NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO BẠC, ĐỒNG, SẮT ĐỂ XỬ LÝ VI KHUẨN LAM ĐỘC TRONG THỦY VỰC NƢỚC NGỌT

Các phương pháp bố trí thí nghiệm Các phương pháp thí nghiệm như nuôi cấy tảo, lựa chọn vật liệu nano, đánh giá độc tính của vật liệu, đánh giá sự ảnh hưởng của các loại kích thước vật

-Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Dương Thị Thủy - Viện Công nghệ môi trường

2 TS Hà Phương Thư - Viện Khoa học Vật liệu

ngày … tháng … năm 201…

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

1 Tính cấp thiết của luận án

Trong những gần đây, ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí đã trở thành vấn đề hết sức nan giải không chỉ ở Việt Nam mà còn diễn ra ở nhiều nơi trên thế giới, trong đó ô nhiễm môi trường nước là trầm trọng hơn cả “Nở hoa nước” là hiện tượng phát triển bùng phát của vi tảo, đặc biệt là vi khuẩn lam (VKL) tại các thủy vực nước ngọt và thường gây ra những tác động xấu lên môi trường như làm đục nước, tăng pH, giảm hàm lượng oxy hòa tan do quá trình hô hấp hoặc phân hủy sinh khối tảo và đặc biệt là việc phần lớn VKL sản sinh ra độc tố VKL có độc tính cao Ngăn ngừa và giảm thiểu phát triển mạnh mẽ của VKL là vấn đề môi trường quan trọng cần được quan tâm Nhiều phương pháp đã được sử dụng như hóa học, cơ học, sinh học… song hiệu quả không triệt để và khá tốn kém, gây ảnh hưởng tới hệ sinh thái và khó tiến hành, đặc biệt là trong những thủy vực lớn Chính vì vậy việc tìm kiếm, phát triển những giải pháp mới có hiệu quả, không gây ô nhiễm thứ cấp và thân thiện với môi trường ngày càng được chú trọng nghiên cứu Công nghệ nano là công nghệ liên quan đến việc chế tạo và ứng dụng các vật liệu có kích thước nano mét (nm) Ở kích thước nano, vật liệu có nhiều đặc tính nổi trội như có kích thước nhỏ hơn

100 nm, có diện tích tiếp xúc bề mặt lớn so với khối lượng, tạo

ra ảnh hưởng của bề mặt Plasmon cộng hưởng, khả năng bám dính tốt và được ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau như y tế, mỹ phẩm, điện tử, xúc tác hoá học, môi trường Vì

vậy luận án được thực hiện với đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và

sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thủy vực nước ngọt” đã được lựa chọn thực hiện

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu, chế tạo và xác định tính chất, đặc trưng của 03 vật liệu nano (bạc, đồng và sắt) và đánh giá khả năng diệt VKL của vật liệu nano trong thủy vực nước ngọt

3 Các nội dung nghiên cứu chính của luận án

- Chế tạo và xác định đặc trưng, tính chất của ba loại vật liệu nano bạc, đồng và sắt

- Đánh giá khả năng diệt và ức chế VKL của ba loại vật liệu

- Đánh giá tính an toàn của vật liệu và các chế phẩm ứng

dụng

- Thực nghiệm ứng dụng của vật liệu ở quy mô phòng thí nghiệm với mẫu nước hồ Tiền

Chương 1 Tổng quan nghiên cứu

1.1 Tổng quan về vật liệu nano

1.2 Tổng quan về vi khuẩn lam và hiện tượng phú dưỡng 1.3 Tổng quan về các biện pháp xử lý ô nhiễm tảo độc Chương 2 Các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm 2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.2 Hóa chất, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu

2.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu

2.3.1 Tổng hợp vật liệu nano bạc bằng phương pháp khử hóa học

Vật liệu nano bạc được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa

2.3.2 Tổng hợp vật liệu nano đồng bằng phương pháp khử hóa học

Vật liệu nano đồng được tổng hợp bằng phương pháp khử

2.3.3 Tổng hợp vật liệu nano sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa

2.4 Các phương pháp xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu

Hình thái học của ba loại vật liệu nano được xác định bằng một số phương pháp như kính hiển vi truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR), phổ nhiễu xạ tia

X (XRD), phổ tử ngoại khả kiến (UV-VIS) và phổ tán sắc năng lượng (EDX)

