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

Ở kích thước nano, vật liệu có nhiều Ďặc tính nổi trội như có kích thước nhỏ hơn 100 nm, có diện tích tiếp xúc bề mặt lớn so với khối lượng, tạo ra ảnh hưởng của bề mặt Plasmon cộng hưởn

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam Ďoan Ďây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, Ďược các Ďồng tác giả cho phép sử dụng và chưa Ďược

sử dụng Ďể bảo vệ một học vị nào, chưa từng Ďược công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Hà Nội, tháng năm 2018

Tác giả luận án

Trần Thị Thu Hương

MỤC LỤC i

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 5

1.1 Tổng quan về vật liệu nano 5

1.1.1 Khái niệm chung về vật liệu nano 5

1.1.2 Một số tính chất chung của vật liệu nano 5

1.1.3 Tổng quan về vật liệu nano kim loại bạc và đồng 7

1.1.4 Tổng quan về vật liệu nano sắt từ 17

1.2 Tổng quan về vi khuẩn lam và hiện tượng phú dưỡng 20

1.2.1 Vi khuẩn lam 20

1.2.2 Hiện tượng phú dưỡng 22

1.3 Các biện pháp xử lý tảo gây nở hoa và tảo Ďộc trên thế giới và Việt Nam 28 1.3.1 Các biện pháp xử lý cơ học, vật lý 29

1.3.2 Các biện pháp xử lý hóa học 30

1.3.3 Các phương pháp sinh học, sinh thái 34

1.3.4 Xử lý tảo bằng vật liệu nano 37

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47

2.1 Đối tượng nghiên cứu 47

2.2 Hóa chất và thiết bị sử dụng 48

2.2.1 Hóa chất 48

2.2.2 Thiết bị 49

2.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu 49

2.3.1 Tổng hợp vật liệu nano bạc bằng phương pháp khử hóa học 49

2.3.2 Tổng hợp vật liệu nano đồng bằng hương pháp khử hóa học 50

2.3.3 Tổng hợp vật liệu nano sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa 51

2.4 Các phương pháp xác Ďịnh Ďặc trưng cấu trúc vật liệu 53

2.4.1 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 53

2.4.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 53

2.4.4 Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X 54

2.4.5 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến (UV-VIS) 54

2.4.6 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) 55

2.5 Các phương pháp bố trí thí nghiệm 55

2.5.1 Thí nghiệm lựa chọn vật liệu nano 55

2.5.2 Thí nghiệm nghiên cứu độc tính của vật liệu nano 56

2.5.3 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng kích thước của vật liệu nano 56

2.5.4 Thí nghiệm nghiên cứu đánh giá tính an toàn của vật liệu 57

2.5.5 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano đối với mẫu nước thực tế (mẫu nước hồ Tiền) 58

2.6 Các phương pháp xác Ďịnh sinh trưởng của tảo 59

2.6.1 Phương pháp xác định mật độ quang OD 59

2.6.2 Phương pháp xác định mật độ tế bào 59

2.6.3 Phương pháp xác định hàm lượng Chla [154] 59

2.7 Các phương pháp phân tích chất lượng môi trường nước 60

2.7.1 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu thủy lý, thủy hóa 60

2.7.2 Phương pháp phân tích xác định hàm lượng NH 4 + (mg/L) 60

2.7.3 Phương pháp phân tích xác định hàm lượng PO 4 3- (mg/L) 60

2.8 Các phương pháp quan sát hình thái tế bào 61

2.8.1 Phương pháp quan sát bề mặt tế bào 61

2.8.2 Phương pháp quan sát cắt lát mỏng mẫu tế bào 61

2.9 Phương pháp thống kê và xử lý số liệu 61

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 62

3.1 Tổng hợp vật liệu nano 62

3.1.1 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng của vật liệu nano bạc tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học 62

3.1.2 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng của vật liệu nano đồng bằng phương pháp khử hóa học 70

3.1.3 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của vật liệu nano sắt từ tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa 77

Ďã tổng hợp 81

3.2.1 Nghiên cứu thăm dò khả năng diệt VKL của ba loại vật liệu nano 81 3.2.2 Đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano bạc đến sinh trưởng và phát triển của VKL Microcystis aeruginosa KG và tảo lục Chlorella vulgaris 83 3.2.3 Đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến sinh trưởng và phát triển của VKL Microcystis aeruginosa KG và tảo lục Chlorella vulgaris 94

3.3 Kết quả Ďánh giá tính an toàn của vật liệu nano (ảnh hưởng của vật liệu nano Ďồng Ďến một số sinh vật khác) 108

3.3.1 Ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến giáp xác Daphnia magna 109 3.3.2 Ảnh hưởng của vật liệu nano đồng đến bèo tấm Lemna sp 112

3.4 Kết quả thực nghiệm với mẫu nước hồ Tiền (mẫu nước hồ thực tế bùng phát VKL) 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

Ký hiệu Tiếng Việt Tiếng Anh

VKL Vi khuẩn lam

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường

CHHBM Chất hoạt hóa bề mặt

VSV Vi sinh vật

HLKH&CN Hàn lâm Khoa học và Công nghệ

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

ĐHKHTN Đại học Khoa học Tự nhiên

XRD Nhiễu xạ tia X X-Ray Diffraction

IR Phổ hồng ngoại Infrared Spectroscopy ROS Các oxy hoạt Ďộng Reactive Oxygen Species Fcc Cấu trúc lập phương tâm mặt Face centered cubic

Bảng 1.1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [1] 6 Bảng 1.2 Những Ďiều kiện của phản ứng Ďể Ďiều chế hạt nano Ďồng [24] 14 Bảng 1.3 Một số tiền chất Ďể tổng hợp hạt nano Ďồng bằng phương pháp khử hóa học [24] 15 Bảng 1.4 Giá trị biên Ďể phân loại dinh dưỡng thủy vực theo OECD [53] 23 Bảng 3.1 Kết quả lựa chọn nồng Ďộ vật liệu nano Ďã tổng hợp có khả năng diệt

VKL M aeruginosa KG 82

Bảng 3.2 Độc tính của vật liệu nano bạc và Ďồng Ďến sinh trưởng của VKL M

aeruginosa KG và tảo lục C vulgaris (EC50) 104

Bảng 3.3 Ước tính giá trị LC50của dung dịch Nano Ďồng tại thời Ďiểm 24 và 48h 111 Bảng 3.4 Biến Ďộng giá trị của các thông số thuỷ lý, thuỷ hoá trong các mẫu thí nghiệm (bổ sung vật liệu nano Ďồng 1 ppm) và mẫu Ďối chứng (nước hồ Tiền không

bổ sung dung dịch vật liệu nano Ďồng) 118

Hình 1.1 Hình ảnh thể hiện kích thước nano (màu Ďỏ) so với một số Ďối tượng vật

lý và sinh học theo thang kích thước (http://nanoscience.massey.ac.nz/) 5

Hình 1.2 Ảnh hưởng của số lượng nguyên tử Ďến diện tích bề mặt riêng 7

Hình 1.3 Cơ chế kháng khuẩn của vật liệu nano bạc (nguồn: http://congnghenano.infonano-bac-dong-diet-vi-khuan-nam) 8

Hình 1.4 Cơ chế kháng khuẩn của vật liệu nano Ďồng (nguồn: http://wasi.org.vn) 8 Hình 1.5 Sự dao Ďộng plasmon của các hạt hình cầu dưới tác Ďộng của Ďiện trường ánh sáng [10] 10

Hình 1.6 Cơ chế ổn Ďịnh hạt nano bạc của PVP [19] 12

Hình 1.5 Đường cong từ hoá của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước [37] 18

Hình 1.6 Hiện tượng phú dưỡng trong môi trường nước (nguồn: http://upload.wikimedia.org) 25

Hình 2.1 Hình ảnh Vi khuẩn lam M aeruginosa KG và tảo lục C vulgaris sử dụng trong thí nghiệm 47

Hình 2.2 Hình ảnh bèo tấm Lemna sp và giáp xác Daphnia magna sử dụng trong thí nghiệm 48

Hình 2.3 Hình ảnh nước hồ Tiền trong khuôn viên Đại học Bách Khoa Hà Nội 48

Hình 2.4 Quy trình Ďiều chế dung dịch nano Ag sử dụng NaBH4 làm chất khử 50

Hình 2.5 Quy trình tổng quát tổng hợp vật liệu nano Ďồng bằng phương pháp khử hóa học 51

Hình 2.6 Quy trình tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 bằng phương pháp Ďồng kết tủa 52

Hình 2.7 Các tia X nhiễu xạ trên bề mặt tinh thể chất rắn (nguồn: http://ffden-2.phys.uaf.edu 54

Hình 2.8 Nguyên tắc tán xạ tia X dùng trong phổ EDX 55

Hình 3.1 Phổ UV-VIS các mẫu nano Ag phụ thuộc tỷ lệ nồng Ďộ NaBH4/Ag+ 63

Hình 3.2 Ảnh TEM của nano Ag phụ thuộc vào tỷ lệ nồng Ďộ BH4-/Ag+ 64

Hình 3.3 Lực Ďẩy của hạt nano Ag khi hấp phụ BH4- (M0-các hạt nano Ag) [158] 65 Hình 3.4 Phổ UV-VIS của nano bạc phụ thuộc vào nồng Ďộ chitosan 66

Hình 3.5 Ảnh TEM của nano bạc phụ thuộc vào nồng Ďộ chitosan 66

Hình 3.6 Cấu tạo phân tử của chitosan (https://vi.wikipedia.org/wiki/Chitosan) 67

Hình 3.8 Ảnh TEM của nano Ag phụ thuộc tỷ lệ nồng Ďộ [Citric]/[Ag+] 69

Hình 3.9 Ảnh HR-TEM của vật liệu nano Ag khảo sát ở tỷ lệ tối ưu 70

Hình 3.10 Phổ XRD của vật liệu nano Cu khảo sát theo tỉ lệ nồng Ďộ NaBH4/Cu2+ 71

Hình 3.11 Ảnh SEM của các mẫu nano Ďồng theo tỷ lệ NaBH4/Cu2+ 72

Hình 3.12 Ảnh TEM của các mẫu nano Ďồng theo tỷ lệ NaBH4/Cu2+ 73

Hình 3.13 Phổ XRD của vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng Ďộ Cu0 74

Hình 3.14 Ảnh SEM của vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng Ďộ Cu0 75

Hình 3.15 Ảnh TEM của vật liệu nano Cu khảo sát theo nồng Ďộ Cu0: 75

Hình 3.16 Đặc trưng chi tiết mẫu vật liệu nano Ďồng N1 76

Hình 3.17 Ảnh SEM cấu trúc vật liệu nano sắt từ theo các tỷ lệ CMC/Fe3O4 78

Hình 3.18 Ảnh TEM cấu trúc vật liệu nano sắt từ theo các tỷ lệ CMC/Fe3O4 78

Hình 3.19 Phổ hồng ngoại của mẫu vật liệu Fe3O4 (a), CMC (b), FC21 (c) và tổng hợp phổ của ba mẫu (d) 79

Hình 3.20 Kết quả Ďo từ Ďộ của vật liệu FC21 80

82

Hình 3.21 Ảnh hưởng của các vật liệu nano Ďến sinh trưởng của chủng VKL M aeruginosa KG sau 7-10 ngày 82

Hình 3.22 Ảnh hưởng của vật liệu nano bạc Ďến sinh trưởng của VKL M aeruginosa KG sau 10 ngày tính theo mật Ďộ quang (a) và hàm lượng chla (b)ở các nồng Ďộ 0; 0,001; 0,005; 0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm 84

Hình 3.23 Ảnh hưởng của vật liệu nano bạc tính theo mật Ďộ tế bào (a) và hiệu suất ức chế sinh trưởng của VKL M aeruginosa KG (b) ở các nồng Ďộ 0; 0,001; 0,005; 0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm sau 10 ngày 85

Hình 3.24 Kết quả chụp SEM hình thái tế bào VKL M aeruginosa KG: tế bào VKL không tiếp xúc với vật liệu nano bạc (a); tế bào tiếp xúc với nano bạc (1 ppm) sau 48h (b) 86

Hình 3.25 Phổ EDX và thành phần các nguyên tố xuất hiện trên bề mặt tế bào VKL M aeruginosa KG sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano bạc ở nồng Ďộ 1ppm 87

không bổ sung dung dịch nano bạc (a) và mẫu thử nghiệm bổ sung dung dịch nano bạc nồng Ďộ 1ppm sau 48h 88

Hình 3.27 Ảnh hưởng của vật liệu nano bạc Ďến sinh trưởng của tảo lục C vulgaris

ở các nồng Ďộ khác nhau (0; 0,005; 0,01; 0,05; 0,1; 1 và 5 ppm): a) sinh trưởng tính theo mật Ďộ quang OD và b) tính theo mật Ďộ tế bào 89 Hình 3.28 Ảnh hưởng của vật liệu nano bạc tính theo hiệu suất ức chế sinh trưởng

(a) và hàm lượng chla (b) Ďến sinh trưởng của tảo lục C vulgaris ở các nồng Ďộ 0;

0,005; 0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm sau 10 ngày 90

Hình 3.29 Kết quả chụp SEM hình thái tế bào tảo lục C vulgaris: tế bào tảo không

tiếp xúc với vật liệu nano bạc (a); tế bào tiếp xúc với nano bạc (1 ppm) sau 48h (b) 91 Hình 3.30 Phổ EDX và thành phần các nguyên tố xuất hiện trên bề mặt tế bào tảo

lục C vulgaris sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano bạc ở nồng Ďộ 1ppm 92

92

Hình 3.31 Ảnh TEM cấu trúc tế bào tảo lục C vulgaris: a) Mẫu Ďối chứng không

bổ sung dung dịch nano bạc (a) và mẫu thử nghiệm có tảo lục C vulgaris tiếp xúc

với dung dịch nano bạc nồng Ďộ 1ppm sau 48h 92

Hình 3.32 Sinh trưởng của chủng VKL M aeruginosa KG ở các nồng Ďộ dung dịch

nano Ďồng khác nhau (0,01; 0,05; 0,1; 1 và 5 ppm): sinh trưởng tính theo mật Ďộ quang (OD) (a); theo hàm lượng chla (b); theo mật Ďộ tế bào (c) 94

Hình 3.33 Hiệu suất ức chế sinh trưởng VKL M aeruginosa KG ở các nồng Ďộ

dung dịch nano Ďồng khác nhau (0,01; 0,05; 0,1; 1 và 5 ppm) sau 10 ngày 96

Hình 3.34 Cấu trúc, hình thái tế bào VKL M aeruginosa KG dưới kính hiển vi Ďiện

tử quét (SEM): a) tế bào VKL ở mẫu Ďối chứng (không bổ sung vật liệu nano Ďồng)

và b) tế bào VKL ở mẫu có bổ sung 1ppm vật liệu nano sau 48h 97 Hình 3.35 Phổ EDX và thành phần các nguyên tố xuất hiện trên bề mặt tế bào VKL

M aeruginosa KG sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano Ďồng ở nồng Ďộ 1ppm 97

Hình 3.36 Ảnh TEM chụp cấu trúc và hình thái tế bào VKL M aeruginosa KG: tế

bào VKL ở mẫu Ďối chứng (a) và tế bào ở mẫu thí nghiệm có bổ sung 1ppm nano Ďồng sau 48h (b) 99

khác nhau (0,01; 0,05; 0,1; 1 và 5 ppm): sinh trưởng tính theo mật Ďộ quang (OD) (a); theo hàm lượng chla (b); theo mật Ďộ tế bào (c) 100 102

Hình 3.38 Cấu trúc, hình thái tế bào tảo lục C vulgaris dưới kính hiển vi Ďiện tử quét (SEM): a) tế bào tảo lục C vulgaris ở mẫu Ďối chứng (không bổ sung vật liệu nano Ďồng) và b) tế bào tảo lục C vulgaris ở mẫu có bổ sung 1ppm vật liệu nano

sau 48h 102 Hình 3.39 Phổ EDX và thành phần các nguyên tố xuất hiện trên bề mặt tế bào tảo

lục C vulgaris sau 48h tiếp xúc với vật liệu nano Ďồng ở nồng Ďộ 1ppm 102 Hình 3.40 Ảnh TEM chụp cấu trúc và hình thái tế bào tảo lục C vulgaris: tế bào C

vulgaris ở mẫu Ďối chứng (a) và tế bào ở mẫu thí nghiệm có bổ sung 1ppm nano

Ďồng sau 48h (b) 103

Hình 3.41 Sinh trưởng của VKL M aeruginosa KG dưới tác Ďộng của các nồng Ďộ

dung dịch và các kích thước hạt Ďồng khác nhau a) kích thước <10 nm; b) kích thước 25-40 nm và c) kích thước >50 nm 105

Hình 3.42 Biến Ďộng hàm lượng chla (A) và mật Ďộ quang (B) của VKL M

aeruginosa KG theo thời gian dưới tác Ďộng của các kích thước hạt nano Ďồng khác

nhau 106

Hình 3.43 Hiệu suất ức chế sinh trưởng chủng VKL M.aeruginosa KG ở các nồng

Ďộ dung dịch và các kích thước hạt Ďồng khác nhau 107

Hình 3.44 Tỷ lệ cá thể sống/chết của D magna sau 24h và 48h phơi nhiễm với

dung dịch nano Ďồng khác nhau (0; 0,01; 0,05; 0,1;1; 3 và 5 ppm) 110 113

Hình 3.45 Sự khác biệt về sinh khối của bèo Lemna sp giữa ngày thử nghiệm Ďầu

tiên (D0) và ngày cuối cùng (D7) dưới tác Ďộng của các nồng Ďộ dung dịch nano Ďồng khác nhau: Biểu Ďồ tăng trưởng (a) và hình ảnh thí nghiệm thực tế (b) 113

Hình 3.46 Hiệu suất ức chế sinh trưởng của vật liệu nano Ďồng Ďến bèo Lemna sp

sau 7 ngày 114 Hình 3.47 Biến Ďộng sinh khối thực vật nổi (chla) giữa mẫu Ďối chứng và mẫu có

bổ sung dung dung dịch nano Ďồng (1 ppm) sau D0, D1, D2, D3, D4 và D8 ngày thực nghiệm 116

thực vật nổi (a) giữa mẫu Ďối chứng (không bổ sung dung dịch nano Ďồng) và mẫu thử nghiệm (mẫu có bổ sung 1 ppm dung dịch nano Ďồng) sau 8 ngày 117

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần Ďây, việc xây dựng và phát triển bền vững các ngành sản xuất nhất là hai lĩnh vực công nghiệp và nông nghiệp là một yêu cầu cấp thiết nhằm hạn chế những tác Ďộng của biến Ďổi khí hậu và tạo ra nhiều nguồn năng lượng mới thay thế năng lượng tự nhiên sắp cạn kiệt Bên cạnh Ďó, việc lạm dụng quá mức phân bón và thuốc bảo vệ thực vật trong sản xuất nông nghiệp là một trong những nguyên nhân dẫn Ďến tình trạng ô nhiễm nguồn nước Ô nhiễm môi trường Ďất, nước và không khí Ďã trở thành vấn Ďề hết sức nan giải không chỉ ở Việt Nam

mà còn diễn ra ở nhiều nơi trên thế giới, trong Ďó ô nhiễm môi trường nước là trầm trọng hơn cả Việc gia tăng dân số, phát triển các ngành công nghiệp, nông nghiệp

Ďã và Ďang làm gia tăng nguồn dinh dưỡng Ďáng kể (chủ yếu là dư thừa nitơ và photpho) trong các thủy vực Nguồn nước tiếp nhận (chủ yếu là nước mặt) giàu dinh dưỡng dẫn Ďến phú dưỡng nguồn nước và làm mất cân bằng sinh thái ở các thủy vực, gây ra hiện tượng “tảo nở hoa” “Tảo nở hoa” là hiện tượng phát triển bùng phát của tảo, Ďặc biệt là vi khuẩn lam (VKL) tại các thủy vực nước ngọt và thường gây ra những tác Ďộng xấu lên môi trường như làm Ďục nước, tăng pH, giảm hàm lượng oxy hòa tan do quá trình hô hấp hoặc phân hủy sinh khối tảo và trong Ďó phần lớn VKL sản sinh ra Ďộc tố VKL có Ďộc tính cao

Hiện nay, tần xuất xuất hiện hiện tượng nở hoa của VKL có xu hướng ngày càng gia tăng trong các thủy vực Do vậy, ngăn ngừa và giảm thiểu phát triển mạnh

mẽ của VKL là vấn Ďề môi trường quan trọng cần Ďược quan tâm Các quá trình xử

lý ô nhiễm môi trường nước Ďã Ďược chú trọng từ nhiều thập kỷ nay tại nhiều nước trên thế giới, trong Ďó xử lý ô nhiễm do VKL và Ďộc tố của chúng tại các thuỷ vực nước ngọt làm nguồn cung cấp nước sinh hoạt cho cộng Ďồng dân cư Ďang ngày càng Ďược quan tâm và giám sát chặt chẽ Để giảm thiểu sự bùng phát của VKL, những giải pháp xử lý tức thì thường Ďược sử dụng khi thủy vực Ďã bị ô nhiễm nặng (xuất hiện hiện tượng nở hoa nước) Khi Ďó người ta sử dụng những phương pháp hóa học như dùng hóa chất (CuSO4) Ďể diệt tảo kết hợp với những phương pháp cơ học (hớt váng, che mái…) Tuy nhiên, những phương pháp này khá tốn kém, gây ảnh hưởng tới hệ sinh thái và khó tiến hành triệt Ďể, Ďặc biệt là trong những thủy vực lớn Chính vì vậy, việc tìm kiếm và phát triển những giải pháp mới có hiệu quả,

không gây ô nhiễm thứ cấp và thân thiện với môi trường ngày càng Ďược chú trọng nghiên cứu Việc nghiên cứu phát hiện ra những vật liệu mới có khả năng ngăn ngừa hiệu quả sự phát triển của tảo Ďộc mà không ảnh hưởng xấu Ďến môi trường nước và những sinh vật sống trong Ďó là một yêu cầu cấp thiết góp phần bảo vệ sức khoẻ con người, bảo vệ chất lượng nước Trong vấn Ďề này, công nghệ nano Ďược cho là khá phù hợp, không những mang lại hiệu quả xử lý cao, mà còn giảm thiểu chi phí, liều lượng sử dụng cũng như các vấn Ďề về môi trường

Công nghệ nano là công nghệ liên quan Ďến việc tổng hợp và ứng dụng các vật liệu có kích thước nanomet (nm) Ở kích thước nano, vật liệu có nhiều Ďặc tính nổi trội như có kích thước nhỏ hơn 100 nm, có diện tích tiếp xúc bề mặt lớn so với khối lượng, tạo ra ảnh hưởng của bề mặt Plasmon cộng hưởng, khả năng bám dính tốt và Ďược ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau như y tế, mỹ phẩm, Ďiện

tử, xúc tác hoá học, môi trường Vì có nhiều Ďặc Ďiểm ưu việt và khả năng ứng dụng thực tế cao nên quá trình sản xuất vật liệu nano trên toàn cầu Ďã không ngừng tăng từ 2000 tấn năm 2004 và dự Ďoán từ năm 2011 Ďến 2020 sẽ lên Ďến 58.000 tấn Với những ưu Ďiểm này, vật liệu nano Ďã mở ra tiềm năng lớn trong việc ứng dụng vật liệu nano trong việc kiểm soát sự bùng phát tảo trong tương lai

Từ những lý do trên Ďề tài: “Nghiên cứu chế tạo và sử dụng vật liệu nano bạc, đồng, sắt để xử lý vi khuẩn lam độc trong thuỷ vực nước ngọt” Ďã Ďược lựa

chọn thực hiện

 Mục mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, chế tạo và xác Ďịnh tính chất, Ďặc trưng của 03 vật liệu nano (bạc, Ďồng và sắt) và Ďánh giá khả năng diệt VKL của vật liệu nano trong thủy vực nước ngọt

 Đối tượng nghiên cứu

- Ba loại vật liệu nano bạc và Ďồng bằng phương pháp khử hóa học; nano sắt bằng phương pháp Ďồng kết tủa;

- VKL M aeruginosa KG và tảo lục C vulgaris

 Nội dung nghiên cứu

- Chế tạo và xác Ďịnh Ďặc trưng, tính chất của ba loại vật liệu nano bạc, Ďồng

và sắt

- Đánh giá khả năng diệt và ức chế VKL của ba loại vật liệu nano

- Đánh giá tính an toàn của vật liệu

- Thực nghiệm ứng dụng của vật liệu ở quy mô phòng thí nghiệm với mẫu nước hồ

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ô nhiễm môi trường nước nói chung và ô nhiễm các thủy vực có nguyên nhân từ Ďộc tố của VKL Ďã nhận Ďược nhiều sự quan tâm, nghiên cứu trong thời gian gần Ďây Sử dụng vật liệu nano trong xử lý vi tảo thể hiện nhiều ưu Ďiểm trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường nhất là ô nhiễm do phú dưỡng ở các thủy vực Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học và chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nở hoa của VKL trong các thủy vực nước ngọt

 Những đóng góp mới của luận án

- Luận án Ďã nghiên cứu chế tạo và lựa chọn Ďược hai loại vật liệu nano bạc

và Ďồng có khả năng diệt VKL M aeruginosa KG

- Luận án Ďã khảo sát khả năng ức chế và diệt VKL của vật liệu nano bạc, Ďồng và chứng minh cả hai loại vật liệu Ďều có khả năng ức chế sinh trưởng của

VKL EC50 của vật liệu nano bạc Ďối với VKL M aeruginosa KG là 0,0075 mg/L

và của nano Ďồng là 0,7159 mg/L Hiệu suất ức chế sinh trưởng Ďạt > 75% ghi nhận

ở 4 nồng Ďộ nano bạc bổ sung (0,01; 0,05; 0,1 và 1 ppm) và Ďạt > 90% khi nồng Ďộ nano Ďồng là 1 và 5 ppm nano Ďồng

- Luận án Ďã bước Ďầu thử nghiệm khả năng diệt VKL Ďối với môi trường nước hồ thực tế (hồ Tiền Đại học Bách khoa Hà Nội) và Ďánh giá tính an toàn của

vật liệu nano Ďối với một số loài sinh vật thủy sinh như bèo tấm Lemna sp., giáp xác

D magna

 Bố cục của luận án

Ngoài phần mở Ďầu, kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo, nội dung của luận án Ďược trình bày trong 3 chương với bố cục như sau:

Chương 1 Tổng quan tài liệu giới thiệu về vật liệu nano, VKL; tổng quan về

ứng dụng vật liệu nano trong xử lý ô nhiễm tảo Ďộc

Chương 2 Phương pháp nghiên cứu trình bày nguyên lý, kỹ thuật và bố trí

thực nghiệm của các phương pháp nghiên cứu Ďược sử dụng trong luận án

Chương 3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận trình bày kết quả tổng hợp vật

liệu nano, kết quả nghiên cứu cấu trúc vật liệu; kết quả thử nghiệm hoạt tính ức chế

và diệt VKL của vật liệu nano Ďã tổng hợp; kết quả Ďánh giá tính an toàn của vật liệu cũng như kết quả thử nghiệm với mẫu nước hồ thực tế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về vật liệu nano

1.1.1 Khái niệm chung về vật liệu nano

Khoa học nano: là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can

thiệp vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và Ďại phân tử Tại các quy mô

Ďó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn

Hình 1.1 Hình ảnh thể hiện kích thước nano (màu đỏ) so với một số đối tượng vật

lý và sinh học theo thang kích thước (http://nanoscience.massey.ac.nz/)

Công nghệ nano: là ngành công nghệ liên quan Ďến việc thiết kế, phân tích,

chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc Ďiều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm, 1 nm = 10-9

m) Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano Ďôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng Ďều có chung Ďối tượng là vật liệu nano

Vật liệu nano: là vật liệu trong Ďó ít nhất một chiều có kích thước nanomet

Chúng có nhiều Ďặc tính nổi trội như: kích thước Ďặc biệt <100 nm, tỷ lệ bề mặt/thể tích lớn, có tiềm năng phản ứng cao, tạo ra hiệu ứng cộng hưởng bề mặt Plasmon… Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước nanomet của chúng Ďã Ďạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu thông thường Kích thước vật liệu nano trải dài một khoảng từ vài nm Ďến vài trăm nm phụ thuộc vào bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu [1]

1.1.2 Một số tính chất chung của vật liệu nano

1.1.2.1 Hiệu ứng bề mặt

Khi kích thước vật liệu Ďạt Ďến cỡ nanomét thì số nguyên tử trên bề mặt là tương Ďối lớn so với tổng số nguyên tử của vật liệu Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm Ďi thì hiệu ứng có liên quan Ďến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên Kích thước của vật liệu giảm Ďến nanomet thì các tính chất liên quan Ďến các nguyên tử bề mặt thể hiện một cách rõ rệt Kích thước hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [1]

