enzyme phân giải thành phần thành tế bào nấm và kích hoạt hệ thống phòng vệ của cây. Một số nghiên cứu đã mô tả vai trò của các enzyme phân giải thành tế bào và các chất kích hoạt phản ứng phòng vệ thực vật.

Đối với Bacillus subtilis và các nhóm gần gũi, nhiều nghiên cứu tập trung vào các hợp chất lipopeptide như surfactin, iturin và fengycin; ngoài tác động trực tiếp lên sinh vật gây bệnh, vi khuẩn còn có thể hình thành biofilm, cạnh tranh vị trí cư trú và kích thích cơ chế kháng cảm ứng của cây.

Ở nhóm tuyến trùng ký sinh thực vật, Bacillus cũng đang được nghiên cứu thông qua nhiều cơ chế khác nhau, gồm sản xuất lipopeptide, enzyme thủy phân và kích hoạt các con đường phòng vệ của cây.

Như vậy, hiệu quả của kiểm soát sinh học nên được hiểu là tạo áp lực sinh thái làm giảm khả năng phát triển của sinh vật gây hại và đồng thời nâng khả năng chống chịu của cây, thay vì kỳ vọng một lần xử lý có thể loại bỏ hoàn toàn quần thể dịch hại.

4. Một bằng chứng đáng chú ý: vi sinh vật và quản lý nitrogen

Một trong những hướng có giá trị lớn đối với nông nghiệp bền vững là nâng hiệu quả sử dụng nitrogen.

Một phân tích tổng hợp năm 2024 dựa trên 50 nghiên cứu với 188 cặp quan sát cho thấy việc bổ sung microbial inoculants làm giảm phát thải N₂O trung bình khoảng 29,8% và giảm phát thải NH₃ khoảng 24,9% trong các hệ thống đất – cây được nghiên cứu. Tuy nhiên, chính nghiên cứu này cũng chỉ ra hiệu quả chịu ảnh hưởng đáng kể bởi pH đất, carbon hữu cơ và phương thức quản lý nitrogen.

Đây là một kết quả có ý nghĩa nhưng không nên diễn giải thành “vi sinh vật luôn giảm 29,8% phát thải”.

Con số trên là giá trị trung bình của một tập hợp nghiên cứu, không phải mức giảm có thể áp dụng trực tiếp cho mọi ruộng lúa, vườn cà phê hay vườn sầu riêng.

Cách đọc đúng kết quả này là: vi sinh vật chức năng có tiềm năng trở thành một công cụ trong chiến lược quản lý nitrogen, nhưng cần xác định điều kiện mà hiệu quả đạt được.

Đây cũng là hướng nghiên cứu phù hợp với mục tiêu giảm chi phí đầu vào và giảm thất thoát dinh dưỡng mà không đặt mục tiêu cực đoan là loại bỏ hoàn toàn phân khoáng.

5. Ứng dụng theo nhóm cây trồng

5.1. Sầu riêng: trọng tâm là hệ rễ và điều kiện đất

Đối với sầu riêng, nghiên cứu ứng dụng vi sinh nên bắt đầu từ vùng rễ.

Đây là cây lâu năm có yêu cầu cao về điều kiện đất và nước. Khi đất bị úng, độ thoáng khí của vùng rễ giảm, hoạt động hô hấp của rễ bị ảnh hưởng; nếu kết hợp với hệ rễ suy yếu và áp lực tác nhân gây bệnh trong đất, nguy cơ bệnh vùng rễ có thể gia tăng.

Do đó, chế phẩm sinh học không nên được xem là biện pháp thay thế cho thoát nước.

Một mô hình nghiên cứu hợp lý cần đồng thời kiểm soát:

thoát nước → hữu cơ → pH → độ ẩm đất → mật độ tác nhân gây bệnh → mật độ vi sinh vật có lợi → sinh trưởng rễ.

Với sầu riêng, các chỉ tiêu đánh giá nên ưu tiên sự phát triển của rễ tơ, tỷ lệ rễ khỏe, tình trạng lá, khả năng hấp thu dinh dưỡng và diễn biến bệnh vùng rễ theo thời gian.

5.2. Cà phê và hồ tiêu: từ dinh dưỡng đến hệ sinh thái vùng rễ

Cà phê và hồ tiêu có thời gian khai thác dài nên những thay đổi của đất cần được đánh giá theo chu kỳ nhiều năm thay vì một vụ.

Trong điều kiện này, vi sinh vật chức năng có thể được nghiên cứu theo hai hướng.

Thứ nhất là huy động dinh dưỡng, đặc biệt đối với nitrogen và phosphorus.

Thứ hai là ổn định hệ sinh thái vùng rễ, thông qua việc tăng cường hoạt tính sinh học và khả năng cạnh tranh của nhóm vi sinh vật có lợi.

