Nghiên Cứu Xử Lý Vi Sinh Vật Có Mặt Trong Không Khí Chuồng Trại Bằng Xúc Tác Quang Hóa TIO2

Vi sinh vật thường kết hợp với bụi vàcác khí độc gây ra các bệnh hô hấp mãn tính, do tiếp xúc trong một thời giandài, kết mạc, cổ họng và mũi bị ngứa, ho, mắt đỏ, nổi mày đay, hen suyễn

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG

Người thực hiện : ĐỖ THỊ NGA

Giáo viên hướng dẫn : ThS HOÀNG HIỆP

ThS VŨ THỊ XUÂN HƯƠNG

HÀ NỘI - 2016

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG

Người thực hiện : ĐỖ THỊ NGA

Giáo viên hướng dẫn : ThS HOÀNG HIỆP

ThS VŨ THỊ XUÂN HƯƠNG Địa điểm thực tập : PHÒNG THÍ NGHIỆM, BỘ MÔN

HÓA, KHOA MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2016

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn làm cùng tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu này.

Trong quá trình thực hiện đề tài này, do điều kiện về thời gian và trình

độ nghiên cứu của bản thân còn hạn chế nên khi thực hiện đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy tôi rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn để khóa luận tốt nghiệp này được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 16 tháng 05 năm 2016 (Sinh viên ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục bảng iv

Danh mục hình v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Một số đặc điểm về nấm mốc 3

1.1.1 Hình dạng, kích thước và cấu tạo của nấm mốc 3

1.1.2 Tác hại của nấm mốc 7

1.2 Nấm mốc Penicillium 8

1.2.1 Phân loại: 8

1.2.2 Đặc điểm hình thái của nấm 9

1.2.3 Đặc điểm sinh hóa, sinh lý của nấm 9

1.2.4 Ứng dụng và tác hại 10

1.3 Nấm mốc trong không khí chuồng nuôi 11

1.4 Một số phương pháp xử lý nấm mốc 13

1.5 Đặc điểm chất xúc tác TiO2 13

1.5.1 Đặc điểm cấu trúc của vật liệu TiO2 13

1.5.2 Đặc tính quang xúc tác của nano TiO2 16

1.5.3 Tính chất quang của vật liệu TiO2 17

1.5.4 Cơ chế phân hủy các chất ô nhiễm của xúc tác quang TiO2 18

1.5.5 Ứng dụng của xúc tác TiO2 20

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Đối tượng nghiên cứu 23

2.2 Phạm vi nghiên cứu 23

2.3 Nội dung nghiên cứu 23

2.4 Phương pháp nghiên cứu 23

2.4.1 Vật liệu, hóa chất 23

2.4.2 Dụng cụ và thiết bị 24

2.4.3 Phương pháp nghiên cứu 24

2.4.4 Phương pháp tính toán, phân tích, đánh giá và tổng hợp số liệu 29

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 30

3.1 Nuôi cấy và thuần chủng mẫu nấm 30

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nguồn sáng đến hiệu quả xử lý nấm penicillium 32

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng đến hiệu quả xử lý nấm mốc penicillium 35

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng đến xử lý nấm mốc penicillium 38

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

PHỤ LỤC 47

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Số lượng vi sinh vật trong không khí chuồng nuôi (Hartung, 1994)

12Bảng 1.2 Các đặc tính cấu trúc các dạng thù hình của TiO2 14Bảng 1.3 Các đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình của TiO2 17Bảng 2.1 Thành phần mẫu xử lý khảo sát ảnh hưởng của nguồn sáng

đến xử lý nấm mốc 26Bảng 2.2 Thành phần mẫu xử lý khảo sát ảnh hưởng của thời gian

chiếu sáng đến hiệu quả xử lý nấm mốc 27Bảng 2.3 Thành phần mẫu xử lý khảo sát ảnh hưởng của cường độ

chiếu sáng đến xử lý nấm mốc 28Bảng 3.1 Số tế bào (TB) khuẩn lạc nấm mốc Penicillium mọc lên sau

48h nuôi cấy ở nồng độ pha loãng 10-6 31Bảng 3.2 Kết quả xử lý nấm mốc bằng nguồn sáng khác nhau 32Bảng 3.3 Số bào tử nấm trung bình khi xử lý bằng xúc tác quang ở

các nguồn sáng khác nhau 33Bảng 3.4 Hiệu xuất xử lý nấm mốc từ nguồn sáng khác nhau 33Bảng 3.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng đến

khả năng xử lý nấm mốc 36Bảng 3.6 Số bào tử nấm trung bình khi xử lý bằng xúc tác quang ở

các khoảng thời gian khác nhau 37Bảng 3.7 Hiệu xuất xử lý nấm ở khoảng thời gian khác nhau 38Bảng 3.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng đến

khả năng xử lý nấm mốc 39Bảng 3.9 Số bào tử nấm trung bình khi xử lý bằng xúc tác quang ở

các cường độ khác nhau 40Bảng 3.10 Hiệu xuất xử lý nấm ở cường độ khác nhau 41

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sợi nấm 3

Hình 1.2 Khuẩn lạc nấm 3

Hình 1.3 Cấu trúc tế bào nấm 4

Hình 1.4 Hình ảnh cho nấm mốc Penicillium 8

Hình 1.5 Nấm mốc Penicillium dung trong sản xuất phomat xanh 10

Hình 1.6 Thuốc kháng sinh Penicillin của người 10

Hình 1.7 Nấm gây hại cho thực vật 11

Hình 1.8 Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2: rutile, (B) anatase, (C) brookite 14

Hình 1.9: Cơ chế xúc tác quang của chất bán dẫn 20

Hình 2.1: Xử lý nấm mốc bằng đèn sợi tóc có cường độ 60W 26

Hình 3.1 Mẫu nấm trong không khí chuồng nuôi tại trại lợn Đào Nguyên 30 Hình 3.2 Hình ảnh mẫu nấm trước xử lý 31

Hình 3.3 Biều đồ thể hiển hiệu xuất xử lý nấm mốc bằng các nguồn sáng khác nhau 34

Hình 3.4 Biểu đồ thể hiện hiệu xuất xử lý nấm mốc ở cường độ khác nhau 41

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, ô nhiễm môi trường là một trong những mối quan tâmhàng đầu của nhân loại Ô nhiễm môi trường không còn là vấn đề của mộtquốc gia hay một khu vực mà đã trở thành vấn đề toàn cầu Việt Nam vớikhoảng 73% dân số sống ở vùng nông thôn, phát triển kinh tế nông nghiệp

và nông thôn là một trong những mục tiêu được Đảng và Nhà nước hết sứcchú trọng, trong đó có phát triển kinh tế hộ gia đình thông qua các hoạtđộng phát triển chăn nuôi Những năm qua, chăn nuôi có sự tăng trưởngnhanh cả về quy mô và giá trị

Bên cạnh lợi ích kinh tế mang lại, thì chăn nuôi cũng đang nảy sinh rấtnhiều vấn đề về chất lượng môi trường, đe dọa sức khỏe của cộng đồng dân

cư địa phương và ảnh hưởng đến toàn bộ hệ sinh thái tự nhiên Theo số liệucủa Tổng cục thống kê, năm 2014 đàn lợn nước ta có khoảng 26,76 triệu con,đàn trâu bò khoảng 7,75 triệu con, đàn gia cầm khoảng 327,69 triệu con.Trong đó chăn nuôi nông hộ hiện tại vẫn chiếm tỷ trọng khoảng 65-70% về sốlượng và sản lượng Từ số đầu gia súc, gia cầm đó có thể quy đổi được lượng

chất thải rắn (phân chất độn chuồng, các loại thức ăn thừa hoặc rơi vãi) đàn

gia súc, gia cầm thải ra khoảng trên 76 triệu tấn, và khoảng trên 35 triệu khối

chất thải lỏng (nước tiểu, nước rửa chuồng, nước từ sân chơi, bãi vận động,

bãi chăn) và hàng trăm triệu tấn chất thải khí Phân của vật nuôi chứa nhiều

chất chứa nitơ, phốt pho, kẽm, đồng, chì, Asen, Niken (kim loại nặng)… và

các vi sinh vật gây hại khác… không những gây ô nhiễm không khí mà cònlàm ô nhiễm đất, nước mặt, nước ngầm

Trong môi trường không khí chuồng nuôi, số lượng vi sinh vật có thểbiến thiên từ 100 đến vài nghìn trên một lít không khí Trên 80% vi sinh vật

Ngoài ra, có 1% là nấm mốc và nấm men, 0,5% là coliform (có tài liệu chorằng tỉ lệ này có thể lên đến 10 – 15%) Vi sinh vật thường kết hợp với bụi vàcác khí độc gây ra các bệnh hô hấp mãn tính, do tiếp xúc trong một thời giandài, kết mạc, cổ họng và mũi bị ngứa, ho, mắt đỏ, nổi mày đay, hen suyễn dịứng, phát ban hoặc đau dạ dày – ruột Do vậy vấn đề ô nhiễm không khíchuồng nuôi đang được cảnh báo và cần thiết phải xử lý.

Phương pháp xúc tác quang hóa TiO2 được đánh giá là chất xúc tácquang hóa thân thiện với môi trường và hiệu quả, nó được sử dụng rộng rãicho quá trình quang phân hủy các chất ô nhiễm khác nhau

Xuất phát từ những thực tiễn trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:

“Nghiên cứu xử lý vi sinh vật có mặt trong không khí chuồng trại bằng xúc

quang hóa trong môi trường không khí

Mục tiêu nghiên cứu

- Xử lý vi sinh vật trong không khí chuồng trại bằng xúc tác quang hóaTiO2

- Khảo nghiệm khả năng xử lý vi sinh vật chuồng trại bằng xúc tácTiO2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

(Hình 1.1) Các sợi nấm có thể phân nhánh và các nhánh có thể lại phân

nhánh liên tiếp tạo thành hệ sợi nấm (mycelium) khí sinh xù xì như bông.Trên môi trường đặc và trên một số cơ chất trong tự nhiên, bào tử nấm, tế bàonấm hoặc một đoạn sợi nấm có thể phát triển thành một hệ sợi nấm có hình

dạng nhất định gọi là khuẩn lạc nấm (Hình 1.2).

