Luận văn tổng hợp nano cu2o cu alginate và khảo sát khả năng kháng nấm neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long

Tài liệu nghiên cứu Luận văn tổng hợp nano cu2o cu alginate và khảo sát khả năng kháng nấm neoscytalidium dimidiatum, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Nguyễn Duy Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Duy Du
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Tổng hợp nano Cu2O-Cu/Alginate và khảo sát khả năng kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. VẬT LIỆU NANO ĐỒNG, NANO OXIT ĐỒNG VÀ HIỆU ỨNG KHÁNG VI SINH VẬT GÂY BỆNH THỰC VẬT
• 1.2. RONG NÂU VÀ ỨNG DỤNG CỦA AXIT ALGINIC TRONG RONG NÂU LÀM CHẤT ĐIỀU HÒA SINH TRƯỞNG THỰC VẬT VÀ ỔN ĐỊNH DUNG DỊCH KEO NANO
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.4.1. Phương pháp tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate
• 2.4.2. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.4.3. Phương pháp đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.4.4. Phương pháp đo phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 2.4.5. Phương pháp đo phổ tử ngoại – khả kiến (UV-vis)
• 2.4.6. Phương pháp đo phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.4.7. Phương pháp xác định hàm lượng Cu trong nông sản bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử
• 2.4.8. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu
• 2.5. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO CU2O-CU/ALGİNATE
• 2.5.1. Thí nghiệm ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+ ban đầu đến kích thước hạt nano Cu2O-Cu/alginate
• 2.5.2. Thí nghiệm ảnh hưởng nồng độ chất khử hydrazine đến kích thước hạt nano Cu2O-Cu/alginate
• 2.5.3. Thí nghiệm ảnh hưởng nồng độ chất ổn định alginate đến kích thước hạt nano Cu2O-Cu/alginate
• 2.5.4. Đánh giá độc tính cấp LD50 của nano Cu2O-Cu/alginate
• 2.5.5. Khảo sát in vitro hiệu lực kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long theo nồng độ của nano Cu2O-Cu/alginate
• 2.5.6. Khảo nghiệm hiệu lực phòng trừ bệnh đốm nâu trên cây thanh long của chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch
• 2.5.7. Khảo nghiệm hiệu lực phòng trừ bệnh đốm nâu trên cây thanh long của chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate trong nhà kính
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp nano Cu2O-Cu/ALGINATE
• 3.2. Ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+ đến kích thước hạt nano Cu2O-Cu/alginate
• 3.3. Ảnh hưởng nồng độ chất khử hydrazine đến kích thước hạt nano Cu2O-Cu/alginate
• 3.4. Ảnh hưởng nồng độ alginate đến kích thước hạt nano Cu2O-Cu/alginate
• 3.5. Nghiên cứu tính chất đặc trưng của nano Cu2O-Cu/ALGINATE
• 3.5.1. Phổ FT-IR của nano Cu2O-Cu/alginate
• 3.5.2. Phổ XRD của nano Cu2O-Cu/alginate
• 3.5.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) của chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate
• 3.5.4. Phổ UV-vis của vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate
• 3.6. Nghiên cứu sự thay đổi kích thước hạt của dung dịch keo nano Cu2O-Cu/Alginate
• 3.7. Độc tính của nano Cu2O-Cu/alginate
• 3.7.1. Độc tính qua đường miệng
• 3.7.2. Độc tính qua đường tiếp xúc da
• 3.8. Hoạt tính kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long của nano Cu2O-Cu/ALGINATE
• 3.8.1. Thí nghiệm khuếch tán đĩa thạch xác định hiệu lực kháng nấm phụ thuộc nồng độ Cu trong vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate
• 3.8.2. Thí nghiệm trong điều kiện nhà lưới
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Kháng Nấm Nano Cu2O Cu Alginate

Nông nghiệp Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là sự bùng phát của các bệnh nấm trên cây trồng, gây thiệt hại lớn về năng suất và chất lượng. Bệnh đốm nâu trên cây thanh long, do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây ra, là một ví dụ điển hình. Việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật hóa học tổng hợp để kiểm soát bệnh đang gây ra nhiều lo ngại về dư lượng thuốc trên nông sản, ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng và khả năng xuất khẩu. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp thay thế an toàn và hiệu quả hơn là vô cùng cấp thiết. Nghiên cứu về kháng nấm nano Cu2O-Cu/Alginate mở ra một hướng đi mới đầy tiềm năng, hứa hẹn giải quyết bài toán khó này, góp phần vào sự phát triển của nền nông nghiệp bền vững và an toàn.

1.1. Giới thiệu về Nano Cu2O Cu và Alginate

Nano Cu2O-Cu là một vật liệu nano đầy hứa hẹn với khả năng kháng khuẩn và kháng nấm vượt trội. Kích thước siêu nhỏ của nó cho phép tiếp xúc hiệu quả hơn với tế bào nấm, phá vỡ cấu trúc và ức chế sự phát triển của chúng. Alginate, một polysaccharide tự nhiên chiết xuất từ rong biển, đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định các hạt nano, ngăn ngừa sự kết tụ và tăng cường khả năng phân tán của chúng trong môi trường. Alginate còn có khả năng điều hòa sinh trưởng thực vật.

