I. Cellulose Vi Khuẩn Định Nghĩa Cấu Trúc Ứng Dụng
Năm 1838, cellulose được xác định là polysaccharide không tan, ưa nước. Axit đặc, nhiệt độ cao sẽ thủy phân thành glucose [9]. Cellulose là thành phần chính của tế bào thực vật: sợi bông (90%), gai dầu (40-50%), gỗ (60%). Cellulose quan trọng trong công nghiệp giấy, dệt may. Ngoài thực vật, cellulose còn do vi sinh vật như nấm men, vi khuẩn, tảo tạo ra. Năm 1886, Brown phát hiện Acetobacter xylinum tạo cellulose [14]. Nhiều vi khuẩn tổng hợp cellulose, gồm Acetobacter, Azotobacter, Rhizobium, Agrobacterium, Pseudomonas, Salmonella, Alcaligenes và Sarcina ventriculi [44]. Cellulose từ vi khuẩn khác nhau có cấu trúc, hình thái, tính chất riêng, ứng dụng khác nhau.
1.1. Định nghĩa Cellulose Vi Khuẩn BC và Nguồn Gốc
Cellulose vi khuẩn (BC) là một loại cellulose do các vi sinh vật sản xuất, khác với cellulose có nguồn gốc từ thực vật. Nó được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1886 bởi Brown từ vi khuẩn Acetobacter xylinum. Nhiều loại vi khuẩn khác nhau có thể tổng hợp cellulose, bao gồm cả vi khuẩn gram âm và gram dương, mỗi loại tạo ra cellulose với cấu trúc và tính chất riêng. Điều này mở ra nhiều hướng ứng dụng tiềm năng cho vật liệu này.
1.2. Cấu Trúc Vi Mô Độc Đáo của Cellulose Vi Khuẩn
Tương tự cellulose thực vật, phân tử cellulose vi khuẩn (BC) là chuỗi b-D-glucose trùng hợp qua liên kết b-1,4- glucan. BC có cấu trúc vi sợi độc đáo, mỗi vi sợi được tạo thành từ nhiều vi sợi nhỏ xoắn lại [15]. Kích thước vi sợi phụ thuộc vào kích thước tinh thể đo bằng nhiễu xạ tia X [65]. BC có tính chất tinh thể độc đáo, kết tinh thành hai dạng: cellulose Ia và cellulose Ib [7, 97]. Trong cấu trúc cellulose Ia có liên kết hydro nội phân tử O3-H®O5’ và liên kết hydro liên phân tử O6-H®O3’; cellulose Ib có liên kết hydro nội và liên phân tử O6’-H®O3’ [16].
1.3. Tính Chất Vượt Trội của Cellulose Vi Khuẩn so với Thực Vật
So với cellulose thực vật, cellulose vi khuẩn có nhiều ưu điểm: độ trùng hợp cao, độ kết tinh cao, module Young vượt trội, độ bền kéo cao, độ tinh khiết cao (không lignin và hemicellulose) và tính tương thích sinh học cao (không độc tính). BC thân thiện môi trường, dễ phân hủy sinh học, dễ thủy phân nhờ vi sinh vật và enzyme. Tính chất độc đáo nhất của cellulose vi khuẩn là...
II. Vấn Đề Nan Giải Vi Sinh Vật Gây Bệnh và Nhu Cầu Kháng Khuẩn
WHO ước tính 829.000 người chết mỗi năm do nguồn nước ô nhiễm. Châu Âu có 14 người chết mỗi ngày do nước kém vệ sinh. Viêm dạ dày do virus, viêm gan A, tiêu chảy do E.coli là các bệnh dễ bùng phát. Gần 1/5 số vụ dịch liên quan đến vệ sinh nguồn nước. WHO ước tính có thể giảm 25–35% số ca tiêu chảy và bệnh khác nếu xử lý nước bẩn. Việt Nam đang đối mặt với vấn đề xử lý nước thải. Bộ Xây dựng thống kê chỉ 48/778 đô thị có hệ thống thoát nước; 30 đô thị có nhà máy xử lý (926,000 m3/ngày), chỉ đáp ứng 13% nhu cầu. Nước sạch là vấn đề toàn cầu, cần xử lý nước thải sinh hoạt, khử vi sinh vật gây bệnh.
2.1. Tác Hại của Vi Sinh Vật Gây Bệnh Trong Nguồn Nước
Các vi sinh vật gây bệnh trong nước gây ra nhiều bệnh nguy hiểm như tiêu chảy, viêm gan A, viêm dạ dày. WHO ước tính hàng trăm nghìn người chết mỗi năm do các nguyên nhân liên quan đến nguồn nước. Vấn đề diệt khuẩn trong nước là vô cùng quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
2.2. Sự Cần Thiết của Vật Liệu Kháng Khuẩn Kháng Nấm Hiệu Quả
Nhu cầu cấp thiết hiện tại là cần có các loại vật liệu xử lý nhanh nguồn nước, đặc biệt khử các loại vi sinh vật gây bệnh. Các vật liệu này cần có giá thành hợp lý, thân thiện môi trường và có thể áp dụng trên quy mô lớn. Việc phát triển vật liệu kháng khuẩn, kháng nấm hiệu quả là một giải pháp tiềm năng.
III. Giải Pháp Mới Tổng Hợp Nano Oxit Trên Nền Cellulose Vi Khuẩn
Hoạt tính kháng vi sinh vật của ZnO đã được công nhận rộng rãi. Nano ZnO có hiệu quả tương đương nano Ag nhưng rẻ hơn và dễ hoạt hóa trên bề mặt vật liệu. Cellulose vi khuẩn (BC) bền, cấu trúc vi mô tinh vi, thích hợp làm giá thể hoạt hóa vật liệu nano. Cấu trúc xốp 3D của BC ưu việt hơn tấm nền 2D, tổng hợp được nhiều vật liệu nano hơn, tăng diện tích bề mặt. BC là sản phẩm phụ trong lên men trà thủy sâm, giá rẻ, dễ nuôi trồng. BC là sản phẩm tự nhiên, thân thiện môi trường. Tiềm năng của BC-ZnO rất lớn, không chỉ trong kháng vi sinh vật.
3.1. Ưu Điểm của Nano Oxit Kim Loại ZnO Trong Kháng Khuẩn
Oxit kim loại, đặc biệt là ZnO, thể hiện hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm hiệu quả. Nano ZnO có hiệu quả tương đương nano Ag nhưng có giá thành rẻ hơn và dễ dàng kết hợp với các vật liệu nền khác. Khả năng diệt khuẩn của ZnO đến từ nhiều cơ chế, bao gồm tạo ra các gốc oxy hóa tự do và phá vỡ màng tế bào vi sinh vật.
3.2. Cellulose Vi Khuẩn BC Nền Tảng Lý Tưởng Cho Vật Liệu Nano
Cellulose vi khuẩn (BC) với cấu trúc 3D độc đáo, khả năng giữ ẩm và độ bền cơ học tốt, trở thành nền tảng lý tưởng cho việc tổng hợp vật liệu nano. Cấu trúc xốp của BC giúp phân tán đều các hạt nano oxit, tạo ra vật liệu nano composite với diện tích bề mặt lớn và hoạt tính cao.
3.3. Tổng Hợp Vật Liệu Nano Oxit Cellulose Vi Khuẩn Composite
Sự kết hợp giữa vật liệu nano oxit và cellulose vi khuẩn tạo ra một vật liệu composite với nhiều ưu điểm vượt trội. Các phương pháp tổng hợp vật liệu có thể bao gồm phương pháp hóa học, phương pháp vật lý hoặc phương pháp sinh học. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của vật liệu cuối cùng.
IV. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu BC ZnO Quy Trình Khảo Sát
Đề tài "Tổng hợp vật liệu nano oxit trên nền cellulose vi khuẩn định hướng ứng dụng trong kháng nấm, kháng khuẩn" có ba mục tiêu chính: (1) Tổng hợp cấu trúc nano ZnO trên nền BC, (2) Khảo sát tính chất cơ bản của vật liệu BC-ZnO, (3) Khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật có hại của vật liệu BC-ZnO. Đề tài là bước tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo: tối ưu và kiểm soát hình thái, cấu trúc nano ZnO trên nền BC, tối ưu hóa khả năng kháng khuẩn và nấm của vật liệu BC-ZnO, nghiên cứu tính chất cơ học, quang học và điện từ. Từ đó, đa dạng hóa ứng dụng của vật liệu BC-ZnO.
4.1. Quy Trình Sinh Tổng Hợp Cellulose Vi Khuẩn từ Kombucha
Luận văn sử dụng phương pháp sinh tổng hợp cellulose vi khuẩn từ quá trình lên men Kombucha. Kombucha là môi trường cộng sinh giữa vi khuẩn và nấm men. Quá trình lên men tạo ra BC có giá thành rẻ và dễ nuôi trồng. Phương pháp này thân thiện môi trường vì BC là sản phẩm tự nhiên.
4.2. Phương Pháp Tổng Hợp Nano ZnO Trên Khung Cellulose Vi Khuẩn
Sau khi có màng cellulose vi khuẩn, nano ZnO được tổng hợp trên khung BC. Cần tối ưu hóa các thông số như nồng độ tiền chất, nhiệt độ phản ứng để kiểm soát kích thước và hình thái của nano oxit. Phương pháp này có thể là lắng đọng hóa học, thủy nhiệt hoặc các phương pháp khác.
4.3. Các Phương Pháp Khảo Sát Hình Thái Cấu Trúc Tính Chất
Để đánh giá vật liệu BC-ZnO, cần khảo sát hình thái (SEM), cấu trúc tinh thể (XRD) và tính chất quang (PL). SEM cho biết kích thước và hình dạng nano oxit, XRD xác định cấu trúc tinh thể, PL cho biết tính chất quang học. Các phương pháp này giúp hiểu rõ hơn về vật liệu.
V. BC ZnO Kết Quả Kháng Vi Sinh Vật Vượt Trội và Ứng Dụng
Luận văn có cấu trúc gồm 3 chương. Chương 1: Tổng quan về vi sinh vật, vật liệu BC, vật liệu ZnO, và hoạt tính kháng vi sinh vật của vật liệu BC-ZnO nanocomposite. Chương 2: Hóa chất, thiết bị, phương pháp chế tạo mẫu BC-ZnO, khảo sát hình thái, tính chất, và hoạt tính kháng vi sinh vật. Chương 3: Kết quả khảo sát cấu trúc, tính chất quang, kết quả kháng vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, ứng dụng BC-ZnO vào lọc nấm men và vi khuẩn. Cuối cùng là Kết luận, tóm lược kết quả và định hướng nghiên cứu.
5.1. Kết Quả Thử Nghiệm In Vitro Hoạt Tính Kháng Khuẩn Kháng Nấm
Thí nghiệm in vitro đánh giá hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm của BC-ZnO trong môi trường lỏng. Kết quả cho thấy BC-ZnO có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn (E. coli) và nấm men (C. albicans). Hoạt tính kháng khuẩn có thể được tăng cường dưới ánh sáng.
5.2. Kết Quả Thử Nghiệm In Vivo Kháng Nấm Mốc Trên Mô Thực Vật
Thí nghiệm in vivo đánh giá hoạt tính kháng nấm mốc (A. niger) trên quả táo. BC-ZnO cho thấy khả năng ức chế sự phát triển của nấm mốc trên quả táo. Đây là bằng chứng về tiềm năng ứng dụng trong bảo quản thực phẩm.
5.3. Ứng Dụng BC ZnO Trong Lọc Vi Sinh Vật Hiệu Quả Tiềm Năng
Vật liệu BC-ZnO được ứng dụng trong lọc vi sinh vật. Kết quả cho thấy màng BC-ZnO có khả năng lọc vi khuẩn và nấm men khỏi nước. Đây là tiềm năng lớn trong xử lý nước thải và cung cấp nước sạch.
VI. Tiềm Năng và Hướng Phát Triển Của Vật Liệu BC ZnO Trong Tương Lai
Tóm lại, luận văn đã tổng hợp thành công vật liệu nano oxit trên nền cellulose vi khuẩn, khảo sát tính chất và chứng minh hoạt tính kháng vi khuẩn, nấm men, nấm mốc. Vật liệu BC-ZnO có tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc nano, nâng cao hiệu quả kháng khuẩn, và khám phá các ứng dụng mới.
6.1. Nghiên Cứu Tối Ưu Hóa Cấu Trúc và Tính Chất Vật Liệu
Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào tối ưu hóa kích thước hạt nano, phân bố nano oxit trên nền BC, và các yếu tố khác để tăng cường hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm. Điều chỉnh cấu trúc có thể cải thiện đáng kể hiệu quả ứng dụng.
6.2. Mở Rộng Ứng Dụng Trong Y Sinh Nông Nghiệp và Thực Phẩm
Ngoài kháng khuẩn và kháng nấm, vật liệu BC-ZnO có tiềm năng ứng dụng trong y sinh (chữa lành vết thương), nông nghiệp (bảo vệ thực vật) và thực phẩm (bảo quản). Cần có các nghiên cứu sâu hơn để khám phá các ứng dụng này.
6.3. Phát Triển Quy Trình Sản Xuất BC ZnO Thân Thiện Môi Trường
Để đảm bảo tính bền vững, cần phát triển quy trình sản xuất BC-ZnO thân thiện môi trường, sử dụng nguyên liệu tái tạo và giảm thiểu chất thải. Điều này sẽ giúp vật liệu này trở thành một giải pháp kháng khuẩn và kháng nấm bền vững trong tương lai.
