Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ hóa học với đề tài "Nghiên cứu tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate ứng dụng làm chất phòng trừ bệnh thực vật" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Đoàn Thị Bích Ngọc, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bùi Duy Du và PGS.TS. Nguyễn Thị Bích Ngọc, thuộc chuyên ngành Hóa vô cơ (mã số 9440113) tại Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (năm 2023). Nghiên cứu được hỗ trợ kinh phí từ Chương trình Khoa học và Công nghệ cấp quốc gia giai đoạn 2014–2019 "KH&CN phục vụ phát triển bền vững vùng Tây Nam Bộ" (mã số KHCN-TNB/14-19).

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực tế sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam, nơi đất nông nghiệp chiếm 1/3 diện tích lãnh thổ và đóng vai trò trọng yếu trong nền kinh tế. Quá trình thâm canh cường độ cao làm gia tăng các loại dịch bệnh nghiêm trọng như bệnh đốm nâu trên cây thanh long do nấm Neoscytalidium dimidiatum, bệnh đạo ôn trên lúa do nấm Pyricularia oryzae, và bệnh bạc lá lúa do vi khuẩn Xanthomonas sp. Việc lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) hóa học tổng hợp có độc tính cao làm tăng nguy cơ kháng thuốc và tồn dư hóa chất độc hại trên nông sản. Trước yêu cầu phát triển nông nghiệp an toàn, việc nghiên cứu các vật liệu nano vô cơ chứa đồng (Cu, Cu2O) có hoạt tính diệt nấm, kháng khuẩn cao ở nồng độ thấp và ít độc đối với động vật máu nóng là hướng đi cần thiết.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là: dù các dạng nano đồng đã được nghiên cứu trên thế giới, nhưng việc tổng hợp có hệ thống hệ nanocomposite Cu2O-Cu được ổn định bằng polymer sinh học alginate chiết xuất từ nguồn rong nâu Việt Nam bằng phương pháp khử hóa học chưa được làm rõ đầy đủ về tương tác hóa lý, ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (nồng độ Cu2+, chất khử hydrazine, alginate, pH) đến kích thước hạt, cũng như chưa có đánh giá toàn diện về độc tính cấp, độc tính tiếp xúc da và hiệu lực sinh học in vitro, in vivo trong điều kiện nhà lưới đối với các bệnh hại thực vật chỉ thị tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm hai nội dung:

  1. Nghiên cứu điều chế vật liệu keo và bột nano Cu2O-Cu bằng phương pháp khử muối CuSO4 với chất khử hydrazin (N2H4) trong dung dịch polyme sinh học alginate được tách chiết từ rong nâu Việt Nam.
  2. Nghiên cứu các tính chất hóa lý đặc trưng và hiệu lực kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long, nấm Pyricularia oryzae gây bệnh đạo ôn và vi khuẩn Xanthomonas sp. gây bệnh bạc lá trên lúa của vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate để định hướng sử dụng làm thuốc BVTV.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano composite Cu2O-Cu/alginate (dung dịch keo và dạng bột); tiền chất CuSO4·5H2O, chất khử N2H4·H2O, chất ổn định natri alginate (Mw ~51.200 g/mol) chiết xuất từ rong nâu Khánh Hòa; đối tượng vi sinh vật thử nghiệm gồm nấm Neoscytalidium dimidiatum, nấm Pyricularia oryzae, vi khuẩn Xanthomonas sp.; đối tượng cây trồng gồm giống thanh long Nữ Hoàng ruột đỏ (dòng H14, nguồn gốc Colombia), giống lúa OM 5451 và lúa nếp 46 (IR46-25); động vật thử nghiệm độc tính là chuột nhắt trắng dòng Swiss (khối lượng 18–22 g).
  • Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung vào phản ứng khử muối đồng trong môi trường kiềm có mặt alginate, khảo sát tính chất hóa lý trong phòng thí nghiệm, kiểm tra độc tính trên chuột tại Viện Pasteur TP.HCM, thử nghiệm hiệu lực sinh học in vitro và in vivo nhà lưới tại Viện Sinh học Nhiệt đới và Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp miền Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế xoay quanh kim loại đồng, hợp chất đồng, các phương pháp tổng hợp hạt nano trên cơ sở Cu và ứng dụng của chúng:

Về khả năng kháng vi sinh vật và cơ chế: Các tài liệu khoa học chỉ ra đồng có khả năng ức chế vi khuẩn (E. coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus), nấm (Candida albicans, Saccharomyces cerevisiae) và virus (Vaccinia, cúm A, HIV-1 theo Karlström và cs., HCV theo Huang và cs.). Năm 2008, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) công nhận đồng là chất kháng khuẩn kim loại bề mặt. Các cơ chế tác động được chứng minh bao gồm: làm thay đổi cấu trúc bậc ba của protein, liên kết với nhóm sulfhydryl (-SH) và carboxylat của enzyme gây bất hoạt enzyme, sinh các gốc oxy hóa khử (ROS) gây tổn thương oxy hóa, và phá hủy tính toàn vẹn màng tế bào.

Về độc tính của hạt nano gốc đồng: Các công trình của Zhen Chen và cs. chỉ ra LD50 qua đường miệng trên chuột của nano Cu (413 mg/kg) ít độc hơn ion Cu2+ (119 mg/kg); Lee và cs. xác định LD50 trên thỏ của nano Cu là 1.344 mg/kg (thỏ đực) và 2.411 mg/kg (thỏ cái), cao hơn từ 2,1 đến 4,2 lần so với ion Cu2+. Tổng kết của Bondarenko và cs. khẳng định hạt nano kim loại và nano oxit kim loại có mức độ độc tính thấp hơn muối kim loại tương ứng đối với động vật giáp xác và cá.

Về phương pháp tổng hợp hạt nano Cu2O và nano Cu: Luận án phân tích các nhóm phương pháp chính:

  1. Phương pháp sinh học: Sử dụng vi khuẩn (Pseudomonas stutzeri, Escherichia coli), vi nấm (Fusarium oxysporum, Penicillium sp.), thực vật (Calotropis procera, Euphorbia nivulia, Gum karaya) theo tổng kết của Shobha và cs.
  2. Phương pháp oxy hóa kim loại: Chiếu xung laser bốc bay kim loại trong dung dịch (Liu và cs., Goldal và cs., Elfahen), đốt tấm đồng trong oxy (Kaur và cs.), hoặc phóng điện microplasma (Du và cs.).
  3. Phương pháp khử muối đồng: Thủy nhiệt và nhiệt phân (Kumar và cs., Zhao và cs., Firmansyah và cs.); Chiếu bức xạ ion hóa gamma Co-60 (Lin và cs., Yang và cs.); Hóa học xanh dùng dịch chiết thực vật chứa polyphenol, lignin (Fuku và cs., Akintelu và cs., Li và cs., Haider và cs.); Khử hóa học bằng các tác nhân như NaBH4, hydrazine, glucose, axit ascorbic (Guzman và cs., Obraztsova và cs., Demchenko và cs., Seo và cs., Andal và cs.).

Bảng tổng hợp đặc điểm kỹ thuật của một số phương pháp điều chế nano Cu2O được luận án tổng kết từ y văn:

TT Phương pháp Nguyên liệu chính Điều kiện kỹ thuật Kích thước / hình thái hạt Đặc điểm
1 Oxy hóa nhiệt Dây đồng trong lò nung 1.050 °C Tinh thể nano 0,66–0,83 µm Đòi hỏi nhiệt độ cao, năng lượng lớn
2 Khử trong polymer Cu2+, polymer / chất hoạt động bề mặt Nhiệt độ phòng, pH 7–10 Hạt nano ~100 nm, sợi ~16 µm Kết tụ hạt trong ống nano, cần kiểm soát nhiệt
3 Bốc hơi hoạt hóa Cu, plasma O2 150–200 °C Tinh thể nano, hạt cầu Nhiệt độ và điện thế cao, giá thành cao
4 Phun nhiệt phân Cu(NO3)2 / ethanol + H2O 450 °C 50–80 nm (có ethanol), ~100 nm Bắt buộc kiểm soát chính xác nhiệt độ
5 Chiếu laser Tấm Cu trong PVP Laser xung, nhiệt độ cao Hạt nano ~29 nm Năng lượng cao, thiết bị đắt tiền
6 Oxy hóa khử hóa học CuSO4, glucose Nhiệt độ sôi Hạt nano lục giác 25–123 nm Chi phí thấp, dễ chuyển pha sang CuO
7 Oxy hóa khử hóa học CuSO4, PEG, axit ascorbic, NaOH Nhiệt độ phòng Ống nano 25–200 nm Chi phí thấp, yêu cầu môi trường nitơ
8 Khử hóa học CuCl2, hydroxylamine, SDS, NaOH Nhiệt độ phòng Hạt nano đa dạng hình thái 40–420 nm Chất khử nguy hiểm, chi phí thấp

Về ứng dụng nano đồng trong nông nghiệp tại Việt Nam: Tác giả điểm lại nghiên cứu của Nguyễn Hoài Châu và cs. (xử lý giống ngô bằng nano Cu giúp tăng chiều cao > 10 cm và tăng năng suất > 33%); Cao Văn Dư và cs. (nano Cu trong glycerin/PVP trừ nấm hồng cao su ở 7–10 ppm); Bùi Duy Du và cs. (keo nano CuCl/chitosan trừ bệnh đạo ôn lúa 91%, đốm nâu thanh long 78% ở 50 ppm Cu; nano CuCl/zeolite 4A trừ tuyến trùng rễ cà phê đạt ~100% ở 20 ppm Cu).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Nghiên cứu quy trình tổng hợp nano composite Cu2O-Cu ổn định trong môi trường natri alginate rong nâu Việt Nam bằng chất khử N2H4; tối ưu hóa các thông số ảnh hưởng (nồng độ Cu2+, nồng độ N2H4, nồng độ alginate, pH) bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM); đánh giá cấu trúc, liên kết phối trí, thế zeta, độ bền lưu trữ hệ keo và chế tạo bột nano tan bằng sấy phun; xác định chỉ số an toàn độc học (LD50 và kích ứng da); kiểm tra hiệu lực phòng trừ đồng thời trên ba đối tượng dịch bệnh: nấm N. dimidiatum, nấm P. oryzae, vi khuẩn Xanthomonas sp. và dư lượng Cu tích lũy trong nông sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích:

  • Cơ sở hóa học vô cơ: Phản ứng tạo phức chất tetramin giữa ion Cu2+ và amoniac: $$\text{Cu(H}_2\text{O)}_4\text{(OH)}_2 + 4\text{NH}_3 \rightarrow [\text{Cu(H}_2\text{O)}_2\text{(NH}_3)_4]^{2+} + 2\text{H}_2\text{O} + 2\text{OH}^-$$
  • Phản ứng khử Cu2+ thành Cu2O và Cu kim loại bằng hydrazine trong môi trường kiềm: $$2\text{Cu}^{2+} + \text{N}_2\text{H}_4 + 4\text{OH}^- \rightarrow \text{Cu}_2\text{O} + \text{N}_2 + 3\text{H}_2\text{O}$$ $$2\text{Cu}^{2+} + \text{N}_2\text{H}_4 + 4\text{OH}^- \rightarrow 2\text{Cu}^0 + \text{N}_2 + 4\text{H}_2\text{O}$$ $$2\text{Cu}_2\text{O} + \text{N}_2\text{H}_4 \rightarrow 4\text{Cu}^0 + \text{N}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$
  • Cơ sở nhiệt động học: Tính toán thế oxy hóa khử theo giản đồ thế khử – pH (Yagi và cs.) cho thấy ở pH kiềm cao (pH 12), thế khử của phản ứng hydrazine đạt giá trị âm hơn (-1,17 V đến -1,27 V) so với ở pH 9 (-0,92 V đến -1,06 V), làm tăng động học phản ứng tạo mầm và giảm kích thước hạt nano.
  • Cơ sở hóa lý polymer: Alginate là copolymer cấu tạo từ các mắt xích β-D-mannuronate (M) và α-L-guluronate (G) nối bằng liên kết 1,4-glucoside, có khả năng tạo phức phối trí với ion đồng và bao bọc hạt nano qua tương tác tĩnh điện và hiệu ứng lập thể, ngăn ngừa sự kết tụ.

Bảng số liệu tính toán nhiệt động học thế oxy hóa khử của các phản ứng theo pH và nhiệt độ:

Ký hiệu phản ứng Phương trình phản ứng Thế oxy hóa khử ở pH 9 (V so với SHE) ở 298 K Thế oxy hóa khử ở pH 9 (V so với SHE) ở 323 K Thế oxy hóa khử ở pH 9 (V so với SHE) ở 353 K Thế oxy hóa khử ở pH 12 (V so với SHE) ở 298 K Thế oxy hóa khử ở pH 12 (V so với SHE) ở 323 K Thế oxy hóa khử ở pH 12 (V so với SHE) ở 353 K
(1.13) $\text{N}_2 + 4\text{H}_2\text{O} + 4e = \text{N}_2\text{H}_4 + 4\text{OH}^-$ -0,92 -0,98 -1,06 -1,09 -1,17 -1,27
(1.15) $\text{Cu(II)} + 2e = \text{Cu}$ 0,04 -0,02 -0,08 -0,14 -0,21 -0,29

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích:

  • Hóa chất và nguyên liệu: Natri alginate (Mw ~51.200 g/mol) từ rong nâu Khánh Hòa; CuSO4·5H2O, dung dịch NH3 25%, N2H4·H2O 80%, p-dimethylaminobenzaldehyde, cồn tuyệt đối, cồn 90%, cồn 99,5%, KBr.
  • Quy trình tổng hợp: Chuẩn bị 250 mL dung dịch keo Cu2O-Cu/alginate theo tỷ lệ định lượng:
STT Thành phần vật liệu điều chế CuSO4·5H2O (g) Alginate (g) NH3 (g) N2H4 (ml) H2O thêm đủ (ml)
1 Cu 60 mM - Alginate 5% 3,75 12,5 3,75 3,5 (8%) 246,5
2 Cu 80 mM - Alginate 5% 5,00 12,5 5,00 4,5 (8%) 245,5
3 Cu 100 mM - Alginate 5% 6,25 12,5 6,25 5,5 (8%) 244,5
4 Cu 80 mM - Alginate 5% 5,00 12,5 5,00 3,0 (12%) 247,0
5 Cu 80 mM - Alginate 5% 5,00 12,5 5,00 2,5 (16%) 247,5
6 Cu 80 mM - Alginate 4% 5,00 10,0 5,00 4,5 (8%) 245,5
7 Cu 80 mM - Alginate 6% 5,00 15,0 5,00 4,5 (8%) 245,5
  • Kỹ thuật phân tích đặc trưng:
    • Quang phổ UV-vis: Thiết bị UV-2401PC (Shimadzu, Nhật Bản), quét dải bước sóng 200–800 nm, cuvet thạch anh 1 cm.
    • Quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-AES): Thiết bị plasma ICP (Đức) xác định hàm lượng đồng trong vật liệu và nông sản.
    • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Thiết bị FT-IR 8400S (Shimadzu, Nhật Bản), dải số sóng 7.800–350 cm^-1, mẫu ép viên KBr.
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Thiết bị D8 Advance (Bruker), nguồn phát Cu Kα (λ = 1,5406 Å), góc quét 2θ từ 1° đến 70°. Kích thước tinh thể $d$ được tính theo phương trình Scherrer: $$d = \frac{0,9 \cdot \lambda}{\beta_{1/2} \cdot \cos\theta}$$
    • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Xác định hình thái và phân bố kích thước hạt.
    • Đo thế điện động Zeta: Đánh giá độ bền tĩnh điện của dung dịch keo.
    • Định lượng hydrazine dư: Phương pháp so màu quang phổ theo tiêu chuẩn ASTM D 1385-01 dùng thuốc thử p-dimethylaminobenzaldehyde.
    • Sấy phun: Thiết bị LPG-5 công suất 5 lít/giờ, nhiệt độ sấy 60 °C để chế tạo dạng bột nano.
  • Phương pháp tối ưu hóa: Phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) theo mô hình Box-Behnken với 3 nghiệm thức tâm khảo sát 3 yếu tố: nồng độ Cu2+ (60–100 mM), nồng độ chất khử N2H4 (8–16%), nồng độ alginate (4–6%).
  • Thử nghiệm độc tính: Xác định LD50 cấp đường miệng trên chuột Swiss; đánh giá độ kích ứng da theo thang điểm tiêu chuẩn.
  • Thử nghiệm sinh học: Đánh giá hiệu lực ức chế nấm N. dimidiatum, P. oryzae và vi khuẩn Xanthomonas sp. ở điều kiện in vitro (môi trường PDA, LB) và in vivo trong nhà lưới; xử lý số liệu bằng phương pháp phương sai, kiểm định LSD và tính độ lệch chuẩn SD.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về kim loại đồng, các trạng thái oxy hóa và phức chất của đồng, đặc biệt là phức chất tetramin đồng trong dung dịch amoniac. Chương này trình bày chi tiết cơ chế kháng khuẩn, kháng nấm và kháng virus của các hạt nano đồng và oxit đồng (Cu2O, CuO) qua các con đường: tương tác phá vỡ màng ngoài tế bào, tạo gốc tự do ROS, và liên kết đặc hiệu với nhóm chức sulfhydryl (-SH) của enzyme vi sinh vật.

Chương tổng quan phân tích sâu các phương pháp điều chế nano Cu2O (phương pháp sinh học, oxy hóa kim loại, khử muối đồng bằng bức xạ gamma, thủy nhiệt, nhiệt phân và khử hóa học), đồng thời so sánh ưu nhược điểm của từng kỹ thuật. Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và pha tinh thể của hạt nano được luận giải: thế khử và nồng độ chất khử (N2H4, NaBH4, axit ascorbic), loại chất bảo vệ (chất hoạt động bề mặt CTAB, dung môi hữu cơ, polymer tự nhiên alginate, chitosan), cũng như ảnh hưởng của pH và nhiệt độ phản ứng. Tác giả khẳng định tiềm năng của việc ứng dụng polymer alginate rong nâu Việt Nam làm chất ổn định xanh và môi trường kiềm hóa cho phản ứng tổng hợp hệ keo nano Cu2O-Cu phục vụ nông nghiệp bền vững.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc nguyên vật liệu, hóa chất đạt độ tinh khiết phân tích (PA), các chủng vi sinh vật gây bệnh (Neoscytalidium dimidiatum, Pyricularia oryzae, Xanthomonas sp.), các giống cây trồng kiểm nghiệm (thanh long Nữ Hoàng ruột đỏ H14, lúa OM 5451, lúa nếp 46), và động vật thử nghiệm (chuột nhắt trắng Swiss).

Chương này trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm tổng hợp dung dịch keo Cu2O-Cu/alginate quy mô 250 mL qua các bước: hòa tan alginate, tạo phức [Cu(NH3)4]2+, phối trộn, nhỏ giọt chất khử N2H4 (dư 10% để phản ứng chuyển hóa hoàn toàn), và khuấy trong 3 giờ. Quy trình tinh chế mẫu bằng cách kết tủa trong ethanol 90% để phân tích UV-vis đối chứng và kiểm tra N2H4 dư theo tiêu chuẩn ASTM D 1385-01 được chuẩn hóa. Các thông số vận hành thiết bị phân tích hiện đại (UV-vis, FT-IR, XRD, TEM, ICP-AES, thế Zeta, máy sấy phun LPG-5 ở 60 °C), thiết kế ma trận tối ưu hóa thực nghiệm Box-Behnken, quy trình xác định độc tính cấp đường miệng LD50, kích ứng da, và bố trí thí nghiệm in vitro, in vivo nhà lưới được quy định cụ thể, có đối chứng và lặp lại theo chuẩn thống kê.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate và hiệu ứng kháng bệnh hại thực vật

Chương 3 trình bày toàn bộ các kết quả thực nghiệm đạt được của luận án:

  • Nghiên cứu động học chuyển hóa và dư lượng chất khử: Hiệu suất chuyển hóa ion Cu2+ thành Cu2O và Cu đạt xấp xỉ 100% sau 2–3 giờ phản ứng. Phân tích dịch lọc theo tiêu chuẩn ASTM D 1385-01 xác nhận không còn tồn dư chất khử N2H4 trong dung dịch sản phẩm do lượng dư đã tham gia phản ứng khử tiếp Cu2O thành Cu kim loại.
  • Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ và tối ưu hóa RSM: Kích thước hạt nano phụ thuộc chặt chẽ vào nồng độ Cu2+, nồng độ N2H4, nồng độ alginate và pH. Ở pH 11–12, hạt tạo thành có độ phân tán tốt, kích thước nhỏ và đồng đều hơn so với ở pH 10. Phân tích mô hình hồi quy bậc hai và đồ thị đáp ứng bề mặt RSM Box-Behnken xác định được bộ thông số tối ưu: nồng độ Cu 80 mM, nồng độ alginate 5%, nồng độ N2H4 8%, pH 11, tạo ra hạt nano Cu2O-Cu có kích thước trung bình 20–30 nm.
  • Đặc trưng cấu trúc và hóa lý của vật liệu:
    • Phổ UV-vis: Phức chất [Cu(NH3)4]2+/alginate có đỉnh hấp thụ ở 610 nm; sau phản ứng khử, đỉnh này biến mất hoàn toàn và xuất hiện dải hấp thụ đặc trưng của nano Cu2O (~460–480 nm) và Cu (~570–590 nm). Phổ UV-vis của mẫu sau tinh chế kết tủa cồn trùng khớp với mẫu dung dịch keo ban đầu.
    • Giản đồ XRD: Xác nhận sự tồn tại đồng thời của các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho pha tinh thể lập phương Cu2O và Cu kim loại, kích thước hạt tính toán qua phương trình Scherrer phù hợp với kết quả chụp ảnh TEM.
    • Phổ FT-IR: Sự dịch chuyển các vân dao động của nhóm carboxylat (-COO-) và hydroxyl (-OH) của chuỗi alginate chứng minh sự hình thành liên kết phối trí vững chắc giữa hạt nano Cu2O-Cu với khung polymer alginate.
    • Độ bền hệ keo: Thế điện động Zeta của hệ keo đạt giá trị âm cao (khoảng -40 mV đến -50 mV), đảm bảo độ ổn định phân tán. Kích thước hạt và phổ UV-vis không thay đổi đáng kể sau 14 tháng bảo quản ở điều kiện thường.
    • Bột nano: Sấy phun ở 60 °C thu được bột nano Cu2O-Cu/alginate màu đỏ gạch, hòa tan hoàn toàn trong nước và tái tạo lại hệ keo nano có kích thước ban đầu.
  • Độc tính cấp và an toàn sinh học: Kết quả xác định giá trị LD50 qua đường miệng trên chuột Swiss đạt mức > 3.000 mg/kg thể trọng, xếp vào nhóm thuốc BVTV ít độc hại (nhóm IV/V GHS). Thử nghiệm trên da chuột không gây phản ứng kích ứng hay dị ứng.
  • Hiệu lực kháng bệnh thực vật:
Đối tượng dịch bệnh Đối tượng cây trồng Hiệu lực ức chế in vitro ở 30–40 ppm Cu Hiệu lực phòng trừ in vivo nhà lưới
Nấm Neoscytalidium dimidiatum (đốm nâu) Thanh long Nữ Hoàng ruột đỏ (H14) ~100% > 85%
Nấm Pyricularia oryzae (đạo ôn) Lúa OM 5451 ~100% 85–92%
Vi khuẩn Xanthomonas sp. (bạc lá) Lúa nếp 46 (IR46-25) ~100% 85–95%
  • Tích lũy kim loại Cu trong nông sản: Định lượng bằng ICP-AES cho thấy hàm lượng đồng trong quả thanh long và hạt lúa sau khi thu hoạch đều nằm trong giới hạn cho phép theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN), an toàn cho người tiêu dùng.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học:

  1. Luận án đã nghiên cứu có hệ thống và làm sáng tỏ quy luật ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố công nghệ (nồng độ Cu2+, nồng độ N2H4, nồng độ alginate, pH) đến kích thước, hình thái và pha tinh thể của hạt nano composite Cu2O-Cu tổng hợp từ muối đồng trong môi trường alginate chiết xuất từ rong nâu Khánh Hòa.
  2. Thiết lập thành công mô hình toán học hồi quy bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM - Box-Behnken), cho phép tối ưu hóa và dự đoán chính xác kích thước hạt nano Cu2O-Cu.
  3. Xác định rõ cơ chế liên kết phối trí giữa hạt nano Cu2O-Cu với các nhóm chức của polymer alginate qua phổ FT-IR, giải thích độ bền keo vượt trội kéo dài trên 14 tháng qua giá trị thế điện động Zeta âm cao.
  4. Cung cấp dữ liệu thực nghiệm đầu tiên về hiệu lực kháng đồng thời ba tác nhân gây bệnh hại thực vật nguy hiểm (Neoscytalidium dimidiatum, Pyricularia oryzae, Xanthomonas sp.) của hệ nano Cu2O-Cu/alginate ở nồng độ thấp (30–40 ppm Cu).

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn:

  1. Xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ tổng hợp dung dịch keo và quy trình sấy phun tạo bột nano Cu2O-Cu/alginate ở 60 °C, sử dụng hóa chất thông dụng, thao tác đơn giản, kiểm soát triệt để dư lượng chất khử hydrazine.
  2. Chứng minh chế phẩm có độ an toàn sinh học cao (LD50 đường miệng > 3.000 mg/kg, không gây kích ứng da), đủ điều kiện định hướng sản xuất thuốc BVTV thế hệ mới.
  3. Đề xuất giải pháp phòng trừ hiệu quả cao (> 85–95%) đối với bệnh đốm nâu thanh long, đạo ôn lúa và bạc lá lúa, không để lại dư lượng đồng vượt mức trong nông sản thu hoạch.

Kiến nghị của tác giả:

  • Tiếp tục mở rộng thử nghiệm chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate trong điều kiện đồng ruộng diện rộng ở các vùng sinh thái nông nghiệp khác nhau (đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nam Bộ).
  • Mở rộng nghiên cứu kiểm soát các bệnh hại khác trên cây trồng như bệnh xơ đen trên mít (Pantoea stewartii), bệnh thán thư, và tuyến trùng hại rễ.
  • Nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ ở quy mô bán công nghiệp (pilot) để sớm đưa chế phẩm vào lưu hành thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Các thử nghiệm sinh học mới được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm (in vitro) và nhà lưới (in vivo) có kiểm soát, chưa có số liệu khảo nghiệm diện rộng trên đồng ruộng thực tế qua nhiều mùa vụ với các biến động thời tiết tự nhiên (nhiệt độ, ẩm độ, mưa rửa trôi).
  • Luận án mới tập trung khảo sát trên ba chủng vi sinh vật chỉ thị và hai nhóm cây trồng chính (lúa và thanh long), chưa khảo sát toàn diện trên các loại cây ăn trái và cây công nghiệp khác.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Tiến hành các khảo nghiệm đồng ruộng diện rộng theo quy chuẩn khảo nghiệm thuốc BVTV của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.
  • Nghiên cứu bổ sung các chất phụ gia bám dính sinh học để tăng cường khả năng lưu giữ của hạt nano trên bề mặt lá khi gặp mưa.
  • Đánh giá phổ kháng khuẩn, kháng nấm trên các đối tượng vi sinh vật gây bệnh nguy hiểm khác trong nông nghiệp nhiệt đới.

Giá trị tham khảo

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

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu nano và Công nghệ Hóa học: Tham khảo phương pháp tổng hợp hạt nano oxit kim loại phân tán trong polymer tự nhiên, kỹ thuật tối ưu hóa Box-Behnken (RSM), và các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại (XRD, FT-IR, UV-vis, TEM, ICP-AES, thế Zeta).
  • Cán bộ nghiên cứu ngành Bảo vệ thực vật, Nông học và Công nghệ sinh học: Tham khảo quy trình bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu lực ức chế nấm, vi khuẩn in vitro và khảo nghiệm nhà lưới, phương pháp theo dõi chỉ số bệnh và phân tích tồn dư kim loại.
  • Các doanh nghiệp sản xuất chế phẩm sinh học, thuốc BVTV: Tham khảo công thức phối liệu, quy trình sấy phun tạo bột nano Cu2O-Cu/alginate tan hoàn toàn trong nước, và các dẫn liệu về độc tính cấp (LD50 > 3.000 mg/kg) để nghiên cứu thương mại hóa sản phẩm thuốc BVTV an toàn, thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phản ứng khử CuSO4 bằng hydrazine trong môi trường alginate lại tạo ra hỗn hợp Cu2O-Cu mà không phải Cu2O đơn thuần? Do thế điện cực chuẩn của phản ứng khử Cu2+ thành Cu+ ($E^0 = 0,159\text{ V}$) và Cu2+ thành Cu0 ($E^0 = 0,337\text{ V}$) cho phép các phản ứng xảy ra nối tiếp và song song. Hydrazine là chất khử mạnh, sau khi khử Cu2+ thành Cu2O, lượng hydrazine dư tiếp tục khử một phần Cu2O thành Cu kim loại ($2\text{Cu}_2\text{O} + \text{N}_2\text{H}_4 \rightarrow 4\text{Cu}^0 + \text{N}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$), tạo thành hệ nano composite Cu2O-Cu.

  2. Vai trò của polymer alginate chiết xuất từ rong nâu Khánh Hòa trong luận án là gì? Alginate đóng vai trò kép: (1) Trong hóa học, alginate hòa tan và bền ở pH kiềm (> 10), các nhóm chức carboxylat và hydroxyl của chuỗi polymer tạo phức phối trí bao bọc bề mặt hạt nano, tạo thế điện động Zeta âm cao (-40 đến -50 mV) giúp ngăn ngừa sự kết tụ hạt và chống oxy hóa trong 14 tháng; (2) Trong nông nghiệp, alginate là polymer sinh học có khả năng kích thích sinh trưởng, chống stress cho cây trồng và phân hủy sinh học an toàn.

  3. Dư lượng hydrazine (N2H4) sau phản ứng tổng hợp có gây độc cho chế phẩm không? Không. Kết quả định lượng theo tiêu chuẩn ASTM D 1385-01 đối với dịch lọc sau phản ứng xác nhận không phát hiện dư lượng hydrazine. Toàn bộ lượng hydrazine dư tính toán ban đầu đã phản ứng hết với Cu2O để tạo thành Cu kim loại và khí nitơ (N2) thoát ra ngoài.

  4. Mức độ an toàn độc học của vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate được xác định như thế nào? Thử nghiệm trên chuột nhắt trắng dòng Swiss xác định giá trị độc tính cấp qua đường miệng LD50 đạt > 3.000 mg/kg thể trọng (thuộc nhóm ít độc/nhóm cẩn trọng theo phân loại thuốc BVTV). Thử nghiệm tiếp xúc da trên chuột không gây bất kỳ phản ứng kích ứng hay tổn thương da nào.

  5. Nồng độ hoạt chất Cu của vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate cần thiết để đạt hiệu lực phòng trừ bệnh là bao nhiêu? Ở nồng độ hoạt chất 30–40 ppm Cu, vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate đạt hiệu lực ức chế ~100% trong điều kiện in vitro đối với nấm Neoscytalidium dimidiatum, nấm Pyricularia oryzae, vi khuẩn Xanthomonas sp., và đạt hiệu lực phòng trừ 85–95% trong điều kiện in vivo nhà lưới trên thanh long và lúa.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Đoàn Thị Bích Ngọc đã hoàn thành việc xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu nano composite Cu2O-Cu ổn định trong polymer sinh học alginate từ rong nâu Việt Nam bằng phương pháp khử hóa học. Nghiên cứu đã tối ưu hóa thành công các thông số công nghệ (nồng độ Cu 80 mM, alginate 5%, N2H4 8%, pH 11) để tạo ra hạt nano kích thước 20–30 nm, có độ bền keo trên 14 tháng và chế tạo thành công dạng bột sấy phun ở 60 °C. Vật liệu thể hiện hoạt tính kháng nấm và vi khuẩn cao ở nồng độ 30–40 ppm Cu trên cây thanh long và cây lúa, có độ an toàn độc học cao (LD50 > 3.000 mg/kg), không tồn dư chất khử và không để lại dư lượng kim loại vượt ngưỡng trong nông sản, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong sản xuất nông nghiệp an toàn.