Đặt vấn đề Vào tháng 06/2018, tạp chí Lencet đã tiết lộ kết quả của Công trình khảo sát về sử dụng kháng sinh trong bệnh viện nhằm đánh giá chỉ định và đề kháng kháng sinh trên toàn thế giới [1]. Theo đó, 5 nhóm bệnh lý hàng đầu được chỉ định kháng sinh đều có liên quan đến các bệnh về viên phổi, nhiễm trùng, với gần 46% tổng số bệnh nhân được chỉ định điều trị bằng kháng sinh. Trong đó, ghi nhận Fluoroquinolones là kháng sinh được kê đơn phổ biến thứ ba, và levofloxacin – một loại kháng sinh trong họ này được sử dụng 12,8% ở Bắc Mỹ và 7,4% ở Đông Nam Á. Tuy nhiên, việc sử dụng kháng sinh ngày càng gây khó khăn trong điều trị kháng sinh ban đầu do vi khuẩn kháng thuốc, đề kháng kháng sinh, làm tăng tỉ lệ tử vong, kéo dài thời gian nằm viện và tăng chi phí điều trị.
Đơn cử Tại Việt Nam, bệnh viêm phổi mắc phải trong bệnh viện (còn gọi là viêm phổi bệnh viện), Viêm phổi liên quan thở máy do những tác nhân gram âm không lên men như Acinetobacter baumannii và P. baumannii đề kháng rất cao với nhóm carbapenem nhóm 2 như imipenem và meropenem (98%), cũng như kháng đến 98% với levofloxacin. aeruginosa cũng có tỉ lệ đề kháng cao với nhóm carbapenem trên 70%, kháng nhóm fluoroquinolone xấp xỉ 50% (levofloxacin 50 % và ciprofloxacin 50%) [2]. Hoặc chủng Escherichia coli, Staphylococcus aureus chiếm tỷ lệ cao nhất trong số vi khuẩn thuộc nhóm Gram âm phân lập.
Tình hình kháng kháng sinh của Escherichia coli rất cao, lên đến 100% với Ampicillin; Staphylococcus aureus đề kháng 100% với Penicillin [3] Cho nên, việc sử dụng kháng sinh trong chữa trị bệnh và đề kháng kháng sinh đang là mối quan tâm trong ngành y, thôi thúc các nghiên cứu phương pháp xử lý các loại kháng sinh sao cho có hiệu quả. Tuy nhiên, nhiều phương pháp truyền thống không hiệu quả cho việc khoáng hóa hoàn toàn kháng sinh do đặc tính khó phân hủy sinh học của chúng. Cụ thể, các phương pháp sinh học sử dụng vi khuẩn, vi sinh để xử lý kháng sinh tiềm ẩn từ dư lượng kháng sinh sẽ làm phát triển gen kháng và vi khuẩn kháng kháng sinh trong chính hệ thống xử lý. Bên cạnh đó, vi sinh không phân 2 hủy và bẻ mạch được các cấu trúc của kháng sinh hệ Fluoroquinolones, và cơ chế chính loại bỏ các kháng sinh này là hấp thụ vào bùn trong quá trình xử lý bùn hoạt tính [4], [5].
Nên các nghiên cứu cải tiến phương pháp xử lý dựa trên các quá trình oxi hóa bậc cao (AOPs) - bằng việc sử dụng và tạo thành các gốc tự do có khả năng oxy hóa mạnh mẽ như Hydroxyl OH⚫ (có E0 = 2,8 V) đã được thực hiện. Chẳng hạn các nghiên cứu gần đây liên quan đến các quá trình oxi hóa bậc cao (AOPs) đã nhận được nhiều quan tâm do khả năng có thể phân hủy các hợp chất kháng sinh này như ozone hóa ([6], [7], [8], [9]), fenton và oxi hóa fenton [10], quang hóa và quang hóa H2O2 bậc cao, xúc tác quang dị thể, dùng sóng siêu âm. Trong đó, quá trình quang xúc tác sử dụng các chất xúc tác như TiO2, ZnO, ZnS, Fe2O3, CdS, WO3, v.v là một trong các giải pháp tiềm năng trong việc khoáng hóa gần như hoàn toàn các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Dựa trên các báo cáo nghiên cứu về khả năng loại bỏ LEVO, quá trình Fenton được nhận thấy có thể áp dụng ở mức thực tế nhưng lượng bùn sắt phát sinh lớn và lại lần nữa chuyển hóa chất ô nhiễm vào một dạng chất thải khác trong môi trường mà cần xử lý sau đó.
Quang xúc tác được nhận thấy có thể biến đổi về mặt hóa học của chất ô nhiễm bằng chất xúc tác dưới tác dụng của ánh sáng được cung cấp năng lượng cao, giải quyết được trực tiếp chất ô nhiễm khó phân hủy, mặc dù phương pháp này chỉ đang được nghiên cứu ở phạm vi quy mô nhỏ. Quá trình quang xúc tác sẽ đẩy nhanh quá trình quang phân chất ô nhiễm, khắc phục sự phân rã chậm, và cơ chế loại bỏ của phương pháp này không chỉ xảy ra do gốc hydroxyl OH⚫, mà còn thông qua các gốc tự do khác từ oxy có khả năng oxy hóa mạnh. Một điểm thú vị nữa liên quan đến quá trình này là chất xúc tác, một tác nhân làm tăng tốc độ phản ứng nhưng không làm thay đổi các phản ứng trong quá trình. Hầu hết các chất xúc tác quang là kim loại bán dẫn vì chúng có mức năng lượng vùng cấm hẹp như TiO2, ZnO, ZnS, Fe2O3, CdS, WO3.
Và cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật vật liệu, các chất xúc tác quang được biến tính trên nền các vật liệu khác nhau đã cho ra các tiềm năng xử lý chất ô nhiễm khác nhau mà trong bài nghiên cứu này, tôi lựa chọn một loại kháng sinh đặc trưng để khảo sát khả năng loại bỏ chất ô nhiễm này bằng phương pháp quang xúc tác, sử dụng các xúc tác được biến tính khác nhau trên nền một vật liệu nano bán dẫn đang được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Đó 3 là lý do đề tài đánh giá khả năng loại bỏ kháng sinh Levofloxacin (LEVO) trong nước bằng quang hóa sử dụng vật liệu biến tính TiO2 được triển khai, để tiếp nối loạt nghiên cứu về kháng sinh và phương pháp loại bỏ dư lượng kháng sinh trong nước.2 Mục tiêu nghiên cứu Khả năng xử lý kháng sinh LEVO trong nước bằng quá trình quang xúc tác sử dụng vật liệu xúc tác nền TiO2 1.3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: ‐ Nội dung 1: Đánh giá khả năng phân hủy quang xúc tác của LEVO sử dụng các loại vật liệu xúc tác quang trên nền TiO2. ‐ Nội dung 2: Xác định ảnh hưởng của các thông số (pH, nồng độ chất ô nhiễm, lượng vật liệu quang xúc tác, ánh sáng, thời gian phản ứng) đến hiệu quả xử lý LEVO và tối ưu hóa mô hình xử lý. ‐ Nội dung 3: Động học phản ứng quá tình quang xúc tác xử lý LEVO trong nước ‐ Nội dung 4: Nhận diện các gốc tự do và đề xuất cơ chế phân hủy LEVO.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm: - Levofloxacin trong nước giả thải với hàm lượng kháng sinh LEVO là 10 ppm.
- Các nhóm vật liệu xúc tác quang: TiO2 không biến tính, vật liệu TiO2 tổng hợp theo phương pháp thủy nhiệt, vật liệu TiO2 tổng hợp theo phương pháp sol- gel.2 Phạm vi nghiên cứu - Mô hình nghiên cứu theo quy mô phòng thí nghiệm tại phòng thí nghiệm phân tích Môi trường – Trường đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học - Kế thừa và phát triển phương pháp xử lý LEVO hiệu quả.2 Ý nghĩa thực tiễn - Đề tài đưa ra số liệu tổng quan về hiệu quả xử lý kháng sinh LEVO trong nước bằng các vật liệu xúc tác mới dựa trên phương pháp quang học, làm tiền đề cho các nghiên cứu xử lý kháng sinh này trong các nguồn nước phát thải ra môi trường về sau, trong đó chủ yếu là nước thải bệnh viện và nước thải các khu vực chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản. - Đề tài này sẽ góp phần vào dữ liệu nền chung của đề tài lớn hơn về các phương pháp xử lý nước thải kháng sinh tại Việt Nam.6 Tính mới của đề tài Tại Việt Nam, các nghiên cứu về xử lý dư lượng kháng sinh trong nước (cụ thể như LEVO) bằng vật liệu xúc tác quang TiO2 còn hạn chế. Do vậy, nghiên cứu này được thực hiện để khảo sát và đánh giá khả năng loại bỏ các chất kháng sinh trong nước bằng phương pháp quang xúc tác sử dụng các vật liệu trên nền TiO2. Kết quả của nghiên cứu này có thể mở ra một phương pháp xử lý hiệu quả hơn cho vấn đề dư lượng chất kháng sinh trong nguồn nước hiện nay.
5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan kháng sinh 2.1 Kháng sinh và nguồn gốc kháng sinh trong môi trường Kháng sinh là một loại chất có khả năng tiêu diệt hoặc ức chế sự hoạt động của vi khuẩn và các sinh vật gây bệnh. Thuật ngữ này bắt nguồn từ gốc tiếng Hy Lạp là anti, "chống lại" và βίος bios, "sự sống" - được sử dụng rộng rãi để chỉ bất kỳ chất nào được sử dụng để chống lại tế bào sống, kháng sinh có nghĩa là “chống lại sinh học” hay “kết thúc sự sống” [11]. Kháng sinh theo nghĩa rộng hơn là một chất hóa trị liệu ức chế hoặc loại bỏ sự phát triển của vi sinh vật, chẳng hạn như vi khuẩn, nấm hoặc động vật nguyên sinh. Các thuật ngữ khác thường được sử dụng là tác nhân hóa trị liệu hoặc kháng khuẩn, tuy nhiên, những thuật ngữ này không đồng nghĩa.
Chẳng hạn, thuốc chống vi trùng cũng có thể có hiệu quả chống lại vi rút. Cụm từ ‘‘hóa trị liệu” dùng để chỉ các hợp chất được sử dụng để điều trị bệnh có tác dụng tiêu diệt tế bào ung thư. Thuật ngữ ‘‘hóa trị liệu” cũng có thể hiểu nhầm là thuốc kháng sinh (‘‘hóa trị liệu kháng khuẩn”). Thuật ngữ kháng sinh ban đầu dùng để chỉ bất kỳ tác nhân nào có hoạt tính sinh học chống lại các sinh vật sống; tuy nhiên, thuật ngữ ‘‘kháng sinh” hiện nay còn được dùng để chỉ các chất có hoạt tính kháng khuẩn, chống ngộ độc hoặc chống ký sinh trùng.
Các kháng sinh đầu tiên có nguồn gốc tự nhiên, ví dụ như penicillin được tạo ra bởi nấm trong chi Penicillium, hoặc streptomycin từ các trực khuẩn của chi Streptomyces. Người đầu tiên trực tiếp ghi nhận việc sử dụng nấm mốc để chống lại nhiễm trùng là John Parkinson (1567 – 1650). Sau đó, Alexander Fleming (1881 – 1955) đã phát hiện ra penicillin ngày nay trong nấm mốc vào năm 1928 [12]. Hiện nay, thuốc kháng sinh có thể có được bằng cách tổng hợp hóa học, chẳng hạn như thuốc sulfa (ví dụ: sulfamethoxa-zole), hoặc bằng cách biến đổi hóa học các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên.1 dưới đây mô tả một số nhóm kháng sinh chính Bảng 2.
Một số nhóm kháng sinh chính [11] Họ / Nhóm / Nhánh phụ / Đại diện loại/ STT Class Group Sub-group Example 1. β-lactams Penicilins Benzyl-penicillins Phenoxypenicillin Isoxazolyl-penicillins Oxacillin 6 Họ / Nhóm / Nhánh phụ / Đại diện loại/ STT Class Group Sub-group Example β-lactams Amino-penicillins Amoxcillin β-lactams Carboxy-penicillins Carbenicillin Acylamino-pecnicillins Piperacillin Cephalosprins Cefazolin Cefazolin Cefuroxim Cefuroxim Cefotaxim Cefotaxim Cefalexin Cefprozil Carbpenems Meropenem 2. Tetracyclines Doxycycline Tetracyclines 3. Aminoglycosides Gentamicin 1c Aminoglycosides 4.
Macrolides Erythromycin A Macrolides 5.