Đặt vấn đề Hiện nay, việc sử dụng các chất kháng sinh trở nên phổ biến và các kỹ thuật phân tích tiên tiến được phát triển thì sự tồn tại của các chất này trong môi trường sinh thái trở thành mối quan tâm của các nhà khoa học. Vì các chất kháng sinh là những hợp chất có độ bền và tính ổn định tương đối cao nên sự hiện diện của các chất kháng sinh trong nước thải gây ra nhiều mối đe dọa đối với môi trường [1]. Do đó, việc loại bỏ các chất này trong nước thải trước khi đi vào hệ thống thoát nước là cần thiết. Đến nay, có nhiều công nghệ phát triển để loại bỏ chất kháng sinh trong môi trường nước như kỹ thuật điện phân, màng lọc và phương pháp oxy hóa bậc cao (advanced oxidation processes, AOPs) [2].
Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ này bị hạn chế bởi một số trở ngại như chi phí cao và tốn nhiều năng lượng. Vì vậy, phát triển công nghệ loại bỏ các hợp chất kháng sinh trong nước đạt hiệu quả cao và phải có chi phí hợp lý cần được quan tâm. Quá trình oxy hóa nâng cao đang trở nên quan trọng trong việc loại bỏ triệt để các chất kháng sinh trong môi trường nước do các ưu điểm trong xử lý các chất hữu cơ bền và không bị phân hủy sinh học [3]. Về cơ bản, AOPs có thể được phân chia ra các quá trình sau: ozone hóa, sóng siêu âm, oxy hóa tổng thể, tia cực tím (UV), quá trình Fenton và xúc tác quang hóa sử dụng các vật liệu bán dẫn, phân hủy bằng phóng xạ, phương pháp điện và điện hóa [4].
Trong các quá trình này thì việc sử dụng các vật liệu bán dẫn được đánh giá cao do các ưu điểm như lắp đặt và vận hành dễ dàng ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra, sự hình thành các cặp electron - lỗ trống trong quá trình AOPs có thể tham gia vào các phản ứng với các chất nhận điện tử như O2 và chất cho điện tử như H2O hoặc OH- để tạo ra các gốc phản ứng, đặc biệt là gốc hydroxyl (OH•) có thể phân hủy các chất hữu cơ độc hại [5]. Trong số các AOPs khác nhau, quang xúc tác sử dụng vật liệu bán dẫn TiO2 được biết đến là một trong các chất xúc tác quang phổ biến nhất vì giá thành rẻ, không độc hại, tính ổn định hóa học và khả năng trao đổi điện tử cao [6]. Ngoài ra, quá trình này có thể được thực hiện trong điều kiện môi trường xung quanh và có thể khoáng 2 hóa hoàn toàn carbon hữu cơ thành CO2, nước và các ion vô cơ.
Trong quá trình này, ánh sáng tia cực tím được sử dụng để kích thích electron từ vùng hóa trị TiO2 lên vùng dẫn để tạo ra cặp electron - lỗ trống. Oxy hòa tan trong dung dịch có thể loại bỏ các electron bị kích thích, hạn chế sự tái hợp electron - lỗ trống. Các hợp chất hữu cơ có thể trải qua quá trình oxy hóa trực tiếp tại lỗ. Lỗ trống cũng có thể trải qua quá trình truyền điện tích với các phân tử nước bị hấp phụ hoặc với các loại hydroxit liên kết bề mặt, tạo thành các gốc OH•.
Do đó, sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của quá trình quang xúc tác sử dụng TiO2 với kháng sinh trong nước ở các điều kiện khác nhau. Đồng thời, quá trình thử nghiệm cho phép rút ra kết luận khả năng phân hủy kháng sinh bằng quá trình quang xúc tác. Mục đích thứ hai của công việc này là xác định các sản phẩm phụ hữu cơ và đánh giá sự tham gia của các gốc OH• hoặc lỗ xúc tác để làm sáng tỏ các con đường chính liên quan đến quá trình phân hủy xúc tác quang của TiO2. Vấn đề về dư lượng kháng sinh, cùng với sự phát triển của vật liệu xúc tác quang trên nền TiO2 đã thúc đẩy tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “Tăng cường khả năng xúc tác quang của TiO2 để loại bỏ kháng sinh trong nước nhờ tác dụng hiệp đồng của các chất oxy hóa”.2 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài hướng đến đến mục tiêu tăng cường khả năng phân hủy kháng sinh của TiO2 trong quá trình quang xúc tác bằng việc sử dụng các ion persulfate (SO4•-, E0=2,5-3,1V) và phân tử H2O2 với vai trò như các bẫy điện tử nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là hợp chất kháng sinh.3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: ‐ Nội dung 1: Xác định các tính chất của vật liệu xúc tác TiO2 bằng các kỹ thuật phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phân bố nguyên tố (EDX mapping), phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), Fourier-transform (FT-IR).
