Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thủy vực nước ngọt

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:158

Thêm vào BST

Báo xấu

75
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung của luận án được trình bày trong 3 chương với bố cục như sau: Chương 1 - Tổng quan tài liệu giới thiệu về vật liệu nano, VKL; tổng quan về ứng dụng vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm tảo độc, chương 2 - Phương pháp nghiên cứu trình bày nguyên lý, kỹ thuật và bố trí thực nghiệm của các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án, chương 3 - Kết quả nghiên cứu và thảo luận trình bày kết quả tổng hợp vật liệu nano, kết quả nghiên cứu cấu trúc vật liệu. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thủy vực nước ngọt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Trần Thị Thu Hƣơng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO BẠC, ĐỒNG, SẮT ĐỂ XỬ LÝ VI KHUẨN LAM ĐỘC TRONG THỦY VỰC NƢỚC NGỌT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Hà Nội - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Trần Thị Thu Hƣơng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO BẠC, ĐỒNG, SẮT ĐỂ XỬ LÝ VI KHUẨN LAM ĐỘC TRONG THỦY VỰC NƢỚC NGỌT Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Mã số: 9 52 03 20 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Dƣơng Thị Thủy 2. TS. Hà Phƣơng Thƣ Hà Nội – 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam Ďoan Ďây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, Ďƣợc các Ďồng tác giả cho phép sử dụng và chƣa Ďƣợc sử dụng Ďể bảo vệ một học vị nào, chƣa từng Ďƣợc công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Hà Nội, tháng năm 2018 Tác giả luận án Trần Thị Thu Hƣơng
i MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................. iv DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. vi MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .............................................................5 1.1. Tổng quan về vật liệu nano ...........................................................................5 1.1.1. Khái niệm chung về vật liệu nano ..............................................................5 1.1.2. Một số tính chất chung của vật liệu nano ..................................................5 1.1.3. Tổng quan về vật liệu nano kim loại bạc và đồng ......................................7 1.1.4. Tổng quan về vật liệu nano sắt từ ............................................................17 1.2. Tổng quan về vi khuẩn lam và hiện tƣợng phú dƣỡng ................................20 1.2.1. Vi khuẩn lam .............................................................................................20 1.2.2. Hiện tượng phú dưỡng .............................................................................22 1.3. Các biện pháp xử lý tảo gây nở hoa và tảo Ďộc trên thế giới và Việt Nam .28 1.3.1. Các biện pháp xử lý cơ học, vật lý ...........................................................29 1.3.2. Các biện pháp xử lý hóa học ....................................................................30 1.3.3. Các phương pháp sinh học, sinh thái .......................................................34 1.3.4. Xử lý tảo bằng vật liệu nano ....................................................................37 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................47 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ..................................................................................47 2.2. Hóa chất và thiết bị sử dụng ........................................................................48 2.2.1. Hóa chất ...................................................................................................48 2.2.2. Thiết bị ......................................................................................................49 2.3. Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu .............................................................49 2.3.1. Tổng hợp vật liệu nano bạc bằng phương pháp khử hóa học ..................49 2.3.2. Tổng hợp vật liệu nano đồng bằng hương pháp khử hóa học .................50 2.3.3. Tổng hợp vật liệu nano sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa ..............51 2.4. Các phƣơng pháp xác Ďịnh Ďặc trƣng cấu trúc vật liệu ...............................53 2.4.1. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ......................................53 2.4.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................53
