NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘC TÍNH CỦA NANO BẠC ĐỐI VỚI VI KHUẨN LAM MICROCYSTIS AERUGINOSA

Ở Việt Nam, ô nhiễm môi trường nước mà chủ yếu là ô nhiễm chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, kéo theo bùng nổ thực vật nổi, trong đó có tảo độc đangdiễn ra rất phổ biến do tác động của các ho

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG

-& -KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

“ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘC TÍNH

CỦA NANO BẠC ĐỐI VỚI VI KHUẨN LAM

TS DƯƠNG THỊ THỦY

Hà Nội – 2016

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

“ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘC TÍNH

CỦA NANO BẠC ĐỐI VỚI VI KHUẨN LAM

TS DƯƠNG THỊ THỦY

Địađiểm thực tập : Phòng thủy sinh học - Viện CNMT

Viện Hàn Lâm KHCN Việt Nam

Hà Nội – 2016

MỤC LỤC

Ecoli Escherichia Coli

FE SEM Field emission scanning electron microscopyLPS Lypopoly saccharides

M.aeuginosa Microcystis aeuginosa

PEG Polyethylen Glycol

PST Paralytic Shellfish Poisons

PVA Polyvinyl Alcohol

PVP Polyvinyl pyrrolidon

UV-vis Ultraviolet – visible spectroscopy

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Việc gia tăng dân số, phát triển các ngành công nghiệp, nông nghiệp đã

và đang làm gia tăng nguồn dinh dưỡng (chủ yếu là nitơ và phốt pho) đáng kểvào các thủy vực Ô nhiễm dinh dưỡng diễn ra ngày càng nghiêm trọng tại cácthuỷ vực như sông, hồ, đầm nuôi trồng thuỷ sản,… luôn đi kèm với hiệntượng nở hoa nước mà thực chất là sự phát triển mạnh mẽ của quần xã thựcvật nổi trong đó chủ yếu do vi khuẩn lam (VKL)

Ở Việt Nam, ô nhiễm môi trường nước mà chủ yếu là ô nhiễm chất hữu

cơ, chất dinh dưỡng, kéo theo bùng nổ thực vật nổi, trong đó có tảo độc đangdiễn ra rất phổ biến do tác động của các hoạt động của con người trong cáclưu vực sông, hồ Tại các hồ như hồ Ba Bể, hồ Tây, hồ Hoàn Kiếm, hồThác Mơ, hồ chứa Dầu Tiếng, hồ chứa Cấm Sơn, hồ chứa Núi Cốc,… đềuquan sát thấy sự hiện diện của vi khuẩn lam độc chủ yếu là các loài thuộc chi

Microcystis.

Vì vậy để ngăn ngừa, giảm thiểu tác động độc hại của tảo lam độc và độc

tố tảo lam, một số phương pháp kiểm soát đã được tiến hành bao gồm kiểmsoát bằng phương pháp vật lý, sinh học và hóa học Tuy nhiên, mỗi phươngpháp sử dụng đều có ưu điểm và nhược điểm nhất định

Trên thế giới việc sử dụng vật liệu nano để xử lý tảo đã được nghiên cứutrong quy mô phòng thí nghiệm và bước đầu cho thấy hiệu quả ức chế sinhtrưởng một số loài tảo Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của kỹthuật tiên tiến này Tác động của hạt nano đối với tảo lam bao gồm: loại bỏphốt pho sinh học, phá vỡ tế bào tảo lam, cố định độc tố microcysin và ngănchặn độc tố giải phóng ra môi trường Cho đến nay, cơ chế tác động của vậtliệu nano lên một số sinh vật chưa được nghiên cứu nhiều Sự tiếp xúc củanhững loài tảo quang hợp nhân điển hình với nano có thể dẫn đến sự suy giảmhàm lượng chất diệp lục, gây ra sự bất ổn về nhiễm sắc thể và xáo trộn quá

trình phân bào, liên quan tới dị tật về hình thái học ở bên trong sợi tảo Trongcác hạt nano, nano bạc được chú ý bởi khả năng diệt khuẩn, nấm mốc và hoạttính sinh học của chúng.

Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong diệt vi tảo

là hướng nghiên cứu còn mới và chưa được quan tâm nghiên cứu Đề tài:

“Nghiên cứu chế tạo và xác định độc tính của nano Bạc đối với vi khuẩn

lam Microcystis aeruginosa”nhằm hướng tới sử dụng vật liệu nano này vào

việc xử lý hiện tượng nở hoa của VKL độc ở trong các thủy vực

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

o Chế tạo vật liệu nano bạc

o Đánh giá ảnh hưởng của nano bạc đến sinh trưởng của VKL

M.aeruginosa.

Yêu cầu nghiên cứu

 Chế tạo vật liệu nano bạc sử dụng NaBH4 làm chất khử với kích thước hạt nhỏ hơn 10nm, hình cầu và có tỷ lệ NaBH4/Ag+ bằng 0,3

 Vật liệu nano bạc sẽ hạn chế sinh trưởng và phát triển của VKL

M.aeruginosa qua 10 ngày thí nghiệm.

PHẦN 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Vi khuẩn lam và tác động của độc tố của chúng trong môi trường

1.1.1 Hiện tượng nở hoa của VKL trong các thủy vực

1.1.1.1 Định nghĩa sự nở hoa của nước

Sự nở hoa của thực vật nổi được định nghĩa là “sự bùng nổ” đáng chú ý

và rất đặc thù của toàn bộ cộng đồng sinh vật, có tác động trực tiếp hoặc giántiếp đến các hệ sinh thái do những hậu quả của chúng như sự thay đổi màunước, làm giảm hàm lượng khí oxy hòa tan, làm cá và động vật không xương

sống bị chết hay gây ngộ độc cho người (Nguyễn Tác An, 1999).

Theo Odum, vào những khoảng thời gian nắng ấm kéo dài, nhiệt độtăng cao thích hợp với sự phát triển của tảo, ở một số thủy vực thường xuấthiện những váng tảo nổi kết đám trên mặt nước Hiện tượng này được gọi là

nở hoa của nước

Hiện tượng nở hoa của nước là kết quả sự giàu dinh dưỡng của nướchay còn gọi là sự phú dưỡng (Eutrophication) kết hợp với các điều kiện thời

tiết khí hậu thích hợp (Neilan và cs, 2013).

1.1.1.2 Các nguồn gốc gây hiện tượng nở hoa của nước.

+ Nước thải từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp.

Theo Zaimes và Schultz (2002), tải lượng các chất dinh dưỡng đổ vào

các hệ thủy văn có nguồn gốc từ nông nghiệp lớn hơn tải lượng dinh dưỡng

có nguồn gốc từ nguồn điểm thải Ở Mỹ, vào những năm 1980 đất trồng trọt,đồng cỏ và đất đồi đã góp phần chuyển tải 68% tổng P từ nguồn phát tán tớimôi trường nước mặt

Ở Châu Âu, khoảng 37-82% tổng nitơ và 27-38% tổng phốtpho đượcchuyển tải vào môi trường nước mặt từ các hoạt động nông nghiệp Trong 270dòng sông được quan trắc ở Đan Mạch, 94% tổng nitơ và 52% tổng phốtpho

có nguồn gốc từ nguồn thải phát tán, chủ yếu từ các hoạt động nông nghiệp

Như vậy, có thể thấy rằng các hoạt động canh tác của con người có ảnh hưởnglớn tới quá trình chuyển tải các chất dinh dưỡng từ đất vào môi trường nướcmặt.

Ở Việt Nam, cơ chế bơm tưới - tiêu phục vụ cho trồng lúa cũng kháphức tạp Nhu cầu sử dụng nước tưới của các cánh đồng lúa thường lớn gấp5-6 lần so với các vùng đất trồng các loại cây nông nghiệp khác Một sốnghiên cứu trước đâycho rằng thể tích nước tưới- tiêu đóng vai trò quan trọngtrong việc chuyển tải các chất dinh dưỡng vào hệ thống sông hồ Phân bónhóa học cho việc trồng rau và các loại cây hoa màu là khá lớn Hàm lượngnitrat, amoni, phốtpho tổng trong các mẫu nước thải từ các vùng đất trồng rau

và hoa màu khá cao so với các vùng đất rừng

Theo quá trình rửa trôi, chảy tràn và xói mòn trong lưu vực, một lượngkhá lớn các chất dinh dưỡng từ phân bón dư thừa đặc biệt là hai nguyên tố N

và P bị đổ vào hệ thống nước mặt sẽ góp phần gây phú dưỡng là nguyên nhângây ra hiện tượng nở hoa của nước góp phần gây ô nhiễm môi trường

+ Dư thừa thức ăn trong nuôi trồng thủy sản

Các hoạt động nuôi trồng thuỷ sản đã và đang gây ô nhiễm cho môitrường nước hồ do nguồn thức ăn chăn nuôi Trong quá trình nuôi, lượng thức

ăn dư thừa sẽ bị hoà tan và phân huỷ trong môi trường nước, làm gia tănghàm lượng các muối dinh dưỡng trong hồ Thông thường động vật chỉ hấp thuđược 25 - 30% photpho trong thức ăn, số còn lại được thải ra môi trường.Theo tính toán của cho diện tích ao nuôi 5,600 ha, sản lượng cá ước đạt1,5×106 tấn thì lượng chất thải ra môi trường khoảng 106 tấn trong đó có29×103 tấn nitơ, 9,5×103 tấn photpho (tính trên vật chất khô)

+ Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt được đổ vào hệ thống thoát nước chung và khôngqua xử lý Đây là một trong những nguồn chính gây hiện tượng nở hoa củanước Nếu như nguồn nitơ chủ yếu được thải từ nước thải sản xuất nôngnghiệp thì nguồn phốt pho chủ yếu lại từ nước thải sinh hoạt

Gia tăng dân số và đô thị hóa trong tương lai sẽ gây ô nhiễm môitrường và đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước nếu không xây dựng hệ thống thugom nước thải và các trạm xử lý nước thải trong tương lai

+ Ảnh hưởng từ các hoạt động du lịch

Tình trạng các khách sạn đổ thải thẳng ra môi trường ảnh hưởng khôngnhỏ tới chất lượng nước mặt Tại các trung tâm du lịch lớn thu hút nhiều dukhách và đặc biệt là vào các mùa lễ hội trong năm thì tại đây đã có nhữngbiểu hiện ô nhiễm từ các hoạt động du lịch Thông thường tại những vùngnước mặt tiếp nhận các nước thải trực tiếp từ cống khai thác của khách sạn,nhà hàng hàm lượng các chất dinh dưỡng thường có giá trị cao hơn hẳn so vớicác vị trí khác, trong đó hàm lượng N và P cao hơn hẳn so với các thông sốquan trắc khác

1.1.1.3 Các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng nở hoa của nước

+ Nồng độ các chất sinh dưỡng trong thủy vực cao (đặc biệt là các muối đa lượng Nito và Photpho)

Hai nguyên tố nitơ và phốtpho, đặc biệt là các muối đa lượng của nitơ

và phốtpho, thường là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng, làmbùng nổ sinh trưởng thực vật, mà trong đó chủ yếu là các loài tảo độc hại và

cỏ dại (Blomqvist và cs, 1994) Các nguyên tố này có mặt trong môi trường

nước hoặc là do nguồn ngoại lai, bao gồm nước thải sinh hoạt đô thị, nướcthải công nghiệp, nước rửa trôi đất canh tác, khai thác khoáng sản trong lưu

vực và nước thoát sau mưa,… hoặc là do nguồn nội tại có sẵn trong thủyvực, là sản phẩm của quá trình quang hợp, trao đổi chất và năng lượng trongchu trình sống của các loài thủy sinh trong thủy vực.

+ Cường độ chiếu sáng cao.

VKL có thể chịu đựng dải ánh sáng khá rộng và nhu cầu ánh sáng củaVKL thay đổi rất lớn phụ thuộc từng loài Trong khi một số loài có thể sống

ở điều kiện chiếu sáng chỉ vài µmol/m2.s, một số loài khác lại có thể chịuđựng được ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp Ánh sáng điều chỉnh khả năng

quang hợp của VKL và hoạt động hô hấp của chúng (Philips và cs, 1995).

Đối với một số loài VKL, ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong sự pháttriển của chúng, mặc dù mỗi loài có tốc độ tăng trưởng tối đa ứng với mộtgiá trị cường độ ánh sáng tối ưu

Ánh sáng là yếu tố môi trường cần thiết cho sinh trưởng của VKL, tuynhiên, ánh sáng quá cao khi được các sắc tố hấp thu có thể dẫn đến việc sinh

ra các gốc ôxy hoạt tính làm chết VKL.Để có thể thích nghi với những thayđổi ánh sáng trong môi trường VKL sử dụng một số cơ chế như thay đổi độnổi hoặc thay đổi cấu trúc của bộ máy quang hợp Ngoài ra, để tránh tácđộng có hại của cường độ ánh sáng quá cao, đặc biệt là của bức xạ tia cựctím, VKL sử dụng cơ chế điều chỉnh DNA hiệu quả cả ngoài ánh sáng lẫntrong tối, sản sinh ra các enzyme superoxide dismutase để giảm tác động độc

có hại của các gốc tự do, tổng hợp carotenoid và các hợp chất lọc tia UV

hoặc tiết ra những chất nhầy ngoại bào, (Rapala, 1998).

Cường độ ánh sáng và chất lượng ánh sáng không chỉ tác động lên sinhtrưởng, quá trình phân chia tế bào, quá trình biệt hoá tế bào mà còn ảnhhưởng đến quá trình tạo độc tố trong tế bào VKL.Một số nghiên cứu chothấy cường độ ánh sáng thấp (<10µmol/m2.s) làm giảm độc tính gan hay

hàm lượng microcystins nội bào của M.aeruginosa trong khi sinh trưởng của

Oscillatoria agardhii dưới cường độ ánh sáng cao (≥ 50 µmol/ m2.s) lại gâygiảm hàm lượng microcystins tới 2 - 2,5 lần Hàm lượng microcystins trong

tế bào của hai chủng Anabaena spp tăng lên khi hàm lượng P tăng, nhưng lại

giảm đi dưới tác động kết hợp của nhiệt độ cao (25 -30oC) và ánh sáng cao(2 - 100 µmol/ m2.s) (Rapala, 1998).

+ Nhiệt độ nước ấm.

Nhiệt độ nước được cho là một trong các yếu tố môi trường quan trọngnhất ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật phù du trong các hệ thủy sinh.Nhiệt độ nước có ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và phát triển của các nhómtảo có sự khác biệt rõ rệt

Nghiên cứu trước đây cho thấy tốc độ tăng trưởng của một số loài VKLthường tăng theo nhiệt độ chỉ trong một phạm vi nhiệt độ nhất định và tốc độtăng trưởng phụ thuộc vào nhiệt độ của các loài VKL khác nhau khác biệt

(NEIS, 1997) Một số loài VKL có tốc độ sinh trưởng, hoạt động quang hợp

và hô hấp ở nhiệt độ tối ưu cao hơn so với những thực vật phù du khác Theonhiều tác giả, nhiệt độ tối ưu cho sinh trưởng của một số chi VKL là khoảng20-32oC và nhiệt độ cao trong thuỷ vực có thể là yếu tố chủ yếu quyết định

sự phát triển vượt trội của chúng (Rapala, 1995; Ressom và cs, 1994;

Crayton, 1993) Ví dụ, Wang và cs (2008) đã quan sát thấy nhiệt độ nước từ

24 đến 30°C là cần thiết cho nở hoa của VKL trong hồ Taihu, Trung Quốc

Microcystis bắt đầu tăng trưởng và nổi lên trên mặt nước khi nhiệt độ

nước đạt 15°C và có thể chiếm ưu thế trong hệ thủy sinh tại nhiệt độ 25°C

hoặc cao hơn (Robarts, 1987).Robson và Hamilton, 2003 quan sát thấy

M.aeruginosa phát triển nhanh chóng ở nhiệt độ cao (20°C - 35°C)

(Robarts, 1987) Các cuộc khảo sát tại hồ Erie cho thấy tảo độc Microcystis

và hàm lượng độc tố của nó cũng cao hơn trong những tháng ấm hơn (Rinta,

2009).

