Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano đồng bằng hệ thống điện sinh học nhằm ức chế vi khuẩn xanthomonas axonopodis và ralstonia solanacearum

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Hồ Tú Cường. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được tôi trích dẫn nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai ngoài nhóm nghiên cứu công bố trong bất cứ công trình nào. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Học viên Nguyễn Thị Hoa ii LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ khoa học - Chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường của tôi với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Đồng bằng hệ thống điện sinh học nhằm ức chế vi khuẩn Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum’’ được thực hiện tại phòng thí nghiệm Vi sinh vật môi trường Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, với sự hướng dẫn của TS. Hồ Tú Cường. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi luôn nhận được sự quan tâm, động viên, hỗ trợ từ thầy hướng dẫn. Bằng tất cả sự kính trọng, lòng biết ơn, tôi xin phép được gửi tới TS. Hồ Tú Cường lời cảm ơn chân thành nhất. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ -Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập và hoàn thành luận văn. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện Công nghệ Môi trường, thể lãnh đạo, cán bộ, viên chức phòng Vi sinh vật Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được hoàn thành tốt luận văn này. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức, và hướng dẫn tôi hoàn thành chương trình học tập và thực hiện luận văn. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo Trung tâm Khoa học Công nghệ và Môi trường, xin cảm ơn gia đình đã luôn ở bên, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cả tinh thần và vật chất cho tôi hoàn thành tốt luận văn. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh AAS Quang phổ hấp thụ nguyên tử BES Hệ thống điện sinh học HN41 Vi khuẩn Shewanella HN41 HPLC Sắc kí lỏng hiệu năng cao MFC Pin nhiên liệu vi sinh vật Microbial fuel cell OD Mật độ quang Opical Density SEM Hiển vi điện tử quét SP200 Vi khuẩn Shewanella SP200 TEM Hiển vi điện tử truyền qua XRD Nhiễu xạ tia X Atomic Absorption Spectrometric Bioelectrochemical system Shewanella putrefaciens HN41 High-performance liquid chromatography Scanning electron microscopy Shewanella putrefaciens SP200 Transmittion electron microscopy X-ray diffraction iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH ........................................................................................ vii 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1 2. Mục đích của nghiên cứu .............................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 3 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ......................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................ 4 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KIM LOẠI ĐỒNG ......................................... 4 1.1.1. Đồng ở trạng thái tự nhiên…………………………. ............................. 4 1.1.2. Hạt nano Đồng………………………………………… ........................ 6 1.1.3. Ô nhiễm Đồng và ảnh hưởng đối với con người, động vật .................. 10 1.2. HỆ THỐNG ĐIỆN SINH HỌC (BES BIOELECTROCHEMICAL SYSTEM) ....................................................................................................... 14 1.2.1. Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC – Microbial fuel cells) ............... 14 1.2.2. Vi sinh vật ứng dụng trong các hệ thống điện sinh học ........................ 16 1.2.3. Ứng dụng của các hệ thống điện sinh học trong thu hồi kim loại nặng…………………………… …………………… …………................... 18 1.2.4. Vi khuẩn gây bệnh trên cây Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum…………………………………………. …………………….23 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...... 26 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ................................................................. 