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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là điều chế một loại vật liệu lai có hoạt tính kháng bệnh hại thực vật cộng hợp tính chất của cả hai vật liệu vô cơ nano SiO2 và hữu cơ chitosan KLPT thấp (OC). Hiệu ứng kháng và tạo kích kháng đối với một số vi sinh vật gây bệnh trong luận án này được thực hiện trên các cây trồng như lúa, thanh long và cao su là những loại nông sản chủ lực, có giá trị kinh tế cao tại Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ------------------------------------- LÊ NGHIÊM ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANOSILICA TỪ TRO VỎ TRẤU VÀ VẬT LIỆU LAI NANOSILICA/CHITOSAN ỨNG DỤNG LÀM CHẤT KHÁNG NẤM BỆNH THỰC VẬT Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số : 9.44.01.13 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC TP.HCM – 2021
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: TS. Bùi Duy Du Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Nguyễn Quốc Hiến Phản biện 1: …………………….…… Phản biện 2: …………………………. Phản biện 3: …………………………. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm 202…. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Ngày nay, việc nghiên cứu sử dụng chất thải trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, chế biến thủy hải sản, … thành các vật liệu mới ứng dụng trong đời sống nhằm tiết kiệm nguồn tài nguyên hữu hạn của nhân loại là cần thiết. Nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản là những ngành sản xuất có vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam. Phế thải của các ngành này như tro vỏ trấu có thể tổng hợp thành vật liệu silica và vỏ tôm điều chế thành vật liệu sinh học chitosan (CS) để ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Tùy vào phương pháp điều chế, vật liệu SiO2 từ tro vỏ trấu sẽ có kích thước khối hoặc nanomét. Hai vật liệu SiO2 ở kích thước nanomét và chitosan đều thể hiện hoạt tính kháng vi sinh vật. Tùy khối lượng phân tử (KLPT) của CS khi ứng dụng trên thực vật, chúng thể hiện khả năng kháng vi sinh vật hoặc kích thích tạo ra các enzyme chitinase, glucanase,… đề kháng lại bệnh. Vật liệu tổng hợp giữa nano SiO2 và oligochitosan (OC) có tiềm năng sử dụng làm chất kháng bệnh thực vật sinh học, ít độc hại để thay thế thuốc bảo vệ thực vật hóa học. Vì lý do trên, luận án lựa chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silica/chitosan ứng dụng làm chất kháng nấm bệnh thực vật”. Mục tiêu của luận án là điều chế một loại vật liệu lai có hoạt tính kháng bệnh hại thực vật cộng hợp tính chất của cả hai vật liệu vô cơ nano SiO2 và hữu cơ chitosan KLPT thấp (OC). Hiệu ứng kháng và tạo kích kháng đối với một số vi sinh vật gây bệnh trong luận án này được thực hiện trên các cây trồng như lúa, thanh long và cao su là những loại nông sản chủ lực, có giá trị kinh tế cao tại Việt Nam. Kết quả của luận án là cơ sở khoa học mở ra hướng tổng hợp vật liệu lai kháng vi sinh vật từ phế thải tro vỏ trấu, vỏ tôm làm chất kiểm soát bệnh cây trồng trong sản xuất nông nghiệp an toàn. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Tổng hợp vật liệu nano SiO2, vật liệu lai nano SiO2/OC từ tro vỏ trấu và CS; nghiên cứu hiệu ứng kiểm soát bệnh thực vật của chúng. Vật liệu mới nano SiO2/OC sử dụng với mục tiêu thay thế thuốc bảo vệ thực vật độc hại trong sản xuất nông nghiệp. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án Nghiên cứu điều chế nano SiO2 từ tro vỏ trấu bằng phương pháp nhiệt phân tro, phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel SiO2/CS. Nghiên cứu điều chế OC có KLPT thấp từ 3.000 - 7.000 g.mol-1 từ CS bằng phương pháp xử lý H2O2 nồng độ thấp kết hợp với chiếu xạ dung dịch chitosan bằng tia -Co60. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano SiO2/OC bằng phương pháp phối trộn nano SiO2 với OC và phương pháp kết tủa nano SiO2 bằng phản ứng giữa Na2SiO3 với ion H+ trong dung dịch OC. Thử nghiệm in vivo hiệu lực kích kháng và ức chế bệnh thực vật của vật liệu nano SiO2/OC đối với bệnh đốm nâu trên cây thanh long, bệnh nấm hồng trên cây cao su, bệnh đạo ôn và bạc lá trên cây lúa. Bản luận án này bao gồm 99 trang (chưa bao gồm tài liệu tham khảo và phụ lục) với bố cục như sau: Mở đầu. Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận. Kết luận và kiến nghị. Những đóng góp mới của luận án Danh mục các công trình đã công bố CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Cấu tạo, tính chất của nano SiO2, OC và vật liệu lai của chúng. Silica là một oxit của silic, công thức phân tử là SiO2, nó không 2
tồn tại dưới dạng phân tử riêng lẻ mà liên kết thành các phân tử rất lớn do phản ứng ngưng tụ giữa các nhóm silanol (Si-OH). Việc sử dụng silica vào các lĩnh vực khác nhau phụ thuộc vào độ tinh khiết, cấu trúc mạng tinh thể và vi cấu trúc của chúng. Theo các nghiên cứu, silica trong vỏ trấu có kích thước hạt từ 10 - 40 nm và được phân bố giữa các lớp tế bào thực vật xenlulo, hemixenlulo và lignin. Oligochitosan được điều chế bằng phương pháp cắt đứt liên kết β-1,4 glucozit trong cấu tạo của phân tử CS bằng các tác nhân như enzym, hóa học và bức xạ tạo thành CS có KLPT thấp. OC và CS đều có khả năng kháng vi sinh vật và tạo kháng thể cho cây trồng chống lại sự xâm nhập của nấm gây bệnh. Khả năng kháng vi sinh vật gây bệnh của CS tăng theo chiều tăng của KLPT, khả năng tạo kháng thể thực vật tăng theo chiều giảm của KLPT. Các OC với KLPT < 10.000 g.mol-1 thì thể hiện khả năng tạo ra các kháng thể như chitinase, glutanase,… rõ rệt hơn CS có KLPT lớn. Vật liệu lai nano SiO2/OC bao gồm các hạt nano SiO2 phân tán trong dung dịch OC, nó tương tác với nhau bằng tương tác tĩnh điện, lực Van der Waals hoặc có thể hình thành liên kết hydro, cộng hóa trị. Sự tương tác giữa thành phần vô cơ và hữu cơ quyết định tính chất của vật liệu khác với tính chất của vật liệu đơn lẻ. Đã có một số nghiên cứu cho thấy vật liệu nano SiO2/OC có hiệu lực kháng vi sinh vật gây bệnh thực vật và tăng trưởng cây trồng cao hơn vật liệu riêng lẻ. 1.2. Nghiên cứu tổng hợp nano SiO2, OC và vật liệu nano SiO2/OC. 1.2.1. Tổng hợp nano silica. Cho đến nay có 02 phương pháp điều chế vật liệu nano SiO2 từ phế thải tro vỏ trấu là phương pháp hóa học và nhiệt phân. a) Phương pháp hóa học Phương pháp hóa học điều chế nano SiO2 là sử dụng kiềm NaOH, Na2CO3,… hoặc NH4F để tách SiO2 trong tro vỏ trấu đã loại bỏ hơp chất của kim loại bằng HCl tạo thành muối kiềm silicate (Tuấn và cs, 3
2013; Zulkifli và cs,2013) hoặc (NH4)2SiF6 (Li và cs, 2011, Ma và cs, 2012). Tiếp theo, thủy phân muối silicate trong môi trường axit thu được các hạt SiO2. Hạt nano SiO2 có nồng độ, kích thước phụ thuộc vào thành phần dung dịch có hoặc không có chất hoạt động bề mặt, chất ổn định polyme, nồng độ chất phản ứng (axit, muối silicate), pH tại điểm kết thúc phản ứng (Liou và cs, 2011). b) Phương pháp nhiệt phân gel nano SiO2 Phương pháp nhiệt phân điều chế nano SiO2 từ nhiệt phân vỏ trấu thu được SiO2 kích thước nanomet bởi vì cấu tạo của vỏ trấu bao gồm các hạt nano SiO2 nằm xen kẻ giữa các lớp tế bào thực vật (Dũng và cs, 2016; Gu và cs, 2015). Tùy thuộc vào thời gian, nhiệt độ nhiệt phân và tiền xử lý nguyên liệu, các tác giả thu được nano SiO2 có kích thước hạt, độ tinh khiết, cấu trúc mạng tinh thể và độ xốp khác nhau. Hoặc thủy phân muối tạo ra SiO2 phân tán trong chất tạo gel như Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) (Farjood và cs, 2020). Nhiệt phân gel SiO2/CTAB để đốt cháy các hợp chất hữu cơ thu nano SiO2. CTAB là một hóa chất chứa Br độc hại nên ít có khả năng ứng dụng vào sản xuất, việc nghiên cứu sử dụng CS không độc có khả năng tạo gel với SiO2 thay thế CTAB đáp ứng công nghệ thân thiện với môi trường. Dựa trên nguyên lý đốt cháy chất hữu cơ để điều chế nano SiO2, luận án này nghiên cứu điều chế nano SiO2 bằng phương pháp nhiệt phân 02 vật liệu: tro vỏ trấu gồm các hạt SiO2 xen lẫn với cacbon của quá trình đốt cháy không hoàn toàn và gel SiO2/CS tổng hợp từ CS và SiO2 của tro vỏ trấu. 1.2.2. Nghiên cứu điều chế oligochitosan từ chitosan Hiệu lực sinh học và khả năng ứng dụng của CS phụ thuộc vào KLPT. Các phương pháp biến tính cắt mạch CS bao gồm: Phương pháp hóa học sử dụng tác nhân HCl, H3PO4, H2O2... là phương pháp đơn giản, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là gây ô nhiễm môi trường, nồng độ tác nhân cao xảy ra sự thay đổi cấu trúc trong phân tử 4
CS như bị đề amin hóa hoặc phá vỡ vòng glucopyranose. Phương pháp sinh học sử dụng các enzym như: cellulase, chitinase,… là phương pháp an toàn nhưng giá thành cao. Phương pháp vật lý sử dụng sóng siêu âm, tia bức xạ (γ Co-60, chùm điện tử), trong đó chiếu xạ cắt mạch CS là kỹ thuật hiệu quả do dễ dàng điều chỉnh KLPT thông qua thay đổi liều chiếu xạ, thân thiện môi trường và hầu như không làm thay đổi cấu trúc của phân tử CS nhưng chi phí cao. Từ nghiên cứu tổng quan tài liệu, chúng tôi lựa chọn điều chế OC có KLPT từ 3.000 – 7.000 g.mol-1 bằng quy trình xử lý dung dịch CS với H2O2 nồng độ thấp kết hợp chiếu xạ tia γ Co-60 nhằm giảm liều chiếu xạ. 1.2.3. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano SiO2/OC. Vật liệu lai vô cơ-hữu cơ gần đây được quan tâm nghiên cứu, vì chúng thể hiện được các đặc tính tổng hợp của các pha đơn lẻ, làm tăng khả năng ứng dụng trong đời sống. Vật liệu lai nano SiO2/OC bao gồm các hạt nano SiO2 phân tán trong trong dung dịch OC. Các phân tử OC ngăn cản sự kết tụ của các hạt nano SiO2, các hạt nano SiO2 bị solvat hóa trong dung dịch và liên kết với OC bằng các liên kết phối trí hoặc hóa học. Vật liệu lai giữa nano SiO2 với dung dịch OC có thể tổng hợp bằng phương pháp phối trộn hai vật liệu đơn hoặc hình thành nano SiO2 do phản ứng giữa dung dịch Na2SiO3 với proton H+ trong polyme OC tại pH trước điểm tạo gel. 1.3. Hoạt tính kháng vi sinh vật của nano SiO2, OC và nano SiO2/OC. Silica là một chất có tác dụng làm tăng sức đề kháng cho cây trồng như: hạn chế sâu, rầy chích hút, kháng vi sinh vật và giải độc kim loại. Cơ chế kháng bệnh thực vật của SiO2 là do SiO2 liên kết, gia cố làm chắc thành tế bào thực vật chống lại sự xâm nhập của vi sinh vật gây bệnh và kích thích thực vật chống lại mầm bệnh. Tác giả R. Suriyaprabha (2013) báo cáo rằng nano SiO2 (20 - 40 nm) có hiệu quả kháng nấm Fusarium oxysporum và Aspergillus niger trên cây ngô đạt 5
hiệu quả cao hơn nhiều lần so với SiO2 vật liệu khối. Các nghiên cứu khác công bố nano SiO2 còn có khả năng kháng bệnh phấn trắng trên cây dưa chuột, bệnh đạo ôn và bạc lá trên lúa, thán thư trên ớt. Đến nay, các kết quả nghiên cứu về khả năng kháng vi sinh vật và bệnh hại thực vật của nano SiO2 được công bố còn hạn chế. OC có đặc tính sinh học như kháng vi sinh vật, kích thích tạo kháng thể thực vật,... Đặc tính kháng vi sinh vật của OC phụ thuộc vào KLPT, độ đề acetyl hóa và loài vi sinh vật. OC chứa nhóm chức -NH2 tác động trực tiếp với tế bào vi sinh vật và giúp cây trồng tạo ra những phản ứng phòng vệ đề kháng lại sự xâm nhập của mầm bệnh. Vật liệu nano SiO2/OC được tổng hợp từ 02 hoạt chất đều có hoạt tính kháng vi sinh vật nên hiệu ứng cộng hợp của chúng rất có tiềm năng sử dụng trong kiểm soát bệnh hại thực vật. Một số nghiên cứu công bố vật liệu lai nano SiO2/CS có khả năng kháng bệnh héo rũ (Ralstonia Solanacearum) trên cây cà chua (Kiirika và cs, 2013), kháng bệnh thối rễ (Monilinia fructifolia) trên cây táo (Yang và cs, 2010), bệnh thán thư trên cây ớt (Dũng và cs, 2017). 1.4. Triển vọng sử dụng vật liệu nano SiO2/OC làm chất kiểm soát nấm bệnh thực vật. Việt Nam là nước có nền sản xuất nông nghiệp, các loại nông sản chủ lực và giá trị cao là lúa, cao su, cà phê, hồ tiêu và cây ăn trái. Để đạt năng suất và chất lượng trong sản xuất nông nghiệp cần thiết phải sử dụng thuốc BVTV để kiểm soát vi sinh vật gây hại cây trồng. Thuốc BVTV thông thường có nguồn gốc tổng hợp hóa học nên có độ độc cao ảnh hưởng đến sức khỏe con người và để lại tồn dư trong nông sản. Để đáp ứng nền sản xuất nông nghiệp an toàn, giải pháp thay thế thuốc BVTV độc hãi là nghiên cứu hoạt chất mới ít độc, không để lại dư lượng trên nông sản như vật liệu nano SiO2/OC là cần thiết. Luận án này thực hiện các nghiên cứu hiệu lực sinh học của nano SiO2/OC đề kháng lại các bệnh gây hại thường xuyên trên một số loại 6
cây trồng chủ lực gồm: bệnh đốm nâu do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây hại trên cây thanh long, bệnh đạo ôn do nấm Pyricularia oryzae, bạc lá lúa do vi khuẩn Xanthomonas sp. gây ra trên cây lúa, bệnh nấm hồng do nấm Corticium salmonicolor gây hại trên cây cao su. 1.5. Kết luận phần tổng quan tài liệu Có thể tổng hợp nano SiO2 bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu hoặc gel SiO2/CS từ tro vỏ trấu. Phương pháp này đơn giản, hiệu quả, đặc biệt quá trình tạo gel SiO2/CS điều kích thước hạt nano SiO2. OC có cấu tạo phân tử không thay đổi so với CS ban đầu có thể điều chế bằng phương pháp xử lý H2O2 nồng độ thấp kết hợp với chiếu xạ dung dịch CS bởi tia  Co-60 nhằm giảm liều chiếu xạ. Vật liệu lai nano SiO2/OC có thể tổng hợp bằng phương pháp phối trộn giữa nano SiO2 và OC hoặc bằng phản ứng sol-gel giữa Na2SiO3 với proton H+ trong dung dịch OC. Vật liệu nano SiO2, OC đều có hoạt tính kháng vi sinh vật. Vật liệu nano SiO2/OC có thể có hiệu lực kháng vi sinh vật cao hơn so với vật liệu đơn. Những nghiên cứu về khả năng kiểm soát bệnh thực vật của các vật liệu này trong luận án này chưa được công bố trước đây. CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu và hóa chất. Phế thải tro vỏ trấu, chitosan (DDA~94%; KLPT ~ 44.500 g.mol- 1 , KLPT số ~13.500 g.mol-1), HCl, NaOH, C3H6O3, H2O2 tinh khiết. 2.2. Thực nghiệm. 2.2.1. Điều chế nano SiO2 từ tro vỏ trấu. Tách các nguyên tố kim loại trong tro vỏ trấu: Cân 50 g tro vỏ trấu cho vào cốc 500 mL, thêm 300 mL dung dịch HCl 1N, khuấy trong thời gian 2 giờ ở nhiệt độ 80oC. Để yên hỗn hợp ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ. Lọc, rửa hỗn hợp trên giấy lọc băng xanh bằng nước cất 7
tới pH ~7. Sấy khô tro vỏ trấu. Điều chế nano SiO2 bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu: Tro vỏ trấu đã xử lý HCl được nhiệt phân ở các nhiệt độ: 700 oC; 750 o C và 800 oC trong thời gian 2 giờ thu được nano SiO2. Điều chế nano SiO2 bằng phương pháp nhiệt phân gel SiO2/CS: Hòa tan 60 g tro vỏ trấu trong 400 mL dung dịch NaOH 1N, khuấy ở nhiệt độ 80 oC trong thời gian 2 giờ thu dung dịch Na2SiO3. Nhỏ từ từ dung dịch Na2SiO3 vào cốc chứa dung dịch CS 2%. Dùng NaOH 1N nhỏ giọt điều chỉnh pH ~6, thu được gel SiO2/CS, cắt nhỏ, rửa sạch muối trong gel. Nhiệt phân gel SiO2/CS trong thời gian 2 giờ ở nhiệt độ 700 oC để thu nano SiO2. 2.2.2. Điều chế OC KLPT từ 3.000 – 7.000 g.mol-1. Hòa tan 4,4 g CS trong 80 mL dung dịch axit lactic 2%, thêm 3,33 mL dung dịch H2O2 30% để yên trong 24 giờ, thêm 1,67 mL H2O2 30% và nước cất đủ 100 mL. Dung dịch trên được chiếu xạ với liều xạ từ 7 - 49 kGy bởi tia Co-60. Sau mỗi lần chiếu xạ với liều xạ 7 kGy đều bổ sung 1,67 mL H2O2 30% vào dung dịch CS để chiếu xạ cho đến liều xạ 21 kGy. Chiếu xạ tiếp theo không bổ sung H2O2. 2.2.3. Điều chế vật liệu lai nano SiO2/OC. Điều chế vật liệu nano SiO2/OC bằng phương pháp phối trộn: Hòa tan 2 g OC (KLPT 3.000 – 7.000 g.mol-1) cho vào 80 mL dung dịch axit lactic 1% (w/v), thu được dung dịch OC có pH ~4. Điều chỉnh đến pH ~6,5 bằng NaOH 1N. Tẩm ướt 1,5 g nano SiO2 bằng 5 mL hỗn hợp C2H5OH/H2O ~ 1/1, để yên trong 15 phút và cho vào dung dịch OC ở trên, thêm nước cho đủ 100 ml và khuấy liên tục trong 10 giờ. Điều chế vật liệu nano SiO2/OC bằng phản ứng kết tủa nano SiO2: Nhỏ từ từ 50 mL dung dịch Na2SiO3 (2%, 3%, 4% SiO2) lần lượt vào 04 cốc chứa 50 mL dung dịch OC3000 4% đã thêm HCl đủ để phản ứng với Na2SiO3 theo tính toán. Dùng NaOH 1N điều chỉnh đến 8
pH ~6,5, thu được 04 dung dịch keo nano SiO2/OC có nồng độ OC3000 2% và hàm lượng nano SiO2 lần lượt là 1,0%, 1,5% và 2,0%. 2.2.4. Nghiên cứu in vivo hiệu lực kiểm soát bệnh đốm nâu trên cây thanh long của vật liệu nano SiO2, OC và nano SiO2/OC. Thí nghiệm hiệu ứng kích kháng sản sinh enzyme bằng phương pháp lây nhiễm bệnh nhân tạo và đánh giá hiệu quả kiểm soát bệnh đốm nâu thanh long theo TCCS 162:2014/BVTV. 2.2.5. Nghiên cứu in vivo hiệu lực kiểm soát bệnh đạo ôn lá và bạc lá lúa của nano SiO2/OC. Hiệu lực kiểm soát bệnh đạo ôn lá lúa thực hiện theo quy phạm 10TCN 157-1992 trong điều kiện nhà lưới và bệnh bạc lá lúa thực hiện ngoài đồng ruộng theo quy chuẩn QCVN 01-14-2010/BNNPTN. 2.2.6. Nghiên cứu hiệu lực kiểm soát bệnh nấm hồng trên cây cao su của nano SiO2/OC. Khả năng kháng nấm hồng C. salmonicolor trên cây cao su được xác định bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch và hiệu lực kiểm soát bệnh nấm hồng theo quy phạm 10TCN 622-2005. 2.3. Các phương pháp và kỹ thuật sử dụng để nghiên cứu Các phương pháp xác định các tính chất hóa lý đặc trưng của vật liệu: Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phổ hồng ngoại (FT-IR), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ sắc ký lọc gel (GPC), phổ tử ngoại khả kiến (UV-vis) và đo thế điện kép zeta. CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Thành phần nguyên liệu tro vỏ trấu trước và sau xử lý HCl. Tro vỏ trấu sử dụng trong các nghiên cứu được phân tích với thành phần: SiO2 85,39%; K2O 0,45%; Na2O 0,11%; Fe2O3 0,56%; Al2O3 0,12%; MgO 0,66%; CaO 0,78%. Do có hàm lượng SiO2 cao nên tro vỏ trấu thích hợp trong điều chế nano SiO2. 9
Phổ EDX của phế thải tro vỏ trấu xuất hiện các đỉnh của nguyên tố Si, O, C, K, Na, Al,... còn phổ EDX của tro vỏ trấu sau xử lý HCl chỉ bao gồm ba đỉnh của 03 nguyên tố Si, O, C là thành phần cấu tạo của SiO2 và C, chứng tỏ tro vỏ trấu không còn chứa hợp chất kim loại. a) b) Hình 3.1. Phổ EDX của tro vỏ trấu trước (a) và sau xử lý HCl (b) 3.2. Kết quả điều chế nano SiO2 bằng phương pháp nhiệt phân. 3.2.1. Điều chế nano SiO2 bằng nhiệt phân tro vỏ trấu. Tại 03 nhiệt độ nhiệt phân tro vỏ trấu 700 oC, 750 oC và 800 oC thu được các hạt SiO2 từ 45 - 48 nm, nhiệt độ hầu như không ảnh hưởng đến kích thước hạt. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt biểu diễn trong hình 3.3. Kích thước hạt nano SiO2 thu được tương đương với kích thước hạt nhận được khi nhiệt phân vỏ trấu (Gu và cs, 2015; Thủy và cs, 2017). Kết quả này chứng tỏ rằng lớp carbon trong tro vỏ trấu có vai trò là khung ổn định chống lại sự kết tụ các hạt SiO2. a) b) c) dtb: 475 nm dtb: 454 nm dtb: 485 nm Hình 3.3. Ảnh TEM của nano SiO2 điều chế bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu ở nhiệt độ: a) 700 oC; b) 750 oC; c) 800 oC 3.2.2. Điều chế nano SiO2 bằng nhiệt phân gel SiO2/CS. Phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel SiO2/CS cho phép điều 10
chế được nano SiO2 có kích thước hạt khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ SiO2/CS, khi tỷ lệ SiO2/CS < 1/1 thì thu được nano SiO2 có kích thước nhỏ (< 10 nm); tỷ lệ SiO2/CS từ 2/1 – 6/1 thì kích thước hạt nano SiO2 tăng từ 42 – 55 nm. Phương pháp nhiệt phân gel SiO2/CS phù hợp cho việc điều chế nano SiO2 có kích thước hạt điều chỉnh theo nhu cầu sử a) b) c) d) dtb: 91,9 nm dtb: 423 nm dtb: 473 nm dtb: 554 nm dụng và là cơ sở cho việc nghiên cứu sử dụng các polyme tạo gel có chi phí hợp lý trong công nghệ sản xuất nano SiO2. Hình 3.4. Ảnh TEM của nano SiO2 phụ thuộc vào tỉ lệ SiO2/CS: a) 1/1; b) 2/1; c) 4/1và d) 6/1. 3.2.3. Thành phần và tính chất hóa lý của nano SiO2. Nano SiO2 thu được nhiệt phân ở nhiệt độ 700 oC, 750 oC và gel SiO2/CS có cấu trúc hầu như vô định hình, chỉ có một đỉnh tại vị trí góc 2θ ~22o (Hình 3.7 a; 3.7b; 3.9). Hình 3.7c, mẫu nano SiO2 thu được ở nhiệt độ 800oC xuất hiện thêm các đỉnh đặc trưng cho SiO2 tinh thể ở vị trí 220, 311, 400, 511, 440 tương ứng với cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc). Như vậy để thu được nano SiO2 vô định hình thì nhiệt độ thích hợp được chọn từ 700 – 750 oC. d) c) c) b) b) a) a) Hình 3.7. Giản đồ XRD của nano Hình 3.9. Giản đồ XRD của nano SiO2 với SiO2: a) 700 oC; b) 750 oC; c) 800 oC tỉ lệ SiO2/CS: a) 1/1; b) 2/1; c) 4/1; d) 6/1. Phổ FT-IR của các mẫu nano SiO2 điều chế bằng nhiệt phân tro 11
vỏ trấu (Hình 3.10) và gel SiO2/CS (Hình 3.11) đều xuất hiện các đỉnh ở vị trí số sóng 468 và 802 cm-1 đặc trưng cho dao động liên kết Si-O và liên kết Si-OH (silanol). Đỉnh có vị trí số sóng 1.101 cm-1 đặc trưng dao động liên kết Si-O-Si trong tứ diện S1O4. Đặc trưng dao động liên kết O-H của silanol và O-H của nước do hút ẩm cũng xuất hiện trong dải hấp thụ với số sóng lần lượt là 3.444 và 1.637 cm-1. Hình 3.10. Phổ FT-IR của nano Hình 3.11. Phổ FT-IR của nano SiO2 SiO2 điều chế tại nhiệt độ 750 oC. điều chế nhiệt phân gel SiO2/CS. Hàm lượng, thành phần nguyên tố được xác định bằng dữ liệu EDX cho thấy cả 04 mẫu nano SiO2 thu được (700 oC, 750 oC, 800 oC và nhiệt phân gel SiO2/CS) chỉ chứa 2 nguyên tố Si và O. Tỉ lệ khối lượng Si/O trong các mẫu tương ứng là 46,44/53,56; 46,55/53,45; 46,31/53,69; 46,45/53,55 gần với tỉ lệ Si/O của SiO2 tinh khiết, theo tính toán mẫu nano SiO2 có hàm lượng >99,5% phù hợp với kết quả phân tích AAS. 3.3. Kết quả điều chế oligochitosan KLPT từ 3.000 - 7.000 g.mol-1. Điều chỉnh KLPT của CS bằng phương pháp xử lý H2O2 0,5% kết hợp với chiếu xạ tia γ Co-60 với 03 lần bổ sung H2O2 sau mỗi lần chiếu xạ 7 kGy so với nghiên cứu của Duy (2011) chỉ bổ sung 2 lần H2O2 đã làm giảm liều xạ 7 kGy. Phương pháp này cũng làm giảm liều xạ từ 28 – 35 kGy so với không xử lý H2O2. Tổng liều xạ khi chiếu xạ 2 bậc (2 lần bổ sung H2O2) thu được OC có KLPT ~7.000 g.mol-1 là 14 kGy, tổng liều xạ khi chiếu xạ 3 bậc thu được OC có KLPT ~5.000 và ~3.000 g.mol-1 lần lượt là 21 kGy và 42 kGy. Phổ FT-IR cho thấy quá trình cắt mạch CS đã làm suy giảm KLPT 12
tạo thành các OC có KLPT nhỏ hơn mà không làm thay đổi cấu trúc phân tử là do OC không xuất hiện các đỉnh đặc trưng dao động liên kết mới so với CS. Giản đồ XRD cũng cho thấy OC3000 chỉ có 2 đỉnh ở vị trí 2θ ~9,8° và 2θ ~19,8° đặc trưng cho CS và có cấu trúc hầu như vô định hình. 3.4. Kết quả điều chế vật liệu lai nano SiO2/OC. 3.4.1. Điều chế vật liệu nano SiO2/OC bằng phương pháp phối trộn. Phương pháp trộn nano SiO2 của phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu có kích thước hạt 47 nm với các dung dịch OC KLPT 3.000, 5.000 và 7.000 g.mol-1 thu được vật liệu nano SiO2/OC. Kích thước hạt nano SiO2 được biểu diễn trong hình 3.15. Trong vật liệu nano SiO2/OC thì OC là chất ổn định, KLPT của OC ảnh hưởng tới kích thước hạt nano SiO2, KLPT càng tăng thì kích thước hạt nano SiO2 càng nhỏ do hiệu ứng không gian ngăn cản kết tụ. Khi KLPT OC tăng từ 3.000 - 7.000 g.mol-1 thì kích thước hạt giảm từ 57±3 nm xuống 50±3 nm. a) b) c) dtb: 573 nm dtb: 544 nm dtb: 503 nm Hình 3.15. Ảnh TEM của nano SiO2/OC3000 (a); nano SiO2/OC5000 (b); nano SiO2/OC7000 (c) Ngoài ảnh hưởng của KLPT OC, kích thước hạt nano SiO2 phụ thuộc vào hàm lượng chất phân tán. Khi tăng hàm lượng SiO2 từ 1 – 2% kích thước hạt tăng từ 50 – 66 nm (hình 3.16), do ở hàm lượng SiO2 cao, mật độ hạt lớn nên sự chuyển động Brown tăng làm các hạt va chạm dẫn đến kết tụ. Ở mẫu nano SiO2/OC với hàm lượng SiO2 2% xảy ra tách lớp sau thời gian lưu trữ là 2 tháng, 02 mẫu có hàm lượng 13
