Đặt vấn đề Kháng sinh là một loại thuốc được sử dụng nhằm ngăn chặn cũng như tiêu diệt các mầm bệnh gây hại. Tuy nhiên có nhiều người lạm dụng việc này dẫn đến hậu quả tồn đọng dư lượng kháng sinh trong thủy sản ở mức khá cao, khiến cho những loài thủy sản này bị lờn thuốc, khả năng tự kháng cự lại vi khuẩn yếu dần và mất đi, nguy hiểm hơn là có thể bị biến đổi gen. Việc lạm dụng chất kháng sinh như vậy làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người tiêu dùng: Rất nhiều trường hợp ngộ độc thực phẩm đã xảy ra do sử dụng sản phẩm thủy hải sản chứa nhiều dư lượng kháng sinh, gây suy gan, suy thận; nếu tích tụ lâu ngày còn có thể dẫn đến ung thư [1]. Các vấn đề môi trường gây ra do hoạt động công nghiệp hóa toàn cầu đã nhận được nhiều sự quan tâm trong giai đoạn vừa qua.
Trong đó, việc sản xuất và sử dụng kháng sinh ở tần suất và hàm lượng ngày càng cao đã gây ra nhiều tác động môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là tình trạng kháng thuốc. Trong số đó, Kháng sinh Oxytetracycline (OTC) là một loại kháng sinh dự phòng phổ biến do hoạt tính phổ rộng và chi phí thấp [3]. Dư lượng của nó có thể được tìm thấy trong đất, nước mặt và các nhà máy xử lý nước thải [4]. Sự tồn tại của OTC trong các môi trường khác nhau có hại do độc tính tiềm tàng, khả năng gây ung thư, gây đột biến và rối loạn nội tiết [5].
Vì vậy, việc loại bỏ kháng sinh ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm. Cho đến nay, các phương pháp khác nhau như keo tụ, lọc màng, công nghệ sinh học, trao đổi ion và hấp phụ vật lý đã xuất hiện để xử lý OTC trong nước [6]. Ngoài ra, công nghệ quang xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy ngày càng thu hút sự chú ý trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước và thân thiện với môi trường của nó. Chất xúc tác quang đóng một vai trò lớn trong hiệu quả phân hủy và các ứng dụng thực tế trong xử lý nước [7].
Gần đây, các oxit kim loại và kim loại chuyển tiếp như TiO2, ZnO, SnO2, WO2, CeO2,… có nhiều trong tự nhiên được sử dụng rộng rãi như một chất xúc tác quang hóa, đặc biệt là chất xúc tác quang cho quá trình dị thể. Trong số đó, ZnO được đánh giá là chất xúc tác có nhiều triển vọng trong việc phân hủy chất màu hữu cơ cũng như khử trùng nước, khả năng mở ra triển vọng mới cho ứng dụng phân hủy dư lượng kháng sinh. ZnO có năng lượng vùng cấm khá lớn (3,27 eV) nên khả năng xúc tác quang hóa của ZnO cao hơn so với TiO2 và một số oxit bán dẫn khác trên cơ sở hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời [8]. Việc sử dụng các chất xúc tác quang có hoạt tính cao sẽ có hiệu quả trong việc loại bỏ OTC khỏi môi trường.
Những vật liệu này cũng có thể được tái sử dụng. Khả năng quang xúc tác nội tại tuyệt vời dưới ánh sáng khả kiến và điều kiện thí nghiệm được tối 2 ưu hóa là hai khía cạnh quan trọng trong việc phát triển các chất xúc tác quang hiệu quả. Tuy nhiên, chúng được điều chế bằng các quy trình chuẩn bị phức tạp hoặc có khả năng quang xúc tác thấp [9]. Việc phát triển các chất xúc tác quang điều khiển bằng ánh sáng nhìn thấy được bằng các phương pháp đơn giản và thân thiện với môi trường vẫn là một thách thức quan trọng [11].
Điều này mở ra triển vọng lớn trong việc lựa chọn ZnO và các dị thể của nó. Do đó, luận văn “Nghiên cứu xủ lý kháng sinh trong nước bằng phương pháp quang xúc tác trên nền vật liệu nano ZnO” được thực hiện nhằm tìm ra giải pháp xử lý ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước bằng quá trình quang xúc tác sử dụng vật liệu nano ZnO. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xử lý kháng sinh trong nước bằng phương pháp quang xúc tác trên nền vật liệu nano ZnO. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm những nội dung chính sau: ‐ Nội dung 1: Tổng hợp và biến tính vật liệu nano xúc tác quang ZnO.
Nghiên cứu đặc trưng của vật liệu (XRD, FT-IR, SEM, EDX, UV-Vis). ‐ Nội dung 2: Thực nghiệm xử lý kháng sinh OTC bằng quá trình quang xúc tác hoạt hóa PDS tại các điều kiện khác nhau như: Vật liệu xúc tác, hàm lượng PDS, nhiệt độ nung vật liệu và môi trường pH phù hợp. ‐ Nội dung 3: Nghiên cứu nhận diện và vai trò hoạt động của các oxy hóa hoạt tính. ‐ Nội dung 4: Thu hồi và tái sử dụng xúc tác 1.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm: ‐ Vật liệu nano ZnO. ‐ Kháng sinh Oxytetracycline. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Phòng thí nghiệm phân tích Môi trường, phòng 710, tòa nhà BK-B2, Trường Đại Học Bách khoa - ĐHQG - HCM, Linh Trung, Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học Đề tài này sẽ là cơ sở có ý nghĩa khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu quang xúc tác nano ZnO trong phân hủy kháng sinh, thuốc nhuộm, chất bảo vệ thực vật & khử trùng. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để đánh giá hiệu quả xử lý và tiềm năng quang xúc tác của vật liệu khi được biến tính và kết hợp với các phương pháp oxy hóa bậc cao (AOPs). Xác định được các đặc trưng của vật liệu tổng hợp tối ưu hóa đặc tính & khả năng quang xúc tác của vật liệu tổng hợp.
Tạo tiền đề cho việc nghiên cứu, triển khai thực tế khi xử lý nước thải tồn tại dư lượng kháng sinh phù hợp tính cấp thiết của đề tài trong thực tế đời sống sản xuất, nuôi trồng thủy sản, … 1. Tính mới của đề tài Qua quá trình tìm hiểu một số tài liệu và các công trình nghiên cứu trước đây thì vật liệu được chế tạo trên nền ZnO thương mại pha tạp Cobalt (Co-ZnO) với mục đích giảm chi phí và thời gian cho quá trình chế tạo vật liệu ZnO theo phương pháp đồng kết tủa để xử lý thuốc nhuộm hữu cơ oesin vàng [68] và methyl cam [78]. Bên cạnh tăng hiệu suất xử lý chất ô nhiêm, cụ thể là Oxytetracycline cũng như giảm thời gian vận hành so với các nghiên cứu trước [85]. Đề tài với khả năng đánh giá tổng quan về các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình xử lý dư lượng kháng sinh Oxytetracycline, sử dụng các thí nghiệm với nhiều sự thay đổi vê môi trường phản ứng như: Liều lượng chất xúc tác PDS, nhiệt độ nung vật liệu, môi trường pH, xác định gốc tự do nhằm xác định được điều kiện tối ưu và và đưa ra quy trình xử lý tốt nhất.
Bên cạnh, đề tài cũng hướng đến mục đích tăng cường hoạt động xúc tác quang của vật liệu, tăng độ bền và tăng khả năng tái sử dụng vật liệu được nhiều lần từ những thí nghiệm đánh giá về hiệu suất xử lý dư lượng kháng sinh Oxytetracycline. Từ đó, cho thấy tiềm năng ứng dụng vào thực tiễn của vật liệu Co-ZnO được tổng hợp. Tổng quan về kháng sinh Vào năm 1928, một nhà khoa học người Scotland tên là Alexander Fleming đã tìm thấy khắc tinh của các loại vi khuẩn. Thứ ông phát hiện được là một loại nấm mốc đang tiêu diệt hết những vi khuẩn nào bám lại gần chúng.