3 ‐ Nội dung 2: Thực nghiệm xử lý Oxytetracycline (OTC) bằng quá trình quang xúc tác với các điều kiện khác nhau. ‐ Nội dung 3: Nhận diện gốc oxy tự do hình thành và vai trò phân hủy Oxytetracycline của chúng trong quá trình quang xúc tác. ‐ Nội dung 4: Kiểm tra độ bền vật liệu.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vật liệu nano titan dioxide P25 (TiO2) và kháng sinh Oxytetracycline (OTC).2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm. Địa điểm tiến hành nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Phân tích môi trường, nhà BK H2, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.
HCM cơ sở Dĩ An.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài này sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu xúc tác quang nano TiO2 trong phân hủy các chất hữu cơ khó phân hủy như kháng sinh, thuốc nhuộm, thuốc bảo vệ thực vật, khử trùng…Ngoài ra, nghiên cứu cũng hướng đến việc tìm ra các điều kiện về pH, hàm lượng chất oxy hóa, hàm lượng xúc tác cũng như nhiệt độ nung phù hợp cho hiệu quả loại bỏ OTC tốt nhất.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để đánh giá hiệu quả xử lý và tiềm năng ứng dụng quang xúc tác kết hợp với các chất oxy hóa bậc cao. Với ưu điểm quy trình đơn giản, khả năng tìm kiếm vật liệu xúc tác quang TiO2 dễ dàng. Từ đó, tạo tiền đề cho việc nghiên cứu, triển khai thực tế khi xử lý nước thải tồn tại dư lượng kháng sinh trong thực tế đời sống sản xuất, nuôi trồng thủy sản và y tế. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về kháng sinh 2.1 Định nghĩa kháng sinh Thuốc kháng sinh là các hợp chất tự nhiên, tổng hợp hoặc bán tổng hợp có thể ức chế sự phát triển hoặc hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật.
Các hợp chất này là các phân tử có hoạt tính sinh học có tác dụng kháng khuẩn, kháng nấm và chống ký sinh trùng, dùng để điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn ở cả người và động vật, cũng như làm phụ gia thức ăn hoặc phòng ngừa bệnh tật trong thú y [7]. Lịch sử sử dụng kháng sinh bắt đầu từ hơn 50 năm trước. Trong những thập kỷ gần đây, việc sử dụng kháng sinh rộng rãi trên toàn cầu đã tăng 65% được công bố bởi Tổ chức Y tế thế Giới (WHO) [8]. Phần lớn kháng sinh được sử dụng ở các nước Nam Á như Ấn Độ, Nepal, Pakistan, Bhutan và Bangladesh với dân số hơn 1,8 tỷ người tiêu thụ ~ 25,2% lượng sử dụng toàn cầu, riêng Trung Quốc với 1,4 tỷ dân đã tiêu thụ 10% tổng số thuốc kháng sinh trong giai đoạn 2000–2018 [9].
Tính trong tổng lượng sử dụng, ~ 24,6 triệu pound kháng sinh được sử dụng hàng năm trong chăn nuôi động vật để tăng sản lượng thịt bằng cách ngăn ngừa nhiễm trùng và kích thích tăng trưởng [10].2 Phân loại kháng sinh Có nhiều cách phân loại kháng sinh khác nhau, trong đó phân loại theo cấu trúc hóa học được biết đến nhiều nhất và được thể hiện cụ thể ở Hình 2.1 5 Kháng sinh Hướng tác dụng Mô hình Nguồn gốc Phổ tác dụng tác dụng Kháng khuẩn Tự nhiên Diệt khuẩn Phổ rộng (natural penicillins) (penicillins) (cephalosporin, (tetracyclines, penicillins) penicillins) Chống ung thư Bán tổng hợp (actinomycin C, (ampicillin) rubomicine) Kìm hãm Phổ hẹp (macrolides, (glycopeptides, Thuốc kháng nấm Tổng hợp tetracyclines) lincosamides) (sulfamethoxa (nystatinum) zole)) Hình 2. Phân loại kháng sinh [11] Bảng 2. Phân loại kháng sinh theo cấu trúc hóa học [11] STT Cấu trúc phân tử Nhóm kháng Đại diện sinh chính 1 Chứa vòng the β-lactam Penicillins Penicillins, ampicillin, benzylpenicillin, oxacillin, amoxicillin, azlocillin Cephalosporins Cefazolin, cephalexin, cefamandol, cefotaxime, ceftriaxone, Penicillins cefoperazone 6 STT Cấu trúc phân tử Nhóm kháng Đại diện sinh chính Carbapenems Meropenem, penem, imipenem Monobactams Aztreonam 2 Chứa amino đường Aminoglycosides Streptomycin, amikacin, gentamicin, kanamycin, neomycin, sisomicin, tobramycin Streptomycin 3 Chứa các vòng 6 cạnh Tetracyclines Tetracycline, doxycycline, oxytetracycline, metacycline Tetracycline 4 Chứa cấu trúc phenypropanoid Amphenicols Levomycetin (chloramphenicol) florfenicol, thiamphenicol Levomycetin (chloramphenicol) 7 STT Cấu trúc phân tử Nhóm kháng Đại diện sinh chính 5 Gồm các vòng lactone lớn Macrolides Erythromycin, (azalides, azithromycine, ketolides) josamycin, tylosin, clarithromycin Erythromycin 6 Ansamycins Rifamycin, rifaximin, rifampicin Rifamycin 7 Bao gồm các peptide không Glycopeptides Vancomycin, ribosomal vòng hoặc đa vòng được capreomycin glycosyl hóa Vancomycin 8 STT Cấu trúc phân tử Nhóm kháng Đại diện sinh chính 8 Lincosamides Lincomycin, clindamycin Lincomycin 9 Dẫn xuất acid Sulfonamides Ftalazol, 4-aminobenzenesufonic sulfadimetoksin, sulfadimezin Ftalazol 10 Dị vòng chứa nitrogen Quinolones Ciprofloxacin, oxolinic acid, sparfloxacin, moxifloaxin Ciprofloxacin 11 Kháng sinh khác Cycloserine, bacitracin, polymyxin, ristomycin, fusafungin, fusidic acid Cycloserine 9 Trong đó: - Kháng sinh β-lactam: là loại kháng sinh thương mại được sử dụng rộng rãi nhất để điều trị các bệnh truyền nhiễm do có nhiều hoạt tính kháng khuẩn [12]. - Aminoglycoside: đây là những loại kháng sinh tự nhiên hoặc bán tổng hợp có nguồn gốc từ xạ khuẩn; được sử dụng để điều trị nhiễm trùng dai dẳng ở người và động vật.
- Tetracycline: được sử dụng rộng rãi trong thú y, trang trại chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản và sản xuất cây trồng. - Kháng sinh amphenicol: bao gồm florfenicol, thiamphenicol và chloramphenicol. Amphenicols là kháng sinh thú y quan trọng. - Macrolide: là một trong những loại thuốc ít độc nhất nên chúng thường được kê đơn trên toàn thế giới và được sử dụng để điều trị nhiều loại bệnh nhiễm trùng ở người, động vật, chim và cá [13].
- Ansamycins: nhóm kháng sinh phổ rộng để điều trị hiệu quả bệnh lao và các bệnh về đường hô hấp khác nhau. Khi dùng phối hợp với các kháng sinh khác hiệu quả sẽ tăng lên. - Glycopeptide: được sử dụng rộng rãi để chống lại vi khuẩn kháng thuốc. - Lincosamid: bao gồm kháng sinh tự nhiên lincomycin và clo hóa bán tổng hợp tương tự clindamycin.