Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano đồng bằng hệ thống điện sinh học nhằm ức chế vi khuẩn xanthomonas axonopodis và ralstonia solanacearum

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano đồng trong hệ thống điện sinh học nhằm ức chế vi khuẩn xanthomonas axonopodis và ralstonia solanacearum.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hoa
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Tú Cường
• Trường học: Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Đồng bằng hệ thống điện sinh học nhằm ức chế vi khuẩn Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KIM LOẠI ĐỒNG
• 1.1.1. Đồng ở trạng thái tự nhiên
• 1.1.2. Hạt nano Đồng
• 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 2.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Thiết kế hệ thống MFC
• 3.2. Phương pháp xác định mật độ tế bào
• 3.3. Phương pháp phân tích ion kim loại bằng AAS
• 3.4. Phương pháp thử tính kháng khuẩn của vật liệu nano Đồng
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. SỰ BIẾN ĐỘNG CÁC THÔNG SỐ TRONG KHOANG ANOT
• 4.1.1. Sự thay đổi về mật độ tế bào trong khoang Anot
• 4.1.2. Tốc độ tiêu thụ lactate trong khoang anot
• 4.2. SỰ BIẾN ĐỘNG CÁC THÔNG SỐ TRONG KHOANG CATOT
• 4.2.1. Sự suy giảm nồng độ ion Cu2+ trong dung dịch catot
• 4.2.2. Hiệu quả ức chế của nano Đồng đến vi khuẩn Xanthomonas axonopodis
• 4.2.3. Hiệu quả ức chế của nano Đồng đến vi khuẩn Ralstonia solanacearum
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu nano đồng trong điện sinh học

Nghiên cứu về vật liệu nano đồng trong hệ thống điện sinh học đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Vật liệu nano đồng không chỉ có khả năng kháng khuẩn mà còn có nhiều ứng dụng trong y học và nông nghiệp. Việc sử dụng hệ thống điện sinh học (BES) để tổng hợp vật liệu này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý ô nhiễm môi trường và bảo vệ cây trồng.

1.1. Đặc điểm và ứng dụng của vật liệu nano đồng

Hạt nano đồng có kích thước nhỏ, giúp tăng diện tích bề mặt và khả năng tương tác với vi khuẩn. Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y học, nông nghiệp và công nghệ cao. Đặc biệt, khả năng kháng khuẩn của chúng đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu.

1.2. Hệ thống điện sinh học và vai trò của nó

Hệ thống điện sinh học (BES) là công nghệ tiên tiến giúp tổng hợp vật liệu nano đồng một cách an toàn và hiệu quả. Công nghệ này không chỉ giúp thu hồi kim loại nặng mà còn tạo ra năng lượng sạch, góp phần bảo vệ môi trường.

II. Vấn đề ô nhiễm vi khuẩn gây bệnh trong nông nghiệp

Vi khuẩn gây bệnh như Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum đang gây ra thiệt hại lớn cho cây trồng. Việc kiểm soát và ức chế các vi khuẩn này là một thách thức lớn trong nông nghiệp hiện đại. Sử dụng vật liệu nano đồng có thể là giải pháp hiệu quả để giảm thiểu thiệt hại do vi khuẩn gây ra.

2.1. Tác động của vi khuẩn gây bệnh đến cây trồng

Vi khuẩn gây bệnh có thể làm giảm năng suất và chất lượng cây trồng. Chúng gây ra các triệu chứng như héo, vàng lá và thối rễ, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp.

2.2. Giải pháp kháng khuẩn từ vật liệu nano đồng

Sử dụng vật liệu nano đồng để ức chế vi khuẩn gây bệnh là một phương pháp hứa hẹn. Nghiên cứu cho thấy nano đồng có khả năng tiêu diệt vi khuẩn hiệu quả, giúp bảo vệ cây trồng mà không gây hại cho môi trường.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano đồng bằng hệ thống điện sinh học

Phương pháp tổng hợp vật liệu nano đồng thông qua hệ thống điện sinh học (BES) là một quy trình an toàn và hiệu quả. Phương pháp này không chỉ giúp thu hồi đồng từ nước thải mà còn tạo ra các hạt nano với kích thước và hình dạng mong muốn.

3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu nano đồng

Quy trình tổng hợp bao gồm việc sử dụng vi khuẩn trong hệ thống điện sinh học để chuyển hóa ion đồng thành hạt nano đồng. Quá trình này diễn ra trong môi trường kiểm soát, đảm bảo chất lượng sản phẩm.

3.2. Đánh giá hiệu quả của phương pháp

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này không chỉ hiệu quả trong việc thu hồi đồng mà còn tạo ra các hạt nano có tính kháng khuẩn cao. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong nông nghiệp và y học.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của vật liệu nano đồng

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu nano đồng có khả năng ức chế mạnh mẽ vi khuẩn gây bệnh. Các thử nghiệm cho thấy hiệu quả kháng khuẩn của nano đồng vượt trội so với các phương pháp truyền thống, mở ra hướng đi mới trong bảo vệ cây trồng.

4.1. Hiệu quả kháng khuẩn của vật liệu nano đồng

Các thử nghiệm cho thấy nano đồng có khả năng tiêu diệt tới 99% vi khuẩn gây bệnh. Điều này chứng tỏ tiềm năng lớn của vật liệu này trong việc bảo vệ cây trồng và cải thiện năng suất nông nghiệp.

4.2. Ứng dụng trong thực tiễn nông nghiệp

Vật liệu nano đồng đã được ứng dụng trong nhiều mô hình nông nghiệp, giúp giảm thiểu thiệt hại do vi khuẩn gây ra. Sự kết hợp giữa công nghệ nano và nông nghiệp bền vững đang trở thành xu hướng mới trong ngành nông nghiệp hiện đại.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về vật liệu nano đồng trong hệ thống điện sinh học mở ra nhiều triển vọng cho tương lai. Việc ứng dụng công nghệ này không chỉ giúp xử lý ô nhiễm mà còn bảo vệ cây trồng một cách hiệu quả. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng của vật liệu này.

5.1. Tương lai của vật liệu nano đồng trong nông nghiệp

Vật liệu nano đồng có tiềm năng lớn trong việc phát triển các sản phẩm bảo vệ thực vật an toàn và hiệu quả. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện tính ổn định và khả năng kháng khuẩn của vật liệu.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực điện sinh học

Cần nghiên cứu thêm về các phương pháp tổng hợp vật liệu nano khác và ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau. Việc kết hợp giữa công nghệ nano và điện sinh học sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và phát triển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt là đồng, đang là vấn đề cấp bách toàn cầu ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, tổng trữ lượng đồng trên Trái Đất lên tới khoảng 10^14 tấn, tuy nhiên chỉ một phần nhỏ có giá trị kinh tế trong điều kiện công nghệ hiện nay. Đồng tồn tại trong nước thải với hàm lượng có thể lên đến hàng nghìn miligam, gây biến đổi gen, ung thư và các tác động tiêu cực khác. Việc thu hồi và tái sử dụng đồng dưới dạng vật liệu nano được xem là giải pháp xử lý ô nhiễm hiệu quả và thân thiện môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano đồng bằng hệ thống điện sinh học (Bioelectrochemical system - BES), cụ thể là pin nhiên liệu vi sinh vật (Microbial fuel cells - MFC), nhằm ức chế vi khuẩn gây bệnh cây trồng gồm Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum. Nghiên cứu được thực hiện trong môi trường nhân tạo quy mô phòng thí nghiệm, với dung dịch CuCl2 5mM làm nguồn ion đồng, trong khoảng thời gian 7 ngày thí nghiệm chính. Mục tiêu chính là chế tạo hệ MFC để tái thu hồi đồng dưới dạng nano, đánh giá đặc trưng hình thái, cấu trúc và khả năng kháng khuẩn của vật liệu nano thu được.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển phương pháp tổng hợp vật liệu nano đồng an toàn, hiệu quả, đồng thời góp phần xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải. Về thực tiễn, vật liệu nano đồng thu hồi có thể ứng dụng làm thuốc bảo vệ thực vật sinh học, thay thế các hóa chất độc hại truyền thống, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về hệ thống điện sinh học (Bioelectrochemical system - BES) và lý thuyết về vật liệu nano đồng.

