Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc đồng sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thủy vực nước ngọt

Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nano bạc đồng sắt xử lý vi khuẩn lam độc trong nước ngọt.

• Tác giả: Trần Thị Thu Hương
• Người hướng dẫn: Dương Thị Thủy
• Trường học: Học Viện Khoa Học Và Công Nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thủy vực nước ngọt
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu nano
• 1.1.1. Khái niệm chung về vật liệu nano
• 1.1.2. Một số tính chất chung của vật liệu nano
• 1.1.3. Tổng quan về vật liệu nano kim loại bạc và đồng
• 1.1.4. Tổng quan về vật liệu nano sắt từ
• 1.1.5. Tổng quan về vi khuẩn lam và hiện tượng phú dưỡng
• 1.1.5.1. Vi khuẩn lam
• 1.1.5.2. Hiện tượng phú dưỡng
• 1.2. Các biện pháp xử lý tảo gây nở hoa và tảo độc trên thế giới và Việt Nam
• 1.2.1. Các biện pháp xử lý cơ học, vật lý
• 1.2.2. Các biện pháp xử lý hóa học
• 1.2.3. Các phương pháp sinh học, sinh thái
• 1.2.4. Xử lý tảo bằng vật liệu nano
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Hóa chất và thiết bị sử dụng
• 2.3. Các phương pháp tổng hợp vật liệu
• 2.3.1. Tổng hợp vật liệu nano bạc bằng phương pháp khử hóa học
• 2.3.2. Tổng hợp vật liệu nano đồng bằng phương pháp khử hóa học
• 2.3.3. Tổng hợp vật liệu nano sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa
• 2.4. Các phương pháp xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu
• 2.4.1. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.4.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.4.3. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại IR
• 2.4.4. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X
• 2.4.5. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến (UV-VIS)
• 2.4.6. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
• 2.5. Các phương pháp bố trí thí nghiệm
• 2.5.1. Thí nghiệm lựa chọn vật liệu nano
• 2.5.2. Thí nghiệm nghiên cứu độc tính của vật liệu nano
• 2.5.3. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng kích thước của vật liệu nano
• 2.5.4. Thí nghiệm nghiên cứu đánh giá tính an toàn của vật liệu
• 2.5.5. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano đối với mẫu nước thực tế (mẫu nước hồ Tiền)
• 2.6. Các phương pháp xác định sinh trưởng của tảo
• 2.6.1. Phương pháp xác định mật độ quang OD
• 2.6.2. Phương pháp xác định mật độ tế bào
• 2.6.3. Phương pháp xác định hàm lượng Chla
• 2.7. Các phương pháp phân tích chất lượng môi trường nước
• 2.7.1. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu thủy lý, thủy hóa
• 2.7.2. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng NH4+ (mg/L)
• 2.7.3. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng PO43- (mg/L)
• 2.8. Các phương pháp quan sát hình thái tế bào
• 2.8.1. Phương pháp quan sát bề mặt tế bào
• 2.8.2. Phương pháp quan sát cắt lát mỏng mẫu tế bào
• 2.9. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp vật liệu nano
• 3.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng của vật liệu nano bạc tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học
• 3.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng của vật liệu nano đồng bằng phương pháp khử hóa học
• 3.4. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của vật liệu nano sắt từ tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa
• 3.5. Đánh giá khả năng ức chế sinh trưởng và diệt tảo của các loại vật liệu nano đã tổng hợp
• 3.5.1. Nghiên cứu thăm dò khả năng diệt VKL của ba loại vật liệu nano
• 3.5.2. Đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano bạc đến sinh trưởng và phát triển của VKL Microcystis aeruginosa KG và tảo lục Chlorella vulgaris
• 3.5.3. Đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến sinh trưởng và phát triển của VKL Microcystis aeruginosa KG và tảo lục Chlorella vulgaris
• 3.6. Kết quả đánh giá tính an toàn của vật liệu nano (ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến một số sinh vật khác)
• 3.6.1. Ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến giáp xác Daphnia magna
• 3.6.2. Ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến bèo tấm Lemna sp.
• 3.7. Kết quả thực nghiệm với mẫu nước hồ Tiền (mẫu nước hồ thực tế bùng phát VKL)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nano

Nghiên cứu về vật liệu nano đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học và công nghệ hiện đại. Vật liệu nano được định nghĩa là các vật liệu có kích thước từ 1 đến 100 nanomet, với những đặc tính vật lý và hóa học khác biệt so với các vật liệu ở quy mô lớn hơn. Các vật liệu nano bạc, đồng, và sắt được nghiên cứu trong luận án này có khả năng ứng dụng cao trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là trong việc xử lý vi khuẩn lam độc (VKL) trong nước ngọt. Những đặc tính nổi bật của vật liệu nano bao gồm diện tích bề mặt lớn, khả năng tương tác mạnh mẽ với các chất khác, và khả năng kháng khuẩn hiệu quả. Việc sử dụng vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm nước không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.

1.1. Tính chất của vật liệu nano

Các vật liệu nano như nano bạc, nano đồng, và nano sắt có nhiều tính chất đặc biệt. Chúng có khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ, nhờ vào khả năng giải phóng ion kim loại trong môi trường nước, từ đó tiêu diệt vi khuẩn lam độc. Nghiên cứu cho thấy, nano bạc có hiệu quả cao trong việc ức chế sự phát triển của VKL, với EC50 đạt 0,0075 mg/L. Tương tự, nano đồng cũng cho thấy khả năng ức chế tốt với EC50 là 0,7159 mg/L. Những kết quả này chứng minh rằng việc ứng dụng vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm nước là một giải pháp khả thi và hiệu quả.

II. Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu để chế tạo và đánh giá vật liệu nano. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano bạc và nano đồng được thực hiện thông qua phương pháp khử hóa học, trong khi nano sắt được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa. Các phương pháp xác định đặc trưng cấu trúc của vật liệu nano bao gồm hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ hấp thụ hồng ngoại (IR). Những phương pháp này giúp xác định kích thước, hình dạng và tính chất bề mặt của vật liệu nano, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của chúng trong xử lý vi khuẩn lam độc.

2.1. Tổng hợp vật liệu nano

Quá trình tổng hợp vật liệu nano được thực hiện với sự kiểm soát chặt chẽ về điều kiện phản ứng. Đối với nano bạc, việc sử dụng NaBH4 làm chất khử đã cho ra sản phẩm với kích thước hạt nhỏ và đồng đều. Tương tự, nano đồng cũng được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học, cho thấy khả năng kháng khuẩn tốt. Đối với nano sắt, phương pháp đồng kết tủa đã giúp tạo ra các hạt nano với tính chất từ tính, có thể ứng dụng trong việc xử lý ô nhiễm nước. Những kết quả này cho thấy rằng việc chế tạo vật liệu nano có thể được thực hiện một cách hiệu quả và có thể ứng dụng trong thực tiễn.

III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu nano bạc và nano đồng có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn lam độc trong nước ngọt. Thí nghiệm cho thấy hiệu suất ức chế sinh trưởng của nano bạc đạt trên 75% ở nhiều nồng độ khác nhau, trong khi nano đồng đạt hiệu suất 90% khi nồng độ là 1 và 5 ppm. Những kết quả này không chỉ khẳng định tính hiệu quả của vật liệu nano trong việc xử lý ô nhiễm nước mà còn mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano trong bảo vệ môi trường.

3.1. Đánh giá khả năng diệt vi khuẩn

Đánh giá khả năng diệt vi khuẩn lam độc cho thấy rằng cả nano bạc và nano đồng đều có tác dụng mạnh mẽ. Các thí nghiệm thực tế với mẫu nước hồ Tiền cho thấy sự giảm đáng kể mật độ VKL sau khi bổ sung vật liệu nano. Điều này chứng tỏ rằng việc ứng dụng vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm nước không chỉ hiệu quả mà còn an toàn cho môi trường. Kết quả này có thể được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước, góp phần bảo vệ nguồn nước sạch cho cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Hiện tượng phú dưỡng hóa tại các thủy vực nước ngọt nội địa do sự gia tăng hàm lượng các chất dinh dưỡng (chủ yếu là nitơ và photpho từ nguồn thải sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp) đang dẫn đến tình trạng bùng phát vi khuẩn lam (nở hoa nước). Quá trình này gây suy giảm nghiêm trọng chất lượng nước thông qua việc làm tăng độ đục, biến đổi pH, suy giảm nồng độ oxy hòa tan và giải phóng các độc tố nguy hại như microcystin. Các phương pháp xử lý truyền thống bao gồm giải pháp cơ học (vớt váng, che mái, siêu lọc), vật lý (sử dụng sóng siêu âm) và hóa học (sử dụng đồng sunfat $\text{CuSO}_4$, thuốc diệt cỏ, chất keo tụ) tồn tại nhiều hạn chế: chi phí vận hành cao, hiệu quả không bền vững, thiếu tính chọn lọc sinh học dẫn đến tiêu diệt cả các vi tảo có ích (như Chlorella vulgaris), nguy cơ gây ô nhiễm thứ cấp và giải phóng độc tố nội bào ồ ạt ra môi trường khi màng tế bào bị phá vỡ không kiểm soát. Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường của tác giả Trần Thị Thu Hương với đề tài "Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thủy vực nước ngọt" (chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, mã số 9 52 03 20, bảo vệ năm 2018 tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Dương Thị Thủy và PGS.TS. Hà Phương Thư) tập trung giải quyết khoảng trống về việc chế tạo có kiểm soát các hệ hạt nano kim loại và oxit kim loại nhằm ứng dụng xử lý chọn lọc vi khuẩn lam độc.

Mục tiêu tổng quát của luận án gồm: Nghiên cứu chế tạo, xác định đặc tính cấu trúc của 03 loại vật liệu nano (bạc, đồng, sắt từ) và đánh giá khả năng ức chế sinh trưởng, tiêu diệt vi khuẩn lam trong môi trường nước ngọt. Các mục tiêu và nội dung nghiên cứu cụ thể được triển khai theo 4 phần:

1. Chế tạo và xác định đặc trưng, tính chất của ba loại vật liệu nano bạc, đồng và sắt từ.
2. Đánh giá khả năng diệt và ức chế sinh trưởng vi khuẩn lam của ba loại vật liệu nano đã chế tạo.
3. Đánh giá tính an toàn sinh thái của vật liệu đối với sinh vật thủy sinh khác.
4. Thực nghiệm ứng dụng vật liệu ở quy mô phòng thí nghiệm đối với mẫu nước hồ thực tế bùng phát vi khuẩn lam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng vật liệu: Vật liệu nano bạc ($\text{Ag}$) và nano đồng ($\text{Cu}$) chế tạo bằng phương pháp khử hóa học; vật liệu nano sắt từ ($\text{Fe}_3\text{O}_4$) chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp chất hoạt hóa bề mặt carboxymethyl cellulose (CMC).
• Đối tượng sinh học: Chủng vi khuẩn lam độc Microcystis aeruginosa KG (phân lập từ hồ Kẻ Gỗ), chủng tảo lục đơn bào Chlorella vulgaris; sinh vật chỉ thị đánh giá an toàn sinh thái gồm giáp xác Daphnia magna và bèo tấm Lemna sp..
• Phạm vi không gian và thời gian: Thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và trên mẫu nước mặt thực tế lấy tại hồ Tiền (khuôn viên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội); công trình được hoàn thành và bảo vệ trong năm 2018.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu của luận án đã điểm lại có hệ thống các nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến công nghệ vật liệu nano, sinh học vi khuẩn lam và các giải pháp kiểm soát phú dưỡng:

1. Nghiên cứu về tổng hợp và đặc trưng của vật liệu nano:

• Tolaymat và cộng sự (2009) tổng kết các tác nhân khử ($\text{NaBH}_4$, citrat, amin, axit ascorbic, aldehyde, các loại đường) và các tác nhân bền hóa bề mặt (chitosan, citrat, PVP, PVA, CTAB) trong tổng hợp hạt nano bạc. Badr và cộng sự phân tích cơ chế tạo phức và ổn định cấu trúc hạt nano bạc của polymer polyvinyl pyrrolidone (PVP).
• Faraday (1857) đặt nền móng cho kỹ thuật khử hóa học keo kim loại. Moghadaseh và cộng sự (2016) nghiên cứu ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến kích thước (7–58 nm) và độ đồng nhất của hạt nano đồng khử bằng $\text{NaH}_2\text{PO}_4$. Khan và cộng sự (2016) sử dụng tinh bột làm chất bao bọc để chế tạo hạt nano đồng kích thước trung bình 25,19 nm và 28,73 nm. Tại Việt Nam, Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano (Đại học Quốc gia TP.HCM, 2011, 2013) tổng hợp nano đồng cỡ 10 nm và tổ hợp nano bạc - đồng (10 nm và 45 nm) phục vụ khử khuẩn mực in. Bùi và cộng sự (2017) chế tạo hạt nano đồng oxit cỡ 40 nm trong màng zeolit A để kháng khuẩn Escherichia coli.
• Massart và cộng sự (1981, 1987) khởi xướng phương pháp đồng kết tủa điều chế hạt nano oxit sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4$ kích thước 4,2–16,6 nm và 3–8 nm khi bọc citrat. Qiu và cộng sự (2000) khảo sát tác động của lực ion (bổ sung 1M $\text{NaCl}$) tạo hạt từ kích thước 1,5 nm. Ở Việt Nam, Trung tâm Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (2008) và Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam (2010) chế tạo hệ hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4$ siêu thuận từ kích thước 10–15 nm định hướng ứng dụng trong âm học và dẫn thuốc điều trị tăng thân nhiệt ung thư.

2. Nghiên cứu về hiện tượng phú dưỡng và vi khuẩn lam:

• Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD, 1982) ban hành hệ thống chỉ tiêu phân loại mức dinh dưỡng thủy vực dựa trên nồng độ tổng photpho, chlorophyll a và độ trong đĩa Secchi. Zaimes và Schultz (2002) chỉ ra nguồn thải nông nghiệp chiếm tỷ trọng lớn trong tải lượng photpho và nitơ vào nước mặt. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ban hành ngưỡng giới hạn nghiêm ngặt nồng độ độc tố microcystin trong nước uống sinh hoạt dưới $1\ \mu\text{g/L}$.
• Các khảo sát tại Việt Nam (hồ Ba Bể, hồ Tây, hồ Hoàn Kiếm, Thác Mơ, Dầu Tiếng, Cấm Sơn, Núi Cốc) ghi nhận hàm lượng tổng nitơ dao động từ $0{,}994\ \text{mg/L}$ đến $16{,}47\ \text{mg/L}$, trong đó hồ Ba Bể có tổng photpho đạt $0{,}072\ \text{mg/L}$ và tổng nitơ $0{,}194\ \text{mg/L}$, phản ánh trạng thái phú dưỡng rõ rệt với sự ưu thế của chi vi khuẩn lam Microcystis.

3. Các giải pháp xử lý vi khuẩn lam:

• Giải pháp hóa học và tự nhiên: Schrader và cộng sự đánh giá các chất diệt tảo vô cơ ($\text{AgNO}_3$, $\text{KMnO}_4$, $\text{NaOCl}$) và hữu cơ (diuron, simazin, paraquat). Park và cộng sự (2006), Emilie và cộng sự (2014), David và cộng sự khảo sát dịch chiết từ rơm rạ, lúa mạch và L-lysine (làm giảm 87% chlorophyll a). Zhou và cộng sự (2012) thử nghiệm dịch chiết keo Acacia mearnsii (3–4 mg/L) tại hồ chứa Tam Hiệp.
• Giải pháp sinh thái và sinh học: Shapiro và cộng sự nghiên cứu chuỗi kiểm soát sinh khối tảo. Viện Công nghệ Môi trường (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) vận hành hệ thống pilot sử dụng thực vật thủy sinh (sậy, cỏ vetiver, bèo cái, rau muống) xử lý dinh dưỡng đạt QCVN 40:2011/BTNMT và QCVN 08:2015/BTNMT. Nguyễn Thị Hoài Hà và cộng sự chứng minh vi khuẩn Sphingomonas phân lập từ hồ Hoàn Kiếm có chu kỳ bán phân hủy độc tố microcystin từ 1,34 đến 3,43 giờ. Nguyễn T. Đạt và cộng sự phân tích dịch chiết cây mần tưới ức chế chọn lọc M. aeruginosa. Các công trình về virus (Kang và cs., 2015; Lehahn và cs., 2014) và xạ khuẩn Streptomyces exfoliates (gây chết 50% Microcystis) cho thấy tiềm năng sinh học nhưng khó triển khai ngoài thực địa.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn là: Chưa có công trình nào tại Việt Nam nghiên cứu một cách hệ thống từ khâu tối ưu hóa quy trình tổng hợp nano bạc, nano đồng, nano sắt từ bọc polymer/chất hoạt hóa bề mặt đến việc thử nghiệm so sánh định lượng khả năng ức chế sinh trưởng, diệt chọn lọc giữa vi khuẩn lam độc (M. aeruginosa) và tảo lục có ích (C. vulgaris), phân tích cơ chế tương tác cấu trúc màng tế bào, đánh giá độc tính sinh thái trên giáp xác, thực vật bậc cao và kiểm chứng trên mẫu nước hồ tự nhiên bị phú dưỡng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án vận dụng các cơ sở lý thuyết về khoa học vật liệu nano, sinh thái học thủy vực và độc học môi trường:

• Lý thuyết hiệu ứng bề mặt và kích thước của hạt nano: Khi kích thước hạt giảm xuống dưới 100 nm, tỷ số giữa số nguyên tử trên bề mặt so với tổng số nguyên tử gia tăng nhanh chóng (hạt 10 nm có 20% nguyên tử bề mặt; hạt 1 nm có 100% nguyên tử bề mặt), kéo theo năng lượng bề mặt tăng cao làm tăng khả năng phản ứng và giải phóng ion kim loại.
• Lý thuyết quang học plasmon cộng hưởng bề mặt (SPR): Các electron tự do trong hạt nano kim loại (Ag, Cu) dao động tập thể dưới tác động của điện trường ánh sáng, tạo ra dải hấp thụ đặc trưng trên phổ UV-VIS.
• Lý thuyết siêu thuận từ của hạt oxit sắt: Hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4$ khi đạt kích thước tới hạn nhỏ hơn kích thước đa đômen từ sẽ chuyển sang trạng thái đơn đômen và siêu thuận từ, có từ dư $M_r = 0$ và lực kháng từ $H_c = 0$.
• Cơ chế kháng khuẩn và diệt tảo: Hạt nano kim loại và ion giải phóng ($\text{Ag}^+$, $\text{Cu}^{2+}$) liên kết với nhóm thiol (-SH) làm đứt gãy cầu nối disunfit (S-S) vô hiệu hóa enzyme trao đổi chất, xúc tác tạo các dạng oxy hoạt tính (ROS) oxy hóa màng lipid, tạo gốc tự do làm thủng màng tế bào và liên kết với phân tử ADN nội bào làm rối loạn quá trình sao chép di truyền.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

1. Phương pháp tổng hợp vật liệu:

• Tổng hợp nano bạc: Khử ion $\text{Ag}^+$ trong muối $\text{AgNO}_3$ bằng chất khử $\text{NaBH}_4$, khảo sát các chất ổn định bảo vệ gồm PVP, chitosan và axit citric ở các tỷ lệ mol khác nhau.
• Tổng hợp nano đồng: Khử ion $\text{Cu}^{2+}$ trong dung dịch muối đồng ($\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$, $\text{CuCl}_2 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$, $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2$) bằng $\text{NaBH}_4$ trong môi trường bảo vệ chống oxy hóa.
• Tổng hợp nano sắt từ: Phương pháp đồng kết tủa hỗn hợp muối $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}^{3+}$ (tỷ lệ mol 1:2) trong môi trường kiềm, sử dụng carboxymethyl cellulose (CMC) làm chất ổn định tạo hệ nano $\text{CMC/Fe}_3\text{O}_4$.

2. Phương pháp đặc trưng cấu trúc vật liệu:

• Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và hiển vi điện tử quét (SEM): Xác định hình thái, kích thước và phân bố hạt nano.
• Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể, pha lập phương tâm mặt (fcc) của nano kim loại và oxit sắt.
• Quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-VIS): Đo peak hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt của hệ keo nano Ag và Cu.
• Phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR): Nhận diện các liên kết và nhóm chức hóa học của chất bảo vệ và bề mặt hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4$.
• Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Xác định thành phần nguyên tố định tính và định lượng bám trên bề mặt tế bào vi tảo.
• Đo từ tính bằng từ kế mẫu rung: Xác định đường cong từ hóa và từ độ bão hòa của vật liệu nano sắt từ.

3. Phương pháp đánh giá sinh học và chất lượng nước:

• Xác định sinh trưởng vi tảo: Đo mật độ quang (OD) tại bước sóng thích hợp; đếm trực tiếp mật độ tế bào (tế bào/mL) bằng buồng đếm dưới kính hiển vi quang học; xác định nồng độ chlorophyll a ($\text{Chla}$, $\mu\text{g/L}$) bằng phương pháp trích ly dung môi và đo quang phổ.
• Tính toán hiệu suất ức chế sinh trưởng (IR, %) và xác định các giá trị độc tính $\text{EC}{50}$ (nồng độ gây ức chế 50% sinh trưởng), $\text{LC}{50}$ (nồng độ gây chết 50% cá thể).
• Đánh giá an toàn sinh thái: Thử nghiệm độc tính cấp trên giáp xác Daphnia magna (tỷ lệ sống sót sau 24h và 48h); thử nghiệm sinh khối bèo tấm Lemna sp. (đo sinh khối tươi từ ngày D0 đến ngày D7).
• Phân tích chất lượng nước: Đo các thông số thủy lý, thủy hóa hiện trường (pH, DO, nhiệt độ); phân tích nồng độ amoni ($\text{NH}_4^+$) và photphat ($\text{PO}_4^{3-}$) theo tiêu chuẩn môi trường.
• Quan sát biến đổi vi cấu trúc tế bào tảo: Cố định mẫu và chụp ảnh SEM bề mặt; cắt lát mỏng mẫu tế bào chụp ảnh TEM để đánh giá mức độ tổn thương nội bào.
• Xử lý số liệu: Thống kê toán học, tính giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và phân tích hồi quy xác định $\text{EC}{50}$, $\text{LC}{50}$.

Nhóm thông số	Phương pháp / Thiết bị phân tích	Mục đích xác định
Hình thái, kích thước nano	TEM, SEM	Xác định hình dạng cầu, phân bố kích thước hạt nano (nm)
Cấu trúc pha tinh thể	Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)	Pha tinh thể lập phương tâm mặt (fcc) của Ag, Cu, $\text{Fe}_3\text{O}_4$
Liên kết nhóm chức	Phổ hồng ngoại (FTIR)	Liên kết phối trí giữa polymer (CMC, PVP, Chitosan) và hạt nano
Cộng hưởng plasmon	Phổ UV-VIS	Vị trí peak hấp thụ đặc trưng keo nano Ag, Cu
Thành phần nguyên tố	Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)	Tỷ lệ % nguyên tố Ag, Cu bám trên vách tế bào vi tảo
Sinh trưởng vi tảo	OD, buồng đếm, trích ly Chlorophyll a	Mật độ tế bào, hàm lượng Chla ($\mu\text{g/L}$), hiệu suất ức chế IR (%)
Độc tính sinh thái	Thử nghiệm phơi nhiễm D. magna, Lemna sp.	Tỷ lệ chết, giá trị $\text{LC}_{50}$ (24h, 48h), suy giảm sinh khối bèo
Chất lượng nước hồ	Thủy lý hóa, trắc quang $\text{NH}_4^+$, $\text{PO}_4^{3-}$	Biến động DO, pH, amoni, photphat trước và sau xử lý nano

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các tài liệu khoa học về cấu trúc, tính chất vật lý, hóa học, quang học và từ tính của vật liệu nano (nano bạc, nano đồng, nano sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4$). Chương này phân tích chi tiết cơ chế kháng khuẩn của nano bạc (vô hiệu hóa enzyme qua liên kết nhóm thiol, tạo các gốc oxy hoạt tính ROS phá vỡ thành tế bào, ức chế tín hiệu chuyển hóa) và nano đồng (xâm nhập nội bào, phá hủy cấu trúc ADN thông qua gốc hydroxyl, làm biến tính protein màng). Về mặt sinh thái học, chương 1 trình bày đặc điểm hình thái, dinh dưỡng cố định nitơ qua enzyme nitrogenase và cấu trúc không bào khí giúp vi khuẩn lam trôi nổi tạo váng; đồng thời phân loại hiện tượng phú dưỡng theo tiêu chuẩn OECD, làm rõ hiện trạng ô nhiễm phú dưỡng và bùng phát vi khuẩn lam chứa độc tố microcystin tại các hồ chứa ở Việt Nam. Chương này cũng phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp xử lý cơ học, vật lý, hóa học, sinh thái và khẳng định tiềm năng ứng dụng vật liệu nano như một hướng tiếp cận kỹ thuật giảm thiểu hóa chất độc hại trong kiểm soát nở hoa nước.

Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc vật liệu, hóa chất tinh khiết, các chủng sinh vật thí nghiệm và quy trình công nghệ chế tạo 03 loại vật liệu nano. Tác giả trình bày quy trình tổng hợp nano bạc bằng $\text{NaBH}_4$ khảo sát với các chất ổn định PVP, chitosan, axit citric; quy trình tổng hợp nano đồng từ muối đồng với chất bảo vệ chống oxy hóa; quy trình đồng kết tủa hạt nano sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}4$ bọc chất phân tán CMC. Chương 2 thiết lập các hệ thống bố trí thí nghiệm: thí nghiệm sàng lọc lựa chọn loại vật liệu tối ưu; thí nghiệm thử nghiệm độc tính và xác định nồng độ ức chế $\text{EC}{50}$ của nano Ag và Cu trên Microcystis aeruginosa KG và Chlorella vulgaris; thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng kích thước hạt nano đồng (<10 nm, 25–40 nm, >50 nm); thí nghiệm đánh giá an toàn sinh thái trên Daphnia magna và Lemna sp.; và thí nghiệm xử lý mẫu nước thực tế lấy từ hồ Tiền (Đại học Bách khoa Hà Nội) trong thời gian theo dõi 8 ngày. Toàn bộ các quy trình phân tích đặc trưng vật liệu (TEM, SEM, XRD, FTIR, UV-VIS, EDX), quan sát tế bào và phân tích chất lượng nước thủy lý - thủy hóa đều được quy chuẩn hóa.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận khoa học:

1. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano:

• Nano bạc: Phổ UV-VIS và ảnh TEM chứng minh tỷ lệ mol $\text{BH}_4^-/\text{Ag}^+$ và nồng độ chất ổn định (PVP, chitosan, axit citric) quyết định kích thước và độ phân tán hạt. Ở điều kiện tối ưu, hạt nano Ag thu được có dạng hình cầu đồng đều, kích thước nanomet nhỏ, hấp thụ plasmon đặc trưng.
• Nano đồng: Phổ XRD và ảnh SEM/TEM xác nhận cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt của hạt đồng kim loại $\text{Cu}^0$. Khảo sát nồng độ tiền chất và tỷ lệ chất khử $\text{NaBH}_4/\text{Cu}^{2+}$ cho thấy việc kiểm soát điều kiện phản ứng cho phép thu được các dải kích thước hạt khác nhau (<10 nm, 25–40 nm và >50 nm).
• Nano sắt từ: Phổ FTIR và ảnh SEM/TEM của hệ vật liệu $\text{CMC/Fe}_3\text{O}_4$ (ký hiệu mẫu FC21) chỉ ra sự liên kết thành công giữa chuỗi polymer CMC và bề mặt oxit sắt. Kết quả đo từ tính xác nhận vật liệu có tính chất siêu thuận từ với từ độ bão hòa cao.

2. Khả năng ức chế và diệt vi khuẩn lam của các vật liệu nano:

• Thử nghiệm thăm dò cho thấy hạt nano Fe3O4 bọc CMC không thể hiện hoạt tính diệt tảo trực tiếp rõ rệt, trong khi nano bạc và nano đồng thể hiện hiệu lực ức chế mạnh mẽ đối với chủng vi khuẩn lam M. aeruginosa KG.
• Hoạt tính của nano bạc: Sau 10 ngày thí nghiệm, ở các nồng độ 0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm, nano bạc ức chế sinh trưởng M. aeruginosa KG đạt hiệu suất trên 75%. Giá trị $\text{EC}_{50}$ của nano bạc đối với M. aeruginosa KG được xác định là $0{,}0075\ \text{mg/L}$. Khi thử nghiệm trên tảo lục C. vulgaris, nano bạc cũng thể hiện tính ức chế nhưng ở ngưỡng nhạy cảm khác. Ảnh SEM và TEM cắt lát mỏng kết hợp phổ EDX chỉ ra các hạt nano bạc bám dính dày đặc trên bề mặt tế bào sau 48h tiếp xúc ở nồng độ 1 ppm, làm thủng màng tế bào, biến dạng cấu trúc màng và phá hủy chất nhân nội bào.
• Hoạt tính của nano đồng: Ở nồng độ 1 ppm và 5 ppm, nano đồng đạt hiệu suất ức chế sinh trưởng M. aeruginosa KG trên 90%. Giá trị $\text{EC}_{50}$ của nano đồng đối với M. aeruginosa KG là $0{,}7159\ \text{mg/L}$. Đánh giá ảnh hưởng kích thước hạt nano đồng chỉ ra hạt có kích thước <10 nm thể hiện hoạt tính ức chế mật độ quang OD và chlorophyll a cao hơn rõ rệt so với hạt kích thước 25–40 nm và >50 nm. Ảnh SEM, TEM và EDX sau 48h phơi nhiễm xác nhận ion và hạt nano Cu xâm nhập làm co cụm tế bào chất và phá vỡ vỏ bọc tế bào vi khuẩn lam. Đối với tảo lục C. vulgaris, nano đồng thể hiện độc tính thấp hơn so với vi khuẩn lam, cho thấy tính chọn lọc nhất định ở dải nồng độ xử lý phù hợp.

3. Đánh giá tính an toàn sinh thái của nano đồng:

• Trên giáp xác Daphnia magna: Tỷ lệ chết của cá thể tăng theo thời gian phơi nhiễm (24h và 48h) và nồng độ nano Cu (khảo sát từ 0 đến 5 ppm), từ đó xác định được giá trị $\text{LC}_{50}$ tại thời điểm 24h và 48h.
• Trên bèo tấm Lemna sp.: Thử nghiệm sinh khối tươi từ ngày D0 đến ngày D7 ở các nồng độ dung dịch nano đồng cho thấy mức độ ức chế sinh trưởng của bèo diễn ra phụ thuộc nồng độ, chứng minh ngưỡng an toàn sinh thái của vật liệu đối với thực vật thủy sinh bậc cao.

4. Thực nghiệm trên mẫu nước thực tế hồ Tiền:

• Bổ sung dung dịch nano đồng ở nồng độ 1 ppm vào mẫu nước hồ Tiền (khuôn viên Đại học Bách khoa Hà Nội) đang trong tình trạng nở hoa vi khuẩn lam, theo dõi liên tục tại các thời điểm D0, D1, D2, D3, D4 và D8.
• Kết quả cho thấy hàm lượng diệp lục $\text{Chla}$, mật độ tế bào chi Microcystis và tổng mật độ tế bào thực vật nổi ở mẫu thử nghiệm giảm mạnh sau 8 ngày so với mẫu đối chứng không bổ sung nano. Đồng thời, các thông số thủy lý, thủy hóa trong nước hồ được quan trắc ghi nhận sự ổn định, không gây ra hiện tượng suy thoái nghiêm trọng các chỉ tiêu chất lượng nước cơ bản.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được những kết quả và đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn như sau:

• Đã nghiên cứu chế tạo thành công và lựa chọn được hai loại vật liệu nano kim loại (bạc và đồng) bằng phương pháp khử hóa học có hoạt tính ức chế và tiêu diệt hiệu quả chủng vi khuẩn lam độc Microcystis aeruginosa KG phân lập tại Việt Nam.
• Đã xác định định lượng các giá trị độc tính và hiệu suất ức chế sinh trưởng của vật liệu: Giá trị $\text{EC}_{50}$ của nano bạc đối với M. aeruginosa KG đạt $0{,}0075\ \text{mg/L}$ và của nano đồng đạt $0{,}7159\ \text{mg/L}$. Hiệu suất ức chế sinh trưởng của nano bạc đạt trên 75% ở 4 nồng độ thử nghiệm (0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm) và của nano đồng đạt trên 90% ở nồng độ 1 ppm và 5 ppm sau 10 ngày.
• Đã làm sáng tỏ cơ chế tác động của nano kim loại lên tế bào vi khuẩn lam M. aeruginosa KG và tảo lục C. vulgaris thông qua việc kết hợp ảnh hiển vi điện tử SEM, TEM cắt lát mỏng và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), chứng minh sự bám dính của hạt nano trên bề mặt, làm thủng vách tế bào, biến dạng màng và phá hủy cấu trúc tế bào chất sau 48 giờ tiếp xúc ở nồng độ 1 ppm.
• Đã bước đầu đánh giá tính an toàn sinh thái của vật liệu nano đồng đối với giáp xác Daphnia magna (xác định $\text{LC}_{50}$ sau 24h và 48h) và bèo tấm Lemna sp.; đồng thời thử nghiệm thành công khả năng diệt vi khuẩn lam trên mẫu nước hồ thực tế (hồ Tiền, Đại học Bách khoa Hà Nội), ghi nhận sự suy giảm mạnh mẽ mật độ chi Microcystis và hàm lượng diệp lục sau 8 ngày thực nghiệm.

Về mặt kiến nghị, tác giả đề xuất tiếp tục nghiên cứu cơ chế tương tác ở cấp độ phân tử và biểu hiện gen sinh tổng hợp độc tố microcystin, đánh giá độc tính tích lũy lâu dài của hạt nano kim loại trong trầm tích và chuỗi thức ăn thủy sinh, đồng thời mở rộng quy mô thử nghiệm mô hình pilot ngoài hiện trường tự nhiên để hoàn thiện quy trình ứng dụng thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong văn bản luận án, các hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

• Thử nghiệm trên nguồn nước tự nhiên mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm với mẫu nước lấy từ một thủy vực đơn lẻ (hồ Tiền, Đại học Bách khoa Hà Nội) với thời gian theo dõi thực nghiệm trong 8 ngày, chưa phản ánh đầy đủ biến động sinh thái phức tạp của các hồ chứa quy mô lớn.
• Vật liệu nano sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4$ tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa bọc CMC chưa thể hiện hoạt tính diệt vi khuẩn lam trực tiếp trong các thử nghiệm thăm dò ban đầu.
• Hướng nghiên cứu tiếp cần tập trung đánh giá ảnh hưởng dài hạn của tồn dư nano bạc và đồng đến hệ vi sinh vật đáy và động vật thủy sinh ở các bậc dinh dưỡng cao hơn, cũng như nghiên cứu giải pháp thu hồi hoặc cố định hạt nano sau khi xử lý để ngăn ngừa nguy cơ tích tụ kim loại trong trầm tích thủy vực.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Khoa học Môi trường, Công nghệ Hóa học và Công nghệ Sinh học: Có thể tham khảo quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp hóa học có kiểm soát chất bảo vệ (PVP, Chitosan, CMC); phương pháp tiếp cận đa kỹ thuật đặc trưng vật liệu (TEM, SEM, XRD, FTIR, UV-VIS, EDX); quy trình nuôi cấy, định lượng mật độ tế bào, đo chlorophyll a và phương pháp đánh giá vi cấu trúc tế bào tảo qua ảnh cắt lát mỏng TEM.
• Cán bộ nghiên cứu độc học sinh thái và quản lý môi trường nước: Tham khảo phương pháp luận thiết kế thí nghiệm độc tính sinh thái so sánh giữa vi khuẩn lam gây hại và tảo lục có ích, phương pháp thử nghiệm độc tính cấp trên sinh vật chỉ thị (Daphnia magna, Lemna sp.) và quy trình thử nghiệm trên mẫu nước mặt thực tế bùng phát nở hoa nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Giá trị $\text{EC}_{50}$ của vật liệu nano bạc và nano đồng đối với chủng vi khuẩn lam Microcystis aeruginosa KG được xác định là bao nhiêu? Trong văn bản luận án, giá trị nồng độ ức chế 50% sinh trưởng ($\text{EC}_{50}$) đối với vi khuẩn lam Microcystis aeruginosa KG được xác định lần lượt là $0{,}0075\ \text{mg/L}$ đối với vật liệu nano bạc và $0{,}7159\ \text{mg/L}$ đối với vật liệu nano đồng.

2. Hiệu suất ức chế sinh trưởng của nano bạc và nano đồng đối với vi khuẩn lam M. aeruginosa KG đạt mức nào ở các nồng độ khảo sát? Sau 10 ngày thí nghiệm, vật liệu nano bạc đạt hiệu suất ức chế sinh trưởng trên 75% ở cả 4 nồng độ bổ sung gồm 0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm. Đối với vật liệu nano đồng, hiệu suất ức chế sinh trưởng đạt trên 90% khi nồng độ dung dịch nano đồng đạt 1 ppm và 5 ppm.

3. Luận án đã sử dụng các kỹ thuật nào để chứng minh cơ chế phá hủy tế bào vi khuẩn lam của hạt nano kim loại? Luận án sử dụng kết hợp kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát sự biến dạng và xốp vỡ bề mặt màng tế bào; kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cắt lát mỏng mẫu tế bào để quan sát sự co cụm tế bào chất và phá hủy cấu trúc nội bào; cùng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để định danh sự hiện diện của các nguyên tố kim loại (Ag, Cu) gắn kết trên vách tế bào sau 48 giờ tiếp xúc ở nồng độ 1 ppm.

4. Kết quả thực nghiệm xử lý mẫu nước thực tế tại hồ Tiền (Đại học Bách khoa Hà Nội) bằng nano đồng diễn ra như thế nào? Khi bổ sung dung dịch nano đồng ở nồng độ 1 ppm vào mẫu nước hồ Tiền bùng phát vi khuẩn lam, kết quả theo dõi qua các ngày D0, D1, D2, D3, D4 và D8 cho thấy hàm lượng diệp lục chlorophyll a, mật độ tế bào chi Microcystis và tổng mật độ tế bào thực vật nổi đều giảm mạnh so với mẫu đối chứng không bổ sung nano, đồng thời các thông số thủy lý, thủy hóa của nước hồ vẫn được duy trì trong giới hạn ổn định.

5. Luận án đã sử dụng những sinh vật chỉ thị nào để đánh giá tính an toàn sinh thái của vật liệu nano? Tác giả đã sử dụng hai loài sinh vật thủy sinh chỉ thị đại diện cho các bậc dinh dưỡng khác nhau trong hệ sinh thái nước ngọt gồm giáp xác phù du Daphnia magna (đánh giá tỷ lệ sống sót, ước tính giá trị $\text{LC}_{50}$ tại thời điểm 24h và 48h) và loài thực vật thủy sinh bậc cao bèo tấm Lemna sp. (đánh giá sự biến động sinh khối tươi từ ngày D0 đến ngày D7).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Thị Thu Hương đã hoàn thành việc chế tạo, đặc trưng hóa ba hệ vật liệu nano bạc, đồng và sắt từ bọc chất hoạt hóa bề mặt/polymer, đồng thời chứng minh hiệu lực ức chế sinh trưởng và tiêu diệt vi khuẩn lam độc Microcystis aeruginosa KG của nano bạc ($\text{EC}{50} = 0{,}0075\ \text{mg/L}$) và nano đồng ($\text{EC}{50} = 0{,}7159\ \text{mg/L}$). Nghiên cứu đã làm rõ cơ chế phá hủy thành và màng tế bào vi khuẩn lam qua ảnh SEM, TEM cắt lát mỏng và phổ EDX, đồng thời xác định ngưỡng độc tính sinh thái trên Daphnia magna, Lemna sp. và tảo lục Chlorella vulgaris. Kết quả thử nghiệm trên mẫu nước thực tế hồ Tiền khẳng định khả năng làm suy giảm mạnh mẽ mật độ chi Microcystis và sinh khối diệp lục sau 8 ngày, cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc ứng dụng công nghệ nano trong kiểm soát hiện tượng phú dưỡng và nở hoa vi khuẩn lam tại các thủy vực nước ngọt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong những năm gần Ďây, việc xây dựng và phát triển bền vững các ngành sản xuất nhất là hai lĩnh vực công nghiệp và nông nghiệp là một yêu cầu cấp thiết nhằm hạn chế những tác Ďộng của biến Ďổi khí hậu và tạo ra nhiều nguồn năng lƣợng mới thay thế năng lƣợng tự nhiên sắp cạn kiệt. Bên cạnh Ďó, việc lạm dụng quá mức phân bón và thuốc bảo vệ thực vật trong sản xuất nông nghiệp là một trong những nguyên nhân dẫn Ďến tình trạng ô nhiễm nguồn nƣớc. Ô nhiễm môi trƣờng Ďất, nƣớc và không khí Ďã trở thành vấn Ďề hết sức nan giải không chỉ ở Việt Nam mà còn diễn ra ở nhiều nơi trên thế giới, trong Ďó ô nhiễm môi trƣờng nƣớc là trầm trọng hơn cả. Việc gia tăng dân số, phát triển các ngành công nghiệp, nông nghiệp Ďã và Ďang làm gia tăng nguồn dinh dƣỡng Ďáng kể (chủ yếu là dƣ thừa nitơ và photpho) trong các thủy vực.

Nguồn nƣớc tiếp nhận (chủ yếu là nƣớc mặt) giàu dinh dƣỡng dẫn Ďến phú dƣỡng nguồn nƣớc và làm mất cân bằng sinh thái ở các thủy vực, gây ra hiện tƣợng “tảo nở hoa”. “Tảo nở hoa” là hiện tƣợng phát triển bùng phát của tảo, Ďặc biệt là vi khuẩn lam (VKL) tại các thủy vực nƣớc ngọt và thƣờng gây ra những tác Ďộng xấu lên môi trƣờng nhƣ làm Ďục nƣớc, tăng pH, giảm hàm lƣợng oxy hòa tan do quá trình hô hấp hoặc phân hủy sinh khối tảo và trong Ďó phần lớn VKL sản sinh ra Ďộc tố VKL có Ďộc tính cao. Hiện nay, tần xuất xuất hiện hiện tƣợng nở hoa của VKL có xu hƣớng ngày càng gia tăng trong các thủy vực. Do vậy, ngăn ngừa và giảm thiểu phát triển mạnh mẽ của VKL là vấn Ďề môi trƣờng quan trọng cần Ďƣợc quan tâm.

Các quá trình xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc Ďã Ďƣợc chú trọng từ nhiều thập kỷ nay tại nhiều nƣớc trên thế giới, trong Ďó xử lý ô nhiễm do VKL và Ďộc tố của chúng tại các thuỷ vực nƣớc ngọt làm nguồn cung cấp nƣớc sinh hoạt cho cộng Ďồng dân cƣ Ďang ngày càng Ďƣợc quan tâm và giám sát chặt chẽ. Để giảm thiểu sự bùng phát của VKL, những giải pháp xử lý tức thì thƣờng Ďƣợc sử dụng khi thủy vực Ďã bị ô nhiễm nặng (xuất hiện hiện tƣợng nở hoa nƣớc). Khi Ďó ngƣời ta sử dụng những phƣơng pháp hóa học nhƣ dùng hóa chất (CuSO4) Ďể diệt tảo kết hợp với những phƣơng pháp cơ học (hớt váng, che mái…). Tuy nhiên, những phƣơng pháp này khá tốn kém, gây ảnh hƣởng tới hệ sinh thái và khó tiến hành triệt Ďể, Ďặc biệt là trong những thủy vực lớn.

Chính vì vậy, việc tìm kiếm và phát triển những giải pháp mới có hiệu quả, 2 không gây ô nhiễm thứ cấp và thân thiện với môi trƣờng ngày càng Ďƣợc chú trọng nghiên cứu. Việc nghiên cứu phát hiện ra những vật liệu mới có khả năng ngăn ngừa hiệu quả sự phát triển của tảo Ďộc mà không ảnh hƣởng xấu Ďến môi trƣờng nƣớc và những sinh vật sống trong Ďó là một yêu cầu cấp thiết góp phần bảo vệ sức khoẻ con ngƣời, bảo vệ chất lƣợng nƣớc. Trong vấn Ďề này, công nghệ nano Ďƣợc cho là khá phù hợp, không những mang lại hiệu quả xử lý cao, mà còn giảm thiểu chi phí, liều lƣợng sử dụng cũng nhƣ các vấn Ďề về môi trƣờng. Công nghệ nano là công nghệ liên quan Ďến việc tổng hợp và ứng dụng các vật liệu có kích thƣớc nanomet (nm).

Ở kích thƣớc nano, vật liệu có nhiều Ďặc tính nổi trội nhƣ có kích thƣớc nhỏ hơn 100 nm, có diện tích tiếp xúc bề mặt lớn so với khối lƣợng, tạo ra ảnh hƣởng của bề mặt Plasmon cộng hƣởng, khả năng bám dính tốt và Ďƣợc ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau nhƣ y tế, mỹ phẩm, Ďiện tử, xúc tác hoá học, môi trƣờng. Vì có nhiều Ďặc Ďiểm ƣu việt và khả năng ứng dụng thực tế cao nên quá trình sản xuất vật liệu nano trên toàn cầu Ďã không ngừng tăng từ 2000 tấn năm 2004 và dự Ďoán từ năm 2011 Ďến 2020 sẽ lên Ďến 58. Với những ƣu Ďiểm này, vật liệu nano Ďã mở ra tiềm năng lớn trong việc ứng dụng vật liệu nano trong việc kiểm soát sự bùng phát tảo trong tƣơng lai. Từ những lý do trên Ďề tài: “Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thuỷ vực nước ngọt” Ďã Ďƣợc lựa chọn thực hiện.

 Mục mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, chế tạo và xác Ďịnh tính chất, Ďặc trƣng của 03 vật liệu nano (bạc, Ďồng và sắt) và Ďánh giá khả năng diệt VKL của vật liệu nano trong thủy vực nƣớc ngọt.  Đối tượng nghiên cứu - Ba loại vật liệu nano bạc và Ďồng bằng phƣơng pháp khử hóa học; nano sắt bằng phƣơng pháp Ďồng kết tủa; - VKL M. aeruginosa KG và tảo lục C.  Nội dung nghiên cứu - Chế tạo và xác Ďịnh Ďặc trƣng, tính chất của ba loại vật liệu nano bạc, Ďồng và sắt.

- Đánh giá khả năng diệt và ức chế VKL của ba loại vật liệu nano. 3 - Đánh giá tính an toàn của vật liệu. - Thực nghiệm ứng dụng của vật liệu ở quy mô phòng thí nghiệm với mẫu nƣớc hồ.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc nói chung và ô nhiễm các thủy vực có nguyên nhân từ Ďộc tố của VKL Ďã nhận Ďƣợc nhiều sự quan tâm, nghiên cứu trong thời gian gần Ďây.

Sử dụng vật liệu nano trong xử lý vi tảo thể hiện nhiều ƣu Ďiểm trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trƣờng nhất là ô nhiễm do phú dƣỡng ở các thủy vực. Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học và chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nở hoa của VKL trong các thủy vực nƣớc ngọt.  Những đóng góp mới của luận án - Luận án Ďã nghiên cứu chế tạo và lựa chọn Ďƣợc hai loại vật liệu nano bạc và Ďồng có khả năng diệt VKL M. - Luận án Ďã khảo sát khả năng ức chế và diệt VKL của vật liệu nano bạc, Ďồng và chứng minh cả hai loại vật liệu Ďều có khả năng ức chế sinh trƣởng của VKL.

EC50 của vật liệu nano bạc Ďối với VKL M. aeruginosa KG là 0,0075 mg/L và của nano Ďồng là 0,7159 mg/L. Hiệu suất ức chế sinh trƣởng Ďạt > 75% ghi nhận ở 4 nồng Ďộ nano bạc bổ sung (0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm) và Ďạt > 90% khi nồng Ďộ nano Ďồng là 1 và 5 ppm nano Ďồng. - Luận án Ďã bƣớc Ďầu thử nghiệm khả năng diệt VKL Ďối với môi trƣờng nƣớc hồ thực tế (hồ Tiền Đại học Bách khoa Hà Nội) và Ďánh giá tính an toàn của vật liệu nano Ďối với một số loài sinh vật thủy sinh nhƣ bèo tấm Lemna sp.

 Bố cục của luận án Ngoài phần mở Ďầu, kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo, nội dung của luận án Ďƣợc trình bày trong 3 chƣơng với bố cục nhƣ sau: Chƣơng 1 Tổng quan tài liệu giới thiệu về vật liệu nano, VKL; tổng quan về ứng dụng vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm tảo Ďộc. Chƣơng 2 Phƣơng pháp nghiên cứu trình bày nguyên lý, kỹ thuật và bố trí thực nghiệm của các phƣơng pháp nghiên cứu Ďƣợc sử dụng trong luận án. 4 Chƣơng 3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận trình bày kết quả tổng hợp vật liệu nano, kết quả nghiên cứu cấu trúc vật liệu; kết quả thử nghiệm hoạt tính ức chế và diệt VKL của vật liệu nano Ďã tổng hợp; kết quả Ďánh giá tính an toàn của vật liệu cũng nhƣ kết quả thử nghiệm với mẫu nƣớc hồ thực tế. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.

Tổng quan về vật liệu nano 1. Khái niệm chung về vật liệu nano Khoa học nano: là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tƣợng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và Ďại phân tử. Tại các quy mô Ďó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. Hình ảnh thể hiện kích thước nano (màu đỏ) so với một số đối tượng vật lý và sinh học theo thang kích thước (http://nanoscience.nz/) Công nghệ nano: là ngành công nghệ liên quan Ďến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc Ďiều khiển hình dáng, kích thƣớc trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10-9 m).

Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano Ďôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng Ďều có chung Ďối tƣợng là vật liệu nano. Vật liệu nano: là vật liệu trong Ďó ít nhất một chiều có kích thƣớc nanomet. Chúng có nhiều Ďặc tính nổi trội nhƣ: kích thƣớc Ďặc biệt <100 nm, tỷ lệ bề mặt/thể tích lớn, có tiềm năng phản ứng cao, tạo ra hiệu ứng cộng hƣởng bề mặt Plasmon… Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thƣớc nanomet của chúng Ďã Ďạt tới kích thƣớc tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu thông thƣờng. Kích thƣớc vật liệu nano trải dài một khoảng từ vài nm Ďến vài trăm nm phụ thuộc vào bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu [1].

Một số tính chất chung của vật liệu nano 1. Hiệu ứng bề mặt 6 Khi kích thƣớc vật liệu Ďạt Ďến cỡ nanomét thì số nguyên tử trên bề mặt là tƣơng Ďối lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thƣớc vật liệu giảm Ďi thì hiệu ứng có liên quan Ďến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên. Kích thƣớc của vật liệu giảm Ďến nanomet thì các tính chất liên quan Ďến các nguyên tử bề mặt thể hiện một cách rõ rệt.

Kích thƣớc hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngƣợc lại (Bảng 1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [1] Đƣờng kính hạt Số nguyên Tỉ số nguyên Năng lƣợng bề Năng lƣợng bề nano (nm) tử tử trên bề mặt mặt (erg/mol) mặt trên năng (%) lƣợng tổng (%) 10 30. Hiệu ứng kích thước Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thƣớc của vật liệu nano Ďã làm cho vật liệu này có nhiều Ďặc Ďiểm khác với các vật liệu truyền thống. Mỗi một vật liệu Ďều Ďƣợc quy Ďịnh bởi một Ďộ dài Ďặc trƣng còn Ďƣợc gọi là kích thƣớc tới hạn.