MỞ ĐẦU Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng đối với đời sống sản xuất và sinh hoạt của con người. Hiện nay với sự phát triển của nền công nghiệp, y học, quá trình đô thị hóa và bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nước tự nhiên ngày càng bị ô nhiễm nặng nề. Đặc biệt, cùng với sự phát triển của nền y học hiện đại, số lượng các loại thuốc kháng sinh được đưa ra thị trường ngày càng nhiều. Các loại thuốc kháng sinh có vai trò to lớn trong việc điều trị các bệnh do vi khuẩn gây ra ở người và động vật.
Tuy nhiên, bên cạnh ý nghĩa tích cực đó thì các loại kháng sinh cũng gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Những chất kháng sinh này xâm nhập vào môi trường qua đường chất thải sinh hoạt của con người, động vật, do quá trình lạm dụng kháng sinh trong chăn nuôi, cũng như chất thải công nghiệp từ các nhà máy sản xuất thuốc và bệnh viện. Khi kháng sinh được giải phóng vào nước, trải qua quá trình tiếp xúc lâu dài đã tạo ra sự kháng thuốc của vi khuẩn đối với kháng sinh, điều này gây ra mối đe dọa tiềm tàng đối với sức khỏe của con người và động vật. Vì vậy, để cải thiện chất lượng nước và đảm bảo sức khỏe của con người, cần phải loại bỏ kháng sinh ra khỏi các nguồn nước.
Trên thực tế đã có nhiều phương pháp được áp dụng để loại bỏ kháng sinh ra khỏi nguồn nước. Trong đó, phương pháp hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều ưu điểm như vật liệu sử dụng làm chất hấp phụ tương đối phong phú, chi phí thấp, hiệu quả cao, thân thiện với môi trường. Đá ong là nguồn khoáng liệu rất phổ biến ở Việt Nam và có đặc tính hấp phụ. Cho đến nay, việc nghiên cứu khả năng hấp phụ các chất kháng sinh của đá ong biến tính bằng polime hầu như chưa được đề cập.
Trên cơ sở đó chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm trên đá ong tự nhiên và ứng dụng để xử lý kháng sinh” Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu các nội dung sau: 1. Nghiên cứu cơ chế hấp phụ polyme mang điện âm (polystyrene sulfonate) trên đá ong tự nhiên. Cụ thể: - Nghiên cứu điều kiện tối ưu để biến tính đá ong tự nhiên bằng cách hấp phụ polystyrene sulfonate. 1 - Nghiên cứu một số đặc trưng của vật liệu đá ong biến tính bằng polystyrene sulfonate.
- Đề xuất cơ chế hấp phụ polystyrene sulfonate trên đá ong tự nhiên. Nghiên cứu khả năng hấp phụ kháng sinh tetracycline của vật liệu đá ong biến tính (có so sánh với đá ong tự nhiên). - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ tetracycline của các vật liệu. - Nghiên cứu sự tương tác giữa tetracycline và polystyrene sulfonate.
- Nghiên cứu động học hấp phụ tetracycline trên đá ong biến tính. - Nghiên cứu khả năng tái sử dụng vật liệu. - Bước đầu thăm dò xử lý môi trường. 2 NỘI DUNG Chƣơng 1.
Giới thiệu về polyme mang điện âm Polyme mang điện tích là hợp chất mang cả tính chất của một polyme (khối lượng phân tử lớn) và cả tính chất của chất điện li (phân li trong nước). Polyme mang điện có các monome chứa các nhóm chức mang điện. Dung dịch của các polyme mang điện tích có tính dẫn điện; đồng thời dung dịch của chúng thường có độ nhớt cao giống như các polyme. Polyme mang điện tích thường được chia thành hai loại là polyme mang điện âm và polyme mang điện dương.
Điện tích của polyme ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ polyme lên bề mặt vật liệu rắn. Sự hấp phụ diễn ra phức tạp hơn khi bề mặt rắn cũng mang điện. Lực tương tác ảnh hưởng đến sự hấp phụ polyme mang điện mạnh lên bề mặt có điện tích là lực hút tĩnh điện hoặc kết hợp lực hút tĩnh điện và các lực tương tác không tĩnh điện. Do tính chất hấp phụ đặc biệt của polyme mang điện trên bề mặt vật liệu rắn, nhiều polyme đã được sử dụng để biến tính bề mặt vật liệu nhằm nâng cao hiệu quả xử lý chất gây ô nhiễm môi trường.
Polystyrene sulfonate (PSS) là một polyme mang điện âm, nguồn gốc từ polystyrene và được bổ sung các nhóm chức sulfonate. Polyme PSS có khối lượng riêng 0,801 g/mL (25oC), khối lượng phân tử trung bình M = 1000 kg/mol. Công thức phân tử: (C8H7NaO3S)n. Công thức cấu tạo của PSS được trình bày trong hình 1.
Công thức cấu tạo của PSS PSS thường được sử dụng như các polyme trao đổi ion, chất keo tụ, được ứng dụng trong lĩnh vực y tế, làm sạch nước, xử lý nước thải. PSS là một polyme bền, sự phân li các monome và cấu trúc của nó không phụ thuộc vào pH và nồng độ NaCl 3 trong dung dịch. Vì PSS là một polyme mang điện tích âm, do vậy chúng tôi sử dụng PSS làm tác nhân biến tính đá ong tự nhiên thành chất hấp phụ các kháng sinh tồn tại ở dạng cation [29]. Giới thiệu về kháng sinh 1.
Khái quát về kháng sinh Kháng sinh là những chất tạo thành do chuyển hóa sinh học, có tác dụng ngăn cản sự tồn tại hoặc phát triển của vi khuẩn ở nồng độ thấp, được sản xuất bằng sinh tổng hợp hoặc tổng hợp theo mẫu các kháng sinh tự nhiên. Kháng sinh là loại chất kháng khuẩn quan trọng nhất để chống lại các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn và cũng được sử dụng rộng rãi trong việc điều trị và ngăn ngừa các bệnh nhiễm trùng. Tuy nhiên, hiệu quả và khả năng tiếp cận dễ dàng với thuốc kháng sinh đã dẫn đến việc lạm dụng kháng sinh. Ngày nay một số vi khuẩn đã phát triển sự đề kháng của chúng với các kháng sinh gây ra hiện tượng kháng thuốc kháng sinh.
Các dữ liệu hiện có của WHO cho thấy tình trạng kháng thuốc kháng sinh đang là một vấn đề nhức nhối ở khu vực Đông Nam Á, nơi sinh sống của một phần tư dân số thế giới. Kết quả của báo cáo cho thấy mức độ cao của vi khuẩn đề kháng với loại thuốc kháng khuẩn quan trọng và được sử dụng phổ biến trong khu vực. Điều đó có nghĩa là điều trị bằng kháng sinh tiêu chuẩn không có tác dụng. Tiến sĩ Poonam Khetrapal Singh, Giám đốc WHO khu vực Đông Nam Á, đã xác định kháng thuốc là một lĩnh vực ưu tiên trong công việc của WHO tại khu vực [2], [3].
Phân loại kháng sinh Thuốc kháng sinh thường được phân loại dựa trên phương thức tác dụng, phổ hoạt động hoặc cấu trúc hóa học của chúng [2]. Phân loại theo phương thức tác dụng Nếu xếp theo phương thức tác dụng, người ta chia kháng sinh thành 2 loại: Kháng sinh có tác dụng kìm khuẩn (ức chế – bacteriostatic) như acid fusidic, acid nalidixic, clindamycin và lincomycin, erythromycin, nitrofurantoin, sulfamid, tetracyclin, trimethoprim. 4 Kháng sinh có tác dụng diệt khuẩn (bacteriocidal) như polymyxin, aminoglycosid, cephalosporin, fosfomycin, 5 – nitroimidazol, penicilin, rifampicin, vancomycin. Tuy nhiên, thực tế không có ranh giới rõ ràng cho sự phân biệt này.