26 2.1.1. Các dạng hệ thống điện sinh học………………………… .................. 26 v 2.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ....................................................................... 27 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................ 28 2.3.1. Thiết kế hệ thống MFC…………………………………. .................... 28 2.3.2. Phương pháp xác định mật độ tế bào…………………. ....................... 32 2.3.3. Phương pháp phân tích ion kim loại bằng AAS………. ...................... 33 2.3.6. Phương pháp thử tính kháng khuẩn của vật liệu nano Đồng ................ 37 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 39 3.1. SỰ BIẾN ĐỘNG CÁC THÔNG SỐ TRONG KHOANG ANOT.......... 39 3.1.1. Sự thay đổi về mật độ tế bào trong khoang Anot …………………….39 3.1.2. Tốc độ tiêu thụ lactate trong khoang anot……………......................... 40 3.2. SỰ BIẾN ĐỘNG CÁC THÔNG SỐ TRONG KHOANG CATOT ....... 43 3.2.1. Sự suy giảm nồng độ ion Cu2+ trong dung dịch catot ........................... 43 3.3.1. Hiệu quả ức chế của nano Đồng đến vi khuẩn Xanthomonas axonopodis…………………………………………………… ...................... 50 3.3.2. Hiệu quả ức chế của nano Đồng đến vi khuẩn Ralstonia solanacearum………………………………………………….. ............................ 52 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................. 59 4.1. Kết luận .................................................................................................... 59 4.2. Kiến nghị .................................................................................................. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 61 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Khả năng thu hồi kim loại nặng bằng MFC. .................................. 20 Bảng 2.1. Thành phần môi trường LB ............................................................ 30 Bảng 2.2. Các dung dịch khoáng gốc dùng để chuẩn bị môi trường nuôi cấy vi khuẩn trong khoang anot ................................................................................. 30 Bảng 2.3. Thành phần dung dịch khoáng vi lượng để chuẩn bị môi trường nuôi cấy vi khuẩn trong khoang Anot ..................................................................... 31 Bảng 2.4. Thành phần môi trường lỏng dùng trong khoang Anot .................. 32 Bảng 3.1. Kích thước vòng kháng của nano đồng đối với vi khuẩn Ralstonia solanacearum .................................................................................................. 53 Bảng 3.2. Bảng giá trị IC50 .............................................................................. 57 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Xả thải ô nhiễm ra môi trường nước ............................................... 11 Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo 1 MFC đơn giản ....................................................... 15 Hình 2.1. Vi khuẩn thuộc chủng Shewanella putrefacien [25]....................... 27 Hình 2.2. Hệ thống điện sinh học không mạch ngoài có điện cực dương ...... 28 Hình 3.1. Sự biến động của mật độ tế bào vi khuẩn Shewanella.................... 39 Hình 3.2. Sự biến động của hàm lượng lactate trong khoang anot ................. 41 Hình 3.3. Sự biến động của pH trong môi trường khoang anot...................... 43 Hình 3.4. Sự biến động của hàm lượng ion Cu2+ trong khoang catot ............. 44 Hình 3.5. Ảnh hiển vi điện tử quét (A,B) của vật liệu trên bề mặt than chì của hệ cấy chủng SP200 và ảnh hiển vi điện tử quét (C,D) của vật liệu trên bề mặt than chì có chủng HN41 .................................................................................. 46 Hình 3.6. Ảnh ESD của vật liệu trên bề mặt điện cực than chì của hệ cấy với chủng SP200 .................................................................................................... 48 Hình 3.7. Ảnh ESD của vật liệu trên bề mặt điện cực than chì của hệ cấy với chủng HN41 .................................................................................................... 48 Hình 3.8. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu nano đồng thu được .......... 49 Hình 3.9. Đĩa thạch thử tính kháng khuẩn của nano đồng đối với vi khuẩn Xanthomonas axonopodis ............................................................................... 50 Hình 3.10. Hiển vi điện tử quét tế bào vi khuẩn Xanthomonas axonopodis sau 24h ................................................................................................................... 51 Hình 3.11. Đĩa thạch thử tính kháng khuẩn của nano đồng đối với vi khuẩn Ralstonia solanacearum .................................................................................. 52 Hình 3.12. Hiển vi điện tử quét tế bào vi khuẩn Ralstonia solanacearum ..... 54 Hình 3.13. Tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn Ralstonia solanacearum sau 48h ................................................................................................................... 56 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, môi trường và ô nhiễm môi trường đang là vấn đề thời sự được cả thế giới quan tâm. Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, gia tăng các hoạt động công nghiệp là việc sản sinh các chất thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Đồng là một trong những kim loại độc hại, đồng và các hợp chất của nó với hàm lượng cao lên đến hàng nghìn miligam trong nước thải có liên quan trực tiếp đến biến đổi gen, ung thư cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Chính vì vậy, việc thu hồi và tái sử dụng đồng dưới dạng nano đang là một hướng xử lý ô nhiễm cần thiết hiện nay. Đồng khi ở dạng vật liệu nano lại thể hiện được những đặc tính ưu việt hơn so với các hạt có kích thước lớn hơn và có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống. Trong khoa học vật liệu người ta thường sử dụng các hạt nano đồng trong việc chế tạo cảm biến quang ( photo-detectors), các vật liệu có tính chất quang phi tuyến ( nonlinear optical materials) và vô số các thiết bị phát quang (luminescence devices), quang hóa xúc tác (photochemical catalysis), máy dò (detectors) tia laser và hồng ngoại,[1]...Cùng với sự phát triển của xã hội, công nghệ nano đã được ứng dụng nhiều hơn trong y học, thuốc bổ sung hoặc bào chế dưới dạng nano đã dần chứng minh được hiệu quả tuyệt vời của mình về khả năng cải thiện kết quả trị liệu và tăng tính an toàn của sản phẩm so với các dạng bào chế qua ước. Trên thị trường dược phẩm thế giới đã xuất hiện nhiều sản phẩm nano sử dụng trong phòng và điều trị các bệnh viêm nhiễm nặng, ung thư và liên quan đến liệu pháp gen. Tiểu phân nano với kích thước siêu nhỏ (1-1.000nm) có cấu tạo lõi thân nước hoặc thân dầu bao quanh bởi bề mặt thân nước, dễ dàng phân tán vào môi trường sinh lý bên trong cơ thể. Kích thước tiểu phân nano nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước tế bào (kích thước tế bào bình thường khoảng 10-100μm), tế bào ung thư có thể đạt 2 kích thước đến vài mm. Chính vì thế, tiểu phân nano được thiết kế phù hợp với đường đi của thuốc bên trong cơ thể có khả năng giúp vận chuyển thuốc đến đúng vị trí cần giải phóng hoạt chất hoặc đích sinh học (mô bệnh, tế bào bệnh hoặc bào quan bên trong tế bào bệnh) cải thiện vượt trội tính an toàn và hiệu quả trị liệu của thuốc. Hạt nano đồng được tổng hợp theo nhiều phương pháp như: Phương pháp hóa hơi bằng nhiệt (thermal evaporation)[2], phương pháp lắng đọng hơi hóa học (chemical vapor deposition)[3], quá trình tổng hợp dung môi nhiệt (solvothermal)[4], và quá trình tổng hợp thủy nhiệt (hydrothermal). Tuy nhiên, các phương pháp này rất độc hại và khó tùy chỉnh được kích thước mong muốn. Phương pháp sinh học sử dụng năng lượng điện tạo ra từ hệ thống điện sinh học (Bioelectrochemical system – BES) như pin nhiên liệu sinh học (MFC) để tổng hợp vật liệu nano được biết đến như một phương pháp an toàn và thân thiện với môi trường. Chính vì vậy, học viên đã lựa chọn đề tài ‘‘Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Đồng bằng hệ thống điện sinh học nhằm ức chế vi khuẩn Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum” 2. Mục đích của nghiên cứu - Chế tạo hệ pin nhiên liệu vi sinh vật nhằm tái thu hồi kim loại đồng có trong nước thải dưới dạng vật liệu nano - Đánh giá được đặc trưng về hình thái, cấu trúc của vật liệu nano đồng thu được - Đánh giá khả năng kháng vi khuẩn của vật liệu nano đồng đối với hai chủng vi sinh vật gây bệnh cho cây là Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum. 