MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, thực trạng ô nhiễm môi trƣờng đất, nƣớc, không khí ở nƣớc ta đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng. Vì vậy, việc đề xuất những giải pháp phòng ngừa và ngăn chặn sự ô nhiễm môi trƣờng là vấn đề cấp bách hiện nay. Trong lĩnh vực chế tạo vật liệu, đặc biệt là các vật liệu mới sử dụng các tác nhân có sẵn trong tự nhiên là các sản phẩm phụ của các quá trình công nghiệp, nông nghiệp,… làm giảm quá trình ô nhiễm môi trƣờng và hạn chế sử dụng hoá chất độc hại, đã và đang đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
Trong đó, một xu hƣớng nghiên cứu nhiều loại vật liệu mới, đó là những oxit kim loại với kích thƣớc nano bằng các phƣơng pháp xanh, sử dụng các tác nhân ổn định, tác nhân khử-oxi hoá là các dịch chiết từ cây, quả và một số loại vi khuẩn [14] ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn, vật liệu hấp phụ - cảm biến và ứng dụng trong y học đang đƣợc quan tâm trong những năm gần đây. Đối tƣợng nghiên cứu chính của những vật liệu này tập trung vào dải kích thƣớc từ 1nm tới 100nm, có tính chất từ hoặc là các oxit kim loại có tính chất quang. Một trong những loại vật liệu đó là nano oxit NiO với Eg = 3,6 - 4 eV, có tính chất độc đáo của quang học và từ tính, hoạt động nhƣ một chất bán dẫn với ứng dụng trong nhiều công nghệ nhƣ cảm biến [1], pin lithium-ion [2], xúc tác quang [3],. Vì vậy, khi kết hợp oxit NiO với một polymer sinh học nhƣ chitosan đƣợc thu thập từ tự nhiên với khả năng kháng khuẩn sẵn có sẽ hứa hẹn tạo ra một loại vật liệu nanocomposite có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
Ngoài ra, việc nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu nano oxit kim loại ứng dụng trong lĩnh vực môi trƣờng mà vật liệu xúc tác quang, y học, vật liệu kháng khuẩn [6, 8] có giá thành thấp, thân thiện với môi trƣờng với các tác nhân phản ứng đi từ các phế phẩm nông nghiệp, polymer sinh học có sẵn trong tự nhiên các loại vỏ chôm chôm, vỏ măng cụt,… giúp đƣa ra đƣợc các phƣơng pháp tổng hợp xanh, thân thiện môi trƣờng và phát triển bền vững. 1 Do đó, luận văn chọn đề tài: "Nghiên cứu chế tạo hệ nanocomposite NiO/chitosan ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn" nhằm chế tạo đƣợc vật liệu nanocompostie NiO/Chitosan (CS) sử dụng tác nhân phản ứng là dịch chiết từ vỏ quả măng cụt và đánh giá đƣợc khả năng kháng khuẩn của vật liệu. Mục tiêu nghiên cứu -Tổng hợp đƣợc và đánh giá đặc trƣng và cấu trúc của hệ vật liệu nanocomposite NiO/chitosan. - Đánh giá khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu nanocomposite NiO/CS.
Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu nano NiO bằng phƣơng pháp tổng hợp xanh sử dụng dịch chiết từ vỏ quả măng cụt - Tổng hợp hệ vật liệu nanocomposite NiO/Chitosan với sự hỗ trợ của sóng siêu âm - Đánh giá đặc trƣng cấu trúc và đánh giá khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu đã tổng hợp Kết quả đạt đƣợc: - Vật liệu nano NiO và hệ nanocomposite NiO/Chitosan - Kết quả đánh giá đặc trƣng cấu trúc vật liệu - Kết quả khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của hệ vật liệu trên nấm men Sacharomyces cerevisiae và hai chủng vi khuẩn Gram dƣơng (Bacillus subtilis) và Gram âm (E. coli) bằng phƣơng pháp khuếch tán đĩa. Những đóng góp mới của luận văn Tổng hợp đƣợc các hạt nano NiO/chitosan (NiO/CS) đƣợc tổng hợp từ niken nitrat hexahydrat làm tiền chất và dịch chiết từ vỏ măng cụt nhƣ một chất khử bằng phƣơng pháp đồng kết tủa với sự hỗ trợ của siêu âm. Nghiên cứu đánh giá khả năng kháng khuẩn của hệ vật liệu NiO/CS đối với các chủng vi khuẩn Gram dƣơng, Gram âm.
