CHƯƠNG 1. Ô nhiễm nguồn nước 1. Tác động vi khuẩn kháng kháng sinh Nước được coi là một trong những nguồn tài nguyên quan trọng nhất của hành tinh chúng ta và đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái cũng như nguồn sống của mọi sinh vật. Với sự phát triển ngày càng tăng về dân số và nền kinh tế, nhu cầu về nước ngọt trên toàn cầu cũng đang tăng lên một cách đáng kể [1].
Tuy nhiên, trong thời đại hiện nay, vấn đề ô nhiễm nguồn nước đã trở thành một thách thức đáng kể đối với con người và môi trường. Trong số đó, việc sử dụng kháng sinh trong nông nghiệp và y tế cũng là một trong những nguyên nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm nguồn nước. Tình hình tiêu thụ kháng sinh hiện nay trên toàn cầu đã tăng lên đáng kể trong vài thập kỷ qua, đặc biệt là ở các quốc gia phát triển nơi có nền kinh tế phát triển và dự đoán sẽ tăng liên tục trong tương lai. Trong lĩnh vực chăn nuôi, hiện nay việc sử dụng quá mức và sai cách kháng sinh trong chăn nuôi động vật chưa được giải quyết và lượng tiêu thụ ước tính dao động khoảng từ 100.000 tấn trên toàn thế giới.
Việc lạm dụng kháng sinh đã và đang là một vấn đề gây nhiều lo ngại trong cộng đồng. Đặc biệt, điều này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người và vật nuôi mà còn tạo điều kiện cho sự phát triển của các chủng vi khuẩn kháng thuốc. Nhóm sulphonamides được xem là loại kháng sinh được sử dụng nhiều nhất trong các trang trại chăn nuôi, sau đó lần lượt là fluoroquinolones, aminoglycosides, β-lactams, và tetracyclines [2]. Bên cạnh những ứng dụng mà kháng sinh mang lại, việc tăng cường sử dụng chúng với tốc độ gia tăng như hiện nay cũng gây ra mối đe dọa to lớn đối với vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm môi trường nước.
Bởi vì, sau khi được tiêu thụ, kháng sinh sẽ đi vào các nguồn nước. Điều này không chỉ gây ra sự ô nhiễm trực tiếp cho môi trường nước, mà còn có thể tạo điều kiện cho sự phát triển của vi khuẩn kháng kháng sinh (AMR), làm phát tán các gen kháng kháng sinh (ARG) và tăng nguy cơ lây lan của chúng và gây hại cho sinh vật sống trong nước khi chúng tiếp xúc với các loại kháng sinh được thải ra môi trường [3]. AMR hiện nay là một vấn đề sức khỏe công cộng mãn tính trên toàn cầu, với dự báo là 10 triệu người chết mỗi năm trên toàn thế giới vào năm 2050 [4]. AMR xảy ra khi virus, vi khuẩn, nấm và ký sinh trùng không phản ứng với các liệu pháp kháng kháng sinh 2 được sử dụng ở con người và động vật, do đó làm cho vi sinh vật có thể sống sót [5].
Ở châu Âu, ước tính có khoảng 25.000 người tử vong mỗi năm do nhiễm trùng bệnh viện do vi khuẩn kháng thuốc gây ra, gây thiệt hại 1,5 tỷ euro cho hệ thống chăm sóc sức khỏe và xã hội [4]. Vi khuẩn AMR có khả năng phát triển thành các chủng siêu kháng kháng sinh, đặc biệt là trong môi trường nước, nơi chúng có thể truyền tải cho các loài vi khuẩn khác. Điều này tạo ra một mối đe dọa nghiêm trọng cho sức khỏe công cộng, vì nó làm giảm hiệu quả của các loại kháng sinh trong điều trị bệnh cho con người và động vật. Quá trình vi khuẩn kháng kháng sinh ARM lây nhiễm vào cơ thể.
Nhiều nghiên cứu đã ghi nhận rằng vi khuẩn sử dụng hai chiến lược di truyền chính cho phép phòng vệ chống lại kháng sinh: đột biến gen và thu nhận các yếu tố mã hóa DNA ngoại lai quyết định tính kháng thuốc thông qua chuyển gen ngang [6-8]. Một trong những cơ chế hoạt động chính của vi khuẩn kháng kháng sinh ARM là thông qua sự thay đổi hoặc đột biến gen mà mã hóa các protein mục tiêu cho kháng sinh. Các gen này thường làm nhiệm vụ gây tổn thương hoặc gây chết cho vi khuẩn khi chúng bị tấn công bởi kháng sinh [9]. Thông qua quá trình đột biến gen, các vi khuẩn ARM có thể tạo ra các biến thể protein này, không bị ảnh hưởng bởi kháng sinh hoặc ít bị ảnh hưởng hơn so với các dạng vi khuẩn ban đầu.
Thêm vào đó, vi khuẩn ARM thường liên quan đến cơ chế thu nhận các yếu tố mã hóa DNA ngoại lai thông qua quá trình chuyển gen ngang. Chuyển gen ngang là quá trình trao đổi gen giữa các vi khuẩn hoặc vi khuẩn và các tế bào khác nhau, ngay cả khi chúng 3 không có mối quan hệ gần gũi. Điều này có thể xảy ra thông qua các cơ chế như chuyển gen qua plasmid (vòng nhỏ của DNA có thể tự di động trong tế bào), transduction (qua vi khuẩn phage), hoặc trực tiếp thông qua chuyển gen giữa các tế bào gần nhau [10]. Kết quả của quá trình này là vi khuẩn ARM có khả năng nhận các gen mới mã hóa các protein kháng khuẩn từ nguồn bên ngoài.
Do đó, việc xử lý và loại bỏ kháng sinh từ nguồn nước đang trở thành một biện pháp cấp bách để ngăn chặn sự lan truyền của vi khuẩn ARM và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Các loại kháng sinh Thuốc kháng sinh là một loại chất kháng khuẩn có hoạt tính chống lại vi khuẩn, có vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn và điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn. Thuốc kháng sinh là một trong những nhóm dược phẩm quan trọng mà con người sử dụng, và chúng cũng được áp dụng trong thú y và ngành công nghiệp nuôi trồng thủy sản [11]. Kháng sinh có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau như cơ chế hoạt động, phạm vi tác động, và cấu trúc hóa học.
Ví dụ như khi phân loại theo cơ chế hoạt động, kháng sinh có thể phân loại thành hai nhóm đó là dạng β-lactam và không β- lactam. Kháng sinh β-lactam bao gồm penicillins, cephalosporins, carbapenems, monobactams và penem (còn được gọi là thiopenems). Chúng hoạt động bằng cách ngăn chặn sự tổng hợp của thành tế bào vi khuẩn bằng cách phá hủy một phần của cấu trúc hóa học [12]. Kháng sinh không β-lactam bao gồm các loại như macrolides, tetracyclines, aminoglycosides, fluoroquinolones, và sulfonamides.
Chúng có cơ chế hoạt động đa dạng nhưng không dựa trên nhóm β-lactam [13]. Dựa theo cơ chế hoạt động, kháng sinh có thể phân loại thành bactericidal (làm chết vi khuẩn) và bacteriostatic (kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn (ức chế sự phát triển của vi khuẩn) [14]. Bên cạnh đó, dựa theo thành phần cấu trúc hay vai trò của kháng sinh , có thể phân chúng thành các nhóm chính (Bảng 1. Thông tin các loại kháng sinh phổ biến hiện nay Nhóm kháng Cấu trúc hoá học Vai trò Tên kháng sinh sinh β-lactams Chứa vòng β-lactam Ức chế sinh - penicillins: tổng hợp thành amoxicillin, tế bào thực vật flucloxacillin - cephalosporins: cefalexin.
Aminoglycosides Chứa cấu trúc đường Ức chế quá streptomycin, amino trình tổng hợp neomycin, protein bằng vi kanamycin, khuẩn, dẫn đến paromomycin. chết tế bào. Sulfonamides Chứa nhóm sulfonamide Không tiêu prontosil, diệt vi khuẩn sulfanilamide, mà ngăn chặn sulfadiazine, chúng tăng sulfisoxazole, trưởng và nhân sulfamethoxazole. Tetracyclines Chứa 4 vòng hydrocarbon Ức chế sự tổng tetracycline, tuần hoàn liền kề hợp protein doxycycline, bằng vi khuẩn, limecycline, ngăn chặn sự oxytetracycline.
Macrolides Chứa vòng macrocyclic Ức chế sự tổng erythromycin, lactone lớn gắn nhiều hợp protein của clarithromycin, gốc deoxy đường vi khuẩn, azithromycin. đôi khi dẫn đến chết tế bào. 5 Quinolones Chứa các vòng thơm hợp Can thiệp vào ciprofloxacin, nhất có gắn một nhóm axit quá trình sao levofloxacin, cacboxylic chép và phiên trovafloxacin. mã DNA của vi khuẩn.
Lipopeptides Chứa lipid liên kết với Phá vỡ nhiều daptomycin, peptit màng tế bào surfactin. chức năng, dẫn đến chết tế bào. Việc tồn dư các loại kháng sinh trong môi trường tiềm ẩn rất nhiều nguy cơ không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe và đời sống của con người mà còn có tác động tiêu cực đối với môi trường sống. Sự hiện diện của các loại kháng sinh trong nguồn nước đã trở thành mối quan tâm rất lớn từ các nhà khoa học, nhà nghiên cứu toàn thế giới nhằm tìm ra những giải pháp hiệu quả để xử lý kháng sinh.
Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu đã thực hiện thành công các phương pháp xử lý nước để loại bỏ hàm lượng kháng sinh ra khỏi nước, giảm bớt nguy cơ ô nhiễm môi trường nước và tránh nguy cơ lây lan kháng kháng sinh. Các phương pháp nổi bật để xử lý 6 kháng sinh trong môi trường nước bao gồm phương pháp hoá học (đông tụ - keo tụ [15]), phương pháp hấp phụ vật lý (than hoạt tính [16], màng cellulose [17], vật liệu zeolite [18]), công nghệ màng (microfiltration [19], ultrafiltration [20], nanofiltration [21]), phương pháp sinh học (vi khuẩn kị khí và vi khuẩn hiếu khí [22]), và phương pháp hoá lý (quá trình oxy hoá điện hoá [23], quy trình Fenton [24], quá trình ozon hoá [25]). Bên cạnh các phương pháp trên, quang xúc tác nổi bật là một kỹ thuật hiện đại và phổ biến nhất trong việc xử lý nước để loại bỏ kháng sinh và cải thiện chất lượng môi trường nước. Hệ xúc tác quang dị thể 1.
Cơ sở hình thành hệ xúc tác quang dị thể Hệ xúc tác quang dị thể là một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng đầy hứa hẹn trong ngành hóa học và vật lý, đặc biệt là trong việc xúc tác các phản ứng hóa học bằng việc sử dụng ánh sáng. Cơ chế của quá trình xúc tác quang dị thể có thể được thực hiện ở pha lỏng hay pha khí và được chia thành 4 giai đoạn chính gồm: (i) Quá trình hấp phụ photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm của vật liệu quang xúc tác, dẫn đến sự kích thích của cặp e- - h+. (iii) Các phản ứng hoá học bề mặt dựa trên các chất mang này, dẫn đến sự tái tổ hợp các electron và lỗ trống bị kích thích. (iv) Quá trình tham gia phản ứng oxy hoá – khử của các điện tích trên bề mặt.
Xúc tác quang dị thể có thể được phân loại dựa trên các yếu tố khác nhau bao gồm cấu trúc, thành phần vật liệu, hình dạng và tính chất dẫn điện tử. Dựa trên thành phần vật liệu sử dụng để chuẩn bị xúc tác, các cấu trúc hệ dị thể có thể chia thành năm loại [26]: (i) Hệ dị thể kim loại hoặc bán kim loại/vật liệu bán dẫn (ii) Hệ dị thể bán kim loại/cách điện (iii) Hệ dị thể bán dẫn/bán dẫn (iv) Hệ dị thể bán dẫn/cách điện (v) Hệ dị thể kim loại/bán kim loại.