Như vậy các yếu tố môi trường, nhiệt độ được coi là một trong nhữngyếu tố môi trường quan trọng nhất quyết định sự phát triển lấn át của VKLtrong thủy vực.

+ Thời gian lưu của nước và sự phân tầng nhiệt của nước.

Sự xáo trộn trong cột nước liên quan đến nhiệt độ và sự phân tầng cóvai trò nhất định trong sự sinh trưởng và phát triển của VKL Phân tầngtrong cột nước dẫn đến giảm các chất dinh dưỡng sẵn có trên lớp bề mặt vàtạo điều kiện thích hợp cho VKL có không bào khí chuyển động VKL chứa

không bào khí như Microcystis, và một số loài khác thường gây nở hoa

nước, do chúng có khả năng cạnh tranh cao so với các nhóm thực vật nổikhác nhờ có không bào khí mà chúng có thể điều chỉnh vị trí trong cột nước

và có thể sử dụng các chất dinh dưỡng từ lớp đáy hồ giàu dinh dưỡng và ánh

sáng mặt trời ở tầng mặt nước để quang hợp(Reynolds, 2000) Thông

thường, những VKL có tế bào tương đối lớn hay ở dạng tập đoàn như

Microcystis thường sinh trưởng tốt trong những hồ nước tĩnh có sự phân

tầng lâu dài, trong khi những VKL nhỏ hơn thường sinh trưởng dễ dàngtrong những thuỷ vực xáo trộn nhẹ

Đối với những hồ nghèo dinh dưỡng, môi trường nước hồ tồn tại ởdạng hiếu khí quanh năm, sự thay đổi nhiệt độ theo mùa không dẫn đến hiệntượng phân lớp theo nồng độ oxi Ngược lại, đối với hồ giàu dinh dưỡng,chất hữu cơ kết tủa xuống đáy, cột nước trong hồ được phân lớp theo nhiệtđộ: lớp nước ấm bên trên là vùng hiếu khí còn lớp nước lạnh bên dưới là kịkhí Giữa hai lớp nước này tồn tại một vùng có nhiệt độ thay đổi rất nhanhgọi là vùng biến nhiệt và trong vùng này ít khi xảy ra sự hòa trộn giữa hailớp nước Vào mùa xuân và thu, lớp nước hiếu khí bên trên và lớp nước kịkhí bên dưới sẽ thay đổi vị trí do nhiệt độ và trọng lượng riêng thay đổi, dẫnđến có hiện tượng hòa trộn giữa hai lớp nước Sau khi xảy ra sự hòa trộn thì

các vi khuẩn và tảo có khả năng di chuyển theo cột nước và tìm môi trườngsống thích hợp nhất cho chúng.

1.1.1.4 Ảnh hưởng của độc tố VKL đên môi trường sinh thái.

Hình 1.1 Hiện tượng phú dưỡng trong môi trường nước

(nguồn:lincoln.ne.gov)

a. Ảnh hưởng của hiện tượng nở hoa tảo độc, tảo hại tới động vật thủy sảnHiện tượng nở hoa của tảo có thể làm một số chỉ số môi trường biếnđộng lớn, DO và pH sẽ biến động rất lớn Khi tàn lụi, sự phân hủy do vikhuẩn hay do tác động hóa học đều tiêu hao một lượng Oxy đáng kể và thải racác khí độc

Hiện tượng nở hoa của tảo có thể làm một số chỉ số môi trường biếndộng lớn, DO và pH sẽ biến động rất lớn Khi tàn lụi, sự phân hủy do vikhuẩn lam hay do tác động hóa học đều tiêu hao một lượng Oxy đáng kể vàthải ra các khi độc cho các sinh vật sống trong môi trường, gây hại cho hệsinh vật đáy

Độc tố sinh ra từ các loài tảo độc có thể làm thương tổn mang, ảnhhưởng đến hoạt động hô hấp của động vật thủy sinh (ĐVTS), có thể gây hiệntượng xuất huyết, vỡ mạch máu hay tác động tới hệ thần kinh của ĐVTS Cónhiều loại độc tố khác nhau được tiết ra từ các loại tảo khác nhau và trongnhiều trường hợp cơ chế và đặc tính gây độc của các độc tố này chưa đượclàm sáng tỏ Tuy vậy, một số độc tố đã được nhận biết và hầu hết chúng đềugây độc cho cá (Ichthyotoxic), trong đó loại gây độc cho hệ thống thần kinh(Neurotoxins) thường gặp nhất.

Hiện tượng tảo độc, tảo hại nở hoa còn có tác hại làm tăng hàm lượngion kim loại nặng trong nước biển, thông qua quá trình trao đổi ion kim loạicủa các tế bào tảo Người ta đã quan sát được mối quan hệ giữa sự nở hoa của

tảo độc, hại với các loại ion Fe, Cd, Cu, Hg, và Pb trong tầng nước mặt (Đỗ

Thị Hòa và cs, 2015).

Trong những năm gần đây, người ta đã quan sát được nhiều hiện tượng

nở hoa của tảo độc gây chết trực tiếp các đối tượng nuôi thủy sản như cá, giáp

xác, động vật thân mềm Sự nở hoa của tảo có tiên mao Gymnodinium breve

đã gây ra tỷ lệ chết rất lớn cho ĐVTS tại Mexico Một số độc tố của tảo còtồn tại trong chuỗi thức ăn của thủy vực và gây chết một số lượng lớn cá tựnhiên khi chúng sử dụng zooplankton (động vật phù du) làm thức ăn, tại vùngven biển Bắc Đại Tây Dương của nước Mỹ Hiện tượng chết của cá nước lợ

nuôi và tự nhiên (Cá đối-Mugil spp) do sự nở hoa của tảo Prymnesium sp

cũng đã được quan sát ở các vùng nước lợ ở Châu Âu và Trung Đông Hiệntượng nở hoa tảo silic thuộc giống Chaetocross đã liên quan tới hiện tượngchết của cá hồi nuôi trên biển Người ta cũng quan sát được hiện tượng chết

của cá đuôi vàng (Seriola quinqueradiota) do sự nở hoa của tảo Chatonelle

antiqua; Hoặc hiện tượng chết của cá Coregonus lavaretus do sự nở hoa của

tảo Ceratium hirundinella ở Philipine (Đỗ Thị Hòa và cs, 2015)

Độc tố tiết ra từ các loài tảo độc cũng ảnh hưởng rất lớn đến đời sốngcủa giáp xác và động vật thân mềm ngoài tự nhiên và nuôi trồng thủy sản,trong thực tế không hiếm gặp hiện tượng động vật 2 vỏ (Bivalvia) bị chếthàng loạt liên quan tới tảo độc Khi con người sử dụng những động vật bị chết

do ngộ độc làm thức ăn, độc tố có thể ảnh hưởng tới sức khỏe con người, ởdạng nhẹ thì gây dị ứng, ở dạng nặng thì có thể gây tử vong

b. Các dạng độc tố của VKL

VKL có khả năng tổng hợp các chất thứ cấp rất đa dạng Các chất thứcấp do VKL sinh ra có độc tính được gọi là độc tố (độc tố VKL-cyanotoxins)hoặc các chất có hoạt tính sinh học khác như khả năng chống vi rút, chốngung thư, kháng nấm, các chất ức chế enzyme,… Độc tố VKL là nhóm độc tố

tự nhiên, rất đa dạng về cấu trúc hóa học và độc tính Cho đến nay, độc tốVKL được xếp thành nhiều nhóm khác nhau tùy theo quan điểm và lĩnh vựcnghiên cứu Dựa trên cơ chế gây độc, các độc tố VKL được chia thành 5nhóm chính: độc tố về thần kinh (anatoxin-a, anatoxin-a(s), homoanatoxin-a,PSPs), độc tố về gan (microcystins, nodularin), độc tố tế bào(cylindrospermopsin), độc tố gây dị ứng (lyngbyatoxin-a, aplysiatoxins) và

nội độc tố (lipopolysacccharide endotoxin) (Sinoven và cs, 1999; Codd và cs,

2005) Dựa trên cấu trúc hoá học độc tố VKL có thể được chia thành 3 nhóm

chính (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Các nhóm độc tố do các chi VKL khác nhau sản sinh

Nhóm độc tố

Các cơ quan của động vật bị tác động

Chi VKL sản sinh độc tố

Cyclic peptides

Microcystins Gan Microcystis, Anabaena,

Planktothrix (Oscillatoria), Nostoc, Anabaenopsis, Aphanocapsa

Alkaloids

Anatoxin-a Khớp thần kinh Anabaena, Planktothrix

(Oscillatoria), Aphanizomenon

Aplysiatoxins Da Lyngbya, Schizothrix, Planktothrix

Cylindrospermopsin

s

Gan Cylindrospermopsis,

Aphanizomenon, Umezakia

Lyngbyatoxin-a Da, dạ dày ruột Lyngbya

Saxitoxins Sợi thần kinh Anabaena, Aphanizomenon,

Lyngbya, Cylindrospermopsis

LPS

Lipopolysaccharides Gây khó chịu

đến các mô tiếpxúc với độc tố

Tất cả các cyanobacteria

Nguồn: (Hoogenboezem và cs, 2005)

c. Vi khuẩn lam Microcystis aeruginosa và độc tố Microcystin

+ Microcystis aeruginosa

M.aeruginosa có tập đoàn dạng hình cầu hoặc mắt lưới với các khoảng

trống ở giữa các tế bảo Tế bào phân bố tong tập đoàn có dạng hình cầu, màuxanh nhạt, xếp chồng lên nhau với nhiều aerotopes dày đặc, đường kính mỗi

tế bào từ 3,7 – 6 µm Bao nhầy không màu, không bền nên tế bào dễ vỡ rakhỏi tập đoàn Loài được tìm thấy phổ biến trong các thủy vực nước ngọt, lợ

ưu dưỡng; phân bố toàn cầu, chỉ vắng mặt ở vùng cực và cận cực

M.aeruginosaphân bố phổ biến trong các thủy vực ngọt ưu dưỡng ở

Việt Nam và là loài chính gây hiện tượng nở hoa nước ở các thủy vực này.Một số chủng phân lập từ Việt Nam đã được xác định là có khả năng sinh độc

tố microsystin (Nguyễn TTL và cs, 2007b).

Hình 1.2 Microcystis aeruginosa

Nguồn: Nguyễn Thị Thu Liên cung cấp.

Bảng 1.2 Độc tố của chi Microcystis

Loài Độc tố hoặc ảnh hưởng

của độc tố

Môi trườngsống

Tài liệu thamkhảo

Microcystis

aeruginosa

Microcytins Nước ngọt Carmlehael và

cs, 1988 Microcystis

botrys

Microcytins Nước ngọt Henriksen,

1996 Microcysits

ichthyoblabe

Microcytins Nước ngọt,

nước lợ

Sabour và cs, 2002

wesenbergii

Microcytins Nước ngọt Yasuno và cs,

1995 (Cronber và Annadotter, 2006)

+ Độc tố gan Microcystin (MCs)

Microcystin là độc tố VKL được phát hiện trong hầu hết các thủy vựcnước ngọt và nước lợ khắp nơi trên thế giới Cho đến nay, đây là độc tố đượcnghiên cứu nhiều nhất Microcystin là độc tố gan gồm 7 axit amin, trong đó 2axit amin cuối cùng của dãy peptide nối liền nhau tạo thành vòng Cấu trúcchung của microcystin là Cyclo – (D – alanine1 – X2 – D-MeAsp3-Z4-Adda5-D-glutamate6-Mdha7)

Hình 1.3 Cấu trúc hóa học của microcystin

(vanApeldoorn và cs.2007)

Cho đến nay, hơn 90 dạng cấu trúc của MCs đã được xác định Dạng

độc tố phổ biến thường gặp nhất là microcystin-LR MCs rất bền và không bịtác động bởi các phản ứng thủy phân, oxy hóa khử trong điều kiện môi trườngthông thường tại các thủy vực MCs có thể tồn tại trong môi trường nước thủyvực khoảng 1 tuần Hơn nữa, chúng có thể tồn tại lâu hơn ở điều kiện nướclọc hoặc khử ions MCs bị phân hủy chậm trong điều kiện nhiệt độ caokhoảng 40oC với pH < 1 hoặc pH > 9 (Neilan và cs, 2013).

Độc tố MCs có thể gây tổn thương tế bào gan (phá vỡ cấu trúc tế bàogan, mất cấu trúc thể xoang, tăng trọng lượng gan do xuất huyết và gây sốc sựvận chuyển máu, rối loạn nhịp tim đến chết ở động vật

1.1.2 Các phương pháp xử lý vi khuẩn lam

1.1.2.1 Phương pháp hóa học

Xử lý nước nở hoa bằng các chất diệt tảo cũng thường được sử dụng.Các chất này hoặc là giết chết tảo, hoặc là ức chế sinh trưởng của tảo Hạnchế của những chất này là tác động không chọn lọc do vậy chúng gây chết

không chỉ tảo mà còn cả các thủy sinh vật khác Thậm chí, ngay cả khi có hợpchất nào đó có tác động chọn lọc lên tảo thì hậu quả của việc sử dụng nhữngchất này cũng còn là vấn đề cần bàn cãi như khả năng tiết độc tố ra môitrường từ sinh khối tảo bị diệt, hoặc sự thiếu ôxy do quá trình phân hủy sinhkhối này gây ra dẫn đến việc cá chết hàng loạt… Bởi vậy giải pháp nàythường được thực hiện vào thời điểm đầu mùa khi tảo chưa tạo nước nở hoa.Mặc dù có nhiều hạn chế, đôi khi đây là giải pháp duy nhất để lựa chọn, đặcbiệt là tại những hồ phì dưỡng (hypereutrophic) có lượng P trong đầu vào quácao Do đó, việc tiếp tục tìm kiếm những chất diệt tảo có tác động chọn lọc và

ít tác dụng xấu lên môi trường nước là nhiệm vụ rất cần thiết

Các tác nhân diệt tảo:

a. Các chất vô cơ và hữu cơ

Đồng (Cu) ở dạng CuSO4.5H2O thường được sử dụng để diệt tảo dokhả năng ức chế quang hợp, quá trình hấp thu P và cố định N2 Ưu thế của giảipháp này là Cu tác động lên VKL mạnh hơn lên tảo lục, gây tác động nhanh

và giá thành tương đối thấp, tuy nhiên giải pháp này có nhiều hạn chế do cáctác động xấu lên môi trường như đã nêu ở trên

Thông thường sinh trưởng của tảo bị ức chế ở nồng độ 5-10 µg/l, tuynhiên tại hiện trường để diệt tảo nồng độ này cao hơn nhiều ( > 1mg/l), đôikhi trong trường hợp nở hoa nước mạnh nồng độ Cu tới 30-300mg/l cũng

không đạt hiệu quả mong muốn (Lam và cs, 1995) Do vậy giải pháp này

cũng rất ít được ứng dụng

b. Các chất vô cơ khác

Nhiều chất vô cơ khác như AgNO3 (nồng độ 0,04mg/l); permanganatekali (KMnO4 nồng độ 1-3 mg/l) và hypochlorit natri (NaOCl nồng độ 0,5-1,5mg/l) có tác động diệt tảo,tuy nhiên cũng giống như CuSO4chúng khôngchỉ tác động lên tảo mà còn cả các thủy sinh vật khác nên ít được sử dụng.Một nghiên cứu gần đây cho thấy H2O2 là hợp chất có triển vọng để diệt tảo

trong thủy vực với nồng độ 0,3-5 mg/l do có khả năng tác động chọn lọc lênVKLmà không ảnh hưởng tới cá, TVTS hay tảo lục hoặc các sinh vật thủysinh khác và giá thành tương đối rẻ Hạn chế khi sử dụng hợp chất này là thời

gian tác động ngắn (Lam và cs, 1995; Schrader, 1998).

c. Các chất kết lắng

Khi sử dụng một số chất kết lắng như muối nhôm, calcicite hay vôi tôicác tế bào VKL sẽ tạo thành các cụm tảo, bị loại khỏi cột nước và chìm xuốngđáy nhưng khác với các chất diệt tảo chúng không bị chết hay bị phân hủynên không tiết độc tố ra môi trường Hạn chế của giải pháp này là sự khôngtriệt để và VKL có thể phát triển trở lại sau vài tuần

d. Các chất quang nhạy (Photosensitizers)

Một trong những hướng phát triển các chất diệt sinh vật (biocides) gầnđây là việc sử dụng các chất quang nhạy (photosensitizers) Hiệu ứng quangphân ly dựa trên việc sử dụng các chất hợp quang nhạy, khi bị chiếu sáng sẽsản ra hàng loạt loại ôxy phản ứng (reactive oxygen species - ROS) có hoạttính diệt sinh vật như ôxy dạng đơn thể (1O2); gốc superoxide (O2 •-); H2O2,gốc perhydroxy (HOO-) và gốc hydroxyl (OH •) Trong tự nhiên nhiều hợpchất có tác động giống như các chất quang nhạy như chlorophyll tự do, cácchất mùn… Hầu hết các ROS đều tác động không chọn lọc Thử nghiệm trênhơn 40 dẫn xuất khác nhau cho thấy chúng có độc tính cao đối với cả tảo lamlẫn tảo lục ở nồng độ dưới 1mg/L Việc phát triển những ROS có hoạt tính lênVKL và thích hợp cho sử dụng tại các thủy vực là một thách thức lớn chonhững nghiên cứu trong tương lai

e. Các chất hữu cơ

Nhiều chất diệt cỏ hữu cơ có hoạt tính độc cao đối với VKL nhưReglone A, nồng độ 2-4mg/l; simazin, 0,5mg/l; Diuron nồng độ 0,5 mg/l hayparaquat, nồng độ 0,026 mg/l…Những chất hữu cơ này có ưu thế là có khảnăng bị phân hủy bằng sinh học do vi khuẩn (biodegradability) Tuy nhiên

việc sử dụng những chất này không an toàn cho môi trường và về mặt độc tốhọc, hơn nữa chúng cũng tác động không chọn lọc và có giá thành cao

(Cooke, 2005).

f. Các hợp chất và vật liệu tự nhiên

Có nhiều hợp chất và nguyên liệu tự nhiên có hoạt tính diệt tảo hoặc ức

chế sinh trưởng của tảo Một số thực vật thủy sinh như Miriophyllum

spicatumtiết ra các chất có hoạt tính cảm nhiễm qua lại và ức chế sinh trưởng

của VKL Tuy nhiên, lượng các chất này có đủ để ức chế sinh trưởng của tảo

trong toàn hồ không lại là vấn đề còn cần tranh luận (Berger, 2003; Nakai,

Dịch chiết từ lá các loại tùng bách, lá sồi, hay rơm lúa.cũng có tác dụng

ức chế sinh trưởng của tảo (Park và cs, 2010) Sinh trưởng của M.aeruginosa

bị ức chế mạnh bởi dich chiết từ rơm lúa ở nồng độ từ 0,01 đến 10 mg/l do tácđộng hợp lực của các hợp chất phenol khác nhau trong rơm lúa Dịch chiết từ

vỏ quýt tươi cũng ức chế đáng kể sinh trưởng của M.aeruginosa trong phòng thí nghiệm (Chen và cs, 2004).

Các chất tách chiết khác: hàng trăm hợp chất tách chiết từ thực vật bậccao, tảo, VKL hay vi khuẩn có hoạt tính diệt hoặc ức chế sinh trưởng của tảo.Những hợp chất này thường là các alcaloids, phenols, polyphenols, quinones,terpens, các axit hữu cơ Nhiều hợp chất được tách chiết từ chính VKL nhưcyanobacterin, nostocyclamid hay nostocarboline được tách chiết từ Nostoc.

Ưu thế của những chất này là chúng có nguồn gốc và khả năng phân hủy tựnhiên Nhiều hợp chất có tác dụng độc đối với tảo ở nồng độ rất thấp, bởi vậycũng ít độc đối với các cơ thể khác Tuy nhiên những hợp chất này vẫn chỉđang được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm mà chưa được đưa vào ứngdụng trong thực tiễn, bởi vậy chúng là những hợp chất có khả năng ứng dụngtrong tương lai và cần có nhiều nghiên cứu để làm sáng tỏ khả năng sử dụngchúng trong thực tế

Trên đây là tổng quan các phương pháp kiểm soát sự phát triển bùngphát của VKL tại các thủy vực nước ngọt đã được nghiên cứu, thử nghiệmhay ứng dụng trên thế giới Mặc dù hiện có nhiều biện pháp khác nhau đểkiểm soát sự phát triển của VKL tại các thủy vực, tính hiệu quả của mỗiphương pháp lại do nhiều yếu tố quyết định (kiểu và kích thước của thủy vực,thời gian lưu của dòng nước, mức độ dinh dưỡng và dòng chảy dinh dưỡngvào thủy vực, các thông số thủy lý, thủy hóa của thủy vực, chất lượng và hàmlượng cặn lắng, thời vụ, nguồn cá….) Không có phương pháp nào là chungcho mọi thủy vực Kinh nghiệm ở nhiều nơi trên thế giới cho thấy sự kết hợpmột số phương pháp cả tại lưu vực sông lẫn xử lý trong hồ đem lại kết quả tốthơn nhiều so với việc sử dụng một phương pháp đơn lẻ Mặt khác, việc lựachọn sử dụng hay kết hợp sử dụng những phương pháp nào lại phụ thuộc rấtnhiều vào khả năng tài chính của từng quốc gia cũng như tầm quan trọng củathủy vực đối với quốc gia đó

1.1.2.2 Phương pháp vật lý

a Hòa loãng và rửa xối: Đôi khi chất lượng nước trong hồ được cải thiện bằngcách hòa loãng với nước lấy từ nguồn khác, lượng chất dinh dưỡng cần cho vitảo trong hồ bị làm loãng, sự trao đổi nước tăng lên cũng dẫn đến việc tảo bịxối sạch khỏi hồ Phương pháp này đã được sử dụng ở hồ Moses(Washington) và hồ Veluwe (Hà Lan)

b Phá hủy sự phân tầng (khuấy trộn): Sự phân tầng nhiệt tại cột nước trong hồ làđiều kiện thích hợp cho các VKL có không bào khí phát triển Nhờ khả năng

di chuyển trong cột nước chúng có thể sử dụng cả lớp nước giàu dinh dưỡng ởphía dưới và ánh sáng ở lớp nước trên cho quá trình quang hợp Khi sự phântầng bị phá hủy, ưu thế này không còn, sự phát triển của VKL bị hạn chế

nhường chỗ cho tảo lục và những VKL không có không bào phát triển.Tốc độ

khuấy sục phải đủ lớn để tránh sự kết bông của VKL có không bào khí tronghồ.Thông thường sự khuấy sục được thực hiện bằng cách đưa bọt khí xuống

đáy hồ qua vòi phun hoặc bơm (Renolds và cs, 1987).

c Siêu âm: Nhiều VKL gây hiện tượng nở hoa nước có không bào khí nhưMicrocystis, Anabaena, Planktothrix, Aphanizomenon và Woronichinia Khi

sử dụng siêu âm (3giây, 120W, 28kHz), các không bào khí của những VKLnày bị phá vỡ, do đó tế bào bị chìm xuống đáy hồ nhưng không bị phá vỡ nênkhông thải độc tố vào môi trường Có thể áp dụng siêu âm trực tiếp xuốngnước Tuy nhiên, những không bào bị vỡ có thể được tái tạo khá nhanh (chỉsau 20h) sau khi dừng siêu âm Mặt khác, siêu âm có thể ảnh hưởng tới hệsinh thái trong nước Bởi vậy siêu âm cần được sử dụng trong hệ thống códòng chảy qua kín

d Loại bỏ cơ học sinh khối tảo: Khi có hiện tượng nở hoa nước dày đặc có thể sửdụng hàng rào gỗ nổi (giống như khi ngăn dầu loang) được neo phao lại rồibơm hút bỏ lớp váng tào Tuy nhiên, chỉ một phần nhỏ sinh khối tảo được loại

bỏ theo cách này vì VKL có mặt trong toàn cột nước và đáy hồ Giải pháp loại

bỏ váng tảo bằng cơ học còn đòi hỏi phải đốt hoặc xử lý sinh khối tảo đã vớt

e Phơi khô bùn cặn: Là giải pháp để loại bỏ mầm mống tảo trong bùn khi làmkhô bùn Khi bùn bị phơi khô làm mất nước (desiccation) trong thời gian khá

ngắn, các akinetes của Anabaena circinalis bị mất khả năng tái nảy mầm.

Những tế bào Microcystis không tạo akinetes nên có thể tính chống chịu với

sự mất nước còn kém hơn Giải pháp này khá tốn kém và được sử dụng đối

với những thủy vực nông (Tsujimura, 2004).

1.1.2.3 Phương pháp sinh học.

 Nguyên tắc can thiệp sinh học

Nguyên tắc của giải pháp này dựa trên việc điều chỉnh thác thức ăn(chuỗi dinh dưỡng) Khi giảm áp lực thức ăn của cá lên động vật phù du,những loài động vật phù du lớn sẽ chiếm ưu thế, do vậy sẽ giữ thực vật phù

du ở mức thấp Tuy nhiên giải pháp này chỉ có thể áp dụng tại những thủy vực

nhỏ do khó có thể điều hòa liên tục quần xã cá trong thủy vực lớn (Cooke và

cs, 2005).

- Sử dụng cá ăn thực vật phù du (TVPD)

TVPD là thức ăn chính của một số loài cá như cá chép

(Hypophthalmichthys molitrix) hay cá mè (Aristichthys nobilis) Tuy nhiên

nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy hoạt tính trao đổi chất của TVPD không

thay đổi, thậm chí còn tăng lên sau khi đi qua hệ tiêu hóa của cá(Franks,

1995) Mặt khác cá tilapia ở sông Nile (Oreochromis niloticus) do có pH rất

thấp trong dạ dày lại có thể tiêu hóa tảo Các tập đoàn Microcystis mất hơn 95% khả năng sống sau khi đi qua ruột cá Tilapia sông Nile (Jancula, 2007).

Cũng cần lưu ý rằng thủy vực có nhiều cá ăn cỏ dễ bị ô nhiễm bởichính chất thải do cá gây ra, ngoài ra việc cá thích ăn những thực vật phù dukhác ngoài VKL cũng tạo điều kiện để VKL phát triển chiếm ưu thế

- Thực vật thủy sinh (TVTS) và những sinh vật bám quanh rễ

TVTS cạnh tranh dinh dưỡng với vi tảo và có thể loại bỏ một phần chấtdinh dưỡng từ hồ Hệ rễ của những TVTS là nơi ẩn nấp của loại Daphnia ăn

tảo và chứa những sinh vật bám quanh rễ có thể loại bỏ một phần P hòa tan

trong nước Một số loài TVTS như Miriophyllum sp Chara và Elodea còn tiết ra những chất ức chế sinh trưởng của VKL (Berger và Schagerl, 2001).

- Những cơ thể khác

Nhiều thủy sinh vật khác cũng được xem xét và nghiên cứu để giảmthiểu sinh trưởng của VKL như virut, vi khuẩn, vi tảo, nấm, động vật nguyênsinh… Việc sử dụng những cơ thể này dựa trên nguyên tắc chúng dùng VKLlàm thức ăn, ký sinh hay tiết ra những chất trao đổi chất ức chế sinh trưởngcủa VKL

Một số vi khuẩn như Alcaligenes denitrificant, Bacillus sp.,

Myxococcus sp., Flexibacterium, Pseudomonas sp hay Spingomonas sp có

thể sản ra chất phân hủy Argimicin A tác động lên các VKL gây nở hoa nước

(Imamura, 2001) Loài vi khuẩn Streptomyces exfoliatus gây chết tới 50%

Anabaena, Microcystis và Oscillatoria.Ngoài ra, nhiều vi khuẩn tiết ra các

chất trao đổi chất ngoại bào gây ức chế sinh trưởng, quang hợp hay trao đổichất của VKL

Một số loài nấm như Rhizophidium planktonicum sống ký sinh trên

VKL gây ức chế sinh trưởng của VKL Nhiều động vật phù du như mao trùng

Furgasonia, Nassula và Pseudomicrothorax, trùng amip Amoeba hay trùng

roiMonas guttula được cho là những loài ăn tảo, bởi vậy có thể làm giảm mật

độ VKL trong thủy vực Tuy vậy, hạn chế lớn nhất của giải pháp này là việc

nuôi cấy diện rộng những cơ thể trên ít khả thi (Drabkova, 2007).

Hiện nay có một hướng nghiên cứu nhằm giảm thiểu hóa chất diệt tảo

là sử dụng các vật liệu kích thước nano thay cho các hóa chất truyên trống đãđược sử dụng trước đây Các vật liệu như Titanium Dioxide (TiO2), đồng(Cu), kẽm oxide ZnO và Ag thường được sử dụng trong các nghiên cứu đánhgiá độc tính của vật liệu nano lên các sinh vật Trong một nghiên cứu gần đây,vật liệu nano bạc được chứng minh có tiềm năng ức chế sinh trưởng chọn lọc

đối với tảo lam độc M.aeruginosa (diệt tảo lam độc, ít gây ảnh hưởng đến các

nhóm tảo khác vật liệu nano bạc cũng có khả năng phá hủy và ngăn ngừa hìnhthành nở hoa của tảo lam Tác động của hạt nano này đối với tảo lam baogồm: loại bỏ phốt pho sinh học, phá vỡ tế bào tảo lam, cố định độc tố

microcystin và ngăn chặn độc tố giải phóng ra môi trường(Philip và cs, 1995).

Cho đến nay, cơ chế tác động của vật liệu nano lên một số sinh vật chưa đượcnghiên cứu nhiều Hướng nghiên cứu sử dụng vật liệu nano trong diệt vi tảo làhướng nghiên cứu hoàn toàn mới và chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều ởnước ta Vì vậy, trong nghiên cứu này nhóm nghiên cứu lựa chọn vật liệu

nano bạc để tiến hành thí nghiệm khả năng diệt VKL M.aeruginosa Sử dụng vật liệu nano nhằm diệt VKL M.aeruginosa kì vọng sẽ thu được các kết quả

tốt, góp phần xử lý hiệu quả hiện tượng sinh trưởng bùng phát tảo lam, giảmthiểu ô nhiễm môi trường và góp phần tăng năng suất, chất lượng trong nuôitrồng thủy sản

1.2 Khái quát về keo nano Bạc

1.2.1 Khái niệm về vật liệu nano

Vật liệu nano là vật liệu trong đó kích thước có ít nhất một chiều lànano mét Về trạng thái của vật liệu người ta chia thành ba trạng thái rắn,lỏng, khí Hiện nay vật liệu nano được nghiên cứu chủ yếu là vật liệu ở trạngthái rắn

Về hình dáng vật liệu người ta phân chia thành các loại sau: ba chiều cókích thước nano (hạt nano, đám nano), hai chiều có kích thước nano (màngmỏng), một chiều (dây mỏng) Ngoài ra, còn có vật liệu có cấu trúc nano haynanocompozit trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano hoặccấu trúc của nó có nano không chiều

Các chất rắn ở nhiệt độ thường có thể được chia (kim loại, gốm, chấtbán dẫn polymer…) Các chất này có thể chia nhỏ nữa thành (vật liệu sinhhọc, vật liệu xúc tác…) Tất cả các chất này có tính chất biến thiên rộng, ẩn

chứa nhiều tính chất khác dưới dạng nano (Nguyễn Đức Nghĩa, 2007).

1.2.2 Sơ lươc tính chất và đặc tính của Bạc

Từ thời Alexander Đại Đế (năm 356-323 trước công nguyên), conngười đã biết sử dụng các dụng cụ bằng bạc để đựng thức ăn và đồ uống gópphần làm giảm nguy cơ gây độc Qua thời gian những đặc tính quý giá củabạc đã được con người khai thác và sử dụng tạo ra nhiều sản phẩm hữu ích

+ Cấu hình electron [Kr]4d105s1 , có số oxi hóa là +1 và +2, phổ biến nhất

là trạng thái oxi hóa +1

+ Trong tự nhiên, bạc tồn tại hai dạng đồng vị bền là Ag-107(52%) vàAg-109(48%) Bạc không tan trong nước, môi trường kiềm nhưng có khảnăng tan trong một số axit mạnh như axit nitric, sufuric đặc nóng v.v

Ngày nay những thuộc tính quý của kim loại này được thể hiện tối đakhi chúng được chế tạo bằng công nghệ nano Và trên thị trường cũng đã xuấthiện nhiều sản phẩm chứa nano bạc như băng gạc y tế, nước tẩy trùng bề mặt,hay hiện diện ngay trong gia đình bạn như tủ lạnh, máy gặt v.v

1.2.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano Bạc

Có 2 phương pháp để điều chế hạt nano kim loại bạc: phương pháp từdưới lên và phương pháp từ trên xuống Phương pháp từ dưới lên “bottom-up” là phương pháp tạo hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion kết hợp lại vớinhau Phương pháp từ trên xuống “top-down” là phương pháp tạo các hạtnano từ vật liệu khối ban đầu Đối với hạt nano bạc người ta thường điều chếbằng phương pháp từ dưới lên Nguyên tắc là khử ion Ag+thành Ag Các ionnày sau đó liên kết với nhau tạo thành hạt nano và các hạt nano này sẽ đượcbọc bởi các chất ổn định như PVP, chitosan Các phương pháp từ trên xuống

ít được sử dụng vì nano bạc chế tạo bằng phương pháp này thường có kíchthước hạt lớn và không đồng đều Hiện nay các vật liệu kim loại nano nhưvàng (Au), Sắt (Fe), đồng (Cu), bạc (Ag) dưới dạng bột hay dung dịch keođược chế tạo chủ yếu bằng các phương pháp sau:

a) Phương pháp bay hơi vật lý

Bay hơi vật lý là phương pháp từ trên xuống, đó là một công cụ gópphần cho sự phát triển của công nghệ nano Bay hơi vật lý bao gồm kỹ thuậtngưng tụ khí trơ, đồng ngưng tụ và ngưng tụ dòng hơi phun trên bia bắn

+ Kỹ thuật ngưng tụ khí trơ: cho hóa hơi sợi dây bạc tinh khiết ở nhiệt

độ cao trong điều kiện chân không, sau đó dòng hơi bạc nguyên tử quá bão

hòa được ngưng tụ và phát triển thành hạt bạc khi tiếp xúc với khí heli vàđược làm lạnh bởi nitơ lỏng.

+ Kỹ thuật đồng ngưng tụ: tương tự như ngưng tụ khí trơ nhưng quátrình hình thành và phát triển hạt xảy ra trên lớp bằng dung môi thích hợp

Kỹ thuật ngưng tụ khí trơ và đồng ngưng tụ được thực hiện ở nhiệt độcao (>2.0000C), sản phẩm tạo ra có độ tinh khiết cao, kích thước hạt nano bạctrung bình 75nm(phương pháp ngưng tụ khí trơ), 12nm (phương pháp đồng

ngưng tụ) (Badr, 2006).

b) Phương pháp ăn mòn laze

Đây là phương pháp từ trên xuống Vật liệu ban đầu là một tấm bạcđược đặt trong một dung dịch có chứa chất hoạt hóa bề mặt Một chùm laserdạng xung có buớc sóng 532 nm,tần số 10Hz, năng lượng mỗi xung là 90mJ,đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1nm - 3nm Dưới tác dụng của chùmlaser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành vàđược bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na (với n = 8, 10, 12, 14)

nồng độ từ 0,001 đến 0,1 M (Sigee, 1999).

c) Phương pháp khử hóa học

Khử hóa học là một phương pháp được sử dụng phổ biến để chế tạonano bạc theo phương thức từ dưới lên

+ Cơ chế của quá trình khử hóa học:

Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion bạcthành bạc kim loại Thông thường, phản ứng được thực hiện trong dung dịchlỏng nên còn gọi là phản ứng hóa ướt

Ag + + e - → Ag 0

Thông thường, nguồn cung cấp ion Ag+ là các muối của bạc nhưAgNO3 Các tác nhân khử thường dùng là: natri bohydrua, focmandehyt,xitrat, etylen glyxerol, NaBH4, ethanol,… Gần đây có một số công trìnhnghiên cứu chế tạo keo nano bạc và bột nano bạc từ bạc nitrat nhưng sản

phẩm trung gian là oxit bạc (Ag2O) rồi từ Ag2O tiếp tục khử về Ag0 nhằm thuđược keo bạc có nồng độ cao Để các hạt nano bạc phân tán tốt trong dungmôi mà không bị kết tụ thành đám, người ta bao phủ hạt nano bạc bằng mộtlớp polyme, điều này giúp cho các hạt được bảo vệ tốt hơn tránh hiện tượngkết tủa, hơn nữa phương pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có tính chấtcần thiết

Ag+ để tạo thành hạt nano bạc, vừa đóng vai trò làm chất ổn định cho hạt nanobạc

Tác nhân khử NaBH4 khác với phương pháp sử dụng Sodium citrate, ởphương pháp này sau khi kết thúc phản ứng khử, người ta sử dụng các polymenhư PVP, PVA, PEG, chitosan… làm tác nhân ổn định Các polyme này baobọc hạt nano bạc, ngăn chúng kết tụ với nhau, vì vậy mà hạt nano được bảo

vệ tốt và tránh kết tủa

c) Phương pháp hóa siêu âm

Phương pháp hóa siêu âm là các phản ứng hóa học được hỗ trợ bởisóng siêu âm cũng được dùng để tạo hạt nano Hóa siêu âm là một chuyênngành của hóa học, trong đó các phản ứng hóa học xảy ra dưới tác dụng củasóng siêu âm như một dạng xúc tác Sóng siêu âm là sóng dọc, là quá trìnhtruyền sự co lại và giãn nở của chất lỏng Tần số thường sử dụng trong cácmáy siêu âm là 20 kHz cao hơn ngưỡng nhận biết của tai người (từ vài Hz đến

16 kHz) Khi sóng siêu âm đi qua một chất lỏng, sự giãn nở do siêu âm gây ra

áp suất âm trong chất lỏng kéo các phân tử chất lỏng ra xa nhau Nếu cường

độ siêu âm đủ mạnh thì sự giãn nở này sẽ tạo ra những lỗ hổng trong chấtlỏng Sự phát triển của các lỗ hổng phụ thuộc vào cường độ siêu âm Khicường độ siêu âm cao, các lỗ hổng nhỏ có thể phát triển rất nhanh Sự giãn nởcủa các lỗ hổng đủ nhanh trong nửa đầu chu kì của một chu kì sóng siêu âm,nên đến nửa sau chu kì thì nó không có đủ thời gian để co lại nữa Dưới cácđiều kiện này, kích thước của một lỗ hổng sẽ dao động theo các chu kì giãn nở

và co lại Trong khi dao động như thế lượng khí hoặc hơi khuyếch tán vàohoặc ra khỏi lỗ hổng phụ thuộc vào diện tích bề mặt Diện tích bề mặt sẽ lớnhơn trong quá trình giãn nở và nhỏ hơn trong quá trình co lại Do đó, sự pháttriển của lỗ hổng trong quá trình giãn nở sẽ lớn hơn trong quá trình co lại Saunhiều chu kì siêu âm, lỗ hổng sẽ phát triển Lỗ hổng có thể phát triển đến mộtkích thước tới hạn mà tại kích thước đó lỗ hổng có thể hấp thụ hiệu quả nănglượng của sóng siêu âm Kích thước này gọi là kích thước cộng hưởng, nóphụ thuộc vào tần số của sóng âm Ví dụ, với tần số 20 kHz, kích thước nàykhoảng 170 mm Lúc này, lỗ hổng có thể phát triển rất nhanh trong một chu kìduy nhất của sóng siêu âm Một khi lỗ hổng đã phát triển quá mức, ngay cảtrong trường hợp cường độ siêu âm thấp hay cao, nó sẽ không thể hấp thụnăng lượng siêu âm một cách có hiệu quả được nữa Và khi không có nănglượng tiếp ứng, lỗ hổng không thể tồn tại lâu được Chất lỏng ở xung quanh sẽ

đổ vào và lỗ hổng bị suy sụp Sự suy sụp của lỗ hổng tạo ra một môi trườngđặc biệt cho các phản ứng hoá học - các điểm nóng (hot spot) Hóa siêu âmđược ứng dụng để chế tạo rất nhiều loại vật liệu nano như vật liệu nano xốp,nano dạng lỏng, hạt nano, ống nano

1.2.4 Cơ chế diệt vi khuẩn của nano bạc.

1.2.4.1 Cơ chế diệt vi khuẩn của nano bạc.

Sở dĩ nano bạc được nghiên cứu ứng dụng vào việc kháng khuẩn vì bạc

là kháng sinh tự nhiên và không gây tác dụng phụ Nano bạc không gây phản

ứng phụ, không gây độc cho người và vật nuôi khi nhiễm lượng nano bạc

bằng nồng độ diệt khuẩn (khoảng nồng độ <100ppm) (Tiwari, 2008).

Tuy nhiên cho tới nay, cơ chế kháng vi sinh vật của nano bạc vẫn chưađược hiểu biết rõ ràng Bằng các kỹ thuật chụp ảnh kính hiển vi điện tử có độphóng đại cao (FE-SEM,…), kết quả nghiên cứu cho thấy, hạt nano bạc bámdính với các thành phần điện tích âm trên bề mặt tế bào vi khuẩn, virut làmthay đổi tính thấm và sự hô hấp của màng tế bào Đồng thời các hạt bạc cókích thước nhỏ chui vào trong tế bào, kết hợp với các enzym hay DNA cóchứa nhóm sun phua hặc phốt phát gây bất hoạt enzym hay DNA dẫn đến gấychết tế bào.Trước sự gia tăng của dòng vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh điểnhình là Staphylococcus aureus hay các loại vi nấm gây bệnh thực vật thiếuthuốc đặc trị thì việc lựa chọn các chế phẩm chứa nano bạc đang rất đượcquan tâm

Thông thường nồng độ bạc sử dụng cho việc kháng khuẩn và sát trùngrất thấp, ví dụ như khoảng 5ppm cho việc diệt vi khuẩn Esherichia coli hiệu

quả đến 99% và khuẩn Staphylococcus aureus là hơn 99% Vì vậy, nano bạc

rất hữu ích cho việc sử dụng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm bệnh phục vụ chonhu cầu cuộc sống con người

1.2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng diệt khuẩn của nano bạc.

Kích thước, hình dạng hạt, nồng độ và sự phân bố là các yếu tố ảnhhưởng trực tiếp đến tính kháng khuẩn của nano bạc

+ Kích thước hạt nano bạc là yếu tố quan trọng quyết định khả năngdiệt khuẩn của chúng Hạt nano bạc có kích thước càng nhỏ thì khả năng diệtkhuẩn của chúng càng mạnh, vì khi ở kích thước càng nhỏ thì tỉ số giữa diệntích bề mặt và thể tích càng lớn và hạt cũng có thể dễ dàng tương tác với vikhuẩn hơn Tuy nhiên các hạt có kích thước nhỏ lại có khuynh hướng liên kếtvới nhau trong quá trình lưu trữ tạo thành các hạt lớn hơn gây ảnh hưởng tớikhả năng diệt khuẩn và bảo quản keo nano bạc Do đó trong quá trình chế tạo

chúng ta phải tìm ra các phương pháp vừa tạo ra hạt nano bạc có kích thướcnhỏ vừa bền vững.

+ Các hạt nano có thể có rất nhiều hình dạng khác nhau như hình que,hình cầu, hình tam giác,… và sự thể hiện của các hạt nano bạc với cùng nồng

độ, sự phân bố nhưng với các hình dạng khác nhau là không giống nhau Cáchạt nano bạc có hình tam giác cụt có tính kháng khuẩn cao hơn các hạt hìnhcầu và các hạt nano que có tính kháng khuẩn thấp nhất

+ Nano bạc có nồng độ càng cao và sự phân bố đều thì khả năng diệtkhuẩn càng tốt Tuy nhiên khi nồng độ quá cao, do năng lượng bề mặt hạtnano lớn, nên các hạt nano bạc sẽ va chạm vào nhau và phá vỡ cấu trúc nano

Vì vậy chúng ta cũng cần tìm nồng độ thích hợp để các hạt phân bố đồng đều,

và tránh kết tủa

PHẦN 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Chủng vi khuẩn lam M.aeruginosa thu nhận từ bộ sưu tập giống của

Phòng Thủy sinh học môi trường – Viện Công nghệ môi trường - Viện Hànlâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST)

Vật liệu nano Bạc để xử lý VKL M.aeruginosa).

2.2 Nội dung nghiên cứu.

 Kế thừa sản phẩm nano bạc đã được chế tạo

 Nghiên cứu đánh giá tác động của vật liệu nano bạc đến sinh trưởng

của chủng VKL M.aeruginosa.

2.3 Địa điểm nghiên cứu

Phòng thủy sinh học môi trường, Viện công nghệ môi trường , Việnhàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, số 18 Hoàng Quốc Việt, QuậnCầu Giấy, Hà Nội

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Bố trí thí nghiệm

2.4.1.1 Môi trường nuôi cấy

Chủng vi khuẩn lam M.aeruginosa được nhận từ bộ sưu tập giống của

Phòng Thuỷ sinh học môi trường - Viện Công nghệ Môi trường - Viện Hànlâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST) Microcystis aeruginosa đượcphân lập từ nước phú dưỡng hồ Kẻ Gỗ- Hà Tĩnh và nuôi cấy trong môi trường

CB ở điều kiện: nhiệt độ là 25 ± 20C và chiếu sáng huỳnh quang ở chế độ(1000 lux, 14 giờ sáng/8 giờ tối) Môi trường nuôi cấy CB bao gồm các thànhphần cơ bản sau: 0,15g/l Ca(NO3)2 4H2O, 0,1g/l KNO3, 0,04g/l MgSO4,0,05g/l β - sodium glycerophotphate và 0,0001mg/l Bicine Trước khi hấpthanh trùng cần điều chỉnh pH = 7,3 bằng dung dịch NaOH 0,1M or HCl0,1M Tất cả các thí nghiệm trong nghiên cứu đều sử dụng môi trường nuôicấy này