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1. Sự nhiễm khuẩn trong môi trƣờng Hiện nay, sự nhiễm khuẩn trong môi trƣờng đƣợc biết đến đối với các đối tƣợng khác nhau nhƣ môi trƣờng đất, môi trƣờng nƣớc, môi trƣờng không khí. Trong đó, một trong những nguyên nhân chính gây nhiễm khuẩn vào môi trƣờng là các chất thải từ quá trình chăn nuôi, nƣớc thải bệnh viện có chứa các vi sinh vật gây bệnh bị phát tán vào môi trƣờng đất và nƣớc. Đây cũng chính là nguyên nhân gây nên các nhóm truyền bệnh khác nhau từ đất, nƣớc và chuỗi thức ăn đến con ngƣời, động vật.
Trong đó, một số nguồn thải chính ngây nhiễm khuẩn trong môi trƣờng bao gồm: Đối với nguồn nước thải: từ các khu dân cƣ, từ các trang trại chăn nuôi gia súc, gia cầm, nƣớc thải từ các bệnh viện, … chứa nhiều các vi sinh vật gây bệnh, nếu không đƣợc xử lý sẽ gây hại sức khỏe cho con ngƣời. Các vi sinh vật hiện diện trong nƣớc thải bao gồm các vi khuẩn, vi rút, nấm, tảo, động vật nguyên sinh, … Nƣớc thải chứa một lƣợng khá lớn các sinh vật gây bệnh nhƣ vi khuẩn, virus, động vật nguyên sinh và các loại trùng. Nguồn chất thải rắn: chất thải rắn từ các bệnh viện và chất thải rắn sinh hoạt, chăn nuôi là các nguồn chính gây nhiễm khuẩn vào môi trƣờng. Trong đó, tại các bãi rác, bãi chôn lấp chất thải rắn không hợp vệ sinh, các hệ thống thu gom nƣớc rỉ rác chƣa đạt tiêu chuẩn và chƣa đƣợc xử lý triệt để dẫn đến hoá chất và vi sinh vật từ chất thải rắn dễ dàng thâm nhập gây ô nhiễm môi trƣờng đất.
Theo kết quả báo cáo môi trƣờng của Viện Y học Lao động và Vệ sinh môi trƣờng, các mẫu đất tại bãi rác Nam Sơn đều bị ô nhiễm trứng giun và coliform. Theo các kết quả thống kê cũng cho thấy, ngƣời dân sống gần bãi rác không hợp vệ sinh có tỷ lệ mắc các bệnh da liễu, viêm phế quản, đau xƣơng khớp cao hơn các nơi khác. Theo kết quả thu thập của Sở TN&MT Cao Bằng, 3 tỷ lệ ngƣời ốm và mắc các bệnh nhƣ tiêu chảy, da liễu, hô hấp tại khu vực chịu ảnh hƣởng của bãi rác cao hơn từ 1,1 đến 2,0 lần so với khu vực khác. Một số loại vi sinh vật kiểm định trong quá trình nghiên cứu: Các vi khuẩn trong nƣớc thải là các vi khuẩn Gram âm và Gram dƣơng.
Các vi khuẩn có khả năng gây bệnh còn đƣợc sử dụng làm thông số chỉ thị cho việc ô nhiễm môi trƣờng bởi các vi sinh vật. Nhƣ các vi sinh vật chỉ thị việc nhiễm bẩn nguồn nƣớc bởi phân, đó là E. Do đó số lƣợng E. coli đƣợc coi là một chỉ tiêu thích hợp cho việc quản lý nguồn nƣớc.
Bacillus thuộc loại trực khuẩn Gram dƣơng, đặc biệt Bacillus có khả năng sinh nội bào tử ở trung tâm, khi đó các vi khuẩn nhƣ Bacillus tạo ra một loại tế bào ngừng hoạt động gọi là nội bảo tử, có thể tránh bất kỳ sự tấn công nào có thể phá huỷ thành tế bào. Nhƣ tại điều kiện 100oC, bào tử Bacillus có thể chịu đến 180 phút và ổn định cao với nhiệt độ thấp, tác động của hóa chất, tia bức xạ. Bacillus hình thành bào tử khi môi trƣờng biến đổi đột ngột, cũng nhƣ có thể tồn tại trong thời gian dài dƣới những điều kiện bất lợi nhƣ khan hiếm chất dinh dƣỡng. Hầu hết các loài thuộc Bacillus đều có khả năng sinh nội bào tử hiếu khí, chúng đƣợc phân lập dễ dàng từ đất, nƣớc hoặc không khí.
