intTypePromotion=1
ADSENSE

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Tương tác giữa các hạt mềm tĩnh điện với kích thước khác nhau

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

8
lượt xem
0
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này tập trung nghiên cứu về tương tác tĩnh điện giữa các thủy khuẩn, nhằm đóng góp những hiểu biết khoa học cho quá trình nghiên cứu khử thủy khuẩn trong công nghệ xử lý nước. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Tương tác giữa các hạt mềm tĩnh điện với kích thước khác nhau

  1. VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MAI CẨM TÚ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC HẠT MỀM TĨNH ĐIỆN VỚI KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – Tháng 10/2019
  2. VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MAI CẨM TÚ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC HẠT MỀM TĨNH ĐIỆN VỚI KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và tính toán Mã số chuyên ngành: 8 44 01 03 Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Lâm Hoài. Hà Nội – Tháng 10/2019
  3. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả mới được công bố trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, tháng 10 năm 2019 Tác giả: Mai Cẩm Tú iii
  4. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và làm việc tại Học viện khoa học và công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Lâm Hoài, tôi đã học hỏi được rất nhiều kiến thức Vật lý, Toán học. Để hoàn thành được Luận án Thạc sĩ này tôi xin gửi đến người thầy hướng dẫn trực tiếp của tôi lời cảm ơn sâu sắc nhất với tất cả tình cảm yêu quý cũng như lòng kính trọng của mình. Tôi xin cảm ơn Trường THPT Yên Khánh A – Huyện Yên Khánh – Tỉnh Ninh Bình nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành việc học tập và nghiên cứu trong thời hạn 2 năm. Tôi xin chân thành cảm ơn Học viện khoa học và công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và nghiên cứu tại học viện, phòng sau đại học đã hỗ trợ tôi hoàn thành các thủ tục bảo vệ luận án. Cuối cùng, tôi xin được dành tất cả những thành quả trong học tập của mình dâng tặng những người thân trong gia đình mà hằng ngày dõi theo từng bước chân tôi. Hà Nội, tháng 10 năm 2019 iv
  5. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú MỤC LỤC MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………...1 1.1 Vai trò của vi sinh vật trong đời sống ...................................................... 3 1.1.1 Vi khuẩn.............................................................................................................. 3 1.1.2 Virus.................................................................................................................... 4 1.2 Cấu tạo chung của các vi sinh vật .............................................................. 6 1.3 Thủy khuẩn và các phương pháp khử khuẩn nguồn nước ................. 9 1.3.1 Cá c phương phá p lý́ học .................................................................................. 10 1.3.2 Các phương pháp hóa học ............................................................................... 10 1.3.3 Các phương pháp mới ..................................................................................... 11 Chương 2. MÔ HÌNH HẠT MỀM CHO VI SINH VẬT .......................................... 12 2.1 Mô hình hạt mềm cho vi sinh vật ............................................................ 12 2.2 Phương trình Poisson-Boltzmann ......................................................... 13 2.2.1 Phương trình Pọissọn-Boltzmann.................................................................. 13 2.2.2 Gần đúng thế thấp ........................................................................................... 15 2.3 Phân bố điện thế quanh hạt mềm ........................................................... 16 2.3.1 Hạt mềm dạng phẳng ...................................................................................... 16 2.3.2 Hạt mềm dạng cầu ........................................................................................... 19 2.4 Độ linh động điện chuyển ......................................................................... 20 Chương 3. TƯƠNG TÁC CỦA CÁC HẠT MỀM VỚI LÕI MANG ĐIỆN............... 26 3.1 Hạt mềm với lõi mang điện ...................................................................... 26 3.1.1 Hạt mềm với lõi mang điện ............................................................................. 26 3.1.2 Phân bố thế tĩnh điện quanh hạt mềm với lõi mang điện ............................ 27 3.1.3 Sự phụ thuộc của thế tĩnh điện vàọ điện tích lõi và ýếu tố môi trường ...... 29 3.2 Tương tác giữa hai hạt cầu dạng vỏ-lõi cùng kích thước .................. 32 3.3 Tương tác của hai hạt cầu mềm với kích thước khác nhau .............. 36 3.3.1 Biểu thức năng lượng tương tác..................................................................... 36 v
  6. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú 3.3.2 Hiệu ứng của sự chênh lệch kích thước lên năng lượng tương tác ............. 38 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................. 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 43 vi
  7. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Việc tìm ra các phương pháp lọc nước rẻ tiền để cung cấp nước sạch cho các vùng hẻo lánh, hoặc để tái sử dụng nguồn nước thải là một vấn đề cấp thiết rất được quan tâm nghiên cứu gần đây. Ở đó, một vấn đề lớn là việc khử thủy khuẩn cho nguồn nước, đặc biệt là khử rota virus. Rất nhiều các nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành nhằm mục đích tìm ra các phương pháp cũng như các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình khử thủy khuẩn này. Các thí nghiệm chỉ ra rằng, hiệu quả của quá trình phụ thuộc lớn vào bản chất tương tác giữa các thủy khuẩn với nhau, vào tương tác của chúng với các bề mặt trong môi trường nước và ta có thể điều khiển quá trình khử khuẩn qua các thông số chất lượng nước như độ pH, độ cứng của nước. 2. Đối tượng nghiên cứu Bản luận văn này tập trung nghiên cứu về tương tác tĩnh điện giữa các thủy khuẩn, nhằm đóng góp những hiểu biết khoa học cho quá trình nghiên cứu khử thủy khuẩn trong công nghệ xử lý nước. 3. Mục đích và phương pháp nghiên cứu Mục đích của luận văn là tính toán độ lớn của tương tác tĩnh điện giữa hai virus có kích thước khác nhau. Bản luận văn sử dụng sử dụng mô hình hạt mềm với lõi mang điện để mô tả virus. Trong các tài liệu khoa học, người ta đã phát triển một số mô hình vật lý cho virus/vi khuẩn được gọi chung là VLPs (viral- like particles) để giải thích các đặc tính chuyển động và cơ chế tương tác của hệ vi sinh vật trong một số điều kiện môi trường. Cho đến nay, mô hình hạt mềm (SP) và lý thuyết độ linh động điện chuyển của hạt mềm (SPE) được đề xuất bởi Oshsima là lý thuyết được xây dựng đầy đủ nhất và được trích dẫn nhiều nhất trong các công trình nghiên cứu thuộc lĩnh vực này. Trong lý thuyết SPE, vỏ protein của vi sinh vật được mô tả như một lớp mềm có cấu trúc như polymer, mang điện tích điện dương với mật độ phân bố đều. “Mềm” ở đây mang ý nghĩa rằng dòng chất lỏng và các ion tự do của môi trường chất lỏng mà vi sinh vật đang ở trong đó có thể chuyển động qua lớp này. Trong khi đó, lõi chứa vật chất di truyền của vi sinh vật được coi là “cứng”, không mang điện 1
  8. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú tích và không cho phép sự thẩm thấu của dung môi. Bằng cách giải phương trình Poisson-Boltzmann và phương trình Navier-Stock cho chuyển động của hạt, các tác giả đã rút ra được biểu thức cho độ linh động điện chuyển (electrophoresis mobility - EPM) của hạt mềm. Một kết quả quan trọng của lý thuyết này là việc dự đoán rằng tại giá trị cường độ ion (ionic strength-IS) rất cao của dung dịch, EPM của hạt mềm tiến tới một giá trị hằng số khác không. Điều này đã được kiểm chứng bởi các phép đo thực nghiệm về sau. Lý thuyết SPE cũng đã được cải tiến và phát triển theo một số hướng khác nhau. Nhóm của Duval phát triển lý thuyết hạt mềm khuyếch tán (DSPE), ở đó thay vì phân bố đều, mật độ điện tích vỏ của virus được coi là biến thiên liên tục từ biên lõi ra tới biên môi trường. Sự không đồng nhất của lớp vỏ làm thay đổi mạnh tính chất điện chuyển của hạt. Gần đây, nhóm nghiên cứu của chúng tôi đề xuất mô hình vỏ-lõi cho hạt mềm. Thay vì lõi trung hòa điện mang tính kim loại trong mô hình của Oshima, nhóm nghiên cứu của chúng tôi coi lõi chứa vật liệu di truyền của virus như môi trường điện môi với điện tích khối phân bố đều. Đóng góp của điện tích lõi vào tính chất điện động của hạt, đặc biệt là vào dữ liệu độ linh động điện chuyển (EPM) đã được khảo sát trong một số công trình nghiên cứu của nhóm hoặc bởi một số công trình nghiên cứu của các tác giả khác được công bố gần đây. Bên cạnh EPM, các thông số như tốc độ tự kết dính và kết dính vào bề mặt môi trường cũng là các dữ liệu đo được vô cùng quan trọng để nghiên cứu hành vi của các vi sinh vật. Nhận thấy rằng, các dữ liệu này liên quan đến sự tương tác giữa bản thân các cá thể virus- vi khuẩn và sự tương tác giữa virus- vi khuẩn với các bề mặt vật chất trong môi trường, chúng tôi sẽ tính toán tương tác giữa các hạt virus sử dụng mô hình hạt mềm trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn này. 4. Cấu trúc luận văn Chương 1: Vi sinh vật Chương 2: Mô hình hạt mềm cho vi sinh vật Chương 3: Tương tác tĩnh điện giữa các hạt mềm với lõi mang điện. 2
  9. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú Chương I: VI SINH VẬT 1.1 Vai trò của vi sinh vật trong đời sống 1.1.1 Vi khuẩn Vi khuẩn (tiếng Anh và tiếng La Tinh là bacterium, số nhiều bacteria) đôi khi còn được gọi là vi trùng, là một nhóm (giới hoặc vực) vi sinh vật nhân sơ đơn bào có kích thước rất nhỏ; một số thuộc loại ký sinh trùng, và thường có cấu trúc tế bào đơn giản không có nhân, bộ khung tế bào (cytoskeleton) và các bào quan như ty thể và lục lạp. Cấu trúc tế bào của vi khuẩn được miêu tả chi tiết trong mục sinh vật nhân sơ vì vi khuẩn là sinh vật nhân sơ, khác với các sinh vật có cấu trúc tế bào phức tạp hơn gọi là sinh vật nhân chuẩn. Vi khuẩn là nhóm hiện diện đông đảo nhất trong sinh giới. Chúng hiện diện hầu khắp mọi nơi ở trong tất cả các môi trường có sự sống. Nghiên cứu thấy rằng vi khuẩn có mặt từ trong các vách đá dưới độ sâu hàng ngàn feet dưới đáy biển cho đến cả trên những con tàu vũ trụ có người lái trong không gian. Có khoảng 40 triệu tế bào vi khuẩn trong một gram đất và hàng triệu tế bào trong một mm nước ngọt. Ước tính có khoảng 5×1030 vi khuẩn trên Trái Đất,với số lượng vượt hơn tất cả tổng số lượng động vật và thực vật [1]. Vi khuẩn có thể có ích hoặc có hại cho môi trường, cho động vật và cho cả con người. Vai trò của vi khuẩn trong gây bệnh và truyền bệnh rất quan trọng. Một số vi khuẩn gây ra bệnh sốt thương hàn, tả, uốn ván, giang mai… Ở thực vật, vi khuẩn gây mụn lá và héo cây. Các hình thức lây nhiễm vi khuẩn là qua tiếp xúc trực tiếp, qua không khí, thực phẩm, nước và côn trùng. Các biện pháp khử khuẩn có thể được thực hiện để ngăn chặn sự lây lan của vi khuẩn, ví dụ như chùi da bằng cồn trước khi tiêm. Việc vô khuẩn các dụng cụ phẫu thuật và nha khoa được thực hiện để đảm bảo chúng "vô khuẩn" (sterile) hay không mang vi khuẩn gây bệnh, để ngăn chặn sự nhiễm khuẩn. Chất tẩy uế được dùng để diệt vi khuẩn hay các tác nhân gây bệnh để ngăn chặn sự nhiễm và nguy cơ nhiễm khuẩn. 3
