Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mỗi năm có khoảng 829.000 người tử vong do các bệnh liên quan đến nguồn nước ô nhiễm. Tại các nước phát triển, trung bình mỗi ngày có 14 người chết vì các bệnh do nguồn nước không đảm bảo vệ sinh. Các bệnh phổ biến bao gồm viêm dạ dày do virus, viêm gan A và tiêu chảy do vi khuẩn E. coli. Gần 20% các vụ bùng phát dịch bệnh có liên quan trực tiếp đến vệ sinh nguồn nước. Tại Việt Nam, chỉ có 48/778 đô thị có hệ thống thoát nước và chỉ 30 đô thị có nhà máy xử lý nước thải với tổng công suất 926.000 m³/ngày, đáp ứng khoảng 13% nhu cầu xử lý nước thải. Nhu cầu cấp thiết hiện nay là phát triển các vật liệu xử lý nước có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm hiệu quả, thân thiện môi trường và chi phí hợp lý để ứng dụng rộng rãi, đặc biệt tại vùng sâu vùng xa.

Vật liệu nano oxit kẽm (ZnO) được công nhận có hoạt tính kháng vi sinh vật tương đương với nano bạc nhưng chi phí thấp hơn và dễ tích hợp trên các nền vật liệu khác. Cellulose vi khuẩn (BC) là vật liệu sinh học có cấu trúc ba chiều xốp, độ bền cao, khả năng giữ nước lớn và tương thích sinh học tốt, rất thích hợp làm giá thể cho vật liệu nano. BC được sinh tổng hợp từ quá trình lên men kombucha, là sản phẩm tự nhiên, giá thành thấp và thân thiện môi trường.

Luận văn tập trung vào tổng hợp vật liệu nano ZnO trên nền BC định hướng ứng dụng trong kháng nấm, kháng khuẩn. Mục tiêu cụ thể gồm: (1) tổng hợp cấu trúc nano ZnO trên nền BC; (2) khảo sát các tính chất cơ bản của vật liệu BC-ZnO; (3) đánh giá hoạt tính kháng vi sinh vật có hại của vật liệu BC-ZnO. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2021-2022, góp phần phát triển vật liệu xử lý nước và ứng dụng trong y sinh, môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Lý thuyết về cellulose vi khuẩn (BC): BC là polysaccharide dạng chuỗi β-1,4-glucan được vi khuẩn Acetobacter tổng hợp. BC có cấu trúc vi sợi nano, kết tinh thành hai dạng tinh thể Ia và Ib với tỷ lệ cellulose Ia chiếm khoảng 60%, cao hơn nhiều so với cellulose thực vật. BC có tính siêu xốp, khả năng giữ nước >95%, độ kết tinh 74-96%, độ bền kéo 20-300 MPa, và độ tinh khiết >99%. Cấu trúc ba chiều của BC tạo điều kiện thuận lợi cho việc tổng hợp vật liệu nano trên bề mặt.

  2. Lý thuyết về vật liệu nano ZnO: ZnO là chất bán dẫn nhóm II-VI với cấu trúc tinh thể chủ yếu là wurtzite (hcp) ổn định ở điều kiện thường. ZnO có vùng cấm năng lượng khoảng 3.3 eV, tính chất quang học đặc trưng với phát xạ UV và các dải phát xạ do sai hỏng tinh thể. Nano ZnO có hoạt tính kháng vi sinh vật cao nhờ cơ chế sản sinh các gốc oxi hóa (ROS), giải phóng ion Zn²⁺, phá hủy màng tế bào và xâm nhập vào tế bào vi sinh vật.

Các khái niệm chính bao gồm: cellulose vi khuẩn (BC), vật liệu nano ZnO, hoạt tính kháng vi sinh vật, gốc oxi hóa (ROS), cấu trúc tinh thể wurtzite, phương pháp thủy nhiệt tổng hợp nano.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng BC sinh tổng hợp từ quá trình lên men kombucha tại phòng thí nghiệm, kết hợp với các hóa chất chuẩn như kẽm acetate, natri hydroxide, ethanol. Chủng vi sinh vật thử nghiệm gồm Escherichia coli, Candida albicans và Aspergillus niger.

  • Phương pháp tổng hợp: Phương pháp thủy nhiệt được áp dụng để tổng hợp nano ZnO trên màng BC đã được làm sạch. Màng BC dày 3 mm được nhúng vào dung dịch kẽm acetate 5 mM trong ethanol ở 60°C, lặp lại nhiều lần để tạo mầm cho sự phát triển nano ZnO.

  • Phương pháp khảo sát: Hình thái và cấu trúc vật liệu được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ phát xạ quang học (PL). Hoạt tính kháng vi sinh vật được đánh giá qua thử nghiệm in vitro trong môi trường lỏng và in vivo trên mô thực vật sống (quả táo). Khả năng lọc vi sinh vật được khảo sát với vi khuẩn và nấm men.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và khảo sát vật liệu kéo dài khoảng 6 tháng, thử nghiệm hoạt tính kháng vi sinh vật trong 3 tháng tiếp theo.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Màng BC được tổng hợp từ nhiều mẻ lên men kombucha để đảm bảo tính đồng nhất. Các mẫu vật liệu BC-ZnO được chuẩn bị với số lượng đủ để thực hiện các phép đo lặp lại nhằm đảm bảo độ tin cậy số liệu.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng phân tích thống kê mô tả, so sánh phần trăm hiệu quả kháng khuẩn giữa các mẫu, phân tích phổ và hình ảnh SEM để đánh giá cấu trúc vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công cấu trúc nano ZnO trên nền BC: Hình ảnh SEM cho thấy nano ZnO được phân bố đồng đều trên khung BC với kích thước hạt nano từ 20-90 nm. Phổ XRD xác nhận sự hiện diện của pha wurtzite ZnO với các đỉnh đặc trưng, độ kết tinh cao. Phổ PL thể hiện đỉnh phát xạ UV ở khoảng 380 nm, phù hợp với cấu trúc nano ZnO.

  2. Tính chất cơ học và quang học của vật liệu BC-ZnO: Vật liệu composite giữ được tính siêu xốp của BC với khả năng giữ nước >90%. Độ bền kéo của màng BC-ZnO tăng khoảng 15% so với BC nguyên bản. Phổ PL cho thấy sự tăng cường phát xạ UV khi có chiếu sáng, chứng tỏ hiệu ứng quang xúc tác của ZnO.

  3. Hoạt tính kháng vi sinh vật: Trong thử nghiệm in vitro, vật liệu BC-ZnO giảm mật độ vi khuẩn E. coli khoảng 85% sau 24 giờ, so với 30% của BC đơn thuần. Với nấm men Candida albicans, hiệu quả kháng đạt khoảng 70%. Thử nghiệm in vivo trên quả táo cho thấy vật liệu BC-ZnO ức chế sự phát triển của nấm mốc Aspergillus niger rõ rệt, giảm diện tích tổn thương trên quả táo tới 60% so với mẫu đối chứng.

  4. Khả năng lọc vi sinh vật: Màng BC-ZnO thể hiện khả năng lọc vi khuẩn và nấm men cao hơn 40% so với màng BC thông thường, nhờ cấu trúc nano ZnO tăng diện tích bề mặt và hiệu ứng kháng khuẩn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp thủy nhiệt là hiệu quả trong việc tổng hợp nano ZnO trên nền BC mà không làm mất cấu trúc ba chiều xốp của BC. Kích thước nano ZnO phù hợp để tạo ra hiệu ứng quang xúc tác và sản sinh gốc oxi hóa (ROS), là cơ chế chính giúp tăng cường hoạt tính kháng vi sinh vật. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp thủy nhiệt hoặc sol-gel, kích thước hạt nano ZnO trong nghiên cứu này nằm trong khoảng tối ưu để phát huy hiệu quả kháng khuẩn.

Hiệu quả kháng vi khuẩn gram âm (E. coli) cao hơn so với nấm men và nấm mốc, phù hợp với các báo cáo trong ngành cho thấy vi khuẩn gram âm có màng tế bào phức tạp hơn nên khó bị tiêu diệt hơn. Tuy nhiên, vật liệu BC-ZnO vẫn thể hiện khả năng ức chế đáng kể các chủng nấm, mở rộng phạm vi ứng dụng trong y sinh và xử lý môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ giảm mật độ vi sinh vật theo thời gian, bảng so sánh hiệu quả kháng khuẩn giữa các mẫu và ảnh SEM minh họa cấu trúc nano ZnO trên BC. Các kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của vật liệu BC-ZnO trong xử lý nước và y học.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Áp dụng các kỹ thuật hỗ trợ như xung laser hoặc siêu âm trong phương pháp thủy nhiệt để kiểm soát kích thước và phân bố nano ZnO, nhằm nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu.

  2. Mở rộng thử nghiệm với đa dạng chủng vi sinh vật: Thử nghiệm hoạt tính kháng với các vi khuẩn gram dương, virus và các chủng nấm khác để đánh giá toàn diện hiệu quả vật liệu. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: các trung tâm vi sinh và y sinh.

  3. Nghiên cứu tính chất cơ học và điện từ của vật liệu BC-ZnO: Đánh giá khả năng ứng dụng trong các thiết bị lọc nước, cảm biến sinh học và vật liệu y sinh. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: các nhóm nghiên cứu vật liệu và kỹ thuật.

  4. Phát triển quy mô sản xuất và ứng dụng thực tiễn: Thiết kế hệ thống sản xuất BC-ZnO quy mô pilot, thử nghiệm ứng dụng trong xử lý nước thải và băng vết thương y tế. Thời gian: 18-24 tháng. Chủ thể: doanh nghiệp công nghệ sinh học và môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và sinh học: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về tổng hợp và đặc tính vật liệu BC-ZnO, hỗ trợ phát triển các vật liệu composite mới.

  2. Chuyên gia y sinh và dược học: Thông tin về hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của vật liệu BC-ZnO có thể ứng dụng trong thiết kế băng vết thương, vật liệu y tế.

  3. Kỹ sư môi trường và xử lý nước: Nghiên cứu cung cấp giải pháp vật liệu lọc nước hiệu quả, thân thiện môi trường, phù hợp cho xử lý nước thải và nước sinh hoạt.

  4. Doanh nghiệp công nghệ sinh học: Tài liệu giúp định hướng phát triển sản phẩm vật liệu sinh học ứng dụng trong y tế và môi trường, từ quy trình tổng hợp đến ứng dụng thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu BC-ZnO có ưu điểm gì so với vật liệu nano ZnO đơn thuần?
    BC-ZnO kết hợp tính siêu xốp, khả năng giữ nước và cấu trúc ba chiều của BC với hoạt tính kháng khuẩn mạnh của nano ZnO, giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và hiệu quả kháng vi sinh vật.

  2. Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp nano ZnO trên BC?
    Phương pháp thủy nhiệt giữ nguyên cấu trúc hydrogel của BC, cho phép tổng hợp nano ZnO đồng đều, kiểm soát kích thước hạt và không làm hư hại cấu trúc vật liệu nền.

  3. Hoạt tính kháng vi sinh vật của BC-ZnO được đánh giá như thế nào?
    Hoạt tính được đánh giá qua thử nghiệm in vitro với vi khuẩn E. coli, nấm men Candida albicans và thử nghiệm in vivo trên quả táo với nấm mốc Aspergillus niger, cho thấy giảm mật độ vi sinh vật từ 60-85%.

  4. Cơ chế kháng khuẩn của nano ZnO là gì?
    Nano ZnO sản sinh các gốc oxi hóa (ROS) như H2O2, làm tổn thương màng tế bào, giải phóng ion Zn²⁺ gây rối loạn chuyển hóa và có thể xâm nhập vào tế bào vi sinh vật, dẫn đến tiêu diệt hoặc ức chế phát triển.

  5. Vật liệu BC-ZnO có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
    Ứng dụng chính gồm xử lý nước sạch, kháng khuẩn trong y sinh (băng vết thương, vật liệu y tế), lọc vi sinh vật và quang xúc tác phản ứng hóa học.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu nano ZnO trên nền cellulose vi khuẩn với cấu trúc nano đồng đều, kích thước hạt từ 20-90 nm.
  • Vật liệu BC-ZnO giữ được tính siêu xốp, tăng cường độ bền cơ học và có tính chất quang học đặc trưng của ZnO.
  • Hoạt tính kháng vi sinh vật của BC-ZnO vượt trội so với BC đơn thuần, giảm mật độ vi khuẩn E. coli đến 85% và ức chế nấm mốc trên mô thực vật đến 60%.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu sinh học ứng dụng trong xử lý nước và y sinh, đồng thời đề xuất các giải pháp tối ưu quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng.
  • Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình tổng hợp, thử nghiệm đa dạng chủng vi sinh vật và phát triển quy mô sản xuất ứng dụng thực tiễn.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến vật liệu sinh học và công nghệ nano tiếp cận nghiên cứu để phát triển các sản phẩm thân thiện môi trường, hiệu quả cao trong xử lý nước và y tế.