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Các dạng hệ thống điện sinh học và các chủng vi khuẩn Shewanella có thể sử dụng trong hệ thống điện sinh học và môi trường nước có ion đồng tự tạo. - Phạm vi nghiên cứu: Môi trường nhân tạo ở quy mô phòng thí nghiệm. 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Vật liệu nano là một trong những lĩnh vực nghiên cứu được quan tâm trong thời gian gần đây đặc biệt là nano đồng. Nhờ vào đặc tính kháng khuẩn cao mà vật liệu nano đồng được ứng dụng sản xuất rộng rãi. Có nhiều phương pháp để tổng hợp nano đồng nhưng hầu hết đều là phương pháp khá độc hại và tốn kém, phương pháp sinh học sử dụng năng lượng điện tạo ra từ hệ thống điện sinh học (Bioelectrochemical system) để tổng hợp vật liệu nano được biết đến như là một phương pháp an toàn, hiệu quả. Chính vì vậy, việc ứng dụng công nghệ pin nhiên liệu vi sinh vật để tái thu hồi kim loại đồng từ trong nước thải dưới dạng vật liệu nano là biện pháp xử lý nguồn nước thải ô nhiễm kim loại nặng khá hiệu quả. Nghiên cứu này sử dụng nước chứa đồng nhân tạo để tổng hợp vật liệu nano đồng là bước nghiên cứu cơ bản tạo tiền đề cho việc xử lý nước thải ô nhiễm kim loại đồng nói chung và các kim loại nặng độc hại nói riêng. Hơn nữa, nano đồng được thu hồi còn có thể ứng dụng diệt các loại vi khuẩn gây bệnh trên cây, nó được xem như một loại thuốc bảo vệ thực vật an toàn và hữu hiệu. 4 CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KIM LOẠI ĐỒNG 1.1.1. Đồng ở trạng thái tự nhiên Đồng là một trong số ít kim loại xuất hiện trong tự nhiên ở dạng có thể sử dụng trực tiếp thay vì khai thác từ quặng. Đồng là nguyên tố hóa học kí hiệu là Cu, là một kim loại có tính dẻo, độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, bề mặt của đồng có màu cam đỏ rất đặc trưng. Kim loại đồng và các hợp kim của đồng đã được con người phát hiện và sử dụng cách đây hàng ngàn năm. Nhiều bằng chứng lịch sử cho thấy đồng đã được sử dụng cách nay ít nhất là 10.000 năm. Ước tính tổng lượng đồng trên Trái Đất lên tới khoảng 1014 tấn trong vòng khoảng vài km của vỏ Trái Đất. Tổng trữ lượng đồng lớn như vậy nhưng chỉ một tỷ lệ nhỏ trong số chúng là có giá trị kinh tế trong điều kiện công nghệ như hiện nay. Hầu hết việc sử dụng đồng là từ việc khai thác hoặc chiết tách dạng đồng sunfua khai thác lộ thiên từ các mỏ đồng porphyr chứa 0,4 đến 1% đồng. Với tình hình kinh tế hiện nay, nhu cầu sử dụng đồng đang tăng nhanh, và lượng đồng sẵn có là không đủ để đáp ứng mức độ sử dụng của sự phát triển trên thế giới. Vì vậy, nguồn chính của đồng trong hiện đại chính là từ đồng tái chế. Đồng có số hiệu nguyên tử là 29, khối lượng: 63,546. Thuộc chu kỳ 4, phân nhóm: 11. Hợp chất của kim loại đồng hay tồn tại ở dạng muối đồng II và nó tồn tại 2 màu là: màu xanh lam và xanh lục. Hợp chất của đồng thì thường có màu xạnh lục và xanh lam dưới sự tồn tại của muối đồng II. Đồng là một thành phần kim loại dẻo có tính chất dẫn nhiệt, dẫn điện rất tốt. Ở dạng nguyên chất kim loại đồng mềm và dễ uốn nắn, các loại đồng tươi thường có màu cam đỏ. Nó là thành phần của rất nhiều hợp kim quan trọng và có ứng dụng rộng rãi 5 trong cuộc sống. Ban đầu thì kim loại này có tên gọi là cyprium (kim loại Síp) bởi nó được khai thác chủ yếu ở Síp. Sau này thì chúng được gọi tắt là cuprim (tên latinh của Đồng). Nó có trong tự nhiên ở dạng kim loại mà chúng ta thường có thể sử dụng trực tiếp. Đồng chính là kim loại được biết đến đầu tiên như loại kim loại được chúng nung chảy từ quặng. Hợp chất của đồng thường tồn tại ở dạng muối đồng (II), và chúng thường được sử dụng làm các chất nhuộm rộng rãi trong lịch sử. Các loại ion đồng (Cu2+) với nồng độ thấp, thì chúng là vi chất dinh dưỡng rất cần thiết cho các cơ thể động vật bậc cao [5]. Trong cuộc sống hiện nay chúng ta có thể dùng ion đồng hòa tan trong nước để làm các chất diệt khuẩn, diệt nấm và là một chất tốt để bảo quản các loại gỗ. Trong một số trường hợp chúng cũng có thể trở thành chất độc đối với sinh vật khi nồng độ ion đủ lớn. Tính chất hóa học của đồng: Đồng là loại kim loại có tính khử yếu hơn so với các kim loại khác, có thể tác dụng được với phi kim, tác dụng với các axit và tác dụng với các dung dịch muối. Tác dụng với phi kim: Khi Cu phản ứng với oxi đun nóng sẽ tạo thành CuO bảo vệ do đó Cu sẽ không bị oxi hoá, tác dụng với các axit: Cu không thể tác dụng với dung dịch HCl và H2SO4 loãng. Khi có oxi, Cu có thể tác dụng với dung dịch HCl, có tiếp xúc giữa axit và không khí. 2Cu + 4HCl + O2 → 2CuCl2 + 2H2O Điều chế: Ta có thể điều chế đồng bằng cách nung các vật liệu chalcocit (Cu2S) và chalcopyrit (CuFeS2) với silica trong flash smelting để cho loại sắt nay ở dạng xỉ. Quá trình nung nóng này sẽ chuyển sulfua thành dạng oxit, sau đó oxit sẽ tác dụng với silic tạo thành silicat. Ứng dụng của kim loại đồng: 6 Kim loại đồng là loại có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, nó có tính chất dẻo, mềm, dể uốn và dể dát mỏng, do đó đồng được sử dụng rất rộng rãi trong cuộc sống chúng ta. Trong ngành sản xuất điện chuyên dùng để sản xuất các loại dây điện, que hàn, bo mạch điện tử; châm điện, ống chân không; tản nhiệt, các chất bán dẫn, các kết nối điện tử hay điện cực…Đồng là kim loại lý tưởng để làm dây dẫn điện vì tính chất dẫn điện cực tốt của nó tương tự như bạc nhưng lại rẻ hơn bạc. Các dây điện bằng đồng cũng tiết kiệm hơn so với dây làm từ nhôm. Các loại dây dẫn phân phối điện, máy biến áp đồng có thể có hiệu quả lên tới 99,75%. Ứng dụng của đồng trong ngành điện trong nhiều thập kỷ qua được dùng để sản xuất: các bo mạch điện tử, châm điện, ống chân không, tản nhiệt, chất bán dẫn, kết nối điện tử, điện cực…. ngành công nghiệp viễn thông, các máy tuabin điện… Trong ngành xây dựng dùng đồng để làm các ống thủy lợi, động cơ hơi nước wall…Trong các ngành công nghệ thẩm mỹ, trang trí: dùng để đúc tượng như tượng Nữ thần Tự Do có chứa 81,3 tấn 179.200 (pao) đồng hợp kim [5] và dùng để làm các đồ vật trang trí nhà cửa như: tay cầm cửa, tay nắm…Trong nội thất gia đình, đồng dùng để ống chân không và bộ dẫn sóng cho bức xạ trong lò vi-ba, làm chảo nấu, dao, nĩa, đối với các loại nhạc khí thì đa số được làm bằng đồng. Với đặc tính chất mềm dẻo, dễ uốn, dễ dát mỏng, khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện tốt. Đồng hiện nay đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các quá trình sản xuất, thi công, và tạo nên các sản phẩm xung quanh cuộc sống của chúng ta. Sau khi không còn dùng nữa, kim loại đồng được các công ty mua đồng phế liệu mua với mức giá khá cao tận nơi để tái chế. 1.1.2. Hạt nano Đồng Trong những năm gần đây, vật liệu nano nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trong và ngoài nước do sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ nano đã mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong khoa học và đời 7 sống. Hạt nano đồng với kích thước không quá 100 nm có độ nhạy cao với tia tử ngoại khả kiến, độ dẫn điện tốt, khả năng xúc tác cùng khả năng kháng khuẩn cao nhờ hiệu ứng lượng tử và diện tích bề mặt lớn hơn so với các hạt cỡ lớn trong cùng thể tích [6]. So với các hạt nano bạc, hạt nano đồng có chi phí sản xuất thấp và có tính ổn định vật lý, hóa học và dễ chế tạo thành hợp chất với các polymer khác. Nhờ các đặc tính đó mà hiện nay, các hạt đồng nano đã có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp và công nghệ cao. Trong lĩnh vực nông nghiệp, nhiều khảo nghiệm đã được thực hiện trong những năm gần đây để khẳng định vai trò quan trọng của nano đồng trong nông nghiệp mà cụ thể hơn đó chính là khả năng diệt nấm khuẩn gây bệnh hại cây trồng. Công nghệ nano kết hợp các nguyên lý sinh học với các phép tiếp cận hóa học và lí học đã tạo