Báo cáo nghiên cứu khoa học: " TỔNG HỢP PHỨC CHẤT ĐA PHỐI TỬ CỦA NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM VÀ THỬ NGHIỆM HOẠT TÍNH SINH HỌC ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG PHÁT TRIỂN CỦA CÂY ĐẬU TƯƠNG" pps

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(40).2010 84 TỔNG HỢP PHỨC CHẤT ĐA PHỐI TỬ CỦA NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM VÀ THỬ NGHIỆM HOẠT TÍNH SINH HỌC ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG PHÁT TRIỂN CỦA CÂY ĐẬU TƯƠNG SYNTHESIS OF MULTI-LIGAND COMPLEX OF RARE EARTHS AND ITS APPLICATION TO THE BIOLOGICAL ACTIVITY ON THE GROWTH AND DEVELOPMENT OF THE SOYBEAN Phạm Văn Hai Đại học Đà Nẵng Nguyễn Tấn Lê Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Trong bài báo này, trình bày phương pháp tổng hợp phức chất glutamat molypdat neodim và thử nghiệm hoạt tính sinh học của phức chất đó. Phức chất này được tổng hợp từ ion đất hiếm Nd 3+ và axit glutamic với Na 2 MoO 4 . Các điều kiện tối ưu của quá trình tổng hợp phức được xác định thông qua phép chuẩn độ tạo phức với chất chuẩn DTPA và chất chỉ thị Arsenazo (III). Các yếu tổ ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng tổng hợp bao gồm tỉ lệ các chất phản ứng, thời gian, nhiệt độ, pH của dung dịch cũng đã được xác định. Thông qua các phương pháp phân tích nhi ệt và phổ hồng ngoại đã xác định được công thức hóa học của phức chất đa phối tử của nguyên tố đất hiếm Nd với axit glutamic và Na 2 MoO 4. Từ phức chất đã tổng hợp, được ứng dụng để kiểm tra hoạt tính sinh học của chúng thông qua quá trình thăm dò sự sinh trưởng và phát triển của cây đậu tương. Với phương pháp pha chế dung dịch phức chất glutamat molypdat neodim ở các nồng độ thích hợp để ngâm hạt đậu và phun trên lá cây đậu tương đã thu được kết quả rất tốt, cụ thể chiều cao, diện tích lá, trọng lượng tươ i và trọng lượng khô của cây đậu tương ở giai đoạn ra hoa đều tăng lên; rút ngắn được thời gian ra hoa; làm tăng cường độ quang hợp, cường độ hô hấp của cây; hàm lượng protit và lipit trong hạt đều tăng. ABSTRAST In this paper, the neodymium glutamate molybdate complex compound has been synthesized and tested for its biological activity.The study on the production of a complex formation of the neodymium (III) with L-glutamic acid and sodium molybdate has been carried out. Optimal conditions of complex synthesis have been determined via reaction performance based on the DTPA complexometric titration method with Arsenazo (III) as an indicator. Besides, the influences of other factors such as molar ratio of Nd 3+ :H 2 Glu:MoO 4 2- , the temperature, time and pH of the solution on the reaction performance have been surveyed. Based on the thermal analysis and infrared spectroscopy methods, the formula of the multi- ligands complex compound have been determined as Nd(HGlu)(MoO 4 ).2H 2 O. Its biological activity has been further tested on the growth and development of the soybean. By using a suitable solution to soak the seeds and to spay on the leaves of soybean in an experiment conducted in Danang, the following experimental results are obtained: the height, assimilation surface, fresh and dry weight of the plant have increased; the flowering has been premature; there has been an increase in the content of total chlorophyll, the intensity of photosynthesis and respiration. In all, the productivity, both protein and lipid contents in the grains of the experimental soybean have increased in comparison with the controlled lot. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(40).2010 85 1. Mở đầu Phức chất của nguyên tố đất hiếm với một số axit hữu cơ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong y học, nông nghiệp, công nghệ sinh học Các kết quả nghiên cứu đã khẳng định phức chất của nguyên tố đất hiếm và một số nguyên tố vi lượng với các axit hữu cơ có hoạt tính sinh học [4], [6]. Trong bài báo này, chúng tôi thông báo kết quả nghiên cứu tổng hợp phức rắn glutamat molypdat neodim Nd(HGlu)(MoO 4 ).2H 2 O và thử nghiệm ảnh hưởng của nó đến quá trình sinh trưởng phát triển của cây đậu tương (Glycine max L.). 2. Phần thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm bằng cách tạo kết tủa Nd(OH) 3 với dung dịch NH 3 dư từ dung dịch ban đầu Nd(NO 3 ) 3 đã được xác định nồng độ, rửa kết tủa nhiều lần bằng nước cất để làm sạch NH 3 có trong kết tủa. Tính toán lượng dung dịch axit L-glutamic và muối natri molypdat theo tỉ lệ mol cần thiết so với Nd 3+ rồi cho vào cốc thuỷ tinh có chứa kết tủa. Sau một thời gian nhất định, lấy mẫu để chuẩn độ lượng Nd 3+ còn lại sau phản ứng bằng DTPA, với chất chỉ thị Arsenazo(III), trong môi trường đệm pH = 4,2. Từ đó tính được hiệu suất của phản ứng. Cấu trúc của phức tổng hợp được khảo sát bằng phương pháp hồng ngoại và phân tích nhiệt DTA. Hoạt tính sinh học của phức chất được thăm dò bằng cách khảo sát ảnh hưởng của phức chất đã tổng hợp đến một số chỉ tiêu sinh lý sinh hóa cũng như chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển, năng suất và phẩm chất hạt của cây đậu tương. Các số liệu phân tích, xử lý số liệu được xác định theo các phương pháp nghiên cứu sinh lý thực vật thông dụng, đảm bảo độ chính xác và tin cậy. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Tổng hợp phức rắn glutamat molypdat neodim Trên cơ sở các điều kiện tối ưu của phản ứng tạo phức giữa axit L-glutamic (H 2 Glu) và axit boric với neodim đã nghiên cứu [2], chúng tôi tiến hành tổng hợp phức chất rắn glutamat molypdat neodim (GMoN) như sau: cho dung dịch Nd(NO 3 ) 3 vào ống ly tâm, tiến hành kết tủa hidroxit neodim bằng NH 4 OH với một lượng hơi thừa để kết tủa hết Nd 3+ bằng cách nhỏ từ từ dung dịch amoniac và khuấy bằng đũa thủy tinh để tạo kết tủa bông (để lắng phần nước trong, có pH khoảng 9). Rửa sạch kết tủa bằng phương pháp gạn kết hợp ly tâm cho đến khi nước rửa có pH ≈ 7. Chuyển toàn bộ kết tủa Nd(OH) 3 mới sinh vào cốc thủy tinh chứa sẵn lượng chính xác H 2 Glu và Na 2 MoO 4 , điều chỉnh pH của dung dịch hỗn hợp về giá trị pH = 6,0. Nâng nhiệt độ lên 60 0 C và tiến hành khuấy trộn trên máy khuấy từ có bếp ổn nhiệt trong thời gian 2 giờ. Cô hỗn hợp phản ứng ở 60 - 70 0 C trên bếp cách thủy cho đến khi xuất hiện váng trong suốt trên bề mặt. Để nguội, kết tủa sẽ dần tách ra, lọc lấy kết tủa, rửa bằng etanol tuyệt đối và làm khô. Phức glutamat molypdat neodim tổng hợp được là một chất rắn màu hồng nhạt. 3.1.1. Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại Phổ hấp thụ hồng ngoại của axit H 2 Glu và phức glutamat molypdat neodim được TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(40).2010 86 ghi trên máy Impact 410-Nicolet (Mỹ) trong vùng 4000 – 400cm −1 . Kết quả được chỉ ra trên Hình 1, Hình 2 và Bảng 1. Bảng 1. Các tần số hấp thụ chính của các hợp chất Hợp chất 2 NH ν + 3 NH ν − COO as ν 2 NH δ + 3 NH δ − COO s ν H 2 Glu - 3060,35 2084,83 1644,64 - 1512,67 1419,19 GMoN 3426,17 - 1619,05 1547,99 - 1414,75 Phổ hấp thụ hồng ngoại của phức chất khác với phổ của axit L-glutamic tự do về hình dạng cũng như vị trí của các dải hấp thụ đặc trưng. Điều này cho thấy sự tạo phức đã xảy ra giữa ion Nd 3+ với axit L-glutamic và molypdat. Trên phổ hồng ngoại của phức glutamat molypdat neodim có sự dịch chuyển lớn tại nhóm −NH 3 + từ 3060,35cm −1 (trong phổ của axit L-glutamic) đến 3426,17cm −1 ứng với dao động hoá trị của nhóm −NH 2 bão hòa, chứng tỏ có sự phối trí giữa Nd và −NH 2 gây ra sự chuyển dịch này. Hơn nữa, sự mất đi hoàn toàn cực đại hấp thụ ở 2084,83cm −1 ứng với dao động hóa trị nhóm −NH 3 + (trong phổ của axit L-glutamic), đồng thời xuất hiện vân hấp thụ ở 1547,99cm −1 ứng với dao động biến dạng của nhóm −NH 2 cũng là một bằng chứng của sự tạo phức đã xảy ra. Các dải hấp thụ ở 1644,64cm −1 và 1419,19cm −1 đặc trưng cho dao động hoá trị bất đối xứng và đối xứng tương ứng của nhóm −COO − trên phổ của axit L-glutamic tự do dịch chuyển về vùng tần số thấp hơn (1619,05cm −1 và 1414,75cm −1 ) trên phổ của phức chất chứng tỏ nhóm cacboxyl của axit L-glutamic đã phối trí với ion Nd 3+ . Các dải hấp thụ ở các tần số 929,18cm −1 ; 852,20cm −1 ; 760,41cm −1 và 698,23cm −1 được gán cho các dao động của nhóm Molypdat MoO 4 , trong đó dải hấp thụ ở 929,18cm −1 ứng với dao động hoá trị của liên kết Mo=O, các dải 852,2cm −1 và 760,41cm −1 ứng với dao động hoá trị bất đối xứng của liên kết Mo−O và dải hấp thụ ở 698,23cm −1 tương ứng với dao động biến dạng liên kết Mo−O. Hình 1. Phổ hấp thụ hồng ngoại của axit L-glutamic TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(40).2010 87 Hình 2. Phổ hấp thụ hồng ngoại của phức glutamat molypdat neodim Từ các kết quả nghiên cứu và phân tích nêu trên có thể thấy phức chất đa phối tử của Nd 3+ với axit L-glutamic và molypdat thu được có thành phần là Nd(HGlu)(MoO 4 ). Trong đó, axit L-glutamic và molypdat liên kết với ion Nd 3+ qua các nguyên tử nitơ và oxi. 3.1.2. Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp phân tích nhiệt Giản đồ phân tích nhiệt của phức glutamat molypdat neodim được ghi trên máy Shimadzu TA50 (Nhật Bản). Tốc độ nâng nhiệt là 10 0 C trong 1 phút ngoài không khí, ở khoảng nhiệt độ 30-700 0 C. Kết quả nghiên cứu được trình bày ở Hình 3, Hình 4. Hình 3. Giản đồ DTA của phức Hình 4. Giản đồ TGA của phức Giản đồ phân tích nhiệt của phức GMoN cho thấy trên đường cong DTA có một hiệu ứng thu nhiệt ở 52,51 0 C và một hiệu ứng tỏa nhiệt ở 349,98 0 C. Giản đồ TGA của phức chỉ ra rằng quá trình phân hủy phức GMoN có thể chia thành 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên hoàn tất tại 100 0 C ứng với việc giảm 7,59% khối lượng. Khối lượng giảm nầy phù hợp với giá trị lý thuyết của 7,408% khối lượng tương ứng với 2 phân tử nước tách ra. Giai đoạn thứ hai kết thúc ở 700 0 C ứng với 11,069% khối lượng giảm xuống TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(40).2010 88 khi nhiệt độ lên đến 425 0 C và từ 425 0 C đến 700 0 C ghi nhận sự mất đi 7,184% khối lượng. Giai đoạn thứ hai này tương ứng với sự phân hủy dần dần của ion HGlu − . Sau 2 giai đoạn, khối lượng còn lại là 74,157% tương ứng với khối lượng tổng cộng (74,068%) của ½ Nd 2 O 3 , 4 C và MoO 3 [5]. Từ các kết quả thu được ở hai phương pháp phân tích trên đây, ta có thể dự đoán công thức của phức chất tổng hợp từ Nd 3+ , axit L-glutamic và natri molypdat là Nd(HGlu)(MoO 4 ).2H 2 O. 3.2. Thăm dò hoạt tính sinh học của phức glutamat molypdat neodim Việc thăm dò hoạt tính sinh học của phức glutamat molypdat neodim ( GMoN ) Nd(HGlu)(MoO 4 ).2H 2 O được tiến hành bằng cách khảo sát ảnh hưởng của phức đến các chỉ tiêu sinh trưởng phát triển, sinh lý sinh hóa, năng suất và phẩm chất của cây đậu tương, trồng thí nghiệm tại Đà Nẵng. Đậu tương là loại cây họ Đậu, giàu hàm lượng protein, được trồng để làm thức ăn cho người và gia súc [1]. Trong các nguyên tố vi lượng, molipden có khả năng tăng cường cố định đạm của vi khuẩn nốt sần, là thành phần của enzim khử nitrat, tham gia vào quá trình tổng hợp protein, trao đổi hydrat cacbon, tổng hợp diệp lục, các vitamin và axit nucleic… [3] Phức GMoN được sử dụng với nồng độ thích hợp dùng ngâm hạt trong 2 giờ trước khi gieo và phun vào lá ở các giai đoạn sinh trưởng khi cây được 3 lá, 5 lá, ra hoa và kết thúc ra hoa. 3.2.1. Xác định nồng độ xử lý Nồng độ phức GMoN xử lý được xác định thông qua tỉ lệ nảy mầm của hạt đậu tương. Pha loãng dung dịch phức GMoN với các nồng độ 50 ppm, 100 ppm, 150 ppm, 200 ppm để ngâm hạt trong thời gian 2 giờ trước khi gieo vào đĩa petri. Sau 24 giờ gieo hạt, chúng tôi thu được tỉ lệ nảy mầm ứng với các nồng độ khác nhau được trình bày ở hình 5. Dựa vào kết quả thu được, chúng tôi đã chọn nồng độ phức GMoN 100 ppm làm nồng độ thích hợp để xử lý ngâm hạt và phun vào lá trong suốt quá trình thí nghiệm. 3.2.2. Ảnh hưởng của phức GMoN đến sự sinh trưởng phát triển của cây đậu tương Dướí ảnh hưởng của phức GMoN, chiều cao cây, diện tích lá, trọng lượng tươi và trọng lượng khô của cây đậu tương ở giai đoạn ra hoa đã có sự gia tăng so với đối chứng. Kết quả trình bày ở bảng 2: Bảng 2. Ảnh hưởng của phức GMoN đến các chỉ tiêu sinh trưởng của cây đậu tương Đối chứng Phức GMoN Chỉ tiêu theo dõi x ± m CV% x ± m CV% % so với ĐC Chiều cao thân (cm) 51,50 ± 2,11 5,27 71,91 ± 1,70 6,31 139,62 0 10 20 30 40 50 60 70 80 50 100 150 200 Hình 5. Ảnh hưởng nồng độ phức GMoN đến tỉ lệ nảy mầm của hạt đậu tương. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(40).2010 89 Diện tích lá (dm 2 ) 13,71 ± 0,57 4,83 16,52 ± 0,61 5,72 120,41 Trọng lượng tươi (g) 50,33 ± 1,44 6,18 64,73 ± 1,63 7,26 128,62 Trọng lượng khô (g) 16,56 ± 1,39 4,23 21,51 ± 1,68 5,03 129,83 Theo dõi thời điểm ra hoa, chúng tôi nhận thấy cây đậu tương được xử lý phức GMoN ra hoa sau khi gieo 50 ngày với tổng số hoa cả đợt là 74,67 hoa; cây đối chứng ra hoa muộn hơn, ở thời điểm 53 ngày, số lượng hoa ít hơn, với tổng số 61,63 hoa. 3.2.3. Ảnh hưởng của phức GMoN đến một số chỉ tiêu sinh lý sinh hóa Theo dõi hoạt động quang hợp và hoạt động hô hấp ở lá của cây đậu tương ở giai đoạn 7 lá, chúng tôi thu được kết quả trình bày ở bảng 3. Bảng 3: Ảnh hưởng của phức GMoN đến các chỉ tiêu sinh lý sinh hóa của cây đậu tương Đối chứng Phức GMoN Chỉ tiêu theo dõi x ± m CV% x ± m CV% % so với ĐC Hàm lượng diệp lục tổng số (mg/g) 2,08 ± 0,01 3,72 2,36 ± 0,01 4,27 113,70 Cường độ quang hợp (mg/dm 2 /giờ) 1,48 ± 0,01 4,23 2,01 ± 0,02 5,14 135,81 Cường độ hô hấp (mgCO 2 /dm 2 /giờ) 1,16 ± 0,03 3,18 1,30 ± 0,01 4,23 112,06 Kết quả cho thấy dưới ảnh hưởng của phức GMoN đã làm tăng cường bộ máy quang hợp, cường độ quang hợp cũng như cường độ hô hấp tạo năng lượng cho các hoạt động của cây so với đối chứng. 3.2.4. Ảnh hưởng của phức GMoN đến năng suất của cây đậu tương Năng suất thu hoạch của cây đậu tương dưới ảnh hưởng phức GMoN được trình bày ở bảng 4. Kết quả cho thấy số lượng quả/cây, số lượng hạt/cây, trọng lượng hạt/cây ở lô thí nghiệm có xử lý phức GMoN đều cao hơn đối chứng. Điều này cho thấy hoạt tính sinh học của phức GMoN có hiệu quả đối với đời sống cây trồng. Bảng 4. Ảnh hưởng của phức GMoN đến năng suất của cây đậu tương Đối chứng Phức GMoN Chỉ tiêu theo dõi x ± m CV% x ± m CV% % so với ĐC Số quả/cây 44,0 ± 3,2 4,91 57,3 ± 4,5 3,65 130,23 Số hạt/cây 166,8 ± 8,7 3,57 211,2 ± 7,4 4,27 125,12 Trọng lượng hạt/cây (g) 33,4 ± 1,8 6,13 40,2 ± 2,1 7,04 120,36 3.2.5. Ảnh hưởng của phức GMoN đến phẩm chất hạt đậu tương Đối với cây đậu tương, hàm lượng protit và lipit trong hạt là các chỉ tiêu vô cùng quan trọng khi đánh giá chất lượng hạt thu hoạch được. Phân tích các chỉ tiêu này, TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(40).2010 90 chúng tôi thu được số liệu trình bày ở bảng 5. Kết quả cho thấy chất lượng hạt đậu tương đã được cải thiện khi xử lý với phức GMoN. Bảng 5. Ảnh hưởng của phức GMoN đến chất lượng hạt đậu tương Đối chứng Phức GMoN Chỉ tiêu theo dõi x ± m CV% x ± m CV% % so với ĐC Hàm lượng protein (%) 41,62 ± 0,92 3,21 46,73 ± 0,87 4,15 112,28 Hàm lượng lipit (%) 18,76 ± 0,19 5,38 21,53 ± 0,13 6,13 115,32 4. Kết luận 1. Đã nghiên cứu sự tạo phức đa phối tử giữa ion đất hiếm Nd 3+ với axit L- glutamic và natri molypdat. Đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và tìm được các điều kiện tối ưu về nhiệt độ, thời gian, pH và tỉ lệ các chất tham gia phản ứng để tổng hợp phức rắn đa phối tử glutamat molypdat neodim. 2. Bằng các phương pháp phân tích nhiệt vi sai, quang phổ hồng ngoại đã xác định được thành phần của phức và công thức phân tử của phức rắn là Nd(HGlu)(MoO 4 ).2H 2 O. 3. Việc tạo phức giữa ion đất hiếm neodim và nguyên tố vi lượng Mo đã có tác dụng tốt đến đời sống cây đậu tương: làm tăng các chỉ tiêu sinh trưởng phát triển, tăng cường các quá trình sinh lý theo hướng thuận lợi; tăng năng suất và chất lượng hạt. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Thế Dân, Trần Đình Long, Trần Văn Lài, Đỗ Thị Dung, Phạm Thị Đào, Cây đậu tương, NXB Nông nghiệp, Hà Nội, 1994. [2] Phạm Văn Hai. Nguyễn Tấn Lê, Tổng hợp phức chất glutamat borat neodim và thử nghiệm làm phân bón vi lượng cho cây vừng, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, số 2 (31), tr. 66-73, 2009. [3] Nguyễn Xuân Trường, Phân bón vi lượng và siêu vi lượng, NXB Nông nghiệp, Thành phố Hồ Chí Minh, 2005. [4] Nguyễn Trọng Uyển, Nguyễ n Đình Bảng, Nghiên cứu hoạt tính sinh học của tạo phức trong nông nghiệp, Tạp chí Khoa học trường Đại học KHTN-ĐHQG Hà Nội, số 4, tr. 19-23, 1995 [5] Yang Li., Journal of baoji college of Arts and Sciences, Vol. 18, No. 1, 1998 [6] Yang Zupei, Zhang Banglao, Yu Yueping, Zhang Hongyu. Journal of Shaanxi Normal University, Vol. 26, No. 1, 1998 . . CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(40).2010 84 TỔNG HỢP PHỨC CHẤT ĐA PHỐI TỬ CỦA NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM VÀ THỬ NGHIỆM HOẠT TÍNH SINH HỌC ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG PHÁT TRIỂN CỦA CÂY ĐẬU. trong y học, nông nghiệp, công nghệ sinh học Các kết quả nghiên cứu đã khẳng định phức chất của nguyên tố đất hiếm và một số nguyên tố vi lượng với các axit hữu cơ có hoạt tính sinh học [4],. nhiệt DTA. Hoạt tính sinh học của phức chất được thăm dò bằng cách khảo sát ảnh hưởng của phức chất đã tổng hợp đến một số chỉ tiêu sinh lý sinh hóa cũng như chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển, năng