Một phân tích tổng hợp năm 2024 dựa trên 59 nghiên cứu và 267 quan sát ghi nhận biofertilization làm tăng carbon hữu cơ trong đất trung bình khoảng 0,44 g C/kg đất, dù mức phản ứng thay đổi giữa các nhóm inoculant. Đáng chú ý, hiệu quả có ý nghĩa thống kê rõ hơn ở một số nhóm như nấm cộng sinh rễ, vi khuẩn cố định nitrogen và hỗn hợp vi sinh vật.

Đây là cơ sở để đặt vấn đề nghiên cứu dài hạn đối với vườn cà phê và hồ tiêu: không chỉ đo năng suất mà còn theo dõi SOC, pH, mật độ rễ, sinh khối vi sinh vật và hiệu suất sử dụng dinh dưỡng.

5.3. Lúa: vi sinh vật trong hệ thống quản lý dinh dưỡng và phụ phẩm

Với lúa, ứng dụng vi sinh có thể được nghiên cứu ở nhiều khâu hơn, từ xử lý phụ phẩm sau thu hoạch đến quản lý dinh dưỡng và kiểm soát sinh học.

Rơm rạ là nguồn carbon lớn quay trở lại ruộng. Nếu quản lý không phù hợp, quá trình phân giải trong điều kiện yếm khí có thể làm thay đổi trạng thái oxy hóa – khử của đất và ảnh hưởng đến sự phát triển của cây ở vụ sau.

Do đó, nghiên cứu chế phẩm phân giải cellulose cần đánh giá bằng các chỉ tiêu như tốc độ phân hủy chất khô, carbon hữu cơ, tỷ lệ C/N, hoạt tính enzyme và diễn biến các dạng nitrogen trong đất thay vì chỉ tuyên bố “rơm phân hủy hoàn toàn sau X ngày”.

Ở cây lúa, nấm cộng sinh cũng là một hướng đáng nghiên cứu. Một nghiên cứu trên Scientific Reports đã khảo sát tác động của các chủng nấm cộng sinh rễ đối với sinh lý và năng suất lúa trong điều kiện thiếu nước, cho thấy tương tác giữa AMF, phosphorus và trạng thái nước có thể ảnh hưởng đến đáp ứng của cây.

Điều này cho thấy ứng dụng vi sinh hiệu quả cần đặt trong toàn bộ hệ thống nước – dinh dưỡng – đất, thay vì xem chế phẩm là một yếu tố độc lập.

6. Một sản phẩm sinh học muốn ứng dụng rộng cần được đánh giá như thế nào?

Đây là phần cần thiết để chuyển một bài viết từ “giới thiệu công nghệ” sang “báo cáo khoa học ứng dụng”.

Một quy trình nghiên cứu có thể được xây dựng theo 5 cấp độ:

Cấp độ 1: Định danh và kiểm soát chủng

Xác định chính xác vi sinh vật, đặc tính sinh học, độ ổn định và nguy cơ nhiễm tạp.

Cấp độ 2: Đánh giá chức năng trong phòng thí nghiệm

Ví dụ:

• khả năng hòa tan phosphate;
• cố định nitrogen;
• sản sinh IAA;
• sản xuất siderophore;
• hoạt tính enzyme;
• khả năng ức chế tác nhân gây bệnh;
• khả năng chịu pH, nhiệt độ và điều kiện bất lợi.

Cấp độ 3: Thử nghiệm trong nhà kính

Đánh giá phản ứng của cây trong điều kiện có kiểm soát, có nhóm đối chứng và các mức liều khác nhau.

Cấp độ 4: Khảo nghiệm đồng ruộng

Đây là bước quyết định.

Cần bố trí ít nhất:

đối chứng không xử lý → đối chứng canh tác thông thường → nghiệm thức vi sinh → nghiệm thức kết hợp.

Các nghiệm thức cần được lặp lại đủ để có thể phân tích thống kê.

Cấp độ 5: Đánh giá theo chu kỳ sản xuất

Không chỉ đo năng suất mà cần xem xét:

chi phí đầu vào + năng suất + chất lượng + dư lượng + sức khỏe đất + hiệu suất sử dụng dinh dưỡng + khả năng duy trì hiệu quả qua các vụ.

Đặc biệt, một nghiên cứu năm 2024 cho thấy việc bổ sung vi sinh nhiều lần có thể tạo phản ứng khác với một lần inoculation, do vi sinh vật đưa vào phải cạnh tranh với quần xã bản địa và khả năng tồn tại trong đất không phải lúc nào cũng ổn định.

7. Định hướng xuất khẩu: MRL chỉ là một phần của bài toán chất lượng

Trong bài cũ, MRL được trình bày như một ngưỡng chung “dưới 0,01 mg/kg” cho EU. Cách diễn đạt này cần điều chỉnh.

Theo quy định của EU, 0,01 mg/kg là mức mặc định khi không có MRL cụ thể được thiết lập cho hoạt chất và sản phẩm tương ứng, chứ không phải tất cả thuốc bảo vệ thực vật trên mọi nông sản đều áp dụng cùng một mức 0,01 mg/kg. MRL cụ thể phụ thuộc hoạt chất và sản phẩm.