1.2. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu kháng nấm

Nghiên cứu về khả năng kháng nấm của nano Cu2O-Cu/Alginate có ý nghĩa to lớn trong việc bảo vệ cây thanh long khỏi bệnh đốm nâu. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các sản phẩm bảo vệ thực vật mới, an toàn và hiệu quả hơn, giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào thuốc bảo vệ thực vật hóa học và nâng cao chất lượng nông sản.

II. Thách Thức Bệnh Nấm Thanh Long và Giải Pháp Nano

Bệnh nấm thanh long, đặc biệt là bệnh đốm nâu do Neoscytalidium dimidiatum gây ra, đang là một vấn đề nghiêm trọng đối với người trồng thanh long. Bệnh gây hại trên cành, quả, làm giảm năng suất và chất lượng, ảnh hưởng đến thu nhập của người nông dân. Các biện pháp phòng trừ truyền thống, chủ yếu dựa vào thuốc bảo vệ thực vật hóa học, đang gặp phải nhiều khó khăn do nấm bệnh kháng thuốc và dư lượng thuốc trên nông sản. Ứng dụng nano trong nông nghiệp, đặc biệt là sử dụng nano Cu2O-Cu/Alginate, được xem là một giải pháp tiềm năng để giải quyết những thách thức này.

2.1. Tác hại của bệnh đốm nâu trên cây thanh long

Bệnh đốm nâu do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây ra những tổn thất đáng kể cho người trồng thanh long. Nấm tấn công cành và quả, gây ra các vết bệnh lan rộng, làm giảm khả năng quang hợp của cây và chất lượng quả. Trong trường hợp bệnh nặng, toàn bộ vườn thanh long có thể bị thiệt hại, ảnh hưởng nghiêm trọng đến kinh tế của người nông dân.

2.2. Ưu điểm của nano Cu2O Cu Alginate so với thuốc hóa học

Nano Cu2O-Cu/Alginate có nhiều ưu điểm vượt trội so với thuốc bảo vệ thực vật hóa học. Thứ nhất, nó có khả năng kháng nấm hiệu quả với liều lượng thấp, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Thứ hai, alginate là một vật liệu tự nhiên, an toàn cho người sử dụng và không để lại dư lượng độc hại trên nông sản. Thứ ba, nano Cu2O-Cu còn cung cấp vi lượng đồng cho cây trồng.

2.3. Cơ chế kháng nấm của nano Cu2O Cu

Cơ chế kháng nấm của nano Cu2O-Cu liên quan đến sự tương tác trực tiếp giữa các hạt nano và tế bào nấm. Các hạt nano có thể xâm nhập vào tế bào nấm, gây rối loạn chức năng tế bào và ức chế sự phát triển của chúng. Ngoài ra, nano Cu2O-Cu còn có khả năng tạo ra các gốc tự do, gây oxy hóa và phá hủy cấu trúc tế bào nấm.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Nano Cu2O Cu Alginate Hiệu Quả

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một phương pháp tổng hợp nano Cu2O-Cu/Alginate đơn giản, hiệu quả và thân thiện với môi trường. Phương pháp này dựa trên quá trình khử ion Cu2+ trong dung dịch alginate bằng chất khử, tạo ra các hạt nano Cu2O-Cu được ổn định bởi alginate. Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của hạt nano, như nồng độ ion Cu2+, nồng độ chất khử và nồng độ alginate, được nghiên cứu và tối ưu hóa để đạt được hiệu quả kháng nấm cao nhất.

3.1. Quy trình sản xuất nano Cu2O Cu Alginate

Quy trình sản xuất nano Cu2O-Cu/Alginate bao gồm các bước chính sau: hòa tan alginate trong nước, tạo phức Cu2+ với NH3, thêm chất khử (hydrazine) để khử Cu2+ thành Cu2O-Cu, và cuối cùng là rửa và sấy khô sản phẩm. Các thông số quan trọng như nhiệt độ, thời gian phản ứng và tỷ lệ các chất phản ứng được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

3.2. Ảnh hưởng của nồng độ Cu2 đến kích thước hạt nano

Nồng độ ion Cu2+ ban đầu có ảnh hưởng đáng kể đến kích thước của hạt nano Cu2O-Cu/Alginate. Nồng độ Cu2+ cao hơn có xu hướng tạo ra các hạt nano lớn hơn do sự tăng cường quá trình kết tụ. Việc kiểm soát nồng độ Cu2+ là rất quan trọng để điều chỉnh kích thước hạt nano và tối ưu hóa hiệu quả kháng nấm.

3.3. Vai trò của Alginate trong ổn định hạt nano

Alginate đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định các hạt nano Cu2O-Cu, ngăn ngừa sự kết tụ và duy trì kích thước nhỏ của chúng. Alginate bao bọc các hạt nano, tạo ra một lớp bảo vệ ngăn chặn sự tương tác giữa các hạt và giúp chúng phân tán đều trong môi trường. Nồng độ alginate tối ưu cần được xác định để đảm bảo sự ổn định của hạt nano mà không ảnh hưởng đến hiệu quả kháng nấm.

IV. Đánh Giá Hiệu Quả Kháng Nấm Nano Cu2O Cu Alginate

Hiệu quả kháng nấm của nano Cu2O-Cu/Alginate được đánh giá thông qua các thí nghiệm in vitro và in vivo. Thí nghiệm in vitro được thực hiện bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch để xác định khả năng ức chế sự phát triển của nấm Neoscytalidium dimidiatum. Thí nghiệm in vivo được thực hiện trên cây thanh long trong điều kiện nhà lưới và nhà kính để đánh giá hiệu quả phòng trừ bệnh đốm nâu. Kết quả nghiên cứu cho thấy nano Cu2O-Cu/Alginate có khả năng kháng nấm cao và hiệu quả trong việc phòng trừ bệnh đốm nâu trên cây thanh long.

4.1. Thí nghiệm in vitro đánh giá khả năng ức chế nấm

Thí nghiệm in vitro được thực hiện bằng cách đặt các đĩa giấy tẩm nano Cu2O-Cu/Alginate lên đĩa thạch chứa nấm Neoscytalidium dimidiatum. Vùng ức chế xung quanh đĩa giấy được đo để đánh giá khả năng ức chế sự phát triển của nấm. Kết quả cho thấy nano Cu2O-Cu/Alginate có khả năng ức chế nấm hiệu quả, với vùng ức chế tăng lên khi nồng độ nano tăng.

4.2. Thí nghiệm in vivo trên cây thanh long trong nhà lưới

Thí nghiệm in vivo được thực hiện trên cây thanh long trong điều kiện nhà lưới bằng cách phun nano Cu2O-Cu/Alginate lên cây bị nhiễm bệnh đốm nâu. Tỷ lệ bệnh và chỉ số bệnh được đánh giá sau một thời gian nhất định để xác định hiệu quả phòng trừ bệnh. Kết quả cho thấy nano Cu2O-Cu/Alginate có khả năng giảm tỷ lệ bệnh và chỉ số bệnh đáng kể.

4.3. So sánh hiệu quả với thuốc trừ nấm hóa học

Hiệu quả phòng trừ bệnh đốm nâu của nano Cu2O-Cu/Alginate được so sánh với thuốc trừ nấm hóa học thông thường. Kết quả cho thấy nano Cu2O-Cu/Alginate có hiệu quả tương đương hoặc thậm chí cao hơn so với thuốc hóa học, đồng thời an toàn hơn cho môi trường và người sử dụng.

V. Độc Tính và An Toàn Sinh Học Nano Cu2O Cu Alginate

Một trong những mối quan tâm hàng đầu khi sử dụng vật liệu nano trong nông nghiệp là độc tính và an toàn sinh học. Nghiên cứu này đã tiến hành đánh giá độc tính cấp của nano Cu2O-Cu/Alginate thông qua đường miệng và tiếp xúc da trên chuột. Kết quả cho thấy nano Cu2O-Cu/Alginate có độc tính thấp và an toàn khi sử dụng ở nồng độ khuyến cáo. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu dài hạn để đánh giá đầy đủ tác động của nano Cu2O-Cu/Alginate đến môi trường và sức khỏe con người.

5.1. Đánh giá độc tính cấp qua đường miệng

Độc tính cấp qua đường miệng của nano Cu2O-Cu/Alginate được đánh giá bằng cách cho chuột uống các liều khác nhau của chế phẩm nano và theo dõi các triệu chứng và tỷ lệ tử vong. Kết quả cho thấy LD50 (liều gây chết 50%) của nano Cu2O-Cu/Alginate là khá cao, cho thấy độc tính thấp.

5.2. Đánh giá độc tính qua đường tiếp xúc da

Độc tính qua đường tiếp xúc da được đánh giá bằng cách bôi nano Cu2O-Cu/Alginate lên da chuột và theo dõi các phản ứng da như kích ứng, viêm da. Kết quả cho thấy nano Cu2O-Cu/Alginate không gây kích ứng da đáng kể.

5.3. An toàn sinh học của Alginate

Alginate là một vật liệu tự nhiên, có khả năng phân hủy sinh học và an toàn cho môi trường. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm mà không gây ra tác dụng phụ đáng kể. Điều này làm tăng thêm tính an toàn của nano Cu2O-Cu/Alginate.

VI. Kết Luận và Tiềm Năng Phát Triển Nano Cu2O Cu Alginate

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng to lớn của nano Cu2O-Cu/Alginate trong việc phòng trừ bệnh đốm nâu trên cây thanh long. Vật liệu nano này có khả năng kháng nấm cao, an toàn cho môi trường và người sử dụng, và có thể được sản xuất với chi phí hợp lý. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất, đánh giá đầy đủ tác động dài hạn đến môi trường và sức khỏe con người, và phát triển các sản phẩm thương mại hóa để đưa nano Cu2O-Cu/Alginate đến với người nông dân.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công nano Cu2O-Cu/Alginate bằng phương pháp đơn giản, hiệu quả. Vật liệu nano này có khả năng kháng nấm cao đối với nấm Neoscytalidium dimidiatum và an toàn khi sử dụng trên chuột. Thí nghiệm trên cây thanh long cho thấy hiệu quả phòng trừ bệnh đốm nâu đáng kể.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm: tối ưu hóa quy trình sản xuất để giảm chi phí và tăng hiệu quả, đánh giá tác động của nano Cu2O-Cu/Alginate đến hệ sinh thái đất và sức khỏe con người, và phát triển các công thức sản phẩm phù hợp với điều kiện canh tác khác nhau.