ra các hạt có kích thước nano có những chức năng nhất định. Việc ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực nông nghiệp có nhiều ưu điểm nổi trội trên cả phương diện lí thuyết và thực tế. Những khả năng chống khuẩn, chống nấm mốc hiệu quả của hạt nano đồng trong nông nghiệp đã thu hút các nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực khoa học nano từ đó dẫn tới việc phát triển các kĩ thuật tổng hợp đồng nano sạch và có lợi ích về kinh tế. Hiệu quả của đồng nano đã được nghiên cứu trên một số loại cây trồng ở những thời kỳ sinh trưởng khác nhau và đã đem lại hiệu quả khác biệt, vượt trội hơn so với các loại thuốc BVTV hóa học truyền thống. Hạt nano mang những đặc tính phụ thuộc vào thành phần hóa học, kích thước và hình dạng. Do đó, vật liệu nano có tỷ lệ diện tích bề mặt hay thể tích lớn, năng lượng bề mặt là rất nhỏ, các nguyên tử lớp ngoài cùng linh động, ít bị che chắn cho nên các hạt nano mang nhiều đặc tính ưu việt trong việc diệt nấm khuẩn gây bệnh [6]. Các hạt nano tương tác với tế bào vi khuẩn và tiêu diệt chúng trong thời gian ngắn theo nhiều cơ chế đặc thù khác nhau mà vật liệu khối truyền thống không có được. 8 Nano đồng được tổng hợp bằng các phương pháp hóa lý và cả sinh học, trong các phương pháp vật lý và hóa học tổng hợp vật liệu nano đồng, nhũ tương hóa (micromulsion) là phương pháp phổ biến nhất. Tuy nhiên, phương pháp này sử dụng một lượng lớn các chất hoạt động bề mặt, chi phí tốn kém. Phương pháp vật lý như kĩ thuật dung khí (aerosol), quang hóa (laser ablation) [7] và phân giải bằng phóng xạ (radiolysis) có hiệu quả nhưng ít được áp dụng trong sản xuất công nghiệp rộng rãi do nó sử dụng thiết bị tiêu tốn năng lượng lớn. Bên cạnh đó, phương pháp chiếu xạ điện tử trong dải vi sóng 0,3 – 300 GHz tương ứng bước sóng 1nm đến 1m cũng được sử dụng [8], ngoài ra một số phương pháp hóa học khác như phương pháp bổ sung axit ascorbic trong quá trình tổng hợp oxit đồng, từ đó tạo nên hạt nano tương ứng; phương pháp bổ sung các chất khử mạnh làm tan rã micells ion đồng trở thành dạng nano. Bên cạng đó, các phương pháp sinh học cũng được nghiên cứu và sử dụng ngày càng nhiều như phương pháp tổng hợp từ thực vật hay hệ thống điện sinh học, hệ thống phổ biến trong BES là pin nhiên liệu vi sinh vật (microbial fuel cells – MFC). Đồng được sử dụng là chất kháng khuẩn trong nhiều thập kỉ nay, nó thể hiện đặc tính kháng khuẩn mạnh mẽ và có thể tiêu diệt tới 99.9% vi khuẩn. Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kì (EPA) đã chấp thuận việc sử dụng đồng là chất kháng khuẩn có liên quan tới một số loại bệnh nhiễm khuẩn chết người [8]. Hạt đồng nano được biết đến có hoạt tính kháng khuẩn trong dải rộng chống lại nhiều dòng vi khuẩn gram âm và gram dương. Các hạt oxit đồng hoạt động như chất kháng khuẩn tiềm năng chống lại các vi sinh vật truyền bệnh như E.coli, Bacillus subtilis, Vibria cholera, Pseudomonas aeruginosa, Syphillis typhus và Staphylococcus aureus…[9]. Các hạt nano đồng giải phóng liên tục các ion đồng, chính các ion này tác động trực tiếp nên tế bào vi khuẩn theo cơ chế đặc thù. Hoạt động kháng khuẩn của nano đồng là do xu hướng của nó thay thế giữa dạng Cu(I) và dạng Cu(II). Cu tạo nên các gốc hydroxyl liên kết với các phân 9 tử ADN và tạo thành sự mất trật tự của cấu trúc xoắn ốc nhờ các liên kết ngang trong và giữa các axit nucleic. Các hạt nano đồng cũng làm hỏng các protein quan trọng nhờ liên kết với nhóm cacboxyl và amino sulfuahydryl của các axit amin, điều này làm cho protein tạo enzyme không hiệu quả. Nó cũng gây cho các protein bề mặt tế bào không hoạt động, các protein này cần thiết cho việc chuyển các vật chất qua màng tế bào, do đó ảnh hưởng lên sự bền vững của màng tế bào và các lipid màng tế bảo. Các ion đồng bên trong tế bào vi khuẩn cũng ảnh hưởng đến các quá trình sinh học. Dựa trên tất cả lí do trên, có thể thấy nano đồng ảnh hưởng lên protein và các enzyme trong vi khuẩn và tạo cho nano đồng đặc tính kháng khuẩn [7]. Nano đồng có khả năng diệt hầu hết các loại nấm bệnh gây hại cây trồng, nó được