Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silica chitosan ứng dụng làm chất kháng nấm bệnh thực vật

Chia sẻ: Hương Hoa Cỏ Mới | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:151

Thêm vào BST

Báo xấu

48
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án gồm các nội dung chính sau: Nghiên cứu điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu, gel SiO2/chitosan (SiO2 tách từ tro vỏ trấu) và xác định một số tính chất hóa lý đặc trưng của chúng. Nghiên cứu điều chế oligochitosan khối lượng phân tử từ 3.000 - 7.000 g.mol1 bằng phương pháp xử lý chitosan bởi H2O2 nồng độ thấp kết hợp với chiếu xạ tia Co-60.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silica chitosan ứng dụng làm chất kháng nấm bệnh thực vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ------------------------------------- LÊ NGHIÊM ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANO SILICA TỪ TRO VỎ TRẤU VÀ VẬT LIỆU LAI NANO SILICA/CHITOSAN ỨNG DỤNG LÀM CHẤT KHÁNG NẤM BỆNH THỰC VẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC TP.HCM – 2021
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ……..….***………… LÊ NGHIÊM ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANO SILICA TỪ TRO VỎ TRẤU VÀ VẬT LIỆU LAI NANO SILICA/CHITOSAN ỨNG DỤNG LÀM CHẤT KHÁNG NẤM BỆNH THỰC VẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số : 9.44.01.13 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Bùi Duy Du 2. GS.TS. Nguyễn Quốc Hiến TP.HCM – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn khoa học. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong luận án khác. Tác giả luận án NCS. Lê Nghiêm Anh Tuấn i
LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành tại Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, với sự hỗ trợ kinh phí của đề tài NAFOSTED 106-NN.03-2015.84. Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Trước hết, tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Bùi Duy Du, PGS.TS. Nguyễn Quốc Hiến đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Lại Thị Kim Dung cùng tập thể Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng; cảm ơn Phòng Nghiên cứu và Phát triển – Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ TP.HCM (VINAGAMMA) đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi tổng hợp vật liệu và thử hoạt tính kiểm soát bệnh cây trồng trong thời gian thực hiện luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Công nghệ Hóa học và Khoa Hóa học đã giúp đỡ tôi tận tình và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi để hoàn thành luận án. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và những người thân đã luôn luôn quan tâm, khích lệ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu./. Tác giả luận án NCS. Lê Nghiêm Anh Tuấn ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... viii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề ............................................................................................................1 2. Nội dung chính của luận án .................................................................................2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .............................................................................2 Chương 1. TỔNG QUAN .....................................................................................4 1.1. Cấu tạo, tính chất của nano silica, oligochitosan và vật liệu lai của chúng. .....4 1.1.1. Nano silica. .................................................................................................4 1.1.2. Oligochitosan .............................................................................................6 1.1.3. Vật liệu lai nano silica/oligochitosan.........................................................6 1.2. Nghiên cứu tổng hợp nano silica, oligochitosan và nano silica/oligochitosan. 7 1.2.1. Tổng hợp nano silica. .................................................................................7 1.2.2. Nghiên cứu điều chỉnh khối lượng phân tử chitosan thành oligochitosan ............................................................................................................................12 1.2.3. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan ....................15 1.3. Hoạt tính kháng vi sinh vật của nano silica, oligochitosan và vật liệu lai nano silica/oligochitosan. ...............................................................................................17 1.3.1. Một số nghiên cứu về hoạt tính kháng vi sinh vật của nano silica. .........17 1.3.2. Hoạt tính kháng vi sinh vật của oligochitosan. ........................................18 1.3.3. Hoạt tính kiểm soát bệnh thực vật của vật liệu lai nano silica/chitosan. 21 1.4. Triển vọng của việc sử dụng vật liệu nano silica/oligochitosan làm chất kiểm soát bệnh thực vật. .................................................................................................22 1.5. Kết luận phần tổng quan tài liệu. ....................................................................26 Chương 2. THỰC NGHIỆM ...............................................................................28 2.1. Nguyên liệu và hóa chất .................................................................................28 iii
2.2. Thực nghiệm ...................................................................................................28 2.2.1. Điều chế nano silica từ tro vỏ trấu...........................................................28 2.2.2. Điều chế oligochitosan khối lượng phân tử từ 3.000 – 7.000 g.mol-1......30 2.2.3. Điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan. .......................................31 2.2.4. Xác định độc tính của vật liệu lai nano silica/oligohitosan. ....................33 2.2.5. Nghiên cứu in vivo hiệu lực kiểm soát bệnh đốm nâu trên cây thanh long của vật liệu nano silica, oligochitosan và nano silica/oligochitosan. ...............34 2.2.6. Nghiên cứu in vivo hiệu lực kiểm soát bệnh đạo ôn lá và bạc lá lúa của vật liệu lai nano silica/oligochitosan. ......................................................................38 2.2.7. Nghiên cứu hiệu lực kiểm soát bệnh nấm hồng trên cây cao su của vật liệu lai nano silica/oligochitosan. .............................................................................41 2.3. Các phương pháp và kỹ thuật sử dụng trong nghiên cứu. ..............................42 2.3.1. Phương pháp đo giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD). ......................................42 2.3.2. Phương pháp đo phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) ............................42 2.3.3. Phương pháp đo phổ hồng ngoại (FT-IR)................................................43 2.3.4. Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ..............43 2.3.5. Phương pháp đo phổ sắc ký lọc gel (GPC) ..............................................43 2.3.6. Phương pháp đo quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-vis) .........................44 2.3.7. Phương pháp đo thế điện kép zeta ...........................................................45 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................46 3.1. Thành phần hóa học của phế thải tro vỏ trấu trước và sau xử lý HCl. ...........46 3.2. Kết quả điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân. .........................47 3.2.1. Điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu. ............47 3.2.2. Điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân gel SiO2/CS. ..........50 3.2.3. Thành phần và tính chất hóa lý của nano silica. .....................................53 3.3. Kết quả điều chế oligochitosan bằng cách xử lý chitosan bởi H2O2 kết hợp với chiếu xạ tia  Co-60. ..............................................................................................60 3.3.1. Ảnh hưởng của liều chiếu xạ đến sự suy giảm khối lượng phân tử của chitosan...............................................................................................................60 3.3.2. Nghiên cứu đặc trưng liên kết và cấu trúc mạng tinh thể của oligochitosan. ............................................................................................................................63 3.4. Kết quả điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan. .................................65 iv
3.4.1. Điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan bằng phương pháp phối trộn. ....................................................................................................................65 3.4.2. Điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan bằng phương pháp kết tủa nano silica trong dung dịch oligochitosan. ........................................................68 3.4.3. Tính chất hóa lý đặc trưng của vật liệu lai nano SiO2/OC3000. .............70 3.5. Nghiên cứu độ ổn định của vật liệu lai nano silica/oligochitosan ..................74 3.6. Xác định độc tính của vật liệu lai nano SiO2/OC3000. ..................................76 3.6.1. Độc tính qua đường miệng .......................................................................76 3.6.2. Độc tính qua đường tiếp xúc da ...............................................................77 3.7. Thử nghiệm in vivo khả năng kiểm soát bệnh đốm nâu cây thanh long của nano SiO2/OC. ................................................................................................................78 3.7.1. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử oligochitosan đến hoạt độ của enzyme chitinase và hiệu quả kiểm soát bệnh đốm nâu thanh long. ...............................78 3.7.2. Hiệu ứng kích kháng của vật liệu nano SiO2/OC3000 đến hoạt độ enzyme chitinase và khả năng kiểm soát bệnh đốm nâu thanh long. ..............................82 3.8. Hiệu lực kiểm soát in vivo bệnh đạo ôn và bạc lá trên lúa của nano SiO2/OC. ...............................................................................................................................88 3.8.1. Hiệu lực kiểm soát bệnh đạo ôn lá trên lúa của nano SiO2/OC...............88 3.8.2. Hiệu lực kiểm soát bệnh bạc lá trên lúa của nano SiO2/OC. ...................91 3.9. Hiệu lực kháng bệnh nấm hồng Corticium salmonicolor trên cây cao su. .....93 3.9.1. Hiệu lực in vitro kháng nấm hồng Corticium salmonicolor của nano SiO2/OC. .............................................................................................................93 3.9.2. Hiệu lực kiểm soát bệnh nấm hồng trên cây cao su của nano SiO2/OC ..95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................98 KẾT LUẬN............................................................................................................98 KIẾN NGHỊ ...........................................................................................................99 MỘT SỐ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .......................................................100 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ...........................101 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................102 PHỤ LỤC ................................................................................................................118 v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CS Chitosan cs cộng sự CSB Chỉ số bệnh CTAB Cetyltrimethylammonium bromide DNS Axit 3,5-dinitrosalicylic EDX Tán xạ năng lượng tia X FT-IR Phổ hồng ngoại GPC Sắc ký lọc gel IC50 Nồng độ ức chế tối thiểu 50% nấm bệnh KLPT Khối lượng phân tử LD50 Độc tính cấp - Liều gây chết 50% qua đường miệng nano SiO2 Nano silica nano SiO2/OC3000 Nano silica/oligochitosan khối lượng phân tử 3.000 g.mol-1 OC Oligochitosan OC3000 Oligochitosan có khối lượng phân tử 3.000 g.mol-1 OC5000 Oligochitosan có khối lượng phân tử 5.000 g.mol-1 OC7000 Oligochitosan có khối lượng phân tử 7.000 g.mol-1 OD Optical density TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua TEOS Tetraethoxysilane TLB Tỉ lệ bệnh TMOS Tetramethoxysilane XRD Nhiễu xạ tia X  Co-60 Tia gamma Coban đồng vị 60 vi
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Khối lượng phân tử và thời gian lưu của các mẫu chuẩn Pullulan ...........44 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của phế thải công nghiệp tro vỏ trấu. ......................46 Bảng 3.2. Thành phần tro vỏ trấu sau khi xử lý với axit HCl 2N, thời gian 2 giờ. ..46 Bảng 3.3. Hàm lượng SiO2 trong nano silica điều chế bằng nhiệt phân tro vỏ trấu. 54 Bảng 3.4. Dữ liệu phổ FT-IR của nano silica được điều chế bằng nhiệt phân tro vỏ trấu và nhiệt phân gel SiO2/CS..................................................................................58 Bảng 3.5. Khối lượng phân tử của các mẫu chitosan theo liều chiếu xạ và chu kỳ chiếu xạ. ..............................................................................................................................61 Bảng 3.6. Dữ liệu phổ FT-IR của vật liệu lai nano SiO2/OC. ...................................73 Bảng 3.7. Thế điện kép (ζ) của dung dịch keo nano SiO2/OC3000. .........................76 Bảng 3.8. Kết quả thử độc tính cấp qua đường miệng trên chuột của vật liệu nano SiO2/OC3000. ............................................................................................................77 Bảng 3.9. Tỷ lệ nhạy cảm của chuột tiếp xúc với vật liệu lai nano SiO2/OC3000. ..77 Bảng 3.10. Tỉ lệ bệnh và chỉ số bệnh đốm nâu thanh long xử lý với OC3000, OC5000 và OC7000 trong phương pháp lây nhiễm nấm bệnh. ..............................................82 Bảng 3.11. Tỉ lệ bệnh và chỉ số bệnh đốm nâu thanh long xử lý vật liệu OC3000, nano SiO2, và nano SiO2/OC3000 bằng phương pháp lây nhiễm nấm bệnh. ....................86 Bảng 3.12. Hiệu quả kiểm soát bệnh đạo ôn lá lúa sau khi xử lý bằng vật liệu lai nano SiO2/OC3000 .............................................................................................................89 Bảng 3.13. Hiệu quả kiểm soát bệnh bạc lá lúa sau khi xử lý với vật liệu lai nano SiO2/OC3000 .............................................................................................................92 Bảng 3.14. Hiệu lực kiểm soát bệnh nấm hồng trên cây cao su khi xử lý vật liệu lai nano SiO2/OC3000, nano SiO2 và OC3000. .............................................................95 vii
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của silica [1]. ...................................................................4 Hình 1.2. Sự hấp thụ silicic trong cây lúa (a) và silica trong vỏ trấu (b). ...................5 Hình 1.3. Công thức cấu tạo của chitosan. ..................................................................6 Hình 1.4. Mô phỏng hình thành liên kết giữa silica và chitosan [26]. ........................7 Hình 1.5. Ảnh TEM của nano silica tổng hợp từ vỏ trấu: a) [29]; b) [30]; c) [31]; d) [45]. ...........................................................................................................................10 Hình 1.6. Sơ đồ cơ chế bắt hydro của gốc tự do hydroxyl cắt mạch chitosan [60]. .14 Hình 1.7. Mô phỏng liên kết phối trí giữa SiO2 và chitosan [45, 65]. ......................16 Hình 1.8. Cơ chế kháng vi sinh vật của chitosan và oligochitosan [69]. ..................19 Hình 1.9. Cơ chế kích kháng sinh học trên cây trồng khi có tác động của oligoglucan, oligochitosan [104]....................................................................................................20 Hình 1.10. Vết bệnh đốm nâu trên dây, quả thanh long. ..........................................24 Hình 1.11. Vết bệnh đạo ôn lá lúa (a); Bệnh bạc lá trên lúa (b). ..............................25 Hình 1.12. Vết bệnh nấm hồng trên cây cao su (a); Vết bệnh nấm hồng gây hại nặng (b). .............................................................................................................................25 Hình 2.1. Quy trình điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu. ...................................................................................................................................29 Hình 2.2. Quy trình điều chế nano silica bằng cách nhiệt phân gel SiO2/CS. ..........29 Hình 2.3. Quy trình điều chế oligochitosan có khối lượng phân tử khác nhau. .......31 Hình 2.4. Quy trình điều chế vật liệu nano SiO2/OC bằng phương pháp phối trộn. 32 Hình 2.5. Quy trình điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan bằng phương pháp kết tủa nano SiO2 trong dung dịch oligochitosan. .....................................................33 Hình 2.6. Phản ứng thủy phân chitin bằng enzyme chitinnase. ................................36 Hình 2.7. Phản ứng của đường khử với thuốc thử DNS. ..........................................36 Hình 2.8. Đường chuẩn tương quan giữa khối lượng phân tử và thời gian lưu của Pullulans chuẩn. ........................................................................................................44 Hình 3.1. Phổ EDX của tro vỏ trấu ban đầu (a) và tro vỏ trấu sau xử lý axit (b). ....47 Hình 3.2. Tro vỏ trấu đã xử lý axit HCl (a) và nano silica (nhiệt phân tro vỏ trấu). 47 Hình 3.3. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của nano silica khi nhiệt phân tại: (A, a) 700 oC; (B, b) 750 oC và (C; c) 800 oC. ................................................................48 viii
Hình 3.4. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của nano silica phụ thuộc vào tỉ lệ: (A; a) SiO2/CS ~ 1/1; (B; b) SiO2/CS ~ 2/1; (C; c) SiO2/CS ~ 4/1 và (D; d) SiO2/CS ~ 6/1...........................................................................................................................51 Hình 3.5. Sự phụ thuộc của kích thước hạt nano silica vào tỉ lệ khối lượng SiO2/CS. ...................................................................................................................................52 Hình 3.6. Phổ và dữ liệu EDX của nano silica khi nhiệt phân tại: a) 700 oC; b) 750 o C; c) 800 oC và d) nhiệt phân gel SiO2/CS. .............................................................54 Hình 3.7. Giản đồ XRD của mẫu nano silica khi nhiệt phân tại: a) 700 oC; b) 750 oC và c) 800 oC. ..............................................................................................................55 Hình 3.8. SiC - màu xám đen (a); nano silica - màu trắng (b). .................................56 Hình 3.9. Giản đồ XRD của nano silica phụ thuộc vào tỉ lệ: a) SiO2/CS ~ 1/1; b) SiO2/CS ~ 2/1; c) SiO2/CS ~ 4/1và d) SiO2/CS ~ 6/1. ..............................................57 Hình 3.10. Phổ FT-IR của mẫu nano silica khi nhiệt phân tại: a) 700 oC; b) 750 oC và c) 800 oC. ...................................................................................................................57 Hình 3.11. Phổ FT-IR của nano silica phụ thuộc vào tỉ lệ: a) SiO2/CS ~ 1/1; b) SiO2/CS ~ 2/1; c) SiO2/CS ~ 4/1và d) SiO2/CS ~ 6/1 trong gel. ..............................59 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của khối lượng phân tử của oligochitosan vào liều xạ. ....62 Hình 3.13. Phổ FT-IR: a) CS nguyên liệu; b) Mẫu CS03 (KLPT ~7.000 g.mol-1); c) Mẫu CS04 (KLPT ~5.000 g.mol-1); d) Mẫu CS07 (KLPT ~3.000 g.mol-1). ............63 Hình 3.14. Giản đồ XRD của chitosan nguyên liệu (a) và OC3000. ........................64 Hình 3.15. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt nano silica trong vật liệu SiO2/OC phụ thuộc vào: (A; a) OC3000; (B; b) OC5000; (C; c) OC7000. .............................66 Hình 3.16. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt silica của nano SiO2/OC (phối trộn) phụ thuộc vào hàm lượng SiO2: a) SiO2 1%; b) SiO2 1,5%; c) SiO2 2%..................67 Hình 3.17. Mẫu vật liệu nano SiO2/OC (phối trộn): SiO2 1,0%/OC 2% (a); SiO2 1,5%/OC 2% (b) sau 12 tháng; c) SiO2 2%/OC 2% sau 2 tháng bảo quản. .............68 Hình 3.18. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt nano silica trong nano SiO2/OC (kết tủa) phụ thuộc vào hàm lượng SiO2: a) SiO2 1%; b) SiO2 1,5%; c) SiO2 2%. .........69 Hình 3.19. Mẫu vật liệu nano SiO2/OC (kết tủa): SiO2 1,0%/OC 2% (a); SiO2 1,5%/OC 2% (b) sau 12 tháng; c) SiO2 2%/OC 2% sau 2 tháng bảo quản. .............70 Hình 3.20. Giản đồ XRD: a) nano silica điều chế bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu; b) vật liệu lai nano SiO2/OC3000. ...............................................................71 ix
Hình 3.21. Phổ UV-vis của chitosan (a); oligochitosan (b); vật liệu nano SiO2/OC3000 (c) và nano silica (d). .........................................................................71 Hình 3.22. Phổ FT-IR của: a) nano SiO2/OC3000 g.mol-1; b) OC5000 g.mol-1; c) nano SiO2/OC7000 g.mol-1. ...............................................................................................72 Hình 3.23. Minh họa sự tương tác của nano silica với oligochitosan trong vật liệu lai nano SiO2/OC. ...........................................................................................................74 Hình 3.24. Sự thay đổi kích thước hạt nano SiO2 trong vật liệu lai nano SiO2/OC3000 (nano SiO2 1,5% và OC 2%) theo thời gian bảo quản. .............................................75 Hình 3.25. Hoạt độ enzyme chitinase trên cây thanh long được xử lý bởi các OC3000, OC5000 và OC7000 sau khi lây nhiễm nấm Neoscytalidium dimidiatum. ..............79 Hình 3.26. Hoạt độ enzyme chitinase của cây thanh long được xử lý bởi OC, nano SiO2, và nano SiO2/OC sau khi lây nhiễm nấm Neoscytalidium dimidiatum. ..........83 Hình 3.27. Vết bệnh đốm nâu trên dây thanh long tại thời điểm sau 168 giờ lây nhiễm nấm: a) OC; b) Đối chứng dương; c) nano SiO2/OC; d) Đối chứng âm; e) nano SiO2. ...................................................................................................................................87 Hình 3.28. Vết bệnh đạo ôn lá trên lúa trong thí nghiệm in vivo xử lý bằng: a) nano SiO2/OC75; b) nano SiO2/OC100; c) nano SiO2/OC125; d) Trizole 75WP; e) Đối chứng. ........................................................................................................................90 Hình 3.29. Hình ảnh nghiên cứu hiệu lực kiểm soát in vivo bệnh bạc lá trên lúa: a) Bố trí thí nghiệm; b) Khung điều tra; c) Vết bệnh sau khi xử lý nano SiO2/OC; d) Vết bệnh đối chứng. .........................................................................................................93 Hình 3.30. Ảnh hưởng của vật liệu nano SiO2/OC3000 đến sự phát triển của tản nấm sau 8 ngày nhiễm nấm Corticium salmonicolor. ......................................................94 Hình 3.31. Hiệu quả ức chế nấm Corticium salmonicolor phụ thuộc vào nồng độ của nano SiO2/OC. ...........................................................................................................95 Hình 3.32. Thí nghiệm kiểm soát bệnh nấm hồng trên cây cao su: a, c) Vườn cao su thí nghiệm; b) Vết bệnh nấm hồng cấp 3; d) Vết bệnh sau xử lý vật liệu nano SiO2/OC. ...................................................................................................................................96 x
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Ngày nay, việc nghiên cứu sử dụng chất thải trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, chế biến thủy hải sản, … thành các vật liệu mới ứng dụng trong đời sống nhằm tiết kiệm nguồn tài nguyên hữu hạn của nhân loại là cần thiết. Nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản là những ngành kinh tế chủ lực của Việt Nam, chất thải tro vỏ trấu dồi dào từ nền nông nghiệp sản xuất lúa gạo là nguồn nguyên liệu hữu ích có thể tổng hợp thành vật liệu silica và phế thải vỏ tôm trong chế biến thủy hải sản điều chế thành vật liệu sinh học chitin, chitosan để ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Theo thống kê trung bình hàng năm, Việt Nam có khối lượng tro vỏ trấu thải ra khoảng 150.000 tấn và vỏ tôm khoảng 325.000 tấn. Tro vỏ trấu có hàm lượng SiO2 > 60% là nguyên liệu thích hợp dùng để điều chế silica, tùy vào phương pháp điều chế sẽ có kích thước vật liệu khối hoặc vât liệu nanomét. Ở kích thước nanomét, silica có hoạt tính kháng nhiều loại vi khuẩn, vi nấm. Chitosan được điều chế từ vỏ tôm có hoạt tính kháng vi sinh vật phổ rộng và hiệu quả. Khi sử dụng trong canh tác cây trồng, chitosan được thực vật hấp thụ tùy thuộc vào khối lượng phân tử và thể hiện khả năng kích thích thực vật tạo ra các enzyme kháng lại vi sinh vật gây bệnh như chitinase, glucanase, … hoặc tác động trực tiếp tiêu diệt vi sinh vật. Vì các lý do trên, luận án lựa chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silica/chitosan ứng dụng làm chất kháng nấm bệnh thực vật”. Mục tiêu của luận án là điều chế một loại vật liệu nano lai có hoạt tính kháng vi sinh vật thể hiện cộng hợp tính chất của cả hai vật liệu vô cơ – hữu cơ là nano silica và chitosan có khối lượng phân tử thấp (oligochitosan) ứng dụng trong kiểm soát bệnh do vi nấm, vi khuẩn gây hại cho cây trồng. Các nghiên cứu hiệu ứng sinh học về hoạt tính kháng vi khuẩn, vi nấm và tạo kích kháng của tế bào thực vật của vật liệu nano silica/oligochitosan trong luận án này được thực hiện đối với một số bệnh trên các cây trồng chủ lực như lúa, thanh long, cao su là những loại nông sản có sản lượng, giá trị kinh tế cao tại Việt Nam. Kết quả của luận án là cơ sở khoa học mở ra hướng tổng hợp vật liệu nano lai kháng vi sinh vật từ phế thải tro vỏ trấu, vỏ tôm làm chất kiểm soát bệnh cây trồng 1
trong sản xuất nông nghiệp an toàn và mở rộng ứng dụng sang các lĩnh vực phòng trị bệnh trong nuôi trồng thủy hải sản, bảo quản nông sản, thực phẩm, … 2. Nội dung chính của luận án Luận án gồm các nội dung chính sau: Nghiên cứu điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu, gel SiO2/chitosan (SiO2 tách từ tro vỏ trấu) và xác định một số tính chất hóa lý đặc trưng của chúng. Nghiên cứu điều chế oligochitosan khối lượng phân tử từ 3.000 - 7.000 g.mol- 1 bằng phương pháp xử lý chitosan bởi H2O2 nồng độ thấp kết hợp với chiếu xạ tia  Co-60. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan bằng phương pháp phối trộn nano silica với oligochitosan và phương pháp kết tủa nano silica từ dung dịch Na2SiO3 với ion H+ trong dung dịch oligochitosan. Thử nghiệm in vitro và in vivo hiệu lực kích kháng và ức chế vi nấm, vi khuẩn gây bệnh thực vật của vật liệu nano silica/oligochitosan đối với bệnh đốm nâu trên cây thanh long, bệnh đạo ôn lá và bạc lá trên cây lúa, bệnh nấm hồng trên cây cao su. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả của Luận án đóng góp số liệu và quy luật khoa học cho quá trình điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu và phương pháp nhiệt phân gel silica/chitosan. Phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu đã tách các hợp chất kim loại ở 700 oC trong 2 giờ thu được nano silica có kích thước hạt trung bình từ 30 – 50 nm, kích thước này lớn hơn các hạt silica kết tinh trên mạng xenlulo vỏ trấu theo các nghiên cứu đã được công bố. Phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel silica/chitosan cho phép điều chỉnh được kích thước hạt nano silica theo ý muốn bằng cách thay đổi tỷ lệ khối lượng của silica với chitosan, kích thước hạt nano silica tăng cùng chiều với tỷ lệ khối lượng silica/chitosan. Phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel silica/chitosan là cơ sở khoa học để tiếp tục nghiên cứu sử dụng các polyme có khả năng tạo gel khác với silica nhằm tối ưu về công nghệ và chi phí sản xuất. Luận án cũng công bố kết quả điều chỉnh khối lượng phân tử chitosan từ 3.000 - 7.000 g.mol-1 bằng phương pháp xử lý H2O2 nồng độ 0,5% kết hợp với chiếu xạ tia  Co-60 không làm thay đổi cấu trúc đơn phân tử của mạch chitosan mà chỉ làm giảm 2
khối lượng phân tử của chitosan và giảm đáng kể liều chiếu xạ nhằm giảm chi phí. Kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan chứa nano silica với oligochitosan bằng phương pháp phối trộn 02 đơn chất hoặc thực hiện phản ứng kết tủa SiO2 giữa Na2SiO3 với ion H+ trong dung dịch oligochitosan. Ý nghĩa khoa học quan trọng về hiệu lực kháng bệnh thực vật là nghiên cứu ban đầu đã chứng minh vật liệu nano silica/oligochitosan có hiệu ứng kích thích sản sinh kháng thể, hiệu quả kiểm soát bệnh thực vật đối với bệnh đốm nâu gây hại cây thanh long, bệnh đạo ôn và bạc lá gây hại trên lúa, bệnh nấm hồng gây hại trên cây cao su đạt từ 86 – 92% ở nồng độ hoạt chất từ 100 – 150 mg.L-1. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của Luận án làm cơ sở khoa học ban đầu để xây dựng quy trình tận dụng phế thải tro vỏ trấu và vỏ tôm sản xuất các loại vật liệu có giá trị gia tăng cao ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Có thể sản xuất vật liệu nano silica từ tro vỏ trấu với kích thước < 30 nm bằng phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel SiO2/chitosan, kích thước hạt silica có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi tỉ lệ khối lượng SiO2/chitosan. Nếu sản xuất silica có kích thước hạt từ 30 – 50 nm thì bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu là phương pháp hiệu quả, sản phẩm sử dụng cho các nhu cầu của các ngành công nghiệp khác nhau như cao su, sơn, phụ gia xi măng,… Oligochitosan khối lượng phân tử thấp được điều chế bằng phương pháp xử lý H2O2 nồng độ 0,5% kết hợp với chiếu xạ tia  Co-60 làm giảm liều chiếu xạ và giá thành nguyên liệu cho sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, chăn nuôi, thủy sản, mỹ phẩm, y tế, bảo quản nông sản thực phẩm. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano silica/oligochitosan đáp ứng công nghệ sản xuất xanh tạo ra sản phẩm có hoạt tính kích kháng, kiểm soát nấm bệnh thực vật có tiềm năng thay thế thuốc bảo vệ thực vật độc hại ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp an toàn. 3
Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Cấu tạo, tính chất của nano silica, oligochitosan và vật liệu lai của chúng. 1.1.1. Nano silica. Silica là một oxit của silic, công thức phân tử là SiO2, có độ cứng cao và được biết đến từ thời cổ đại. Trong tự nhiên, SiO2 không tồn tại dưới dạng phân tử riêng lẻ mà liên kết thành các phân tử lớn do phản ứng ngưng tụ giữa các nhóm silanol (Si- OH). Silica sử dụng vào các mục đích khác nhau phụ thuộc rất nhiều vào độ tinh khiết, cấu trúc mạng tinh thể và vi cấu trúc của chúng. Silica bao gồm hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và vô định hình (Hình 1.1) [1]. Khoáng vật chứa silica trong tự nhiên chủ yếu có cấu trúc tinh thể (thạch anh, triđimit, cristtobalit, đá mã não,...), chúng trơ về mặt hóa học, chủ yếu được ứng dụng làm vật liệu xây dựng, công nghiệp lọc khí và công nghiệp hấp thụ,... Silica ở dạng vô định hình được tìm thấy trong tế bào tảo cát (diatom) và chủ yếu tạo ra bằng phương pháp tổng hợp nhân tạo. Silica vô định hình linh động, hoạt động hóa học hơn silica tinh thể nên chúng có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Các loại silica có diện tích bề mặt lớn như silica cấu trúc xốp (mesoporous) [2], đặc biệt là nano silica hiện nay đã được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như chế tạo bê tông cường độ cao, bê tông chống ion Cl- ăn mòn, tạo liên kết trong vật liệu polyme vô cơ (geopolyme), chất chống lắng và tạo màng cho sơn, làm phụ gia tăng cường cho vật liệu nhựa, vật liệu xây dựng và dân dụng, phụ gia chống mài mòn trong chế biến cao su, sản xuất chất hấp phụ (zeolit, than hoạt tính, ...) xử lý môi trường, hấp thụ trong thu hồi dầu, sản xuất chất hút ẩm silica gel, chất bọc phủ chống đóng bánh trong sản xuất phân bón, chất phân tán thuốc bảo vệ thực vật,... [3, 4]. Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của silica [1]. 4
Sản lượng lúa tại Việt Nam hiện nay đạt gần 45 triệu tấn/năm nên tạo ra nguồn vỏ trấu dồi dào khoảng 8 triệu tấn/năm [5]. Tro vỏ trấu là sản phẩm còn lại sau khi sử dụng trấu làm chất đốt cho các ngành công nghiệp [6]. Hàm lượng SiO2 trong vỏ trấu chiếm khoảng 14 - 25% tùy thuộc vào giống lúa, khí hậu và thổ nhưỡng của nơi canh tác [7]. Trong tro vỏ trấu, hàm lượng SiO2 tăng lên từ 60 - 90% khi hợp chất hữu cơ được phân hủy trong quá trình làm nguyên liệu đốt, silica có cấu trúc chủ yếu là vô định hình chiếm tỷ lệ từ 80 - 97% SiO2 [8, 9]. Ngoài thành phần chính SiO2, trong tro vỏ trấu chứa hàm lượng cacbon từ 10 - 40% và một lượng nhỏ các hợp chất kim loại dạng oxit như Na2O, K2O, Al2O3 Fe2O3, CaO, MgO,… tùy thuộc vào nhiệt độ đốt trấu. Vì vậy, sử dụng tro vỏ trấu làm nguyên liệu để sản xuất nano silica có tính khả thi và hiệu quả kinh tế [10, 11]. Theo tác giả Zakharov và cs (1993) và Nian và cs (2013), hạt silica trong vỏ trấu có kích thước từ 10 - 40 nm và được phân bố giữa các lớp tế bào thực vật [12, 13]. Cây lúa hấp thụ silica ở dạng hòa tan của axit silicic (Si(OH)4), silic tích tụ giữa các hốc của tế bào xenlulo trong vỏ trấu được mô phỏng theo hình 1.2 [13]. a) b) Hình 1.2. Sự hấp thụ silicic trong cây lúa (a) và silica trong vỏ trấu (b). (Nguồn Tabata và cs, 2010) Trong nông nghiệp, silica được sử dụng là phân bón, nó là dinh dưỡng trung lượng cần thiết cho cây trồng. Silica có tác dụng gia cường vách tế bào thực vật làm hạn chế sự xâm nhập gây tổn thương của các lọai côn trùng, sâu hại, nấm bệnh. Khi silica ở kích thước nanomet, theo một số nghiên cứu gần đây cho thấy chúng tỏ ra có hiệu quả kháng vi sinh vật, tăng sức đề kháng cho cây trồng vượt trội so với silica vật liệu khối [14, 15]. Khả năng kháng vi sinh vật của nano silica phụ thuộc vào kích thước hạt tức là phụ thuộc vào diện tích bề mặt và khả năng tiếp xúc. Silica có kích thước nanomet hòa tan hoặc thẩm thấu nhanh vào tế bào thực vật giúp cây trồng hấp 5
thụ silic, thúc đẩy quá trình sinh tổng hợp các hợp chất silic hữu cơ và tăng trưởng cây trồng. 1.1.2. Oligochitosan Oligochitosan được điều chế bằng phương pháp cắt đứt liên kết β-1,4 glucozit giữa các đơn phân tử D-glucosamin trong cấu tạo phân tử của chitosan bằng các tác nhân như sinh học enzym [16], hóa học [17] và bức xạ [18] tạo thành sản phẩm có khối lượng phân tử thấp hơn. Đơn vị cấu tạo trong phân tử oligochitosan là D- glucosamin có công thức cấu tạo được biểu diễn trong hình 1.3. Hình 1.3. Công thức cấu tạo của chitosan. Oligochitosan và chitosan đều có khả năng kháng vi sinh vật và tạo kháng thể giúp cây trồng chống lại sự xâm nhập của vi nấm, vi khuẩn gây bệnh. Khả năng kiểm soát vi sinh vật gây bệnh trực tiếp của chitosan giảm khi khối lượng phân tử giảm nhưng khả năng tạo kháng thể thực vật tăng [19]. Theo Đặng Xuân Dự (2015), các oligochitosan có khả năng tạo ra các phyatolexin (chitinase, glutanase,…) cao và khác biệt với chitosan khi khối lượng phân tử nhỏ hơn 10.000 g.mol-1 [19]. Burkhanova và cs (2007) đã công bố tác dụng kiểm soát bệnh của oligochitosan với khối lượng phân tử 5.000 – 10.000 g.mol-1 đối với bệnh thối rễ của lúa mì [20], Ozeretskovskaya và cs (2006) chứng minh hiệu quả của oligochitosan (2.000 – 6.000 g.mol-1) kiểm soát bệnh mốc sương ở khoai tây so với chitosan có khối lượng phân tử lớn hơn [21]. 1.1.3. Vật liệu lai nano silica/oligochitosan Vật liệu lai là vật liệu tổng hợp gồm hai thành phần trong đó có ít nhất một thành phần có cấu trúc nanomet. Trong vật liệu lai, thông thường có một chất là vô cơ, chất còn lại là hữu cơ. Việc tổng hợp vật liệu lai có thể thực hiện bằng cách phối trộn giữa hai pha để được hỗn hợp đồng nhất hoặc có thể hình thành pha vô cơ trong pha hữu cơ bằng các phản ứng hóa học hoặc hình thành cả hai pha vô cơ, hữu cơ bằng phản ứng hóa học [22]. 6
Vật liệu lai nano silica/oligochitosan bao gồm các hạt nano silica phân tán trong dung dịch polyme oligochitosan, nó tương tác với nhau bằng các liên kết hydro, Van der Waals, tương tác tĩnh điện hoặc có thể có tương tác hóa học do hình thành liên kết cộng hóa trị (Hình 1.4). Sự tương tác giữa thành phần vô cơ và hữu cơ quyết định tính chất của vật liệu lai khác với tính chất của vật liệu đơn lẻ. Vật liệu lai thể hiện được các đặc tính của hai pha trong vật liệu (cộng hợp) hoặc thể hiện được các đặc tính vượt trội (đồng vận) hoặc xuất hiện các đặc tính mới. Các nghiên cứu ban đầu của một số tác giả cho thấy vật liệu nano silica/oligochitosan có hiệu lực kháng vi sinh vật gây bệnh thực vật, tăng trưởng cây trồng [23-25]. Hình 1.4. Mô phỏng hình thành liên kết giữa silica và chitosan [26]. 1.2. Nghiên cứu tổng hợp nano silica, oligochitosan và nano silica/oligochitosan. 1.2.1. Tổng hợp nano silica. Cho đến nay có 02 phương pháp điều chế vật liệu nano silica từ vỏ trấu, tro vỏ trấu là phương pháp hóa học và phương pháp nhiệt phân. a) Phương pháp hóa học Nguyên lý của phương pháp hóa học điều chế nano silica là sử dụng phản ứng kết tủa SiO2 giữa dung dịch muối kiềm silicate và axit hoặc thủy phân các hợp chất hữu cơ chứa silic. Phản ứng kết tủa điều chế nano silica: Silica có cấu trúc vô định hình từ vỏ hoặc tro vỏ trấu được tách bằng cách hòa tan trong kiềm như NaOH, Na2CO3, … và sử dụng axit (HCl, H2SO4,…) kết tủa thu SiO2 theo phương pháp sol-gel [27, 28]. Để thu được kết tủa silica kích thước nanomet có thể thực hiện trong nước thì dung dịch keo silica có hàm lượng silica thấp và nếu kết tủa trong hệ dung dịch ổn định có bổ 7
sung chất chống kết tụ như chất hoạt động bề mặt, polyme thì thu được dung dịch keo có hàm lượng silica cao hơn. Phương trình phản ứng hình thành SiO2 như sau: SiO2 (Vỏ trấu, tro vỏ trấu) + 2NaOH  Na2SiO3 + H2O (1.1) SiO2 (Vỏ trấu, tro vỏ trấu) + Na2CO3  Na2SiO3 + CO2 (1.2) Na2SiO3 + H2SO4  SiO2 + Na2SO4 + H2O (1.3) Si(OH)4 + Si(OH)4  2SiO2 + 4H2O (1.4) Tại Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano silica sử dụng nguyên liệu vỏ trấu. Tác giả Lê Văn Hải và cs (2013) đã tổng hợp silica có kích thước nanomet theo phương pháp sol-gel từ vỏ trấu qua 3 công đoạn [29]. Công đoạn 1: Vỏ trấu được đốt ở nhiệt độ 600°C trong 4 giờ để loại hợp chất hữu cơ, tăng hàm lượng SiO2. Công đoạn 2: Tiến hành tách silica bằng dung dịch NaOH tạo thành Na2SiO3. Công đoạn 3: Kết tủa silica bằng phản ứng giữa Na2SiO3 với H2SO4 đến pH ~4 trong hỗn hợp nước/butanol và chất ổn định Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). Silica thu được có cấu trúc vô định hình, kích thước hạt trung bình 15 nm và có diện tích bề mặt lớn khoảng 340 m2/g (Hình 1.5a). Cũng bằng phương pháp này, tác giả Nguyễn Trí Tuấn và cs (2014) [30] và Nguyễn Văn Hưng và cs (2015) [31] đã điều chế thành công nano silica có kích thước hạt trung bình khoảng 15 nm: Vỏ trấu được nung trong thời gian 4 giờ ở nhiệt độ từ 500 – 700oC, hòa tan trong NaOH; bột nano silica thu được bằng phản ứng kết tủa SiO2 giữa Na2SiO3 với HCl trong dung dịch nước hoặc bổ sung ethanol tại pH ~ 6. Hạt nano silica các tác giả thu được có cấu trúc vô định hình và có xu hướng kết tụ (Hình 1.5b, 1.5c). Zulkifli và cs đã sử dụng kiềm chiết xuất các hạt silica trong tro vỏ trấu đã loại bỏ các tạp chất kim loại [32]. Tro vỏ trấu ban đầu được xử lý bằng HCl trong thời gian 4 giờ ở 75°C. Sau đó tro vỏ trấu được rửa bằng nước cất cho đến khi đạt pH trung tính và sấy khô ở 110°C trong 12 giờ. NaOH sử dụng để chiết silica thu được dung dịch Na2SiO3. Axit hóa dung dịch Na2SiO3 bằng H3PO4 3M cho đến khi tạo gel. Gel được ly tâm và rửa bằng nước cất để loại bỏ muối hòa tan, sau đó được nung để tạo ra hạt nano silica. Liou và Yang [33] đã nghiên cứu các biến số khác nhau ảnh hưởng đến diện tích bề mặt và kích thước hạt silica của nano silica sử dụng nguyên liệu tro vỏ trấu bằng phương pháp chiết kiềm. Nồng độ axit, kiềm, pH gel hóa, thời gian tạo gel và nhiệt độ đã được tối ưu hóa để điều chế các hạt nano silica. Rehman 8