6.3. Tiềm năng ứng dụng thực tế và phát triển bền vững

Nano Cu2O-Cu/Alginate có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, không chỉ để phòng trừ bệnh đốm nâu trên cây thanh long mà còn trên nhiều loại cây trồng khác. Việc sử dụng vật liệu nano này có thể góp phần vào sự phát triển của nền nông nghiệp bền vững, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và nâng cao chất lượng nông sản.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nông nghiệp Việt Nam phát triển mạnh mẽ, cây thanh long đã trở thành một trong những cây trồng chủ lực, đặc biệt tại các tỉnh Nam Bộ như Bình Thuận, Long An, Tiền Giang và Trà Vinh với diện tích trồng lên đến khoảng 45.000 ha. Tuy nhiên, bệnh đốm nâu do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây ra đã và đang là thách thức lớn, làm giảm năng suất và chất lượng quả thanh long, ảnh hưởng nghiêm trọng đến giá trị xuất khẩu. Hiện nay, các biện pháp phòng trừ chủ yếu dựa vào thuốc bảo vệ thực vật tổng hợp hữu cơ, gây tồn dư hóa chất trên nông sản, làm khó khăn trong việc tiếp cận các thị trường có yêu cầu nghiêm ngặt như Mỹ, Úc, châu Âu và Nhật Bản.

Luận văn tập trung vào việc tổng hợp vật liệu nano Cu2O-Cu ổn định trong polymer alginate chiết xuất từ rong nâu, nhằm phát triển chế phẩm có khả năng kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum với hiệu quả ≥ 90%. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2020 tại Viện Sinh học Nhiệt đới, TP. Hồ Chí Minh, với mục tiêu xây dựng quy trình tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate và khảo sát hiệu quả kháng nấm in vitro cũng như trong điều kiện nhà kính. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển thuốc bảo vệ thực vật an toàn, thân thiện môi trường mà còn hỗ trợ nâng cao chất lượng nông sản, đáp ứng yêu cầu xuất khẩu và phát triển nông nghiệp bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về vật liệu nano kim loại và cơ chế kháng vi sinh vật của các hạt nano kim loại, đặc biệt là nano đồng (Cu) và oxit đồng (Cu2O). Vật liệu nano Cu2O-Cu có kích thước nhỏ (3-10 nm) với diện tích bề mặt lớn, thể hiện tính kháng khuẩn và kháng nấm vượt trội so với vật liệu khối. Polymer alginate, một polysaccharide tự nhiên chiết xuất từ rong nâu, được sử dụng làm chất ổn định và điều hòa sinh trưởng thực vật, giúp duy trì kích thước hạt nano ổn định và tăng hiệu quả kháng nấm.

Ba khái niệm chính được áp dụng gồm:

• Nano Cu2O-Cu: hạt nano oxit đồng và đồng kim loại có khả năng giải phóng ion Cu+ và Cu2+, tác động lên màng tế bào vi sinh vật gây bất hoạt.
• Alginate: polymer tự nhiên có khả năng tạo gel với ion hóa trị 2, ổn định hạt nano và điều hòa sinh trưởng thực vật.
• Kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum: cơ chế ức chế sự phát triển của nấm gây bệnh đốm nâu trên thanh long thông qua tác động vật lý và hóa học của nano Cu2O-Cu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm mẫu nano Cu2O-Cu/alginate tổng hợp trong phòng thí nghiệm và mẫu nấm Neoscytalidium dimidiatum được nuôi cấy trên môi trường PDA. Phương pháp tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate sử dụng phản ứng khử ion Cu2+ bằng hydrazine trong môi trường kiềm với sự ổn định của alginate. Kích thước hạt được xác định bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FT-IR), phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX).

Phân tích độc tính cấp LD50 được thực hiện trên chuột nhắt trắng Albino Swiss qua đường miệng, đồng thời khảo sát khả năng gây kích ứng da. Hiệu quả kháng nấm được đánh giá bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch in vitro và khảo nghiệm trong nhà kính theo thiết kế hoàn toàn ngẫu nhiên (RCBD) với 4 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần, mỗi ô 50 trụ thanh long.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 5/2019 đến tháng 2/2020, với các bước tổng hợp, phân tích đặc trưng vật liệu, đánh giá độc tính và khảo nghiệm hiệu quả kháng nấm trên cây thanh long.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+ đến kích thước hạt nano: Khi tăng nồng độ Cu2+ từ 40 mM lên 80 mM, kích thước hạt nano Cu2O-Cu tăng từ trung bình 4,1 nm lên 10,1 nm. Mẫu nano ở 40 mM có kích thước hạt chủ yếu 1,5-5,5 nm, trong khi ở 80 mM là 7,5-11 nm. Kích thước hạt lớn hơn có xu hướng kết tụ, làm giảm tính ổn định của dung dịch keo.

2. Ảnh hưởng nồng độ chất khử hydrazine: Khi tăng nồng độ hydrazine từ 8% lên 16%, kích thước hạt tăng nhẹ từ 5,5 nm lên 6,7 nm. Sự tăng kích thước không tuyến tính do cần tăng nồng độ Cu2+ để giữ ổn định nồng độ Cu trong dung dịch, dẫn đến kích thước hạt tăng do kết tụ cục bộ.

3. Ảnh hưởng nồng độ alginate: Tăng nồng độ alginate từ 4% lên 6% làm giảm kích thước hạt nano từ 8,8 ± 0,6 nm xuống 3,5 ± 0,8 nm. Alginate đóng vai trò chất ổn định hiệu quả, ngăn ngừa kết tụ hạt nano, giúp duy trì kích thước nhỏ và phân bố hạt đồng đều.

4. Độc tính cấp LD50: Độc tính cấp của nano Cu2O-Cu/alginate qua đường miệng trên chuột nhắt trắng cho thấy LD50 cao hơn nhiều so với ion Cu2+, chứng tỏ vật liệu nano có độ an toàn cao hơn. Thử nghiệm kích ứng da cũng không ghi nhận phản ứng nhạy cảm đáng kể.

5. Hiệu quả kháng nấm in vitro và trong nhà kính: Nano Cu2O-Cu/alginate ở nồng độ 30 ppm đạt hiệu quả ức chế nấm Neoscytalidium dimidiatum lên đến 100% trên môi trường PDA. Trong điều kiện nhà kính, dung dịch nano ở nồng độ 30-40 ppm giảm tỷ lệ bệnh đốm nâu trên thanh long xuống dưới 10%, tương đương hoặc vượt trội so với thuốc đối chứng Mancozeb 0,5%.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc điều chỉnh nồng độ Cu2+, hydrazine và alginate ảnh hưởng rõ rệt đến kích thước và tính ổn định của hạt nano Cu2O-Cu. Kích thước hạt nhỏ (khoảng 3-6 nm) được duy trì khi sử dụng alginate 5-6%, tạo điều kiện cho hoạt tính kháng nấm cao do diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác mạnh với tế bào nấm. Độc tính thấp của vật liệu nano so với ion Cu2+ phù hợp với yêu cầu an toàn trong nông nghiệp.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về nano đồng và các hợp chất nano kim loại khác, nano Cu2O-Cu/alginate thể hiện hiệu quả kháng nấm vượt trội, đồng thời giảm thiểu nguy cơ tồn dư hóa chất độc hại trên nông sản. Biểu đồ phân bố kích thước hạt và biểu đồ hiệu quả ức chế nấm theo nồng độ nano có thể minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa các yếu tố này.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng nano Cu2O-Cu/alginate làm thuốc bảo vệ thực vật: Khuyến nghị sử dụng chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate ở nồng độ 30-40 ppm để phòng trừ bệnh đốm nâu trên thanh long, với lịch phun 2 lần cách nhau 7 ngày, bắt đầu khi bệnh mới xuất hiện. Chủ thể thực hiện là các hộ nông dân và doanh nghiệp trồng thanh long.

2. Nâng cao quy trình tổng hợp nano: Đề xuất tối ưu hóa quy trình tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate với nồng độ alginate 5-6% và hydrazine 8-12% để đảm bảo kích thước hạt nhỏ, ổn định và hiệu quả kháng nấm cao. Thời gian nghiên cứu và phát triển sản phẩm trong vòng 12 tháng.

3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng nano Cu2O-Cu/alginate cho cán bộ kỹ thuật và nông dân tại các vùng trồng thanh long trọng điểm nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng và đảm bảo an toàn.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu tiếp theo áp dụng nano Cu2O-Cu/alginate cho các loại cây trồng khác có nguy cơ nhiễm nấm tương tự, đồng thời đánh giá tác động môi trường và tồn dư trên nông sản để hoàn thiện hồ sơ đăng ký sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Công nghệ vật liệu: Nghiên cứu chi tiết về tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate, phương pháp phân tích hiện đại và ứng dụng trong nông nghiệp.

2. Chuyên gia và kỹ sư nông nghiệp, bảo vệ thực vật: Tham khảo giải pháp mới trong phòng trừ bệnh đốm nâu trên thanh long, phương pháp đánh giá hiệu quả và an toàn thuốc bảo vệ thực vật nano.

3. Doanh nghiệp sản xuất thuốc bảo vệ thực vật: Cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm thuốc BVTV dựa trên vật liệu nano đồng, hướng tới sản phẩm thân thiện môi trường, hiệu quả cao và đáp ứng tiêu chuẩn xuất khẩu.

4. Cơ quan quản lý nhà nước về nông nghiệp và môi trường: Tham khảo dữ liệu về độc tính, hiệu quả và quy trình ứng dụng vật liệu nano trong kiểm soát dịch bệnh cây trồng, phục vụ công tác cấp phép và quản lý sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Nano Cu2O-Cu/alginate là gì và có ưu điểm gì?
   Nano Cu2O-Cu/alginate là hạt nano oxit đồng và đồng kim loại được ổn định trong polymer alginate tự nhiên. Ưu điểm gồm kích thước hạt nhỏ (3-6 nm), hiệu quả kháng nấm cao, an toàn cho người sử dụng và thân thiện môi trường.

2. Phương pháp tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate như thế nào?
   Phương pháp tổng hợp sử dụng phản ứng khử ion Cu2+ bằng hydrazine trong môi trường kiềm với sự ổn định của alginate, tạo ra dung dịch keo nano có màu nâu đỏ đặc trưng, kích thước hạt được kiểm soát bằng nồng độ các thành phần.

3. Hiệu quả kháng nấm của nano Cu2O-Cu/alginate ra sao?
   Ở nồng độ 30 ppm, nano Cu2O-Cu/alginate đạt hiệu quả ức chế nấm Neoscytalidium dimidiatum lên đến 100% in vitro và ≥ 90% trong điều kiện nhà kính, tương đương hoặc vượt trội so với thuốc đối chứng Mancozeb.

4. Độc tính của nano Cu2O-Cu/alginate có an toàn không?
   Độc tính cấp LD50 qua đường miệng trên chuột cao hơn nhiều so với ion Cu2+, đồng thời không gây kích ứng da đáng kể, cho thấy vật liệu nano có độ an toàn cao khi sử dụng trong nông nghiệp.

5. Có thể ứng dụng nano Cu2O-Cu/alginate cho cây trồng khác không?
   Có thể. Với cơ chế kháng nấm phổ rộng và tính an toàn, nano Cu2O-Cu/alginate có tiềm năng ứng dụng cho nhiều loại cây trồng khác bị nấm bệnh tương tự, tuy nhiên cần nghiên cứu bổ sung để tối ưu hóa hiệu quả.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp nano Cu2O-Cu ổn định trong polymer alginate với kích thước hạt nano từ 3,5 đến 10,1 nm tùy điều kiện tổng hợp.
• Nồng độ Cu2+, hydrazine và alginate ảnh hưởng rõ rệt đến kích thước và tính ổn định của hạt nano.
• Nano Cu2O-Cu/alginate có hiệu quả kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum đạt ≥ 90% trong cả thí nghiệm in vitro và khảo nghiệm nhà kính.
• Độc tính cấp LD50 của vật liệu nano thấp hơn nhiều so với ion Cu2+, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và môi trường.
• Đề xuất ứng dụng nano Cu2O-Cu/alginate làm thuốc bảo vệ thực vật thân thiện môi trường, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các cây trồng khác.

Next steps: Triển khai sản xuất quy mô pilot, đào tạo chuyển giao công nghệ và mở rộng nghiên cứu ứng dụng. Đề nghị các tổ chức, doanh nghiệp và nhà nghiên cứu phối hợp phát triển sản phẩm để góp phần nâng cao hiệu quả phòng trừ bệnh nấm trong nông nghiệp bền vững.

Hành động ngay: Liên hệ Viện Khoa học và Công nghệ để nhận tư vấn kỹ thuật và hợp tác nghiên cứu ứng dụng nano Cu2O-Cu/alginate trong sản xuất nông nghiệp an toàn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. VẬT LIỆU NANO ĐỒNG, NANO OXIT ĐỒNG VÀ HIỆU ỨNG KHÁNG VI SINH VẬT GÂY BỆNH THỰC VẬT. Đồng là kim loại dẻo, có tính dẫn điện và nhiệt cao, ký hiệu là Cu. Kim loại đồng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: xây dựng, vật liệu dẫn điện, nhiệt, sử dụng trong nhiều hợp kim khác nhau.

Đồng là nguyên tố vi lượng cần thiết cho các loài động, thực vật bậc cao, nó là thành phần của enzyme vận chuyển oxy trong cơ thể. Kim loại đồng và các hợp chất của đồng từ xa xưa đã được ứng dụng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm và chất bảo quản gỗ. Cu2O là một trong 2 dạng oxit của đồng (cùng với CuO), có màu đỏ, không tan trong nước, tan chậm trong dung dịch kiềm đặc và tan tốt trong dung dịch axit. Phân tử khối của Cu2O là 143,09 g/mol, khối lượng riêng 6,0 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 12350C và nhiệt độ sôi 18000C.

Phản ứng khử ion Cu2+ bằng chất khử tạo thành đồng kim loại (Cuo) và oxit đồng I (Cu2O) tùy vào thế oxy hóa khử và lượng chất khử. Khi vật liệu Cu và Cu2O ở kích thước nanomet, chúng có diện tích bề mặt lớn nên thể hiện các tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt, kháng khuẩn cao vượt trội so với trạng thái vật liệu khối, vì vậy, gần đây chúng được quan tâm nghiên cứu sử dụng trong công nghiệp điện tử, môi trường và vật liệu kháng khuẩn. Cu2O có tính chất quang điện tử, nó được biết đến là chất bán dẫn loại p với độ rộng vùng cấm theo lý thuyết là 2,2 eV [2] sử dụng để chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao (hiệu suất lý thuyết ~ 18%) [3]. Các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng của Cu2O là xúc tác hóa học [4], vật liệu cảm biến sinh học [5] pin Lithium ion [6, 7], vật liệu xúc tác quang, phát quang, quang điện tử và cảm biến khí [2, 8-10].

3 Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu tổng hợp và sử dụng các hạt nano đã thu hút được nhiều sự quan tâm do diện tích bề mặt lớn, làm tăng cường các tính chất như hiệu năng xúc tác, tính chất từ, tính chất quang học, tính kháng vi sinh vật và tính dẫn điện vượt trội so với vật liệu khối [11]. Nano đồng, nano oxit đồng (CuO và Cu2O), là một trong những tác nhân được sử dụng rộng rãi nhất như là chất kháng khuẩn phổ rộng trên nhiều loại vi sinh vật đặc biệt là vi sinh vật gây hại cho thực vật [12, 13]. Ngoài khả năng chống lại vi sinh vật gây hại, trong nông nghiệp, các nano hợp chất đồng (Cu) còn cung cấp nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho sinh trưởng, phát triển trên nhiều loại cây trồng, cụ thể Cu tham gia vào quá trình hình thành diệp lục và có vai trò quan trọng trong các phản ứng sinh hóa của tế bào thực vật [11]. Đối với cơ thể con người, đồng cũng là dinh dưỡng thiết yếu, nó có thành phần trong một số enzyme kim loại để hình thành hemoglobin, trao đổi carbohydrate, collagen, elastin, keratin, tóc, có tác dụng chống oxy hóa.

Sự hấp thụ của đồng xảy ra ở da, ruột non,. tồn tại trong máu [14]. Ngày nay, vật liệu nano đã được nghiên cứu ứng dụng làm thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) trong nông nghiệp do chúng có liều lượng sử dụng thấp. Tại Việt Nam, thuốc BVTV hoạt chất nano Ag cũng đã được cấp phép để phòng trừ bệnh đạo ôn lúa (Mifum 0.66SL của Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng).

Vì vậy, hợp chất nano đồng và nano oxit đồng rất có tiềm năng sử dụng làm chất kiểm soát nấm bệnh thực vật vì giá rẻ hơn Ag và còn là dinh dưỡng vi lượng giúp tăng trưởng cây trồng. RONG NÂU VÀ ỨNG DỤNG CỦA AXIT ALGINIC TRONG RONG NÂU LÀM CHẤT ĐIỀU HÒA SINH TRƯỞNG THỰC VẬT VÀ ỔN ĐỊNH DUNG DỊCH KEO NANO Axit alginic là loại polyme sinh học có trong rong biển. Rong biển Việt Nam rất đa dạng và phong phú đã phát hiện gần 700 loại, trong đó họ rong biển Mơ là phổ biến nhất, có sản lượng cao nhất. Họ rong biển Mơ (Sargassaceae) thuôc bộ rong biển đuôi ngựa (Fucales), ngành rong nâu (Phaeophyceae) tập trung tại khu vực biển miền Trung Nam Bộ từ Bình Định vào đến Bình Thuận, sản lượng rong biển ước tính khoảng 30.000 tấn, trong đó vùng biển Khánh Hòa chiếm sản lượng trên 11.

4 Rong nâu là loài thực vật có giá trị cao về mặt dinh dưỡng, dược liệu bao gồm các axit amin, protein, axit béo không bão hòa, các vitamin, khoáng chất, polyphenol, các hợp chất chứa Iốt, Laminarin, axit alginic và Fucoidan [15, 16]. Trong đó, Hàm lượng axit alginic trong rong biển dao động từ 29,1 – 40,6% trên trọng lượng chất khô. Ngoài ra rong biển còn chứa các hoạt chất khác như Laminarin, auxin, Gibberellic axit, cytokinin nên còn được dùng làm chất kích thích tăng trưởng thực vật an toàn, hiệu quả. Trong việc điều chế các dung dịch keo nano kim loại và các vật liệu nano khác nhau, alginate còn được sử dụng làm chất ổn định, ngăn chặn sự kết tụ của các hạt thành các hạt lớn hơn.

Alginate là muối của axit alginic, các alginate hòa tan bao gồm muối của Na+, K+ và NH4+ được ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác. Axit alginic là một copolymer khối được cấu tạo từ các gốc β-D-mannuronate và α-L-Guluronate bằng liên kết 1,4 glucoside (Hình 1. Các alginate có cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào sự sắp xếp của các monomer. Alginate có khả năng phân hủy sinh học và hoàn toàn an toàn trong các thử nghiệm trên người cũng như động vật.

Mặt khác, sodium alginate là polymer tan trong nước tạo dung dịch có độ nhớt cao và có khả năng tạo gel với các cation của kim loại hóa trị 2 như Ca2+. Đặc trưng cấu trúc của alginate a) Các monome của axit alginic; b) Cấu trúc chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố các khối trong mạch alginate Alginat có khả năng tạo gel với sự tham gia của những ion hóa trị 2, 3. Gel được tạo ra do tương tác tĩnh điện qua ion kim loại tạo ra gel này không thuận nghịch với nhiệt và ít đàn hồi. Khả năng tạo gel và độ bền của alginate 5 phụ thuộc vào số lượng các đoạn guluronic (G), được giải thích bằng mô hình cấu trúc “hộp trứng”.

Khả năng tạo gel của các muối alginat còn phụ thuộc vào kích thước của ion kim loại liên kết. Ái lực của alginat đối với các ion kim loại hóa trị 2 khác nhau giảm theo trình từ: Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Co2+. Mô hình tạo gel của alginate với ion hóa trị 2 và trao đổi ion Ca2+ trong alginate với Cu2+ Với tính chất tạo gel của Alginate đối với các ion kim loại hóa trị 2 như Cu2+ nêu trên, vì vậy khi hòa tan dung dịch muối Cu2+ vào dung dịch Alginate sẽ tạo gel kết tủa. Chính vì vậy khi đưa dung dịch muối Cu 2+ vào dung dịch Alginate cần thiết tạo phức Cu2+ với các tác nhân tạo phức như EDTA-Na, EDTA, NH4+,… Tác nhân NH3 là tác nhân tạo phức với Cu2+ có giá rẻ, tạo môi trường kiềm nên thuận lợi cho quá trình khử Cu2+ thành Cu2O (quá trình khử Cu2+ thành Cu2O xảy ra trong môi trường kiềm pH > 10) [17, 18].

BỆNH ĐỐM NÂU TRÊN CÂY THANH LONG. Thanh long loại cây ăn trái có giá trị xuất khẩu, được trồng chủ yếu ở các tỉnh như Bình Thuận (khoảng 30.000 ha), Long An (khoảng 7.000 ha), Tiền Giang (khoảng 4.000 ha) và rải rác ở một số tỉnh khác. Trong những năm vừa qua, cây thanh long bị nhiễm nhiều loại bệnh gây hại như bệnh thán thư, thối quả, thối cành và đặc biệt là bệnh đốm nâu làm giảm năng suất, chất lượng quả. Bệnh đốm nâu do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây ra, tồn tại quanh năm, mùa khô gây hại chủ yếu ở các đoạn gốc cành, mùa mưa thì bệnh phát tán mạnh lan sang các cành non mới ra, hoa và quả thanh long [19, 20].

Khi cây thanh long mới chớm nhiễm bệnh, các đốm bệnh xuất hiện nâu là xuất hiện trên cành với tỷ lệ bệnh dao động từ 1 - 5%, vào mùa mưa nhiều 6 vườn thanh long bị nhiễm nặng với vết bệnh lõm sâu vào trong; sau đó vết bệnh chuyển sang màu vàng cam và nâu nổi lên trên bề mặt với tỷ lệ bệnh dao động từ 10 - 50% (Hình 1. Hiện nay, bệnh đốm nâu trên cây thanh long chưa có thuốc đặc trị. Biện pháp kiểm soát bệnh đốm nâu thanh long được Cục BVTV khuyến cáo là thường xuyên dọn vườn (cắt tỉa, tiêu hủy các nguồn bệnh, tạo điều kiện thoát nước tốt), bón phân cân đối, sử dụng luân phiên các loại thuốc BVTV có chứa hoạt chất Propiconazole, Trifloxystrobin, Iprodione, Mancozeb khoảng 7-10 ngày/lần. Hiện nay thuốc Mancozed được cho là thuốc có hiệu quả nhất để phòng trừ bệnh đốm nâu trên thanh long.

Tại Việt Nam và Thế giới đã có một số công trình nghiên cứu hiệu lực kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum và phòng trừ bệnh đốm nâu trên cây thanh long [21, 22]. Du đã nghiên cứu khả năng kích thích sản sinh enzyme chitinase trên cây thanh long khi xử lý OC (Mw ~5.mol -1) ở nồng độ 150 ppm, OC thể hiện hiệu ứng kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum và hiệu lực phòng trừ bệnh đốm nâu đến 81% so với đối chứng [21]. Uyen, 2018 đã nghiên cứu hiệu lực kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum của vật liệu AgNPs/chitosan đạt hiệu quả khi sử dụng nồng độ Ag 10 ppm, CTS 1% [22]. Triệu chứng bệnh đốm nâu trên dây, quả thanh long do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây ra 1.

CƠ CHẾ KHÁNG VI SINH VẬT CỦA NANO Cu VÀ Cu2O Các hợp chất của đồng được sử dụng là chất kháng vi sinh vật trong nhiều thập kỉ vừa qua, nó thể hiện khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ và có thể 7 tiêu diệt tới 99,9% nhiều loại vi khuẩn. Hợp chất đồng có hoạt lực cao trong phòng trừ các loại nấm bệnh, vi khuẩn, vi rút, theo thống kê đồng có thể phòng trừ trên 20 loại vi khuẩn, vi rút, nấm gây bệnh trên cây trồng, động vật và con người [25]. Các hạt oxit đồng hoạt động như chất kháng khuẩn tiềm năng chống lại các vi sinh vật truyền bệnh như E.coli, Bacillus subtilis, Vibria cholera, Pseudomonas aeruginosa, Syphillis typhus và Staphylococcus aureus… Nano đồng có khả năng diệt hầu hết các loại nấm bệnh gây hại cây trồng, nó được xem như một loại thuốc BVTV đặc trị nấm theo cách an toàn nhất, không độc hại, không gây tồn dư các chất độc hại trên nông sản và trong tương lai gần nano đồng có thể thay thế các loại thuốc BVTV hóa học độc hại.