ii 2.4.3. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại IR ................................................53 2.4.4. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X ..............................................................54 2.4.5. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến (UV-VIS) ......................54 2.4.6. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .................................55 2.5. Các phƣơng pháp bố trí thí nghiệm .............................................................55 2.5.1. Thí nghiệm lựa chọn vật liệu nano ...........................................................55 2.5.2. Thí nghiệm nghiên cứu độc tính của vật liệu nano ..................................56 2.5.3. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng kích thước của vật liệu nano ................56 2.5.4. Thí nghiệm nghiên cứu đánh giá tính an toàn của vật liệu ........................57 2.5.5. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano đối với mẫu nước thực tế (mẫu nước hồ Tiền).........................................................................................58 2.6. Các phƣơng pháp xác Ďịnh sinh trƣởng của tảo ..........................................59 2.6.1. Phương pháp xác định mật độ quang OD ................................................59 2.6.2. Phương pháp xác định mật độ tế bào.......................................................59 2.6.3. Phương pháp xác định hàm lượng Chla [154] ........................................59 2.7. Các phƣơng pháp phân tích chất lƣợng môi trƣờng nƣớc ...........................60 2.7.1. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu thủy lý, thủy hóa .............................60 2.7.2. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng NH4+(mg/L).......................60 2.7.3. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng PO43- (mg/L) ......................60 2.8. Các phƣơng pháp quan sát hình thái tế bào .................................................61 2.8.1. Phương pháp quan sát bề mặt tế bào .......................................................61 2.8.2. Phương pháp quan sát cắt lát mỏng mẫu tế bào ......................................61 2.9. Phƣơng pháp thống kê và xử lý số liệu .......................................................61 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................62 3.1. Tổng hợp vật liệu nano ................................................................................62 3.1.1. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng của vật liệu nano bạc tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học ..........................................................62 3.1.2. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng của vật liệu nano đồng bằng phương pháp khử hóa học .........................................................................70 3.1.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của vật liệu nano sắt từ tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa..........................................................77
iii 3.2. Đánh giá khả năng ức chế sinh trƣởng và diệt tảo của các loại vật liệu nano Ďã tổng hợp ............................................................................................................81 3.2.1. Nghiên cứu thăm dò khả năng diệt VKL của ba loại vật liệu nano .........81 3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano bạc đến sinh trưởng và phát triển của VKL Microcystis aeruginosa KG và tảo lục Chlorella vulgaris .................83 3.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến sinh trưởng và phát triển của VKL Microcystis aeruginosa KG và tảo lục Chlorella vulgaris .........94 3.3. Kết quả Ďánh giá tính an toàn của vật liệu nano (ảnh hƣởng của vật liệu nano Ďồng Ďến một số sinh vật khác)...................................................................108 3.3.1. Ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến giáp xác Daphnia magna ........109 3.3.2. Ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến bèo tấm Lemna sp. ..................112 3.4. Kết quả thực nghiệm với mẫu nƣớc hồ Tiền (mẫu nƣớc hồ thực tế bùng phát VKL) ............................................................................................................115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................121 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................125
iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Việt Tiếng Anh VKL Vi khuẩn lam QCVN Quy chuẩn Việt Nam BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng CHHBM Chất hoạt hóa bề mặt VSV Vi sinh vật HLKH&CN Hàn lâm Khoa học và Công nghệ TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam ĐHKHTN Đại học Khoa học Tự nhiên KH-CN Khoa học Công nghệ TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh TVN Thực vật nổi TVTS Thực vật thủy sinh Chla Diệp lục Chlorophyll a KG Kẻ Gỗ cs. cộng sự Scanning Electron SEM Kính hiển vi Ďiện tử quét Microscope Transmission electron TEM Kính hiển vi Ďiện tử truyền qua microscopy Energy-dispersive X-ray EDX Phổ tán sắc năng lƣợng tia X spectroscopy UV-VIS Quang phổ tử ngoại khả kiến Ultraviolet-Visible XRD Nhiễu xạ tia X X-Ray Diffraction IR Phổ hồng ngoại Infrared Spectroscopy ROS Các oxy hoạt Ďộng Reactive Oxygen Species Fcc Cấu trúc lập phƣơng tâm mặt Face centered cubic PEG Polyetylen glycol PVP Polyvinyl pyrolidon
v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Số nguyên tử và năng lƣợng bề mặt của hạt nano hình cầu [1]..................6 Bảng 1.2. Những Ďiều kiện của phản ứng Ďể Ďiều chế hạt nano Ďồng [24] ..............14 Bảng 1.3. Một số tiền chất Ďể tổng hợp hạt nano Ďồng bằng phƣơng pháp khử hóa học [24] .....................................................................................................................15 Bảng 1.4. Giá trị biên Ďể phân loại dinh dƣỡng thủy vực theo OECD [53] .............23 Bảng 3.1. Kết quả lựa chọn nồng Ďộ vật liệu nano Ďã tổng hợp có khả năng diệt VKL M. aeruginosa KG ...........................................................................................82 Bảng 3.2. Độc tính của vật liệu nano bạc và Ďồng Ďến sinh trƣởng của VKL M. aeruginosa KG và tảo lục C. vulgaris (EC50) ........................................................104 Bảng 3.3. Ƣớc tính giá trị LC50 của dung dịch Nano Ďồng tại thời Ďiểm 24 và 48h .................................................................................................................................111 Bảng 3.4. Biến Ďộng giá trị của các thông số thuỷ lý, thuỷ hoá trong các mẫu thí nghiệm (bổ sung vật liệu nano Ďồng 1 ppm) và mẫu Ďối chứng (nƣớc hồ Tiền không bổ sung dung dịch vật liệu nano Ďồng). ..................................................................118
vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Hình ảnh thể hiện kích thƣớc nano (màu Ďỏ) so với một số Ďối tƣợng vật lý và sinh học theo thang kích thƣớc (http://nanoscience.massey.ac.nz/) ..................5 Hình 1.2. Ảnh hƣởng của số lƣợng nguyên tử Ďến diện tích bề mặt riêng .................7 Hình 1.3. Cơ chế kháng khuẩn của vật liệu nano bạc (nguồn: http://congnghenano.infonano-bac-dong-diet-vi-khuan-nam) ....................................8 Hình 1.4. Cơ chế kháng khuẩn của vật liệu nano Ďồng (nguồn: http://wasi.org.vn) .8 Hình 1.5. Sự dao Ďộng plasmon của các hạt hình cầu dƣới tác Ďộng của Ďiện trƣờng ánh sáng [10] .............................................................................................................10 Hình 1.6. Cơ chế ổn Ďịnh hạt nano bạc của PVP [19] ..............................................12 Hình 1.5. Đƣờng cong từ hoá của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thƣớc [37] ........18 Hình 1.6. Hiện tƣợng phú dƣỡng trong môi trƣờng nƣớc (nguồn: http://upload.wikimedia.org) .....................................................................................25 Hình 2.1. Hình ảnh Vi khuẩn lam M. aeruginosa KG và tảo lục C. vulgaris sử dụng trong thí nghiệm ........................................................................................................47 Hình 2.2. Hình ảnh bèo tấm Lemna sp. và giáp xác Daphnia magna sử dụng trong thí nghiệm..................................................................................................................48 Hình 2.3. Hình ảnh nƣớc hồ Tiền trong khuôn viên Đại học Bách Khoa Hà Nội ....48 Hình 2.4. Quy trình Ďiều chế dung dịch nano Ag sử dụng NaBH4 làm chất khử .....50 Hình 2.5. Quy trình tổng quát tổng hợp vật liệu nano Ďồng bằng phƣơng pháp khử hóa học ......................................................................................................................51 Hình 2.6. Quy trình tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 bằng phƣơng pháp Ďồng kết tủa ...52 Hình 2.7. Các tia X nhiễu xạ trên bề mặt tinh thể chất rắn (nguồn: http://ffden- 2.phys.uaf.edu ...........................................................................................................54 Hình 2.8. Nguyên tắc tán xạ tia X dùng trong phổ EDX ..........................................55 Hình 3.1. Phổ UV-VIS các mẫu nano Ag phụ thuộc tỷ lệ nồng Ďộ NaBH4/Ag+ ......63 Hình 3.2. Ảnh TEM của nano Ag phụ thuộc vào tỷ lệ nồng Ďộ BH4-/Ag+ ..............64 Hình 3.3. Lực Ďẩy của hạt nano Ag khi hấp phụ BH4- (M0-các hạt nano Ag) [158] 65 Hình 3.4. Phổ UV-VIS của nano bạc phụ thuộc vào nồng Ďộ chitosan ....................66 Hình 3.5. Ảnh TEM của nano bạc phụ thuộc vào nồng Ďộ chitosan ........................66 Hình 3.6. Cấu tạo phân tử của chitosan (https://vi.wikipedia.org/wiki/Chitosan) ....67
vii Hình 3.7. Phổ UV-VIS của nano bạc phụ thuộc vào nồng Ďộ axit citric ..................68 Hình 3.8. Ảnh TEM của nano Ag phụ thuộc tỷ lệ nồng Ďộ [Citric]/[Ag+] ...............69 Hình 3.9. Ảnh HR-TEM của vật liệu nano Ag khảo sát ở tỷ lệ tối ƣu .....................70 Hình 3.10. Phổ XRD của vật liệu nano Cu khảo sát theo tỉ lệ nồng Ďộ NaBH4/Cu2+ ...................................................................................................................................71 Hình 3.11. Ảnh SEM của các mẫu nano Ďồng theo tỷ lệ NaBH4/Cu2+ .....................72 Hình 3.12. Ảnh TEM của các mẫu nano Ďồng theo tỷ lệ NaBH4/Cu2+ .....................73 Hình 3.13. Phổ XRD của vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng Ďộ Cu0 ....................74 Hình 3.14. Ảnh SEM của vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng Ďộ Cu0 ...................75 Hình 3.15. Ảnh TEM của vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng Ďộ Cu0: ..................75 Hình 3.16. Đặc trƣng chi tiết mẫu vật liệu nano Ďồng N1 ........................................76 Hình 3.17. Ảnh SEM cấu trúc vật liệu nano sắt từ theo các tỷ lệ CMC/Fe3O4 ........78 Hình 3.18. Ảnh TEM cấu trúc vật liệu nano sắt từ theo các tỷ lệ CMC/Fe3O4 ........78 Hình 3.19. Phổ hồng ngoại của mẫu vật liệu Fe3O4 (a), CMC (b), FC21 (c) và tổng hợp phổ của ba mẫu (d) .............................................................................................79 Hình 3.20. Kết quả Ďo từ Ďộ của vật liệu FC21 ........................................................80 ...................................................................................................................................82 Hình 3.21. Ảnh hƣởng của các vật liệu nano Ďến sinh trƣởng của chủng VKL M. aeruginosa KG sau 7-10 ngày. ..................................................................................82 Hình 3.22. Ảnh hƣởng của vật liệu nano bạc Ďến sinh trƣởng của VKL M. aeruginosa KG sau 10 ngày tính theo mật Ďộ quang (a) và hàm lƣợng chla (b)ở các nồng Ďộ 0; 0,001; 0,005; 0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm. ..................................................84 Hình 3.23. Ảnh hƣởng của vật liệu nano bạc tính theo mật Ďộ tế bào (a) và hiệu suất ức chế sinh trƣởng của VKL M. aeruginosa KG (b) ở các nồng Ďộ 0; 0,001; 0,005; 0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm sau 10 ngày. ......................................................................85 Hình 3.24. Kết quả chụp SEM hình thái tế bào VKL M. aeruginosa KG: tế bào VKL không tiếp xúc với vật liệu nano bạc (a); tế bào tiếp xúc với nano bạc (1 ppm) sau 48h (b). ................................................................................................................86 Hình 3.25. Phổ EDX và thành phần các nguyên tố xuất hiện trên bề mặt tế bào VKL M. aeruginosa KG sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano bạc ở nồng Ďộ 1ppm ............87
viii Hình 3.26. Ảnh TEM cấu trúc tế bào VKL M. aeruginosa KG: a) Mẫu Ďối chứng không bổ sung dung dịch nano bạc (a) và mẫu thử nghiệm bổ sung dung dịch nano bạc nồng Ďộ 1ppm sau 48h ........................................................................................88 Hình 3.27. Ảnh hƣởng của vật liệu nano bạc Ďến sinh trƣởng của tảo lục C. vulgaris ở các nồng Ďộ khác nhau (0; 0,005; 0,01; 0,05; 0,1; 1 và 5 ppm): a) sinh trƣởng tính theo mật Ďộ quang OD và b) tính theo mật Ďộ tế bào. ..............................................89 Hình 3.28. Ảnh hƣởng của vật liệu nano bạc tính theo hiệu suất ức chế sinh trƣởng (a) và hàm lƣợng chla (b) Ďến sinh trƣởng của tảo lục C. vulgaris ở các nồng Ďộ 0; 0,005; 0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm sau 10 ngày. ...........................................................90 Hình 3.29. Kết quả chụp SEM hình thái tế bào tảo lục C. vulgaris: tế bào tảo không tiếp xúc với vật liệu nano bạc (a); tế bào tiếp xúc với nano bạc (1 ppm) sau 48h (b). ...................................................................................................................................91 Hình 3.30. Phổ EDX và thành phần các nguyên tố xuất hiện trên bề mặt tế bào tảo lục C. vulgaris sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano bạc ở nồng Ďộ 1ppm ..................92 ...................................................................................................................................92 Hình 3.31. Ảnh TEM cấu trúc tế bào tảo lục C. vulgaris: a) Mẫu Ďối chứng không bổ sung dung dịch nano bạc (a) và mẫu thử nghiệm có tảo lục C. vulgaris tiếp xúc với dung dịch nano bạc nồng Ďộ 1ppm sau 48h ........................................................92 Hình 3.32. Sinh trƣởng của chủng VKL M. aeruginosa KG ở các nồng Ďộ dung dịch nano Ďồng khác nhau (0,01; 0,05; 0,1; 1 và 5 ppm): sinh trƣởng tính theo mật Ďộ quang (OD) (a); theo hàm lƣợng chla (b); theo mật Ďộ tế bào (c) ............................94 Hình 3.33. Hiệu suất ức chế sinh trƣởng VKL M. aeruginosa KG ở các nồng Ďộ dung dịch nano Ďồng khác nhau (0,01; 0,05; 0,1; 1 và 5 ppm) sau 10 ngày.............96 Hình 3.34. Cấu trúc, hình thái tế bào VKL M. aeruginosa KG dƣới kính hiển vi Ďiện tử quét (SEM): a) tế bào VKL ở mẫu Ďối chứng (không bổ sung vật liệu nano Ďồng) và b) tế bào VKL ở mẫu có bổ sung 1ppm vật liệu nano sau 48h. ...........................97 Hình 3.35. Phổ EDX và thành phần các nguyên tố xuất hiện trên bề mặt tế bào VKL M. aeruginosa KG sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano Ďồng ở nồng Ďộ 1ppm .........97 Hình 3.36. Ảnh TEM chụp cấu trúc và hình thái tế bào VKL M. aeruginosa KG: tế bào VKL ở mẫu Ďối chứng (a) và tế bào ở mẫu thí nghiệm có bổ sung 1ppm nano Ďồng sau 48h (b) ........................................................................................................99
ix Hình 3.37. Sinh trƣởng của tảo lục C. vulgaris ở các nồng Ďộ dung dịch nano Ďồng khác nhau (0,01; 0,05; 0,1; 1 và 5 ppm): sinh trƣởng tính theo mật Ďộ quang (OD) (a); theo hàm lƣợng chla (b); theo mật Ďộ tế bào (c) ..............................................100 .................................................................................................................................102 Hình 3.38. Cấu trúc, hình thái tế bào tảo lục C. vulgaris dƣới kính hiển vi Ďiện tử quét (SEM): a) tế bào tảo lục C. vulgaris ở mẫu Ďối chứng (không bổ sung vật liệu nano Ďồng) và b) tế bào tảo lục C. vulgaris ở mẫu có bổ sung 1ppm vật liệu nano sau 48h.....................................................................................................................102 Hình 3.39. Phổ EDX và thành phần các nguyên tố xuất hiện trên bề mặt tế bào tảo lục C. vulgaris sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano Ďồng ở nồng Ďộ 1ppm ..............102 Hình 3.40. Ảnh TEM chụp cấu trúc và hình thái tế bào tảo lục C. vulgaris: tế bào C. vulgaris ở mẫu Ďối chứng (a) và tế bào ở mẫu thí nghiệm có bổ sung 1ppm nano Ďồng sau 48h (b) ......................................................................................................103 Hình 3.41. Sinh trƣởng của VKL M. aeruginosa KG dƣới tác Ďộng của các nồng Ďộ dung dịch và các kích thƣớc hạt Ďồng khác nhau a) kích thƣớc 50 nm. ..............................................................105 Hình 3.42. Biến Ďộng hàm lƣợng chla (A) và mật Ďộ quang (B) của VKL M. aeruginosa KG theo thời gian dƣới tác Ďộng của các kích thƣớc hạt nano Ďồng khác nhau. ........................................................................................................................106 Hình 3.43. Hiệu suất ức chế sinh trƣởng chủng VKL M.aeruginosa KG ở các nồng Ďộ dung dịch và các kích thƣớc hạt Ďồng khác nhau. .............................................107 Hình 3.44. Tỷ lệ cá thể sống/chết của D. magna sau 24h và 48h phơi nhiễm với dung dịch nano Ďồng khác nhau (0; 0,01; 0,05; 0,1;1; 3 và 5 ppm). ......................110 .................................................................................................................................113 Hình 3.45. Sự khác biệt về sinh khối của bèo Lemna sp. giữa ngày thử nghiệm Ďầu tiên (D0) và ngày cuối cùng (D7) dƣới tác Ďộng của các nồng Ďộ dung dịch nano Ďồng khác nhau: Biểu Ďồ tăng trƣởng (a) và hình ảnh thí nghiệm thực tế (b) ........113 Hình 3.46. Hiệu suất ức chế sinh trƣởng của vật liệu nano Ďồng Ďến bèo Lemna sp. sau 7 ngày. ...............................................................................................................114 Hình 3.47. Biến Ďộng sinh khối thực vật nổi (chla) giữa mẫu Ďối chứng và mẫu có bổ sung dung dung dịch nano Ďồng (1 ppm) sau D0, D1, D2, D3, D4 và D8 ngày thực nghiệm. ............................................................................................................116
x Hình 3.48. Biến Ďộng mật Ďộ tế bào chi VKL Microcystis (b) và tổng mật Ďộ tế bào thực vật nổi (a) giữa mẫu Ďối chứng (không bổ sung dung dịch nano Ďồng) và mẫu thử nghiệm (mẫu có bổ sung 1 ppm dung dịch nano Ďồng) sau 8 ngày. ................117
1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần Ďây, việc xây dựng và phát triển bền vững các ngành sản xuất nhất là hai lĩnh vực công nghiệp và nông nghiệp là một yêu cầu cấp thiết nhằm hạn chế những tác Ďộng của biến Ďổi khí hậu và tạo ra nhiều nguồn năng lƣợng mới thay thế năng lƣợng tự nhiên sắp cạn kiệt. Bên cạnh Ďó, việc lạm dụng quá mức phân bón và thuốc bảo vệ thực vật trong sản xuất nông nghiệp là một trong những nguyên nhân dẫn Ďến tình trạng ô nhiễm nguồn nƣớc. Ô nhiễm môi trƣờng Ďất, nƣớc và không khí Ďã trở thành vấn Ďề hết sức nan giải không chỉ ở Việt Nam mà còn diễn ra ở nhiều nơi trên thế giới, trong Ďó ô nhiễm môi trƣờng nƣớc là trầm trọng hơn cả. Việc gia tăng dân số, phát triển các ngành công nghiệp, nông nghiệp Ďã và Ďang làm gia tăng nguồn dinh dƣỡng Ďáng kể (chủ yếu là dƣ thừa nitơ và photpho) trong các thủy vực. Nguồn nƣớc tiếp nhận (chủ yếu là nƣớc mặt) giàu dinh dƣỡng dẫn Ďến phú dƣỡng nguồn nƣớc và làm mất cân bằng sinh thái ở các thủy vực, gây ra hiện tƣợng “tảo nở hoa”. “Tảo nở hoa” là hiện tƣợng phát triển bùng phát của tảo, Ďặc biệt là vi khuẩn lam (VKL) tại các thủy vực nƣớc ngọt và thƣờng gây ra những tác Ďộng xấu lên môi trƣờng nhƣ làm Ďục nƣớc, tăng pH, giảm hàm lƣợng oxy hòa tan do quá trình hô hấp hoặc phân hủy sinh khối tảo và trong Ďó phần lớn VKL sản sinh ra Ďộc tố VKL có Ďộc tính cao. Hiện nay, tần xuất xuất hiện hiện tƣợng nở hoa của VKL có xu hƣớng ngày càng gia tăng trong các thủy vực. Do vậy, ngăn ngừa và giảm thiểu phát triển mạnh mẽ của VKL là vấn Ďề môi trƣờng quan trọng cần Ďƣợc quan tâm. Các quá trình xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc Ďã Ďƣợc chú trọng từ nhiều thập kỷ nay tại nhiều nƣớc trên thế giới, trong Ďó xử lý ô nhiễm do VKL và Ďộc tố của chúng tại các thuỷ vực nƣớc ngọt làm nguồn cung cấp nƣớc sinh hoạt cho cộng Ďồng dân cƣ Ďang ngày càng Ďƣợc quan tâm và giám sát chặt chẽ. Để giảm thiểu sự bùng phát của VKL, những giải pháp xử lý tức thì thƣờng Ďƣợc sử dụng khi thủy vực Ďã bị ô nhiễm nặng (xuất hiện hiện tƣợng nở hoa nƣớc). Khi Ďó ngƣời ta sử dụng những phƣơng pháp hóa học nhƣ dùng hóa chất (CuSO4) Ďể diệt tảo kết hợp với những phƣơng pháp cơ học (hớt váng, che mái…). Tuy nhiên, những phƣơng pháp này khá tốn kém, gây ảnh hƣởng tới hệ sinh thái và khó tiến hành triệt Ďể, Ďặc biệt là trong những thủy vực lớn. Chính vì vậy, việc tìm kiếm và phát triển những giải pháp mới có hiệu quả,
2 không gây ô nhiễm thứ cấp và thân thiện với môi trƣờng ngày càng Ďƣợc chú trọng nghiên cứu. Việc nghiên cứu phát hiện ra những vật liệu mới có khả năng ngăn ngừa hiệu quả sự phát triển của tảo Ďộc mà không ảnh hƣởng xấu Ďến môi trƣờng nƣớc và những sinh vật sống trong Ďó là một yêu cầu cấp thiết góp phần bảo vệ sức khoẻ con ngƣời, bảo vệ chất lƣợng nƣớc. Trong vấn Ďề này, công nghệ nano Ďƣợc cho là khá phù hợp, không những mang lại hiệu quả xử lý cao, mà còn giảm thiểu chi phí, liều lƣợng sử dụng cũng nhƣ các vấn Ďề về môi trƣờng. Công nghệ nano là công nghệ liên quan Ďến việc tổng hợp và ứng dụng các vật liệu có kích thƣớc nanomet (nm). Ở kích thƣớc nano, vật liệu có nhiều Ďặc tính nổi trội nhƣ có kích thƣớc nhỏ hơn 100 nm, có diện tích tiếp xúc bề mặt lớn so với khối lƣợng, tạo ra ảnh hƣởng của bề mặt Plasmon cộng hƣởng, khả năng bám dính tốt và Ďƣợc ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau nhƣ y tế, mỹ phẩm, Ďiện tử, xúc tác hoá học, môi trƣờng... Vì có nhiều Ďặc Ďiểm ƣu việt và khả năng ứng dụng thực tế cao nên quá trình sản xuất vật liệu nano trên toàn cầu Ďã không ngừng tăng từ 2000 tấn năm 2004 và dự Ďoán từ năm 2011 Ďến 2020 sẽ lên Ďến 58.000 tấn. Với những ƣu Ďiểm này, vật liệu nano Ďã mở ra tiềm năng lớn trong việc ứng dụng vật liệu nano trong việc kiểm soát sự bùng phát tảo trong tƣơng lai. Từ những lý do trên Ďề tài: “Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thuỷ vực nước ngọt” Ďã Ďƣợc lựa chọn thực hiện.  Mục mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, chế tạo và xác Ďịnh tính chất, Ďặc trƣng của 03 vật liệu nano (bạc, Ďồng và sắt) và Ďánh giá khả năng diệt VKL của vật liệu nano trong thủy vực nƣớc ngọt.  Đối tượng nghiên cứu - Ba loại vật liệu nano bạc và Ďồng bằng phƣơng pháp khử hóa học; nano sắt bằng phƣơng pháp Ďồng kết tủa; - VKL M. aeruginosa KG và tảo lục C. vulgaris.  Nội dung nghiên cứu - Chế tạo và xác Ďịnh Ďặc trƣng, tính chất của ba loại vật liệu nano bạc, Ďồng và sắt. - Đánh giá khả năng diệt và ức chế VKL của ba loại vật liệu nano.
