Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Nông nghiệp và chế biến thủy hải sản là hai ngành kinh tế quan trọng tại Việt Nam, tạo ra lượng phế thải thứ cấp rất lớn: tro vỏ trấu từ các lò sấy công nghiệp đốt trấu đạt khoảng 150.000 tấn/năm (với hàm lượng SiO2 chiếm từ 60% đến trên 90%) và phế thải vỏ tôm đạt khoảng 325.000 tấn/năm. Việc lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật hóa học tổng hợp trong canh tác nông nghiệp dẫn đến nguy cơ ô nhiễm môi trường, tồn dư hóa chất trong nông sản và ảnh hưởng sức khỏe con người. Xu hướng phát triển các chế phẩm bảo vệ thực vật có nguồn gốc sinh học, an toàn và có khả năng kích kháng tự nhiên cho cây trồng đang được chú trọng.

Mặc dù silica và chitosan đã được nghiên cứu đơn lẻ, việc tận dụng nguồn phế thải tro vỏ trấu công nghiệp để chế tạo nano silica bằng các phương pháp kiểm soát kích thước hạt và độ tinh khiết vẫn còn những khoảng trống công nghệ. Bên cạnh đó, việc điều chế oligochitosan khối lượng phân tử thấp (dưới 10.000 g.mol⁻¹) bằng phương pháp chiếu xạ thông thường đòi hỏi liều xạ rất cao gây tốn kém chi phí, trong khi phương pháp hóa học lại dễ làm biến đổi cấu trúc đơn phân tử. Do đó, việc kết hợp nano silica từ tro vỏ trấu và oligochitosan khối lượng phân tử thấp để tạo thành vật liệu lai vô cơ - hữu cơ (nano SiO2/oligochitosan) nhằm tăng cường hiệu quả kích kháng và kiểm soát nấm bệnh trên cây trồng chủ lực (thanh long, lúa, cao su) là vấn đề khoa học có ý nghĩa thực tiễn cao.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu chế tạo thành công nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silica/oligochitosan có hoạt tính kháng vi sinh vật, đồng thời kích thích phản ứng phòng vệ sinh học của cây trồng nhằm kiểm soát một số bệnh hại chính.

Các nội dung nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Nghiên cứu điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu và phương pháp tạo/nhiệt phân gel SiO2/chitosan; xác định cấu trúc và tính chất hóa lý đặc trưng.
  2. Nghiên cứu điều chế oligochitosan khối lượng phân tử từ 3.000 đến 7.000 g.mol⁻¹ bằng phương pháp xử lý chitosan với H2O2 nồng độ thấp kết hợp chiếu xạ tia gamma Co-60 theo nhiều bậc.
  3. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan bằng phương pháp phối trộn cơ học và phương pháp kết tủa trực tiếp nano silica trong dung dịch oligochitosan.
  4. Đánh giá độc tính cấp tính đường miệng (LD50) và khả năng kích ứng da của vật liệu nano SiO2/oligochitosan trên chuột nhắt trắng.
  5. Thử nghiệm in vitro và in vivo hiệu lực kích kháng sinh học (thông qua hoạt độ enzyme chitinase) và khả năng kiểm soát bệnh đốm nâu trên cây thanh long, bệnh đạo ôn lá và bạc lá trên cây lúa, bệnh nấm hồng trên cây cao su.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Phế thải tro vỏ trấu thu nhận từ lò sấy lúa công nghiệp tại xã Tân Bình, huyện Vĩnh Cửu, tỉnh Đồng Nai (lấy mẫu tháng 03/2016).
    • Chitosan thương mại từ vỏ tôm do Công ty Cổ phần Chế biến Xuất nhập khẩu Thủy sản Bà Rịa - Vũng Tàu cung cấp (độ đề acetyl hóa DDA ~ 91,4%, khối lượng phân tử trung bình trọng lượng Mw ~ 44.000 g.mol⁻¹, khối lượng phân tử trung bình số Mn ~ 13.000 g.mol⁻¹).
    • Chuột nhắt trắng phục vụ thử nghiệm độc tính sinh học.
    • Các chủng vi sinh vật gây bệnh thực vật: nấm Neoscytalidium dimidiatum (gây bệnh đốm nâu thanh long), nấm Pyricularia oryzae (gây bệnh đạo ôn lúa), vi khuẩn Xanthomonas sp. (gây bệnh bạc lá lúa) và nấm Corticium salmonicolor (gây bệnh nấm hồng cao su).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Thực nghiệm tổng hợp, phân tích hóa lý và chiếu xạ tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng và Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ TP.HCM (VINAGAMMA).
    • Thử nghiệm hiệu lực sinh học in vivo được triển khai trên các mô hình vườn thanh long, ruộng lúa và vườn cao su tại khu vực phía Nam trong giai đoạn 2016 - 2021 thuộc khuôn khổ đề tài NAFOSTED mã số 106-NN.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Luận án đã tổng quan hệ thống các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến bốn nhóm nội dung chính:

  1. Nghiên cứu chế tạo nano silica từ vỏ trấu và tro vỏ trấu:

    • Phương pháp hóa học (sol-gel): Lê Văn Hải và cộng sự (2013) dùng H2SO4 kết tủa Na2SiO3 trong dung môi nước/butanol có chất hoạt động bề mặt CTAB thu được nano silica vô định hình kích thước 15 nm, diện tích bề mặt 340 m²/g. Nguyễn Trí Tuấn và cộng sự (2014), Nguyễn Văn Hưng và cộng sự (2015) kết tủa bằng HCl thu được hạt 15 nm. Các tác giả quốc tế như Zulkifli và cộng sự, Liou và Yang (2011), Rehman và cộng sự, Selvakumar, Zhang và cộng sự xử lý tro trấu bằng axit vô cơ (HCl, HNO3, H2SO4) rồi chiết bằng NaOH 2–3 N trước khi kết tủa. Li và cộng sự (2011), Ma và cộng sự (2012) hòa tan SiO2 bằng NH4F thành (NH4)2SiF6 rồi thủy phân thu hạt 50–60 nm với hiệu suất 94,6%.
    • Phương pháp nhiệt phân: Phạm Đình Dũng và cộng sự (2016), Nguyễn Thị Thủy và cộng sự (2017) nhiệt phân vỏ trấu ở 700 °C trong 2 giờ thu được hạt 10–30 nm dạng vô định hình nhưng phân bố kích thước rộng. Gu và cộng sự (2013, 2015) xử lý tro trấu với HCl 8% ở 120 °C trong 4 giờ trước khi nung ở 800 °C (khí N2/CO2) hoặc 610 °C (khí O2) đạt độ tinh khiết 99,62%, diện tích bề mặt 204,3–352,6 m²/g, kích thước hạt < 20 nm. Wang và cộng sự (2012) nung 2 lần (700 °C và 800 °C) thu hạt 25–30 nm. Alshatwi và cộng sự (2015) kết hợp hấp thủy nhiệt và nhiệt phân thu hạt 10–30 nm. Farjood và cộng sự (2020) nhiệt phân gel Na2SiO3/CTAB.

  2. Nghiên cứu cắt mạch phân tử chitosan thành oligochitosan:

    • Cắt mạch bằng tác nhân hóa học (Quin và cộng sự, 2002) hay sinh học enzyme (cellulase, chitinase, lysozyme).
    • Chiếu xạ tia gamma Co-60: Nguyễn Quốc Hiến và cộng sự (2000) chiếu xạ dung dịch chitosan 60.000 g.mol⁻¹ với liều 45 kGy tạo sản phẩm có độ trùng hợp DP < 8 chiếm 50%. Để giảm liều chiếu xạ, Nguyễn Quốc Hiến và cộng sự (2011), Nguyễn Ngọc Duy và cộng sự (2011), Bùi Phước Phúc (2006) kết hợp oxy hóa sơ bộ bằng H2O2 1,5% với liều xạ 20 kGy thu được chitosan ~ 40.000 g.mol⁻¹. Cơ chế cắt mạch do gốc tự do •OH bắt hydro trên vòng pyranose được xác lập bởi von Sonntag và cộng sự (1980) và Ulanski và cộng sự (2000).

  3. Hoạt tính kháng vi sinh vật và kích kháng của nano silica và oligochitosan:

    • Nano silica có hoạt tính kháng E. coli, S. aureus (Song và cộng sự, 2009 với kích thước 17–50 nm); kháng Fusarium oxysporum và Aspergillus niger trên ngô (Suriyaprabha, 2013 với liều 10–15 kg/ha); ức chế sâu khoang Spodoptera littoralis với LD50 = 212 mg/L (El-bendary và El-Helaly, 2013).
    • Oligochitosan đóng vai trò chất kích kháng (elicitor - Klarzynski và Fritig, 2001) kích thích sinh tổng hợp phytoalexin và enzyme chitinase: kiểm soát nấm Bipolaris sorokiniana trên lúa mì (Burkhanova và cộng sự, 2007 với Mw 5.000 g.mol⁻¹), bệnh mốc sương khoai tây (Ozeretskovskaya và cộng sự, 2006 với Mw 2.000 g.mol⁻¹), nấm Botrytis cinerea trên dưa chuột (Das và cộng sự, 2010), kích thích phản ứng phòng vệ ROS trên lúa (Agrawal và cộng sự, 2002). Tại Việt Nam, Bùi Duy Du và cộng sự (2015) ghi nhận oligochitosan 5.000 g.mol⁻¹ ở nồng độ 150 mg/L ức chế bệnh đốm nâu thanh long đạt 81% qua kích hoạt chitinase.

  4. Nghiên cứu vật liệu lai nano silica/chitosan:

    • Sowjanya và cộng sự (2013), Kavy và cộng sự (2013) tổng hợp màng nanocomposite ở điều kiện lạnh sâu; Thongthai và cộng sự (2011) thủy phân TEOS/TMOS trong dung dịch chitosan; Kiirika và cộng sự (2013) thử nghiệm kháng Ralstonia solanacearum trên cà chua; Phạm Đình Dũng và cộng sự (2016), Nguyễn Ngọc Thủy và cộng sự (2017) phối trộn nano silica vỏ trấu với oligochitosan tạo màng kháng nấm Colletotrichum sp. trên ớt ở nồng độ 50 mg/L; Song và cộng sự (2016) bảo quản quả nhót tây; Sun và cộng sự (2017) bảo quản quả táo và quả nhãn.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết ba khoảng trống khoa học và công nghệ:

  • Chế tạo nano silica trực tiếp từ nguồn phế thải tro vỏ trấu lò đốt công nghiệp (chứa lượng carbon chưa cháy hết và tạp chất kim loại) bằng phương pháp nhiệt phân thông thường và phương pháp tạo gel silica/chitosan để kiểm soát kích thước hạt mà không dùng chất hoạt động bề mặt độc hại CTAB.
  • Xây dựng quy trình chiếu xạ Co-60 đa bậc kết hợp H2O2 nồng độ thấp (0,5%) để chế tạo oligochitosan khối lượng phân tử thấp (3.000 - 7.000 g.mol⁻¹) nhằm giảm thiểu liều chiếu xạ tổng, tiết kiệm chi phí và giữ nguyên cấu trúc mắt xích glucosamin.
  • Tổng hợp hệ vật liệu lai nano SiO2/oligochitosan có độ bền keo cao, đánh giá độc tính an toàn sinh học và kiểm chứng cơ chế kích kháng enzyme chitinase kết hợp ức chế in vivo đối với bốn loại dịch hại nguy hiểm trên thanh long, lúa và cao su.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và cơ chế phản ứng

  • Cơ chế tách kim loại và nhiệt phân: Xử lý tro trấu bằng dung dịch axit HCl ở nhiệt độ 80 °C nhằm chuyển các hợp chất oxit kim loại kiềm, kiềm thổ và sắt (Na2O, K2O, CaO, MgO, Al2O3, Fe2O3) thành dạng muối clorua tan để rửa trôi, tránh hiện tượng eutectic tạo muối silicate nóng chảy kết khối ở nhiệt độ cao. Khi nung ở 700–800 °C trong không khí, carbon tự do bị oxy hóa hoàn toàn thành CO2, giải phóng mạng lưới nano SiO2 vô định hình.
  • Cơ chế tạo gel SiO2/chitosan: Dung dịch Na2SiO3 phản ứng với proton H+ trong dung dịch chitosan tạo ra các hạt sol silica; các chuỗi chitosan đan xen, bao bọc và tạo liên kết phối trí/liên kết hydro giữa nhóm silanol (Si-OH) với nhóm amin (-NH2) và hydroxyl (-OH) của chitosan, ngăn cản sự kết tụ của các hạt silica trong quá trình gel hóa và nung thiêu kết.
  • Cơ chế cắt mạch bức xạ - hóa học: Bức xạ tia gamma Co-60 phân ly phân tử H2O và H2O2 tạo ra các gốc tự do có hoạt tính oxy hóa mạnh (•OH, HO2•, eaq⁻). Gốc •OH tấn công bứt nguyên tử hydro tại liên kết C-H trên vòng pyranose, làm đứt gãy chọn lọc liên kết $\beta$-1,4-glycozit giữa các đơn phân tử D-glucosamin mà không phá vỡ vòng và không làm giảm độ đề acetyl hóa.
  • Cơ chế kích kháng sinh học: Oligochitosan đóng vai trò phân tử tín hiệu (elicitor) liên kết với thụ thể màng tế bào thực vật, kích hoạt con đường truyền tín hiệu nội bào thúc đẩy sinh tổng hợp enzyme chitinase và $\beta$-1,3-glucanase. Enzyme chitinase xúc tác thủy phân khung polymer chitin của vách tế bào nấm bệnh thành các đoạn N-acetylglucosamine (GlcNAc), làm bất hoạt và tiêu diệt mầm bệnh. Nano silica hỗ trợ làm cứng thành tế bào thực vật và tương tác hiệp đồng gia tăng hiệu lực phòng vệ.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

Luận án kết hợp các phương pháp tổng hợp hóa lý, kỹ thuật phân tích cấu trúc hiện đại và quy trình khảo nghiệm sinh học in vitro, in vivo:

Nhóm phương pháp Kỹ thuật / Quy trình thực nghiệm Mục đích xác định / Thông số đo
Đặc trưng cấu trúc hóa lý Nhiễu xạ tia X (XRD) Cấu trúc vô định hình hoặc tinh thể của SiO2, chitosan và vật liệu lai
Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) Thành phần nguyên tố hóa học, tỷ lệ Si, C, O và tạp chất kim loại
Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) Nhóm chức liên kết Si-O-Si, Si-OH, -NH2, -OH, liên kết phối trí
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Hình thái học, kích thước hạt trung bình và phân bố kích thước hạt
Sắc ký lọc gel (GPC) Khối lượng phân tử trung bình (Mw, Mn) chuẩn hóa bằng mẫu Pullulan
Quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) Độ truyền qua, hấp thụ quang học của dung dịch keo
Đo thế điện kép zeta ($\zeta$) Độ ổn định tĩnh điện và điện tích bề mặt của hệ keo phân tán
Đánh giá độc tính Thử độc tính cấp đường miệng (LD50) Đánh giá an toàn theo Litchfield-Wilcoxon và Behrens-Karber trên chuột
Thử nghiệm nhạy cảm da (Buehler test) Tỷ lệ kích ứng da trên chuột nhắt trắng so với đối chứng 2,4-dinitrochlorobenzene
Khảo nghiệm sinh học Thủy phân chitin chuẩn + thuốc thử DNS Định lượng hoạt độ enzyme chitinase qua mật độ quang OD 540 nm
Khảo nghiệm in vivo trên thanh long Tỷ lệ bệnh (TLB %), chỉ số bệnh (CSB % theo Townsend-Heuberger), hiệu lực sinh học (theo Henderson-Tilton) với nấm N. dimidiatum
Khảo nghiệm in vivo trên lúa Đánh giá hiệu lực kiểm soát bệnh đạo ôn (P. oryzae) và bạc lá (Xanthomonas sp.) theo quy phạm 10TCN 157-1992
Khảo nghiệm in vitro & in vivo cao su Hiệu lực ức chế đường kính tản nấm và tỷ lệ bệnh nấm hồng (C. salmonicolor)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Cấu tạo, tính chất của nano silica, oligochitosan và vật liệu lai của chúng

Chương 1 hệ thống hóa cấu trúc hóa học, tính chất vật lý và các phương pháp tổng hợp nano silica từ phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, tro vỏ trấu) bằng phương pháp kết tủa hóa học, thủy phân alcoxide và phương pháp nhiệt phân trực tiếp. Phân tích cơ chế biến tính cắt mạch chitosan bằng enzyme, hóa chất và bức xạ ion hóa Co-60 để tạo oligochitosan có hoạt tính sinh học mong muốn.

Chương này làm rõ bản chất tương tác trong vật liệu lai nano silica/oligochitosan thông qua liên kết hydro và liên kết phối trí giữa ion silanol và nhóm amin, tạo ra hiệu ứng đồng vận kháng vi sinh vật. Đồng thời, chương 1 phân tích hiện trạng gây hại và biện pháp phòng trừ bốn loại bệnh thực vật phổ biến tại Việt Nam: bệnh đốm nâu trên thanh long do nấm Neoscytalidium dimidiatum, bệnh đạo ôn lá do nấm Pyricularia oryzae, bệnh bạc lá lúa do vi khuẩn Xanthomonas sp. và bệnh nấm hồng trên cây cao su do nấm Corticium salmonicolor, từ đó khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng vật liệu lai nano SiO2/oligochitosan làm chất bảo vệ thực vật thế hệ mới.

Chương 2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết nguồn gốc nguyên liệu, hóa chất tinh khiết (HCl 37%, NaOH 98%, H2O2 30%, axit lactic 85%, thuốc thử DNS, chitin chuẩn, GlcNAc) và quy trình chuẩn bị mẫu thực nghiệm:

  • Tách kim loại và nhiệt phân tro vỏ trấu: Tro trấu được xử lý với dung dịch HCl 1N ở 80 °C trong 2 giờ, để yên 24 giờ, rửa sạch đến pH trung tính, sấy ở 110 °C rồi nung trong lò nung Nabertherm tại 700 °C, 750 °C và 800 °C trong thời gian 2 giờ.
  • Nhiệt phân gel SiO2/chitosan: Hòa tan tro trấu trong dung dịch NaOH 1N ở 80 °C thu dung dịch Na2SiO3 (12% SiO2). Phối trộn dung dịch Na2SiO3 với dung dịch chitosan 2% (trong môi trường axit lactic 2% + HCl 1N) ở các tỷ lệ khối lượng SiO2/CS là 1/1, 2/1, 4/1 và 6/1, chỉnh pH ~ 6 để tạo gel, rửa bằng cồn/nước (50/50), sấy khô và nung ở 700 °C trong 2 giờ.
  • Cắt mạch chitosan tạo oligochitosan: Dung dịch chitosan 4% trong axit lactic 2% có bổ sung H2O2 0,5% được chiếu xạ tia gamma Co-60 (suất liều 1,12 kGy/giờ) theo 3 bậc chiếu xạ (7, 14, 21 kGy, mỗi bậc bổ sung tiếp H2O2 0,5%) và các liều tiếp theo đến 49 kGy để thu các phân đoạn oligochitosan có khối lượng phân tử từ 3.000 đến 7.000 g.mol⁻¹ (OC3000, OC5000, OC7000).
  • Chế tạo vật liệu lai nano SiO2/oligochitosan: Thực hiện theo hai quy trình: (1) phối trộn hạt nano silica đã tẩm ướt ethanol/nước (1/1) vào dung dịch oligochitosan 2% ở pH 5,5–6,0; (2) phản ứng sol-gel kết tủa trực tiếp Na2SiO3 với HCl 1N trong dung dịch OC 4% ở pH ~ 6,5, thu được dung dịch keo chứa 1,0%, 1,5% và 2,0% SiO2.
  • Quy trình thử nghiệm sinh học: Bố trí thí nghiệm in vivo ngẫu nhiên có lặp lại trên cây thanh long ruột trắng 5 năm tuổi (9 trụ/ô, 3 lần lặp), trên lúa OM5451 theo quy chuẩn 10TCN 157-1992 và trên cây cao su bị nhiễm nấm hồng; đo hoạt độ chitinase bằng phản ứng DNS tại bước sóng 540 nm (đường chuẩn $y = 1,3587x - 0,1538; R^2 = 0,9949$).

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:

  • Xử lý tro vỏ trấu và chế tạo nano silica: Xử lý HCl 1N đã loại bỏ hầu hết các tạp chất oxit kim loại (Na, K, Ca, Mg, Fe, Al), nâng hàm lượng SiO2 trong tro trấu sau nung lên trên 99%. Khi nhiệt phân tro trấu đã xử lý axit ở 700 °C trong 2 giờ, thu được nano silica cấu trúc vô định hình (xác nhận qua XRD peak tù tại $2\theta = 22^\circ$), kích thước hạt trung bình từ 30 đến 50 nm. Đối với phương pháp nhiệt phân gel SiO2/chitosan ở 700 °C, kích thước hạt nano silica thu được phụ thuộc tỷ lệ khối lượng SiO2/CS: tỷ lệ 1/1 cho kích thước hạt 10–15 nm; tỷ lệ tăng dần lên 2/1, 4/1 và 6/1 làm kích thước hạt tăng lên 15–20 nm, 20–25 nm và 25–30 nm.
+---------------------------+------------------------+----------------------+
| Mẫu nano silica chế tạo   | Tỷ lệ SiO2/CS hoặc T°C | Kích thước hạt (TEM) |
+---------------------------+------------------------+----------------------+
| Nhiệt phân tro vỏ trấu    | 700 °C, 2 giờ          | 30 - 50 nm           |
| Nhiệt phân tro vỏ trấu    | 750 °C, 2 giờ          | 40 - 60 nm           |
| Nhiệt phân tro vỏ trấu    | 800 °C, 2 giờ          | 50 - 80 nm           |
| Nhiệt phân gel SiO2/CS    | Tỷ lệ SiO2/CS ~ 1/1    | 10 - 15 nm           |
| Nhiệt phân gel SiO2/CS    | Tỷ lệ SiO2/CS ~ 2/1    | 15 - 20 nm           |
| Nhiệt phân gel SiO2/CS    | Tỷ lệ SiO2/CS ~ 4/1    | 20 - 25 nm           |
| Nhiệt phân gel SiO2/CS    | Tỷ lệ SiO2/CS ~ 6/1    | 25 - 30 nm           |
+---------------------------+------------------------+----------------------+
  • Điều chế oligochitosan bằng chiếu xạ kết hợp H2O2: Việc bổ sung H2O2 nồng độ 0,5% theo 3 chu kỳ chiếu xạ (mỗi chu kỳ 7 kGy) đã cắt mạch chitosan hiệu quả, giảm liều chiếu xạ cần thiết từ 45 kGy xuống 21 kGy để đạt khối lượng phân tử 3.000 g.mol⁻¹ (OC3000). Phổ FT-IR và XRD chứng minh cấu trúc mắt xích D-glucosamin được bảo toàn nguyên vẹn.
  • Tính chất hóa lý của vật liệu lai: Dung dịch keo nano SiO2/OC3000 (chứa 1,5% SiO2 và 2% OC3000) có thế điện kép zeta đạt $\zeta > +30\text{ mV}$, duy trì độ phân tán ổn định không bị kết tụ sau 12 tháng bảo quản ở nhiệt độ phòng.
  • Độc tính cấp và kích ứng da: Thử nghiệm trên chuột nhắt trắng xác định LD50 đường miệng của vật liệu nano SiO2/OC3000 đạt mức an toàn > 5.000 mg/kg thể trọng (không gây chết chuột ở tất cả các lô thử nghiệm); thử nghiệm Buehler không ghi nhận phản ứng kích ứng hay dị ứng da trên 20 cá thể chuột thí nghiệm.
  • Khảo nghiệm hiệu lực sinh học và kích kháng:
    • Trên cây thanh long: Công thức xử lý nano SiO2/OC3000 ở nồng độ 150 mg/L làm tăng vọt hoạt độ enzyme chitinase trong mô cành lên mức cực đại sau 72–120 giờ lây nhiễm nấm N. dimidiatum, đạt hiệu lực giảm tỷ lệ bệnh và chỉ số bệnh đốm nâu lên tới 86,5% so với đối chứng dương. Khối lượng phân tử oligochitosan càng nhỏ (OC3000 > OC5000 > OC7000) thì hoạt tính kích thích sinh chitinase càng mạnh.
    • Trên cây lúa: Xử lý nano SiO2/OC3000 ở nồng độ 100–125 mg/L kiểm soát hiệu quả bệnh đạo ôn lá (hiệu lực đạt 88,2% tương đương thuốc đối chứng Trizole 75WP) và bệnh bạc lá lúa (hiệu lực đạt trên 85%).
    • Trên cây cao su: Thử nghiệm in vitro ức chế hoàn toàn sự phát triển tản nấm Corticium salmonicolor ở nồng độ nano SiO2/OC3000 150 mg/L; thử nghiệm in vivo tại vườn cao su ghi nhận vết bệnh nấm hồng cấp 3 khô và dừng lây lan, đạt hiệu lực kiểm soát từ 89% đến 92%.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Xác lập quy luật ảnh hưởng của nhiệt độ và tiền xử lý axit HCl đến quá trình nhiệt phân tro vỏ trấu công nghiệp để thu nhận nano silica vô định hình có độ tinh khiết > 99%, kích thước hạt trung bình từ 30 đến 50 nm.
  2. Xây dựng phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel silica/chitosan, chứng minh quy luật điều khiển kích thước hạt nano silica (< 30 nm) thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ khối lượng SiO2/chitosan trong gel tiền chất, mở ra hướng ứng dụng polymer sinh học làm chất định hướng cấu trúc thay thế chất hoạt động bề mặt hóa học.
  3. Làm sáng tỏ động học và cơ chế cắt mạch chitosan bằng bức xạ gamma Co-60 kết hợp tác nhân oxy hóa H2O2 0,5% theo quy trình đa bậc, giúp giảm hơn 50% liều xạ cần thiết để chế tạo oligochitosan khối lượng phân tử thấp (3.000 g.mol⁻¹) mà không làm biến đổi cấu trúc hóa học đơn phân tử D-glucosamin.
  4. Chứng minh hiệu ứng tương tác hiệp đồng và cơ chế kích kháng sinh học của hệ vật liệu lai vô cơ - hữu cơ nano SiO2/oligochitosan: vừa kích hoạt mạnh mẽ sự biểu hiện của enzyme phòng vệ chitinase nội sinh trong cây trồng, vừa ức chế trực tiếp sự phát triển của vi nấm và vi khuẩn gây bệnh.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Đề xuất quy trình công nghệ tận dụng đồng thời hai nguồn phế phẩm nông - thủy sản dồi dào tại Việt Nam (tro vỏ trấu và vỏ tôm) để chế tạo sản phẩm bảo vệ thực vật sinh học có giá trị gia tăng cao.
  2. Sản phẩm keo nano SiO2/OC3000 có độc tính cấp đường miệng thuộc nhóm không độc (LD50 > 5.000 mg/kg), không gây kích ứng da, đáp ứng tiêu chuẩn sản xuất nông nghiệp an toàn.
  3. Khẳng định hiệu lực phòng trừ thực tế đạt từ 86% đến 92% đối với bệnh đốm nâu thanh long, đạo ôn và bạc lá lúa, nấm hồng cao su ở dải nồng độ thấp (100 - 150 mg/L), cung cấp cơ sở để phát triển chế phẩm sinh học thay thế thuốc trừ bệnh hóa học độc hại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Khảo nghiệm in vivo mới tập trung vào ba đối tượng cây trồng chính (thanh long, lúa, cao su) tại khu vực phía Nam, chưa mở rộng trên các đối tượng cây ăn trái và cây công nghiệp khác.
  • Luận án mới đánh giá hoạt độ của enzyme chitinase đại diện cho cơ chế kích kháng, chưa phân tích toàn diện các enzyme phòng vệ khác như $\beta$-1,3-glucanase, peroxidase (POD), phenylalanine ammonia-lyase (PAL) cũng như biểu hiện mức độ phiên mã của các gen kháng liên quan.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu thay thế chitosan bằng các loại polymer sinh học phế phẩm khác có khả năng tạo gel với silica để tiếp tục hạ giá thành sản xuất nano silica kích thước nhỏ.
  • Mở rộng thử nghiệm hiệu lực của vật liệu lai nano SiO2/oligochitosan trong kiểm soát tuyến trùng hại rễ cà phê, tiêu và bệnh vàng lá thối rễ trên cây có múi.
  • Nghiên cứu ứng dụng hệ vật liệu keo nano SiO2/oligochitosan trong lĩnh vực tạo màng bảo quản nông sản sau thu hoạch và phòng trị bệnh nhiễm khuẩn trong nuôi trồng thủy sản.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo cho nhiều đối tượng trong nghiên cứu và ứng dụng:

  • Nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Hóa vô cơ, Khoa học Vật liệu: Tham khảo phương pháp chuyển hóa tro trấu thành nano silica, công nghệ sol-gel polyme vô cơ/hữu cơ và kỹ thuật chế tạo gel SiO2/chitosan để kiểm soát kích thước hạt nano.
  • Nhà khoa học ngành Công nghệ Bức xạ và Hóa sinh: Tham khảo quy trình công nghệ chiếu xạ ion hóa Co-60 kết hợp tác nhân oxy hóa để biến tính cắt mạch polysaccharide có kiểm soát khối lượng phân tử.
  • Cán bộ nghiên cứu Bảo vệ Thực vật và Nông nghiệp: Sử dụng phương pháp luận khảo nghiệm in vivo cơ chế kích kháng sinh học thông qua định lượng enzyme chitinase bằng thuốc thử DNS và các quy chuẩn đánh giá bệnh hại thực vật.
  • Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thuốc BVTV sinh học: Ứng dụng quy trình công nghệ xanh để sản xuất chế phẩm sinh học phòng trừ nấm bệnh từ phế thải nông nghiệp tro trấu và vỏ tôm ở quy mô công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn nguyên liệu tro vỏ trấu và chitosan trong luận án có nguồn gốc và thông số ban đầu như thế nào?

Tro vỏ trấu được lấy mẫu đại diện từ lò sấy lúa tại xã Tân Bình, huyện Vĩnh Cửu, tỉnh Đồng Nai với hàm lượng SiO2 đạt trên 60–85%. Chitosan được cung cấp bởi Công ty Cổ phần Chế biến Xuất nhập khẩu Thủy sản Bà Rịa - Vũng Tàu, có nguồn gốc từ vỏ tôm với độ đề acetyl hóa (DDA) đạt 91,4%, khối lượng phân tử trung bình trọng lượng Mw khoảng 44.000 g.mol⁻¹ và khối lượng phân tử trung bình số Mn khoảng 13.000 g.mol⁻¹.

2. Phương pháp nhiệt phân gel SiO2/chitosan có ưu thế gì trong việc kiểm soát kích thước hạt nano silica?

Phương pháp tạo gel SiO2/chitosan cho phép điều chỉnh kích thước hạt nano silica theo tỷ lệ khối lượng SiO2/chitosan: tỷ lệ 1/1 tạo hạt 10–15 nm; tỷ lệ 2/1 tạo hạt 15–20 nm; tỷ lệ 4/1 tạo hạt 20–25 nm và tỷ lệ 6/1 tạo hạt 25–30 nm. Mạng lưới polymer chitosan đóng vai trò chất tạo khung định hướng cấu trúc, ngăn ngừa hạt kết tụ khi nung ở 700 °C mà không cần dùng đến chất hoạt động bề mặt CTAB chứa brom độc hại.

3. Quy trình kết hợp H2O2 và chiếu xạ tia gamma Co-60 giúp tối ưu hóa việc điều chế oligochitosan ra sao?

Quy trình sử dụng H2O2 nồng độ thấp (0,5%) bổ sung theo 3 bậc (mỗi bậc chiếu xạ liều 7 kGy) đã tận dụng các gốc tự do •OH sinh ra dưới tác dụng bức xạ để cắt chọn lọc liên kết $\beta$-1,4-glycozit. Phương pháp này giảm liều chiếu xạ tổng từ 45 kGy xuống 21 kGy để thu được oligochitosan Mw ~ 3.000 g.mol⁻¹, tiết kiệm chi phí chiếu xạ và giữ nguyên vẹn cấu trúc mắt xích glucosamin.

4. Hiệu lực kích kháng và kiểm soát bệnh hại thực vật của nano SiO2/OC3000 đạt mức bao nhiêu trên các loại cây trồng?

Ở nồng độ hoạt chất từ 100 đến 150 mg/L, vật liệu nano SiO2/OC3000 làm tăng hoạt độ enzyme chitinase nội sinh và đạt hiệu lực kiểm soát bệnh đốm nâu trên thanh long (N. dimidiatum) đạt 86,5%, bệnh đạo ôn lá (P. oryzae) đạt 88,2%, bệnh bạc lá lúa (Xanthomonas sp.) đạt trên 85% và bệnh nấm hồng trên cao su (C. salmonicolor) đạt 89–92%.

5. Kết quả kiểm tra an toàn độc tính sinh học của vật liệu nano SiO2/OC3000 trên động vật thực nghiệm ra sao?

Vật liệu nano SiO2/OC3000 được xác định có độc tính cấp qua đường miệng trên chuột nhắt trắng với LD50 > 5.000 mg/kg thể trọng (thuộc nhóm hợp chất không độc theo phân loại của WHO). Thử nghiệm Buehler trên da chuột nhắt trắng không ghi nhận bất kỳ phản ứng dị ứng hay kích ứng da nào.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Lê Nghiêm Anh Tuấn đã xây dựng thành công quy trình công nghệ tận dụng phế thải tro vỏ trấu và vỏ tôm để chế tạo nano silica vô định hình (kích thước 10–50 nm) và oligochitosan khối lượng phân tử thấp (3.000 g.mol⁻¹). Hệ vật liệu lai nano SiO2/oligochitosan thể hiện độ ổn định keo cao, không độc tính cấp và không gây kích ứng da. Thực nghiệm đã chứng minh vật liệu có khả năng kích hoạt enzyme chitinase nội sinh và đạt hiệu lực kiểm soát từ 86% đến 92% đối với các bệnh đốm nâu thanh long, đạo ôn và bạc lá lúa, nấm hồng cao su ở nồng độ 100–150 mg/L. Công trình đóng góp cơ sở khoa học và giải pháp thực tiễn quan trọng cho việc phát triển các chế phẩm bảo vệ thực vật sinh học thế hệ mới phục vụ sản xuất nông nghiệp an toàn.