SiO2 là 1,0% và 1,5% là một hỗn hợp đồng nhất, không có sự phân lớp sau thời gian bảo quản là 12 tháng. a) b) c) dtb: 503 nm dtb: 544 nm dtb: 663 nm Hình 3.16. Ảnh TEM của nano SiO2/OC có nồng độ SiO2 khác nhau: a) nano SiO2 1%; b) nano SiO2 1,5%; c) nano SiO2 2% 3.4.2. Điều chế vật liệu nano SiO2/OC bằng phương pháp kết tủa. Phương pháp kết tủa tạo ra SiO2 phân tán trong dung dịch OC, kích thước hạt nano SiO2 phụ thuộc vào hàm lượng SiO2 tương tự như phương pháp phối trộn. Qua khảo sát ảnh TEM (Hình 3.18), kích thước hạt nano SiO2 tăng theo chiều tăng của hàm lượng nano SiO2 trong vật liệu nano SiO2/OC3000; cụ thể kích thước hạt tăng từ 41±2 nm lên 55±3 nm khi hàm lượng SiO2 tăng 1 - 2%. a) b) c) dtb: 412 nm dtb: 502 nm dtb: 553 nm Hình 3.18. Ảnh TEM của nano SiO2/OC điều chế bằng phương pháp kết tủa: a) nano SiO2 1%; b) nano SiO2 1,5%; c) nano SiO2 2% 3.4.3. Tính chất hóa lý của vật liệu nano SiO2/OC3000. Giản đồ XRD sử dụng phân tích cấu trúc tinh thể của vật liệu nano SiO2/OC cho thấy: có một đỉnh tại vị trí 2θ ~ 9,9° là đỉnh đặc trưng của OC và một đỉnh với cường độ thấp tại vị trí 2θ ~ 21,9° là đỉnh của nano SiO2 (Hình 3.20). Giản đồ XRD này chứng tỏ vật liệu 14
nano SiO2/OC3000 có cấu trúc mạng hầu như vô định hình. Phổ UV-vis của mẫu OC3000 xuất hiện một đỉnh tại vị trí bước sóng 262 nm mà không có trong phổ CS (Hình 3.21). Đỉnh hấp thụ ở bước sóng 262 nm đặc trưng cho liên kết C=O (cacbonyl) của OC hình thành trong quá trình chiếu xạ (D. Tahtat, 2012). Phổ UV-vis của vật liệu nano SiO2/OC3000 có đỉnh hấp thụ tại vị trí bước sóng 271z nm do tương tác của SiO2 với OC làm chuyển dịch bước sóng của liên kết C=O và xuất hiện một đỉnh nhỏ mới tại vị trí bước sóng 320 nm. d) c) a) b) Hình 3.20. Giản đồ XRD: Hình 3.21. Phổ UV-vis của CS (a); a) nSiO2; b) nSiO2/OC3000 OC (b); nSiO2/OC3000 (c) và nSiO2 Sự khác biệt của phổ FT-IR giữa vật liệu nano SiO2/OC với OC (Hình 3.22) là trong phổ của nano SiO2/OC có xuất hiện một số đỉnh mới ở vị trí số sóng 1.083 cm−1 và 781 cm−1. Hai đỉnh này đặc trưng cho dao động của liên kết Si-O-C, liên kết này được hình thành do phản ứng giữa nhóm CH2-OH của OC với nhóm Si-OH của nano SiO2 (Podust, 2014; Tetyana, 2015; Thuy, 2017). Đỉnh xuất hiện ở 927 cm−1 trong phổ của nano SiO2/OC đặc trưng cho liên kết Si-OH do sự hình thành liên kết hydro giữa của các nhóm silanol trong mạng SiO2 và nhóm -NH2 của OC. Hình 3.22. Phổ FT-IR của nano SiO2/OC3000 15
Từ kết quả nghiên cứu phổ UV-vis và FT-IR, chúng tôi đề xuất tương tác của nano SiO2 với OC trong vật liệu nano SiO2/OC là hình thành liên kết phối trí giữa nhóm -Si-OH của nano SiO2 và nhóm -NH2 của OC; liên kết ion giữa nhóm -Si-OH của nano SiO2 và nhóm HOH2C- của OC theo hình 3.23. Hình 3.23. Minh họa hình thành liên kết trong vật liệu nano SiO2/OC. 3.5. Nghiên cứu độ ổn định của vật liệu nano SiO2/OC. Độ ổn định của dung dịch keo nano SiO2/OC phụ thuộc vào sự kết tụ các hạt nano SiO2 thành các hạt lớn hơn dẫn đến sự thay đổi trạng thái vật lý của dung dịch. Phương pháp đánh giá độ bền của dung dịch nano SiO2/OC bằng cách xác định kích thước hạt theo thời gian bảo quản và đo thế điện kép (thế ξ). Kích thước hạt nano SiO2 trong vật liệu nano SiO2/OC3000 tính từ ảnh TEM cho thấy, tại thời điểm 2 tháng bảo quản kích thước hạt ban đầu từ 47,7 nm tăng lên 51,9 nm. Sau 2 tháng bảo quản, kích thước hạt nano SiO2 gần như không thay đổi như vậy vật liệu nano SiO2/OC3000 đã đạt cân bằng sa lắng. Giá trị thế ζ của nano SiO2/OC là dương và có trị số cao là +32,8 mV và +29,7 mV là dung dịch keo có độ bền cao tương ứng với mẫu SiO2/OC3000 điều chế bằng phương pháp phối trộn và kết tủa (Nguyễn Tuyên, 2015). 3.6. Xác định độc tính của vật liệu lai SiO2/OC3000 Vật liệu nano SiO2/OC3000 (SiO2 1,5%; OC 2%) không gây kích ứng da và độc tính qua đường miệng tới liều 3.000 mg/kg thể trọng, chuột vẫn bình thường nên không xác định được LD50. 3.7. Thử nghiệm in vivo kiểm soát bệnh đốm nâu cây thanh long 16
của nano SiO2/OC Khả năng kích kháng của OC xác định bằng cách đo hoạt độ của chitinase sản sinh sau khi xử lý OC và lây nhiễm nấm N. dimidiatum trên cây thanh long. Kết quả nghiên cứu cho thấy OC có KLPT khác nhau có ảnh hưởng đến hoạt độ chitinase (Hình 3.25). OC có KLPT nhỏ nhất 3000 g.mol-1 thể hiện hiệu ứng sản sinh enzyme chitinase mạnh nhất. Sau 24 giờ cấy nấm, hoạt độ chitinase của mẫu đối chứng (-), đối chứng (+), OC3000, OC5000 và OC7000 đạt tương ứng lần lượt là 4,31×10-3, 4,55×10-3, 6,42×10-3, 5,74×10-3 và 5,55×10-3 U.g-1. Chỉ số bệnh đốm nâu khi được xử lý OC3000 sau 7 ngày lây nhiễm nấm có giá trị nhỏ nhất là 0,84% phù hợp với hoạt độ enzyme chitinase sản sinh cao nhất để kháng lại bệnh. Dựa trên kết quả này OC với KLPT 3.000 g.mol-1 được lựa chọn điều chế vật liệu nano SiO2/OC3000 cho thí nghiệm tiếp theo. Hình 3.25. Hoạt độ enzyme Hình 3.26. Hoạt độ enzyme chitinase của cây thanh long chitinase của cây thanh long được xử lý bởi OC3000, OC5000 được xử lý bởi OC, nano SiO2, và OC7000 và nano SiO2/OC Thí nghiệm so sánh khả năng sản sinh enzyme chitinase của các loại vật liệu trong hình 3.26 cho thấy, sau 72 giờ lây nhiễm nano SiO2/OC3000 sản sinh hoạt độ chitinase cao hơn đáng kể so với mẫu chỉ sử dụng nano SiO2 hoặc OC3000. Tại thời điểm 168 giờ sau lây nhiễm, hoạt độ của chitinase của OC3000, nano SiO2 và nano SiO2/OC3000 lần lượt là 5,99×10-3, 4,68×10-3 và 6,32×10-3 U.g-1. Số liệu đánh giá khả năng kiểm soát bệnh đốm nâu trong bảng 17
3.11 cũng cho thấy chỉ số bệnh của mẫu được xử lý bằng nano SiO2/OC3000 thấp hơn so với các mẫu khác. Tại thời điểm 168 giờ sau lây nhiễm, chỉ số bệnh của mẫu xử lý nano SiO2/OC3000 nhỏ nhất là 0,77% so với chỉ số bệnh của các mẫu xử lý OC3000, nano SiO2 và đối chứng (+) lần lượt là 0,88%, 2,29% và 4,82%. Bảng 3.11. Tỉ lệ bệnh và chỉ số bệnh đốm nâu thanh long sau khi xử lý vật liệu OC3000, nano SiO2, và nano SiO2/OC3000 và đối chứng Tỉ lệ bệnh (%) đốm nâu sau lây nhiễm Công thức 24 giờ 72 giờ 120 giờ 168 giờ Đối chứng (-) Không bệnh Không bệnh Không bệnh Không bệnh Đối chứng (+) 10,79±2,22a 13,49±2,95a 18,51±3,20a 21,12±2,61a OC3000 6,13±1,50c 5,49±1,17c 4,60±1,02d 4,29±1,05d nano SiO2/OC3000 6,44±1,07c 5,21±1,11c 3,76±0,83e 3,65±0,90e nano SiO2 8,63±1,78b 10,27±2,46b 11,96±2,24b 13,08±1,74b LSD, 0,05 2,10 2,22 0,81 0,60 Chỉ số bệnh (%) đốm nâu sau lây nhiễm Đối chứng (-) Không bệnh Không bệnh Không bệnh Không bệnh Đối chứng (+) 1,93 ± 0,74a 2,33 ± 0,86a 3,54 ± 1,00a 4,28 ± 1,25a OC3000 1,68 ± 0,57a 1,40 ± 0,52c 0,91 ± 0,31c 0,88 ± 0,24c nano SiO2/OC3000 1,85 ± 0,61a 1,06 ± 0,40d 0,73 ± 0,25d 0,77 ± 0,19d nano SiO2 1,87 ± 0,71a 2,00 ± 0,74b 2,18 ± 0,62b 2,29 ± 0,67b LSD, 0,05 0,63 0,32 0,17 0,08 Ghi chú: Trong cùng một cột, các chữ cái theo sau khác nhau thì có khác biệt về mặt thống kê ở mức ý nghĩa  = 0,05; LSD-Khác biệt tối thiểu có ý nghĩa thống kê. Kết quả nghiên cứu hiệu ứng sản sinh enzyme chitinase kháng lại nấm N. dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long của vật liệu nano SiO2/OC3000 là nghiên cứu mới lần đầu tiên được công bố. 3.8. Hiệu lực in vivo kiểm soát bệnh trên lúa của nano SiO2/OC. 18