Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ hóa học với đề tài "Nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silica/chitosan ứng dụng làm chất kháng nấm bệnh thực vật" do nghiên cứu sinh Lê Nghiêm Anh Tuấn thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (chuyên ngành Hóa vô cơ, mã số 9.13, bảo vệ năm 2021), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bùi Duy Du và PGS. Nguyễn Quốc Hiến, trong khuôn khổ đề tài tài trợ bởi Quỹ NAFOSTED (mã số 106-NN).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có sản lượng sản xuất lúa gạo và chế biến thủy sản lớn, hàng năm thải ra khoảng 150.000 tấn tro vỏ trấu từ các lò đốt công nghiệp và khoảng 325.000 tấn phế thải vỏ tôm. Tro vỏ trấu chứa hàm lượng silica ($SiO_2$) chiếm từ 60% đến trên 90%, trong khi vỏ tôm là nguồn nguyên liệu dồi dào để chiết xuất chitin và chitosan. Trong canh tác nông nghiệp, việc lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật tổng hợp hóa học đang gây ra các vấn đề về dư lượng độc hại trên nông sản và ô nhiễm môi trường.

Silica ở kích thước nanomet có khả năng gia cường thành tế bào và kháng vi sinh vật, còn oligochitosan (chitosan khối lượng phân tử thấp) có hoạt tính kích thích cơ chế miễn dịch tự nhiên của thực vật (kích kháng sinh học - elicitor). Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định bao gồm:

  1. Thiếu các quy trình nhiệt phân trực tiếp nguồn tro vỏ trấu phế thải công nghiệp (vốn bị kết tụ bởi liên kết silanol $Si-OH$ và lẫn cacbon không đồng nhất) để chế tạo hạt nano silica dạng bột có cấu trúc vô định hình và độ tinh khiết cao.
  2. Nhu cầu thay thế các chất tạo gel mang tính độc hại (như Cetyltrimethylammonium bromide - CTAB) bằng polyme sinh học chitosan nhằm kiểm soát kích thước hạt nano silica dưới 30 nm bằng phương pháp nhiệt phân gel $SiO_2/CS$.
  3. Cần giải pháp giảm liều chiếu xạ gamma khi điều chế oligochitosan khối lượng phân tử thấp ($3.000 - 7.000\text{ g.mol}^{-1}$) nhằm hạ giá thành sản xuất nhưng không làm biến đổi cấu trúc đơn phân tử glucosamin.
  4. Thiếu hụt các nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan có khối lượng phân tử dưới $5.000\text{ g.mol}^{-1}$ và khảo nghiệm đồng bộ về hiệu lực kích kháng cũng như khả năng kiểm soát các loại bệnh thực vật nguy hiểm (đốm nâu thanh long, đạo ôn lá, bạc lá lúa, nấm hồng cao su).

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu cụ thể:

  1. Nghiên cứu điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu và phương pháp nhiệt phân gel $SiO_2/\text{chitosan}$, đồng thời xác định các đặc trưng hóa lý của sản phẩm.
  2. Nghiên cứu điều chế oligochitosan có khối lượng phân tử từ $3.000\text{ g.mol}^{-1}$ đến $7.000\text{ g.mol}^{-1}$ bằng phương pháp xử lý chitosan bằng $H_2O_2$ nồng độ thấp kết hợp chiếu xạ tia gamma Coban 60 ($^{60}Co$).
  3. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan bằng phương pháp phối trộn và phương pháp kết tủa nano silica trong dung dịch oligochitosan.
  4. Thử nghiệm in vitro và in vivo độc tính cấp, độc tính kích ứng da và hiệu lực kiểm soát nấm bệnh, kích kháng thực vật của vật liệu lai đối với bệnh đốm nâu trên thanh long, bệnh đạo ôn lá và bạc lá trên lúa, bệnh nấm hồng trên cao su.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Nguồn tro vỏ trấu lấy từ lò sấy lúa tại xã Tân Bình, huyện Vĩnh Cửu, tỉnh Đồng Nai (lấy mẫu đại diện tháng 03/2016).
    • Chitosan thương mại từ Công ty Cổ phần Chế biến Xuất nhập khẩu Thủy sản Bà Rịa - Vũng Tàu (độ đề acetyl $DDA \approx 91,4%$, khối lượng phân tử trung bình trọng lượng $M_w \approx 44.000\text{ g.mol}^{-1}$, khối lượng phân tử trung bình số $M_n \approx 13.000\text{ g.mol}^{-1}$).
    • Các chủng vi sinh vật gây bệnh: 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).
    • Cây trồng thí nghiệm: Cây thanh long ruột trắng 5 năm tuổi, cây lúa giống OM5451 (20 ngày tuổi) và cây cao su nhiễm bệnh nấm hồng.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Tổng hợp và phân tích hóa lý tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ TP.HCM (VINAGAMMA); khảo nghiệm đồng ruộng và nhà lưới tại khu vực phía Nam.
    • Thời gian: Các số liệu thực nghiệm được thu thập, phân tích và xử lý trong giai đoạn 2016 – 2021.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã phân tích và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ba trục nội dung chính: chế tạo nano silica, cắt mạch chitosan và chế tạo vật liệu lai ứng dụng trong nông nghiệp.

Các hướng nghiên cứu tiền đề

  • Về chế tạo nano silica từ phụ phẩm nông nghiệp:

    • Phương pháp hóa học/sol-gel: Lê Văn Hải và cs (2013) dùng phương pháp sol-gel với chất hoạt động bề mặt CTAB thu được nano silica 15 nm, diện tích bề mặt $340\text{ m}^2/\text{g}$; Nguyễn Trí Tuấn và cs (2014) và Nguyễn Văn Hưng và cs (2015) kết tủa $Na_2SiO_3$ với $HCl$ ở pH $\approx 6$ thu được hạt vô định hình 15 nm; Zulkifli và cs dùng $H_3PO_4$ tạo gel; Liou và Yang nghiên cứu tối ưu hóa nhiệt độ và pH tạo gel; Rehman và cs, Selvakumar, Zhang và cs xử lý tro trấu bằng axit ($HCl, HNO_3, H_2SO_4$) rồi chiết kiềm $NaOH$ 2–3N; Rungrodnimitchai và cs ứng dụng vi sóng 800W; Li và cs (2011) cùng Ma và cs (2012) hòa tan $SiO_2$ bằng $NH_4F$ tạo $(NH_4)_2SiF_6$ rồi thủy phân thu hạt 50–60 nm với hiệu suất 94,6%.
    • Phương pháp nhiệt phân: Phạm Đình Dũng và cs (2016), Nguyễn Thị Thủy và cs (2017) nhiệt phân vỏ trấu ở $700^\circ\text{C}$ trong 2 giờ thu được hạt 10–30 nm bị kết tụ; Gu và cs (2013, 2015) tiền xử lý vỏ trấu với $HCl$ 8% ở $120^\circ\text{C}$ trong 4 giờ trước khi nhiệt phân ở $610 - 800^\circ\text{C}$ trong môi trường $N_2, CO_2, O_2$ đạt độ tinh khiết 99,62%, diện tích bề mặt $204,3 - 352,6\text{ m}^2/\text{g}$; Wang và cs (2012) nhiệt phân 2 lần kết hợp siêu âm thu hạt 25–30 nm; Alshatwi và cs (2015) kết hợp hấp thủy nhiệt và nhiệt phân 1 giờ; Farjood và cs (2020) nhiệt phân gel $Na_2SiO_3/\text{CTAB}$.
  • Về điều chỉnh khối lượng phân tử chitosan thành oligochitosan:

    • Phương pháp hóa học và sinh học: Sử dụng axit ($HCl, H_3PO_4, HNO_2, H_2O_2$) hoặc enzym (cellulase, chitinase, lysozyme, lipase) đã được Quin và cs (2002), von Sonntag và cs (1980) chỉ ra cơ chế gốc tự do hydroxyl tác kích, song phương pháp hóa học dễ làm biến tính vòng glucopyranose, còn enzym có giá thành cao.
    • Phương pháp bức xạ: Nguyễn Quốc Hiến và cs (2000) chiếu xạ dung dịch chitosan nguồn gốc ban đầu $60.000\text{ g.mol}^{-1}$ với liều 45 kGy tạo oligochitosan có mức độ polyme hóa $DP < 8$; Bùi Phước Phúc (2006) kết hợp oxy hóa sơ bộ bằng $H_2O_2$ 1,5% rồi chiếu xạ 20 kGy thu sản phẩm $\approx 40.000\text{ g.mol}^{-1}$; Nguyễn Quốc Hiến và cs (2011), Nguyễn Ngọc Duy và cs (2011) tiếp tục tối ưu hóa phương pháp phối hợp tác nhân oxy hóa với bức xạ tia gamma Coban 60 ($^{60}Co$).
  • Về vật liệu lai nano silica/chitosan và hoạt tính sinh học:

    • Sowjanya và cs (2013), Kavy và cs, Thongthai và cs (2011), Jen-Taut và cs (2007) tổng hợp vật liệu lai phục vụ nuôi cấy mô hoặc màng chức năng từ nguồn TEOS, TMOS hoặc thủy tinh lỏng.
    • Song và cs (2009) chứng minh nano silica kích thước 17–50 nm có nồng độ ức chế tối thiểu ($MIC$) kháng E. coli và S. aureus đạt từ 1–9 mg/mL; Suriyaprabha (2013) thử nghiệm nano silica kháng nấm Fusarium oxysporum và Aspergillus niger trên cây ngô ở liều 10–15 kg/ha; El-bendary và El-Helaly (2013) ghi nhận khả năng diệt sâu Spodoptera littoralis trên cà chua ($LD_{50} = 212\text{ mg.L}^{-1}$).
    • Đặng Xuân Dự (2015) ghi nhận oligochitosan có khối lượng phân tử $< 10.000\text{ g.mol}^{-1}$ kích thích tạo phytoalexin cao; Burkhanova và cs (2007) ứng dụng oligochitosan $5.000\text{ g.mol}^{-1}$ kiểm soát nấm Bipolaris sorokiniana trên lúa mì; Ozeretskovskaya và cs (2006) kiểm soát bệnh mốc sương khoai tây ($2.000 - 5.000\text{ g.mol}^{-1}$); Das và cs kiểm soát nấm Botrytis cinerea trên dưa chuột (giảm gần 90% tỷ lệ bệnh); Bùi Duy Du và cs (2015) dùng oligochitosan $\approx 5.000\text{ g.mol}^{-1}$ nồng độ 150 mg/L kích hoạt enzyme chitinase kiểm soát bệnh đốm nâu thanh long đạt hiệu quả 81%; Kiirika và cs (2013), Phạm Đình Dũng và cs (2016), Nguyễn Ngọc Thủy và cs (2017) chứng minh nano $SiO_2/\text{CS}$ kháng nấm Colletotrichum spp. gây bệnh thán thư ớt và kích thích tăng trưởng thực vật.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án định vị trọng tâm vào việc thiết lập quy trình nhiệt phân tro vỏ trấu phế thải đã xử lý $HCl$ và phương pháp nhiệt phân gel $SiO_2/\text{chitosan}$ để tạo nano silica mà không dùng hóa chất độc hại; hoàn thiện quy trình cắt mạch chitosan bằng bức xạ gamma $^{60}Co$ với nồng độ $H_2O_2$ thấp (0,5%) phân bổ theo 3 bậc để hạ liều chiếu xạ xuống $7 - 21\text{ kGy}$; và đánh giá toàn diện khả năng kiểm soát các bệnh hại phổ biến trên cây trồng kinh tế cao của vật liệu lai nano $SiO_2/\text{oligochitosan}$.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cấu trúc silica và phản ứng tạo gel: Silica tồn tại ở dạng vô định hình hoặc tinh thể do liên kết ngưng tụ giữa các nhóm silanol ($Si-OH$). Quá trình sol-gel dựa trên phản ứng tạo muối silicat kiềm và tái kết tủa bằng axit: $$\text{SiO}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{H}_2\text{O}$$ $$\text{Na}_2\text{SiO}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{SiO}_2\downarrow + \text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{H}_2\text{O}$$
  • Cơ chế cắt mạch bức xạ phối hợp oxy hóa: Dưới tác dụng của tia gamma $^{60}Co$, nước và $H_2O_2$ bị phân ly sinh ra các gốc tự do có hoạt tính oxy hóa mạnh, chủ yếu là gốc hydroxyl ($\text{HO}^\bullet$): $$\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\gamma} \text{H}_2, \text{H}_2\text{O}2, \text{H}^\bullet, \text{OH}^\bullet, e{aq}^-, \text{H}_3\text{O}^+, \text{HO}_2^\bullet$$ $$\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{H}^+ + \text{HOO}^-$$ $$\text{HOO}^- + \text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{OH}^\bullet + \text{O}_2 + \text{H}_2\text{O}$$ Gốc $\text{OH}^\bullet$ tác kích ngẫu nhiên bắt nguyên tử hydro của liên kết $C-H$ trên vòng glucopyranose của mạch chitosan: $$\text{RH} + \text{HO}^\bullet \rightarrow \text{R}^\bullet + \text{H}_2\text{O}$$ Gốc tự do đại phân tử $\text{R}^\bullet$ chuyển vị dẫn đến việc bẻ gãy liên kết $\beta\text{-1,4 glucozit}$ làm suy giảm khối lượng phân tử tạo thành oligochitosan.
  • Cơ chế liên kết trong vật liệu lai: Các hạt nano silica phân tán liên kết với mạch oligochitosan qua liên kết phối trí giữa nguyên tử oxy của silica/silanol và nhóm amino ($-\text{NH}_2$) hoặc hydroxyl ($-\text{OH}$) của chitosan, kết hợp tương tác tĩnh điện và liên kết hydro, ngăn ngừa hiện tượng kết tụ hạt.
  • Cơ chế kích kháng sinh học (Elicitor): Oligochitosan liên kết với các thụ thể trên màng tế bào thực vật, truyền tín hiệu kích hoạt các gen phòng vệ, thúc đẩy sinh tổng hợp enzyme phân giải vách tế bào nấm bệnh như chitinase (thủy phân chitin thành $N\text{-acetylglucosamin}$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Chế tạo vật liệu:
    • Tách kim loại tro trấu: Xử lý bằng dung dịch $HCl$ 1N ở $80^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, để yên 24 giờ, rửa sạch đến pH $\approx 7$, sấy khô ở $110^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt phân tro trấu: Nung tro đã khử kim loại ở $700^\circ\text{C}, 750^\circ\text{C}, 800^\circ\text{C}$ trong 2 giờ.
    • Nhiệt phân gel $SiO_2/CS$: Dung dịch $Na_2SiO_3$ (chiết từ tro trấu bằng $NaOH$ 1N) phối trộn với dung dịch chitosan 2% trong axit lactic 2% và $HCl$ 1N theo tỷ lệ khối lượng $SiO_2/\text{CS}$ lần lượt là 1/1, 2/1, 4/1, 6/1; chỉnh pH $\approx 6$ tạo gel; rửa bằng hỗn hợp cồn/nước (50/50), sấy khô và nhiệt phân ở $700^\circ\text{C}$ trong 2 giờ.
    • Cắt mạch chitosan: Dung dịch chitosan 4% trong axit lactic 2% bổ sung $H_2O_2$ nồng độ 0,5% theo 3 bậc (mỗi đợt 7 kGy bổ sung $H_2O_2$), chiếu xạ trên thiết bị gamma SVST Co-60/B (suất liều $1,12\text{ kGy/h}$) với tổng liều từ 7 đến 49 kGy; kết tủa bằng cồn tuyệt đối 99,5% (tỷ lệ thể tích 4/1), sấy khô ở $60^\circ\text{C}$.
    • Tổng hợp vật liệu lai nano $SiO_2/\text{OC}$: Tiến hành theo 2 cách: (1) Phối trộn nano silica (tẩm ướt cồn/nước 1/1) vào dung dịch oligochitosan 2% ở pH 5,5–6,0; (2) Kết tủa $SiO_2$ tại chỗ từ $Na_2SiO_3$ trong dung dịch oligochitosan 4% có $HCl$ 1N, chỉnh pH về $\approx 6,5$.
  • Kỹ thuật phân tích và thiết bị:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Phân tích cấu trúc mạng vô định hình và độ kết tinh.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Định lượng thành phần nguyên tố Si và tạp chất kim loại.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Xác định các dao động liên kết đặc trưng ($Si-O-Si, Si-OH, C=O, -NH_2$).
    • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Đo kích thước và hình thái học của hạt nano.
    • Sắc ký lọc gel (GPC): Xác định khối lượng phân tử trung bình dựa trên dãy chất chuẩn Pullulan.
    • Đo thế điện động Zeta: Đánh giá độ bền phân tán keo.
    • Đo quang phổ UV-Vis: Xác định mật độ quang ($OD$) tại bước sóng 540 nm bằng thiết bị Jasco V-630.
  • Phương pháp khảo nghiệm sinh học và thử độc tính:
    • Thử độc tính cấp ($LD_{50}$): Thử nghiệm trên chuột nhắt trắng cho uống qua đường miệng theo phương pháp Litchfield-Wilcoxon và Behrens-Karber (các mức liều đến $5.000\text{ mg.kg}^{-1}$ thể trọng, theo dõi 15 ngày).
    • Thử kích ứng da: Thử nghiệm Buehler trên vùng da lưng cạo lông của chuột nhắt trắng với nhóm thử nghiệm, nhóm đối chứng âm (nước cất) và đối chứng dương (2,4-dinitrochlorobenzene 8 mg/mL).
    • Đánh giá hoạt độ enzyme chitinase: Thủy phân cơ chất chitin thành đường khử $N\text{-acetylglucosamin}$ (GlcNAc), cho phản ứng với thuốc thử axit 3,5-dinitrosalicylic (DNS) trong môi trường kiềm nóng tạo màu đỏ da cam; đo độ hấp thụ ở bước sóng 540 nm; hàm lượng đường khử được tính theo phương trình đường chuẩn: $$y = 1,3587x - 0,1538 \quad (R^2 = 0,9949)$$
    • Đánh giá bệnh học thực vật: Xác định tỷ lệ bệnh (TLB, %), chỉ số bệnh (CSB, %) theo công thức Townsend-Heuberger phân 5 cấp bệnh ($n_1, n_3, n_5, n_7, n_9$) và hiệu lực phòng trừ ($H, %$) theo công thức Henderson-Tilton.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương này tập trung trình bày tổng quan cấu trúc, tính chất lý hóa của silica và chitosan; các phương pháp hóa học, nhiệt phân chế tạo nano silica; các phương pháp cắt đứt liên kết $\beta\text{-1,4 glucozit}$ của chitosan; cơ chế liên kết phối trí trong vật liệu lai vô cơ - hữu cơ; và hoạt tính kháng vi sinh vật cũng như cơ chế kích kháng sinh học trên cây trồng. Đồng thời, tác giả điểm luận chi tiết tình hình dịch bệnh thực vật tại Việt Nam đối với các cây trồng chủ lực: bệnh đốm nâu (Neoscytalidium dimidiatum) trên thanh long, bệnh đạo ôn (Pyricularia oryzae) và bạc lá (Xanthomonas sp.) trên lúa, bệnh nấm hồng (Corticium salmonicolor) trên cây cao su.

Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc nguyên liệu tro trấu, chitosan, hóa chất tinh khiết và các chủng vi sinh vật; thiết lập các quy trình công nghệ chế tạo nano silica (phương pháp nhiệt phân tro trấu và nhiệt phân gel $SiO_2/\text{CS}$), quy trình cắt mạch chitosan bằng chiếu xạ gamma $^{60}Co$ kết hợp $H_2O_2$ 0,5% theo 3 bậc; quy trình chế tạo hệ phân tán vật liệu lai nano $SiO_2/\text{oligochitosan}$; cùng hệ thống các phương pháp phân tích hóa lý, phương pháp xác định độc tính cấp đường miệng, độc tính nhạy cảm da và phương pháp khảo nghiệm sinh học in vitro, in vivo trên cây trồng.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và biện luận khoa học tương ứng với các nội dung nghiên cứu của luận án:

1. Chế tạo và đặc trưng nano silica từ tro vỏ trấu

  • Thành phần hóa học: Xử lý tro trấu ban đầu bằng $HCl$ 1N ở $80^\circ\text{C}$ trong 2 giờ đã loại bỏ cơ bản các tạp chất oxit kim loại ($Na_2O, K_2O, CaO, MgO, Fe_2O_3, Al_2O_3$), nâng hàm lượng $SiO_2$ lên trên 98% sau nhiệt phân.
  • Nhiệt phân tro vỏ trấu: Quá trình nhiệt phân ở $700^\circ\text{C}$ trong 2 giờ cho sản phẩm nano silica vô định hình có kích thước hạt trung bình $30 - 50\text{ nm}$ (ảnh TEM). Khi tăng nhiệt độ nung lên $750^\circ\text{C}$ và $800^\circ\text{C}$, các hạt silica có xu hướng kết tụ và tăng kích thước do hiện tượng thiêu kết.
  • Nhiệt phân gel $SiO_2/\text{chitosan}$: Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt nano silica dưới 30 nm. Kích thước hạt nano silica tỷ lệ thuận với tỷ lệ khối lượng $SiO_2/\text{CS}$ trong gel ban đầu:
Tỷ lệ khối lượng $SiO_2/\text{CS}$ Kích thước hạt trung bình $d_{tb}$ (nm) Cấu trúc mạng tinh thể (XRD)
1 / 1 $< 15$ Vô định hình
2 / 1 $15 - 20$ Vô định hình
4 / 1 $20 - 25$ Vô định hình
6 / 1 $25 - 30$ Vô định hình
  • Phổ FT-IR và XRD: Giản đồ XRD của nano silica xuất hiện pic rộng đặc trưng cho cấu trúc vô định hình ở góc $2\theta \approx 22^\circ$. Phổ FT-IR ghi nhận các vân hấp thụ đặc trưng của liên kết $Si-O-Si$ (dao động uốn tại $468\text{ cm}^{-1}$, dao động đối xứng tại $800\text{ cm}^{-1}$, dao động bất đối xứng tại $1.090\text{ cm}^{-1}$) và liên kết $Si-OH$ tại $960\text{ cm}^{-1}$ cùng $3.450\text{ cm}^{-1}$.

2. Chế tạo và đặc trưng oligochitosan

  • Suy giảm khối lượng phân tử: Chiếu xạ dung dịch chitosan 4% kết hợp bổ sung $H_2O_2$ nồng độ 0,5% theo 3 bậc (ở các mức liều 7, 14 và 21 kGy) đã cắt mạch hiệu quả chitosan ban đầu ($M_w \approx 44.000\text{ g.mol}^{-1}$) xuống các phân đoạn mong muốn:
Ký hiệu mẫu Liều chiếu xạ (kGy) Quy cách bổ sung $H_2O_2$ Khối lượng phân tử $M_w$ ($\text{g.mol}^{-1}$)
CS nguyên liệu 0 Không $\approx 44.000$
OC7000 (CS03) 7 1 lần $H_2O_2$ 0,5% $\approx 7.000$
OC5000 (CS04) 14 2 lần $H_2O_2$ 0,5% $\approx 5.000$
OC3000 (CS07) 21 3 lần $H_2O_2$ 0,5% $\approx 3.000$
  • Đặc trưng cấu trúc: Phổ FT-IR của các mẫu oligochitosan vẫn duy trì đầy đủ các nhóm chức đặc trưng của vòng glucosamin gồm nhóm amid I ($C=O$ tại $1.650\text{ cm}^{-1}$), amid II ($-\text{NH}_2$ tại $1.590\text{ cm}^{-1}$) và liên kết cầu oxy $C-O-C$ ($1.080 - 1.150\text{ cm}^{-1}$), chứng minh quá trình cắt mạch chọn lọc liên kết $\beta\text{-1,4 glucozit}$ mà không làm phá hủy cấu trúc monome.

3. Tổng hợp và tính chất của vật liệu lai nano $SiO_2/\text{oligochitosan}$

  • Cả hai phương pháp phối trộn vật lý và kết tủa tại chỗ đều tạo ra hệ dung dịch keo lai đồng nhất. Các hạt nano silica phân tán tốt trong dung dịch oligochitosan nhờ liên kết phối trí và tương tác tĩnh điện.
  • Khảo sát độ ổn định hệ keo theo nồng độ $SiO_2$ và thời gian bảo quản cho thấy:
    • Ở hàm lượng nano $SiO_2$ 1,0% và 1,5% trong dung dịch OC 2% (đặc biệt là mẫu nano $SiO_2\text{ 1,5%/OC3000 2%}$), hệ keo duy trì kích thước hạt ổn định ($d_{tb} < 45\text{ nm}$), thế điện động Zeta $\zeta > +30\text{ mV}$, không bị lắng tụ sau 12 tháng bảo quản.
    • Ở hàm lượng nano $SiO_2$ 2,0%, dung dịch keo xuất hiện hiện tượng kết tụ hạt sau 2 tháng bảo quản.

4. Độc tính của vật liệu lai nano $SiO_2/\text{OC3000}$

  • Độc tính cấp qua đường miệng: Chuột nhắt trắng uống dung dịch nano $SiO_2\text{ 1,5%/OC3000 2%}$ ở các mức liều từ 300 đến $5.000\text{ mg.kg}^{-1}$ thể trọng không có con nào bị chết, không biểu hiện rối loạn hành vi hay sút cân trong 15 ngày theo dõi. Giá trị $LD_{50}$ qua đường miệng được xác định lớn hơn $5.000\text{ mg.kg}^{-1}$ thể trọng (thuộc nhóm không gây độc thực tế).
  • Độc tính tiếp xúc da: Thử nghiệm Buehler trên chuột nhắt cho thấy tỷ lệ nhạy cảm da đạt 0%, không gây kích ứng hay biến đổi mô học vùng da tiếp xúc.

5. Hiệu lực sinh học và kiểm soát bệnh thực vật

  • Kiểm soát bệnh đốm nâu (Neoscytalidium dimidiatum) trên thanh long:
    • Hiệu ứng kích kháng enzyme chitinase: Xử lý mẫu nano $SiO_2/\text{OC3000}$ ở nồng độ 150 mg/L kích hoạt sự gia tăng mạnh mẽ hoạt độ enzyme chitinase trong mô dây thanh long đạt đỉnh sau 72–120 giờ lây nhiễm nhân tạo nấm bệnh, cao hơn rõ rệt so với các công thức đơn lẻ (chỉ phun OC hoặc chỉ phun nano $SiO_2$) và đối chứng. Oligochitosan có khối lượng phân tử thấp ($3.000\text{ g.mol}^{-1}$) thể hiện hoạt tính kích kháng mạnh hơn $5.000$ và $7.000\text{ g.mol}^{-1}$.
    • Chỉ số bệnh và hiệu lực: Xử lý nano $SiO_2/\text{OC3000}$ (150 mg/L) làm giảm tỷ lệ bệnh và chỉ số bệnh xuống mức thấp nhất, đạt hiệu lực phòng trừ bệnh đốm nâu từ 86% đến 92% sau 168 giờ lây nhiễm.
  • Kiểm soát bệnh đạo ôn lá (Pyricularia oryzae) và bạc lá (Xanthomonas sp.) trên lúa:
    • Khảo nghiệm in vivo trên giống lúa OM5451 (20 ngày tuổi) với các nồng độ nano $SiO_2/\text{OC3000}$ (75, 100, 125 mg/L) cho thấy hiệu quả kiểm soát bệnh tăng theo nồng độ.
    • Ở nồng độ 100–125 mg/L, vết bệnh đạo ôn và bạc lá bị cô lập, tỷ lệ diện tích lá bị hại giảm tương đương với thuốc đối chứng hóa học Trizole 75WP.
  • Kiểm soát bệnh nấm hồng (Corticium salmonicolor) trên cây cao su:
    • Thử nghiệm in vitro: Vật liệu lai nano $SiO_2/\text{OC3000}$ ức chế hoàn toàn sự phát triển đường kính tản nấm Corticium salmonicolor trên đĩa thạch PDA ở nồng độ hoạt chất từ 100 mg/L sau 8 ngày nuôi cấy.
    • Khảo nghiệm in vivo: Trên vườn cây cao su bị bệnh nấm hồng cấp 3, việc phun xử lý nano $SiO_2/\text{OC3000}$ nồng độ 150 mg/L làm khô hoàn toàn vết bệnh, ngăn chặn sự lan rộng của tản nấm và phục hồi vỏ cây.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Xác lập quy luật điều chế hạt nano silica vô định hình kích thước $30 - 50\text{ nm}$ bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu đã loại tạp chất kim loại bằng $HCl$ ở nhiệt độ $700^\circ\text{C}$ trong thời gian 2 giờ.
  2. Xây dựng phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel $SiO_2/\text{chitosan}$ ở $700^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, chứng minh quy luật điều khiển kích thước hạt nano silica dưới 30 nm thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ khối lượng $SiO_2/\text{chitosan}$ (tỷ lệ tăng từ 1/1 đến 6/1 làm tăng kích thước hạt từ $< 15\text{ nm}$ đến $30\text{ nm}$).
  3. Hoàn thiện công nghệ điều chỉnh khối lượng phân tử chitosan từ $44.000\text{ g.mol}^{-1}$ xuống $3.000 - 7.000\text{ g.mol}^{-1}$ bằng phương pháp chiếu xạ gamma $^{60}Co$ kết hợp bổ sung $H_2O_2$ nồng độ thấp (0,5%) theo 3 bậc, giúp hạ liều chiếu xạ xuống $7 - 21\text{ kGy}$ mà không làm thay đổi cấu trúc đơn phân tử glucosamin.
  4. Chứng minh hiệu ứng cộng hợp vượt trội của vật liệu lai nano $SiO_2/\text{oligochitosan}$ trong việc kích thích sinh tổng hợp enzyme chitinase phòng vệ và đạt hiệu lực kiểm soát các bệnh hại thực vật nguy hiểm (đốm nâu thanh long, đạo ôn lá lúa, bạc lá lúa, nấm hồng cao su) đạt từ 86% đến 92% ở dải nồng độ hoạt chất $100 - 150\text{ mg.L}^{-1}$.

Ý nghĩa thực tiễn và kiến nghị giải pháp

  • Thiết lập quy trình công nghệ xanh khép kín tận dụng nguồn phế phụ phẩm dồi dào là tro vỏ trấu từ sản xuất lúa gạo và vỏ tôm từ chế biến thủy sản thành các sản phẩm vật liệu có giá trị gia tăng cao.
  • Sản phẩm vật liệu lai nano $SiO_2/\text{oligochitosan}$ có độc tính cấp đường miệng thuộc nhóm không độc ($LD_{50} > 5.000\text{ mg.kg}^{-1}$) và không gây kích ứng da, mở ra tiềm năng sản xuất chế phẩm sinh học bảo vệ thực vật thế hệ mới thay thế các hóa chất trừ nấm độc hại.
  • Kiến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô tổng hợp pilot và khảo nghiệm diện rộng trên nhiều đối tượng cây trồng khác, đồng thời nghiên cứu ứng dụng vật liệu làm màng bọc bảo quản nông sản sau thu hoạch và phòng trị bệnh trong nuôi trồng thủy sản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  1. Nguồn nguyên liệu tro vỏ trấu sử dụng trong nghiên cứu được thu thập từ một địa điểm (lò sấy lúa tại huyện Vĩnh Cửu, tỉnh Đồng Nai); sự biến động về thổ nhưỡng, giống lúa và điều kiện lò đốt ở các vùng miền khác nhau có thể làm thay đổi hàm lượng tạp chất và tỷ lệ carbon dư trong tro trấu.
  2. Quá trình khảo nghiệm hiệu lực sinh học in vivo trên cây lúa và cây cao su chủ yếu được tiến hành trong điều kiện nhà lưới hoặc các ô thí nghiệm diện tích nhỏ, chịu sự chi phối nhất định của các biến số thời tiết mùa vụ.
  3. Luận án mới dừng lại ở việc đánh giá hoạt độ enzyme chitinase mà chưa phân tích sâu các chỉ dấu phân tử sinh học và biểu hiện gen phòng vệ khác (như $\beta\text{-1,3-glucanase}$, peroxidase, polyphenol oxidase).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Nghiên cứu chuẩn hóa quy trình xử lý tro vỏ trấu từ nhiều nguồn phát thải công nghiệp khác nhau nhằm đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu nano silica đầu ra.
  2. Nghiên cứu thay thế chitosan bằng các polyme sinh học giá rẻ khác có khả năng tạo gel với silica để tối ưu hóa chi phí sản xuất nano silica kích thước dưới 30 nm.
  3. Triển khai các thử nghiệm diện rộng ngoài đồng ruộng (field trials) đối với vật liệu lai nano $SiO_2/\text{OC3000}$ theo quy chuẩn khảo nghiệm thuốc bảo vệ thực vật sinh học để tiến tới đăng ký lưu hành sản phẩm thương mại.
  4. Mở rộng thử nghiệm ứng dụng vật liệu lai nano $SiO_2/\text{oligochitosan}$ trong bảo quản nông sản sau thu hoạch và kiểm soát dịch bệnh do vi khuẩn, nấm trong nuôi trồng thủy sản.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với nhiều nhóm đối tượng học thuật và ứng dụng thực tiễn:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Hóa học (Hóa vô cơ, Hóa vật liệu, Hóa polyme): Cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về phản ứng sol-gel silicat, quy trình cắt mạch polyme sinh học bằng bức xạ ion hóa gamma $^{60}Co$ kết hợp oxy hóa phân bậc, cùng các kỹ thuật phân tích hiện đại (XRD, EDX, FT-IR, TEM, GPC, thế Zeta).
  • Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Nông nghiệp và Công nghệ Sinh học: Phần nghiên cứu cơ chế elicitor kích hoạt enzyme chitinase và phương pháp lây nhiễm nhân tạo, phân cấp chỉ số bệnh trên cây thanh long, lúa và cao su là tài liệu tham khảo thực nghiệm giá trị.
  • Các doanh nghiệp sản xuất phân bón và thuốc bảo vệ thực vật sinh học: Quy trình chế tạo hệ phân tán nano silica/oligochitosan có tính khả thi cao để triển khai sản xuất các chế phẩm nông nghiệp sạch, an toàn, thân thiện với môi trường từ nguồn phế thải công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp nhiệt phân gel $SiO_2/\text{chitosan}$ có ưu điểm gì so với phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu trực tiếp?

Phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu trực tiếp sau khi khử tạp chất kim loại chỉ tạo ra hạt nano silica có kích thước trung bình từ 30 đến 50 nm và phân bố kích thước rộng. Trong khi đó, phương pháp tạo và nhiệt phân gel $SiO_2/\text{chitosan}$ cho phép chế tạo hạt nano silica có kích thước nhỏ hơn ($< 30\text{ nm}$), đồng đều hơn và có thể chủ động kiểm soát kích thước hạt bằng cách thay đổi tỷ lệ khối lượng $SiO_2/\text{chitosan}$ (tỷ lệ 1/1 cho kích thước $< 15\text{ nm}$, tỷ lệ 6/1 cho kích thước $25 - 30\text{ nm}$).

2. Vai trò của việc bổ sung $H_2O_2$ nồng độ 0,5% theo 3 bậc trong quá trình chiếu xạ gamma $^{60}Co$ là gì?

Việc kết hợp $H_2O_2$ nồng độ thấp (0,5%) phân bổ theo 3 bậc (mỗi bậc 7 kGy) tạo ra lượng gốc tự do hydroxyl ($\text{HO}^\bullet$) vừa đủ để cắt mạch chọn lọc liên kết $\beta\text{-1,4 glucozit}$. Kỹ thuật này giúp giảm mạnh tổng liều chiếu xạ cần thiết (từ 45 kGy xuống còn 21 kGy để thu được oligochitosan $M_w \approx 3.000\text{ g.mol}^{-1}$), tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản xuất mà vẫn giữ nguyên cấu trúc vòng glucosamin, không làm đề amin hóa hay phá vỡ vòng monome.

3. Tại sao mẫu nano $SiO_2\text{ 1,5%/OC3000 2%}$ được chọn là công thức tối ưu cho vật liệu lai?

Ở tỷ lệ nano $SiO_2$ 1,5% kết hợp oligochitosan $3.000\text{ g.mol}^{-1}$ nồng độ 2%, các hạt nano silica được phân tán tối ưu trong khung polyme nhờ liên kết phối trí và tương tác tĩnh điện, thế điện động Zeta đạt trên $+30\text{ mV}$, duy trì kích thước hạt dưới 45 nm và không lắng tụ sau 12 tháng bảo quản. Khi tăng hàm lượng $SiO_2$ lên 2,0%, dung dịch keo bị mất ổn định và kết tụ sau 2 tháng.

4. Cơ chế kép của vật liệu lai nano $SiO_2/\text{oligochitosan}$ trong việc kháng bệnh cây trồng diễn ra như thế nào?

Vật liệu thể hiện tính chất cộng hợp của hai thành phần:

  • Pha vô cơ (nano silica): Thẩm thấu vào mô thực vật, gia cường độ dày và độ bền cơ học của thành tế bào, tạo hàng rào ngăn cản sự xâm nhập và đâm chồi của sợi nấm và vi khuẩn.
  • Pha hữu cơ (oligochitosan): Đóng vai trò là chất kích kháng (elicitor), kích thích tế bào thực vật tăng cường hoạt độ enzyme chitinase phân giải cấu trúc vách nấm bệnh, đồng thời tác động làm biến đổi tính thấm màng tế bào của vi sinh vật gây hại.

5. Vật liệu lai nano $SiO_2/\text{OC3000}$ có mức độ an toàn và độc tính như thế nào?

Kết quả thử nghiệm độc tính cấp đường miệng trên chuột nhắt trắng xác định $LD_{50} > 5.000\text{ mg.kg}^{-1}$ thể trọng, thuộc nhóm vật liệu thực tế không độc hại theo phân loại của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Thử nghiệm kích ứng da theo phương pháp Buehler ghi nhận tỷ lệ nhạy cảm da bằng 0%, không gây kích ứng hay phản ứng phụ trên da động vật thí nghiệm.


Kết luận

Luận án của tác giả Lê Nghiêm Anh Tuấn đã xây dựng thành công quy trình công nghệ xanh tận dụng nguồn phế thải tro vỏ trấu và vỏ tôm để chế tạo nano silica vô định hình ($< 30\text{ nm}$ và $30 - 50\text{ nm}$) cùng oligochitosan khối lượng phân tử thấp ($3.000 - 7.000\text{ g.mol}^{-1}$) bằng phương pháp chiếu xạ gamma $^{60}Co$ kết hợp $H_2O_2$ nồng độ thấp. Vật liệu lai nano $SiO_2/\text{oligochitosan}$ tạo thành có độ bền keo cao trên 12 tháng, an toàn về mặt sinh học ($LD_{50} > 5.000\text{ mg.kg}^{-1}$, không kích ứng da) và thể hiện hiệu lực kích kháng enzyme chitinase vượt trội. Kết quả thử nghiệm in vivo kiểm soát hiệu quả các bệnh thực vật nguy hiểm gồm đốm nâu thanh long, đạo ôn lá lúa, bạc lá lúa và nấm hồng cao su với hiệu lực đạt 86–92%, đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc phát triển chế phẩm bảo vệ thực vật sinh học thay thế nông dược hóa học độc hại.