xem như một loại thuốc BVTV đặc trị nấm theo cách an toàn nhất, không độc hại, không gây tồn dư các chất độc hại trên nông sản và trong tương lai gần nano đồng có thể thay thế các loại thuốc BVTV hóa học độc hại. Thực tế cho thấy nano đồng có thể phòng và đặc trị bệnh nấm hồng trên cây cao su (do nấm Corticium salmonocolor). Yoon và các đồng nghiệp đã thể hiện ảnh hưởng kháng khuẩn của nano bạc và đồng trên E.coli trong đó Cu nano thể hiện hoạt tính kháng khuẩn cao hơn nếu so với bạc nano. Đồng nano tổng hợp từ phương pháp khử hóa học ion Cu 2+ khi có mặt cetyl ammonium bromide và isopropyl alcohol. Theo nghiên cứu thực nghiệm, nano đồng ở kích thước hạt 3-10 nm có tính kháng nấm chống lại các nấm gây bệnh trên cây trồng như: nấm Fusarium oxysporum (nấm gây bệnh vàng lá thối rễ, lở cổ rễ, bệnh héo vàng, héo rũ, bệnh xì gôm chảy nhựa mủ thân gốc...); nấm Alternaria alternate (bệnh đốm lá, đốm vòng); nấm Curvularia lunata và Phoma… Đồng nano tổng hợp từ phương pháp polyol nhờ khử đồng acetate ngậm nước khi có mặt tween 80 đã thể hiện tính kháng khuẩn chống lại vi khuẩn 10 Micrococcus luteus, Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Pseudomonas aeruginosa và trên các chủng nấm như Aspergillus flavus, Aspergillus niger và Candida albicans. Xu hướng các hạt nano xâm nhập qua thành tế bào và tương tác với các cấu trúc nội bào nhờ kích thước hạt nhỏ và độ hoạt động bề mặt lớn, cũng có thể có những độc tính sinh học, độc tính di truyền cũng như ảnh hưởng đến quá trình phân bào. Mặc dù các nghiên cứu về độc tính của các hạt nano vẫn đang tiếp tục, các nghiên cứu này vẫn còn giới hạn trong các thực vật bậc cao. Một số nghiên cứu về độc tính của hạt nano đồng đã có nhưng rất ít. Độc tính của đồng nano phụ thuộc vào sự kết hợp của một số điều kiện như nồng độ hạt nano, pH, nhiệt độ, khí và nồng độ vi khuẩn. Nhiệt độ, khí càng cao, pH thấp sẽ giảm sự kết tụ và tạo ra diện tích bề mặt lớn hơn cho các tương tác với các màng vi khuẩn dẫn tới sự tan của các ion đồng và dẫn tới độc tính cho vi khuẩn. 1.1.3. Ô nhiễm Đồng và ảnh hưởng đối với con người, động vật Hiện nay, Việt nam trong quá trình công nghiệp hóa với các ngành công nghiệp nặng phát triển như gang thép, điện – điện tử, dầu khí,… Kim loại nặng là những kim loại có phân tử lượng lớn hơn 52(g) bao gồm một số loại như As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, ….chúng có nguồn gốc từ các nguồn nước thải trong công nghiệp, nông nghiệp cũng như trong tự nhiên đồng có nguồn gốc từ chất thải công nghiệp, trong chất thải khi khai thác quặng. Đồng trong mạ kim loại nước thải của sản phẩm gốc crôm hay chì trong công nghiệp than, dầu mỏ hay trong chất thải công nghiệp khai thác khoáng sản, thuốc trừ sâu, chúng đều có những tác hại nhất định như, Cu có thể gây ra huyết áp cao, đau thận phá huỷ các mô và tế bào máu, chúng rất độc ảnh hưởng tới thận và thần kinh [10]. Các kim loại này khi thải vào nước làm cho nước bị nhiễm bẩn mất đi một số tính chất hoá lý đặc biệt cũng như những tính chất và thành phần thay đổi làm ảnh hưởng xấu 11 đến môi trường sinh thái và sức khoẻ con người, việc nhận biết nước bị ô nhiễm có thể căn cứ vào trạng thái hoá học, vật lý, hoá lý, sinh học của nước [11]. Hình 1.1. Xả thải ô nhiễm ra môi trường nước Kết quả một số nghiên cứu cho thấy tình trạng ô nhiễm kim loại đồng trong nước, rau và thuỷ hải sản ở một số khu vực của nước ta, phát hiện Cu và Pb là chất ô nhiễm chính trong trầm tích bề mặt, lưu vực sông Hồng trong khi As, Cr và Hg cao hơn giới hạn cho phép ở đồng bằng sông Cửu Long. Ngoài ra phát hiện kim loại nặng (As, Cd, Cu, Pb) trong mô sò ở ven bờ Cần Giờ [9]. Với bờ biển dài 3200 km và 28 tỉnh, thành phố biển, ven biển, môi trường biển có vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế xã hội của Việt Nam. Ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là ô nhiễm đồng ở các làng nghề đúc đồng, tái chế đồng hay từ các nguồn khác trong nước không chỉ trực tiếp do nước thải mà còn do các đường ống dẫn nước và cáp ngầm do đã quá cũ nên có khả năng bị ăn mòn gây ra ô nhiễm Cu, Pb, Cd…vào môi trường nước. Đồng nằm trong chất thải dạng rắn cũng gây ra ô nhiễm nguồn nước do sự lắng rơi xuống mặt nước sông, hồ hoặc xuống đất rồi bị các cơn mưa làm thấm vào tầng nước ngầm. Ion kim loại nặng này dễ kết hợp với nước tạo ra các hidroxit, khả năng hòa tan của các hidroxit kim loại phụ thuộc vào pH của nước. Do đó, mức độ ô nhiễm kim loại 12 nặng của nước phụ thuộc nhiều vào điều kiện pH. Trong lớp đáy của các dòng sông, do các quá trình sinh học thực vật bị phân hủy và tạo ra mùn, mùn (các hợp chất humic) có ảnh hưởng lớn đến tính chất của nước như tính bazo, tính hấp phụ, tạo phức…Đồng có khả năng tạo phức với các chất hữu cơ có trong mùn, do đó mùn là yếu tố chính mang kim loại nặng trong nước. Theo đánh giá của Bộ Tài nguyên và Môi trường, đất bị ô nhiễm gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người thông qua tiếp xúc trực tiếp với đất hoặc qua đường hô hấp do sự bốc hơi của chất gây ô nhiễm đất; thông qua sự xâm nhập của ô nhiễm đất vào tầng nước ngầm. Ô nhiễm kim loại trong đất ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là trẻ em. Asen là chất gây ung thư da, ung thư bàng quang, ung thư phổi; chì gây tác hại đến hệ thần kinh (đặc biệt là trẻ em), gây chậm phát triển trí tuệ, chậm phát triển thể chất. Đặc biệt, tại một số làng nghề tái chế kim loại, mức độ phơi nhiễm của cộng đồng đã đến mức báo động. Các bãi tro xỉ thô của các nhà máy nhiệt điện hay các bãi thải sau khai thác của khu vực khai thác khoáng sản chứa một loạt kim loại nặng có hại như asen, chì, kẽm, nikel, đồng, mangan, cadmi, crom và selen. Đây là những nguồn gây ô nhiễm đất và là nguyên nhân của một loạt các bệnh có liên quan. Đồng đe dọa rất lớn đến sức khỏe của con người bởi vì những nguyên tố này không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hóa, mà âm thầm tích lũy trong cơ thể và phát tác bệnh lúc nào không biết, có thể kể đến những biến chứng nặng nề như tổn thương não, co rút các bó cơ, ảnh hưởng đến quá trình phân chia ADN, dẫn đến thai chết, sự biến dạng, quái thai của các thế hệ sau [12]. Mọi hợp chất của đồng là những chất độc. Đồng kim loại ở dạng bột là một chất dễ cháy, chỉ cần 30g sulfat đồng có khả năng gây chết người. Đồng nằm trong các enzym xitochromoxidaza, polyphenoloxidaza (tirozinaza), laccaza, cần cho sự phát triển bình thường của xương. Thiếu đồng sẽ sinh chứng 13 xốp xương, còi xương, tứ chi có thể biến dạng, tính đàn hồi của thành mạch kém đi. Nhưng khi nồng độ đồng trong máu rất cao thì nguy cơ tử vong do bất cứ nguyên nhân nào sẽ tăng lên 50% và do ung thư là 40% khi so sánh với những người có nồng độ Cu trong máu ở mức bình thường. Theo đó, nếu đồng trong nước với nồng độ lớn hơn 1 mg/lít có thể tạo vết bẩn trên quần áo hay các đồ vật được giặt giũ trong nước đó [13–14]. Cơ thể tích lũy hàm lượng lớn kim loại đồng sẽ dẫn đến nhiều biến chứng nặng nề, gây tổn thương não, co rút các bó cơ, ion đồng tiếp xúc với màng tế bào ảnh hưởng đến quá trình phần chia DNA, dẫn đến thai chết, dị dạng, quái thai của các thế hệ sau. Một số kim loại nặng còn có thể ra các căn bệnh ung thư như: ung thư da, ung thư vòm họng, ung thư dạ dày. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) coi đồng và các kim loại nặng là tác nhân gây ung thư lớn ở người. Nước nhiễm kim loại gây cản trở quá trình trao đổi chất trong cơ thể, việc hấp thụ chất dinh dưỡng và quá trình bài tiết cũng trở nên khó khăn hơn. Kìm hãm sự sinh trưởng và phát triển, làm rối loạn tiêu hóa, rối loạn tim mạch, rối loạn chức năng hệ thống thần kinh… Chính vì vậy, cần có những biện pháp cụ thể, hợp lý để xử lý ô nhiễm Đồng trong nước nói riêng và kim loại nặng nói chung. Trong nghiên cứu này, các nghiên cứu được tiến hành trên môi trường ô nhiễm đồng nhân tạo bằng cách sử dụng dung dịch CuCl 2 5mM được pha trong nước cất. Dung dịch nhân tạo CuCl 2 sẽ được sử dụng để tiến hành tổng hợp đồng dưới dạng nano bằng hệ thống điện sinh học không mạch ngoài, và sản phẩm tạo ra sẽ được dùng để thử nghiệm hoạt tính kháng các vi khuẩn gây bệnh cho cây trồng.