Điều này có ý nghĩa trực tiếp với nghiên cứu sản phẩm sinh học.

Mục tiêu của công nghệ sinh học không nên được diễn đạt đơn giản là “không có dư lượng” hay “đảm bảo tuyệt đối đạt MRL”.

Cách tiếp cận khoa học hơn là:

giảm áp lực sử dụng các hoạt chất hóa học không cần thiết → tăng khả năng quản lý dịch hại tổng hợp → tuân thủ thời gian cách ly và hướng dẫn sử dụng → lấy mẫu phân tích dư lượng → kiểm soát truy xuất nguồn gốc.

Đối với các chuỗi hàng hóa xuất khẩu, dữ liệu sản xuất ngày càng trở thành một phần của chất lượng sản phẩm. FAO hiện cũng đang hỗ trợ Việt Nam tăng cường truy xuất nguồn gốc và tính minh bạch của chuỗi cà phê trong bối cảnh thị trường quốc tế gia tăng yêu cầu về tính bền vững và nguồn gốc sản phẩm.

Vì vậy, sản phẩm sinh học chỉ là một mắt xích trong hệ thống sản xuất hướng xuất khẩu.

8. Định hướng nghiên cứu của ECOM

Trên cơ sở tiếp cận này, Công ty Cổ phần Tập đoàn Quốc tế ECOM có thể phát triển nghiên cứu sản phẩm sinh học theo hướng lấy chức năng sinh học và dữ liệu đồng ruộng làm trung tâm.

Thay vì đặt câu hỏi “sản phẩm có tác dụng gì?”, câu hỏi nghiên cứu nên được mở rộng thành:

Chủng vi sinh nào phù hợp với cây trồng nào?

Hoạt động tốt trong điều kiện đất nào?

Liều lượng và thời điểm ứng dụng nào tạo hiệu quả ổn định?

Vi sinh vật có tồn tại và định cư được ở vùng rễ hay không?

Tác động đến dinh dưỡng và sức khỏe đất trong bao lâu?

Hiệu quả có lặp lại giữa các mùa vụ và vùng sinh thái khác nhau hay không?

Ứng dụng vi sinh có thể làm thay đổi lượng đầu vào hóa học như thế nào mà không làm giảm năng suất và chất lượng?

Đây là hướng nghiên cứu có khả năng tạo ra giá trị lâu dài hơn việc chỉ xây dựng một công thức sản phẩm.

Về mặt khoa học, một sản phẩm sinh học chỉ thực sự có giá trị ứng dụng khi hoạt tính của chủng được xác định, công thức ổn định, hiệu quả được kiểm chứng và quy trình sử dụng được chuẩn hóa theo điều kiện canh tác.

9. Kết luận

Ứng dụng sản phẩm sinh học trong nông nghiệp không nên được hiểu đơn giản là thay thế phân bón hóa học hoặc thuốc bảo vệ thực vật bằng một sản phẩm có nguồn gốc sinh học.

Bản chất của hướng tiếp cận này là khai thác và điều chỉnh các quá trình sinh học trong hệ đất – rễ – cây trồng, từ khả năng huy động dinh dưỡng, tương tác vùng rễ đến kiểm soát sinh vật gây hại và kích hoạt khả năng chống chịu của cây.

Các bằng chứng tổng hợp hiện nay cho thấy tiềm năng của microbial inoculants là đáng kể. Một số phân tích đã ghi nhận cải thiện về carbon hữu cơ đất, hiệu suất quản lý nitrogen và các chỉ tiêu sinh lý của cây. Tuy nhiên, hiệu quả không đồng nhất và phụ thuộc rõ rệt vào điều kiện đất, cây trồng, chủng vi sinh và phương thức quản lý.

Đối với sầu riêng, cà phê, hồ tiêu và lúa – những cây trồng có vai trò quan trọng trong chuỗi nông sản Việt Nam – hướng nghiên cứu cần chuyển từ “sử dụng chế phẩm” sang “quản lý chức năng sinh học của hệ canh tác”.

Khi kết hợp nghiên cứu vi sinh với phân tích đất, quản lý hữu cơ, dinh dưỡng cân đối, nước tưới, quản lý dịch hại tổng hợp, truy xuất nguồn gốc và phân tích dư lượng, sản phẩm sinh học mới có thể trở thành một thành phần có cơ sở trong mô hình nông nghiệp bền vững.

Đối với định hướng xuất khẩu, mục tiêu cuối cùng không phải là tạo ra một quy trình “không hóa chất” mang tính khẩu hiệu, mà là xây dựng một quy trình sản xuất có thể đo lường, kiểm chứng và truy xuất, trong đó mỗi đầu vào được sử dụng đúng chức năng, đúng thời điểm và dựa trên dữ liệu.

Đó cũng là nền tảng để nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vi sinh chuyển từ quy mô thử nghiệm sang các vùng sản xuất hàng hóa có giá trị cao, đồng thời tạo cơ sở khoa học cho quá trình nâng cao chất lượng và tính bền vững của nông sản Việt Nam trên thị trường quốc tế.