Năng lượng bề mặt (erg/mol)

Năng lượng bề mặt trên năng lượng tổng (%)

Hình 1.2 Ảnh hưởng của số lượng nguyên tử đến diện tích bề mặt riêng

1.1.3 Tổng quan về vật liệu nano kim loại bạc và đồng

1.1.3.1 Tính chất đặc trưng của vật liệu nano kim loại bạc và đồng

Vật liệu nano bạc và Ďồng có nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu khối Ngoài các tính chất chung của vật liệu nano kim loại như có Ďộ dẫn Ďiện cao, hoạt tính xúc tác, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước và có mật Ďộ Ďiện tử tự do lớn [2], vật liệu nano kim loại bạc và Ďồng còn có một số Ďặc trưng chính như sau:

a) Tính kháng khuẩn

Vật liệu nano bạc Ďã Ďược nhiều công trình nghiên cứu và công bố là có tính kháng khuẩn cao, cơ chế kháng khuẩn chính của vật liệu nano bạc vì chúng có khả năng như sau (Hình 1.3) [3-5]:

- Vô hiệu hóa enzyme: Các enzyme do vi sinh vật sinh ra thường chứa các cầu nối disunfit (S-S), các cầu nối này Ďóng vai trò như một công tắc Ďóng, mở thuận nghịch Ďể tạo ra protein khi tế bào vi khuẩn gặp các phản ứng oxy hóa Các hạt nano bạc liên kết các cầu nối này trong cấu trúc tế bào của vi sinh vật và giải phóng ion bạc từ các hạt nano bằng cách tương tác với các nhóm thiol của nhiều enzyme quan trọng và vô hiệu hóa chúng nên có khả năng diệt vi khuẩn, vi nấm

- Phá vỡ thành tế bào: Vật liệu nano bạc hỗ trợ quá trình tạo ra các oxy hoạt tính trong không khí hoặc trong nước, những oxy hoạt tính này phá vỡ màng tế bào hoặc thành tế bào của vi khuẩn bằng cách tạo ra các phản ứng oxy hóa Các phản ứng này hình thành các gốc bạc tự do làm cho màng tế bào bị xốp

- Ngăn cản sinh trưởng của vi khuẩn: các hạt nano bạc có thể neo bám vào bề mặt tế bào vi khuẩn rồi xuyên qua màng tế bào và Ďiều chỉnh các tín hiệu chuyển hóa trong vi khuẩn, ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn

Tổng số nguyên tử: 792

Số nguyên tử trên bề mặt: 394

Chiếm: 50%

Hình 1.3 Cơ chế kháng khuẩn của vật liệu nano bạc (nguồn:

http://congnghenano.infonano-bac-dong-diet-vi-khuan-nam)

Hạt nano Ďồng có tính chất khác biệt so với dạng kim loại vì hạt nano Ďồng không bền trong dung dịch và trong không khí Vật liệu nano Ďồng có khả năng kháng khuẩn là do (Hình 1.4) [6-8]:

- Chúng có khả năng xâm nhập qua thành tế bào và tương tác với các cấu trúc nội bào nhờ kích thước hạt nhỏ và khả năng hoạt Ďộng bề mặt lớn, các hạt nano Ďồng tác Ďộng trực tiếp lên màng tế bào vi khuẩn và phá vỡ cấu trúc di truyền của tế bào, từ Ďó làm cho vi khuẩn mất sức sống và chết

- Vô hiệu hóa các cầu nối sunfit trong các enzyme bằng các tác nhân khử khiến enzyme bất hoạt

Hình 1.4 Cơ chế kháng khuẩn của vật liệu nano đồng (nguồn: http://wasi.org.vn)

Hoạt tính sinh học của các hạt kim loại nano có Ďược chủ yếu từ hiệu ứng bề mặt của chúng Các hạt nano kích thước càng nhỏ thì tỉ lệ diện tích bề mặt so với

với màng tế bào vi sinh vật nhờ việc giải phóng ra các ion kim loại trong dung dịch Các nghiên cứu cho thấy rằng, các hạt kim loại nano thể hiện hoạt tính sinh học với sản phẩm Ďược tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau Các hạt nano Ďồng trong quá trình hoạt Ďộng sẽ giải phóng các ion Ďồng, lượng ion Ďồng Ďược giải phóng sẽ gia tăng khi kích thước các hạt nano nhỏ và diện tích bề mặt lớn Đồng tạo nên các gốc hydroxyl liên kết với các phân tử ADN và làm mất trật tự cấu trúc xoắn

ốc nhờ các liên kết giữa các axit nucleic Các hạt nano Ďồng cũng làm hỏng các protein bề mặt tề bào không hoạt Ďộng mà các protein này cần cho việc vận chuyển các vật chất Ďi qua màng tế bào làm cho sự bền vững của màng tế bào và lipid màng

tế bào bị ảnh hưởng [6-8]

b)Tính chất quang học và hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt [3, 4, 8, 9]

Tính quang học của các hạt nano kim loại bạc và Ďồng bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do Ďiện tử tự do trong nano bạc hấp thụ ánh sáng Khi kim loại có mật Ďộ Ďiện tử tự do lớn, các Ďiện

tử tự do này sẽ dao dộng dưới tác dụng của Ďiện từ trường bên ngoài hấp thụ ánh sáng Khi quãng Ďường tự do trung bình của Ďiện tử nhỏ hơn kích thước, các dao dộng sẽ bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại Nếu kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng Ďường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa, Ďiện tử sẽ dao dộng cộng hưởng với ánh sáng kích thích Tính chất quang của hạt nano kim loại có Ďược do sự dao dộng tập thể của các Ďiện tử, dẫn Ďến quá trình tương tác với bức xạ sóng Ďiện từ (Hình 1.5) Khi dao dộng như vậy, các Ďiện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano kim loại, làm cho hạt nanokim loại bị phân cực Ďiện, tạo thành một lưỡng cực Ďiện Vì vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, kích thước của hạt nano bạc và môi trường xung quanh Ngoài ra, nồng Ďộ hạt nano kim loại cũng ảnh hưởng Ďến tính chất quang Nếu nồng Ďộ loãng thì có thể coi như gần Ďúng hạt tự do, nếu nồng Ďộ cao thì phải tính Ďến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt

Hình 1.5 Sự dao động plasmon của các hạt hình cầu dưới tác động của điện

trường ánh sáng [10]

c) Tính chất điện [9, 11]

Do có mật Ďộ Ďiện tử tự do cao và Ďiện trở rất nhỏ nên bạc và Ďồng kim loại

có khả năng dẫn Ďiện tốt Ðối với vật liệu khối, các lý luận về Ďộ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn Ðiện trở của kim loại Ďến từ sự tán xạ của Ďiện

tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao Ďộng nhiệt của nút mạng (phonon) Các Ďiện tử chuyển Ďộng trong kim loại (dòng Ďiện I) duới tác dụng của

Ďiện truờng (U) có liên hệ với nhau thông qua Ďịnh luật Ohm: U = IR, trong Ďó R là

Ďiện trở của kim loại Ðịnh luật Ohm cho thấy quan hệ I - U là một Ďuờng tuyến

tính Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng giam cầm Ďiện tử làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này Ďối với hạt

nano kim loại là tương quan I - U không còn tuyến tính nữa, mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade), làm cho Ďuờng I - U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với

e là Ďiện tích của Ďiện tử, C và R là Ďiện dung và Ďiện trở khoảng nối hạt nano kim loại với Ďiện cực

1.1.3.2 Tổng hợp vật liệu nano bạc bằng phương pháp khử hóa học

Có nhiều phương pháp khác nhau Ďược ứng dụng Ďể Ďiều chế vật liệu nano bạc như ăn mòn laze, khử hóa học, khử vật lý, khử sinh học, Ďiện hóa, nhiệt vi sóng

… mỗi phương pháp Ďều có những ưu Ďiểm và nhược Ďiểm nhất Ďịnh Tùy vào mục Ďích sử dụng mà lựa chọn phương pháp Ďiều chế nano bạc khác nhau Trong luận án

này, chúng tôi sử dụng phương pháp khử hóa học với tác nhân khử là NABH4 Ďể tổng hợp vật liệu nano bạc do phương pháp khử hóa học là một trong những phương pháp dễ thực hiện, không Ďòi hỏi thiết bị phức tạp, tiết kiệm kinh tế… nên hiện nay phương pháp này thường Ďược sử dụng nhiều Ďể Ďiều chế nano bạc Đối với phương pháp khử hóa học thì vật liệu nano bạc chủ yếu Ďược Ďiều chế từ các phản ứng khử ion Ag+

trong dung dịch muối bạc thành Ag0 nhờ các tác nhân khử Trong phương pháp khử hóa học, tỉ lệ chất khử và nồng Ďộ ion bạc, pH của dung dịch, nồng Ďộ polyme cũng ảnh hưởng Ďến hiệu suất và kích thước hạt bạc Tác nhân khử và nồng Ďộ Ag+ là yếu tố có tính chất quyết Ďịnh kích thước, hình dáng hạt tạo thành [3, 5] Theo kết quả nghiên cứu năm 2009, Tolaymat và cs Ďưa

ra các loại tác nhân khử Ďược sử dụng là: NaBH4, citrat, các amine, axit ascorbic, andehit, các loại Ďường… và các tác nhân bền hóa thường Ďược dùng hiện nay như: chitosan, citrat, PVP, PVA, CTAB, các loại Ďường [12]

Nồng Ďộ AgNO3 ảnh hưởng Ďáng kể Ďến kích thước hạt Các nghiên cứu cho thấy, nếu tăng nồng Ďộ AgNO3 thì tốc Ďộ hình thành hạt nano bạc cũng nhanh hơn

do có một lượng lớn hạt nano Ďược hình thành trong một thời gian ngắn Tuy nhiên, khi nồng Ďộ AgNO3 tăng, các hạt nano bạc Ďược hình thành sau Ďó sẽ va chạm với nhau thường xuyên hơn (do mật Ďộ lớn) và kết quả là chúng sẽ bị kết tụ lại với nhau [5, 13]

Độ pH ảnh hưởng trực tiếp tới cấu trúc và sự bền vững cũng như màu sắc của hạt Khi pH cao hoặc thấp chúng sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình phản ứng và ảnh hưởng tới lớp polyme bao phủ làm thay Ďổi tính chất chất của keo nano bạc và kích thước hạt của chúng Khi pH quá lớn sẽ xảy ra quá trình tạo thành Ag2O nên khó khống chế phản ứng, Ďặc biệt khi pH cao, ion OH- làm mỏng lớp Ďiện kép bao ngoài hạt nano làm các hạt nano dễ tập hợp lại tạo thành các hạt có kích thước lớn [5, 13]

Nồng Ďộ chất bao bọc bề mặt polyme cũng ảnh hưởng trực tiếp tới kích thước và tính chất keo nano bạc Nếu nồng Ďộ polyme quá lớn, các hạt nano bạc sẽ phân tán không Ďều, bị kết Ďám và kết tủa Nếu nồng Ďộ polyme thấp, chúng sẽ không bao phủ Ďược hết lượng nano bạc vì vậy các hạt nano bạc sẽ kết tụ lại Cơ chế làm bền của một số chất ổn Ďịnh như sau [14-17]:

Đối với sodium citrate (C6H5O7Na3), trong quá trình khử, bề mặt của hạt nano bạc hấp thụ các ion Ag+ tạo ra lớp ion dương trên bề mặt Tiếp Ďó các ion âm citrate

có nhiệm vụ bám xung quanh các hạt nano bằng lực hút tĩnh Ďiện ngăn không cho chúng kết hợp lại với nhau Nhờ vậy mà bề mặt của hạt nano bạc có một lớp keo citrate giúp chúng lơ lửng và phân tán Ďều trong dung dịch Citrate trong quá trình này vừa Ďóng vai trò làm tác nhân khử ion Ag+ Ďể tạo thành hạt nano bạc, vừa Ďóng vai trò làm chất ổn Ďịnh cho hạt nano bạc

Đối với chất ổn Ďịnh là chitosan: chitosan có công thức tổng quát là

C12H24N2O9, là một polysacarit mạch thẳng Ďược cấu tạo từ các D-glucosamine (Ďã deaxetyl hóa) liên kết tại vị trí β-(1-4) Phân tử chitosan và axit citric có các nhóm phân cực –OH và –NH2 có ái lực mạnh với ion Ag+ và các phân tử Ag kim loại Trong quá trình phản ứng, do các chất ổn Ďịnh Ďã liên kết với bề mặt hạt nano nên các hạt nano không thể lớn lên một cách tự do Hơn nữa, các hạt nano khi vừa hình thành Ďã Ďược ngăn cách với nhau bởi lớp vỏ polyme lớn và không thể tích tụ, kết hợp Ďược với nhau Điều này Ďã khống chế cả quá trình lớn lên và tập hợp của các hạt, do Ďó có thể tạo ra các hạt nano có kích thước hạt nhỏ và Ďồng Ďều

Kết quả nghiên cứu của Badr và cs (2009) chỉ ra rằng, các hạt bạc hấp thụ mạnh lên bề mặt của PVP, chuỗi polyvinyl pyrolidon tạo ra hiệu ứng không gian, ngăn cản sự kết hợp giữa các hạt [18] Cơ chế ổn Ďịnh hạt bạc của PVP gồm các giai Ďoạn (Hình 1.6):

+ Đầu tiên, PVP chuyển một cặp electron từ nguyên tử oxi và nitơ trên mạch sang các orbital s và p, các ion bạc tạo nên liên kết phối trí với ion bạc

+ PVP thúc Ďẩy sự hình thành nhân của kim loại bạc do phức ion Ag+

- PVP

dễ bị khử hơn so với ion Ag+ tự do trong dung dịch vì ion Ag+ nhận Ďiện tử từ PVP

+ Chuỗi PVP ngăn cản sự kết tụ của các hạt bạc do hiệu ứng không gian

Hình 1.6 Cơ chế ổn định hạt nano bạc của PVP [19]

PEG có công thức phân tử là (C4H10O3)m,là một polyme trơ, hòa tan trong nước, không gây Ďộc, Ďược tạo ra bằng cách kết nối nhiều tiểu Ďơn vị ethylene oxide PEG hòa tan trong nước, methanol, benzen, diclorometan và không hòa tan trong ete diethyl và hexane PEG Ďược sử dụng như một chất khử cho việc chuẩn bị các hạt kim loại ở nhiệt Ďộ cao (>170oC) và không hoạt Ďộng Ďể giảm lượng Ag+ ở 800C Nghiên cứu sâu hơn Ďã chứng minh rằng tỷ lệ giảm của Ag+

Ďể tạo thành hạt nano bạc Ďược tăng cường Ďáng kể với sự gia tăng chiều dài chuỗi polymer của PEG Kích

cỡ hạt nano phụ thuộc vào nhiệt Ďộ phản ứng, nồng Ďộ của tiền chất và sự gia tăng nhiệt Ďộ ảnh hưởng Ďến sự thay Ďổi của phạm vi kích thước hạt từ 10-80 nm

Ngoài ra, các hạt nano bạc còn Ďược làm bền theo cơ chế làm bền của các hạt keo Khi ion Ag+

chưa bị khử hoàn toàn, chúng Ďược hấp phụ trên bề mặt hạt và tạo thành các mixen gồm nhân bạc, một lớp chất bảo vệ và lớp Ďiện kép của Ag+ và

NO3- Nhờ lớp Ďiện kép này mà các hạt bạc nano mang Ďiện tích cùng dấu Ďẩy nhau, tránh hiện tượng keo tụ [14-17]

Ở Việt Nam, vật liệu nano bạc Ďã Ďược nghiên cứu và Ďược ứng dụng trong một số lĩnh vực như: y tế, may mặc, Ďồ gia dụng… Nhi và cs (2006) Ďã chế tạo nano bạc bằng phương pháp dung dịch nước sử dụng NaBH4 làm chất khử và -chitozan làm chất ổn Ďịnh; các hạt nano bạc thu Ďược có kích thước trung bình 20 - 50nm ứng dụng Ďể khử khuẩn [20] Thanh và cs (2008) Ďã cấy nano bạc lên vải cotton bằng quá trình polyol kết hợp sóng siêu âm với mật Ďộ cấy Ďạt 760mg Ag trên 1kg cotton và khảo sát sự phụ thuộc hoạt tính khử trùng của vải vào nồng Ďộ bạc và thời gian tiếp xúc [21]

Do có nhiều Ďặc tính ưu việt nên vật liệu nano bạc là một trong những vật liệu Ďược nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất hiện nay Tổng hợp vật liệu nano bạc bằng phương pháp khử hóa học là phương pháp phổ biến hiện nay Tuy nhiên, khi ứng dụng vật liệu nano bạc trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường và các vấn Ďề liên quan vẫn cần tiếp tục Ďược nghiên cứu và triển khai

1.1.3.3 Tổng hợp vật liệu nano đồng bằng phương pháp khử hóa học

Do vật liệu nano Ďồng không bền trong dung dịch và trong không khí nên khi hạt nano Ďồng tiếp xúc với không khí, ngay lập tức hình thành một màng oxit bảo

vệ, Ďể tránh hiện tượng này môi trường khí trơ như nitơ hay argon Ďã Ďược sử dụng trong tổng hợp vật liệu nano Ďồng Một số trường hợp còn sử dụng dung môi hữu cơ

Ďể tránh quá trình oxy hóa Sự có mặt của lớp màng polymer bảo vệ hay sự có mặt của một số chất hoạt Ďộng bề mặt là cần thiết cho quá trình tổng hợp hạt nano Ďồng Trong quá trình tổng hợp hạt nano Ďồng, sự phát triển và hình thái của hạt nano có thể Ďược Ďiều khiển bằng cách tối ưu hóa Ďiều kiện phản ứng như nhiệt Ďộ của chất phản ứng, nồng Ďộ tiền chất, chất khử, chất ổn Ďịnh và loại dung môi

Cho Ďến nay, nano Ďồng Ďã Ďược tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như: vi nhũ tương, siêu âm hóa học, Ďiện hóa hay polyol kết hợp vi sóng… Nhìn chung, các phương pháp tổng hợp Ďồng nano thường Ďược phân thành hai phương pháp chính là phương pháp vật lý và hóa học Tương tự như vật liệu nano bạc, trong luận án này chúng tôi sử dụng phương pháp khử hóa học Ďể tổng hợp vật liệu nano Ďồng vì Ďây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay, dễ thực hiện, không tốn kém về mặt kinh tế và thường Ďược dùng Ďể chế tạo vật liệu nano Ďồng Vào năm

1857, Faraday lần Ďầu tiên công bố nghiên cứu tổng hợp và màu sắc của keo nano vàng sử dụng phương pháp khử hóa học [22] Sự khử hóa học của muối Ďồng là dễ nhất, Ďơn giản và thông dụng nhất Ďể Ďiều chế hạt nano Ďồng

Phương pháp khử hóa học Ďược thực hiện dựa vào cơ chế của phản ứng khử ion Cu2+ thành Cu0 trong môi trường thích hợp Các tác nhân khử Ďược sử dụng như: formaldehyde, hydrazine hydrat, potassium borohydride, sodium borohydride, sodium formaldehyde sulfoxylate, axit ascorbic, Phương pháp này có ưu Ďiểm là

dễ kiểm soát hình dạng và kích thước hạt bằng cách thay Ďổi các thông số kỹ thuật trong quá trình tổng hợp, các thiết bị sử dụng Ďơn giản và có thể tổng hợp vật liệu với số lượng lớn [23, 24] Những Ďiều kiện chuẩn của phản ứng Ďược trình bày trong Bảng 1.2 và một số phương pháp Ďể tổng hợp hạt nano Ďồng bằng phương pháp khử hóa học trong dung dịch nước Ďược trình bày trong Bảng 1.3

Bảng 1.2 Những điều kiện của phản ứng để điều chế hạt nano đồng [24]

Bảng 1.3 Một số tiền chất để tổng hợp hạt nano đồng bằng phương pháp khử hóa

7 Toluen +

Nước CuCl2.2H2O NaBH4

Axit Lauric + TOAB 3 nm

ascorbic Axit ascorbic 2 nm

Ghi chú: SFS = sodium formaldehyde sulfoxylate; HDEHP = bis(ethylhexyl) hydrogen phosphate;

SDS = sodium dodecyl sulfate; Na(AOT) = sodium bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate; CTAB = cetyltrimethylammonium bromide; PVP = polyvinyl pyrrolidone; TOAB = tetraoctyl ammonium bromide; HMP = hexameta phosphate; Qr = Quercetin; PEG = polyethylene glycol

Khác với các kim loại khác như Ag, TiO2, việc tổng hợp các hạt nano Ďồng thường khó thực hiện bằng phản ứng khử trực tiếp các muối Ďồng như Ďồng clorua hay Ďồng sulfat trong dung dịch vì trong quá trình tổng hợp các hạt nano Ďồng dễ bị chuyển thành oxit Ďồng do có nhiều oxi trong nước [25-29] Việc tổng hợp nano Ďồng khi Ďó chỉ thực hiện Ďược với sự có mặt các chất chứa nhóm chức có khả năng tạo phức với ion Ďồng hay dung dịch các chất hoạt Ďộng bề mặt với vai trò như chất bao bọc, bảo vệ bề mặt các hạt nano Ďồng hình thành Năm 2016, Moghadaseh và

cs (2016) Ďã tiến hành tổng hợp hạt nano Ďồng bằng phương pháp khử hóa học với chất khử là NaH2PO4 Kết quả nghiên cứu cho rằng, các chất hoạt Ďộng bề mặt ảnh hưởng Ďến kích thước hạt, phân bố kích thước, hình thái học và sự Ďồng nhất của các hạt trong dung dịch do hàm lượng chất hoạt Ďộng anion và không ion Ďược hấp thụ trên các hạt [27] Điều này ngăn ngừa và làm giảm xu hướng kết tụ thô của các hạt, do Ďó tính Ďồng nhất về mặt kích thước tăng lên và hạt nano Ďồng thu Ďược có dạng hình cầu có kích thước từ 7-58 nm

