Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Tổng hợp nano Cu2O-Cu/Alginate và khảo sát khả năng kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là xây dựng được quy trình tổng hợp nano Cu2OCu/alginate có hiệu quả kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long và khảo sát nồng độ vật liệu đạt hiệu quả kháng nấm đạt trên 90%. Kết quả của đề tài làm cơ sở cho việc ứng dụng vật liệu làm thuốc kiểm soát nấm bệnh thực vật trong sản xuất nông sản an toàn và làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo đối với các đối tượng gây bệnh thực vật trên các cây trồng khác nhau.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Tổng hợp nano Cu2O-Cu/Alginate và khảo sát khả năng kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Duy Thắng TỔNG HỢP NANO CU2O-CU/ALGINATE VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG KHÁNG NẤM NEOSCYTALIDIUM DIMIDIATUM GÂY BỆNH ĐỐM NÂU TRÊN CÂY THANH LONG LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC Thành phố Hồ Chí Minh- 2021
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Duy Thắng TỔNG HỢP NANO CU2O-CU/ALGINATE VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG KHÁNG NẤM NEOSCYTALIDIUM DIMIDIATUM GÂY BỆNH ĐỐM NÂU TRÊN CÂY THANH LONG Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 8440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hướng dẫn 1 : TS. Bùi Duy Du Thành phố Hồ Chí Minh - 2021
Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bùi Duy Du. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài là trung thực, chưa được công bố ở các đề tài cùng cấp và các công trình khoa học tương tự. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2021 Học viên cao học Nguyễn Duy Thắng i
Lời cảm ơn Để hoàn thành luân văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: TS. Bùi Duy Du, thầy đã hướng dẫn tận tình, tạo điều kiện cho tôi về cơ sở vật chất, thiết bị và địa điểm để tôi thực hiện và hoàn thành luận văn. NCS. Lê Nghiêm Anh Tuấn, thầy đã giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong quá trình làm thí nghiệm và hoàn thiện nội dung luận văn. Trung tâm sinh học và vật liệu mới – Viện Khoa học Vật Liệu ứng dụng, phòng thí nghiệm trọng điểm về Công nghệ Tế bào Thực vật – Viện Sinh học nhiệt đới, đã cung cấp cơ sở hạ tầng, trang thiết bị giúp tôi thực hiện các thí nghiệm. Học viện Khoa học và Công nghệ – Viên Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ tạo mọi điều kiện giúp tôi hoàn thành tốt chương trình đào tạo Thạc sĩ và hoàn thành luận văn này. Các bạn học viên lớp cao học Hóa vô cơ và Hóa phân tích khóa 2017A và 2017B đã động viên giúp đỡ trong suốt hóa trình học tập cũng như thực hiện luận văn. ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/ từ STT Thuật ngữ đầy đủ Ý nghĩa viết tắt Môi trường nuôi cấy vi sinh 1 PDA Potato dextrose agar vật, nấm meo Transmission electron Kính hiển vi điện tử truyền 2 TEM microscopy qua 3 XRD X-Ray diffraction Nhiễu xạ tia X Fourier transform infrared Quang phổ hồng ngoại biến 4 FT-IR spectroscopy đổi fourier Ultraviolet-visible Phổ hấp thụ tử ngoại khả 5 UV-Vis spectroscopy kiến 6 EDX Energy-dispersive X-ray Phổ tán xạ năng lượng tia X Ethylenediaminetetraacetic 7 EDTA Chất ổn định acid Cetyltrimethylammonium 8 CTAB Chất ổn định bromid 9 PAAM Polymer Allylamine Chất ổn định 10 AAM Allylamine Chất ổn định 11 DMF Dimethyl formamide Dung môi hữu cơ 12 FA Formamide Dung môi hữu cơ iii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các công nghệ khác nhau sử dụng cho việc điều chế hạt nano Cu2O ..... 14 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ alginate đến kích thước hạt nano Cu2O-Cu ...... 41 Bảng 3.2. Độc tính cấp LD50 qua đường miệng trên chuột của chế phẩm nano Cu2O Cu/alginate ...................................................................................................... 47 Bảng 3.3. Tỷ lệ nhạy cảm của chuột với chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate ........... 48 Bảng 3.4. Sự thay đổi khối lượng cơ thể và phản ứng nhạy cảm da ........................ 48 Bảng 3.5. Hiệu lực ức chế nấm Neoscytalidium dimidiatum của chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate ...................................................................................................... 51 Bảng 3.6. Tỉ lệ bệnh và chỉ số bệnh đốm nâu thanh long thí nghiệm trong điều kiện nhà lưới...................................................................................................................... 53 Bảng 3.7. Hiệu lực phòng trừ bệnh đốm nâu trên cành thanh long ở thí nghiệm điều kiện nhà kính ............................................................................................................. 54 iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Đặc trưng cấu trúc của alginate .................................................................. 5 Hình 1.2. Mô hình tạo gel của alginate với ion hóa trị 2 ............................................ 6 Hình 1.3. Triệu chứng bệnh đốm nâu trên dây, quả thanh long do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây ra .............................................................................. 7 Hình 1.4. Hình ảnh chụp các hạt nano đồng đang tương tác lên tế bào vi khuẩn, phá vỡ cấu trúc màng ngoài của tế bào vi khuẩn và tiêu diệt chúng ................................. 9 Hình 1.5. Cơ chế phòng trừ vi sinh vật của CuO và Cu2O (Surapaneni Meghana et al, 2013) ..................................................................................................................... 10 Hình 1.6. Độc tính của các chất và hợp chất kim loại nano so với muối kim loại của nó (Nguồn: Olesja Bondarenko và cs, 2013) ............................................................ 17 Hình 2.1. Quy trình điều chế vật liệu Cu2O-Cu/alginate.......................................... 21 Hình 2.2. Thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua JEM 1400; JEOL - Nhật Bản ... 22 Hình 2.3. Sơ đồ nhiễu xạ của tia X trên tinh thể ...................................................... 23 Hình 2.4. Góc đỉnh phản xạ của tía X phụ thuộc kích thước hạt ............................. 24 Hình 2.5. Nhiễu xạ tia X (D8-ADVANCE, Brucker – Đức) .................................. 24 Hình 2.6. Thiết bị hồng ngoại FT–IR 8400S (Shimadzu - Nhật Bản) ..................... 25 Hình 2.7. Thiết bị UV- Vis Model V630, Jasco - Nhật Bản .................................... 27 Hình 2.8. Kính hiển vi điện tử quét phân giải cao với hệ tán xạ năng lượng tia X (JSM-7610 - JEOL JED 2300 - Nhật Bản................................................................. 27 Hình 2.9. Sự đổi màu dung dịch xanh của phức [Cu(NH3)4]2+ thành nâu đỏ trong quá trình khử Cu2+ thành Cu ..................................................................................... 30 Hình 3.1. Phổ UV-vis của alginate (a) và phức [Cu(NH3)4]2+ trong dung dịch alginate (b)................................................................................................ 37 Hình 3.2. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của nano Cu2O-Cu phụ thuộc vào nồng độ Cu2+ ............................................................................................................. 38 Hình 3.3. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của nano Cu2O-Cu phụ thuộc vào nồng độ chất khử ....................................................................................................... 40 Hình 3.4. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của nano Cu2O-Cu phụ thuộc vào nồng độ chất ổn định alginate ................................................................................... 41 Hình 3.5. Phổ FT-IR của alginate và nano Cu2O-Cu/alginate ................................. 43 v
Hình 3.6. Giản đồ XRD của Alginate và nano Cu2O-Cu/Alginate 40 ..................... 44 Hình 3.7. Phổ EDX của chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate ..................................... 44 Hình 3.8. Phổ UV-vis của phức alginate-Cu2+, nano Cu2O-Cu/Alginate ................ 45 Hình 3.9. Sơ đồ mô phỏng mô phỏng phản ứng tạo cấu trúc nano nhân-vỏ Cu@Cu2O.................................................................................................................. 46 Hình 3.10. Sự thay đổi kích thước hạt nano Cu2O-Cu và phổ UV-vis của vật liệu theo thời gian ............................................................................................................. 47 Hình 3.11. Sự phát triển của nấm Neoscytalidium dimidiatum sau 7 ngày.............. 51 Hình 3.12. Đồ thị tương quan giữa nồng độ Cu của nano Cu2O-Cu/alginate đến hiệu lực ức chế nấm Neoscytalidium dimidiatum ..................................................... 52 Hình 3.13. Triệu chứng bệnh đốm nâu trên dây thanh long trong thí nghiệm xử lý Cu2O-Cu/alginate ...................................................................................................... 55 vi
MỤC LỤC Lời cam đoan .................................................................................................................................... i Lời cảm ơn ......................................................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................iii DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................................. iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................................................... v MỤC LỤC .....................................................................................................................................vii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ......................................................................................................... 3 1.1. Vật liệu nano đồng, nano oxit đồng và hiệu ứng kháng vi sinh vật gây bệnh thực vật............ 3 1.2. Rong nâu và ứng dụng của axit alginic trong rong nâu làm chất điều hòa sinh trưởng thực vật và ổn định dung dịch keo nano .................................................................................................. 4 1.3. Bệnh đốm nâu trên cây thanh long. .......................................................................................... 6 1.4. Cơ chế kháng vi sinh vật của nano Cu và Cu2O ...................................................................... 7 1.5. Tình hình nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Cu2O-Cu......................................................... 11 1.6. Độc tính của nano đồng và oxit đồng ..................................................................................... 14 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................... 18 2.1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................................... 18 2.2. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................................. 18 2.3. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 19 2.3.1. Vật liệu ................................................................................................................................ 19 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................................... 19 2.3.2.1. Phương pháp tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate ............................................................... 19 2.3.2.2. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM). .............................................. 20 2.3.2.3. Phương pháp đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ..................................................................... 22 2.3.2.4. Phương pháp đo phổ hồng ngoại (FT-IR) ........................................................................ 24 2.3.2.5. Phương pháp đo phổ tử ngoại – khả kiến (UV-vis). ........................................................ 24 2.3.2.6. Phương pháp đo phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) ...................................................... 26 2.3.2.7. Phương pháp xác định hàm lượng Cu trong nông sản bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ................................................................................................................................. 26 2.3.3. Phương pháp thống kê và xử lý số liệu ............................................................................... 28 2.4. Thực nghiệm .......................................................................................................................... 28 2.4.1. Nghiên cứu tổng hợp nano Cu2O-Cu/alginate..................................................................... 28 vii
2.4.1.1 Thí nghiệm ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+ ban đầu đến kích thước hạt nano Cu2O- Cu/alginate .................................................................................................................................... 28 2.4.1.2. Thí nghiệm ảnh hưởng nồng độ chất khử hydrazine đến kích thước hạt nano Cu2O- Cu/alginate .................................................................................................................................... 29 2.4.1.3. Thí nghiệm ảnh hưởng nồng độ chất ổn định alginate đến kích thước hạt nano Cu2O- Cu/alginate .................................................................................................................................... 30 2.4.1.4. Đánh giá độc tính cấp LD50 của nano Cu2O-Cu/alginate ................................................. 30 2.4.2. Khảo sát in vitro hiệu lực kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long theo nồng độ của nano Cu2O-Cu/alginate.. .......................................................... 31 2.4.2.1. Khảo nghiệm hiệu lực phòng trừ bệnh đốm nâu trên cây thanh long của chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch. ........................................................ 31 2.4.2.2. Khảo nghiệm hiệu lực phòng trừ bệnh đốm nâu trên cây thanh long của chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate trong nhà kính. ................................................................................................. 32 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................................. 36 3.1. Tổng hợp nano Cu2O-Cu/ALGINATE .................................................................................. 36 3.1.1. Ảnh hưởng nồng độ ion Cu2+ đến kích thước hạt nano Cu2O-Cu/alginate ......................... 36 3.1.2. Ảnh hưởng nồng độ chất khử hydrazine đến kích thước hạt nano Cu2O-Cu/alginate ........ 38 3.1.3. Ảnh hưởng nồng độ alginate đến kích thước hạt nano Cu2O-Cu/alginate .......................... 39 3.2. Nghiên cứu tính chất đặc trưng của nano Cu2O-Cu/ALGINATE .......................................... 41 3.2.1. Phổ FT-IR của nano Cu2O-Cu/alginate............................................................................... 41 3.2.2. Phổ XRD của nano Cu2O-Cu/alginate ................................................................................ 42 3.2.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) của chế phẩm nano Cu2O-Cu/alginate....................... 43 3.2.4. Phổ UV-vis của vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate ................................................................ 44 3.2.5. Nghiên cứu sự thay đổi kích thước hạt của dung dịch keo nano Cu2O-Cu/Alginate .......... 45 3.2.6. Độc tính của nano Cu2O-Cu/alginate .................................................................................. 46 3.2.6.1. Độc tính qua đường miệng ............................................................................................... 46 3.2.6.2. Độc tính qua đường tiếp xúc da ....................................................................................... 47 3.3. Hoạt tính kháng nấm neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long của nano Cu2O-Cu/ALGINATE. ......................................................................................................... 49 3.3.1. Thí nghiệm khuếch tán đĩa thạch xác định hiệu lực kháng nấm phụ thuộc nồng độ Cu trong vật liệu nano Cu2O-Cu/alginate ........................................................................................... 49 3.3.2.Thí nghiệm trong điều kiện nhà lưới .................................................................................... 52 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 55 4.1. Kết luận .................................................................................................................................. 55 4.2. Kiến nghị ................................................................................................................................ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................. 56 viii
MỞ ĐẦU Việt Nam là một nước có nền sản xuất nông nghiệp, ngoài cây trồng chính là lúa nước thì các loại cây ăn trái cũng có vai trò quan trọng đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước và xuất khẩu. Chủng loại cây ăn trái tại Việt Nam rất phong phú như xoài cát, sầu riêng, chôm chôm, nhãn, bưởi da xanh, bưởi năm roi, vú sữa Lò rèn, mít Thái, vải thiều Lục Ngạn... trong thời gian vừa qua đã được xuất khẩu tới các thị trường lớn trên thế giới. Trong các loại cây ăn trái, cây thanh long trong thời gian vừa qua đã trở thành cây trồng chủ lực và có giá trị xuất khẩu tại các tỉnh Nam Bộ như tỉnh Bình Thuận, Long An, Tiền Giang, Trà Vinh… Hiện nay, việc canh tác cây ăn trái tập trung dẫn đến sự thoái hóa đất, xuất hiện nhiều loại dịch bệnh khó kiểm soát, các loại nấm bệnh kháng thuốc, chưa có thuốc đặc trị, đặc biệt là bệnh đốm nâu trên cây thanh long do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây ra. Hiện nay, việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật chủ yếu là thuốc tổng hợp hữu cơ để kiểm soát bệnh thực vật để lại tồn dư trên nông sản gây rất nhiều khó khăn cho việc xuất khẩu vào các thị trường yêu cầu chất lượng cao như: Mỹ, Úc, các nước châu Âu, Nhật Bản,… Vì vậy, việc nghiên cứu một vật liệu mới đáp ứng yêu cầu phòng trừ các loại bệnh khó kiểm soát đồng thời không để lại dư lượng trên nông sản là điều cần thiết và cấp bách để phát triển nền nông nghiệp an toàn, bền vững. Ngày nay, sự phát triển của công nghệ chế tạo các kim loại nano (Au, Ag, Se, Fe, Cu, …) ứng dụng làm chất kháng nấm, kháng khuẩn đã mở ra một hướng đi mới cho việc nghiên cứu điều chế các vật liệu nano ứng dụng làm chất kháng vi sinh vật gây bệnh trên cây trồng. Trong số đó, hợp chất nano của kim loại đồng như nano Cu2O, CuO, CuCl đã được một số nhà nghiên cứu phát triển làm chất phòng trừ vi sinh vật gây hại thực vật do chúng có hiệu lực cao và chi phí thấp. Vật liệu Cu2O-Cu ở kích thước nano có hoạt lực phòng trừ nấm bệnh cao hơn vật liệu khối do diện tích bề mặt lớn nên chỉ cần sử dụng ở nồng độ nhỏ. Cu2O-Cu ở kích thước nano có tính linh động, hoạt tính xúc tác mạnh trong các phản ứng hữu cơ như gắn các nhóm chức enzyme (đăc biệt là nhóm sulfhydryl, rất nhạy cảm với Cu+) làm bất hoạt nấm bệnh. 1
Vật liệu nano Cu2O-Cu dạng dung dịch được nghiên cứu ổn định trong nhiều loại polyme khác nhau, ví dụ chitosan, gielatin, gôm arabic,… Trong các loại polyme, alginate là một loại polyme tự nhiên, dung dịch có tính kiềm nên rất thuận lợi cho quá trình khử Cu2+ thành Cu2O-Cu. Ngoài khả năng ổn định hạt nano Cu2O-Cu, alginate còn là chất điều hòa sinh trưởng thực vật có hiệu quả [11]. Vì các lý do trên, luận văn này lựa chọn đề tài: “Tổng hợp nano Cu2O-Cu/Alginate và khảo sát khả năng kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long” Mục tiêu của đề tài là xây dựng được quy trình tổng hợp nano Cu2O- Cu/alginate có hiệu quả kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long và khảo sát nồng độ vật liệu đạt hiệu quả kháng nấm đạt trên 90%. Kết quả của đề tài làm cơ sở cho việc ứng dụng vật liệu làm thuốc kiểm soát nấm bệnh thực vật trong sản xuất nông sản an toàn và làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo đối với các đối tượng gây bệnh thực vật trên các cây trồng khác nhau. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. VẬT LIỆU NANO ĐỒNG, NANO OXIT ĐỒNG VÀ HIỆU ỨNG KHÁNG VI SINH VẬT GÂY BỆNH THỰC VẬT. Đồng là kim loại dẻo, có tính dẫn điện và nhiệt cao, ký hiệu là Cu. Kim loại đồng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: xây dựng, vật liệu dẫn điện, nhiệt, sử dụng trong nhiều hợp kim khác nhau. Đồng là nguyên tố vi lượng cần thiết cho các loài động, thực vật bậc cao, nó là thành phần của enzyme vận chuyển oxy trong cơ thể. Kim loại đồng và các hợp chất của đồng từ xa xưa đã được ứng dụng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm và chất bảo quản gỗ. Cu2O là một trong 2 dạng oxit của đồng (cùng với CuO), có màu đỏ, không tan trong nước, tan chậm trong dung dịch kiềm đặc và tan tốt trong dung dịch axit. Phân tử khối của Cu2O là 143,09 g/mol, khối lượng riêng 6,0 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 12350C và nhiệt độ sôi 18000C. Đồng I oxit (Cu2O) là một oxit kim loại có mạng tinh thể lập phương tâm mặt, với các thông số mạng a = 4,27Å, khoảng cách ngắn nhất dCu-O =1,84Å , dO-O =3,68Å và dCu-Cu =3,02Å [1]. Phản ứng khử ion Cu2+ bằng chất khử tạo thành đồng kim loại (Cuo) và oxit đồng I (Cu2O) tùy vào thế oxy hóa khử và lượng chất khử. Khi vật liệu Cu và Cu2O ở kích thước nanomet, chúng có diện tích bề mặt lớn nên thể hiện các tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt, kháng khuẩn cao vượt trội so với trạng thái vật liệu khối, vì vậy, gần đây chúng được quan tâm nghiên cứu sử dụng trong công nghiệp điện tử, môi trường và vật liệu kháng khuẩn. Cu2O có tính chất quang điện tử, nó được biết đến là chất bán dẫn loại p với độ rộng vùng cấm theo lý thuyết là 2,2 eV [2] sử dụng để chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao (hiệu suất lý thuyết ~ 18%) [3]. Các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng của Cu2O là xúc tác hóa học [4], vật liệu cảm biến sinh học [5] pin Lithium ion [6, 7], vật liệu xúc tác quang, phát quang, quang điện tử và cảm biến khí [2, 8-10]. 3
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu tổng hợp và sử dụng các hạt nano đã thu hút được nhiều sự quan tâm do diện tích bề mặt lớn, làm tăng cường các tính chất như hiệu năng xúc tác, tính chất từ, tính chất quang học, tính kháng vi sinh vật và tính dẫn điện vượt trội so với vật liệu khối [11]. Nano đồng, nano oxit đồng (CuO và Cu2O), là một trong những tác nhân được sử dụng rộng rãi nhất như là chất kháng khuẩn phổ rộng trên nhiều loại vi sinh vật đặc biệt là vi sinh vật gây hại cho thực vật [12, 13]. Ngoài khả năng chống lại vi sinh vật gây hại, trong nông nghiệp, các nano hợp chất đồng (Cu) còn cung cấp nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho sinh trưởng, phát triển trên nhiều loại cây trồng, cụ thể Cu tham gia vào quá trình hình thành diệp lục và có vai trò quan trọng trong các phản ứng sinh hóa của tế bào thực vật [11]. Đối với cơ thể con người, đồng cũng là dinh dưỡng thiết yếu, nó có thành phần trong một số enzyme kim loại để hình thành hemoglobin, trao đổi carbohydrate, collagen, elastin, keratin, tóc, có tác dụng chống oxy hóa. Sự hấp thụ của đồng xảy ra ở da, ruột non,... tồn tại trong máu [14]. Ngày nay, vật liệu nano đã được nghiên cứu ứng dụng làm thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) trong nông nghiệp do chúng có liều lượng sử dụng thấp. Tại Việt Nam, thuốc BVTV hoạt chất nano Ag cũng đã được cấp phép để phòng trừ bệnh đạo ôn lúa (Mifum 0.66SL của Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng). Vì vậy, hợp chất nano đồng và nano oxit đồng rất có tiềm năng sử dụng làm chất kiểm soát nấm bệnh thực vật vì giá rẻ hơn Ag và còn là dinh dưỡng vi lượng giúp tăng trưởng cây trồng. 1.2. RONG NÂU VÀ ỨNG DỤNG CỦA AXIT ALGINIC TRONG RONG NÂU LÀM CHẤT ĐIỀU HÒA SINH TRƯỞNG THỰC VẬT VÀ ỔN ĐỊNH DUNG DỊCH KEO NANO Axit alginic là loại polyme sinh học có trong rong biển. Rong biển Việt Nam rất đa dạng và phong phú đã phát hiện gần 700 loại, trong đó họ rong biển Mơ là phổ biến nhất, có sản lượng cao nhất. Họ rong biển Mơ (Sargassaceae) thuôc bộ rong biển đuôi ngựa (Fucales), ngành rong nâu (Phaeophyceae) tập trung tại khu vực biển miền Trung Nam Bộ từ Bình Định vào đến Bình Thuận, sản lượng rong biển ước tính khoảng 30.000 – 40.000 tấn, trong đó vùng biển Khánh Hòa chiếm sản lượng trên 11.000 tấn. 4
Rong nâu là loài thực vật có giá trị cao về mặt dinh dưỡng, dược liệu bao gồm các axit amin, protein, axit béo không bão hòa, các vitamin, khoáng chất, polyphenol, các hợp chất chứa Iốt, Laminarin, axit alginic và Fucoidan [15, 16]. Trong đó, Hàm lượng axit alginic trong rong biển dao động từ 29,1 – 40,6% trên trọng lượng chất khô. Ngoài ra rong biển còn chứa các hoạt chất khác như Laminarin, auxin, Gibberellic axit, cytokinin nên còn được dùng làm chất kích thích tăng trưởng thực vật an toàn, hiệu quả. Trong việc điều chế các dung dịch keo nano kim loại và các vật liệu nano khác nhau, alginate còn được sử dụng làm chất ổn định, ngăn chặn sự kết tụ của các hạt thành các hạt lớn hơn. Alginate là muối của axit alginic, các alginate hòa tan bao gồm muối của Na+, K+ và NH4+ được ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác. Axit alginic là một copolymer khối được cấu tạo từ các gốc β-D-mannuronate và α-L-Guluronate bằng liên kết 1,4 glucoside (Hình 1.1). Các alginate có cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào sự sắp xếp của các monomer. Alginate có khả năng phân hủy sinh học và hoàn toàn an toàn trong các thử nghiệm trên người cũng như động vật. Mặt khác, sodium alginate là polymer tan trong nước tạo dung dịch có độ nhớt cao và có khả năng tạo gel với các cation của kim loại hóa trị 2 như Ca2+. Hình 1.1. Đặc trưng cấu trúc của alginate a) Các monome của axit alginic; b) Cấu trúc chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố các khối trong mạch alginate Alginat có khả năng tạo gel với sự tham gia của những ion hóa trị 2, 3. Gel được tạo ra do tương tác tĩnh điện qua ion kim loại tạo ra gel này không thuận nghịch với nhiệt và ít đàn hồi. Khả năng tạo gel và độ bền của alginate 5
phụ thuộc vào số lượng các đoạn guluronic (G), được giải thích bằng mô hình cấu trúc “hộp trứng”. Khả năng tạo gel của các muối alginat còn phụ thuộc vào kích thước của ion kim loại liên kết. Ái lực của alginat đối với các ion kim loại hóa trị 2 khác nhau giảm theo trình từ: Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Co2+. Hình 1.2. Mô hình tạo gel của alginate với ion hóa trị 2 và trao đổi ion Ca2+ trong alginate với Cu2+ Với tính chất tạo gel của Alginate đối với các ion kim loại hóa trị 2 như Cu2+ nêu trên, vì vậy khi hòa tan dung dịch muối Cu2+ vào dung dịch Alginate sẽ tạo gel kết tủa. Chính vì vậy khi đưa dung dịch muối Cu 2+ vào dung dịch Alginate cần thiết tạo phức Cu2+ với các tác nhân tạo phức như EDTA-Na, EDTA, NH4+,… Tác nhân NH3 là tác nhân tạo phức với Cu2+ có giá rẻ, tạo môi trường kiềm nên thuận lợi cho quá trình khử Cu2+ thành Cu2O (quá trình khử Cu2+ thành Cu2O xảy ra trong môi trường kiềm pH > 10) [17, 18]. 1.3. BỆNH ĐỐM NÂU TRÊN CÂY THANH LONG. Thanh long loại cây ăn trái có giá trị xuất khẩu, được trồng chủ yếu ở các tỉnh như Bình Thuận (khoảng 30.000 ha), Long An (khoảng 7.000 ha), Tiền Giang (khoảng 4.000 ha) và rải rác ở một số tỉnh khác. Trong những năm vừa qua, cây thanh long bị nhiễm nhiều loại bệnh gây hại như bệnh thán thư, thối quả, thối cành và đặc biệt là bệnh đốm nâu làm giảm năng suất, chất lượng quả. Bệnh đốm nâu do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây ra, tồn tại quanh năm, mùa khô gây hại chủ yếu ở các đoạn gốc cành, mùa mưa thì bệnh phát tán mạnh lan sang các cành non mới ra, hoa và quả thanh long [19, 20]. Khi cây thanh long mới chớm nhiễm bệnh, các đốm bệnh xuất hiện nâu là xuất hiện trên cành với tỷ lệ bệnh dao động từ 1 - 5%, vào mùa mưa nhiều 6
vườn thanh long bị nhiễm nặng với vết bệnh lõm sâu vào trong; sau đó vết bệnh chuyển sang màu vàng cam và nâu nổi lên trên bề mặt với tỷ lệ bệnh dao động từ 10 - 50% (Hình 1.3). Hiện nay, bệnh đốm nâu trên cây thanh long chưa có thuốc đặc trị. Biện pháp kiểm soát bệnh đốm nâu thanh long được Cục BVTV khuyến cáo là thường xuyên dọn vườn (cắt tỉa, tiêu hủy các nguồn bệnh, tạo điều kiện thoát nước tốt), bón phân cân đối, sử dụng luân phiên các loại thuốc BVTV có chứa hoạt chất Propiconazole, Trifloxystrobin, Iprodione, Mancozeb khoảng 7-10 ngày/lần. Hiện nay thuốc Mancozed được cho là thuốc có hiệu quả nhất để phòng trừ bệnh đốm nâu trên thanh long. Tại Việt Nam và Thế giới đã có một số công trình nghiên cứu hiệu lực kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum và phòng trừ bệnh đốm nâu trên cây thanh long [21, 22]. Tác giả B. D. Du đã nghiên cứu khả năng kích thích sản sinh enzyme chitinase trên cây thanh long khi xử lý OC (Mw ~5.000 g.mol -1) ở nồng độ 150 ppm, OC thể hiện hiệu ứng kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum và hiệu lực phòng trừ bệnh đốm nâu đến 81% so với đối chứng [21]. Tác giả P. T. N. Uyen, 2018 đã nghiên cứu hiệu lực kháng nấm Neoscytalidium dimidiatum của vật liệu AgNPs/chitosan đạt hiệu quả khi sử dụng nồng độ Ag 10 ppm, CTS 1% [22]. Hình 1.3. Triệu chứng bệnh đốm nâu trên dây, quả thanh long do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây ra 1.4. CƠ CHẾ KHÁNG VI SINH VẬT CỦA NANO Cu VÀ Cu2O Các hợp chất của đồng được sử dụng là chất kháng vi sinh vật trong nhiều thập kỉ vừa qua, nó thể hiện khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ và có thể 7
tiêu diệt tới 99,9% nhiều loại vi khuẩn. Hợp chất đồng có hoạt lực cao trong phòng trừ các loại nấm bệnh, vi khuẩn, vi rút, theo thống kê đồng có thể phòng trừ trên 20 loại vi khuẩn, vi rút, nấm gây bệnh trên cây trồng, động vật và con người [25]. Các hạt oxit đồng hoạt động như chất kháng khuẩn tiềm năng chống lại các vi sinh vật truyền bệnh như E.coli, Bacillus subtilis, Vibria cholera, Pseudomonas aeruginosa, Syphillis typhus và Staphylococcus aureus… Nano đồng có khả năng diệt hầu hết các loại nấm bệnh gây hại cây trồng, nó được xem như một loại thuốc BVTV đặc trị nấm theo cách an toàn nhất, không độc hại, không gây tồn dư các chất độc hại trên nông sản và trong tương lai gần nano đồng có thể thay thế các loại thuốc BVTV hóa học độc hại. Theo nghiên cứu thực nghiệm, nano đồng ở kích thước hạt 3-10 nm có tính kháng nấm chống lại các nấm gây bệnh trên cây trồng như: nấm Fusarium oxysporum (nấm gây bệnh vàng lá thối rễ, lở cổ rễ, bệnh héo vàng, héo rũ, bệnh xì gôm chảy nhựa mủ thân gốc...); nấm Alternaria alternate (bệnh đốm lá, đốm vòng); nấm Curvularia lunata và Phoma sp.… Đồng nano tổng hợp từ phương pháp polyol nhờ khử đồng acetate ngậm nước khi có mặt tween 80 đã thể hiện tính kháng khuẩn chống lại vi khuẩn Micrococcus luteus, S. aureus, E. coli, Klebsiella pneumonia, Pseudomonas aeruginosa và trên các chủng nấm như Aspergillus flavus, Aspergillus niger và Candida albicans. Cơ chế phòng trừ vi khuẩn, vi nấm gây bệnh trên thực vật của Cu, nano CuO và nano Cu2O đã được một số một số tác giả nghiên cứu bao gồm: Đồng làm thay đổi cấu trúc 3 chiều của protein của vi sinh vật, do đó protein không còn có thể thực hiện các chức năng bình thường dẫn đến bất hoạt vi khuẩn hoặc virus [26]. Hợp chất của đồng tạo thành các gốc tự do vô hiệu hóa các virut [27, 28]. Muối đồng có thể phá vỡ cấu trúc enzyme và các chức năng bằng cách liên kết các nhóm có chứa lưu huỳnh hoặc carboxylat và các nhóm amino các protein, nó tạo điều kiện cho các gốc OH. tác động tới vi sinh vật gây ra chết tế bào vi khuẩn, vi rút [29, 30]. Hợp chất đồng có thể tương tác với chất béo, gây ra phản ứng phân hủy lipit phá vở màng tế bào [31]. Cho đến ngày nay, các hợp chất của đồng vẫn cho hiệu quả cao trong việc phòng 8
trừ nấm bệnh với hoạt tính xúc tác mạnh, giá rẻ, ít độc (thời gian cách ly của muối đồng khoảng 7 ngày). Các hạt nano đồng giải phóng liên tục các ion đồng, tác động trực tiếp lên tế bào vi khuẩn theo các cơ chế đặc thù. Hoạt động giải phóng các ion đồng này được tăng cường hơn khi các hạt nano Cu ở kích thước nhỏ và diện tích bề mặt lớn cho phép nó tương tác gần với các màng tế bào vi khuẩn. Hoạt động kháng khuẩn của nano đồng là do khả năng của nó có thể chuyển hóa giữa dạng Cu[I] và dạng Cu[II]. Sự khác nhau giữa Cu với các kim loại khác là làm cho gốc hydroxyl liên kết với các phân tử DNA tạo nên độ mất trật tự của cấu trúc xoắn ốc bởi các liên kết ngang giữa các axit nucleic, nó làm hỏng chức năng của proteins bằng cách liên kết với các nhóm carboxyl và amino sulfhydryl của các axit amin làm cho protein tạo ra không vận chuyển được vật chất qua màng tế bào, phá vỡ lipit màng tế bào. Tóm lại, những nghiên cứu này cho rằng Cu ảnh hưởng đến proteins và enzymes trong các vi khuẩn tạo nên tính chất đặc thù kháng khuẩn của chúng. Hình 1.4. Hình ảnh chụp các hạt nano đồng đang tương tác lên tế bào vi khuẩn, phá vỡ cấu trúc màng ngoài của tế bào vi khuẩn và tiêu diệt chúng Như vậy, theo cơ chế mô tả ở hình trên, các hạt nano đồng xâm nhập qua thành tế bào và tương tác với các cấu trúc nội bào nhờ kích thước hạt nhỏ và độ hoạt động bề mặt lớn, các hạt nano đồng tác động trực tiếp lên màng tế bào vi khuẩn và phá vỡ cấu trúc di truyền của tế bào vi khuẩn từ đó làm cho vi khuẩn mất sức sống. Theo một số kết quả nghiên cứu, các hợp chất của đồng, các dung dịch keo nano Cu, nano Cu2O, nano CuO, khi sử dụng phòng trừ nấm bệnh trên thực vật không xảy ra sự kháng thuốc. Điều đặc biệt là sau khi sử dụng các hợp chất của Cu để phòng trừ bệnh, thực vật sẽ tiêu thụ các hoạt chất theo cơ chế hút dinh dưỡng vi lượng tức là phương pháp giải độc tự nhiên. Vì vậy, dung dịch keo nano Cu2O là một chất trừ nấm, vi khuẩn gây hại thực vật tiềm 9
năng do khả năng kiểm soát nấm bệnh và tăng trưởng cây trồng [32]. Tác giả Surapaneni Meghana et al, 2013 đã đưa ra cơ chế khác phòng trừ vi khuẩn E.Coli được mô tả như sau (hình 1.6): Nano CuO tiếp xúc trực tiếp với màng tế bào sản sinh ra các loại oxy hoạt hóa (ROS) theo phản ứng Fenton (Cu (II) + O2-• → Cu (I) + O2. Cu (II) và Cu (I) tác động qua lại làm sản sinh các superoxide tác động cắt mạch các phân tử sinh học, Cu (I) liên kết với nhóm sulfhydryl của enzyme có trong thành tế bào vi khuẩn hình thành hỗn hợp peptide với Cu2O theo phản ứng: Cu (I) + -SH → Cu –S-S, dẫn đến vi khuẩn bị chết [33]. Hình 1.5. Cơ chế phòng trừ vi sinh vật của CuO và Cu2O (Surapaneni Meghana et al, 2013) Trên thị trường, các sản phẩm thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) gốc đồng thường ở dạng hỗn hợp các muối vô cơ như CuSO4 và vôi Ca(OH)2 (hỗn hợp Bordeaux), CuOCl, CuCl và Cu(CH3COO)2, CuCl2Cu(OH)3. Cho đến nay, các nghiên cứu đều xác nhận, muối đồng ít độc với động vật máu nóng, không ảnh hưởng xấu đến cây trồng, ít tích lũy trong đất. Sản phẩm thuốc BVTV sử dụng hợp chất của đồng có phổ phòng trừ nấm bệnh rộng, phòng trừ được nhiều loại bệnh trên cây trồng như rỉ sắt, nấm hồng (trên cây cà phê), mốc sương (trên cà chua, khoai tây), thối nhũn (trên cây bắp cải) và bạc lá (trên lúa), ... Tuy nhiên các sản phẩm thuốc BVTV chứa đồng nêu trên có những hạn chế như thuốc khó hoà trộn được với nhóm thuốc có tính axít hoặc kiềm, có nhiều khả năng tạo gel với các hoạt chất hữu cơ làm mất hoạt tính thuốc, nồng độ sử dụng tương đối cao (0,1 – 0,2 %). 10