Vì một số kháng sinh kìm khuẩn ở nồng độ cao hơn lại có tác dụng diệt khuẩn. Điều này phụ thuộc vào chủng loại và số lượng vi khuẩn, vào giai đoạn phát triển, tốc độ phát triển của vi khuẩn, vào môi trường và nồng độ kháng sinh. Phân loại theo phổ tác dụng Do cơ chế đặc hiệu của từng loại kháng sinh mà mỗi nhóm chỉ tác dụng trên một số chủng vi khuẩn nhất định. Giới hạn này gọi là phổ kháng khuẩn của kháng sinh.
- Kháng sinh phổ hẹp (kháng sinh chọn lọc): Kháng sinh chỉ tác dụng trên 1 hoặc 1 số loài vi sinh vật nhất định. Ví dụ, isoniazid chỉ tác dụng trên Mycobacterium tuberculosis. - Kháng sinh phổ rộng: Kháng sinh có tác dụng trên nhiều loại vi khuẩn, cả vi khuẩn gram âm và vi khuẩn gram dương, ví dụ nhóm quinolone, macrolide, carbapenem. Phân loại theo cấu trúc hóa học Nhóm Beta lactam: Gồm các kháng sinh có cấu trúc hóa học chứa vòng Beta lactam, được chia thành bốn nhóm: Penicillin, Cephalosporin, Carbapenem, Monobactam Nhóm aminoglycosid (amikacin, tobramycin, gentamycin): Các aminosid có thể là sản phẩm tự nhiên phân lập từ môi trường nuôi cấy các chủng vi sinh, cũng có thể là các kháng sinh bán tổng hợp.
Các kháng sinh thuộc nhóm này bao gồm kanamycin, gentamicin, neltimicin, tobramycin, amikacin. Nhóm macrolid: Các macrolid có thể là sản phẩm tự nhiên phân lập từ môi trường nuôi cấy các chủng vi sinh, cũng có thể là các kháng sinh bán tổng hợp. Các hoạt chất thường gặp là erythromycin, clarithromycin, azithromycin. Nhóm lincosamid: Nhóm kháng sinh này bao gồm hai thuốc là lincomycin và clindamycin, trong đó lincomycin là kháng sinh tự nhiên, clindamycin là kháng sinh bán tổng hợp từ lincomycin.
5 Nhóm phenicol: Nhóm kháng sinh này bao gồm hai thuốc là cloramphenicol và thiamphenicol, trong đó cloramphenicol là kháng sinh tự nhiên, còn thiamphenicol là kháng sinh tổng hợp. Nhóm cycline: Các thuốc nhóm này gồm cả các kháng sinh tự nhiên và kháng sinh bán tổng hợp. Các thuốc thuộc nhóm bao gồm: chlortetracycline, oxytetracycline, demeclocycline, methacycline, doxycycline, minocycline. Nhóm peptid: Các kháng sinh thuộc nhóm này có cấu trúc hóa học là các peptid.
Dùng trong lâm sàng hiện nay có các phân nhóm: Glycopeptid (vancomycin, teicoplanin), Polypetid (polymyxin, colistin) và Lipopeptid (daptomycin). Nhóm Quinolon: Là kháng sinh tổng hợp hoàn toàn. Thế hệ 1 là acid nalidixic, các thế hệ sau được gắn thêm fluor vào vòng nên có tên là fluoroquinolon. Nhóm Co-trimoxazol: Co-trimoxazol là dạng thuốc phối hợp giữa sulfamethoxazol với trimethoprim.
Nhóm oxazolidinon: Đây là nhóm kháng sinh tổng hợp hóa học, với đại diện là linezolid. Kháng sinh nhóm 5-nitro-imidazol: các thuốc nhóm này là dẫn xuất của 5- nitro imidazol, có nguồn gốc tổng hợp hóa học. Giới thiệu về kháng sinh tetracycline 1. Cấu trúc Nhóm kháng sinh tetracycline gồm các tetracycline thiên nhiên được chiết từ môi trường nuôi cấy streptomicin và các tetracycline bán tổng hợp xuất phát từ kháng sinh thiên nhiên.
Tất cả đều là dẫn xuất octahydronaphten. Công thức cấu tạo các kháng sinh tetracycline 6 Các tetracycline khác nhau ở các nhóm thế R1, R2,….