MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, dịch bệnh nguy hiểm đã xuất hiện ở nhiều nơi trên thế giới. Bên cạnh những mối nguy do dịch bệnh bùng phát, con người cũng đang và sẽ phải ứng phó với các vi khuẩn cổ đại hồi sinh do băng vĩnh cửu tan chảy. Để điều trị bệnh cho người bệnh, tất cả các phác đồ điều trị được đưa ra đều cẩn phải sử dụng đến kháng sinh. Tuy nhiên, một bộ phận người dân đã không thực hiện theo chỉ dẫn của bác sĩ mà tự ý kê đơn để điều trị, dẫn tới hiện tượng nhờn thuốc và kháng thuốc của nhiều loài vi khuẩn.
Do vậy, các loại thuốc kháng sinh có phổ tác động rộng, tiêu diệt được nhiều loài vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt là vi khuẩn kháng thuốc đã được nghiên cứu, sản xuất và sử dụng. Một trong các loại kháng sinh hiệu quả đó là Ciprofloxacine. Ciprofloxacine thuộc nhóm kháng sinh quinolon, được sử dụng để điều trị nhiễm khuẩn nặng. Cũng vì lý do này mà ciprofloxacine đã được phát tán ra môi trường nước, gây ô nhiễm môi trường, thậm chí có thể giúp vi khuẩn trong môi trường quen với kháng sinh ciprofloxacine và dẫn đến hiện tượng nhờn thuốc, kháng thuốc.
Nhiệm vụ đặt ra cho chúng ta là phải tìm kiếm những phương pháp, thiết bị, vật liệu mới mà có thể xử lý hiệu quả sự ô nhiễm môi trường nước bởi loại kháng sinh ciprofloxacine. Trong những năm gần đây, các vật liệu hydrotalcite MgAlCO3 và ZnAlCO3 đã được nhiều nhà khoa học trong và nước quan tâm nghiên cứu bởi vì chúng có nhiều ưu điểm và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: xúc tác, hấp phụ, xử lý môi trường, hóa dược, tổng hợp hữu cơ. Trong số các vật liệu này, các vật liệu hydrotalcite biến tính bởi các ion kim loại chuyển tiếp (Fe, Ni, Cu, Co,.) đã được tổng hợp và nghiên cứu. Kết quả thu được cho thấy các mẫu vật liệu hydroxide lớp kép, hydrotalcite và vật liệu giống hydrotalcite đã được tổng hợp thành công và ứng dụng làm các vật liệu hấp phụ, xúc tác để xử lý các hợp chất hữu cơ bền vững cho hiệu xuất phân hủy cao, vật liệu tổng hợp thu được có khả năng xúc tác phân hủy rất tốt đối với các chất hữu cơ bền vững, độc hại trong môi trường nước.
Với những lí do ở trên, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ, phân hủy quang hóa Ciprofloxacine trong môi trường nước trên các mẫu vật liệu hydrotalcite biến tính đồng thời bằng ion Cu2+ và Co2+”. 1 Trong khuôn khổ của đề tài luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu một số vấn đề sau: Tổng hợp được các mẫu vật liệu hydrotalcite MgAlCO3 biến tính bởi Co2+, Cu2+ và một số vật liệu biến tính đồng thời Co2+, Cu2+. Xác định được đặc trưng cấu trúc của các vật liệu tổng hợp. Xác định được khả năng hấp phụ Ciprofloxacine của các vật liệu tổng hợp.
Xác định được các điều kiện tối ưu cho quá trình phân hủy quang hóa Ciprofloxacine của các vật liệu tổng hợp. Xác định được khả năng hấp phụ và hoạt tính quang xúc tác của các vật liệu tổng hợp dưới ánh sáng khả kiến trong phản ứng phân hủy Ciprofloxacine. Nghiên cứu khả năng khoáng hóa và tái sử dụng của vật liệu 2 Chƣơng 1. Tổng quan về Ciprofloxacine 1.
Cấu tạo và tính chất Ciprofloxacine: “1-cyclopropyl-6-fluoro-1,4-dihydro-4 - oxo-7-(piperazinyl) quinolon-3-carboxylic acid”[29] (CIP) “là thế hệ thuốc kháng sinh fluoroquinolone thứ 2, nó có phổ kháng khuẩn khá rộng[15],[31]”. Ciprofloxacine đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1980 và được giới thiệu vào năm 1987 [32]. Nó nằm trong danh sách Thuốc thiết yếu của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) [42],[44]. Theo WHO, ciprofloxacine là thuốc cực kỳ quan trọng đối với y học con người [43].
Nó có sẵn dưới dạng thuốc thông thường [20]. Vào năm 2020, đây là loại thuốc được kê đơn phổ biến thứ 132 tại Hoa Kỳ, với hơn 4 triệu đơn thuốc. "CIP tác động vào vi khuẩn bằng hoạt tính diệt khuẩn chống lại cả vi khuẩn gram dương và gram âm. Với khả năng diệt khuẩn tốt nên Ciprofloxacine thường được sử dụng để điều trị nhiều loại bệnh nhiễm trùng, bao gồm nhiễm trùng xương và khớp, viêm nội tâm mạc , viêm dạ dày ruột, viêm tai ngoài ác tính, nhiễm trùng đường hô hấp, viêm mô tế bào, nhiễm trùng đường tiết niệu, viêm tuyến tiền liệt, bệnh than và hạ cam" [12].
"Hiệu quả diệt khuẩn của CIP phụ thuộc vào kết quả của việc tác động để làm chậm hoạt động của các enzyme tham gia vào quá trình sao chép ADN của vi khuẩn" [23]. Thuốc được sử dụng bằng đường tiêm hay uống đều có tác dụng như nhau, tuy nhiên sử dụng thuốc uống sẽ thuận lợi và dễ dàng hơn. Bên cạnh đó, khi kết hợp với các nhóm kháng sinh khác (như betalactam, aminozid) sẽ cho kết quả tốt (ví dụ như với azocillin). Hiện nay ciprofloxacine đang xảy ra tình trạng kháng thuốc do trước đây kháng sinh này bị lạm dụng quá nhiều.
Công thức phân tử: C17H18FN3O3 Khối lượng mol phân tử : 331,346 g/mol. Công thức cấu tạo của CIP: 3 Hình 1. Công thức cấu tạo - Mô Hình phân tử Ciprofloxacine “Ciprofloxacine có hai giá trị pKa là 6,0 và 8,8”[10]. “Trong dung dịch khi pH < 6,0 Ciprofloxacine tồn tại ở dạng cation, khi pH có giá trị từ 6,0 đến 8,8 Ciprofloxacine tồn tại ở dạng lưỡng cực và khi pH > 8,8 Ciprofloxacine tồn tại ở dạng anion”[2].
Độc tính của Ciprofloxacine “Ciprofloxacine làm thương tổn và ảnh hưởng đến sự phát triển sụn và khớp chịu lực của động vật non nên có thể gây hại cho sự phát triển xương khớp của thai nhi và trẻ em tuổi trưởng thành. Gây đau cơ, viêm dây thần kinh, đặc biệt là các dây chằng, nghiêm trọng nhất là làm đứt gót chân Achill. Hay gặp ở người già vì dây chằng vốn bị suy yếu. Ảnh hưởng không tốt đến thần kinh gây nhức đầu, mệt mỏi, mất ngủ, kích động, run rẩy.
Hiếm gặp hơn là gây co giật, lo âu, trầm cảm, ác mộng, ảo giác hoặc xuất hiện trạng thái tâm thần. Người có tiền sử bệnh tâm thần dễ gặp các hiện tượng này”[50]. “Cũng như các kháng sinh phổ rộng khác, việc lạm dùng liều cao làm cho ciprofloxacine tiêu diệt hết các vi khuẩn có lợi, gây mất cân bằng sinh thái vi khuẩn trong cơ thể. Trong thực tế, sau khi dùng một liều mạnh ciprofloxacine điều trị khỏi nhiễm khuẩn hô hấp, trẻ có thể bị tiêu chảy do rối loạn vi khuẩn đường ruột.
Người có cơ địa dị ứng dễ bị tai biến này. Trong vài năm gần đây, ngoài việc xác nhận những độc tính này, các nhà y học còn thấy ciprofloxacine gây hại cho gan và thận”[49]. Ciprofloxacine được dùng quá rộng rãi hơn 40 năm nay (kể từ 1980). Nếu việc ức chế enzym gyrase làm cho ciprofloxacine có phổ kháng khuẩn rộng thì việc dùng tràn lan cũng làm xuất hiện các cơ chế kháng thuốc mới.
Hiện có nhiều trường hợp vi khuẩn kháng lại ciprofloxacine và buộc lòng phải thay ciprofloxacine bằng các fluoroquinolon mới hơn (như gatifloxacine). Tình hình ô nhiễm nƣớc thải bởi Ciprofloxacine Theo nghiên cứu được công bố tại một “Hội thảo về môi trường diễn ra tại Helsinki (Phần Lan) vào ngày 27/5/2019, cácnhà khoa học đã lấy mẫu nước tại 711 địa điểm ở 72 quốc gia và phát hiện sự tồn dư của một hoặc nhiều loại kháng sinh trong 2/3 số mẫu nước trên. Kháng sinh ciprofloxacine được sử dụng để điều trị nhiễm trùng ruột và đường tiết niệu, được ghi nhận vượt ngưỡng an toàn tại 51 trong tổng số địa điểm được xét nghiệm. Dù được xem là một trong những con sông trong sạch nhất châu Âu, song sông Thames của Anh cũng bị nhiễm tới 5 loại kháng sinh.
Mẫu nước trên con sông này chưa chất Ciprofloxacine có nồng độ cao gấp 3 lần cho phép”[48]. “Trong khi đó, sông ngòi ở các nước đang phát triển thường được ghi nhận có nồng độ kháng sinh cao hơn, đặc biệt tại châu Á và châu Phi. Các nước có sông ngòi bị ô nhiễm kháng sinh nặng nhất là Bangladesh, Kenya, Ghana, Pakistan và Nigeria. Tại một địa điểm ở Bangladesh, nồng độ thuốc kháng sinh Metrodinazole ở trong nước sông được ghi nhận cao hơn 300 lần ngưỡng an toàn”[48].
“Ông Alistair Boxall - nhà khoa học thuộc Viện Môi trường Bền vững York (Anh)- đồng thời là đồng tác giả nghiên cứu nhận định những kết quả trên là đáng lo ngại khi phản ánh một thực trạng ô nhiễm kháng sinh đang diễn ra đối với hệ thống sông ngòi trên khắp thế giới. Sự hiện diện tràn lan của thuốc kháng sinh không chỉ ảnh hưởng tới cuộc sống hoang dã, mà còn có thể tăng nguy cơ nhờn kháng sinh”[48]. "Việc xử lý nước thải và chất thải không hợp lý rồi đổ th ng xuống sông, như được phát hiện tại một địa điểm ở Kenya, cũng dẫn tới nồng độ kháng sinh cao gấp 100 lần mức an toàn"[48]. "Bà Helen Hamilton, chuyên gia phân tích y tế và vệ sinh thuộc tổ chức WaterAid có trụ sở ở Anh, cho rằng việc nâng cao khả năng quản lý an toàn các dịch vụ y tế và vệ sinh ở các nước đang phát triển đóng vai trò quan trọng trong cuộc chiến chống thảm họa kháng kháng sinh”[48].
“Kể từ khi nhà khoa học Alexander Fleming phát hiện penicillin vào đầu những năm 20 của thế kỷ trước, kháng sinh đã có vai trò hết sức quan trọng trong y học. Nhờ có kháng sinh mà nhiều căn bệnh nhiễm khuẩn như viêm phổi hay viêm màng não được điều trị hiệu quả và các phẫu thuật có thể được thực hiện vì ngăn ngừa được tình trạng nhiễm trùng. Vì vậy, hàng trăm triệu người trên thế giới đã được cứu sống”[48]. 5 "Tuy nhiên, hiện nay, tình trạng kháng kháng sinh đang trở thành cơn ác mộng của nhân loại.
Việc lạm dụng thuốc kháng sinh và sử dụng sai thuốc kháng sinh không tuân theo chỉ định là hai nguyên nhân gây ra tình trạng vi khuẩn kháng thuốc. Tuy nhiên, tình trạng ô nhiễm kháng sinh trong môi trường cũng được xem là một trong những nguyên nhân chính làm gia tăng tình trạng kháng kháng sinh. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã cảnh báo thế giới đang cạn kiệt nguồn kháng sinh, đồng thời kêu gọi ngành bào chế dược phẩm và các chính phủ nhanh chóng phát triển các loại kháng sinh thế hệ mới để có thể đối phó với tình trạng kháng kháng sinh đang gia tăng nhanh chóng của các loại vi khuẩn" [48]. Giới thiệu vật liệu Mg-Al-hydrotalcite 1.
Hydrotalcite (HT) "Hydrotalcite là hỗn hợp hydroxit của kim loại hóa trị II và hóa trị III, là khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp. Công thức chính xác đầu tiên của hydrotalcite là Mg6Al2(OH)16CO3.4H2O và các dạng đồng Hình khác được E.