Hình 1.1 Sợi nấm Hình 1.2: Khuẩn lạc nấm

* Cấu tạo

Tế bào nấm có cấu trúc tương tự như những tế bào vi sinh vật chân

hạch khác được mô tả và trình bày như ở Hình 1.3

Hình 1.3: Cấu trúc tế bào nấm

Vách tế bào nấm cấu tạo bởi vi sợi chitin và có hoặc không có celluloz.Chitin là thành phần chính của vách tế bào ở hầu hết các loài nấm trừ nhómOomycetina Những vi sợi chitin được hình thành nhờ vào enzim chitin syntaz

Tế bào chất của tế bào nấm chứa mạng nội mạc (endoplasmic reticulum),không bào (vacuoles), ty thể (mitochondria) và hạt dự trữ (glycogen và lipid),đặc biệt cấu trúc ty thể ở tế bào nấm tương tự như cấu trúc ty thể ở tế bào thựcvật Ngoài ra, tế bào nấm còn có ribô thể (ribosomes) và những thể khác chưa

rõ chức năng

Tế bào nấm không có diệp lục tố, một vài loài nấm có rải rác trong tế bàomột loại sắc tố đặc trưng mà Matsueda và ctv (1978) đầu tiên ly trích được vàgọi là neocercosporin (C29H26O10) có màu tím đỏ ở nấm Cercosporina kikuchi.

Tế bào nấm không nhất thiết có một nhân mà thường có nhiều nhân.Nhân của tế bào nấm có hình cầu hay bầu dục với màng đôi phospholipid vàprotein dầy 0,02 μm, bên trong màng nhân chứa ARN và ADN.m, bên trong màng nhân chứa ARN và ADN

* Dinh dưỡng và tăng trưởng của nấm mốc

Hầu hết các loài nấm mốc không cần ánh sáng trong quá trình sinhtrưởng Tuy nhiên, có một số loài lại cần ánh sáng trong quá trình tạo bào tử(Buller, 1950) Nhiệt độ tối thiểu cần cho sự phát triển là từ 2oC đến 5oC, tốihảo từ 22oC đến 27oC và nhiệt độ tối đa mà chúng có thể chịu đựng được là

35oC đến 40oC, cá biệt có một số ít loài có thể sống sót ở OoC và ở 60oC Nóichung, nấm mốc có thể phát triển tốt ở môi trường acit (pH=6) nhưng pH tốihảo là 5 – 6,5, một số loài phát triển tốt ở pH < 3 và một số ít phát triển ở pH

> 9 (Ingold, 1967)

Oxi cũng cần cho sự phát triển của nấm mốc vì chúng là nhóm hiếu khíbắt buộc và sự phát triển sẽ ngưng khi không có oxi và dĩ nhiên nước là yếu tốcần thiết cho sự phát triển

Theo Alexopoulos và Minns (1979) cho biết nấm mốc có thể phát triểnliên tục trong 400 năm hay hơn nếu các điều kiện môi trường đều thích hợpcho sự phát triển của chúng

Nấm mốc không có diệp lục tố nên chúng cần được cung cấp dinhdưỡng từ bên ngoài (nhóm dị dưỡng), một số sống sót và phát triển nhờ khả

năng ký sinh (sống ký sinh trong cơ thể động vật hay thực vật) hay hoại

sinh (saprophytes) trên xác bã hữu cơ, cũng có nhóm nấm rễ hay địa ysống cộng sinh với nhóm thực vật nhất định

Theo Alexopoulos và Mims (1979) cho biết nguồn dưỡng chất cần thiếtcho nấm được xếp theo thứ tự sau: C, O, H, N P, K, Mg, S, B, Mn, Cu, Zn,

Fe, Mo và Ca Các nguyên tố này hiện diện trong các nguồn thức ăn vô cơđơn giản như glucoz, muối ammonium sẽ được nấm hấp thu dễ dàng, nếu từnguồn thức ăn hữu cơ phức tạp nấm sẽ sản sinh và tiết ra bên ngoài các loạienzim thích hợp để cắt các đại phân tử này thành những phân tử nhỏ để dểhấp thu vào trong tế bào

* Sinh sản ở nấm mốc

- Sinh sản vô tính:

The Alexopoulos và Mims (1979), nấm mốc sinh sản vô tính thể hiệnqua 2 dạng: sinh sản dinh dưỡng bằng đoạn sợi nấm phát triển dài ra hoặcphân nhánh và sinh sản bằng các loại bào tử

Một số loài nấm có những bào tử đặc trưng như sau:

Bào tử túi (bào tử bọc) (sporangiospores): các bào tử động (zoospores)

có ở nấm Saprolegnia và bào tử túi (sporangiopores) có ở nấm Murco,

Rhizopus chưa trong túi bào tử động (zoosporangium) và túi bào tử

(sporangium) được mang bởi cuống túi bào tử (sporangiophores)

Bào tử đính (conidium): các bào tử đính không có túi bao bọc ở giống

nấm Aspergillus, Penicillium, Hình dạng, kích thước, màu sắc, trang trí và

cách sắp xếp của bào tử đính thay đổi từ giống này sang giống khác và đượcdùng làm tiêu chuẩn để phân loại nấm

Cuống bào tử đính có thể dạng không phân nhánh (aspegillus) hoặc dạng thẻ phân nhánh (Penicillium).

Ở giống Microsporum và Fusarium, có hai loại bào tử đính: loại nhỏ,

đồng nhất gọi là tiểu bào tử đính (microconidia); loại lớn, đa dạng gọi là đạibào tử đính (macroconidia)

Bào tử tản (Thallospores): trong nhiều loài nấm men và nấm mốc cóhình thức sinh sản đặc biệt gọi là bào tử tản Bào tử tản có thể có nhữngloại sau:

+) Chồi hình thành từ tế bào nấm men: Cryptococcus và Candida là

những loại bào tử tản đơn giản nhất, gọi là bào tử chồi (blastospores)

+) Giống Ustilago có những sợi nấm có xuất hiện tế bào có vách dầy

gọi là bào tử vách dầy còn gọi là bào tử áo (chlamydospores)

- Sinh sản hữu tính:

Sinh sản hữu tính xảy ra khi có sự kết hợp giữa hai giao tử đực và cái(gametes) có trải qua giai đoạn giảm phân Quá trình sinh sản hữu tính trảiqua 3 giai đoạn:

Tiếp hợp tế bào chất (plasmogamy) với sự hòa hợp 2 tế bào trần(protoplast) của 2 giao tử

Tiếp hợp nhân (karyogamy) với sự hòa hợp 2 nhân của 2 tế bào giao tử

để tạo một nhân nhị bội (diploid)

Giảm phân (meiosis) giai đoạn này hình thành 4 bào tử đơn bội(haploid) qua sự giảm phân từ 2n NST (nhị bội) thành n NST (đơn bội)

1.1.2 Tác hại của nấm mốc

Đến nay có hơn 10.000 loài nấm được biết đến, đa số trong chúng đều

có lợi cho con người như trong việc sản xuất bánh mỳ, pho mát, kháng sinh,men Nhưng có khoảng 50 loài nấm mốc có mặt trong thức ăn và nguyên liệulàm thức ăn (ngũ cốc) gây hại cho vật nuôi và con người vì chúng sản sinh rađộc tố, người ta thường gọi tên chúng là độc tố nấm mốc (mycotoxin)

Tác hại của nấm mốc đầu tiên là dễ gây ra dị ứng, viêm đường hô hấplàm cho chúng ta nhức đầu, mệt mỏi và chóng mặt Đó là do nấm mốc hìnhthành ra hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOCs, khi nó phát tán ra không khí gâymùi khó chịu mà ta rất dễ hít phải

Tác hại của nấm mốc là rất nhiều loại nấm mốc sinh ra những loại độc

tố như Cladosporium, Penicilium, Mucor, Fusarium… dù nó để nấm mốcchống lại các vi khuẩn khác nhưng lại vô hình chung gây ra các bệnh vềđường hô hấp cho con người

Tác hại của nấm mốc là gây hen suyễn, đặc biệt là ở trẻ sơ sinh và trẻnhỏ,những người có tiền sử mắc các bệnh về đường hô hấp,dị ứng và đặc biệt

là bệnh hen suyễn

Tác hại của nấm mốc thứ là gây hỏng hóc các thiết bị đồ dùng, thuốcmen đặc biệt là ở các bệnh viện, nhà kho Gây hư mốc các nguyên vật liệunhư lương thực, thực phẩm…

Nấm mốc còn gây hại cho thực vật, làm hư hỏng rau quả (thối rau, quả) Việc tăng cường kiến thức, hiểu biết về nấm mốc, độc tố nấm và nhữngtác hại của chúng để có những biện pháp hữu hiệu trong việc phòng chống bệnhtật, bảo vệ và nâng cao sức khỏe cho vật nuôi và con người là cần thiết

1.2.2 Đặc điểm hình thái của nấm

Sợi nấm có vách ngăn, phân nhánh, không màu hoặc màu nhạt đôi khimàu sẫm

Khuẩn lạc màu vàng lục, lục, xám hoặc trắng đôi khi có màu vàng, đỏtím Mặt trái khuẩn lạc không màu hoặc có màu sắc khác nhau Môi trườngthạch nuôi cấy không màu hoặc có màu do sắc tố hòa tan tương ứng Khuẩnlạc có hoặc không có vết khứa xuyên tâm hay đồng tâm

Sinh sản vô tính bằng bào tử trần với cấu tạo như sau:

Bộ máy mang bào tử trần (hay còn gọi là chồi – penicillius) hoặc chỉgồm một giá BTT với một vòng thể bình ở đỉnh giá (cấu tạo một vòng), hoặcgồm giá BTT với hai đến nhiều cuống thể bình ở phần ngọn giá, trên đỉnh củamỗi cuống thể bình đó có các thể bình (cấu tạo hai vòng)