3 - Đánh giá tính an toàn của vật liệu. - Thực nghiệm ứng dụng của vật liệu ở quy mô phòng thí nghiệm với mẫu nƣớc hồ.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc nói chung và ô nhiễm các thủy vực có nguyên nhân từ Ďộc tố của VKL Ďã nhận Ďƣợc nhiều sự quan tâm, nghiên cứu trong thời gian gần Ďây. Sử dụng vật liệu nano trong xử lý vi tảo thể hiện nhiều ƣu Ďiểm trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trƣờng nhất là ô nhiễm do phú dƣỡng ở các thủy vực. Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học và chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nở hoa của VKL trong các thủy vực nƣớc ngọt.  Những đóng góp mới của luận án - Luận án Ďã nghiên cứu chế tạo và lựa chọn Ďƣợc hai loại vật liệu nano bạc và Ďồng có khả năng diệt VKL M. aeruginosa KG. - Luận án Ďã khảo sát khả năng ức chế và diệt VKL của vật liệu nano bạc, Ďồng và chứng minh cả hai loại vật liệu Ďều có khả năng ức chế sinh trƣởng của VKL. EC50 của vật liệu nano bạc Ďối với VKL M. aeruginosa KG là 0,0075 mg/L và của nano Ďồng là 0,7159 mg/L. Hiệu suất ức chế sinh trƣởng Ďạt > 75% ghi nhận ở 4 nồng Ďộ nano bạc bổ sung (0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm) và Ďạt > 90% khi nồng Ďộ nano Ďồng là 1 và 5 ppm nano Ďồng. - Luận án Ďã bƣớc Ďầu thử nghiệm khả năng diệt VKL Ďối với môi trƣờng nƣớc hồ thực tế (hồ Tiền Đại học Bách khoa Hà Nội) và Ďánh giá tính an toàn của vật liệu nano Ďối với một số loài sinh vật thủy sinh nhƣ bèo tấm Lemna sp., giáp xác D. magna.  Bố cục của luận án Ngoài phần mở Ďầu, kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo, nội dung của luận án Ďƣợc trình bày trong 3 chƣơng với bố cục nhƣ sau: Chƣơng 1 Tổng quan tài liệu giới thiệu về vật liệu nano, VKL; tổng quan về ứng dụng vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm tảo Ďộc. Chƣơng 2 Phƣơng pháp nghiên cứu trình bày nguyên lý, kỹ thuật và bố trí thực nghiệm của các phƣơng pháp nghiên cứu Ďƣợc sử dụng trong luận án.
4 Chƣơng 3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận trình bày kết quả tổng hợp vật liệu nano, kết quả nghiên cứu cấu trúc vật liệu; kết quả thử nghiệm hoạt tính ức chế và diệt VKL của vật liệu nano Ďã tổng hợp; kết quả Ďánh giá tính an toàn của vật liệu cũng nhƣ kết quả thử nghiệm với mẫu nƣớc hồ thực tế.
5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về vật liệu nano 1.1.1. Khái niệm chung về vật liệu nano Khoa học nano: là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tƣợng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và Ďại phân tử. Tại các quy mô Ďó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. Hình 1.1. Hình ảnh thể hiện kích thước nano (màu đỏ) so với một số đối tượng vật lý và sinh học theo thang kích thước (http://nanoscience.massey.ac.nz/) Công nghệ nano: là ngành công nghệ liên quan Ďến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc Ďiều khiển hình dáng, kích thƣớc trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10-9 m). Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano Ďôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng Ďều có chung Ďối tƣợng là vật liệu nano. Vật liệu nano: là vật liệu trong Ďó ít nhất một chiều có kích thƣớc nanomet. Chúng có nhiều Ďặc tính nổi trội nhƣ: kích thƣớc Ďặc biệt
6 Khi kích thƣớc vật liệu Ďạt Ďến cỡ nanomét thì số nguyên tử trên bề mặt là tƣơng Ďối lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thƣớc vật liệu giảm Ďi thì hiệu ứng có liên quan Ďến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên. Kích thƣớc của vật liệu giảm Ďến nanomet thì các tính chất liên quan Ďến các nguyên tử bề mặt thể hiện một cách rõ rệt. Kích thƣớc hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngƣợc lại (Bảng 1.1). Bảng 1.1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [1] Đƣờng kính hạt Số nguyên Tỉ số nguyên Năng lƣợng bề Năng lƣợng bề nano (nm) tử tử trên bề mặt mặt (erg/mol) mặt trên năng (%) lƣợng tổng (%) 10 30.000 20 4,8.1011 7,6 5 4.000 40 8,6.1011 14,3 2 250 80 2,04.1012 14,3 1 30 90 9,23.1012 82,2 1.1.2.2. Hiệu ứng kích thước Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thƣớc của vật liệu nano Ďã làm cho vật liệu này có nhiều Ďặc Ďiểm khác với các vật liệu truyền thống. Mỗi một vật liệu Ďều Ďƣợc quy Ďịnh bởi một Ďộ dài Ďặc trƣng còn Ďƣợc gọi là kích thƣớc tới hạn. Khi các Ďộ dài Ďặc trƣng thể hiện tính chất của vật liệu Ďều có kích thƣớc nanomet Ďã tạo thành tên gọi “vật liệu nano” mà ngày nay ta thƣờng nghe. Ở dạng vật liệu khối, kích thƣớc vật liệu lớn hơn nhiều lần so với Ďộ dài Ďặc trƣng của vật liệu nano. Nhƣng khi kích thƣớc của vật liệu Ďƣợc so sánh với Ďộ dài Ďặc trƣng thì tính chất có liên quan bị thay Ďổi Ďột ngột, khác hẳn so với tính chất Ďã biết trƣớc Ďó. Khi nói Ďến vật liệu nano, ngƣời ta Ďã nghiên cứu Ďến tính chất Ďi kèm của vật liệu Ďó. Cùng một vật liệu và kích thƣớc, khi xem xét tính chất này thì khác so với vật liệu khối nhƣng với tính chất khác thì không có khác biệt. Tuy nhiên, hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thƣớc nào.
7 Tổng số nguyên tử: 10 Tổng số nguyên tử: 92 Tổng số nguyên tử: 792 Số nguyên tử trên bề mặt: 10 Số nguyên tử trên bề mặt: 74 Số nguyên tử trên bề mặt: 394 Chiếm: 100% Chiếm: 80% Chiếm: 50% Hình 1.2. Ảnh hưởng của số lượng nguyên tử đến diện tích bề mặt riêng 1.1.3. Tổng quan về vật liệu nano kim loại bạc và đồng 1.1.3.1. Tính chất đặc trưng của vật liệu nano kim loại bạc và đồng Vật liệu nano bạc và Ďồng có nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu khối. Ngoài các tính chất chung của vật liệu nano kim loại nhƣ có Ďộ dẫn Ďiện cao, hoạt tính xúc tác, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thƣớc và có mật Ďộ Ďiện tử tự do lớn [2], vật liệu nano kim loại bạc và Ďồng còn có một số Ďặc trƣng chính nhƣ sau: a) Tính kháng khuẩn Vật liệu nano bạc Ďã Ďƣợc nhiều công trình nghiên cứu và công bố là có tính kháng khuẩn cao, cơ chế kháng khuẩn chính của vật liệu nano bạc vì chúng có khả năng nhƣ sau (Hình 1.3) [3-5]: - Vô hiệu hóa enzyme: Các enzyme do vi sinh vật sinh ra thƣờng chứa các cầu nối disunfit (S-S), các cầu nối này Ďóng vai trò nhƣ một công tắc Ďóng, mở thuận nghịch Ďể tạo ra protein khi tế bào vi khuẩn gặp các phản ứng oxy hóa. Các hạt nano bạc liên kết các cầu nối này trong cấu trúc tế bào của vi sinh vật và giải phóng ion bạc từ các hạt nano bằng cách tƣơng tác với các nhóm thiol của nhiều enzyme quan trọng và vô hiệu hóa chúng nên có khả năng diệt vi khuẩn, vi nấm. - Phá vỡ thành tế bào: Vật liệu nano bạc hỗ trợ quá trình tạo ra các oxy hoạt tính trong không khí hoặc trong nƣớc, những oxy hoạt tính này phá vỡ màng tế bào hoặc thành tế bào của vi khuẩn bằng cách tạo ra các phản ứng oxy hóa. Các phản ứng này hình thành các gốc bạc tự do làm cho màng tế bào bị xốp. - Ngăn cản sinh trƣởng của vi khuẩn: các hạt nano bạc có thể neo bám vào bề mặt tế bào vi khuẩn rồi xuyên qua màng tế bào và Ďiều chỉnh các tín hiệu chuyển hóa trong vi khuẩn, ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn.