Nghiên Cứu Chuyển Hóa Sulfamethoxazole Trong Nước Bị Chiếu Xạ

• Tác giả: Lê Duy Nam
• Người hướng dẫn: PGS.TS Ngô Mạnh Thắng
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Chuyển Hóa Sulfamethoxazole Trong Nước Bị Chiếu Xạ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. Khái quát về Sulfamethoxazole
• 1.2. Sulfamethoxazole trong môi trường nước và khả năng phân hủy
• 1.3. Các phương pháp phân tích Sulfamethoxazole
• 1.4. Phương pháp và thiết bị sử dụng phân tích SMX
• 1.4.1. Máy đo phổ hấp thu tử ngoại – khả kiến (UV-Vis)
• 1.4.2. Sắc kí lỏng ghép đầu dò hai lần khối phổ (LC - MS/MS)
• 1.5. Chiếu xạ sử dụng tia Gamma và các phản ứng trong nước do chiếu xạ
• 1.5.1. Các sản phẩm hình thành do xạ phân nước
• 1.5.2. Tính chất của các gốc tự do cơ bản trong phản ứng xạ phân nước
• 1.5.2.1. Electron bị hydrat e⁻aq
• 1.5.2.2. Hydrogen nguyên tử H•
• 1.5.2.3. Gốc tự do Hydroxyl •OH
• 1.5.3. Ứng dụng chiếu xạ tia gamma
• 2. THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất - dụng cụ
• 2.2. Thực nghiệm phân tích SMX
• 2.2.1. Đo phổ hấp thu UV-Vis
• 2.2.2. Đo bằng phương pháp HPLC-UV
• 2.2.3. Đo bằng phương pháp sắc kí lỏng ghép khối phổ (LC-Q-TOF MS)
• 2.2.4. Chiếu xạ dung dịch SMX
• 2.2.4.1. Ảnh hưởng của liều hấp thu D
• 2.2.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ đầu [CSMX]0
• 2.2.4.3. Ảnh hưởng của giá trị pH ban đầu (pHo)
• 2.2.4.4. Ảnh hưởng của Hydrogen peroxit (H2O2)
• 2.2.4.5. Ảnh hưởng của ion CO3²⁻
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả đo SMX bằng phương pháp UV-Vis
• 3.2. Kết quả đo SMX bằng phương pháp HPLC – UV (DAD)
• 3.2.1. Khảo sát xây dựng phương pháp phân tích
• 3.2.2. Đường chuẩn phân tích
• 3.2.3. Nồng độ thấp nhất đo được
• 3.3. Kết quả đo SMX bằng phương pháp LC-MS/MS
• 3.3.1. Phân tích LC – TOF – MS dung dịch chuẩn
• 3.3.2. Đường chuẩn và nồng độ thấp nhất đo được
• 3.3.3. Sự phân mảnh gây ra bởi va chạm tại nguồn (in-source fragmentation)
• 3.3.4. Phổ MS/MS
• 3.4. Kết quả xử lý chiếu xạ SMX bằng tia Gamma
• 3.4.1. Theo liều hấp thu năng lượng D
• 3.4.1.1. Sắc kí đồ HPLC/UV mẫu dung dịch SMX 100 µmol/L
• 3.4.1.2. Ảnh hưởng của nền dung dịch mẫu SMX 100 µmol/L tới tín hiệu HPLC/UV
• 3.4.1.3. Hiệu suất chuyển hóa của SMX 100 µmol/L
• 3.4.1.4. Sản phẩm hình thành dựa vào sắc kí đồ HPLC/UV
• 3.4.1.5. Động học quá trình xạ phân SMX 100 µmol/L
• 3.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ đầu dung dịch SMX
• 3.4.3. Ảnh hưởng của giá trị pH dung dịch
• 3.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 trong dung dịch ban đầu
• 3.4.4.1. Ảnh hưởng khi không chiếu xạ
• 3.4.4.2. Ảnh hưởng khi có chiếu xạ
• 3.4.5. Sản phẩm chuyển hóa do chiếu xạ
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Về Chuyển Hóa Sulfamethoxazole

Ngày nay, các dược phẩm đang được sử dụng rất phổ biến trong điều trị bệnh, mang lại nhiều lợi ích to lớn. Tuy vậy, việc sử dụng kháng sinh thiếu kiểm soát dẫn đến những ảnh hưởng lớn đối với môi trường, bao gồm cả chất lượng nước. Dư lượng của nhiều dược phẩm, kháng sinh đã được phát hiện trong các nguồn nước như nước sông, nước thải, và thậm chí nước ngầm. Điều này gây ra các quan ngại về khả năng kháng thuốc kháng sinh của một số vi khuẩn do có điều kiện tiếp xúc lâu dài với dư lượng thuốc kháng sinh, dẫn đến việc điều trị các bệnh viêm nhiễm do các vi khuẩn này gây ra gặp khó khăn. Vì vậy, nghiên cứu về chuyển hóa Sulfamethoxazole trong môi trường nước là vô cùng quan trọng, đánh giá tác động và tìm ra giải pháp xử lý nước hiệu quả. Các phương pháp xử lý tiên tiến ngày càng được quan tâm, trong đó có chiếu xạ.

1.1. Sự cần thiết của nghiên cứu xử lý Sulfamethoxazole trong nước

Sự xuất hiện của Sulfamethoxazole (SMX) trong nguồn nước đặt ra nhiều thách thức về ô nhiễm môi trường và sức khỏe cộng đồng. Các nghiên cứu đã chỉ ra sự tồn tại của dược phẩm trong nước uống, nước thải sinh hoạt và nước thải bệnh viện, góp phần vào sự lan rộng của vi khuẩn kháng thuốc. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp xử lý nước thải hiệu quả để loại bỏ SMX là vô cùng cần thiết. Cần có những giải pháp xử lý tiên tiến và hiệu quả để giải quyết triệt để vấn đề này.

1.2. Tổng quan về các phương pháp xử lý Sulfamethoxazole hiện nay

Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để xử lý Sulfamethoxazole trong nước, bao gồm các phương pháp vật lý (hấp phụ, lọc), hóa học (oxy hóa nâng cao AOPs) và sinh học. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng. Các phương pháp oxy hóa nâng cao (AOPs) như ozone, Fenton, UV/H2O2 đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi do khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ một cách hiệu quả. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ SMX, thành phần nước, và chi phí xử lý.

II. Thách Thức Phân Hủy Sulfamethoxazole và Vai Trò Của Chiếu Xạ

Việc phân hủy Sulfamethoxazole trong nước là một thách thức do tính bền vững của hợp chất này và khả năng tạo ra các sản phẩm chuyển hóa có thể độc hại hơn. Các phương pháp xử lý truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn SMX. Do đó, cần có những phương pháp xử lý tiên tiến hơn, trong đó chiếu xạ bằng tia gamma được xem là một giải pháp tiềm năng. Chiếu xạ có khả năng tạo ra các gốc tự do mạnh, thúc đẩy quá trình phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, bao gồm cả SMX. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của chiếu xạ trong việc chuyển hóa SMX và xác định các sản phẩm chuyển hóa hình thành.

2.1. Tính bền vững của Sulfamethoxazole và các vấn đề liên quan

Sulfamethoxazole (SMX) là một hợp chất kháng sinh thuộc nhóm sulfonamide, được sử dụng rộng rãi trong y tế và thú y. Tuy nhiên, SMX có tính bền vững cao trong môi trường, khó bị phân hủy bằng các phương pháp xử lý nước thông thường. Sự tồn tại của SMX trong nước có thể gây ra các vấn đề như kháng kháng sinh, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Cần có những biện pháp hiệu quả để giảm thiểu sự phát tán của SMX vào môi trường.

2.2. Ưu điểm và hạn chế của phương pháp chiếu xạ trong xử lý SMX

Phương pháp chiếu xạ sử dụng tia gamma có nhiều ưu điểm trong xử lý SMX, bao gồm khả năng phân hủy hiệu quả, không tạo ra các chất phụ gia độc hại, và có thể áp dụng cho nhiều loại nước thải khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số hạn chế, như chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu kỹ thuật vận hành phức tạp, và cần đảm bảo an toàn bức xạ. Việc đánh giá kỹ lưỡng các ưu nhược điểm là cần thiết để quyết định tính khả thi của phương pháp chiếu xạ trong xử lý SMX.

2.3. Cơ chế chuyển hóa Sulfamethoxazole bằng chiếu xạ

Quá trình chiếu xạ tạo ra các gốc tự do, đặc biệt là gốc hydroxyl (●OH), có khả năng oxy hóa mạnh. Những gốc này tấn công phân tử Sulfamethoxazole (SMX), khởi đầu một chuỗi phản ứng chuyển hóa. Các phản ứng này có thể dẫn đến việc phá vỡ cấu trúc của SMX, tạo ra các sản phẩm chuyển hóa khác nhau. Hiểu rõ cơ chế chuyển hóa này giúp tối ưu hóa quá trình xử lý và dự đoán các sản phẩm chuyển hóa có thể hình thành.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Các Yếu Tố Đến Phân Hủy SMX

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như pH, nồng độ Sulfamethoxazole (SMX), nồng độ hydrogen peroxide (H2O2), và liều hấp thu năng lượng bức xạ đến hiệu suất chuyển hóa SMX bằng phương pháp chiếu xạ. Thiết bị sắc ký lỏng (HPLC/DAD) và sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC - TOF - MS) được sử dụng để phân tích và xác định các sản phẩm chuyển hóa hình thành. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa quá trình xử lý SMX bằng phương pháp chiếu xạ.

3.1. Quy trình thực nghiệm xử lý SMX bằng chiếu xạ

Quy trình thực nghiệm bao gồm các bước: chuẩn bị dung dịch Sulfamethoxazole (SMX) với các nồng độ và pH khác nhau, bổ sung hydrogen peroxide (H2O2) với các nồng độ khác nhau, chiếu xạ các mẫu bằng tia gamma với các liều hấp thu khác nhau, và phân tích các mẫu sau chiếu xạ bằng HPLC/DAD và LC - TOF - MS. Các điều kiện thực nghiệm được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

3.2. Kỹ thuật phân tích Sulfamethoxazole và sản phẩm chuyển hóa

Kỹ thuật sắc ký lỏng (HPLC/DAD) được sử dụng để định lượng Sulfamethoxazole (SMX) và theo dõi sự thay đổi nồng độ của SMX trong quá trình chiếu xạ. Kỹ thuật sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC - TOF - MS) được sử dụng để xác định các sản phẩm chuyển hóa hình thành trong quá trình chiếu xạ và xác định cấu trúc của các sản phẩm chuyển hóa này. Các kỹ thuật phân tích này cho phép đánh giá hiệu quả xử lý và độ an toàn của quá trình chiếu xạ.

3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy Sulfamethoxazole

Nghiên cứu tập trung vào các yếu tố chính: pH (ảnh hưởng đến sự tồn tại của các gốc tự do), nồng độ SMX ban đầu (ảnh hưởng đến động học phản ứng), nồng độ H2O2 (tăng cường quá trình oxy hóa) và liều lượng chiếu xạ (quyết định mức năng lượng cung cấp cho quá trình phân hủy). Các yếu tố này được điều chỉnh để tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình chuyển hóa Sulfamethoxazole.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Chuyển Hóa Sulfamethoxazole Khi Chiếu Xạ

Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất chuyển hóa Sulfamethoxazole (SMX) tăng nhanh theo liều hấp thu năng lượng bức xạ, đạt hiệu suất tới 98% đối với tất cả các dung dịch SMX đã khảo sát. Phản ứng chuyển hóa SMX trong dung dịch nước bị chiếu xạ tuân theo phương trình động học của phản ứng bậc 1 biểu kiến. Giá trị pH của nền mẫu và nồng độ ban đầu của hydrogen peroxide (H2O2) trong nền mẫu có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất chuyển hóa của SMX.

4.1. Ảnh hưởng của liều chiếu xạ đến hiệu suất phân hủy Sulfamethoxazole

Kết quả cho thấy liều chiếu xạ càng cao thì hiệu suất phân hủy Sulfamethoxazole (SMX) càng lớn. Khi liều chiếu xạ đạt đến một ngưỡng nhất định, SMX gần như bị loại bỏ hoàn toàn khỏi dung dịch. Điều này chứng tỏ chiếu xạ là một phương pháp hiệu quả để xử lý SMX trong nước. Tuy nhiên, cần xác định liều chiếu xạ tối ưu để đảm bảo hiệu quả xử lý mà vẫn tiết kiệm năng lượng.

4.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình chuyển hóa Sulfamethoxazole

pH có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả chuyển hóa Sulfamethoxazole (SMX). Hiệu suất chuyển hóa thường cao hơn trong môi trường axit so với môi trường trung tính và kiềm. Điều này có thể là do sự thay đổi khả năng oxy hóa của các gốc tự do trong các môi trường pH khác nhau. Do đó, việc điều chỉnh pH có thể là một yếu tố quan trọng để tối ưu hóa quá trình xử lý.

4.3. Ảnh hưởng của Hydrogen Peroxide H2O2 đến chuyển hóa Sulfamethoxazole

Việc bổ sung Hydrogen Peroxide (H2O2) có thể làm tăng hiệu quả chuyển hóa Sulfamethoxazole (SMX) khi chiếu xạ. H2O2 có thể bị phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng hoặc tia gamma, tạo ra thêm các gốc tự do hydroxyl, từ đó tăng cường quá trình oxy hóa SMX. Tuy nhiên, nồng độ H2O2 cần được kiểm soát chặt chẽ, vì nồng độ quá cao có thể ức chế quá trình chuyển hóa.

V. Nhận Diện Sản Phẩm Chuyển Hóa Của Sulfamethoxazole Sau Chiếu Xạ

Đã xác định được 5 sản phẩm chuyển hóa của Sulfamethoxazole (SMX) do chiếu xạ với kỹ thuật sắc kí lỏng ghép khối phổ, tất cả 5 sản phẩm này đều có độ phân cực cao hơn so với SMX. Trên cơ sở các giá trị m/z của 5 sản phẩm này, sơ đồ các hướng phản ứng chuyển hóa SMX đã được đề xuất và thảo luận, so sánh với tài liệu tham khảo. Việc xác định các sản phẩm chuyển hóa là rất quan trọng để đánh giá tính an toàn của quá trình xử lý.

5.1. Phân tích sản phẩm chuyển hóa bằng LC MS MS

Kỹ thuật sắc kí lỏng ghép khối phổ (LC-MS/MS) là một công cụ mạnh mẽ để phân tích và xác định các sản phẩm chuyển hóa của Sulfamethoxazole (SMX). LC-MS/MS cho phép tách các sản phẩm khác nhau và xác định khối lượng phân tử của chúng, từ đó giúp suy đoán cấu trúc và cơ chế hình thành của các sản phẩm này.

5.2. Đặc điểm của các sản phẩm chuyển hóa được xác định

Các sản phẩm chuyển hóa được xác định thường có độ phân cực cao hơn so với Sulfamethoxazole (SMX), cho thấy quá trình oxy hóa đã diễn ra. Khối lượng phân tử của các sản phẩm chuyển hóa có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn SMX, tùy thuộc vào loại phản ứng (ví dụ: hydroxyl hóa, khử alkyl). Cần nghiên cứu thêm về độc tính của các sản phẩm chuyển hóa này để đánh giá đầy đủ tác động của quá trình xử lý.

5.3. Sơ đồ phản ứng chuyển hóa Sulfamethoxazole do chiếu xạ

Dựa trên các kết quả phân tích LC-MS/MS và so sánh với tài liệu tham khảo, sơ đồ phản ứng chuyển hóa Sulfamethoxazole (SMX) có thể được xây dựng. Sơ đồ này mô tả các bước phản ứng chính và các sản phẩm chuyển hóa trung gian, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phân hủy SMX và dự đoán các sản phẩm chuyển hóa có thể hình thành trong các điều kiện khác nhau.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Xử Lý SMX

Nghiên cứu này đã chứng minh hiệu quả của phương pháp chiếu xạ trong việc chuyển hóa Sulfamethoxazole (SMX) trong nước. Các yếu tố như liều chiếu xạ, pH và nồng độ H2O2 có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chuyển hóa. Đã xác định được 5 sản phẩm chuyển hóa của SMX. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc đánh giá độc tính của các sản phẩm chuyển hóa, tối ưu hóa quá trình xử lý và ứng dụng phương pháp chiếu xạ vào xử lý nước thải thực tế.

6.1. Đánh giá tiềm năng ứng dụng của chiếu xạ trong xử lý nước

Phương pháp chiếu xạ có tiềm năng lớn trong xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy trong nước, bao gồm cả Sulfamethoxazole (SMX). Tuy nhiên, cần đánh giá kỹ lưỡng chi phí, hiệu quả và độ an toàn của phương pháp này trước khi ứng dụng rộng rãi. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình chiếu xạ để giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo về xử lý Sulfamethoxazole

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể bao gồm: đánh giá độc tính của các sản phẩm chuyển hóa, nghiên cứu ảnh hưởng của các chất nền khác trong nước thải đến quá trình chiếu xạ, kết hợp phương pháp chiếu xạ với các phương pháp xử lý khác (ví dụ: lọc sinh học) để tăng hiệu quả xử lý, và phát triển các hệ thống chiếu xạ quy mô lớn cho xử lý nước thải thực tế.

Tổng quan nghiên cứu

Sulfamethoxazole (SMX) là một kháng sinh thuộc nhóm sulfonamide được sử dụng rộng rãi trong điều trị các bệnh nhiễm khuẩn. Tuy nhiên, dư lượng SMX trong môi trường nước, đặc biệt là nước mặt và nước thải, đã được phát hiện với tần suất lên tới khoảng 27% trong các mẫu khảo sát, gây ra lo ngại về khả năng kháng thuốc của vi khuẩn và ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái. Việc xử lý và phân hủy các dư lượng kháng sinh này trong nước là một thách thức lớn đối với ngành môi trường và y tế công cộng.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu quá trình chuyển hóa SMX trong dung dịch nước khi bị chiếu xạ tia gamma từ nguồn Co-60. Mục tiêu chính là đánh giá hiệu suất phân hủy, tốc độ phản ứng và xác định các sản phẩm chuyển hóa của SMX dưới tác động của chiếu xạ gamma, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ SMX ban đầu, pH dung dịch, nồng độ hydrogen peroxit (H2O2) và liều hấp thu năng lượng bức xạ. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi các mẫu dung dịch nước chuẩn tại phòng thí nghiệm, với liều hấp thu từ 0,3 kGy đến 5,0 kGy.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các phương pháp xử lý nước thải chứa kháng sinh bằng công nghệ chiếu xạ gamma, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc. Ngoài ra, nghiên cứu còn cung cấp dữ liệu khoa học về động học phản ứng và cơ chế chuyển hóa SMX, hỗ trợ cho việc thiết kế các hệ thống xử lý nước hiệu quả hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hóa học chiếu xạ và xạ phân nước: Quá trình chiếu xạ gamma tạo ra các gốc tự do như hydroxyl (●OH), hydrogen nguyên tử (H●) và electron bị hydrat (e⁻_aq), có khả năng oxi hóa và khử các hợp chất hữu cơ trong dung dịch nước. Các phản ứng này được mô tả qua các phương trình động học và giá trị G (G-value) biểu thị hiệu suất hình thành gốc tự do trên năng lượng hấp thu.

• Động học phản ứng bậc một biểu kiến: Phản ứng chuyển hóa SMX tuân theo phương trình động học bậc một biểu kiến, trong đó tốc độ phân hủy tỷ lệ thuận với nồng độ SMX còn lại trong dung dịch.

• Phân tích sắc ký lỏng và khối phổ (HPLC/DAD và LC-QTOF-MS/MS): Các kỹ thuật này được sử dụng để định lượng SMX và xác định các sản phẩm chuyển hóa dựa trên thời gian lưu và khối lượng phân tử, giúp xây dựng sơ đồ phản ứng chuyển hóa.

Các khái niệm chính bao gồm: liều hấp thu năng lượng bức xạ (D), nồng độ ban đầu của SMX và H2O2, giá trị pH dung dịch, hằng số tốc độ biểu kiến (k_obs), và các sản phẩm chuyển hóa có độ phân cực và khối lượng phân tử cao hơn SMX.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mẫu dung dịch SMX chuẩn được chuẩn bị trong phòng thí nghiệm với nồng độ từ 20 µM đến 140 µM, pH từ 2 đến 10, và nồng độ H2O2 từ 0,1 mM đến 0,5 M.

• Thiết bị và kỹ thuật phân tích: Sử dụng thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC/DAD để định lượng SMX và các sản phẩm chuyển hóa, kết hợp với sắc ký lỏng ghép khối phổ LC-QTOF-MS/MS để xác định cấu trúc và khối lượng phân tử các sản phẩm chuyển hóa.

• Phương pháp chiếu xạ: Mẫu dung dịch SMX được chiếu xạ bằng tia gamma từ nguồn Co-60 với liều hấp thu năng lượng từ 0,3 kGy đến 5,0 kGy trong thiết bị Gamma Chamber – 5000 có suất liều 2,8 kGy/giờ.

• Phân tích động học: Xác định hằng số tốc độ biểu kiến của phản ứng phân hủy SMX dựa trên sự thay đổi nồng độ theo liều hấp thu, áp dụng mô hình phản ứng bậc một biểu kiến.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình chuẩn bị mẫu, chiếu xạ và phân tích được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian nghiên cứu, đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi điều kiện thí nghiệm được thực hiện với ít nhất 3 mẫu chiếu xạ và 1 mẫu đối chứng không chiếu xạ để so sánh, đảm bảo tính đại diện và kiểm soát biến thiên.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất chuyển hóa SMX theo liều hấp thu D: Hiệu suất phân hủy SMX tăng nhanh theo liều hấp thu, đạt tới 98% khi liều hấp thu đạt 5,0 kGy. Ở liều này, SMX không còn được phát hiện trong dung dịch. (Hình 3-18)

2. Động học phản ứng: Phản ứng phân hủy SMX tuân theo động học bậc một biểu kiến với hằng số tốc độ biểu kiến thay đổi theo nồng độ ban đầu của SMX. Tốc độ phản ứng nhanh nhất đạt được ở nồng độ SMX từ 50 đến 70 µM, trong khi ở nồng độ thấp (20 µM) và cao (100-140 µM) tốc độ phản ứng chậm hơn. (Hình 3-22, 3-25)

3. Ảnh hưởng của pH dung dịch: Hiệu suất phân hủy SMX trong môi trường acid cao hơn đáng kể so với môi trường trung tính và kiềm. Cụ thể, hiệu suất phân hủy trong môi trường acid cao hơn 1,2 lần so với môi trường trung tính và gấp 1,9 lần so với môi trường kiềm. (Hình 3-26, 3-27)

4. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2: Nồng độ H2O2 ban đầu làm tăng hiệu suất chuyển hóa SMX, với nồng độ 1,0 mM H2O2 làm tăng hiệu suất thêm khoảng 10%. Tuy nhiên, khi nồng độ H2O2 vượt quá mức này, hiệu suất chuyển hóa lại bị hạn chế, có thể do sự cạnh tranh hoặc ức chế các gốc tự do. (Hình 3-29, 3-32)

5. Sản phẩm chuyển hóa: Năm sản phẩm chuyển hóa chính của SMX được xác định bằng LC-QTOF-MS/MS với khối lượng phân tử m/z lần lượt là 270, 271, 286, 288 và 304, tất cả đều có độ phân cực cao hơn SMX. Trong đó, sản phẩm có m/z = 270 có cường độ tín hiệu cao nhất, cho thấy đây là sản phẩm chuyển hóa phổ biến nhất. (Hình 3-37, 3-38)

Thảo luận kết quả

Hiệu suất phân hủy SMX tăng theo liều hấp thu D do sự gia tăng số lượng gốc tự do hydroxyl và các tác nhân oxi hóa mạnh sinh ra trong quá trình chiếu xạ gamma. Động học bậc một biểu kiến phù hợp với các nghiên cứu trước đây về phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước bằng chiếu xạ gamma, cho thấy quá trình phân hủy phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ chất phản ứng còn lại.

Ảnh hưởng của pH được giải thích bởi sự thay đổi trạng thái ion hóa của SMX và các gốc tự do trong dung dịch. Môi trường acid làm tăng hiệu quả oxi hóa do gốc hydroxyl hoạt động mạnh hơn và SMX tồn tại ở dạng dễ phản ứng hơn. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quang phân và phản ứng Fenton trên các hợp chất sulfonamide.

Nồng độ H2O2 ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa thông qua việc cung cấp thêm gốc hydroxyl từ quá trình phân hủy H2O2 dưới tác động của tia gamma. Tuy nhiên, nồng độ quá cao có thể dẫn đến sự tiêu hao gốc hydroxyl hoặc tạo thành các sản phẩm phụ không mong muốn, làm giảm hiệu quả phân hủy SMX.

Việc xác định các sản phẩm chuyển hóa với khối lượng phân tử cao hơn SMX cho thấy quá trình chuyển hóa không chỉ là sự phân cắt đơn giản mà còn bao gồm các phản ứng oxi hóa phức tạp như hydroxyl hóa, mở vòng isoxazole và tạo các dẫn xuất có độ phân cực cao hơn. Sơ đồ phản ứng chuyển hóa được đề xuất dựa trên các giá trị m/z và so sánh với tài liệu tham khảo, góp phần làm rõ cơ chế phân hủy SMX trong nước dưới tác động của chiếu xạ gamma.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ sắc ký HPLC/UV thể hiện sự giảm nồng độ SMX và sự xuất hiện các sản phẩm chuyển hóa theo liều hấp thu, cũng như bảng tổng hợp hằng số tốc độ biểu kiến và hiệu suất phân hủy ở các điều kiện khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng công nghệ chiếu xạ gamma trong xử lý nước thải chứa kháng sinh: Khuyến nghị sử dụng liều hấp thu năng lượng từ 3,0 đến 5,0 kGy để đạt hiệu suất phân hủy SMX trên 95%, phù hợp cho các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt trong vòng 6-12 tháng.

2. Điều chỉnh pH môi trường xử lý: Ưu tiên duy trì pH acid nhẹ (khoảng 2-4) trong quá trình xử lý để tăng hiệu quả phân hủy SMX, có thể thực hiện bằng việc bổ sung acid phù hợp trước khi chiếu xạ, do các nhà quản lý môi trường và kỹ sư xử lý nước.

3. Kiểm soát nồng độ hydrogen peroxit: Bổ sung H2O2 với nồng độ khoảng 1,0 mM để tăng hiệu suất phân hủy, tránh sử dụng nồng độ quá cao gây ức chế phản ứng, áp dụng trong các hệ thống xử lý nước thải có thể kiểm soát được thành phần hóa học.

4. Theo dõi và phân tích sản phẩm chuyển hóa: Thiết lập quy trình phân tích định kỳ sử dụng HPLC/DAD và LC-QTOF-MS/MS để giám sát các sản phẩm chuyển hóa nhằm đảm bảo không phát sinh các hợp chất độc hại mới, thực hiện trong các phòng thí nghiệm kiểm soát chất lượng nước.

5. Nghiên cứu mở rộng và ứng dụng thực tế: Khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo mở rộng phạm vi khảo sát với các loại kháng sinh khác và mẫu nước thực tế từ các nguồn nước thải, đồng thời thử nghiệm quy mô pilot để đánh giá hiệu quả và chi phí vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học và Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về quá trình chiếu xạ gamma và phân tích hóa học hiện đại, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ xử lý nước.

2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải: Thông tin về hiệu suất phân hủy SMX và các điều kiện tối ưu giúp thiết kế và vận hành các hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, đặc biệt trong xử lý các chất ô nhiễm khó phân hủy.

3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Dữ liệu về ảnh hưởng của dư lượng kháng sinh và các sản phẩm chuyển hóa hỗ trợ xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

4. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý nước: Áp dụng công nghệ chiếu xạ gamma trong quy trình xử lý nước thải, nâng cao chất lượng sản phẩm và tuân thủ các quy định về môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Chiếu xạ gamma có ưu điểm gì trong xử lý nước chứa kháng sinh?
   Chiếu xạ gamma tạo ra các gốc tự do mạnh như hydroxyl (●OH) mà không cần thêm hóa chất, đồng thời kết hợp hiệu quả phân hủy và khử trùng nước, phù hợp cho xử lý quy mô lớn với chi phí vận hành hợp lý.

2. Tại sao hiệu suất phân hủy SMX lại cao hơn trong môi trường acid?
   Trong môi trường acid, gốc hydroxyl hoạt động mạnh hơn và SMX tồn tại ở dạng dễ phản ứng hơn, dẫn đến tăng tốc độ phân hủy so với môi trường trung tính hoặc kiềm.

3. Nồng độ hydrogen peroxit ảnh hưởng thế nào đến quá trình phân hủy?
   H2O2 cung cấp thêm gốc hydroxyl, tăng hiệu suất phân hủy khi ở nồng độ khoảng 1,0 mM. Tuy nhiên, nồng độ quá cao có thể gây ức chế do cạnh tranh hoặc tạo các sản phẩm phụ không mong muốn.

4. Các sản phẩm chuyển hóa của SMX có độc hại không?
   Các sản phẩm chuyển hóa có độ phân cực và khối lượng phân tử cao hơn SMX, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để đánh giá độc tính. Việc giám sát sản phẩm chuyển hóa là cần thiết để đảm bảo an toàn môi trường.

5. Phương pháp phân tích nào được sử dụng để xác định SMX và sản phẩm chuyển hóa?
   Sử dụng kết hợp HPLC/DAD để định lượng SMX và LC-QTOF-MS/MS để xác định cấu trúc và khối lượng phân tử các sản phẩm chuyển hóa, đảm bảo độ nhạy và độ chính xác cao trong phân tích.

Kết luận

• Hiệu suất chuyển hóa sulfamethoxazole trong dung dịch nước tăng nhanh theo liều hấp thu năng lượng chiếu xạ gamma, đạt tới 98% ở liều 5,0 kGy.
• Phản ứng phân hủy SMX tuân theo động học bậc một biểu kiến với tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của SMX, nhanh nhất ở 50-70 µM.
• Môi trường acid và nồng độ hydrogen peroxit khoảng 1,0 mM làm tăng hiệu suất phân hủy SMX đáng kể.
• Năm sản phẩm chuyển hóa chính được xác định với khối lượng phân tử cao hơn SMX, góp phần làm rõ cơ chế chuyển hóa dưới tác động của chiếu xạ gamma.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ chiếu xạ gamma trong xử lý nước thải chứa kháng sinh, đồng thời đề xuất các giải pháp tối ưu cho quá trình xử lý.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu với các loại kháng sinh khác và mẫu nước thực tế, thử nghiệm quy mô pilot và đánh giá tác động môi trường của sản phẩm chuyển hóa.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và chuyên gia xử lý nước nên áp dụng kết quả này để phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.