  10. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú Vi khuẩn có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ rất hiệu quả. Một số nhóm vi sinh "chuyên hóa" đóng một vai trò rất quan trọng trong việc hình thành các khoáng chất từ một số nhóm hợp chất hữu cơ. Ví dụ, sự phân giải cellulose, một trong những thành phần chiếm đa số trong mô thực vật, được thực hiện chủ yếu bởi các vi khuẩn hiếu khí thuộc chi Cytophaga. Khả năng này cũng được con người ứng dụng vào công nghiệp, vào cải tiến sinh học. Các vi khuẩn có khả năng phân hủy hydrocarbon trong dầu mỏ thường được dùng để làm sạch các vết dầu loang. Trong đất, các vi sinh vật sống trong nốt rễ (rhizosphere) biến nitơ thành ammoniac bằng các enzyme của chính mình. Một số khác lại dùng phân tử khí nitơ làm nguồn nitơ (đạm) cho mình, chuyển nitơ thành các hợp chất của nitơ, quá trình này gọi là quá trình cố định đạm. Nhiều vi khuẩn được tìm thấy sống cộng sinh có lợi trong cơ thể người hay các sinh vật khác. Ví dụ như sự hiện diện của các vi khuẩn cộng sinh trong ruột già giúp ngăn cản sự phát triển của các vi sinh vật có hại. Vi khuẩn, cùng với nấm men và nấm mốc, được dùng để chế biến các thực phẩm lên men phô mai, sữa chua, giấm… Với sự phát triển của công nghệ sinh học, các vi khuẩn có thể được "thiết kế" (bioengineer) để sản xuất thuốc trị bệnh như insulin, hay để cải thiện sinh học đối với các chất thải độc hại. 1.1.2 Virus Virus, được viết là vi-rút (bắt nguồn từ tiếng Pháp virus ) cũng còn được gọi là siêu vi, siêu vi khuẩn hay siêu vi trùng, là một tác nhân truyền nhiễm chỉ nhân lên được khi ở bên trong tế bào sống của một sinh vật khác. Virus có thể xâm nhiễm vào tất cả các dạng sinh vật, từ động vật, thực vật cho tới vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Cho đến nay có khoảng 5.000 loại virus đã được miêu tả chi tiết, mặc dù vẫn còn có tới hàng triệu dạng virus khác nhau. Virus được tìm thấy ở hầu hết mọi hệ sinh thái trên Trái Đất và là dạng có số lượng nhiều nhất trong tất cả các thực thể sinh học [1]. Các phần tử (hay hạt) virus (được gọi là virion) được tạo thành từ hai hoặc ba bộ phận: đó là phần vật chất di truyền được tạo nên 4
  11. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú từ ADN hoặc ARN, chúng là những phân tử dài có mang thông tin di truyền; một lớp vỏ protein - được gọi với tên capsid - có chức năng bảo vệ hệ gene; trong một số trường hợp còn có một lớp vỏ bọc bên ngoài làm từ lipid có tác dụng bao bọc bên ngoài lớp vỏ protein khi virus ở ngoài tế bào. Hình dạng của virus có sự khác nhau, từ dạng xoắn ốc hay khối hai mươi mặt đều đơn giản cho tới những cấu trúc phức tạp hơn. Một virus có kích thước trung bình vào khoảng 1/100 kích cỡ trung bình của một vi khuẩn. Hầu hết virus đều quá nhỏ nên không thể quan sát trực tiếp dưới kính hiển vi quang học. Trong lịch sử tiến hóa của sự sống thì nguồn gốc tiến hóa của virus không rõ ràng: một số có thể đã tiến hóa từ những plasmid – những đoạn AND ngắn có khả năng di chuyển giữa các tế bào – trong khi một số khác có thể đã tiến hóa từ vi khuẩn. Trong tiến hóa, virus là một phương tiện chuyển gene ngang quan trọng, góp phần gia tăng sự đa dạng di truyền. Virus được công nhận là một dạng sống bởi một số nhà khoa học, do chúng có mang vật chất di truyền, có thể sinh sản và tiến hóa thông qua quá trình chọn lọc tự nhiên. Tuy nhiên cũng có ý kiến cho rằng chúng lại thiếu những đặc tính thiết yếu (như cấu trúc tế bào) - những điều được công nhận rộng rãi là cần thiết để được coi như sinh vật sống. Do đó virus được mô tả như "những sinh vật ở bên lề của sự sống". Tuy nhiên, virus chỉ có thể xâm nhập qua một số tế bào nhất định nhờ có giác bám (gai glycoprotein) của virus bám đặc hiệu lên thụ thể của tế bào chủ. Virus lây lan theo nhiều cách. Virus thực vật thường được truyền từ cây này sang cây khác qua những loài côn trùng hút nhựa cây. Trong khi đó virus động vật lại có thể được truyền đi nhờ những côn trùng hút máu. Nhiều virus lây lan xâm nhập trong động vật bằng tiếp xúc trực tiếp, qua đường thức ăn, nước uống hoặc qua đường máu. Mỗi virus chỉ có thể xâm nhiễm vào một số dạng tế bào vật chủ nhất định, gọi là "biên độ vật chủ". Biên độ này có thể rất hẹp hoặc rất rộng, tùy vào số lượng những sinh vật khác nhau mà virus có khả năng lây nhiễm. 5
  12. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú Sự xâm nhập của virus trong động vật đã kích hoạt một phản ứng miễn dịch nhằm loại bỏ virus xâm nhiễm. Những phản ứng miễn dịch cũng có thể được tạo ra bởi vắc-xin, giúp tạo ra miễn dịch thu được nhân tạo đối với một virus xâm nhiễm nhất định. Tuy nhiên, một số virus, bao gồm những loại gây ra AIDS và viêm gan siêu vi, lại có thể trốn tránh những phản ứng trên và gây ra sự nhiễm bệnh mãn tính. Đa phần các chất kháng sinh không có hiệu quả đối với virus, dù vậy cũng đã có những loại thuốc kháng virus được phát triển. Virus là một phương tiện tự nhiên quan trọng để chuyển giao các gene giữa những loài khác nhau, điều này góp phần gia tăng đa dạng di truyền và tạo ra sự tiến hóa. Có quan niệm rằng virus đóng một vai trò chủ chốt trong sự tiến hóa sơ khai, trước khi có sự đa dạng của vi khuẩn, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn và vào giai đoạn của tổ tiên chung cuối cùng của sự sống trên Trái Đất. Cho đến ngày nay, virus vẫn là một trong những nguồn dự trữ đa dạng di truyền lớn nhất mà chưa được khám phá trên Trái Đất. 1.2 Cấu tạo chung của các vi sinh vật Vi khuẩn có nhiều hình dạng khác nhau. Các tế bào vi khuẩn chỉ bằng 1/10 tế bào của sinh vật nhân chuẩn và dài khoảng 0,5–5,0 micromet. Tuy nhiên, một vài loài như Thiomargarita namibiensis và Epulopiscium fishelsoni lại có kích thước chiều dài đến nửa mm và có thể nhìn thấy bằng mắt thường; E. fishelsoni đạt 0,7 mm. Những vi khuẩn nhỏ nhất là các thành viên thuộc chi Mycoplasma, chúng có kích thước chỉ 0,3 micromet, nhỏ bằng với virus lớn nhất [4]. Một số vi khuẩn thậm chí có thể nhỏ hơn, nhưng các vi khuẩn siêu nhỏ này chưa được nghiên cứu kỹ. Đa số có hình que, hình cầu, hay hình xoắn; những vi khuẩn có hình dạng như vậy được gọi theo thứ tự là trực khuẩn(bacillus), cầu khuẩn (coccus), xoắn khuẩn (spirillum). Một nhóm khác nữa là phẩy khuẩn (vibrio) có hình dấu phẩy. Một nhóm nhỏ hơn thậm chí có dạng hình tứ diện. Các nghiên cứu gần đây phát hiện vi khuẩn ở sâu bên trong lớp vỏ Trái Đất, chúng có dạng sợi phân nhánh với mặt cắt ngang có hình sao. Diện tích bề mặt lớn so với tỉ số thể tích của dạng hình thái này có thể tạo cho 6
  13. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú các vi khuẩn này đặc điểm dễ thích nghi với môi trường nghèo dinh dưỡng. Sự đa dạng về hình dạng được xác định thông qua thành tế bào và khung tế bào vi khuẩn. Đây là điều quan trọng vì nó ảnh hưởng đến khả năng vi khuẩn có được chất dinh dưỡng, gắn vào các bề mặt, bơi trong chất lỏng và trốn kẻ săn mồi. Hình dạng không còn được coi là một tiêu chuẩn định danh vi khuẩn, tuy nhiên có rất nhiều chi được đặt tên theo hình dạng (ví dụ như Bacillus, Streptococcus, Staphylococcus) và nó là một điểm quan trọng để nhận dạng các chi này. Một công cụ quan trọng để nhận dạng khác là nhuộm Gram, đặt theo tên của Hans Christian Gram, người phát triển kĩ thuật này. Nhuộm Gram giúp phân vi khuẩn thành 2 nhóm, dựa vào thành phần cấu tạo của vách tế bào. Khi đầu tiên chính thức sắp xếp các vi khuẩn vào từng ngành, người ta dựa chủ yếu vào phản ứng này: + Gracilicutes - vi khuẩn có màng tế bào thứ cấp chứa lipid, nhuộm Gram âm tính (nói gọn là vi khuẩn Gram âm) + Firmicutes - vi khuẩn có một màng tế bào và vách pepticoglycan dày, nhuộm Gram cho kết quả dương tính (Gram dương) + Mollicutes - vi khuẩn không có màng thứ cấp hay vách, nhuộm Gram âm tính. Các vi khuẩn cổ trước đây được xếp trong nhóm Mendosicutes. Như đã nói ở trên, ngành này không còn đại diện cho những nhóm có quan hệ tiến hóa nữa. Hầu hết vi khuẩn Gram dương được xếp vào ngành Firmicutes và Actinobacteria, là hai ngành có quan hệ gần. Tuy nhiên, ngành Firmicutes đã được định nghĩa lại và bao gồm cả mycoplasma (Mollicutes) và một số vi khuẩn Gram âm [5]. 7
  14. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú Hình 0.1 Cấu trúc tế bào vi khuẩn [2] Virus rất đa dạng về kích thước và hình dạng. Nhìn chung, virus có kích cỡ nhỏ hơn vi khuẩn. Hầu hết các virus đã được phát hiện có đường kính trong khoảng từ 20 đến 300 nanomet. Một số filovirus có tổng chiều dài lên tới 1400 nm; dù đường kính của chúng chỉ vào khoảng 80 nm. Mỗi phần tử (hạt) virus hoàn chỉnh - được gọi virion - bao gồm axít nucleic được bao bọc bởi một lớp vỏ protein bảo vệ gọi là capsid. Lớp vỏ này được tạo thành từ những tiểu đơn vị protein giống hệt nhau gọi là capsomer. Ngoài ra, virus có thể có một vỏ bọc bằng lipid có xuất xứ từ màng tế bào vật chủ. Vỏ capsid được tạo ra từ protein được dịch mã bởi bộ gene của virus và hình dạng của chúng chính là cơ sở để phân biệt các virus về mặt hình thái học. Các tiểu đơn vị protein dưới sự mã hóa từ bộ gen của virus sẽ tự lắp ráp để tạo nên vỏ capsid. Những virus phức tạp còn mã hóa những protein trợ giúp cho quá trình xây dựng capsid của chúng. Những protein mà kết hợp với axít nucleic được biết với tên nucleoprotein, và sự kết hợp của những protein ở capsid với axít nucleic của virus được gọi là một nucleocapsid. Vỏ capsid và toàn bộ cấu trúc virus có thể được thăm dò vật lý (cơ học) thông qua kính hiển vi lực nguyên tử. Nhìn chung có các hình thái virus chính như: xoắn ốc, hình que, cầu...Một vài loại virus lây nhiễm vào vi khuẩn cổ có cấu trúc phức tạp không liên quan tới bất kỳ dạng virus nào khác, với những dạng 8
  15. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú thù hình đa dạng, từ những cấu trúc hình con suốt, cho tới hình que có móc, hình giọt nước, hay thậm chí cả hình cái chai. Những virus trên vi khuẩn cổ giống khác thì tương tự với những thể thực khuẩn có đuôi, và có thể có nhiều dạng cấu trúc đuôi khác nhau. Hình 0.2 Cấu trúc tế bào virus [3] 1.3 Thủy khuẩn và các phương pháp khử khuẩn nguồn nước Có rất nhiều các vi sinh vật truyền bệnh trong nước cho người như: Vi khuẩn Escherichia coli, Vi khuẩn E.coli, Salmonella, Chostridium perfringens ... Những loại vi khuẩn gây bệnh có khả năng tạo ra độc tố ngoại hoặc độc tố nội. Thông thường thì độc tố ngoại nguy hiểm hơn độc tố nội. Khi xâm nhập vào vật chủ, các độc tố của vi khuẩn sẽ gây tác động và làm hại các chức năng của cơ thể vật chủ. Đa số các độc tố của vi khuẩn có tác dụng đặc hiệu: như làm thương tổn màng não, làm hại các cơ quan trong cơ thể như thận, gan, phổi ... Ngoài các tạp chất hữu cơ và vô cơ, nước còn chứa rất nhiều vi sinh vật, vi khuẩn và các loại vi trùng gây bệnh. Để ngăn ngừa các bệnh dịch, nước cấp cho sinh hoạt phải khử khuẩn, nước thải cũng nên khử khuẩn. Các quá trình xử lý cơ học không thể loại trừ được toàn bộ vi sinh vật, vi khuẩn và vi trùng có trong nước. Để tiêu diệt được hầu như vi sinh vật, vi khuẩn và vi trùng cần tiến hành các biện pháp khử khuẩn nước. Theo nguyên lý, các quá trình khử khuẩn có thể sử dụng phương pháp lý học hoặc hóa học [6]. Thông thường với 9
  16. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú nguồn nước cung cấp cho sinh hoạt trong hộ gia đình thì thường sử dụng các biện pháp khử khuẩn lý học. Để tạo ra nguồn nước lớn cung cấp cho nhiều người trong vùng không gian rộng hoặc xử lý nước thải thì thường phải sử dụng phương pháp hóa học. 1.3.1 Các phương pháp lý học Khử khuẩn bằng các phương pháp vật lý, có ưu điểm cơ bản là không làm thay đổi tính chất lý hóa của nước, không gây nên tác dụng phụ. Tuy nhiên do hiệu suất thấp nên thường chỉ áp dụng ở quy mô nhỏ với các điều kiện kinh tế kỹ thuật cho phép. a. Phương pháp nhiệt Phương pháp nhiệt tuy đơn giản nhưng tốn năng lượng nên thường chỉ được áp dụng khử khuẩn nước ở quy mô nhỏ. b. Khử khuẩn bằng tia cực tím Dùng tia cực tím để khử khuẩn không làm thay đổi tính chất hóa học và lý học của nước. Tia cực tím có độ dài bước sóng 254nm có khả năng diệt khuẩn cao nhất. c. Phương pháp siêu âm Dòng siêu âm với cường độ tác dụng không nhỏ hơn 2W/cm2 trong khoảng thời gian trên 5 phút có khả năng tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong nước. d. Phương pháp lọc Hầu như vi sinh vật có trong nước (trừ siêu vi trùng) có kích thước cỡ 1 – 2 µm. Nếu đem lọc nước qua lớp lọc có kích thước khe rỗng nhỏ hơn 1 µm có thể loại trừ được đa số vi khuẩn. Vì vậy lớp lọc thường dùng là các tấm sành, tấm sứ có khe rỗng cực nhỏ. Với phương pháp này, nước đem lọc phải có hàm lượng cặn nhỏ thì hiệu quả mới cao. 1.3.2 Các phương pháp hóa học Cơ sở của phương pháp hóa học là sử dụng các chất oxy hóa mạnh để oxy hóa men của tế bào vi sinh và tiêu diệt chúng. Các hóa chất thường dùng là: Clo, brom, iod, clo dioxit, axit hypoclorit và muối của nó, ozone, kali 10
  17. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú permanganate, hydro peroxit. Do hiệu suất cao nên ngày nay việc khử khuẩn bằng hóa chất đang được áp dụng rộng rãi ở mọi qui mô. a. Khử trùng nước bằng Clo và các hợp chất của nó Clo là một chất oxy hóa mạnh, ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hay hợp chất khi tác dụng với nước đều tạo ra phân tử axit hypoclorit HOCl có tác dụng khử khuẩn rất mạnh. b. Khử trùng nước bằng Iod Iod là chất oxy hóa mạnh và thường được dùng để khử khuẩn nước ở các bể bơi. Là chất khó hòa tan nên Iod được dùng ở dạng dung dịch bão hòa. c. Khử trùng bằng ozone Để cấp đủ lượng ozone khử khuẩn cho nhà máy xử lý nước, người ta dùng máy phát tia lửa điện gồm hai điện cực kim loại đặt cách nhau một khoảng nhỏ cho không khí chạy qua. Cho dòng điện xoay chiều vào các điện cực để tạo ra tia hồ quang, đồng thời với việc thổi luồng không khí sạch đi qua khe hở giữa các điện cực để chuyển một phần oxy thành ozone. 1.3.3 Các phương pháp mới Ngoài những phương pháp truyền thống dùng để khử khuẩn cho nước như đã kể ở trên thì còn có rất nhiều các nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới tìm hiểu về những cách mới khử khuẩn cho nước. Ví dụ như nghiên cứu khả năng loại bỏ virus khỏi nước sử dụng các vật liệu nano kim loại, các bon hay các vật liệu hữu cơ của nhóm nhà khoa học tại đại học đại học Illinois, Urbana, Mỹ [7-10]. Các kết quả cho thấy rằng hiệu quả cảu các phương pháp này phụ thuộc vào các tính chất hóa lý của môi trường như nhiệt độ, nồng độ ion hay pH của nước. Các nghiên cứu kết luận rằng bằng cách điều khiển các chỉ số lý hóa của nước ta có thể làm tăng hiệu quả của quá trình khử khuẩn. Các nghiên cứu của nhóm cũng chỉ ra rằng công nghệ ozon hóa microplasma là vượt trội so với khử trùng bằng clo để khử trùng tái sử dụng nước thải bởi những giảm thiểu đáng kể của nó tới sự tác động sức khỏe con người. 11
  18. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú Chương 2. MÔ HÌNH HẠT MỀM CHO VI SINH VẬT 2.1 Mô hình hạt mềm cho vi sinh vật Như đã trình bày trong chương 1, virus là các hạt nano sinh học có hình thái đa dạng, từ dạng xoắn ốc tới dạng cầu. Tuy vậy, chúng có đặc điểm cấu tạo chung là gồm một vỏ protein (capsid) dạng nang bao quanh phần lõi mang nhân di truyền RNA (Hình 2.1). Dữ liệu từ ngân hàng protein cho thấy vỏ capsid của virus mang điện tích bề mặt. Xét từ khía cạnh khoa học vật liệu, virus có thể coi như một hạt nano bằng vật liệu phức hợp, cho rất nhiều bậc tự do để mô tả tính chất bề mặt của nó. Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của một virus Hình 2.2: Mô hình vật lý cho vi rus: hạt nhũ (colloid-trái), hạt mềm (soft-particle giữa) và thuần mềm (phải) Để có thể giải thích và đoán nhận các hành vi của virus trong môi trường, việc đưa ra mô hình thích hợp để mô tả virus là cần thiết. Ở gần đúng đầu tiên, 12
  19. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú trong lý thuyết DVLO [11, 12,13,14] các virus dạng cầu như thể thực khuẩn MS2 được mô tả như một hạt nhũ nano mang điện mặt (Hình 2.2, trái). Tuy nhiên lý thuyết này rất hạn chế trong việc giải thích tính chất chuyển động của virus trong dung dịch điện phân. Để cải thiện mô hình này, Ohshima [15,16,17] và Duval [18, 19,20] đã “khai triển” lớp điện mặt của mô hình DVLO, mô tả vỏ như một lớp mềm dạng polymer tích điện, có thể cho phép sự thẩm thấu của ion trong môi trường điện môi. Virus lúc này được mô tả như một hạt mềm (soft-particle -Hình 2.2, giữa) bao gồm một lớp đa điện phân bao quanh một lõi cứng kiểu kim loại. Trong trường hợp đặc biệt khi lõi có kích thước nhỏ, hạt được gọi là thuần mềm (Hình 2.2, phải). 2.2 Phương trình Poisson-Boltzmann 2.2.1 Phương trình Poisson-Boltzmann Trước hết ta xem xét trường hợp khi virus được coi như một hạt nhũ mang điện bề mặt. Giả sử hạt nhũ này nằm trong một dung dịch điện phân có chứa ion của một hay nhiều loại muối. Tương tác tĩnh điện sẽ khiến cho các ion của dung dịch chuyển động lại gần hạt với mục đích trung hòa điện tích bề mặt; trong khi đó các ion có điện tích cùng dấu với điện tích bề mặt hạt sẽ có xu hướng chuyển động ra xa hạt. Đồng thời, chuyển động nhiệt hỗn loạn của các ion trong dung dịch cũng sẽ ảnh hưởng đến sự tích tụ và hình thành đám mây ion xung quanh hạt (Hình 2.3). Gọi là phân bố điện tích tự do gây ra bởi các ion dung dịch trong môi trường điện phân tại vị trí r. Giả thiết trong môi trường tồn tại M loại ion. Ion loại , mang hóa trị zi với tổng số hạt . Điều kiện về trung hòa điện tích cho ta: 13
  20. LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú Hình 2.3 Phân bố ion xung quanh một hạt tích mang điện bề mặt [15]. 𝑛 ∑ 𝑧𝑖 𝑛𝑖∞ = 0. (2.1) 1 𝑖=1 Phương trình Poisson cho thế tĩnh điện phân bố quanh quả cầu được viết 𝜚𝑒𝑙 (𝑟) ∆𝜓(𝑟) = − , (2.2) 𝜀0 𝜀𝑟 ở đó là toán tử Laplace, là hằng số điện môi chân không, là hằng số điện môi của dung dịch điện phân. Ta cần chú ý rằng,do các ion dung dịch chuyển động nhiệt tự do, sự phân bố của chúng tuân theo định luật Boltzmann: 𝑧𝑖 𝑒𝜓(𝑟) 𝑛𝑖 (𝑟) = 𝑛𝑖∞ exp (− ). (2.3) 𝑘𝐵 𝑇 Bởi vậy là một hàm phụ thuộc tọa độ chứ không là hằng số như trong tĩnh điện học. được tính bằng: 𝑀 𝜌𝑒𝑙 (𝑟) = ∑ 𝑧𝑖 𝑒𝑛𝑖 (𝑟) 𝑖=1 (2.4) 𝑀 𝑧𝑖 𝑒𝜓(𝑟) = ∑ 𝑧𝑖 𝑒𝑛𝑖∞ exp (− ) 𝑘𝐵 𝑇 𝑖=1 Từ các phương trình (2.2) và (2.4) ta có: 𝑀 1 𝑧𝑖 𝑒𝜓(𝑟) ∆𝜓(𝑟) = − ∑ 𝑧𝑖 𝑒𝑛𝑖∞ exp (− ) (2.5) 𝜀0 𝜀 𝑘𝐵 𝑇 𝑖=1 14
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2