Đó là loại nấm mốc thuộc chủng Penicillium, từ đó loài nấm đó, ông chiết ra một thành phần có khả năng diệt khuẩn tên là Penicilin [13].1 thể hiện một số nhóm kháng sinh chính. Kháng sinh còn được gọi là trụ sinh là những chất được chiết xuất từ các vi sinh vật, nấm, được tổng hợp hoặc bán tổng hợp, có khả năng tiêu diệt vi khuẩn hay kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn một cách đặc hiệu. Nó có tác dụng lên vi khuẩn ở cấp độ phân tử, thường là một vị trí quan trọng của vi khuẩn hay một phản ứng trong quá trình phát triển của vi khuẩn. Ngoài ra, trong y học hiện đại, người ta hiểu kháng sinh là các chất tự nhiên, bán tổng hợp hay tổng hợp, có tác dụng kháng khuẩn [12].2 thể hiên công thức hóa học của một số nhóm kháng sinh chính.1: Một số nhóm kháng sinh chính [13].
STT Họ Nhóm Nhánh phụ Đại diện loại Benzil-penicillins Phenoxypenicillin Isoxazolyl-penicillin. Oxacillin Penicilins Amino-penicillins Amoxcillin Carboxy-penicillins Carbenicillin Acylamino-pecnicillins Piperacillin 1 𝛽-lactams Cefazolin Cefazolin Cefuroxim Cefuroxim Cephalosprins Cefotaxim Cefotaxim Cefalexin Cefprozil Carbpenems Meropenem 5 Oxytetracycline 2 Tetracyclines Doxycycline Doxytetracycline Aminoglycoside 3 Gentamicin 1c Aminoglycosides s 4 Macrolides Erythromycin A Macrolides 5 Glycopeptides Vancomycin Sulfamethoxazole 6 Sulfonamides Sulfamethazine 7 Quinolones Fluoroquinolones Levofloxacin Bảng 2.2: Công thức hóa học của một số nhóm kháng sinh chính [12]. STT Nhóm Công thức hóa học Cấu trúc hóa học 1 Penicilins C16H18N2O4S 2 Cephalosprins C14H14N8O4S3 3 Carbapenems C22H25N3O7S 4 Fluoroquinolones C17H18FN3O3 6 Tetracycline (TC) là một loại kháng sinh được sử dụng thường xuyên do có hoạt tính phổ rộng chống lại vi khuẩn (cả Gram dương và âm), nấm và ký sinh trùng, đồng thời là loại kháng sinh chính được sử dụng để điều trị cho con người, con vật và làm phụ gia thức ăn chăn nuôi trong lĩnh vực nông nghiệp [14]. TC là sản phẩm được sản xuất và tiêu thụ nhiều thứ hai trên toàn thế giới vì các đặc tính sau như chi phí thấp, ít độc tính, hoạt động phổ rộng và có thể dùng bằng đường uống [15].
Ngoài lĩnh vực trị liệu cho con người và thú vật, TC đã được ứng dụng rộng rãi như một chất kích thích tăng trưởng trong nuôi trồng thủy sản để tăng khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng, từ đó làm tăng doanh thu thương mại của người nông dân [16]. TC đã được phát hiện nhiều trong nước mặt và nước ngầm do ứng dụng rộng rãi và khả năng hấp phụ cao; trong khi đó, các nhà máy xử lý nước thải không thể loại bỏ các chất ô nhiễm vi mô này khỏi nước thải sinh hoạt và dẫn đến thải ra môi trường, dẫn đến tồn dư kháng sinh trong hệ sinh thái (Bảng 2. Dựa trên kỹ thuật bào chế có 3 loại TC [17].3: Phân loại kháng sinh Tetracycline [17]. Công thức STT Nhóm Tên loại Cấu trúc hóa học hóa học Tetracycline C22H24N2O8 Tetracycline 1 Oxytetracycline C22H24N2O9 tự nhiên Chlortetracycline C22H24Cl2N2O8 Bán tổng 2 Demeclocycline C21H21ClN2O8 hợp 7 Rolitetracycline C22H24N2O8 Methacycline C22H22N2O8 Doxycycline C22H24N2O8 3 Tổng hợp Minocycline C22H22N2O8 Oxytetracycline (OTC) thuộc nhóm kháng sinh tetracycline phổ rộng hoạt động bằng cách can thiệp vào khả năng của vi khuẩn để tạo ra các protein thiết yếu [1].