1. Hệ thống điện sinh học (BES): Là các tế bào điện hóa sử dụng vi sinh vật làm chất xúc tác sinh học trên điện cực. Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) là dạng phổ biến nhất, trong đó vi khuẩn ở khoang anot oxy hóa cơ chất (như lactate), giải phóng electron truyền qua điện cực than chì sang khoang catot, nơi ion kim loại được khử và kết tủa. MFC không chỉ sản sinh điện năng mà còn có khả năng thu hồi kim loại nặng từ nước thải.

2. Vật liệu nano đồng: Hạt nano đồng có kích thước dưới 100 nm, sở hữu đặc tính kháng khuẩn vượt trội nhờ diện tích bề mặt lớn và hiệu ứng lượng tử. Nano đồng có khả năng giải phóng ion Cu^2+ liên tục, tác động lên cấu trúc ADN và protein của vi khuẩn, gây ức chế và tiêu diệt vi sinh vật. Vật liệu nano đồng được tổng hợp bằng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp sinh học sử dụng BES là thân thiện môi trường và dễ kiểm soát kích thước hạt.

Các khái niệm chính bao gồm: mật độ quang tế bào (OD), hiệu suất khử ion kim loại, IC50 (nồng độ ức chế tối đa một nửa), biofilm (màng sinh học), và các kỹ thuật phân tích vật liệu như SEM, TEM, EDS, XRD.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng hai hệ thống MFC không mạch ngoài, không dùng màng trao đổi ion, gồm hai khoang anot và catot riêng biệt. Điện cực làm bằng than chì dài 13 cm, thể tích mỗi khoang 250 ml. Khoang anot chứa môi trường khoáng kị khí bổ sung 10 mM sodium lactate và vi khuẩn Shewanella putrefaciens SP200 hoặc Shewanella sp HN41 với mật độ OD ban đầu khoảng 0,02 (bước sóng 600 nm). Khoang catot chứa dung dịch CuCl2 5 mM.

Nguồn dữ liệu thu thập gồm: mật độ tế bào vi khuẩn (đo OD600), nồng độ lactate (phân tích HPLC), pH môi trường, nồng độ ion Cu^2+ (phân tích AAS), hình thái và cấu trúc vật liệu nano (SEM, TEM, EDS, XRD), và hoạt tính kháng khuẩn của nano đồng (phương pháp khuếch tán trên đĩa thạch, đo IC50).

Mẫu được lấy tại các thời điểm 0, 3, 5, 7 ngày. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm SciDAVis cho IC50 và các phương pháp thống kê mô tả khác. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng trong phòng thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Sự biến động mật độ tế bào vi khuẩn trong khoang anot: Mật độ OD của vi khuẩn Shewanella putrefaciens SP200 tăng lên đến 0,18 và Shewanella sp HN41 đạt 0,12 vào ngày thứ 5, tăng lần lượt khoảng 25% và 16% so với ban đầu. Sau đó, mật độ giảm nhẹ do hình thành biofilm trên vách ngăn, không di chuyển trong môi trường. Hệ đối chứng không có vi khuẩn giữ ổn định OD quanh giá trị ban đầu.

2. Tiêu thụ lactate trong khoang anot: Nồng độ lactate giảm nhanh trong 5 ngày đầu, gần như hết cơ chất, sau đó được bổ sung lại vào ngày thứ 7. Hệ đối chứng không có biến đổi lactate. Điều này chứng tỏ vi khuẩn sử dụng lactate làm cơ chất và nguồn electron cho quá trình oxy hóa yếm khí, tạo electron truyền đến điện cực.

3. Sự thay đổi pH trong khoang anot: pH giảm từ 7,7 xuống khoảng 7,4-7,5 sau 7 ngày do sản sinh proton trong quá trình oxy hóa lactate. Hệ SP200 giảm pH khoảng 24%, hệ HN41 giảm khoảng 10%, phù hợp với mức độ tiêu thụ lactate.

4. Giảm nồng độ ion Cu^2+ trong khoang catot: Sau 7 ngày, nồng độ ion Cu^2+ giảm khoảng 18% trong dung dịch catot, chứng tỏ hiệu quả khử ion đồng và kết tủa nano đồng trên điện cực. Kết tủa thu được có màu xanh da trời đặc trưng của nano đồng.

5. Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nano đồng: Nano đồng thu được thể hiện khả năng ức chế sinh trưởng vi khuẩn Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum rõ rệt. Đường kính vòng ức chế tăng theo nồng độ nano đồng, với IC50 lần lượt khoảng 50-100 ppm, cho thấy hiệu quả kháng khuẩn cao.

Thảo luận kết quả

Sự tăng trưởng vi khuẩn trong khoang anot và tiêu thụ lactate chứng minh hiệu quả của hệ MFC trong việc chuyển hóa cơ chất và sinh electron. Việc hình thành biofilm trên vách ngăn giúp vi khuẩn duy trì hoạt động ổn định dù mật độ OD trong môi trường giảm do tế bào tập trung trên bề mặt.

Giảm pH phù hợp với phản ứng phân hủy lactate tạo proton, ảnh hưởng đến hoạt động vi khuẩn nhưng không gây ức chế đáng kể trong khoảng pH 6-9. Nồng độ ion Cu^2+ giảm chứng tỏ quá trình khử ion đồng thành nano đồng diễn ra hiệu quả trong hệ thống không mạch ngoài, không màng trao đổi ion, giúp giảm chi phí và tạo vật liệu nano kích thước nhỏ.

Hoạt tính kháng khuẩn của nano đồng phù hợp với cơ chế giải phóng ion Cu^2+ tác động lên cấu trúc ADN và protein vi khuẩn, làm mất chức năng enzyme và màng tế bào. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trước về hiệu quả kháng khuẩn của nano đồng trên nhiều chủng vi khuẩn gram âm và gram dương.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến động OD tế bào, nồng độ lactate, pH, nồng độ Cu^2+ theo thời gian, cùng bảng kết quả đo đường kính vòng ức chế và IC50 để minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống và vật liệu nano thu được.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng quy mô nghiên cứu và ứng dụng thực tế: Triển khai hệ thống MFC không mạch ngoài trong quy mô pilot tại các cơ sở xử lý nước thải công nghiệp chứa đồng, nhằm đánh giá hiệu quả thu hồi nano đồng và xử lý ô nhiễm trong điều kiện thực tế. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng.

2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành MFC: Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như nồng độ ion đồng, mật độ vi khuẩn, pH, nhiệt độ đến kích thước và tính chất nano đồng, nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi và chất lượng vật liệu. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm nghiên cứu môi trường và công nghệ nano.

3. Phát triển sản phẩm nano đồng ứng dụng bảo vệ thực vật: Khai thác khả năng kháng khuẩn của nano đồng để sản xuất thuốc bảo vệ thực vật sinh học, thay thế thuốc hóa học độc hại, giảm ô nhiễm môi trường nông nghiệp. Thời gian nghiên cứu và phát triển sản phẩm khoảng 24 tháng.

4. Đánh giá độc tính và an toàn sinh học của nano đồng: Tiến hành các nghiên cứu độc tính trên thực vật, động vật và môi trường để đảm bảo an toàn khi ứng dụng rộng rãi nano đồng trong nông nghiệp và môi trường. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu sinh học và môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Nano: Nghiên cứu phương pháp tổng hợp vật liệu nano thân thiện môi trường, ứng dụng hệ thống điện sinh học trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng.

2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải công nghiệp: Áp dụng công nghệ MFC để thu hồi kim loại đồng và xử lý nước thải ô nhiễm, giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý.

3. Nhà sản xuất thuốc bảo vệ thực vật sinh học: Tìm hiểu về vật liệu nano đồng có khả năng kháng khuẩn cao, phát triển sản phẩm thay thế thuốc hóa học truyền thống.

4. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Đánh giá các giải pháp công nghệ mới trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng và bảo vệ cây trồng, xây dựng chính sách hỗ trợ ứng dụng công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Nano đồng được tổng hợp bằng phương pháp nào trong nghiên cứu này?
   Nghiên cứu sử dụng hệ thống điện sinh học không mạch ngoài (BES) dạng pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) để tổng hợp nano đồng từ dung dịch CuCl2 5 mM trong môi trường nhân tạo. Phương pháp này an toàn, thân thiện môi trường và kiểm soát được kích thước hạt.

2. Hiệu quả kháng khuẩn của nano đồng đối với vi khuẩn gây bệnh cây như thế nào?
   Nano đồng thể hiện khả năng ức chế sinh trưởng vi khuẩn Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum với IC50 khoảng 50-100 ppm, cho thấy hiệu quả kháng khuẩn cao, phù hợp làm thuốc bảo vệ thực vật sinh học.

3. Tại sao không sử dụng màng trao đổi ion và mạch ngoài trong hệ MFC?
   Việc loại bỏ màng trao đổi ion và mạch ngoài giúp giảm chi phí sản xuất, đồng thời tạo điều kiện cho dòng điện thấp, thuận lợi cho việc tổng hợp vật liệu nano kích thước nhỏ và đồng nhất hơn.

4. Làm thế nào để xác định kích thước và cấu trúc của vật liệu nano đồng?
   Sử dụng các kỹ thuật phân tích vật liệu như kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán sắc năng lượng (EDS) và nhiễu xạ tia X (XRD) để khảo sát hình thái, thành phần và cấu trúc tinh thể của nano đồng.

5. Nano đồng có độc tính như thế nào đối với môi trường và con người?
   Mặc dù nano đồng có khả năng kháng khuẩn mạnh, nghiên cứu độc tính vẫn đang được tiếp tục. Độc tính phụ thuộc vào nồng độ, pH, nhiệt độ và điều kiện môi trường. Việc đánh giá độc tính toàn diện là cần thiết trước khi ứng dụng rộng rãi.

Kết luận

• Hệ thống MFC không mạch ngoài sử dụng vi khuẩn Shewanella sp. hiệu quả trong việc tổng hợp vật liệu nano đồng từ dung dịch CuCl2 5 mM trong môi trường nhân tạo.
• Mật độ tế bào vi khuẩn tăng trưởng ổn định, lactate được tiêu thụ làm cơ chất, pH môi trường biến động phù hợp với quá trình oxy hóa yếm khí.
• Nồng độ ion Cu^2+ giảm khoảng 18% sau 7 ngày, chứng tỏ hiệu quả khử và kết tủa nano đồng trên điện cực than chì.
• Vật liệu nano đồng thu được có khả năng ức chế sinh trưởng vi khuẩn gây bệnh cây Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum với hiệu quả cao.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng công nghệ BES trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng và phát triển thuốc bảo vệ thực vật sinh học thân thiện môi trường.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu quy mô thực nghiệm, tối ưu hóa điều kiện vận hành, đánh giá độc tính và phát triển sản phẩm ứng dụng.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực môi trường và nông nghiệp nên hợp tác để ứng dụng công nghệ này, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được tôi trích dẫn nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai ngoài nhóm nghiên cứu công bố trong bất cứ công trình nào. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Học viên Nguyễn Thị Hoa ii LỜI CẢM ƠN Luận văn Thạc sĩ khoa học - Chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường của tôi với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Đồng bằng hệ thống điện sinh học nhằm ức chế vi khuẩn Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum’’ được thực hiện tại phòng thí nghiệm Vi sinh vật môi trường - Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, với sự hướng dẫn của TS.

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi luôn nhận được sự quan tâm, động viên, hỗ trợ từ thầy hướng dẫn. Bằng tất cả sự kính trọng, lòng biết ơn, tôi xin phép được gửi tới TS. Hồ Tú Cường lời cảm ơn chân thành nhất. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ -Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập và hoàn thành luận văn.

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện Công nghệ Môi trường, thể lãnh đạo, cán bộ, viên chức phòng Vi sinh vật Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được hoàn thành tốt luận văn này. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức, và hướng dẫn tôi hoàn thành chương trình học tập và thực hiện luận văn. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo Trung tâm Khoa học Công nghệ và Môi trường, xin cảm ơn gia đình đã luôn ở bên, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cả tinh thần và vật chất cho tôi hoàn thành tốt luận văn. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh Atomic Absorption AAS Quang phổ hấp thụ nguyên tử Spectrometric Bioelectrochemical BES Hệ thống điện sinh học system Shewanella putrefaciens HN41 Vi khuẩn Shewanella HN41 HN41 High-performance liquid HPLC Sắc kí lỏng hiệu năng cao chromatography MFC Pin nhiên liệu vi sinh vật Microbial fuel cell OD Mật độ quang Opical Density Scanning electron SEM Hiển vi điện tử quét microscopy Shewanella putrefaciens SP200 Vi khuẩn Shewanella SP200 SP200 Transmittion electron TEM Hiển vi điện tử truyền qua microscopy XRD Nhiễu xạ tia X X-ray diffraction iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

ii DANH MỤC HÌNH. Tính cấp thiết của đề tài. Mục đích của nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KIM LOẠI ĐỒNG. Đồng ở trạng thái tự nhiên………………………….

Hạt nano Đồng…………………………………………. Ô nhiễm Đồng và ảnh hưởng đối với con người, động vật. HỆ THỐNG ĐIỆN SINH HỌC (BES BIOELECTROCHEMICAL SYSTEM). Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC – Microbial fuel cells).

Vi sinh vật ứng dụng trong các hệ thống điện sinh học. Ứng dụng của các hệ thống điện sinh học trong thu hồi kim loại nặng…………………………… …………………… …………. Vi khuẩn gây bệnh trên cây Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum…………………………………………. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU. Các dạng hệ thống điện sinh học…………………………. PHẠM VI NGHIÊN CỨU. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.

Thiết kế hệ thống MFC…………………………………. Phương pháp xác định mật độ tế bào…………………. Phương pháp phân tích ion kim loại bằng AAS………. Phương pháp thử tính kháng khuẩn của vật liệu nano Đồng.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. SỰ BIẾN ĐỘNG CÁC THÔNG SỐ TRONG KHOANG ANOT. Sự thay đổi về mật độ tế bào trong khoang Anot ……………………. Tốc độ tiêu thụ lactate trong khoang anot…………….

SỰ BIẾN ĐỘNG CÁC THÔNG SỐ TRONG KHOANG CATOT. Sự suy giảm nồng độ ion Cu2+ trong dung dịch catot. Hiệu quả ức chế của nano Đồng đến vi khuẩn Xanthomonas axonopodis……………………………………………………. Hiệu quả ức chế của nano Đồng đến vi khuẩn Ralstonia solanacearum………………………………………………….

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 61 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Khả năng thu hồi kim loại nặng bằng MFC.

Thành phần môi trường LB. Các dung dịch khoáng gốc dùng để chuẩn bị môi trường nuôi cấy vi khuẩn trong khoang anot. Thành phần dung dịch khoáng vi lượng để chuẩn bị môi trường nuôi cấy vi khuẩn trong khoang Anot. Thành phần môi trường lỏng dùng trong khoang Anot.

Kích thước vòng kháng của nano đồng đối với vi khuẩn Ralstonia solanacearum. Bảng giá trị IC50. 57 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1. Xả thải ô nhiễm ra môi trường nước.

Sơ đồ cấu tạo 1 MFC đơn giản. Vi khuẩn thuộc chủng Shewanella putrefacien [25]. Hệ thống điện sinh học không mạch ngoài có điện cực dương. Sự biến động của mật độ tế bào vi khuẩn Shewanella.

Sự biến động của hàm lượng lactate trong khoang anot. Sự biến động của pH trong môi trường khoang anot. Sự biến động của hàm lượng ion Cu2+ trong khoang catot. Ảnh hiển vi điện tử quét (A,B) của vật liệu trên bề mặt than chì của hệ cấy chủng SP200 và ảnh hiển vi điện tử quét (C,D) của vật liệu trên bề mặt than chì có chủng HN41.

Ảnh ESD của vật liệu trên bề mặt điện cực than chì của hệ cấy với chủng SP200. Ảnh ESD của vật liệu trên bề mặt điện cực than chì của hệ cấy với chủng HN41. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu nano đồng thu được. Đĩa thạch thử tính kháng khuẩn của nano đồng đối với vi khuẩn Xanthomonas axonopodis.

Hiển vi điện tử quét tế bào vi khuẩn Xanthomonas axonopodis sau 24h. Đĩa thạch thử tính kháng khuẩn của nano đồng đối với vi khuẩn Ralstonia solanacearum. Hiển vi điện tử quét tế bào vi khuẩn Ralstonia solanacearum. Tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn Ralstonia solanacearum sau 48h.

Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, môi trường và ô nhiễm môi trường đang là vấn đề thời sự được cả thế giới quan tâm. Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, gia tăng các hoạt động công nghiệp là việc sản sinh các chất thải nguy hại, tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Đồng là một trong những kim loại độc hại, đồng và các hợp chất của nó với hàm lượng cao lên đến hàng nghìn miligam trong nước thải có liên quan trực tiếp đến biến đổi gen, ung thư cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Chính vì vậy, việc thu hồi và tái sử dụng đồng dưới dạng nano đang là một hướng xử lý ô nhiễm cần thiết hiện nay.

Đồng khi ở dạng vật liệu nano lại thể hiện được những đặc tính ưu việt hơn so với các hạt có kích thước lớn hơn và có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống. Trong khoa học vật liệu người ta thường sử dụng các hạt nano đồng trong việc chế tạo cảm biến quang ( photo-detectors), các vật liệu có tính chất quang phi tuyến ( nonlinear optical materials) và vô số các thiết bị phát quang (luminescence devices), quang hóa xúc tác (photochemical catalysis), máy dò (detectors) tia laser và hồng ngoại,[1].Cùng với sự phát triển của xã hội, công nghệ nano đã được ứng dụng nhiều hơn trong y học, thuốc bổ sung hoặc bào chế dưới dạng nano đã dần chứng minh được hiệu quả tuyệt vời của mình về khả năng cải thiện kết quả trị liệu và tăng tính an toàn của sản phẩm so với các dạng bào chế qua ước. Trên thị trường dược phẩm thế giới đã xuất hiện nhiều sản phẩm nano sử dụng trong phòng và điều trị các bệnh viêm nhiễm nặng, ung thư và liên quan đến liệu pháp gen. Tiểu phân nano với kích thước siêu nhỏ (1-1.000nm) có cấu tạo lõi thân nước hoặc thân dầu bao quanh bởi bề mặt thân nước, dễ dàng phân tán vào môi trường sinh lý bên trong cơ thể.

Kích thước tiểu phân nano nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước tế bào (kích thước tế bào bình thường khoảng 10-100μm), tế bào ung thư có thể đạt 2 kích thước đến vài mm. Chính vì thế, tiểu phân nano được thiết kế phù hợp với đường đi của thuốc bên trong cơ thể có khả năng giúp vận chuyển thuốc đến đúng vị trí cần giải phóng hoạt chất hoặc đích sinh học (mô bệnh, tế bào bệnh hoặc bào quan bên trong tế bào bệnh) cải thiện vượt trội tính an toàn và hiệu quả trị liệu của thuốc. Hạt nano đồng được tổng hợp theo nhiều phương pháp như: Phương pháp hóa hơi bằng nhiệt (thermal evaporation)[2], phương pháp lắng đọng hơi hóa học (chemical vapor deposition)[3], quá trình tổng hợp dung môi nhiệt (solvothermal)[4], và quá trình tổng hợp thủy nhiệt (hydrothermal). Tuy nhiên, các phương pháp này rất độc hại và khó tùy chỉnh được kích thước mong muốn.

Phương pháp sinh học sử dụng năng lượng điện tạo ra từ hệ thống điện sinh học (Bioelectrochemical system – BES) như pin nhiên liệu sinh học (MFC) để tổng hợp vật liệu nano được biết đến như một phương pháp an toàn và thân thiện với môi trường. Chính vì vậy, học viên đã lựa chọn đề tài ‘‘Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Đồng bằng hệ thống điện sinh học nhằm ức chế vi khuẩn Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum” 2. Mục đích của nghiên cứu - Chế tạo hệ pin nhiên liệu vi sinh vật nhằm tái thu hồi kim loại đồng có trong nước thải dưới dạng vật liệu nano - Đánh giá được đặc trưng về hình thái, cấu trúc của vật liệu nano đồng thu được - Đánh giá khả năng kháng vi khuẩn của vật liệu nano đồng đối với hai chủng vi sinh vật gây bệnh cho cây là Xanthomonas axonopodis và Ralstonia solanacearum. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Các dạng hệ thống điện sinh học và các chủng vi khuẩn Shewanella có thể sử dụng trong hệ thống điện sinh học và môi trường nước có ion đồng tự tạo.

- Phạm vi nghiên cứu: Môi trường nhân tạo ở quy mô phòng thí nghiệm. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Vật liệu nano là một trong những lĩnh vực nghiên cứu được quan tâm trong thời gian gần đây đặc biệt là nano đồng.