Luận án tiến sĩ sinh học: Đặc điểm sinh học của nấm sợi gây hại trên thấu kính ống nhòm ở Việt Nam

"Luận án tiến sĩ sinh học nghiên cứu đặc điểm sinh học của một số chủng nấm sợi gây hại trên thấu kính ống nhòm tại Việt Nam, cung cấp thông tin về đặc điểm sinh học và tác hại ...

• Tác giả: Ngô Cao Cường
• Người hướng dẫn: PGS. Phí Quyết Tiến, Viện Công nghệ sinh học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nghiên cứu đặc điểm sinh học nấm sợi gây hại trên thấu kính ống nhòm tại Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nấm sợi gây hại trên kính và quá trình phát triển
• 1.2. Vật liệu kính, thành phần và đặc tính
• 1.3. Nấm sợi và sự xâm nhập của nấm sợi trên bề mặt vật liệu kính
• 1.4. Quá trình phát triển của nấm sợi trên vật liệu kính và sự gây hại kính bởi quá trình trao đổi chất
• 1.5. Ống nhòm ON8x30 và tác hại của nấm trên thấu kính
• 1.6. Đặc điểm khí hậu các điểm bảo quản ống nhòm và đặc điểm sinh học nấm sợi trên thấu kính
• 1.7. Đặc điểm địa lý và khí hậu của các điểm lấy mẫu
• 1.8. Cấu trúc thành phần nấm sợi trên vật liệu kính theo đặc điểm khí hậu và địa lý
• 1.9. Cấu trúc thành phần chi, loài nấm sợi gây hại trên vật liệu kính
• 1.10. Một số phương pháp phân loại nấm sợi
• 1.11. Các yếu tố ngoại cảnh và đặc điểm của nấm sợi ảnh hưởng tới quá trình gây hại trên bề mặt kính
• 1.12. Độ ẩm không khí và một số yếu tố khác
• 1.13. Đặc tính sinh axít của nấm sợi
• 1.14. Đặc tính sinh polysaccharide ngoại bào (EPS) của nấm sợi
• 1.15. Một số đặc tính sinh học khác của nấm sợi (tạo màng sinh học, phát tán bào tử, khả năng phát triển của sợi nấm)
• 1.16. Ảnh hưởng của nấm sợi đến đặc tính quang của vật liệu kính
• 1.17. Ảnh hưởng của nấm sợi đến cấu trúc và bề mặt vật liệu kính
• 1.18. Đặc điểm di truyền của nấm sợi gây hại trên bề mặt kính
• 1.19. Đặc điểm di truyền chung của các loài nấm gây hại trên bề mặt kính
• 1.20. Các gen tham gia vào sinh tổng hợp axít hữu cơ
• 1.21. Các gen tham gia vào sinh tổng hợp EPS
• 1.22. Sơ lược về nghiên cứu hệ gen nấm sợi
• 1.23. Các nghiên cứu về dự đoán các cụm gen và so sánh hệ gen của nấm sợi gây hại trên bề mặt vật liệu
• 1.24. Các nghiên cứu về hệ gen nấm sợi Curvularia
• 1.25. Phương pháp ức chế nấm sợi và tình hình nghiên cứu nấm sợi trên kính tại Việt Nam
• 1.26. Kiểm soát các thông số lí, hóa trong quá trình bảo quản
• 1.27. Sử dụng các tác nhân (vật lí, hóa học,…) trong ức chế nấm gây hại
• 1.28. Chất ức chế nấm sợi dạng bay hơi và tiềm năng ứng dụng trong chống nấm sợi cho thiết bị quang học
• 1.29. Tình hình nghiên cứu nấm sợi gây hại kính tại Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu nghiên cứu
• 2.2. Thu mẫu nấm sợi nhiễm trên thấu kính ống nhòm
• 2.3. Chế phẩm diệt nấm
• 2.4. Hóa chất, thiết bị
• 2.5. Môi trường nuôi cấy
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2.7. Phân loại theo đặc điểm hình thái
• 2.8. Phân loại nấm dựa trên phân tích trình tự gen ITS
• 2.9. Các phương pháp phân tích hóa sinh, hóa lý
• 2.10. Các phương pháp phân tích vật lý, hóa học
• 2.11. Giải trình tự và phân tích hệ gen chủng nấm sợi gây hại mạnh
• 2.12. Phân tích, xử lý thống kê
• 2.13. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát trong Luận án
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc điểm thấu kính bị gây hại và phân lập các chủng nấm sợi trên thấu kính ống nhòm ON8x30
• 3.2. Mức độ gây hại của nấm sợi trên thấu kính
• 3.3. Ảnh hưởng của nấm sợi gây hại đến đặc tính quang của thấu kính
• 3.4. Phân bố và đặc điểm hình thái của nấm sợi gây hại trên thấu kính của ống nhòm ON8x30
• 3.5. Nấm sợi gây hại trên thấu kính của ống nhòm ON8x30 tại miền Bắc (Xuân Mai-HN, Mê Linh-VP, Thanh Ba-PT, Lục Ngạn-BG)
• 3.6. Nấm sợi gây hại trên thấu kính của ống nhòm tại miền Trung (Quỳnh Lưu- Nghệ An, Thái Hòa-Nghệ An)
• 3.7. Nấm sợi gây hại trên thấu kính của ống nhòm tại Biên Hòa-Đồng Nai
• 3.8. Nấm sợi gây hại trên thấu kính của ống nhòm trong điều kiện khí hậu biển (thường đỗ tại An Dương-Hải Phòng)
• 3.9. Tổng hợp, so sánh đặc tính sinh học của nấm gây hại tại các khu vực thu thập mẫu
• 3.10. Đặc điểm phân loại và đặc tính gây hại của các chủng nấm sợi phân lập từ thấu kính
• 3.11. Đặc điểm phân loại của các chủng nấm sợi
• 3.12. Khả năng sinh axít hữu cơ của các chủng nấm sợi
• 3.13. Đánh giá khả năng gây hại của các chủng nấm sợi trên bề mặt kính giả định trong điều kiện in vitro
• 3.14. Lựa chọn và đánh giá đặc trưng của một số nấm sợi điển hình gây hại trên bề mặt kính
• 3.15. Giải trình tự hệ gen và phân tích đặc tính di truyền liên quan đến khả năng gây hại trên thấu kính của chủng Curvularia eragrostidis C52
• 3.15.1. Đặc điểm phân loại chủng nấm Curvularia eragrostidis C52
• 3.15.2. Giải trình tự, lắp ráp và chú giải hệ gen chủng nấm sợi
• 3.15.3. Phân tích cây phân loài và các hệ gen so sánh
• 3.16. Con đường sinh tổng hợp một số axít hữu cơ liên quan đến phân huỷ kính từ Curvularia eragrostidis C52
• 3.17. Xác định gen liên quan đến sinh tổng hợp EPS
• 3.18. Thử nghiệm khả năng kháng nấm sợi gây hại điển hình trên thấu kính ống nhòm của một số chế phẩm diệt nấm
• 3.19. Thử nghiệm khả năng kháng nấm của một số chế phẩm diệt nấm
• 3.20. Khảo sát khả năng ức chế nấm sợi của chế phẩm AI1
• 3.21. Thử nghiệm ảnh hưởng của độ ẩm đến khả năng ức chế phát triển của nấm sợi bởi AI1
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nấm sợi gây hại trên thấu kính ống nhòm

Nấm sợi là một trong những tác nhân gây hại chính trên bề mặt vật liệu kính, đặc biệt là thấu kính ống nhòm. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm của Việt Nam, sự phát triển của nấm sợi được thúc đẩy mạnh mẽ. Các nghiên cứu chỉ ra rằng nấm sợi không chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc bề mặt kính mà còn làm giảm đáng kể đặc tính quang học của thấu kính. Các chi nấm phổ biến như Aspergillus, Penicillium, và Curvularia được phát hiện trên bề mặt kính, gây ra hiện tượng mờ đục và giảm độ truyền qua ánh sáng. Quá trình trao đổi chất của nấm sợi, đặc biệt là sản xuất axít hữu cơ và polysaccharide ngoại bào (EPS), là nguyên nhân chính dẫn đến sự phá hủy bề mặt kính.

1.1. Đặc điểm sinh học của nấm sợi

Nấm sợi có khả năng thích nghi cao với môi trường khắc nghiệt nhờ vào các đặc tính sinh học đặc trưng. Chúng có thể tạo màng sinh học, phát tán bào tử, và sinh trưởng mạnh trong điều kiện độ ẩm cao. Các nghiên cứu về sinh học nấm cho thấy, nấm sợi có khả năng sinh tổng hợp các hợp chất như axít hữu cơ và EPS, góp phần vào quá trình gây hại trên bề mặt kính. Đặc biệt, các gen liên quan đến sinh tổng hợp axít hữu cơ và EPS đã được xác định, mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc kiểm soát nấm sợi.

1.2. Ảnh hưởng của nấm sợi đến thấu kính ống nhòm

Sự phát triển của nấm sợi trên thấu kính ống nhòm gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng. Các sợi nấm bám dính và xâm nhập vào bề mặt kính, làm giảm độ truyền qua ánh sáng và ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh quan sát. Ngoài ra, các sản phẩm trao đổi chất của nấm sợi như axít hữu cơ và EPS gây ra hiện tượng ăn mòn bề mặt kính, dẫn đến hư hỏng thiết bị. Các nghiên cứu tại Việt Nam đã chỉ ra rằng, nấm sợi gây hại trên thấu kính ống nhòm phổ biến ở các khu vực có độ ẩm cao như miền Bắc và miền Trung.

II. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp hiện đại để phân tích đặc điểm sinh học của nấm sợi gây hại trên thấu kính ống nhòm. Các mẫu nấm sợi được thu thập từ các khu vực khác nhau tại Việt Nam, bao gồm miền Bắc, miền Trung, và miền Nam. Phương pháp phân loại dựa trên đặc điểm hình thái và trình tự gen ITS được áp dụng để xác định các chủng nấm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các chủng nấm thuộc chi Curvularia và Aspergillus là những tác nhân gây hại chính trên thấu kính ống nhòm. Đặc biệt, chủng Curvularia eragrostidis C52 được xác định có khả năng sinh tổng hợp axít hữu cơ và EPS mạnh, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến bề mặt kính.

2.1. Phân loại và đặc tính gây hại của nấm sợi

Các chủng nấm sợi được phân lập từ thấu kính ống nhòm đã được phân loại dựa trên đặc điểm hình thái và trình tự gen ITS. Kết quả cho thấy, các chủng nấm thuộc chi Curvularia, Aspergillus, và Penicillium chiếm tỷ lệ cao trong các mẫu nghiên cứu. Đặc biệt, chủng Curvularia eragrostidis C52 được xác định có khả năng gây hại mạnh nhất, với khả năng sinh tổng hợp axít hữu cơ và EPS cao. Các nghiên cứu về hệ gen của chủng này đã chỉ ra các gen liên quan đến quá trình sinh tổng hợp axít hữu cơ và EPS, mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc kiểm soát nấm sợi.

2.2. Ảnh hưởng của nấm sợi đến đặc tính quang học

Sự phát triển của nấm sợi trên thấu kính ống nhòm gây ra hiện tượng mờ đục và giảm độ truyền qua ánh sáng. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, sự hiện diện của nấm sợi làm giảm đáng kể độ truyền qua ánh sáng trong dải quang phổ nhìn thấy. Đặc biệt, các sản phẩm trao đổi chất của nấm sợi như axít hữu cơ và EPS gây ra hiện tượng ăn mòn bề mặt kính, dẫn đến hư hỏng thiết bị. Các kết quả này cho thấy sự cần thiết của việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp kiểm soát nấm sợi hiệu quả.

III. Ứng dụng và kiến nghị

Nghiên cứu về nấm sợi gây hại trên thấu kính ống nhòm tại Việt Nam không chỉ cung cấp những hiểu biết sâu sắc về đặc điểm sinh học của nấm sợi mà còn mở ra các hướng ứng dụng thực tiễn. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc phát triển các chất ức chế nấm sợi hiệu quả, đặc biệt là các chế phẩm diệt nấm dạng bay hơi. Ngoài ra, việc kiểm soát các thông số môi trường như độ ẩm và nhiệt độ cũng được khuyến nghị để hạn chế sự phát triển của nấm sợi. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phân tích hệ gen của các chủng nấm sợi gây hại để tìm ra các gen đích trong quá trình kiểm soát nấm.

3.1. Phát triển chất ức chế nấm sợi

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các chế phẩm diệt nấm dạng bay hơi được xem là giải pháp tiềm năng trong việc kiểm soát nấm sợi trên thấu kính ống nhòm. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng, chế phẩm AI1 có khả năng ức chế sự phát triển của nấm sợi hiệu quả ở nồng độ thấp. Việc sử dụng các chất ức chế nấm cần được cân nhắc để không ảnh hưởng đến đặc tính quang học của thấu kính. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa công thức và nồng độ của các chế phẩm diệt nấm để đạt hiệu quả cao nhất.

3.2. Kiểm soát môi trường bảo quản

Kiểm soát các thông số môi trường như độ ẩm và nhiệt độ là một trong những biện pháp hiệu quả để hạn chế sự phát triển của nấm sợi. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, độ ẩm cao là yếu tố thuận lợi cho sự phát triển của nấm sợi. Do đó, việc duy trì độ ẩm tương đối thấp trong quá trình bảo quản thiết bị là cần thiết. Ngoài ra, việc làm sạch bề mặt thấu kính thường xuyên cũng được khuyến nghị để ngăn ngừa sự tích tụ của nấm sợi và các sản phẩm trao đổi chất của chúng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu giải quyết vấn đề thực tiễn phát sinh từ điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam, nơi có nhiệt độ và độ ẩm không khí cao tạo môi trường thuận lợi cho vi sinh vật, đặc biệt là nấm sợi, phát triển và gây hại trên bề mặt các vật liệu vô cơ. Trong lĩnh vực quang học, thấu kính của các thiết bị quan sát như ống nhòm, kính hiển vi, kính thiên văn có cấu trúc vật lý và thành phần hóa học trơ, song thực tế vẫn ghi nhận sự xâm nhiễm nghiêm trọng của nấm sợi. Sự phát triển của hệ sợi nấm cùng các chất trao đổi chất làm suy giảm độ truyền qua ánh sáng, gây rỗ, ăn mòn bề mặt và làm mất khả năng sử dụng của thiết bị.

Tại Việt Nam, chủng loại ống nhòm ON8x30 do trong nước sản xuất được trang bị rộng rãi với số lượng ước tính khoảng 1.000 chiếc phục vụ trong nghiên cứu, kiểm tra và các hoạt động chuyên môn khác. Tuy nhiên, trước thời điểm nghiên cứu này, chưa có công trình nào đánh giá một cách toàn diện và có hệ thống về mức độ ảnh hưởng của nấm sợi đến thấu kính ống nhòm ON8x30, cũng như đặc điểm sinh học và di truyền của các chủng nấm sợi gây hại tại các vùng sinh thái khác nhau ở Việt Nam. Luận án "Nghiên cứu đặc điểm sinh học của một số chủng nấm sợi gây hại trên thấu kính ống nhòm tại Việt Nam" của tác giả Ngô Cao Cường được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống nghiên cứu này.

Mục tiêu tổng quát của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

1. Phân lập, đánh giá được đặc điểm sinh học, đặc tính gây hại của các chủng nấm sợi trên thấu kính của ống nhòm ON8x30 thu thập tại Việt Nam.
2. Xác định được đặc tính di truyền hệ gen, gen/cụm gen liên quan đến đặc tính gây hại kính của 01 chủng nấm sợi và thử nghiệm sàng lọc chất ức chế nấm trên một số chủng gây hại đại diện.

Để đạt được các mục tiêu trên, tác giả đã triển khai 5 nội dung nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu đặc điểm thấu kính bị gây hại và phân lập các chủng nấm sợi trên thấu kính ống nhòm ON8x30.
2. Đánh giá phân bố và đặc điểm hình thái của nấm sợi gây hại trên thấu kính của ống nhòm ON8x30.
3. Nghiên cứu đặc điểm phân loại và đặc tính gây hại của các chủng nấm sợi phân lập từ thấu kính.
4. Giải trình tự hệ gen và phân tích đặc tính di truyền liên quan đến khả năng gây hại trên thấu kính của chủng nấm sợi gây hại đại diện (Curvularia eragrostidis C52).
5. Thử nghiệm khả năng kháng nấm sợi gây hại điển hình trên thấu kính ống nhòm của một số chế phẩm diệt nấm.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các chủng nấm sợi phân lập từ thấu kính bị nhiễm nấm của ống nhòm ON8x30 sản xuất tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu về không gian bao gồm các kho bảo quản tại 04 khu vực địa lý: miền Bắc (gồm 04 điểm: Xuân Mai - Hà Nội, Mê Linh - Vĩnh Phúc, Thanh Ba - Phú Thọ, Lục Ngạn - Bắc Giang); miền Trung (02 điểm: Quỳnh Lưu và Thái Hòa thuộc tỉnh Nghệ An); miền Nam (01 điểm: Biên Hòa - Đồng Nai); và môi trường khí hậu biển (01 điểm: ống nhòm bảo quản và sử dụng trên tàu biển hoạt động dọc bờ biển từ Hải Phòng đến Vũng Tàu, định kỳ đỗ tại An Dương - Hải Phòng). Phạm vi nghiên cứu thời gian dựa trên các mẫu quan trắc và thu thập thực địa trong giai đoạn thực hiện luận án đến năm 2022 (sử dụng số liệu quan trắc khí hậu biển giai đoạn 2015-2019).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu của luận án đã điểm lại lịch sử nghiên cứu về sự hủy hoại sinh học trên bề mặt thủy tinh và kính quang học từ cuối thế kỷ 19 đến nay. Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào hiện tượng nấm gây hư hại kính cửa sổ màu tại các nhà thờ cổ ở châu Âu. Nghiên cứu của Muller và cộng sự đã ghi nhận màng sinh học trên kính màu tại các nhà thờ Altenberg, Brakel, Bad Driburg và Stockkämpen (Đức) chủ yếu cấu thành từ hệ sợi nấm liên kết với các ngành vi khuẩn, xạ khuẩn thuộc Proteobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes và Actinobacteria. Trên thế giới, các công trình khảo sát kính màu và kính xây dựng bị phá hủy đã phân lập được nhiều chi nấm sợi khác nhau:

Vật liệu kính	Địa điểm nghiên cứu	Thời gian công bố	Chủng loại nấm ghi nhận	Tài liệu trích dẫn
Kính màu	Tu viện Cartuja de Miraflores (Tây Ban Nha)	2006	Aspergillus, Labyrinthula	[11]
Kính màu	Di tích Belém do Pará (Brazil)	2019	Aspergillus arenarioides, Fusarium oxysporum, Hortaea werneckii, Trichoderma longibrachiatum	[16]
Kính cửa sổ	Cung điện King Ferdinand II (Bồ Đào Nha)	2014	Penicillium, Cladosporium	[17]
Kính màu cửa sổ	Công trình kiến trúc tại Ai Cập	2016	Stemphylium botryosum	[19]
Thiết bị quang học	Thiết bị bảo quản tại Việt Nam	1975	Aspergillus, Penicillium, Cladosporium (nhóm P. glaucus chiếm 21%)	[48]
Thiết bị quang học	Thiết bị quang tại Việt Nam	2013	Cladosporium tenuissimum, Ramichloridium sp., Scopulariopsis brumptii	[49]

Các nghiên cứu sinh thái không khí của Pasanen và cộng sự (1991), Grinn-Gofroń và cộng sự (2004-2009 tại Ba Lan), Anton và cộng sự (2014-2016 tại Tây Ban Nha) khẳng định các chi nấm Cladosporium, Aspergillus, Penicillium, Alternaria chiếm ưu thế lớn trong không khí và thành phần nấm bám vào bề mặt vật liệu chịu ảnh hưởng mật thiết từ độ ẩm (ngưỡng tối thiểu phát triển là 70-80% RH, tương ứng hoạt độ nước aw từ 0,70 đến 0,85) và nhiệt độ môi trường (tối ưu từ 20°C đến 30°C). Về mặt ăn mòn hóa học, Gadd (1999, 2007), Mansour và cộng sự (2016) cùng Frankel và cộng sự chứng minh rằng nấm sợi gây phá hủy thủy tinh thông qua cơ chế tiết các axít hữu cơ (như citric, oxalic, gluconic, formic, succinic) tạo phức chelate hòa tan các cation kim loại kiềm và kiềm thổ (Ca, Na, K, Mg, Fe, Mn) khỏi mạng silicate, đồng thời tiết polysaccharide ngoại bào (EPS) để tăng cường bám dính và giữ ẩm.

Về mặt di truyền, nghiên cứu hệ gen nấm sợi đã ghi nhận các công trình giải mã bộ gen Saccharomyces cerevisiae (1996), Neurospora crassa (2003) và Aspergillus niger (2007). Các nghiên cứu của Vesth và cộng sự (2018), Cairns và cộng sự (2018), Blumhoff và cộng sự (2013) đã phân tích sâu các cụm gen liên quan đến sinh tổng hợp axít hữu cơ (như gen citA, citB, cadA, mttA, mfsA, oah, gen điều hòa laeA) và các cụm gen tổng hợp EPS hay màng sinh học như galactosaminogalactan (cụm gen gồm uge3, gtb3, agd3, ega3, sph3 theo Bamford và cộng sự, 2015; Sun và cộng sự, 2020). Đối với chi Curvularia, dù có 131 loài được công nhận trong Index Fungorum tính đến năm 2018, cơ sở dữ liệu GenBank khi đó mới chỉ có 7 bộ gen được đăng ký và các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào bệnh học thực vật như Curvularia lunata.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định gồm:

• Các nghiên cứu quốc tế và trong nước trước đây chủ yếu dừng lại ở việc khảo sát hình thái nấm trên kính cửa sổ di sản, nhà thờ hoặc kiểm tra đơn lẻ trên thiết bị quang học nói chung, chưa có hệ thống dữ liệu toàn diện về nấm sợi trên thiết bị ống nhòm quân sự ON8x30.
• Chưa có nghiên cứu nào phân tích đồng thời cơ chế phá hủy quang học, đặc tính sinh hóa (sinh axít hữu cơ, sinh EPS) kết hợp với công nghệ giải trình tự hệ gen thế hệ mới (NGS) nhằm làm sáng tỏ các gen và cụm gen chịu trách nhiệm cho khả năng ăn mòn kính của các chủng nấm sợi thực tế tại Việt Nam.
• Thiếu các thử nghiệm sàng lọc hoạt chất ức chế nấm dạng bay hơi nhằm bảo quản chống nấm chuyên biệt cho thấu kính mà không làm ảnh hưởng đến màng phủ quang học của khí tài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án tiếp cận dựa trên cơ sở khoa học về vật liệu thủy tinh vô cơ và quá trình suy thoái sinh học (biodeterioration). Thủy tinh dùng chế tạo thấu kính quang học có thành phần oxit chính gồm SiO2 (khoảng 75,3%), CaO (khoảng 11,7%), Na2O (khoảng 13%) và các phụ gia. Bề mặt thấu kính quang học tại Việt Nam được phủ hệ màng chống phản xạ đa lớp (5 lớp), bao gồm lớp ngoài bằng chất điện môi chiết suất thấp bền môi trường như MgF2, Na3AlF6, CaF2, LiF2 và lớp trong có chiết suất cao bám chắc như ZnO, TiO2, CeF3, ThO2 hoặc hệ ba lớp MgF2 - ZrO2 - CeF3 (Al2O3).

Khung phân tích của luận án kết hợp tác động cơ học và tác động sinh hóa của nấm sợi lên vật liệu kính:

• Tác động cơ học: Đầu sợi nấm phát triển với vận tốc lên tới 10 µm/phút dưới sự điều khiển của thể đỉnh (Spitzenkörper), tạo áp lực thủy tĩnh từ 0,2 đến 10 MPa (tương đương 2 đến 20 lần áp suất khí quyển), xâm lấn vật lý vào các vết nứt tế vi trên bề mặt vật liệu.
• Tác động hóa học: Nấm tiết ra các axít hữu cơ (axít citric, oxalic, itaconic, succinic, formic, gluconic,...) thông qua chu trình TCA hoặc chu trình phụ giải phóng ion H+ trao đổi với các cation trong mạng thủy tinh, đồng thời tạo phức chelate bền vững với các kim loại (Ca, Mg, Fe, Zn, Mn,...), làm suy vỡ cấu trúc mạng silicate. Đồng thời, nấm tiết polysaccharide ngoại bào (EPS) hình thành lớp màng sinh học (biofilm) bao bọc, giữ nước, bám giữ enzym ngoại bào và làm tán xạ ánh sáng, giảm độ truyền quang của kính.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm hỗn hợp, kết hợp kỹ thuật phân tích hình thái vi sinh vật, hóa lý, quang học và sinh học phân tử hiện đại:

• Thu thập mẫu: Lấy mẫu thấu kính bị nhiễm nấm từ ống nhòm ON8x30 tại 08 điểm kho thuộc 4 vùng sinh thái (Bắc, Trung, Nam, khí hậu biển).
• Phân lập và phân loại hình thái: Phân lập nấm trên môi trường thạch chuyên dụng; quan sát đặc điểm khuẩn lạc, cấu trúc sinh bào tử theo phân loại của Hughes (1953).
• Phân loại phân tử: Tách chiết DNA tổng số, thực hiện phản ứng chuỗi trùng hợp (PCR) khuếch đại vùng gen chỉ thị ITS (vùng xen phiên mã nội bộ ITS1 - 5.8S - ITS2), giải trình tự Sanger và xây dựng cây phát sinh chủng loại bằng phần mềm tin sinh học.
• Phương pháp phân tích hóa sinh và hóa lý: Đo mức độ giảm pH dịch nuôi cấy để đánh giá khả năng sinh axít; xác định và định lượng thành phần axít hữu cơ; tách chiết và định lượng polysaccharide ngoại bào (EPS) qua các mốc thời gian; phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để xác định các nhóm chức của EPS.
• Phương pháp phân tích quang học và bề mặt: Đo độ truyền qua ánh sáng trong dải nhìn thấy (bước sóng từ 400 nm đến 700 nm) bằng quang phổ kế tử ngoại - khả kiến (UV-Vis); quan sát hình thái xâm lấn và rỗ bề mặt kính bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM); phân tích thành phần nguyên tố màng kính bằng phổ phân tán năng lượng tia X (EDAX/EDS); đánh giá khả năng gây hại trên kính giả định theo tiêu chuẩn ISO 9022-11.
• Giải trình tự và chú giải hệ gen: Giải trình tự toàn bộ hệ gen (Whole Genome Sequencing) chủng nấm gây hại điển hình Curvularia eragrostidis C52 bằng công nghệ giải trình tự thế hệ mới (NGS); lắp ráp de novo; chú giải chức năng gen bằng các cơ sở dữ liệu quốc tế (SwissProt, KEGG, InterPro, GO, CAZy); so sánh hệ gen thông qua chỉ số đồng nhất nucleotide trung bình (ANI) và chỉ số đồng nhất axít amin (AAI); dự đoán các cụm gen sinh tổng hợp chất chuyển hóa thứ cấp (SM) bằng antiSMASH/SMURF.
• Thử nghiệm kháng nấm: Đánh giá khả năng ức chế phát triển sợi nấm và nảy mầm bào tử của các chất kháng nấm, tập trung khảo sát chế phẩm AI1 ở các dải nồng độ (bao gồm 1 mg/l) và các điều kiện độ ẩm tương đối khác nhau.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa toàn bộ các cơ sở lý luận và y văn liên quan đến đề tài:

• Trình bày đặc tính quang - lý - hóa của vật liệu thủy tinh, thành phần oxit (SiO2 chiếm 75,3%, CaO 11,7%, Na2O 13%) và cấu tạo lớp màng phủ thấu quang đa lớp (5 lớp) trên thấu kính quang học sản xuất tại Việt Nam.
• Mô tả cấu tạo ống nhòm ON8x30, gồm phần thân nhôm và hệ thống thấu kính quang học với các tiêu chuẩn khắt khe về chiết suất ở bước sóng 546,07 nm (dung sai ±2.10⁻⁴), độ tán sắc tại 480 nm và 643,8 nm, độ phân giải quang học từ 1,0 đến 1,5 và hệ số hấp thụ từ 0,4 đến 1,5.
• Phân tích mối liên hệ giữa các thông số khí hậu tại các điểm lấy mẫu: miền Bắc (Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Bắc Giang, Hà Nội với nhiệt độ 19-30°C, độ ẩm 78-93% RH); miền Trung (Nghệ An với biên độ nhiệt ngày đêm tới 10°C); miền Nam (Đồng Nai có nhiệt độ 28-29°C, độ ẩm mùa mưa lên tới 89,1% RH); khí hậu biển (nhiệt độ 20-29°C khi tàu di chuyển từ Hải Phòng đến Vũng Tàu).
• Điểm luận chi tiết về cơ chế nấm sợi ăn mòn kính: tác động áp lực cơ học đầu sợi nấm (0,2 - 10 MPa), quá trình sinh axít hữu cơ hòa tan mạng vô cơ, vai trò của EPS trong việc tạo màng nhầy bám dính và giữ ẩm.
• Tổng kết các công bố về hệ gen nấm sợi, các con đường sinh tổng hợp axít hữu cơ (chu trình TCA, chu trình glyoxylate, tác động của các gen citA, citB, cadA, mttA, mfsA, oah, gen điều hòa laeA) và các gen sinh tổng hợp EPS (như uge3, gtb3, agd3, sph3, fks1, chsA). Đồng thời, chương này tổng quan về các phương pháp ức chế nấm, nhấn mạnh tiềm năng của chất ức chế dạng bay hơi trong bảo quản thiết bị quang học.

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết các đối tượng, hóa chất, thiết bị và quy trình thực nghiệm:

• Vật liệu: Thấu kính ống nhòm ON8x30 bị nhiễm nấm thu thập tại 08 điểm kho bảo quản thuộc 4 vùng sinh thái; kính giả định phục vụ thử nghiệm in vitro; các chủng nấm sợi phân lập được.
• Thiết bị và hóa chất: Kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM, hệ thống quang phổ phát tán năng lượng tia X (EDAX/EDS), máy đo quang phổ hấp thụ UV-Vis, máy quang phổ hồng ngoại FTIR, hệ thống máy giải trình tự gen thế hệ mới. Hóa chất phân tích đạt độ tinh khiết tiêu chuẩn và các chế phẩm diệt nấm thử nghiệm (chế phẩm AI1).
• Phương pháp phân loại: Kết hợp quan sát đặc điểm hình thái khuẩn lạc và cấu trúc sinh sản vô tính theo Hughes (1953) với kỹ thuật tách chiết DNA, phản ứng PCR nhân đoạn ITS và phân tích phát sinh chủng loại.
• Phương pháp đánh giá mức độ gây hại: Đo độ truyền qua của dải ánh sáng nhìn thấy trên thấu kính nhiễm nấm tự nhiên và kính giả định thử nghiệm theo tiêu chuẩn ISO 9022-11; phân loại mức độ gây hại (mức 1, 2, 3 dựa trên Bảng 2.2).
• Phương pháp hóa sinh: Nuôi cấy nấm trong môi trường dịch thể, theo dõi sự sụt giảm giá trị pH; phân tích định tính và định lượng các axít hữu cơ tiết ra; thu nhận, tinh sạch và định lượng EPS sinh tổng hợp theo thời gian lên men.
• Phương pháp giải trình tự và phân tích hệ gen: Quy trình tách chiết DNA hệ gen chất lượng cao của chủng Curvularia eragrostidis C52, giải trình tự NGS, xử lý dữ liệu thô, lắp ráp bộ gen de novo, đánh giá độ hoàn thiện bộ gen bằng BUSCO, chú giải cấu trúc và chức năng gen bằng pipeline sinh tin học; phân tích so sánh hệ gen (ANI, AAI, CAZymes, cụm gen trao đổi chất thứ cấp).
• Phương pháp thử nghiệm ức chế: Khảo sát hoạt tính kháng nấm của các chế phẩm, tập trung vào chế phẩm bay hơi AI1 ở các nồng độ khác nhau và khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm không khí đến hiệu lực ức chế nấm.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được qua các hệ thống bảng biểu và đồ thị:

• Đặc điểm thấu kính và phân lập nấm: Kết quả thu thập tại 08 điểm lấy mẫu (Bảng 3.1) cho thấy thấu kính ống nhòm ON8x30 bị nấm xâm nhiễm lan rộng dạng mạng nhện hoặc đốm mờ, làm suy giảm nghiêm trọng độ truyền ánh sáng trong dải nhìn thấy (giảm từ 10% đến hơn 40% tùy mức độ nhiễm). Phân lập được tập hợp đa dạng các chủng nấm sợi đại diện cho 4 vùng khí hậu:
  • Miền Bắc (4 điểm): phân lập các chủng thuộc các chi Aspergillus, Penicillium, Cladosporium, Curvularia (Bảng 3.2, Bảng 3.3).
  • Miền Trung (Quỳnh Lưu, Thái Hòa): ghi nhận các chủng nấm có mật độ cao, thích nghi với sự chênh lệch nhiệt độ lớn (Bảng 3.4, Bảng 3.5).
  • Miền Nam (Biên Hòa - Đồng Nai): thành phần chủng nấm đặc trưng cho vùng nhiệt đới gió mùa có độ ẩm cao trong mùa mưa (Bảng 3.6, Bảng 3.7).
  • Khí hậu biển (tàu biển đỗ tại An Dương - Hải Phòng): ghi nhận các chủng nấm chịu được độ ẩm cao và nồng độ muối biển (Bảng 3.8, Bảng 3.9).
• Đặc điểm phân loại và đặc tính gây hại: Định danh phân tử qua trình tự gen ITS và xây dựng cây phát sinh chủng loại cho từng vùng (Hình 3.7 đến 3.10). Đánh giá khả năng sinh axít hữu cơ cho thấy nhiều chủng làm giảm sâu giá trị pH của môi trường nuôi cấy (Bảng 3.10, Hình 3.11). Thử nghiệm gây hại trên kính giả định theo tiêu chuẩn ISO 9022-11 xác định được các chủng gây hại mạnh ở Mức 3 (Bảng 3.11, Bảng 3.12, Hình 3.13). Ảnh chụp SEM (Hình 3.12) sau 28 ngày thử nghiệm với Aspergillus tubingensis 17 ghi nhận sự ăn mòn, tạo hố rỗ rõ rệt trên bề mặt kính, làm suy giảm độ truyền quang (Hình 3.14).
• Giải mã hệ gen chủng Curvularia eragrostidis C52: Chủng nấm sợi C52 có khả năng gây hại kính mạnh được lựa chọn để giải mã toàn bộ hệ gen (Hình 3.15, 3.16). Kết quả lắp ráp và chú giải (Bảng 3.14) xác định kích thước bộ gen, số lượng gen mã hóa và hàm lượng GC. Phân tích cây phát sinh chủng loại và hệ gen so sánh qua chỉ số ANI, AAI khẳng định vị trí phân loại của chủng C52 trong chi Curvularia (Hình 3.17). Phân tích con đường sinh tổng hợp axít hữu cơ (Bảng 3.15, 3.16, 3.17, Hình 3.18, 3.19) đã định danh các gen mã hóa enzyme chức năng xúc tác sinh tổng hợp axít citric, oxalic và các axít hữu cơ khác. Phân tích dự đoán gen liên quan đến sinh tổng hợp polysaccharide ngoại bào (Bảng 3.18, Hình 3.20, 3.21) đã xác định các cụm gen tham gia tạo màng EPS của chủng C52.
• Thử nghiệm ức chế nấm sợi: Sàng lọc các chế phẩm diệt nấm (Bảng 3.19, Hình 3.22) cho thấy chế phẩm AI1 có hiệu lực kháng nấm vượt trội. Thử nghiệm nồng độ khác nhau của AI1 (Bảng 3.20) và đánh giá ảnh hưởng của độ ẩm (Bảng 3.21) chứng minh rằng ở nồng độ 1 mg/l, AI1 duy trì khả năng ức chế hoàn toàn sự phát triển sợi nấm và nảy mầm bào tử của các chủng nấm thử nghiệm trong các điều kiện độ ẩm khảo sát.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

Luận án đã công bố các kết quả khoa học mới được tóm lược trong phần mở đầu và kết luận:

• Là công trình nghiên cứu đầu tiên có tính hệ thống về đặc điểm phân bố, phân loại và đặc tính gây hại của các chủng nấm sợi xâm nhiễm trên thấu kính ống nhòm quang học ON8x30 tại các vùng sinh thái đại diện của Việt Nam.
• Cung cấp tập dữ liệu toàn diện về đặc tính di truyền hệ gen của chủng nấm sợi gây hại đại diện Curvularia eragrostidis C52 phân lập từ thấu kính ống nhòm; xác định và chú giải các gen/cụm gen liên quan trực tiếp đến con đường sinh tổng hợp axít hữu cơ và polysaccharide ngoại bào (EPS).
• Đánh giá thực nghiệm hiệu quả kháng nấm của chế phẩm diệt nấm dạng bay hơi AI1, chứng minh khả năng ức chế sinh trưởng của các chủng nấm sợi đại diện gây hại thấu kính ống nhòm ở nồng độ 1 mg/l.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

• Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu vi sinh vật học và hệ gen học chính xác về mức độ gây hại, thành phần loài và cơ chế di truyền của nấm sợi ăn mòn thủy tinh quang học trong điều kiện nhiệt đới. Đây là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về cơ chế sinh học phân tử trong quá trình tương tác giữa nấm sợi và vật liệu vô cơ.
• Ý nghĩa thực tiễn: Luận án xác định được các nhóm nấm sợi gây hại nguy hiểm nhất trên thấu kính ống nhòm, làm cơ sở khoa học để thiết lập quy trình bảo quản, bảo dưỡng khí tài quan sát. Thử nghiệm thành công chế phẩm AI1 mở ra hướng ứng dụng chất ức chế nấm dạng bay hơi nhằm ngăn ngừa nấm mốc phát triển, hạn chế hư hỏng thấu kính và tiết kiệm kinh phí sửa chữa, thay thế quang cụ cho ống nhòm ON8x30 tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Nghiên cứu tập trung vào đối tượng thấu kính của chủng loại ống nhòm ON8x30 do Việt Nam sản xuất; chưa mở rộng khảo sát trên các dòng thiết bị quang học có thành phần thủy tinh và công nghệ màng phủ đa lớp khác (kính hiển vi, kính trắc địa, kính thiên văn).
• Việc giải trình tự toàn bộ hệ gen và phân tích sâu các con đường chuyển hóa vật chất mới chỉ được thực hiện trên 01 chủng đại diện (Curvularia eragrostidis C52); các chủng nấm gây hại mạnh khác thuộc các chi Aspergillus hay Penicillium mới dừng lại ở phân loại phân tử qua chỉ thị gen ITS và thử nghiệm sinh hóa bề mặt.
• Các thử nghiệm kháng nấm với chế phẩm AI1 chủ yếu tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm (in vitro) trên các mẫu kính giả định và môi trường kiểm soát, chưa có dữ liệu theo dõi thực tế dài ngày tại các kho bảo quản vũ khí trang bị đang niêm cất.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Mở rộng phạm vi đánh giá mức độ phá hủy sinh học trên các hệ thấu kính quang học khác đang sử dụng tại Việt Nam.
• Ứng dụng kỹ thuật chỉnh sửa gen hoặc bất hoạt gen (gene knockout) để kiểm chứng chức năng chính xác của các gen ứng viên tham gia con đường tiết axít hữu cơ và tổng hợp EPS đã được chú giải trên hệ gen Curvularia eragrostidis C52.
• Nghiên cứu hoàn thiện dạng đóng gói, quy trình ứng dụng chế phẩm bay hơi AI1 vào thực tế niêm cất, bảo quản ống nhòm ON8x30 tại các nhà kho quân sự và dân dụng.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với nhiều nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên chuyên ngành Vi sinh vật học và Công nghệ sinh học: Cung cấp phương pháp luận chuẩn mực về kết hợp kỹ thuật phân lập truyền thống, đánh giá phá hủy vật liệu vô cơ với công nghệ giải mã hệ gen (NGS) và tin sinh học trong chú giải gen chuyển hóa thứ cấp.
• Cán bộ nghiên cứu Vật liệu học và Quang học: Tham khảo phương pháp đánh giá suy giảm quang học (độ truyền qua UV-Vis), phân tích biến đổi cấu trúc tế vi bề mặt bằng SEM và phân tích nguyên tố màng kính bằng EDAX.
• Kỹ sư kỹ thuật quân khí và cán bộ quản lý trang thiết bị quang học: Cung cấp dữ liệu thực tế về các điểm kho có nguy cơ nhiễm nấm cao, đặc điểm hư hỏng của ống nhòm ON8x30, đồng thời gợi ý giải pháp bảo quản bằng hoạt chất ức chế dạng bay hơi AI1 nhằm thay thế các biện pháp lau chùi cơ học dễ gây xước màng mạ.

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần vật liệu thấu kính và lớp màng phủ chống phản xạ của ống nhòm ON8x30 tại Việt Nam có đặc điểm gì?
Vật liệu thấu kính là thủy tinh vô cơ với thành phần oxit gồm SiO2 (khoảng 75,3%), CaO (khoảng 11,7%), Na2O (khoảng 13%) cùng một số phụ gia. Thấu kính sản xuất tại Việt Nam được phủ màng chống phản xạ đa lớp (5 lớp). Lớp ngoài là các chất điện môi chiết suất thấp bền môi trường (MgF2, Na3AlF6, CaF2, LiF2), lớp trong là chất điện môi chiết suất cao bám dính tốt (ZnO, TiO2, CeF3, ThO2) hoặc màng ba lớp chống phản xạ MgF2 - ZrO2 - CeF3 (Al2O3).

2. Quá trình nấm sợi gây suy giảm đặc tính quang và ăn mòn bề mặt thấu kính diễn ra theo những cơ chế nào?
Quá trình này kết hợp giữa tác động cơ học và tác động hóa học. Cơ học: đầu sợi nấm sinh trưởng với tốc độ 10 µm/phút, tạo áp lực thủy tĩnh từ 0,2 đến 10 MPa làm nứt vỡ bề mặt kính. Hóa học: nấm tiết các axít hữu cơ (citric, oxalic, itaconic, succinic, formic...) phân ly giải phóng ion H+ hòa tan oxit kim loại kiềm/kiềm thổ và tạo phức chelate bền vững với Ca, Mg, Fe, Mn, làm phá hủy cấu trúc mạng silicate. Đồng thời, nấm tiết polysaccharide ngoại bào (EPS) hình thành màng sinh học làm tán xạ và suy giảm độ truyền ánh sáng trong dải nhìn thấy.

3. Chủng nấm nào được lựa chọn để giải mã toàn bộ hệ gen và kết quả chú giải tập trung vào những nhóm gen nào?
Chủng Curvularia eragrostidis C52 được lựa chọn để giải trình tự toàn bộ hệ gen bằng công nghệ NGS do có khả năng sinh trưởng mạnh và gây hại bề mặt kính ở mức độ cao (Mức 3). Kết quả chú giải tập trung vào hai nhóm gen chính: các gen mã hóa enzyme chức năng tham gia con đường sinh tổng hợp axít hữu cơ (như citrate synthase, aconitase, oxaloacetase) và các gen chịu trách nhiệm sinh tổng hợp, biến đổi polysaccharide ngoại bào (EPS) liên quan đến hình thành màng sinh học.

4. Mẫu thấu kính ống nhòm ON8x30 được thu thập tại những vùng địa lý và điều kiện khí hậu nào?
Mẫu được lấy tại 08 điểm kho thuộc 4 khu vực khí hậu: miền Bắc (Xuân Mai - Hà Nội, Mê Linh - Vĩnh Phúc, Thanh Ba - Phú Thọ, Lục Ngạn - Bắc Giang với 4 mùa, nhiệt độ 19-30°C, ẩm độ 78-93% RH); miền Trung (Quỳnh Lưu và Thái Hòa - Nghệ An với biên độ nhiệt ngày đêm tới 10°C); miền Nam (Biên Hòa - Đồng Nai với nhiệt độ 28-29°C, ẩm độ mùa mưa đạt 89,1% RH); và môi trường khí hậu biển (ống nhòm trang bị trên tàu biển di chuyển định kỳ dọc tuyến Hải Phòng - Vũng Tàu, đỗ tại An Dương - Hải Phòng).

5. Hiệu quả kháng nấm của chế phẩm AI1 được ghi nhận như thế nào trong các thử nghiệm thực nghiệm?
Trong các thử nghiệm ức chế nấm sợi in vitro, chế phẩm dạng bay hơi AI1 thể hiện hoạt tính kháng nấm cao nhất trong số các chế phẩm được khảo sát. Tại nồng độ 1 mg/l, AI1 có khả năng ức chế hoàn toàn sự phát triển hệ sợi và nảy mầm bào tử của các chủng nấm sợi đại diện gây hại thấu kính, đồng thời duy trì hiệu lực ổn định dưới các điều kiện độ ẩm môi trường khác nhau.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Ngô Cao Cường là công trình nghiên cứu thực nghiệm có hệ thống, giải quyết trọn vẹn vấn đề suy thoái sinh học do nấm sợi gây ra trên thấu kính ống nhòm quang học ON8x30 tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp các phương pháp vi sinh vật học cổ điển, phân tích quang - lý - hóa bề mặt và công nghệ giải mã hệ gen thế hệ mới, luận án đã làm rõ cơ cấu thành phần loài nấm sợi, cơ chế ăn mòn thấu kính thông qua sinh tổng hợp axít hữu cơ và polysaccharide ngoại bào của chủng đại diện Curvularia eragrostidis C52. Đồng thời, nghiên cứu đã chứng minh hiệu lực ức chế nấm sợi thực tế của chế phẩm bay hơi AI1 ở nồng độ 1 mg/l, mang lại giải pháp kỹ thuật có giá trị ứng dụng cao cho công tác niêm cất và bảo quản trang thiết bị quang học trong điều kiện khí hậu nóng ẩm nhiệt đới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Việt Nam có khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm mưa nhiều nên tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật nói chung và nấm sợi gây hại trên bề mặt vật liệu nói riêng. Đối với các hệ thống thiết bị, nhà cửa sử dụng các vật liệu vô cơ như kim loại, đá, kính., sự phát triển của hệ sợi nấm trên bề mặt vật liệu đã làm ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kỹ thuật của chi tiết cấu thành chất lượng thiết bị và của công trình xây dựng. Hiện nay, trên thế giới chưa có nhiều nghiên cứu về đặc điểm của nấm sợi trên bề mặt vật liệu kính của thiết bị quan sát như ống nhòm, kính hiển vi, kính thiên văn, kính trên ô tô, máy bay, … Theo cấu trúc vật liệu kính, thành phần cấu tạo nên vật liệu thủy tinh sản xuất kính và tính chất vật lý không thuận lợi cho sự sinh trưởng của vi sinh vật, trong đó có nấm sợi. Tuy nhiên, thực tế vẫn thấy sự có mặt của vi sinh vật trên bề mặt kính, gây hư hại đối với vật liệu, đặc tính quan sát của kính và giảm giá trị sử dụng của thiết bị quan học.

Đối với các nghiên cứu trên kính của nhà thờ, nhà ở dân dụng, di sản văn hóa, kính mắt, có nhiều nấm sợi được tìm thấy trên vật liệu kính thuộc chi Aspergillus, Cladosporium, Phoma, Labyrinthula, Penicillium, Fusarium, Hortaea, Curvularia, Trichoderma, Stemphylium. Sự phát triển của nấm sợi có tác động đến cấu trúc và bề mặt vật liệu kính. Các sợi nấm có xu hướng bám dọc theo bề mặt và đi sâu vào bên trong vật liệu, trong đó các sản phẩm trao đổi chất như axít hữu cơ (phá hỏng bề mặt kính), polysaccharide ngoại bào (EPS) giúp nấm sợi bám dính, tạo màng sinh học, gây mờ kính. được xác định là tác nhân gây làm giảm độ truyền qua ánh sáng thấu kính.

Các axít hữu cơ sinh ra trong quá trình sinh trưởng của nấm tạo phức với kim loại trên bề mặt vật liệu kính và gián tiếp làm hỏng bề mặt vật liệu. Ngoài ra, khả năng sinh EPS của nấm sợi gây ảnh hưởng đến đặc tính quang của kính, hỗ trợ cho các nhóm nấm sợi cơ hội phát triển, làm tăng khả năng gây hại cho vật liệu kính của nấm sợi. Do vậy, khả năng sinh EPS và axít hữu cơ là vấn đề các nghiên cứu cần quan tâm khi đánh giá mức gây hại của nấm sợi với thấu kính. Ngoài nghiên cứu đặc tính hình thái, đặc tính gây hại trên bề mặt kính của nấm sợi, một số nghiên cứu gần đây đã nghiên cứu sâu hơn về một số gen liên quan đến sinh tổng hợp axít hữu cơ, EPS.

Các phương pháp giải trình tự gen thế hệ mới (Next Generation of Sequencing, NGS) cũng giúp các nhà khoa học hiểu sâu hơn về đặc tính di truyền của nấm sợi phân lập từ các môi trường sống khác nhau, cung cấp dữ liệu về 2 sự tiến hóa của nấm. Các nghiên cứu về hệ gen nấm sợi tập trung vào một số nội dung như lắp ráp, chú giải hệ gen/cụm gen liên quan đến sinh tổng hợp các hợp chất được quan tâm. Thông qua phân tích hệ gen nấm sợi, các nghiên cứu gần đây dự đoán có trên 25.000 cụm gen mã hóa sinh tổng hợp các chất thứ cấp trong hai chi nấm phổ biến là Aspergillus và Penicillium. Ngoài ra, các gen liên quan đến sinh tổng hợp axít hữu cơ, EPS liên quan đến tạo màng sinh học đã được phát hiện có liên quan đến quá trình tạo màng sinh học để nấm sợi phát triển trong các điều kiện bất lợi, thiếu hụt dinh dưỡng.

Trên thế giới, nghiên cứu, chú giải và dự đoán cụm gen liên quan đến các yếu tố gây hại vật liệu và thấu kính của nấm sợi chưa được thực hiện và công bố. Hiện nay, một số biện pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng nấm sợi đến vật liệu được chia thành các nhóm như: hóa học, lý học và kiểm soát điều kiện vi khí hậu đang được thực hiện và sử dụng các chất ức chế nấm tùy thuộc vào điều kiện khí hậu, chủng loại nấm gây hại. Do đó biện pháp khuyến cáo để ngăn ngừa nấm là làm sạch bề mặt thường xuyên và kiểm soát thông số nhiệt ẩm. Ngoài ra, sử dụng các tác nhân vật lý, hóa học trong ức chế nấm gây hại cũng đang được sử dụng.

Các biện pháp khuyến cáo trên cơ bản có tác dụng trong hạn chế hay ức chế sự phát triển của nấm sợi. Tuy nhiên, việc áp dụng đối với một loại vật liệu hay một thiết bị đặc thù như thiết bị quan sát cần có những nghiên cứu sâu để lựa chọn phương pháp cũng như chất chống nấm phù hợp không làm ảnh hưởng đến đặc tính quang cũng như tính năng thiết bị. Trong số các thiết bị quan sát phổ dụng ở Việt Nam, chủng loại ống nhòm ON8x30 được sử dụng trong nhiều lĩnh vực (du lịch, khoa học,. Số lượng ước tính khoảng 1.000 chiếc và sử dụng rộng khắp Việt Nam.

Trong quá trình sử dụng và bảo quản bào tử nấm xâm nhập và phát triển trên thấu kính ống nhòm dẫn đến giảm tính năng quan sát của thiết bị, hư hỏng thấu kính. Cho đến nay chưa nghiên cứu nào mang tính hệ thống về sự ảnh hưởng của nấm sợi đến thấu kính của ống nhòm ON8x30 và các đặc điểm sinh học của các chủng nấm gây hại tới thấu kính. Xuất phát từ những luận giải trên, Luận án được thực hiện với đề tài: “Nghiên cứu đặc điểm sinh học của một số chủng nấm sợi gây hại trên thấu kính ống nhòm tại Việt Nam” nhằm đánh giá và giải đáp các vấn đề nghiên cứu liên quan đến nấm gây hại trên thấu kính của ống nhòm ON8x30 tại Việt Nam. 3 MỤC TIÊU Phân lập, đánh giá được đặc điểm sinh học, đặc tính gây hại của các chủng nấm sợi trên thấu kính của ống nhòm ON8x30 thu thập tại Việt Nam.

Xác định được đặc tính di truyền hệ gen, gen/cụm gen liên quan đến đặc tính gây hại kính của 01 chủng nấm sợi và thử nghiệm sàng lọc chất ức chế nấm trên một số chủng gây hại đại diện. Nghiên cứu đặc điểm thấu kính bị gây hại và phân lập các chủng nấm sợi trên thấu kính ống nhòm ON8x30. Đánh giá phân bố và đặc điểm hình thái của nấm sợi gây hại trên thấu kính của ống nhòm ON8x30 3. Nghiên cứu đặc điểm phân loại và đặc tính gây hại của các chủng nấm sợi phân lập từ thấu kính 4.

Giải trình tự hệ gen và phân tích đặc tính di truyền liên quan đến khả năng gây hại trên thấu kính của chủng nấm sợi gây hại đại diện. Thử nghiệm khả năng kháng nấm sợi gây hại điển hình trên thấu kính ống nhòm của một số chế phẩm diệt nấm. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Luận án nghiên cứu nấm sợi gây hại trên thấu kính ống nhòm ON8x30 (sản xuất tại Việt Nam) thu thập tại các kho bảo quản tại 04 khu vực lấy mẫu ở miền Bắc, miền Trung, miền Nam và trên tàu biển (thường xuyên di chuyển dọc bờ biển Việt Nam từ Hải Phòng đến Vũng Tàu và thường đỗ tại An Dương, Hải Phòng). NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CHO LUẬN ÁN - Luận án là công trình nghiên cứu đầu tiên có tính hệ thống về phân bố, phân loại, đặc tính gây hại của các chủng nấm sợi trên thấu kính ống nhòm.

- Cung cấp dữ liêu về đặc tính di truyền hệ gen của chủng Curvularia eragrostidis C52 gây hại đại diện trên thấu kính ống nhòm và các gen/cụm gen có liên quan đến đặc tính sinh axit hữu cơ và polysaccharide ngoại bào. - Đánh giá được hiệu quả của chế phẩm AI1 gây ức chế sinh trưởng của các chủng nấm sợi đại diện gây hại trên thấu kính ống nhòm. 4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN - Ý nghĩa khoa học: Luận án giúp cung cấp dữ liệu khoa học về mức độ gây hại, phân loại và đặc tính di truyền của nấm gây hại trên thấu kính của ống nhòm ON8x30. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu sâu hơn về cơ chế gây hại, sử dụng chế phẩm ức chế nấm gây hại trên bề mặt thấu kính của ống nhòm.

- Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đánh giá được các nhóm nấm đại diện gây hại trên bề mặt thấu kính và ứng dụng thử nghiệm để tìm ra chất AI1 dùng để ức chế nấm gây hại hiệu quả. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu hỗ trợ nghiên cứu phát triển chế phẩm phòng chống nấm sợi cho ống nhòm ON8x30 trong điều kiện Việt Nam, hạn chế sự hỏng hóc của thấu kính do nấm và tiết kiệm chi phí cho bảo dưỡng, thay thế đối với các thấu kính của ống nhòm ON8x30. Nấm sợi gây hại trên kính và quá trình phát triển 1. Vật liệu kính, thành phần và đặc tính Thủy tinh là một chất rắn vô định hình có cấu trúc đồng nhất, thành phần SiO2 chiếm khoảng 75,3%; CaO khoảng 11,7%; Na2O khoảng 13%; có tạp chất và các chất phụ gia khác để thay đổi tính chất theo yêu cầu.

Thủy tinh là một chất trong suốt, tương đối cứng, trơ hóa học, có thể chế tạo thành với bề mặt rất nhẵn và trơn [1]. Ngoài ra, các vật liệu quang lớp mạ chống phản xạ (mạ thấu quang) có thể dùng đơn lớp hoặc đa lớp. Thấu kính đang sản xuất ở Việt Nam sử dụng 5 lớp. Vật liệu sử dụng để tạo màng thường là các chất điện môi chiết suất thấp bền với môi trường như: MgF2, Na3AlF6, CaF2, LiF2, … ở lớp ngoài.

Lớp trong thường là chất điện môi có chiết suất cao, có độ bám tốt với bề mặt thủy tinh như ZnO, TiO2, CeF3, ThO2, … ngoài ra có một lớp chống phản xạ ba lớp thường là MgF 2 - ZrO2 - CeF3 (Al2O3) [2]. Nhiều nghiên cứu cho rằng khả năng sinh trưởng và phá hủy vật liệu thủy tinh của nấm sợi xuất phát từ đặc tính sinh axít của chúng. Nấm sợi hòa tan khoáng chất và kim loại bằng cách tiết ra các axít hữu cơ, chất tạo phức chelate và siderophore, … ở đầu sợi nấm [3-5]. Gadd cho rằng nấm hòa tan khoáng chất chủ yếu do tạo axít hữu cơ và tạo phức [3].

Quá trình hòa tan kim loại từ bề mặt chất khoáng và vật liệu vô cơ thường là sự kết hợp của 2 cơ chế phân giải axít và tạo phức, ion kim loại tách bề mặt vật liệu và hòa tan vào dung dịch bằng phân ly axít, sau đó tạo phức bền với các chelate có trong dung dịch [4].