2.5 Các phương pháp bố trí thí nghiệm

Các phương pháp thí nghiệm như nuôi cấy tảo, lựa chọn vật liệu nano, đánh giá độc tính của vật liệu, đánh giá sự ảnh hưởng của các loại kích thước vật liệu, đánh giá tính an toàn của vật liệu nano lên vi tảo và thí nghiệm với nước hồ Tiền đã được bố trí

2.6 Các phương pháp đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano đến sinh trưởng của vi tảo

Để đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano đến sinh trưởng của vi tảo, các phương pháp sau đã được sử dụng: OD, chla, mật độ tế bào, các phương pháp phân tích một số chỉ tiêu chất

+

mặt tế bào và cắt lát mỏng tế bào

2.7 Phương pháp thống kê, xử lý số liệu

Chương 3 Kết quả và thảo luận 3.1 Tổng hợp vật liệu nano

3.3.1 Tổng hợp vật liệu nano bạc bằng phương pháp khử hóa học

3.1.1.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ NaBH 4 /Ag +

Phổ đo UV-VIS (Hình 3.1) cho thấy dung dịch nano bạc hấp thụ ở bước sóng trong khoảng 400 nm và hiệu suất hình thành các hạt nano bạc đạt cực đại ở tỷ lệ 1:2 Kết quả chụp TEM (hình 3.2), cho thấy hạt nano bạc thu được có kích thước nhỏ hơn 20 nm

3.1.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ chất ổn định chitosan

Kết quả đo UV-VIS trên hình 3.4 cho thấy dung dịch nano

Ag điều chế được hấp thụ ở bước sóng 402-411 nm Ảnh TEM của các mẫu nano bạc phụ thuộc vào nồng độ chitosan được thể hiện trên hình 3.5 Nồng độ chitosan tối ưu cho quá trình điều chế dung dịch keo nano bạc được chọn là 300 mg/L

3.1.1.3 Ảnh hưởng của nồng độ axit citric

Kết quả đo UV-VIS (Hình 3.7) cho thấy dung dịch nano bạc được điều chế hấp thụ bước sóng trong khoảng 400-412 nm

thước nhỏ, đồng đều nhất và đều nhỏ hơn 20 nm, kết quả đo TEM được thể hiện trên hình 3.8

3

6

Hình 3.9 Ảnh HR-TEM của vật liệu nano Ag khảo sát ở tỷ lệ

tối ưu Cấu trúc hạt nano bạc ở tỷ lệ lựa chọn có cấu trúc tinh thể lục giác điển hình của hạt nano kim loại Ảnh HR-TEM ở hình 3.9 cho thấy các tinh thể có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt Fcc Vật liệu nano bạc ở điều kiện tỷ lệ nồng độ chất khử

chitosan là 300 mg/L được tổng hợp để thử nghiệm ảnh hưởng của vật liệu đến sinh trưởng của các đối tượng nghiên cứu trong luận án

3.1.2 Chế tạo vật liệu nano đồng bằng phương pháp khử hóa học

3.1.2.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ nồng độ NaBH 4 /Cu 2+

Giản đồ XRD treen hinhf 3.19 xuất hiện cả ba đỉnh có cường

độ hoàn toàn trùng khớp với phổ chuẩn của kim loại đồng với các mặt (111), (200), (220) tương ứng với góc 2θ = 43,3; 50,4

Fcc của kim loại đồng

Hình 3.10 Phổ XRD của vật

liệu nano Cu khảo sát theo tỉ

Hình 3.11 Ảnh SEM của các mẫu nano đồng theo tỷ lệ

Kết quả đo SEM (Hình 3.11) của vật liệu được thực hiện để xác định mức độ phân bố của hạt Cu và đo TEM để xác định kích thước hạt nano Cu (Hình 3.12)

M1 M2

: 1 và 1,5: 1 thì các hạt nano Cu tạo ra có kích thước > 50 nm Các hạt phân bố khá đồng đều với kích thước khoảng 20- 50 nm

cụm lại thành từng đám, phân bố không đồng đều, kích thước >

3.1.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ Cu 0

Giản đồ XRD ở hình 3.1.3 của các mẫu nano Cu đều xuất hiện các pic đặc trưng của vật liệu Cu Các pic đặc trưng trên giản đồ có cường độ rõ nét và độ bán rộng của đỉnh hẹp Ngoài

ra, trên giản đồ XRD của vật liệu còn thấy xuất hiện các pic đặc

Kết quả đo SEM (Hình 3.14) vật liệu cho thấy, các hạt nano

Cu tạo thành phân bố với kích thước không đồng đều khi nồng

phân bố khá đồng đều với kích thước trong khoảng 20-40 nm

= 3; 4g/L thì các hạt đồng tạo ra bắt đầu

có hiện tượng co cụm lại và tạo ra các hạt có kích thước > 50

hợp với kết quả đo TEM (Hình 3.15)

Cấu trúc vật liệu nano đồng ở tỷ lệ được lựa chọn cho thấy các hạt nano Cu hình thành có bề mặt khá đồng nhất (ảnh SEM, hình 3.16a), kích thước đồng đều trong khoảng 30 - 40 nm (ảnh TEM, hình 3.16b) và có cấu trúc lập phương tâm mặt Fcc với các đỉnh nhiễu xạ của các mặt phẳng mạng (111), (200) và (220) tương ứng với góc 2θ = 43,3; 50,4 và 74,00 với cường độ lớn (phổ XRD, hình 3.16c) Mẫu vật liệu này phù hợp với mục tiêu của luận án và được lựa chọn cho các thử nghiệm tiếp theo

a) Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Cu-51 b)

01-085-1326 (C) - Copper - Cu - Y: 16.13 % - d x by: 1 - WL: 1.5406 - Cubic - a 3.61500 - b 3.61500 - c 3.61500 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centered - Fm-3m (225) - 4 - 47.2416 - I/Ic PDF 8.9 - F4

Hình 3.16 Đặc trưng chi tiết mẫu vật liệu nano đồng N1 (a)

Ảnh SEM, (b) Ảnh TEM, (c) Giản đồ XRD

3.1.3 Chế tạo vật liệu nano sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa

3.1.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ chất ổn định CMC

Kết quả khảo sát hình thái, kích thước và sự phân tán vật

lượt là 1/1; 2/1; 3/1; 4/1 và 1/2 bằng phương pháp SEM và TEM thể hiện trên hình 3.17 và 3.18 Kết quả chụp SEM cho

thấy, khi nồng độ CMC trong dung dịch cao thì các hạt nano sắt thu được không đồng đều và kích thước hạt lớn, sự tập hợp giữa

các hạt nano sắt thu được có kích thước đồng đều nhất và đều

Kết quả chụp TEM cho thấy kích thước hạt nano thay đổi rất

2:1 các hạt nano sắt thu được có kích thước nhỏ, đồng đều nhất

và nhỏ hơn 20nm, nằm trong giới hạn kích thước siêu thuận từ

FC21) được lựa chọn để khảo sát các yếu tố tiếp theo

3.1.3.2 Kết quả đo hồng ngoại của vật liệu

Quan sát hình 3.19 ta thấy trên phổ IR của nano sắt từ về cơ

chứng tỏ điều kiện tổng hợp vật liệu không phá vỡ trúc của CMC Do đó, phương pháp đồng kết tủa để tổng hợp vật liệu phù hợp về độ tinh sạch cũng như hiệu suất

3.1.3.3 Kết quả đo từ độ của vật liệu

Kết quả đo từ độ bão hòa thể hiện trên hình 3.20 cho thấy các hạt nano sắt đều ở dạng siêu thuận từ Từ độ bão hòa của

ứng với hàm lượng pha từ trong vật liệu Kết quả chứng tỏ sự tương tác bề mặt của pha từ với polyme làm giảm từ độ bão hòa, phù hợp với kết quả phân tích TEM

3.2 Đánh giá khả năng ức chế sinh trưởng và diệt vi tảo của các loại vật liệu nano đã tổng hợp

3.2.1 Nghiên cứu lựa chọn nồng độ của ba loại vật liệu nano Bảng 3.1 Kết quả sàng lọc tác dụng diệt VKL M aeruginosa

KG của các loại vật liệu nano chế tạo

nghiệm (mg/L)

Tác dụng diệt VKL

Hình 3.21 Ảnh hưởng của các vật liệu nano đến sinh trưởng

của chủng VKL M aeruginosa KG sau 7 ngày

Các thí nghiệm sàng lọc nồng độ được tiến hành nhằm đánh

giá nhanh tác dụng diệt VKL M aeruginosa KG sau thời gian 7

ngày Kết quả thu được ở bảng 3.1 và hình 3.21 cho thấy hai vật liệu nano bạc và đồng ức chế sinh trưởng và phát triển của

chủng VKL M aeruginosa KG sau 6 ngày thử nghiệm (Bảng

3.1 và hình 3.21a và b), trong khi đó vật liệu nano sắt từ không

và 10 (Hình 3.22a, b) Độc tính của vật liệu nano bạc đến sinh

trưởng của VKL M aeruginosa KG tính theo nồng độ vật liệu

bổ sung vào môi trường nuôi cấy gây ảnh hưởng đến 50% số lượng cá thể (EC50) đạt 0,0075mg/L

Kết quả mật độ tế bào và hàm lượng chla cho thấy, mật độ tế bào và sinh khối trong mẫu đối chứng tăng tương ứng từ ngày D0 (110.741 ± 6.317 tế bào/mL và 1,98 ± 0,06 µg/L tương ứng) đến ngày kết thúc thúc thí nghiệm D10 (5.475.556 ± 541.274 tế bào/mL và 23,4 ±2,96 µg/L tương ứng) (hình 3.23 a) Cả năm

dải nồng độ thử nghiệm đều gây độc tính cho tế bào tảo VKL M

aeruginosa KG Hiệu suất ức chế sinh trưởng (hình 3.23b) > 75%

chỉ xuất hiện ở 4 nồng độ thử nghiệm từ 0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm

liệu nano bạc tính theo mật độ

tế bào (a) và hiệu suất ức chế

sinh trưởng chủng VKL M

tính theo mật độ quang (a) và

hàm lượng chla (b)

aeruginosa KG (b)

Kết quả chụp SEM cấu trúc bề mặt tế bào sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano bạc ở nồng độ 1 ppm thể hiện trong hình 3.24a (mẫu đối chứng) và 3.24b (mẫu có bổ sung nano bạc với nồng

độ 1ppm) Ở mẫu đối chứng, tế bào VKL M aeruginosa KG

hình tròn hoặc cầu với bề mặt ngoài tế bào trơn nhẵn, mịn màng (hình 3.24a) Tế bào trở lên méo mó, co cụm lại sau khi tiếp xúc với vật liệu nano bạc (hình 3.24b) Điều này chứng tỏ vật liệu nano bạc đã làm thay đổi đáng kể hình thái của tế bào

trên tế bào VLK M aeruginosa KG Kết quả ở hình 3.25 khẳng

định rằng nano bạc xuất hiện và bám trên bề mặt vi tảo với tỷ lệ 0,37% về trọng lượng

Kết quả chụp TEM ở mẫu đối chứng (hình 3.26a) cho thấy,

siêu cấu trúc tế bào M aeruginosa KG có thành tế bào rõ ràng,

các bào quan nằm gọn gàng trong tế bào Khi tiếp xúc với vật liệu nano bạc với nồng độ 1ppm sau thời gian 48h, tế bào VKL

đã bị phá huỷ (hình 3.26b) Điều này chứng tỏ vật liệu nano bạc

đã gây ảnh hưởng đến cấu trúc tế bào VKL M aeruginosa KG

Totals 100,00

Hình 3.25 Phổ EDX và thành phần các nguyên tố xuất hiện

trên bề mặt tế bào VKL M aeruginosa KG sau 48h tiếp xúc với

của tảo lục C vulgaris tính theo nồng độ vật liệu bổ sung vào

môi trường nuôi cấy gây ảnh hưởng đến 50% số lượng cá thể (EC50) đạt 0,017mg/L

Hình 3.27 Ảnh hưởng của vật

liệu nano bạc đến sinh trưởng

của tảo lục C vulgaris: a) OD

và b) mật độ tế bào

Hình 3.28 Ảnh hưởng của vật

liệu nano bạc đến sinh trưởng

của tảo lục C vulgaris theo

hiệu suất ức chế sinh trưởng

(a) và chla (b)

Sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano bạc, mật độ tế bào giảm từ 195.925 ± 18.770 (D0) xuống còn 82.778 ± 41.384 (D10) tế bào/mL Ở nồng độ 0,005 và 0,01 ppm, AgNPs không ảnh hưởng

đến sự phát triển của C vulgaris, mật độ tế bào sau 2, 6 và 10

ngày tăng tuyến tính với mẫu đối chứng Kết quả phân tích hàm lượng chla (Hình 3.28b) cho thấy, ở các mẫu đối chứng và mẫu

có bổ sung 0,005 và 0,01 ppm vật liệu nano bạc, hàm lượng chla tăng dần từ 2,0604 ± 0,3505 µg/L (D0) và đạt giá trị cao nhất ở ngày kết thúc thí nghiệm 27,285 ± 4,6893 µg/L (D10) Hiệu suất

ức chế sinh trưởng của các nồng độ vật liệu nano bạc sau 10 ngày

được trình bày ở hình 3.28a Ở các nồng độ thử nghiệm từ 0,05 đến 1 ppm hiệu suất ức chế đạt > 90%

Kết quả chụp SEM cấu trúc bề mặt tế bào sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano bạc ở nồng độ 1 ppm thể hiện trong hình 3.29a (mẫu đối chứng) và 3.29b (mẫu có bổ sung nano bạc với nồng độ 1ppm) Ở mẫu đối chứng, tế bào tảo lục hình cầu hoặc elip, các tế bào nhẵn và bào quan trong tế bào nhìn rõ (hình 3.29a) Tế bào trở lên méo mó, bề ngoài tế bào sần sùi và co cụm sau khi tiếp xúc với vật liệu nano bạc (hình 3.29b) Điều này chứng tỏ vật liệu nano bạc đã làm thay đổi đáng kể hình thái của tế bào

Kết quả chụp SEM-EDX ở hình 3.30 khẳng định nano bạc

đã xuất hiện và bám trên bề mặt tảo lục với tỷ lệ 5,76% về trọng

lượng Ảnh TEM siêu cấu trúc tế bào tảo lục C vulgaris (hình

3.31a) cho thấy, ở mẫu đối chứng tế bào hình cầu hoặc elip, các

tế bào nhẵn và bào quan trong tế bào nhìn rõ Khi tiếp xúc với

vật liệu nano bạc ở nồng độ 1ppm sau 48h, các tế bào tảo lục C

vulgaris hơi méo, bề ngoài tế bào sần sùi và co cụm (hình

3.31b) Điều này chứng tỏ vật liệu nano bạc đã gây ảnh hưởng

đến cấu trúc tế bào tảo lục C vulgaris

Hình 3.30 Phổ EDX và thành phần các nguyên tố xuất hiện

trên bề mặt tế bào tảo lục C vulgaris sau 48h

3.2.3 Ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến sinh trưởng và phát triển của VKL M aeruginosa KG và tảo lục C Vulgaris

3.2.3.1 Ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến sinh trưởng và

phát triển của VKL M aeruginosa KG

Các thí nghiệm tương tự được thực hiện với vật liệu nano đồng để khảo sát ảnh hưởng của vật liệu đến sinh trưởng và

phát triển của VKL M aeruginosa KG Kết quả thể hiện trong

hình 3.32

Hình 3.32 Sinh trưởng của chủng VKL M aeruginosa KG ở

các nồng độ dung dịch nano đồng khác nhau (0,01; 0,05; 0,1; 1

và 5 ppm): OD (a); chla (b); mật độ tế bào (c)

Trong hai ngày đầu thử nghiệm, kết quả cho thấy không có

sự khác biệt về sinh trưởng giữa mẫu đối chứng và năm mẫu có

bổ sung vật liệu nano đồng Đến ngày D10 ở các mẫu thực

nghiệm ghi nhận sinh khối của VKL M aeruginosa KG lớn hơn

so với mẫu đối chứng (hình 3.32a, b)

Hình 3.33 Hiệu suất ức chế

sinh trưởng của VKL M

aeruginosa KG sau 10 ngày

Hình 3.34 Ảnh SEM VKL M

aeruginosa KG: a) mẫu đối

chứng và b) mẫu 1ppm vật

liệu nano sau 48h

Giá trị đo chla (D0) ở mẫu thí nghiệm có bổ sung 1 và 5 ppm vật liệu nano đồng đạt 1,845 ± 0,1569 µg/L và 2,295 ± 0,1155 µg/L Đến ngày cuối (D10), giá trị này chỉ còn 1,068 ± 1,001 µg/L và 0,1168 ± 0,0501 µg/L tương ứng Ngược lại, hàm lượng chla trong mẫu đối chứng tăng từ 2,485 ± 0,135 µg/L (D0) lên 7,1501 ± 0,9766 µg/L (D10) Kết quả này cho thấy vật