Khi xử lý mẫu bằng nhiệt độ từ 50-80oC, trong thời gian từ 0 đến 30 phút, các tế bào sinh dƣỡng thƣờng bị nhiệt độ phá hủy trong khi nhiều bào tử còn sống sót. Bacillus cũng có thể phản ứng với sự thiếu dinh dƣỡng theo cách thức di chuyển cơ thể từ các điều kiện nghèo dinh dƣỡng đến nơi tốt hơn nhờ vào các lông roi hoặc tạo bào tử. Trong y học, Bacillus sbutilis có lợi đƣợc ứng dụng để chế tạo các chế phẩm tăng cƣờng hệ tiêu hóa cho cả ngƣời và động vật, điều trị các chứng viêm ruột, đại tràng, chống tiêu chảy do lạm dụng kháng sinh hoặc loạn khuẩn đƣờng ruột. Bacillus subtilis cũng đƣợc sử dụng rộng rãi trong nuôi trồng thủy sản, để xử lý môi trƣờng nƣớc.
Vi khuẩn Lactobacillus, có thể sống trong môi trƣờng pH thấp, nên đƣợc bổ sung vào trong các chế phẩm men vi sinh. Ngoài các vi khuẩn Bacillus có lợi thì cũng rất nhiều loại vi khuẩn Bacillus gây bệnh, nhƣ vi khuẩn gây bệnh than Bacillu anthracis, vì vậy đã từng đƣợc sử dụng làm vũ khí sinh học trong chiến tranh. Trong quá trình nghiên cứu diệt bào tử có hại thì sự kết hợp giữa xử lý vật lý và xử lý hoá học nhƣ xử lý áp suất cao, điện trƣờng, cực tím, ánh sáng cƣờng độ cao cũng nhƣ các chất kháng khuẩn tự nhiên thƣờng đƣợc sử dụng để diệt bào tử gây bệnh trong thực phẩm. Trong công nghệ thực phẩm, bào tử Bacillus từ đất có thể đi vào các sản phẩm nhƣ sữa, nƣớc ép trái cây,… Tuy nhiên, với việc tiệt trùng để xử lý các bào tử này bằng nhiệt hay tia cực tím cũng gây ảnh hƣởng không ít đối với chất lƣợng của các sản phẩm do sự xảy ra sự biến tính protein, enzyme hoặc phân huỷ các chất dinh dƣỡng ở nhiệt độ cao.
Trong một số thức ăn nguội không đƣợc bảo quản cận thận, khi bị nhiễm bảo từ Bacillus cereus cũng gây ra ói mửa và tiêu chảy. Saccharomyces cerevisiae là một loài nấm men thuộc chi Saccharomyces lớp Ascomycetes ngành nấm. Loài này có thể xem là loài nấm hữu dụng nhất trong đời sống con ngƣời từ trƣớc tới nay. Nó đƣợc dùng rộng rãi trong quá trình lên men làm bánh mì, rƣợu và bia.
Saccharomyces cerevisiae là một trong những loài sinh vật nhân chuẩn đƣợc khoa học dùng nhiều nhất cùng với E.coli là hai loài sinh vật mô hình phổ biến nhất. Giới thiệu chung về các phế phẩm nông nghiệp 1. Phế phẩm nông ngiệp Ngành nông nghiệp ở nƣớc ta, bao gồm trồng trọt, chăn nuôi, thủy sản và lâm nghiệp, với sản lƣợng nông nghiệp ngày càng tăng, kèm theo là các ngành chế biến sau thu hoạch phát triển. Ngoài ra, trong quá trình sản xuất cũng tạo ra nguồn phế, phụ phẩm lớn, với xu thế ngày một tăng về khối 5 lƣợng.
Vì vậy, nếu tận dụng đƣợc nguồn phế, phẩm phụ này sẽ đem lại hiệu quả kinh tế, đồng thời góp phần quan trọng giảm nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng.