Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thủy vực nước ngọt (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - TRẦN THỊ THU HƢƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO BẠC, ĐỒNG, SẮT ĐỂ XỬ LÝ VI KHUẨN LAM ĐỘC TRONG THỦY VỰC NƢỚC NGỌT Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trƣờng Mã số : 52 03 20 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MƠI TRƢỜNG Hà Nội - 2018 Cơng trình hồn thành Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Dương Thị Thủy - Viện Công nghệ môi trường TS Hà Phương Thư - Viện Khoa học Vật liệu Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … …’, ngày … tháng … năm 201… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết luận án Trong gần đây, ô nhiễm môi trường đất, nước khơng khí trở thành vấn đề nan giải khơng Việt Nam mà diễn nhiều nơi giới, nhiễm môi trường nước trầm trọng “Nở hoa nước” tượng phát triển bùng phát vi tảo, đặc biệt vi khuẩn lam (VKL) thủy vực nước thường gây tác động xấu lên môi trường làm đục nước, tăng pH, giảm hàm lượng oxy hòa tan q trình hô hấp phân hủy sinh khối tảo đặc biệt việc phần lớn VKL sản sinh độc tố VKL có độc tính cao Ngăn ngừa giảm thiểu phát triển mạnh mẽ VKL vấn đề môi trường quan trọng cần quan tâm Nhiều phương pháp sử dụng hóa học, học, sinh học… song hiệu không triệt để tốn kém, gây ảnh hưởng tới hệ sinh thái khó tiến hành, đặc biệt thủy vực lớn Chính việc tìm kiếm, phát triển giải pháp có hiệu quả, khơng gây nhiễm thứ cấp thân thiện với môi trường ngày trọng nghiên cứu Công nghệ nano công nghệ liên quan đến việc chế tạo ứng dụng vật liệu có kích thước nano mét (nm) Ở kích thước nano, vật liệu có nhiều đặc tính trội có kích thước nhỏ 100 nm, có diện tích tiếp xúc bề mặt lớn so với khối lượng, tạo ảnh hưởng bề mặt Plasmon cộng hưởng, khả bám dính tốt ứng dụng nhiều ngành nghề khác y tế, mỹ phẩm, điện tử, xúc tác hố học, mơi trường Vì luận án thực với đề tài: “Nghiên cứu chế tạo sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc thủy vực nước ngọt” lựa chọn thực Mục tiêu nghiên cứu luận án Nghiên cứu, chế tạo xác định tính chất, đặc trưng 03 vật liệu nano (bạc, đồng sắt) đánh giá khả diệt VKL vật liệu nano thủy vực nước Các nội dung nghiên cứu luận án - Chế tạo xác định đặc trưng, tính chất ba loại vật liệu nano bạc, đồng sắt - Đánh giá khả diệt ức chế VKL ba loại vật liệu - Đánh giá tính an tồn vật liệu chế phẩm ứng dụng - Thực nghiệm ứng dụng vật liệu quy mơ phòng thí nghiệm với mẫu nước hồ Tiền Chƣơng Tổng quan nghiên cứu 1.1 Tổng quan vật liệu nano 1.2 Tổng quan vi khuẩn lam tƣợng phú dƣỡng 1.3 Tổng quan biện pháp xử lý ô nhiễm tảo độc Chƣơng Các phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 2.2 Hóa chất, thiết bị sử dụng nghiên cứu 2.3 Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu 2.3.1 Tổng hợp vật liệu nano bạc phương pháp khử hóa học Vật liệu nano bạc tổng hợp phương pháp khử hóa học, ion Ag+ dung dịch muối bạc khử thành Ag0 nhờ tác nhân khử NaBH4 2.3.2 Tổng hợp vật liệu nano đồng phương pháp khử hóa học Vật liệu nano đồng tổng hợp phương pháp khử hóa học, khử ion Cu2+ từ muối đồng thành Cu0 nhờ tác nhân khử NaBH4 2.3.3 Tổng hợp vật liệu nano sắt từ phương pháp đồng kết tủa Vật liệu nano sắt từ Fe3O4 tổng hợp phương pháp đồng kết tủa muối Fe2+ Fe3+ NH4OH 2.4 Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng cấu trúc vật liệu Hình thái học ba loại vật liệu nano xác định số phương pháp kính hiển vi truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại (IR), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tử ngoại khả kiến (UV-VIS) phổ tán sắc lượng (EDX) 2.5 Các phƣơng pháp bố trí thí nghiệm Các phương pháp thí nghiệm ni cấy tảo, lựa chọn vật liệu nano, đánh giá độc tính vật liệu, đánh giá ảnh hưởng loại kích thước vật liệu, đánh giá tính an tồn vật liệu nano lên vi tảo thí nghiệm với nước hồ Tiền bố trí 2.6 Các phƣơng pháp đánh giá ảnh hƣởng vật liệu nano đến sinh trƣởng vi tảo Để đánh giá ảnh hưởng vật liệu nano đến sinh trưởng vi tảo, phương pháp sau sử dụng: OD, chla, mật độ tế bào, phương pháp phân tích số tiêu chất lượng môi trường (NH4+, PO43-) phương pháp quan sát bề mặt tế bào cắt lát mỏng tế bào 2.7 Phƣơng pháp thống kê, xử lý số liệu Chƣơng Kết thảo luận 3.1 Tổng hợp vật liệu nano 3.3.1 Tổng hợp vật liệu nano bạc phương pháp khử hóa học 3.1.1.1 Ảnh hưởng tỷ lệ nồng độ NaBH4/Ag+ Phổ đo UV-VIS (Hình 3.1) cho thấy dung dịch nano bạc hấp thụ bước sóng khoảng 400 nm hiệu suất hình thành hạt nano bạc đạt cực đại tỷ lệ 1:2 Kết chụp TEM (hình 3.2), cho thấy hạt nano bạc thu có kích thước nhỏ 20 nm M1 M3 Hình 3.1 Phổ UV-VIS mẫu nano Ag phụ thuộc tỷ lệ nồng độ NaBH4/Ag+ M2 M4 M5 Hình 3.2 Ảnh TEM nano Ag phụ thuộc vào tỷ lệ nồng độ BH4-/Ag+ 3.1.1.2 Ảnh hưởng nồng độ chất ổn định chitosan Kết đo UV-VIS hình 3.4 cho thấy dung dịch nano Ag điều chế hấp thụ bước sóng 402-411 nm Ảnh TEM mẫu nano bạc phụ thuộc vào nồng độ chitosan thể hình 3.5 Nồng độ chitosan tối ưu cho trình điều chế dung dịch keo nano bạc chọn 300 mg/L M6 M8 M7 M9 M1 Hình 3.4 Phổ UV-VIS Hình 3.5 Ảnh TEM nano nano bạc phụ thuộc vào nồng bạc phụ thuộc vào nồng độ độ chitosan chitosan 3.1.1.3 Ảnh hưởng nồng độ axit citric Kết đo UV-VIS (Hình 3.7) cho thấy dung dịch nano bạc điều chế hấp thụ bước sóng khoảng 400-412 nm Với tỷ lệ [Citric]/[Ag+] = 3,0 hạt nano bạc thu có kích thước nhỏ, đồng nhỏ 20 nm, kết đo TEM thể hình 3.8 M1 M12 M1 M14 M15 M1 Hình 3.7 Phổ UV-VIS nano bạc phụ thuộc vào nồng độ axit citric Hình 3.8 Ảnh TEM nano Ag phụ thuộc nồng độ [Citric]/[Ag+] Hình 3.9 Ảnh HR-TEM vật liệu nano Ag khảo sát tỷ lệ tối ưu Cấu trúc hạt nano bạc tỷ lệ lựa chọn có cấu trúc tinh thể lục giác điển hình hạt nano kim loại Ảnh HR-TEM hình 3.9 cho thấy tinh thể có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt Fcc Vật liệu nano bạc điều kiện tỷ lệ nồng độ chất khử NaBH4/Ag+ 1/4, tỷ lệ [Citric]/[Ag+] = 3,0 nồng độ chitosan 300 mg/L tổng hợp để thử nghiệm ảnh hưởng vật liệu đến sinh trưởng đối tượng nghiên cứu luận án 3.1.2 Chế tạo vật liệu nano đồng phương pháp khử hóa học 3.1.2.1 Ảnh hưởng tỉ lệ nồng độ NaBH4/Cu2+ Giản đồ XRD treen hinhf 3.19 xuất ba đỉnh có cường độ hồn toàn trùng khớp với phổ chuẩn kim loại đồng với mặt (111), (200), (220) tương ứng với góc 2θ = 43,3; 50,4 74,00 thuộc mạng Bravais cấu trúc lập phương tâm mặt M2 Fcc kim loại đồng M1 M3 M4 M5 Hình 3.10 Phổ XRD vật Hình 3.11 Ảnh SEM liệu nano Cu khảo sát theo tỉ mẫu nano đồng theo tỷ lệ 2+ lệ NaBH4/Cu NaBH4/Cu2+ Kết đo SEM (Hình 3.11) vật liệu thực để xác định mức độ phân bố hạt Cu đo TEM để xác định kích thước hạt nano Cu (Hình 3.12) M1 M2 M M4 M5 Hình 3.12 Ảnh TEM Hình 3.13 Phổ XRD vật mẫu nano đồng theo tỷ lệ liệu nano Cu khảo sát theo NaBH4/Cu2+ nồng độ Cu0 Kết đo TEM cho thấy, tỉ lệ nồng độ NaBH4/Cu2+ = : 1,5: hạt nano Cu tạo có kích thước > 50 nm Các hạt phân bố đồng với kích thước khoảng 20- 50 nm tỉ lệ NaBH4/Cu2+ = : Các hạt nano có tượng co cụm lại thành đám, phân bố khơng đồng đều, kích thước > 50 nm tỉ lệ NaBH4/Cu2+ = 3:1 4:1, phù hợp với kết đo SEM Để đáp ứng mục tiêu luận án mẫu M3 (tỉ lệ NaBH4/Cu2+ = 2:1) chọn làm mẫu đại diện 3.1.2.2 Ảnh hưởng nồng độ Cu0 Giản đồ XRD hình 3.1.3 mẫu nano Cu xuất pic đặc trưng vật liệu Cu Các pic đặc trưng giản đồ có cường độ rõ nét độ bán rộng đỉnh hẹp Ngoài ra, giản đồ XRD vật liệu thấy xuất pic đặc trưng tinh thể CuO, Cu2O N1 N3 N2 N4 N2 N1 N5 Hình 3.14 Ảnh SEM vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng độ Cu0 N3 N4 N5 Hình 3.15 Ảnh TEM vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng độ Cu0 Kết đo SEM (Hình 3.14) vật liệu cho thấy, hạt nano Cu tạo thành phân bố với kích thước không đồng nồng độ Cu0 tăng Khi nồng độ Cu0 = 2g/L, hạt nano đồng phân bố đồng với kích thước khoảng 20-40 nm Khi tăng nồng độ Cu0 = 3; 4g/L hạt đồng tạo bắt đầu có tượng co cụm lại tạo hạt có kích thước > 50 nm, phân bố khơng đồng nồng độ Cu0 = 6; 7g/L, phù hợp với kết đo TEM (Hình 3.15) Cấu trúc vật liệu nano đồng tỷ lệ lựa chọn cho thấy hạt nano Cu hình thành có bề mặt đồng (ảnh SEM, hình 3.16a), kích thước đồng khoảng 30 - 40 nm (ảnh TEM, hình 3.16b) có cấu trúc lập phương tâm mặt Fcc với đỉnh nhiễu xạ mặt phẳng mạng (111), (200) (220) tương ứng với góc 2θ = 43,3; 50,4 74,00 với cường độ lớn (phổ XRD, hình 3.16c) Mẫu vật liệu phù hợp với mục tiêu luận án lựa chọn cho thử nghiệm b) a) Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Cu-51 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 d=2.089 2200 2100 2000 1900 Lin (Cps) 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 d=1.808 1100 1000 900 800 d=1.278 700 600 500 400 300 200 100 c) Hình 3.16 Đặc trưng chi tiết mẫu vật liệu nano đồng N1 (a) Ảnh SEM, (b) Ảnh TEM, (c) Giản đồ XRD 3.1.3 Chế tạo vật liệu nano sắt từ phương pháp đồng kết tủa 3.1.3.1 Ảnh hưởng nồng độ chất ổn định CMC Kết khảo sát hình thái, kích thước phân tán vật liệu tỷ lệ chất ổn định (CMC) tiền chất (Fe3O4) 1/1; 2/1; 3/1; 4/1 1/2 phương pháp SEM TEM thể hình 3.17 3.18 Kết chụp SEM cho 10 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: ThuyVCNMT Cu-51.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Anode: Cu - WL1: 1.5406 - Generator kV: 40 kV - Generator mA: 40 mA - Creation: 06/10/2016 3:54:39 P Left Angle: 42.490 ° - Right Angle: 44.350 ° - Obs Max: 43.281 ° - d (Obs Max): 2.089 - Max Int.: 1890 Cps - Net Height: 1668 Cps - FWHM: 0.231 ° - Raw Area: 852.6 Cps x deg - Net Area: 440.4 Cps x deg 01-085-1326 (C) - Copper - Cu - Y: 16.13 % - d x by: - WL: 1.5406 - Cubic - a 3.61500 - b 3.61500 - c 3.61500 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centered - Fm-3m (225) - - 47.2416 - I/Ic PDF 8.9 - F4 1) 80 thấy, nồng độ CMC dung dịch cao hạt nano sắt thu khơng đồng kích thước hạt lớn, tập hợp hạt nano dễ dàng xảy Tại nồng độ CMC/Fe3O4 2/1 hạt nano sắt thu có kích thước đồng nhỏ 20 nm Hình 3.17 Ảnh SEM cấu trúc Hình 3.18 Ảnh TEM cấu trúc vật liệu nano sắt từ khảo sát vật liệu nano sắt từ khảo sát theo tỷ lệ CMC/ Fe3O4 theo tỷ lệ CMC/Fe3O4 Kết chụp TEM cho thấy kích thước hạt nano thay đổi khác thay đổi nồng độ CMC Khi tỷ lệ Fe3O4/CMC = 2:1 hạt nano sắt thu có kích thước nhỏ, đồng nhỏ 20nm, nằm giới hạn kích thước siêu thuận từ Vì mẫu vật liệu có tỷ lệ Fe3O4/CMC = 2:1 (ký hiệu mẫu FC21) lựa chọn để khảo sát yếu tố 3.1.3.2 Kết đo hồng ngoại vật liệu Hình 3.19 Phổ hồng ngoại mẫu vật liệu Fe3O4 (a), CMC (b), FC21 (c) tổng hợp phổ ba mẫu (d) Hình 3.20 Kết đo từ độ vật liệu FC21 12 Totals 100,00 Hình 3.25 Phổ EDX thành phần nguyên tố xuất bề mặt tế bào VKL M aeruginosa KG sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano bạc nồng độ 1ppm 3.2.2.2 Ảnh hưởng vật liệu nano bạc đến sinh trưởng phát triển tảo lục Chlorella vulgaris Các thí nghiệm tiến hành nồng độ vật liệu nano bạc lựa chọn tăng dần từ 0,005; 0,01; 0,05; 0,1; ppm 10 ngày Các thông số đánh giá bao gồm: mật độ quang học (OD), hàm lượng chla mật độ tế bào vào ngày 0, 2, 10 (Hình 3.27b) Độc tính vật liệu nano bạc đến sinh trưởng tảo lục C vulgaris tính theo nồng độ vật liệu bổ sung vào môi trường nuôi cấy gây ảnh hưởng đến 50% số lượng cá thể (EC50) đạt 0,017mg/L Hình 3.28 Ảnh hưởng vật liệu nano bạc đến sinh trưởng tảo lục C vulgaris theo hiệu suất ức chế sinh trưởng (a) chla (b) Sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano bạc, mật độ tế bào giảm từ 195.925 ± 18.770 (D0) xuống 82.778 ± 41.384 (D10) tế bào/mL Ở nồng độ 0,005 0,01 ppm, AgNPs không ảnh hưởng đến phát triển C vulgaris, mật độ tế bào sau 2, 10 ngày tăng tuyến tính với mẫu đối chứng Kết phân tích hàm lượng chla (Hình 3.28b) cho thấy, mẫu đối chứng mẫu có bổ sung 0,005 0,01 ppm vật liệu nano bạc, hàm lượng chla tăng dần từ 2,0604 ± 0,3505 µg/L (D0) đạt giá trị cao ngày kết thúc thí nghiệm 27,285 ± 4,6893 µg/L (D10) Hiệu suất ức chế sinh trưởng nồng độ vật liệu nano bạc sau 10 ngày Hình 3.27 Ảnh hưởng vật liệu nano bạc đến sinh trưởng tảo lục C vulgaris: a) OD b) mật độ tế bào 13 trình bày hình 3.28a Ở nồng độ thử nghiệm từ 0,05 đến ppm hiệu suất ức chế đạt > 90% Kết chụp SEM cấu trúc bề mặt tế bào sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano bạc nồng độ ppm thể hình 3.29a (mẫu đối chứng) 3.29b (mẫu có bổ sung nano bạc với nồng độ 1ppm) Ở mẫu đối chứng, tế bào tảo lục hình cầu elip, tế bào nhẵn bào quan tế bào nhìn rõ (hình 3.29a) Tế bào trở lên méo mó, bề ngồi tế bào sần sùi co cụm sau tiếp xúc với vật liệu nano bạc (hình 3.29b) Điều chứng tỏ vật liệu nano bạc làm thay đổi đáng kể hình thái tế bào a) b) a) b) Hình 3.31 Ảnh TEM cấu trúc tế bào tảo lục C vulgaris Kết chụp SEM-EDX hình 3.30 khẳng định nano bạc xuất bám bề mặt tảo lục với tỷ lệ 5,76% trọng lượng Ảnh TEM siêu cấu trúc tế bào tảo lục C vulgaris (hình 3.31a) cho thấy, mẫu đối chứng tế bào hình cầu elip, tế bào nhẵn bào quan tế bào nhìn rõ Khi tiếp xúc với vật liệu nano bạc nồng độ 1ppm sau 48h, tế bào tảo lục C vulgaris méo, bề tế bào sần sùi co cụm (hình 3.31b) Điều chứng tỏ vật liệu nano bạc gây ảnh hưởng đến cấu trúc tế bào tảo lục C vulgaris Nguyên % trọng % nguyên tố lượng tử CK 41,56 50,84 OK 52,68 48,38 Ag L 5,76 0,78 Totals 100,00 Hình 3.30 Phổ EDX thành phần nguyên tố xuất bề mặt tế bào tảo lục C vulgaris sau 48h Hình 3.29 Kết chụp SEM hình thái tế bào tảo lục C vulgaris 14 3.2.3 Ảnh hưởng vật liệu nano đồng đến sinh trưởng phát triển VKL M aeruginosa KG tảo lục C Vulgaris 3.2.3.1 Ảnh hưởng vật liệu nano đồng đến sinh trưởng phát triển VKL M aeruginosa KG Các thí nghiệm tương tự thực với vật liệu nano đồng để khảo sát ảnh hưởng vật liệu đến sinh trưởng phát triển VKL M aeruginosa KG Kết thể hình 3.32 Hình 3.32 Sinh trưởng chủng VKL M aeruginosa KG nồng độ dung dịch nano đồng khác (0,01; 0,05; 0,1; ppm): OD (a); chla (b); mật độ tế bào (c) Trong hai ngày đầu thử nghiệm, kết cho thấy khơng có khác biệt sinh trưởng mẫu đối chứng năm mẫu có bổ sung vật liệu nano đồng Đến ngày D10 mẫu thực nghiệm ghi nhận sinh khối VKL M aeruginosa KG lớn so với mẫu đối chứng (hình 3.32a, b) a) Hình 3.33 Hiệu suất ức chế sinh trưởng VKL M aeruginosa KG sau 10 ngày b) Hình 3.34 Ảnh SEM VKL M aeruginosa KG: a) mẫu đối chứng b) mẫu 1ppm vật liệu nano sau 48h Giá trị đo chla (D0) mẫu thí nghiệm có bổ sung ppm vật liệu nano đồng đạt 1,845 ± 0,1569 µg/L 2,295 ± 0,1155 µg/L Đến ngày cuối (D10), giá trị 1,068 ± 1,001 µg/L 0,1168 ± 0,0501 µg/L tương ứng Ngược lại, hàm lượng chla mẫu đối chứng tăng từ 2,485 ± 0,135 µg/L (D0) lên 7,1501 ± 0,9766 µg/L (D10) Kết cho thấy vật 15 liệu nano đồng không gây ảnh hưởng đến sinh trưởng VKL M aeruginosa KG nồng độ từ 0,01 đến 0,1 ppm Hiệu suất ức chế vật liệu nano đồng sinh trưởng VKL M aeruginosa KG sau 10 ngày (Hình 3.33) nồng độ ppm 90,1% 93,7% tương ứng Kết tính tốn nồng độ gây ảnh hưởng 50% (EC50) theo giá trị đo OD vật liệu nano đồng tới sinh trưởng VKL M aeruginosa KG 0,7159 mg/L Ảnh SEM hình 3.34 cho thấy tiếp xúc với dung dịch nano đồng ppm sau 48 giờ, tế bào VKL M aeruginosa KG bị méo co cụm Kết đo SEM-EDX xác định nguyên tố có bề mặt tế bào VKL M aeruginosa KG minh chứng nano đồng bám bề mặt tế bào tảo với 11,63% trọng lượng đồng (Hình 3.35) Nguyên % trọng % nguyên tố lượng tử CK 57,97 69,85 OK 30,40 27,50 Cu L 11,63 2,65 Totals 100.00 Hình 3.35 Phổ EDX thành phần nguyên tố xuất bề mặt tế bào VKL M aeruginosa KG sau 48h tiếp xúc với vật liệu Kết chụp TEM (Hình 3.36) cho thấy thành tế bào M aeruginosa KG tiếp xúc với vật liệu nano đồng bị phá vỡ, bào quan tế bào bị phá huỷ Màng thành tế bào không nguyên vẹn so với tế bào mẫu đối chứng a) b) Hình 3.36 Ảnh TEM tế bào VKL M aeruginosa KG: đối chứng (a) mẫu có 1ppm nano đồng sau 48h (b) 3.2.3.2 Ảnh hưởng vật liệu nano đồng đến sinh trưởng phát triển tảo lục C vulgaris Các thí nghiệm tương tự thực để khảo sát ảnh hưởng vật liệu nano đồng đến sinh trưởng phát triển 16 tảo lục C vulgaris Ba thông số: mật độ quang học (OD) bước sóng 680 nm, hàm lượng chla mật độ tế bào phân tích ngày 0, 2, 10 Kết thể hình 3.37 Hình 3.37 Sinh trưởng tảo lục C vulgaris nồng độ nano đồng khác nhau: OD (a); chla (b); mật độ tế bào (c) Kết ba thông số khảo sát tương tự Ở tất nồng độ thử nghiệm, sinh khối tế bào tăng trưởng tuyến tính theo thời gian tiếp xúc với dung dịch vật liệu nano đồng đạt giá trị lớn thời điểm kết thúc thí nghiệm (D10) Giá trị mật độ quang OD trung bình đạt 0,012 ± 0,002 ngày (D0) 0,514 ± 0,117 ngày (D10) (hình 3.37a) Hàm lượng chla tăng dần tất mẫu thử nghiệm, mật độ sinh khối sau 10 ngày tăng từ 0,0121 ± 0,0019 µg/L (D0) lên 0,5137 ± 0,1171 µg/L (D10) (hình 3.38b) Thơng số mật độ tế bào cho kết tương tự (hình 3.37c) Hình 3.38a cho thấy mẫu đối chứng, tế bào có thành tế bào rõ ràng, bào quan nằm gọn gàng tế bào Sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano đồng nồng độ 1ppm, thành tế bào tảo lục C vulgaris bị co lại, nhiên tế bào khơng bị phá vỡ (hình 3.38b) Kết đo SEM-EDX xác định nguyên tố có bề mặt tế bào tảo lục C vulgaris minh chứng nano đồng không bám bề mặt tế bào tảo với % trọng lượng b đồng (Hìnha) 3.39) a) b) ) Hình 3.38 Ảnh SEM tảo lục C vulgaris: a) đối chứng b) mẫu có 1ppm nano đồng sau 48h Hình 3.40 Ảnh TEM tế bào tảo lục C vulgaris: a) đối chứng b) mẫu có 1ppm nano đồng sau 48h 17 Kết chụp TEM (Hình 3.40) cho thấy, mẫu đối chứng tế bào có dạng hình cầu elip, tế bào nhẵn bào quan lục lạp, thylakoid, hạt thành tế bào nhìn thấy rõ TEM (hình 3.40a) sau khi tiếp xúc với vật liệu nano đồng thành tế bào tảo lục C vulgaris bị méo, bề tế bào sần sùi tế bào ngun, khơng bị vỡ (hình 3.40b) Ngun % trọng % nguyên tố lượng tử CK 51.48 58.56 OK 48.52 41.44 Cu L 0.00 0.00 Totals 100.00 Hình 3.39 Phổ EDX thành phần nguyên tố xuất bề mặt tế bào tảo lục C vulgaris sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano đồng nồng độ 1ppm Kết EC50 hai loại vật liệu (Bảng 3.2) cho thấy, hai dạng vật liệu nano bạc nano đồng có tác động ức chế sinh trưởng vi tảo Tuy nhiên vật liệu nano đồng có khả diệt tảo có chọn lọc so với vật liệu nano bạc Vật liệu có độc tính với VKL M aeruginosa KG lại có ảnh hưởng khơng đáng kể tới phát triển tảo lục có ích C vulgaris (Bảng 3.2) Nên vật liệu nano đồng lựa chọn cho nghiên cứu Bảng 3.2 Độc tính vật liệu nano bạc đồng đến sinh trưởng VKL M.aeruginosa KG tảo lục C.vulgaris Vật liệu nano Vật liệu nano Ag (mg/L) Cu (mg/L) C vulgaris (EC50) 0,017 M aeruginosa (EC50) 0,0075 0,7159 3.2.3.3 Ảnh hưởng kích thước nano đồng đến sinh trưởng VKL M aeruginosa KG 18 Kết thử nghiệm ảnh hưởng sinh trưởng chủng VKL M aeruginosa KG tác động nồng độ dung dịch vật liệu nano đồng (0; 0,01; 0,05; 0,1; ppm) với dạng kích thước hạt khác (50 nm) ngày D0, D1, D3, D6 D10 trình bày hình 3.41 Hình 3.41 Sinh trưởng VKL M aeruginosa KG tác động nồng độ dung dịch kích thước hạt đồng khác (nm) a) kích thước 50 Ở ba loại kích thước hạt khả ức chế mạnh ghi nhận nồng độ ppm ppm, sinh trưởng VKL giảm dần theo thời gian theo nồng độ nano bổ sung vào môi trường Mật độ quang (OD) tăng không đáng kể đạt 13÷18% (ở nồng độ 1ppm) giảm nhiều lần so với giá trị ban đầu 42% ÷ -66% (ở nồng độ ppm) Ngồi ra, khơng có khác biệt sinh trưởng sinh khối VKL mẫu thí nghiệm có bổ sung hạt nano có kích thước 25-40 kích thước >50 nm Kiểm tra khả ức chế sinh trưởng VKL vật liệu CuSO4, kết cho thấy tế bào VKL bị chết sau tiếp xúc với dung dịch đồng, sinh khối tế bào giảm dần theo thời gian so với ngày D0 (0,63  0,21g/L) đạt giá trị thấp ngày D10 (0,48  0,075 g/L) Trong thí nghiệm sử dụng vật liệu nano Cu kích thước lớn (30 nm ÷ 40 nm ≥ 50 nm), mật độ quang hàm lượng chla đo tăng dần theo thời gian với giá trị đo kết thúc thí nghiệm Giá trị tăng tương ứng khoảng 5÷6 lần so với ban đầu cao 20% ÷ 30% lần so với mẫu đối chứng Trong đó, kích thước hạt ≤ 10 nm giá trị có xu hướng với hai kích thước song khả ức chế M aeruginosa KG thể rõ thông số OD 19 chla thấp đạt khoảng 15% thời điểm (Hình 3.42) Giá trị thấp so với sinh khối tế bào VKL vào ngày D10 mẫu có bổ sung vật liệu nano có kích thước 25÷40 >50nm Với kích thước hạt đồng 50 nm Hình 3.42 Sự thay đổi chla Hình 3.43 Hiệu suất ức chế (A) OD (B) VKL M sinh trưởng chủng VKL aeruginosa KG kích M.aeruginosa KG kích thước hạt nano đồng khác thước hạt nano đồng khác nhau Kết hình 3.43 cho thấy, với kích thước hạt nano đồng 25÷40 >50nm, hiệu suất ức chế sinh trưởng ghi nhận nồng độ dung dịch đồng thử nghiệm ppm (>85%) Trong hiệu suất ức chế sinh trưởng hạt nano đồng kích thước 40 % Điều thể vật liệu nano đồng có khả ức chế sinh trưởng đến bèo Lemna sp nồng độ định 3.4 Kết thực nghiệm với mẫu nƣớc hồ thực tế (hồ Tiền) Biến động sinh khối quần xã TVN nước hồ Tiền tác động dung dịch nano đồng 1ppm trình bày hình 3.47 Sinh khối ban đầu mẫu đối chứng 11,42 ± 0,17 g/L (D0) tăng nhẹ kết thúc thí nghiệm (D8) giá trị đạt 12,6 ± 1,18 g/L Ngược lại, mẫu thí nghiệm có bổ 22 sung dung dịch nano đồng ppm sinh khối vi tảo thời điểm ban đầu (D0) 12,03 ± 0,21 g/ L sau giảm dần đến ngày cuối (D8) 6,46 ± 0,89 g/ L Hình 3.48 Biến động mật độ tế bào chi VKL Microcystis (b) tổng mật độ tế bào thực vật (a) mẫu đối chứng mẫu có bổ sung 1ppm dung dung dịch nano đồng Hình 3.48a, b trình bày biến động mật độ tế bào TVN tế bào chi VKL Microcystis mẫu Ở mẫu đối chứng, mật độ tế bào TVN tế bào chi VKL Microcystis khác biệt đáng kể ngày (D0) ngày cuối (D8) Ngược lại, mẫu thí nghiệm sau tiếp xúc với dung dịch nano đồng tổng mật độ tế bào giảm dần so với mẫu đối chứng, ngày (D0) ngày cuối (D8) có khác biệt rõ rệt, giá trị thấp nhận thời điểm kết thúc thí nghiệm (D8) Kết thí nghiệm cho thấy hiệu ức chế dung dịch nano đồng tính theo hàm lượng chla 48%; tính theo mật độ tế bào TVN 44,7% 52% tính theo mật độ tế bào chi VKL Microcystis Kết nghiên cứu khẳng định dung dịch nano đồng có khả ứng dụng kiểm sốt sinh trưởng VKL Microcystis Để đánh giá tổng thể ảnh hưởng vật liệu nano lên môi trường áp dụng, ngồi tiêu sinh học, thơng số hóa học vật lý pH, nhiệt độ, oxy hòa tan, độ đục… xác định để đánh giá chất lượng môi trường trước sau xử lý với vật liệu nano (Bảng 3.4) Kết bảng 3.4 cho thấy hàm lượng amoni dao động khoảng từ 0,309 - 1,45 mg N/L hàm lượng photpho dao động 0,01 mg P/L Giá trị đo Hình 3.47 Biến động sinh khối thực vật (chla) mẫu đối chứng mẫu có bổ sung 1ppm dung dung dịch nano đồng 23 thông số độ dẫn điện, tổng chất rắn hòa tan, hàm lượng muối ổn định suốt trình dao động khoảng tương ứng 19,4 - 19,6 0,11 Giá trị hai thông số pH hàm lượng oxy hòa tan (DO) dao động khoảng 8,1 - 8,8 1,56 - 1,61 mg/L Nhiệt độ nước mẫu thí nghiệm dao động khoảng 18 - 230C Trong mẫu thử nghiệm, hàm lượng muối nitơ cao so với đối chứng, nhiên hàm lượng muối nitơ photpho mẫu thí nghiệm nằm khoảng giới hạn cho phép QCVN 08-MT:2015/BTNMT chất lượng nguồn nước mặt Bảng 3.4 Biến động giá trị thơng số thuỷ lý, thuỷ hố mẫu thí nghiệm (bổ sung vật liệu nano đồng ppm) mẫu đối chứng (nước hồ Tiền không bổ sung dung dịch vật liệu nano đồng) Thông số Đối chứng Nano Cu (1mg/L) pH 8,8 (8,4 - 9) 8,1 (7,1 - 9) Nhiệt độ nước (0C) 21,4 (18,8 - 23) 21,3 (18 - 23,2) Độ dẫn (µS/cm) 19,4 (18,6 - 19,1) 19,6 (18,1 - 20) Oxy hoà tan (mg/L) 1,61 (1,4 - 1,7) 1,56 (1,4 - 1,7) TDS (mg/L) 0,11 0,11 + NH4 -N (mg/L) 0,309 (0,17 1,45 (0,36 - 1,02) 0,57) PO43 P (mg/L) 0,01 (0,0025 0,014 (0,002 0,03) 0,056) Cu (mg/L) 0,6 24 KẾT LUẬN Trên sở kết tổng hợp vật liệu nano thực nghiệm đánh giá tác dụng dụng diệt ức chế vi khuẩn lam rút số kết luận sau: Đã tổng hợp xác định đặc trưng ba loại vật liệu nano bạc, đồng sắt Nano bạc đồng tổng hợp phương pháp khử hóa học, nano sắt tổng hợp phương pháp đồng kết tủa Các hạt nano phân bố đồng đều, kích thước trung bình hạt nano bạc 15nm, nano đồng 30 nm nano sắt từ 15-20nm có tính chất siêu thuận từ Hai loại vật liệu nano (nano bạc đồng) có tác dụng ức chế sinh trưởng chủng VKL M aeruginosa KG Đã đánh giá độc tính vật liệu nano bạc VKL M aeruginosa KG tảo lục C vulgaris cao so với vật liệu nano đồng, EC50 (Ag) có giá trị 0,0075 mg/L với VKL M aeruginosa KG 0,07 mg/L với tảo lục C vulgaris; EC50 (Cu) 0,7159 mg/L với M aeruginosa KG Hiệu suất ức chế sinh trưởng đạt > 75% ghi nhận nồng độ nano bạc bổ sung (0,01; 0,05; 0,1 ppm) đạt > 90% nồng độ nano đồng ppm nano đồng Vật liệu nano đồng không ức chế sinh trưởng chủng tảo lục C vulgaris lựa chọn cho thí nghiệm Đã khảo sát tính an tồn vật liệu nano đồng hai nhóm sinh vật mơ hình chuẩn bèo Lemna minor giáp xác Daphnia magna Vật liệu nano đồng có khả ảnh hưởng đến sinh trưởng hai nhóm sinh vật song hiệu suất ức chế sinh trưởng thấp ghi nhận nồng độ cao từ -5 ppm Đã thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng vật liệu nano đồng mẫu nước hồ thực tế Ở nồng độ vật liệu nano đồng bổ sung 1ppm, hiệu suất ức chế sinh trưởng tính theo thơng số mật độ tế bào chi Microcystis quần xã thực vật thu từ hồ Tiền 52% Các thông số thủy lý, thủy hóa nước hồ Tiền q trình ứng dụng xử lý tảo vật liệu 25 nano đồng ổn định suốt q trình thí nghiệm nằm khoảng giới hạn cho phép QCVN 08-MT: 2015/BTNMT chất lượng nước mặt NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Đã nghiên cứu chế tạo lựa chọn hai loại vật liệu nano bạc đồng tổng hợp phương pháp khử hóa học có khả diệt vi khuẩn lam M aeruginosa KG Đã khảo sát khả ức chế diệt vi khuẩn lam vật liệu nano bạc, đồng chứng minh hai loại vật liệu có khả ức chế sinh trưởng vi khuẩn lam EC50 vật liệu nano bạc vi khuẩn lam M aeruginosa KG 0,0075 mg/L nano đồng 0,7159 mg/L Hiệu suất ức chế sinh trưởng đạt > 75% ghi nhận nồng độ nano bạc bổ sung (0,01; 0,05; 0,1 ppm) đạt > 90% nồng độ nano đồng ppm nano đồng Đã đánh giá khả diệt VKL vật liệu nano đồng mẫu thực vật thu hồ Tiền, ĐH BK quy mô pilot (10L) Vật liệu nano đồng gây ức chế sinh trưởng quần xã thực vật (chiếm ưu nhóm VKL Microcystis) khoảng 52% Độc tính vật liệu nano đồng bèo Lemna sp, giáp xác D magna xác định nồng độ cao từ -5 ppm DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ Duong TT., Le TS., Tran TTH., Nguyen TK., Ho TC., Dao TH., Le TPQ., Nguyen HC., Dang DK., Le TTH., Ha PT 2016 Inhibition effect of engineered silver nanoparticles to bloom forming cyanobacteria Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol (3) doi:10.1088/2043-6262/7/3/035018 Tran TTH, Nguyen TK, Nguyen TTT, Ha PT, Le TPQ, Do VB, Dinh THV, Trinh QH, Duong TT; Nanoparticles as a control for cyanobacterial bloom J Viet Env 8(3), 2016: 161-166 Tran THH., Duong TT., Ha PT., Nguyen TK., Dang DK., Dao TH (2016) The initial results for investigating effects of nanomaterials on growth and development of cyanobacterial population on Microcystis aeruginosa ISBN 978-604-913-088-5, (65-79), 2015 Trần Thi Thu Hương, Dương Thị Thủy, Đặng Đình Kim, Hà Phương Thư nnk Ảnh hưởng số vật liệu nano kim loại đến sinh trưởng VKL Microcystis aeruginosa KG Journal of Science and Technology 53 (3A) (2015) Trần Thị Thu Hương, Nguyễn Trung Kiên, Dương Thị Thủy nnk Ảnh hưởng vật liệu nano bạc lên sinh trưởng bèo Lemma sp Tạp chí Cơng nghệ Sinh học 14(2): 1-8, 2016 Nguyễn Trung Kiên, Trần Thị Thu Hương, Dương Thị Thủy Ảnh hưởng độc tính vật liệu nano đồng đến sinh trưởng Daphnia magna Tạp chí Sinh học, tập 39 số năm 2017 Lê Văn Bắc, Trần Thị Thu Hương, Dương Thị Thủy Ảnh hưởng vật liệu nano đồng đến sinh trưởng bèo Lemna sp Tạp chí Khoa học G N Khoa học T nhi n Công nghệ Tập 33 Số 1S 2017 22-27 Trần Thị Thu Hương, Dương Thị Thủy Sinh trưởng chủng tảo lục Chlorella vulgaris tác động vật liệu nano bạc Tạp chí Khoa học G N Khoa học T nhi n Công nghệ Tập 33 Số 1S 2017 1-3 Nguyễn Trung Kiên, Trần Thị Thu Hương, Nguyễn Hoài Châu, Dương Thị Thủy Ảnh hưởng kích thước hạt nano đồng đến sinh trưởng vi khuẩn lam Microcystis aeruginosa Tạp chí Cơng nghệ Sinh học tập 16 số 2018 Giấy chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2017 ... dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc thủy vực nước ngọt lựa chọn thực Mục tiêu nghiên cứu luận án Nghiên cứu, chế tạo xác định tính chất, đặc trưng 03 vật liệu nano (bạc,. .. Đã nghiên cứu chế tạo lựa chọn hai loại vật liệu nano bạc đồng tổng hợp phương pháp khử hóa học có khả diệt vi khuẩn lam M aeruginosa KG Đã khảo sát khả ức chế diệt vi khuẩn lam vật liệu nano bạc,. .. đồng sắt) đánh giá khả diệt VKL vật liệu nano thủy vực nước Các nội dung nghiên cứu luận án - Chế tạo xác định đặc trưng, tính chất ba loại vật liệu nano bạc, đồng sắt - Đánh giá khả diệt ức chế