Tổng quan nghiên cứu

Kháng sinh là nhóm dược phẩm được sử dụng rộng rãi trong điều trị các bệnh nhiễm khuẩn ở người, động vật và cây trồng. Tại Việt Nam, mức tiêu thụ kháng sinh trung bình tại các bệnh viện là khoảng 274,7 DDD/100 ngày/giường, cao hơn nhiều so với các nước châu Âu. Norfloxacin và Amoxicillin là hai loại kháng sinh phổ biến, được phát hiện tồn dư trong nước thải bệnh viện với nồng độ từ vài µg/L đến hàng chục µg/L. Việc tồn dư kháng sinh trong nước thải không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc, đe dọa sức khỏe cộng đồng.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết lập quy trình phân tích Norfloxacin và Amoxicillin trong nước thải bệnh viện bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và đánh giá hiệu quả xử lý hai loại kháng sinh này bằng vật liệu xúc tác TiO2/SBA-15. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu nước thải bệnh viện tại Việt Nam, trong điều kiện phòng thí nghiệm, nhằm góp phần kiểm soát ô nhiễm kháng sinh và bảo vệ môi trường nước.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các phương pháp phân tích hiện đại, đồng thời ứng dụng vật liệu xúc tác tiên tiến để xử lý nước thải chứa kháng sinh, góp phần giảm thiểu nguy cơ kháng thuốc và ô nhiễm môi trường. Các chỉ số như giới hạn phát hiện, độ tuyến tính của phương pháp HPLC và hiệu suất xử lý kháng sinh được đánh giá cụ thể, làm cơ sở cho việc ứng dụng thực tiễn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Kháng sinh và cơ chế tác dụng: Norfloxacin thuộc nhóm Fluoroquinolone, ức chế enzym DNA-gyrase của vi khuẩn; Amoxicillin thuộc nhóm Beta-lactam, ức chế tổng hợp thành tế bào vi khuẩn. Hai loại kháng sinh này có đặc tính hóa lý khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng phân hủy và xử lý trong môi trường.

  • Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): Dựa trên nguyên tắc phân tách các thành phần trong hỗn hợp dựa trên ái lực khác nhau giữa pha tĩnh (cột C18) và pha động (hỗn hợp dung môi và đệm). HPLC cho phép phân tích định lượng chính xác các hợp chất trong mẫu nước thải với độ nhạy cao.

  • Vật liệu xúc tác TiO2/SBA-15: TiO2 là chất xúc tác quang phổ biến với hiệu quả cao, bền vững và thân thiện môi trường. SBA-15 là vật liệu mao quản trung bình có diện tích bề mặt lớn, giúp phân tán TiO2 đồng đều, tăng hiệu quả xúc tác. Tổ hợp TiO2/SBA-15 được ứng dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như kháng sinh trong nước thải.

Các khái niệm chính bao gồm: giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ), hệ số dung lượng (K’), độ phân giải (Rs), và các thông số đặc trưng của sắc ký như thời gian lưu giữ (tR), chiều cao peak (Hpeak).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu nước thải bệnh viện được lấy tại bể đầu ra sau hệ thống xử lý nước thải của bệnh viện, bảo quản lạnh và lọc loại bỏ cặn lơ lửng trước khi phân tích.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng hệ thống HPLC với cột Nova-Pak C18 (4 µm; 150 × 3,9 mm), detector UV ở bước sóng 277 nm cho Norfloxacin và 230 nm cho Amoxicillin. Pha động gồm Acetonitrile và dung dịch đệm KH2PO4, tỷ lệ pha động và tốc độ dòng được tối ưu hóa để đạt hiệu quả tách sắc ký tốt nhất.

  • Chuẩn bị mẫu và dung dịch chuẩn: Dung dịch chuẩn Norfloxacin và Amoxicillin được chuẩn bị với nồng độ 100 mg/L, pha loãng để xây dựng đường chuẩn. Dung dịch hỗn hợp chuẩn cũng được chuẩn bị để phân tích đồng thời hai kháng sinh.

  • Thẩm định phương pháp: Đánh giá tính chọn lọc, độ chính xác, độ lặp lại, giới hạn phát hiện và định lượng theo hướng dẫn của ICH và AOAC. Cỡ mẫu nghiên cứu khoảng 30 mẫu nước thải bệnh viện.

  • Đánh giá hiệu quả xử lý: Thí nghiệm xử lý nước thải bằng vật liệu TiO2/SBA-15 với các điều kiện khác nhau về hàm lượng xúc tác, nồng độ kháng sinh, nhiệt độ phản ứng. Hiệu quả xử lý được đánh giá dựa trên tỷ lệ loại bỏ Norfloxacin và Amoxicillin, đo bằng HPLC trước và sau xử lý.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, tối ưu hóa phương pháp HPLC, thí nghiệm xử lý xúc tác và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khảo sát điều kiện phân tích HPLC: Bước sóng hấp thụ cực đại của Norfloxacin và Amoxicillin lần lượt là 277 nm và 230 nm. Tỷ lệ pha động Acetonitrile:KH2PO4 (30:70) và tốc độ dòng 1,0 ml/phút cho kết quả sắc ký tốt với độ phân giải Rs > 1,5, hệ số bất đối xứng Asys gần 1,2, đảm bảo độ chính xác và độ lặp lại cao.

  2. Thẩm định phương pháp: Giới hạn phát hiện (LOD) của Norfloxacin và Amoxicillin lần lượt là khoảng 0,05 mg/L và 0,07 mg/L. Phương pháp có độ tuyến tính cao với hệ số tương quan r2 ≥ 0,999 trong khoảng nồng độ 1 – 20 mg/L. Độ thu hồi đạt 95-98%, độ lệch chuẩn tương đối (RSD) dưới 5%.

  3. Hiệu quả xử lý bằng TiO2/SBA-15: Khi sử dụng vật liệu TiO2/SBA-15 với hàm lượng xúc tác 0,5 g/L, nhiệt độ phản ứng 30°C, tỷ lệ loại bỏ Norfloxacin đạt khoảng 85%, Amoxicillin đạt 80% sau 120 phút xử lý. Tăng hàm lượng xúc tác lên 1,0 g/L và nhiệt độ lên 40°C nâng cao hiệu quả xử lý lên trên 90% cho cả hai kháng sinh.

  4. Độ ổn định của xúc tác: Vật liệu TiO2/SBA-15 duy trì hiệu quả xử lý trên 85% sau 4 chu kỳ sử dụng liên tiếp, cho thấy tính bền vững và khả năng tái sử dụng cao.

Thảo luận kết quả

Kết quả phân tích sắc ký cho thấy phương pháp HPLC với cột C18 và detector UV là phù hợp để phân tích đồng thời Norfloxacin và Amoxicillin trong mẫu nước thải bệnh viện với độ nhạy và độ chính xác cao. Các thông số sắc ký được tối ưu hóa giúp tách biệt rõ ràng hai kháng sinh, tránh chồng chéo pic, đảm bảo kết quả định lượng tin cậy.

Hiệu quả xử lý kháng sinh bằng vật liệu TiO2/SBA-15 cao hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống như xử lý sinh học hoặc quang xúc tác TiO2 đơn lẻ. Sự kết hợp giữa TiO2 và cấu trúc mao quản SBA-15 giúp tăng diện tích bề mặt xúc tác, cải thiện khả năng hấp phụ và phân hủy kháng sinh. Nhiệt độ và hàm lượng xúc tác là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về xử lý kháng sinh trong nước thải.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sắc ký thể hiện sự tách biệt các pic Norfloxacin và Amoxicillin, đồ thị biểu diễn tỷ lệ loại bỏ kháng sinh theo thời gian và hàm lượng xúc tác, cũng như bảng thống kê các chỉ số thẩm định phương pháp. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của vật liệu TiO2/SBA-15 trong xử lý nước thải bệnh viện chứa kháng sinh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng vật liệu TiO2/SBA-15 trong xử lý nước thải bệnh viện: Khuyến khích các cơ sở y tế áp dụng công nghệ xử lý sử dụng TiO2/SBA-15 để nâng cao hiệu quả loại bỏ kháng sinh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, phối hợp với các đơn vị nghiên cứu và quản lý môi trường.

  2. Xây dựng quy trình phân tích chuẩn bằng HPLC cho kháng sinh trong nước thải: Đào tạo nhân viên phòng thí nghiệm tại các bệnh viện và trung tâm kiểm soát môi trường sử dụng phương pháp HPLC để giám sát tồn dư kháng sinh định kỳ, đảm bảo chất lượng nước thải đạt chuẩn. Thời gian triển khai 6-12 tháng.

  3. Tăng cường quản lý và kiểm soát sử dụng kháng sinh tại bệnh viện: Áp dụng các biện pháp kiểm soát kê đơn, sử dụng kháng sinh hợp lý nhằm giảm lượng kháng sinh thải ra môi trường, góp phần hạn chế kháng thuốc. Chủ thể thực hiện là các cơ quan y tế và bệnh viện, với kế hoạch dài hạn.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu xúc tác TiO2/SBA-15 cho các loại kháng sinh khác và môi trường nước khác: Khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo mở rộng phạm vi xử lý, đánh giá hiệu quả và tính bền vững của vật liệu trong điều kiện thực tế đa dạng. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Môi trường và Hóa học phân tích: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về phương pháp HPLC và ứng dụng vật liệu xúc tác TiO2/SBA-15 trong xử lý ô nhiễm nước thải chứa kháng sinh, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Thông tin về mức độ tồn dư kháng sinh và hiệu quả xử lý giúp xây dựng chính sách quản lý, giám sát và kiểm soát ô nhiễm nước thải bệnh viện.

  3. Các bệnh viện và cơ sở y tế: Hướng dẫn quy trình phân tích và xử lý nước thải chứa kháng sinh, góp phần nâng cao chất lượng xử lý nước thải và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

  4. Doanh nghiệp công nghệ môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển và ứng dụng các sản phẩm vật liệu xúc tác mới, nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp và y tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp HPLC có ưu điểm gì trong phân tích kháng sinh?
    HPLC cho phép phân tích định lượng chính xác, độ nhạy cao, khả năng tách đồng thời nhiều hợp chất khác nhau, phù hợp với mẫu phức tạp như nước thải bệnh viện. Ví dụ, trong nghiên cứu này, HPLC giúp xác định Norfloxacin và Amoxicillin với giới hạn phát hiện dưới 0,1 mg/L.

  2. Vật liệu TiO2/SBA-15 hoạt động như thế nào trong xử lý kháng sinh?
    TiO2/SBA-15 kết hợp khả năng xúc tác quang của TiO2 và diện tích bề mặt lớn của SBA-15, tạo ra các gốc oxy hóa mạnh giúp phân hủy hiệu quả các hợp chất kháng sinh khó phân hủy trong nước thải.

  3. Hiệu quả xử lý kháng sinh bằng TiO2/SBA-15 đạt được bao nhiêu phần trăm?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ loại bỏ Norfloxacin và Amoxicillin đạt trên 85% trong điều kiện tối ưu, cao hơn nhiều so với các phương pháp xử lý truyền thống.

  4. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại kháng sinh khác không?
    Vật liệu TiO2/SBA-15 có tiềm năng xử lý nhiều loại kháng sinh và hợp chất hữu cơ khác nhờ cơ chế xúc tác quang, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để tối ưu điều kiện cho từng loại kháng sinh cụ thể.

  5. Làm thế nào để đảm bảo tính ổn định và tái sử dụng của vật liệu xúc tác?
    Nghiên cứu cho thấy TiO2/SBA-15 duy trì hiệu quả xử lý trên 85% sau 4 chu kỳ sử dụng, cho thấy vật liệu có độ bền cao và khả năng tái sử dụng tốt, giúp giảm chi phí vận hành.

Kết luận

  • Thiết lập thành công phương pháp phân tích đồng thời Norfloxacin và Amoxicillin trong nước thải bệnh viện bằng HPLC với độ nhạy và độ chính xác cao.
  • Vật liệu xúc tác TiO2/SBA-15 thể hiện hiệu quả xử lý kháng sinh vượt trội, loại bỏ trên 85% Norfloxacin và Amoxicillin trong điều kiện tối ưu.
  • Vật liệu có tính ổn định và khả năng tái sử dụng cao, phù hợp ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải bệnh viện.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về xử lý ô nhiễm kháng sinh, hỗ trợ phát triển công nghệ xử lý nước thải thân thiện môi trường.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ và quy trình phân tích tại các cơ sở y tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các loại kháng sinh và môi trường khác.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm quy mô lớn tại các bệnh viện và hoàn thiện quy trình vận hành để đưa công nghệ vào ứng dụng thực tiễn. Các cơ quan quản lý và doanh nghiệp công nghệ môi trường được khuyến khích phối hợp triển khai nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.