Trường hợp các giá BTT mang một hoặc nhiều nhánh ở phần ngọn giá,sau đó các nhánh mang các cuống thể bình và các cuống thể bình mang cácthể bình cũng được coi là cấu tạo hai vòng

Khi các cuống thể bình xếp đều đặn và sát nhau trên ngọn giá được gọi

là cấu tạo hai vòng đối xứng Còn các cuống xếp không đều đặn hoặc cónhánh được gọi là cấu tạo hai vòng không đối xứng

Ngoài ra còn có một số loài sinh sản hữu tính: Penicillium vermiculatum,Penicillium stipitatum

1.2.3 Đặc điểm sinh hóa, sinh lý của nấm.

Nấm mốc sống di dưỡng và hấp thu hay hoại sinh Nấm mốc ký sinhsống trong cơ thể sinh vật sống, sử dụng nội dung của tế bào hay mô của kýchủ Thường chúng gây bệnh cho thực vật và cả động vật

Nấm mốc sống trong khoảng nhiệt độ từ 5 - 40 Oxi cũng cần cho

sự phát triển của nấm mốc vì là sinh vật hiếu bắt buộc Nấm mốc không códiệp lục nên nó cần cung cấp dinh dưỡng từ bên ngoài (nhóm dị dưỡng), một

số sống sót và phát triển nhờ kí sinh vật chủ

1.2.4 Ứng dụng và tác hại

Ứng dụng: Làm phomat (Penicillium Roqueforti), sản xuất thuốc

kháng sinh penicillin (Penicillium notatum), làm thuốc chống nấm(Penicillium Griseofulvum)

Hình 1.5: Nấm mốc Penicillium

dung trong sản xuất phomat xanh

Hình 1.6: Thuốc kháng sinh Penicillin của người.

Tác hại:

Gây bệnh cho thực vật (bệnh mốc xanh trên cây ăn quả có múi, hạtngô), gây bệnh nhiễm trùng toàn thân trên người bệnh HIV/AIDS(Penicillium marnefei) gây ra lở loét, các nốt sần, sốt, sụt cân, ho,

Một số loài gây bệnh cho động vật như P.corylophylum, P.fellutanum,P.implicatum… là tác nhân gây bệnh tiềm năng của muỗi Gây giảm miễndịch, gan, thận bị tổn thương, giảm sức sản xuất, sinh con bị quái thai, thầnkinh…

Gây hen suyễn, đặc biệt là ở trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ, những người có tiền

sử mắc các bệnh về đường hô hấp, dị ứng và đặc biệt là bệnh hen suyễn Gây

dị ứng, viêm tai, mũi, họng, đau đầu, đau khớp, ảnh hưởng đến hệ thần kinhtrung ương

Gây hỏng hóc các dụng cụ thiết bị trong nhà

Hình 1.7: Nấm gây hại cho thực vật 1.3 Nấm mốc trong không khí chuồng nuôi

Vi sinh vật trong không khí chuồng nuôi chủ yếu có nguồn gốc từ cơthể hay các chất tiết từ vật nuôi, chất thải, thức ăn, và chất lót chuồng Sốlượng vi sinh vật trong không khí chuồng nuôi có thể biến thiên từ 100 đếnvài ngàn trong 1 lít lhông khí Trên 80% vi sinh vật trong không khí chuồngnuôi là các cầu khuẩn staphylococci và streptococci Chúng có nguồn gốc từđường hô hấp trên và da Ngoài ra, có khoảng 1% là nấm mốc và nấm men,0,5% là coliforms có nguồn gốc từ phân (một số tài liệu khác cho rằng tỷ lệnày có thể lên đến 10-15%) (Hartung, 1994) Trên thực tế, để đánh giá về mặt

vi sinh vật học của không khí chuồng nuôi, người ta thường khảo sát số lượngkhuẩn lạc (CFUs - colony-forming units) có trong 1 lít không khí Số liệu nàythay đổi theo loài vật nuôi và thiết kế của hệ thống chuồng trại

Số lượng vi sinh vật trong không khí chuồng gà cao nhất, và trongkhông khí chuồng nuôi trâu bò là thấp nhất (Muller và Wieser, 1987) Sốlượng vi sinh vật trong khí khí chuồng nuôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưmật độ nuôi, tuổi động vật, độ thông thoáng, nhiệt độ, ẩm độ, và hàm lượngbụi Ngoài ra, số liệu còn thay đổi tuỳ theo phương pháp và cách lấy mẫu.Chính vì sự phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là kỹ thuật lấy mẫu, mà chotới nay chưa có một khuyến cáo nào về giới hạn đối với hàm lượng bụi và số

lượng vi sinh vật trong không khí Các vi sinh vật trong không khí có khảnăng chịu được các điều kiện môi trường khác nhau Trong không khí, vi sinhvật có thể tồn tại riêng lẻ hay kết hợp với nhau Bụi có chứa rất nhiều vi sinhvật Các vi khuẩn kết hợp với bụi sẽ bám trên các bề mặt như nền, váchchuồng; trên da, lông, hay niêm mạc động vật Thời gian tồn tại của chúngthay đổi, tuỳ thuộc vào rất lớn vào các tính chất của cơ chất mà chúng bámlên như hàm lượng nước và các thành phần hoá học Thời gian tồn tại của các

vi sinh vật kết hợp với bụi trong không khí thường ngắn hơn các vi sinh vật

đã bám trên các bề mặt Thời gian tồn tại của coliforms thường ngắn hơn cáccầu khuẩn Gram dương

Bảng 1.1: Số lượng vi sinh vật trong không khí chuồng nuôi

vi sinh vật gây bệnh truyền nhiễm, đặc biệt là trong các ổ dịch bệnh Nhiều tàiliệu đã khẳng định không khí là đường truyền lây chủ yếu của nhiều bệnh do

vi khuẩn và virus Vi sinh vật trong không khí có thể làm suy giảm các cơ chếphòng vệ của cơ thể Một khảo sát cho thấy 4,8% gia cầm được mổ khám cótim và gan bị nhiễm các vi khuẩn gây bệnh cơ hội có trong không khí (Muller

và Wieser, 1987)

Nói chung hầu hết các bệnh do bụi và vi sinh vật trong không khí gây

gây ra Tuy nhiên, rõ ràng rằng các bệnh truyền nhiễm do vi khuẩn, virus, haymycoplasma sẽ trở nên trầm trọng hơn do nồng độ cao của bụi hay vi sinh vậttrong không khí (Muller và Wieser, 1987)

1.4 Một số phương pháp xử lý nấm mốc

- Diệt nấm mốc bằng giấm: Đổ giấm vào bình xịt rồi phun lên nhữngnơi bị nấm mốc Dùng bàn chải cứng đánh thật sạch nấm mốc Sau đó để khôrồi làm lại các bước tương tự cho đến khi nấm mốc sạch hẳn

- Dùng nước tẩy: Đổ giấm vào bình xịt rồi phun lên những nơi bị nấmmốc Dùng bàn chải cứng đánh thật sạch nấm mốc Sau đó để khô rồi làm lạicác bước tương tự cho đến khi nấm mốc sạch hẳn

- Phương pháp xúc tác quang hóa TiO2: hiện tượng xử dụng ánh sáng

để kích hoạt các phản ứng hóa học

1.5 Đặc điểm chất xúc tác TiO 2

1.5.1 Đặc điểm cấu trúc của vật liệu TiO 2

TiO2 là chất xúc tác bán dẫn, gần một thế kỷ trở lại đây, bột TiO2 vớikích thước cỡ µm đã được điều chế ở quy mô công nghiệp và được ứng dụngrộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau: làm chất độn trong cao su, nhựa,giấy, sợi vải, làm chất màu cho sơn, men đồ gốm, sứ…

TiO2 tồn tại ở dạng bột, thường có màu trắng tuyết ở điều kiện bìnhthường, khi đun nóng có màu vàng Khối lượng phân tử là 79,87g/mol, khốilượng riêng khoảng 4,13- 4,25g/cm3, nóng chảy ở nhiệt độ cao 1870°C, khôngtan trong nước, không tan trong các axit như axit sunfuric, axit clohidric,…ngay cả khi đun nóng Tuy nhiên, với kích thước nanomet, TiO2 có thể thamgia phản ứng với kiềm mạnh Các dạng hợp chất của Titan đều có tính bán dẫn

TiO2 có bốn dạng thù hình Ngoài dạng vô định hình, nó có ba dạngtinh thể là anatase (tetragonal), rutile (tetragonal) và brookite (orthorhombic)(Hình 1.8)

Hình 1.8: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO 2 :

rutile, (B) anatase, (C) brookite.

Bảng 1.2 Các đặc tính cấu trúc các dạng thù hình của TiO2

Hệ tinh thể Tetragonal Tetragonal OcthorhombicHằng số mạng (Å) a=4.59

c= 2.96

a= 3.78c= 9.52

a= 9.18b= 5.45c= 5.15

Độ dài liên kết Ti- O (Å) 1,95 1,94 1,87~ 2,04

Độ dài liên kết Ti- O- Ti 1,98

81,2o

90o

1,9777,7o

92,6o

77,0o ~105o

Khối lượng riêng (g/cm3) 4,13 3,79 3,99

Rutile là dạng phổ biến nhất của TiO2, có mạng lưới tứ phương trong đómỗi ion Ti4+ được ion O2- bao quanh kiểu bát diện, đây là kiến trúc điển hìnhcủa hợp chất có công thức MX2, anatase và brookite là các dạng giả bền vàchuyển thành rutile khi nung nóng Tất cả các dạng tinh thể đó của TiO2 tồn tại

Cấu trúc mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite đều được xâydựng từ các đa diện phối trí tám mặt (octahedra) TiO6 nối với nhau qua cạnhhoặc qua đỉnh oxi chung Mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi sáuion O2-.

Các mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite khác nhau bởi sựbiến dạng của mỗi hình tám mặt và cách gắn kết giữa các octahedra

Pha rutile và anatase đều có cấu trúc tetragonal lần lượt chứa 6 và 12nguyên tử tương ứng trên một ô đơn vị Trong cả hai cấu trúc, mỗi cation Ti+4

được phối trí với sáu anion O2-; và mỗi anion O2- được phối trí với ba cation

Ti+4 Trong mỗi trường hợp nói trên khối bát diện TiO6 bị biến dạng nhẹ, vớihai liên kết Ti-O lớn hơn một chút so với bốn liên kết còn lại và một vài gócliên kết lệch khỏi 90o Sự biến dạng này thể hiện trong pha anatase rõ hơntrong pha rutile Mặt khác, khoảng cách Ti-Ti trong anatase lớn hơn trongrutile nhưng khoảng cách Ti-O trong anatase lại ngắn hơn so với rutile Điềunày ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử của hai dạng tinh thể, kéo theo sự khácnhau về các tính chất vật lý và hóa học

Sự gắn kết giữa các octahedra của hai pha rutile và anatase được mô tảnhư hình 2.8 Pha rutile có độ xếp chặt cao nhất so với hai pha còn lại, cáckhối bát diện xếp tiếp xúc nhau ở các đỉnh, hai khối bát diện đứng cạnh nhauchia sẻ hai cạnh chung và tạo thành chuỗi, pha rutile có khối lượng riêng 4,2g/cm3 Với pha anatase, các khối bát diện tiếp xúc cạnh với nhau, trục c của

tinh thể kéo dài ra và có khối lượng riêng là 3,9 g/cm3 TiO2 anatase khôngpha tạp là một chất cách điện dị hướng có cấu trúc tetragonal (a=3,78 Å ;c=9.52 Å) có hằng số điện môi tĩnh là 31

Pha brookite có cấu trúc phức tạp, brookite có cấu trúc orthorhombicvới đối xứng 2/m 2/m 2/m và nhóm không gian Pbca Ngoài ra, độ dài củaliên kết Ti-O cũng khác nhiều so với các pha anatase và rutile, cũng như góc

Tất cả các dạng tinh thể đó của TiO2 tồn tại trong tự nhiên như là cáckhoáng, nhưng chỉ có rutile và anatase ở dạng đơn tinh thể là được tổng hợp ởnhiệt độ thấp Hai pha này cũng được sử dụng trong thực tế làm chất màu,chất độn, chất xúc tác Các mẫu TiO2 phân tích trong các nghiên cứu hiệnnay bắt đầu được tổng hợp từ pha anatase và trải qua một chương trình nung

để đạt được pha rutile bền Brookite cũng quan trọng về mặt ứng dụng, tuyvậy bị hạn chế bởi việc điều chế brookite sạch không lẫn rutile hoặc anatase

là điều khó khăn

Chất xúc tác là chất có tác dụng làm tăng năng lượng kích hoạt củaphản ứng hóa học và không bị mất đi sau khi phản ứng Nếu quá trình xúc tácđược kích thích bằng ánh sáng thì được gọi là quang xúc tác Chất có tínhnăng hoạt động mạnh trong các phản ứng hóa học khi được chiếu sáng gọi làchất quang xúc tác, và nano TiO2 là một chất quang xúc tác tiêu biểu

Khi được chiếu sáng, nano TiO2 trở thành một chất oxy hóa khử mạnhnhất trong những chất đã biết gấp 1,5 lần ozon, gấp 2 lần clo – là những chấtthông dụng vẫn được dụng trong xử lý môi trường Điều này tạo cho vật liệunhiều ứng dụng phong phú, đa dạng và quý giá Nano TiO2 có thể phân hủyđược các chất độc hại bền vững như: đioxin, thuốc trừ sâu, benzen, Dưới tácdụng của ánh sáng, nano TiO2 trở nên kỵ nước hay ưu nước tùy thuộc vàocông nghệ chế tạo Khả năng này được ứng dụng để tạo ra các bề mặt tự tẩyrửa không cần hóa chất hay tác động cơ học

Nano TiO2 kháng khuẩn bằng cơ chế phân hủy, tác động vào vi sinh vậtnhư phân hủy một hợp chất hữu cơ Vì vậy, nó tránh được hiện tượng “nhờnthuốc” và là một công cụ hữu hiệu chống lại sự biến đổi gen của vi sinh vậtgây bệnh

Bản thân nano TiO2 không độc hại, sản phẩm của sự phân hủy chất nàycũng rất an toàn.

Những đặc tính này tạo cho nano TiO2 những lợi thế vượt trội về hiệuquả kinh tế và kỹ thuật trong việc làm sạch môi trường nước và không khícũng như các tác nhân ô nhiễm hữu cơ, vô cơ và sinh học

Cấu trúc điện tử của chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong quátrình quang xúc tác Không giống như chất dẫn điện, chất bán dẫn bao gồmvùng dẫn và vùng hóa trị Năng lượng khác biệt giữa hai mức này được gọi lànăng lượng vùng cấm Eg Nếu không có sự kích thích, điện tử lấp đầy vùnghóa trị, còn vùng dẫn trống Khi chất bán dẫn được kích thích bởi các photonvới năng lượng bằng hoặc cao hơn mức năng lượng vùng cấm, các điện tửnhận được năng lượng từ các photon sẽ chuyển dời từ vùng hóa trị lên vùngdẫn Đối với chất bán dẫn TiO2, quá trình được thể hiện như sau: TiO2

+

Như chúng ta đã biết năng lượng vùng cấm của anatase và rutile tươngứng là 3,2 và 3,0 eV tại nhiệt độ phòng Chúng có thể được xác định từnhiều kết quả thực nghiệm khác nhau như đo đặc trưng I/V hay C/V của tiếpgiáp p/n hay tiếp giáp Schottky bán dẫn kim loại hoặc đo phổ hấp thụ, đo độdẫn phụ thuộc nhiệt độ hay quang dẫn của vật liệu Trình quang dẫn do kíchthích vùng và kết quả là năng lượng ngưỡng gần như phù hợp với nănglượng vùng cấm quang học Cấu trúc vùng năng lượng của pha rutile đượcnghiên cứu rộng rãi TiO2 rutile có vùng cấm thẳng (3,0eV) Còn bờ hấp thụcủa tinh thể anatase được xác định là 3,2 eV tại nhiệt độ phòng và mở rộngtới 3,3eV tại 4K

Chiết suất Khối lượng riêng

Biện pháp oxi hóa quang hóa sử dụng huyền phù TiO2 kết hợp chiếuánh sáng tử ngoại, quá trình quang Fenton thường được sử dụng để đảm bảo

sự oxi hóa hoàn toàn thuốc trừ sâu, không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại.Tuy nhiên, các phương pháp oxi hóa quang hóa bằng TiO2 có nhược điểm chỉ

có hoạt tính xúc tác trong trong vùng ánh sáng tử ngoại (UV) nên việc ápdụng trong thực tế khó khăn, ít hiệu quả vì trong ánh sáng mặt trời chỉ có 3 -5% tia UV Hoạt tính quang xúc tác của TiO2 hay tốc độ quá trình tạo gốchydroxyl OH- có được do sự tạo thành của electron quang sinh e- (e- trongvùng dẫn) và lỗ trống quang sinh h+ (h+ trong vùng hóa trị) Electron quangsinh và lỗ trống quang sinh chính là nguyên nhân dẫn đến các quá trình hoáhọc xảy ra, bao gồm quá trình oxi hoá đối với lỗ trống quang sinh và quá trìnhkhử đối với electron quang sinh Tuy nhiên, electron quang sinh e- ở trạng tháikích thích trong vùng dẫn không bền, dễ tái kết hợp với lỗ trống quang sinh h+

trong vùng hóa trị, làm mất hoạt tính quang xúc tác của TiO2 Các electronquang sinh và lỗ trống quang sinh có thể di chuyển ra bề mặt hạt xúc tác và

Các electron quang sinh trên bề mặt chất xúc tác có khả năng khửmạnh Nếu có mặt O2 hấp phụ lên bề mặt xúc tác sẽ xảy ra phản ứng tạo •O2-

(ion supe oxit) trên bề mặt và tiếp sau đó xảy ra phản ứng với H2O như sau:

sự hình thành các gốc •OH và RX+

TiO2(h+) + H2O → •OH + H+ +TiO2

TiO2(h+) + OH- → •OH + TiO2

thỏa mãn yêu cầu trên nên nước đóng vai trò là chất cho và oxy đóng vai trò

là chất nhận để tạo ra các chất mới có tính oxy hóa - khử mạnh (OH• và O2-)

có thể oxy hóa hầu hết các chất hữu cơ bị hút bám lên bề mặt vật liệu

Hình 1.9: Cơ chế xúc tác quang của chất bán dẫn.

1.5.5 Ứng dụng của xúc tác TiO2

a) Ứng dụng làm xúc tác quang xử lý môi trường

TiO2 được đánh giá là chất xúc tác quang hóa thân thiện với môi trường

và hiệu quả nhất, nó được sử dụng rộng rãi nhất cho quá trình quang phân hủycác chất ô nhiễm khác nhau Chất quang xúc tác TiO2 còn có thể được sửdụng để diệt khuẩn, như đã tiến hành tiêu diệt vi khuẩn E.coli Do có khảnăng oxi hóa mạnh nên TiO2 đã được chiếu xạ, thường được dùng để loại bỏcác tế bào u trong quá trình chữa trị ung thư.Bản chất phản ứng quang xúc táccủa chất bán dẫn không phức tạp Nhờ vào sự hấp thụ các photon có nănglượng lớn hơn năng lượng vùng cấm của TiO2 mà các electron bị kích thích từ

VB lên CB, tạo các cặp electron - lỗ trống Các phần tử mang điện tích này sẽ

di chuyển ra bề mặt để thực hiện phản ứng oxi hóa khử, các lỗ trống có thểtham gia trực tiếp vào phản ứng oxi hóa các chất độc hại, hoặc có thể tham