Tuy nhiên, các chất chất bảo vệ và chất ổn Ďịnh có thể làm giảm Ďáng kể quá trình oxy hóa nhưng không thể ngăn ngừa nó hoàn toàn do chuyển Ďộng phân tử Ghi nhận của Khan và cs (2016) cho thấy khi sử dụng tinh bột làm chất bảo vệ, các hạt nano Ďồng Ďược tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học ở nhiệt Ďộ thấp có kích thước trung bình là 25,19 nm và 28,73 nm và chỉ ra rằng tinh bột là một chất bao bọc có hiệu quả trong quá trình tổng hợp các hạt nano có kích thước nhỏ Các hạt nano Ďã ổn Ďịnh cũng có thể co cụm lại thay vì phân bố gần nhau Tuy nhiên, các hạt nano riêng lẻ sẽ Ďược bao bọc bởi các chất ổn Ďịnh và có thể Ďược phân tán lại Vì vậy, các chất ổn Ďịnh Ďóng một vai trò quan trọng trong việc xác Ďịnh sự phân bố của kích thước hạt và hạn chế sự phân cụm và kết tụ [30]

Khả năng hình thành các hạt nano Ďồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng Ďộ các ion kim loại, loại chất khử, pH và nhiệt Ďộ [30] Thời gian cũng là một yếu tố chính trong tổng hợp các hạt nano Sự xuất hiện cùng một thời Ďiểm một lượng hạt nhân lớn sẽ làm giảm kích thước hạt nano do chúng cũng Ďồng thời phát triển và sử dụng các ion kim loại [26]

Khan và cs (2016) cũng cho thấy, khi tổng hợp nano Ďồng bằng phương pháp khử hóa học thì các hạt kim loại Ďược tạo ra trong pha nước, chúng không tự nhiên ổn Ďịnh mà các nguyên tử kim loại có khuynh hướng kết tụ lại Ďể giảm tổng năng lượng bề mặt Sự kết tụ này, có thể là do lực hấp dẫn Van der Waals giữa các tinh thể nên chúng Ďược khống chế Ďể giới hạn kích thước hạt cuối cùng ở quy mô nanomet [26]

Ở Việt Nam hiện nay các công trình nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano Ďồng trong xử lý nước chưa có nhiều công bố Năm 2011, Phòng thí nghiệm công nghệ nano, Đại học quốc gia Tp HCM Ďã sử dụng phương pháp khử hóa học Ďể tổng hợp vật liệu nano Ďồng với tiền chất là Ďồng sulfat, chất khử NaBH4 Kết quả nghiên cứu

Ďã thu Ďược các hạt nano Ďồng có kích thước trung bình khoảng 10 nm Các tác giả tiếp tục công trình nghiên cứu Ďến năm 2013 Ďã thử nghiệm thành công kết hợp hai loại vật liệu nano bạc và Ďồng Ďể việc khử khuẩn trong công nghệ in phun mực in với kích thước hạt nano thu Ďược trung bình lần lượt là 10 nm và 45 nm [31] Nguyễn và cs (2011) Ďã tổng hợp vật liệu nano Cu bằng phương pháp khử Ďối với

Cu oxalate, CuCl2, CuSO4, sử dụng chất khử là ethylene glycole, diethylene glycole, glycerin kết hợp hỗ trợ của vi sóng Ďể làm nguyên liệu chế tạo thuốc bảo vệ thực vật [32] Bui và cs (2017) Ďã tổng hợp vật liệu nano Ďồng oxit trong zeolit A với chất khử là hydrazine hydrat trong môi trường bazơ Kết quả thu Ďược hạt nano

Ďồng oxit có kích thước là 40 nm và có hoạt tính kháng khuẩn chống lại Escherichia

coli, kết quả nghiên cứu có thể Ďược sản xuất với quy mô lớn Ďể xử lý nước và ứng

dụng nông nghiệp [33] Cho Ďến nay, CuSO4 chủ yếu Ďược sử dụng nhằm khử khuẩn trong hồ bơi song việc sử dụng vật liệu nano Ďồng trong xử lý vi tảo vẫn chưa có công bố cụ thể nào

Cùng với việc gia tăng không ngừng các vấn Ďề ô nhiễm môi trường Ďang Ďe dọa cuộc sống của con người và các sinh vật khác thì việc nghiên cứu chế tạo sản phẩm mới có thể kháng khuẩn như nano bạc, Ďồng Ďể dần thay thế cho các phương pháp xử lý có hiệu quả không mong muốn Ďang là một hướng Ďi mới và cấp thiết

1.1.4 Tổng quan về vật liệu nano sắt từ

1.1.4.1 Các tính chất đặc trưng của vật liệu nano sắt từ

Hạt nano sắt từ thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học bởi tính phổ biến trong thiên nhiên và tầm quan trọng trong cơ thể sống, là vật liệu chứa Fe có tính chất từ bao gồm oxit sắt từ và các hợp chất sắt tồn tại ở các dạng perovkit, spinen

Vật liệu nano oxit sắt từ tính thường Ďược ứng dụng trong y sinh học có thể

có sẵn trong tự nhiên nhưng cũng có thể Ďược tổng hợp trong phòng thí nghiệm [34] Oxit sắt hình thành do sự kết hợp các nguyên tử Fe với O, trong Ďó Fe có thể tồn tại ở trạng thái oxi hóa +2 hoặc +3 [35] Hầu hết các oxit sắt Ďều có cấu trúc, trật tự và kích thước tinh thể xác Ďịnh, tuy nhiên trong một số trường hợp nó phụ thuộc vào quá trình hình thành tinh thể Các oxit sắt quan trọng bao gồm: hematit α-

Fe2O3, maghemit γ-Fe2O3 và magnetit Fe3O4

Oxit sắt Fe3O4 có cấu trúc lập phương tâm mặt và có tính chất siêu thuận từ,

Ďộ Ďộc thấp nên Ďược dùng phổ biến trong các ứng dụng sinh y học Đối với hạt sắt

từ Fe3O4, hình dạng của vòng từ trễ Ďược xác Ďịnh một phần bởi kích thước hạt (Hình 1.5) Kích thước hạt cũng ảnh hưởng Ďến cấu trúc Ďômen của vật liệu và

từ Ďó ảnh hưởng Ďến Ďường cong từ hoá của vật liệu Ďó [36, 37] Khi hạt có kích thước lớn nó có cấu trúc Ďa Ďômen Nếu kích thước hạt từ giảm Ďến một giới hạn nhất Ďịnh thì sự hình thành các Ďômen không còn mạnh và không còn Ďược ưu tiên nữa H ạt từ sẽ tồn tại như những Ďơn Ďômen (single domain) và ở giới hạn này giá trị của Hc (lực kháng từ) Ďạt cực Ďại, Ďường cong từ hoá phình ra (Hình 1.5) Khi hạt từ Ďạt Ďến kích thước rất nhỏ nó trở thành trạng thái siêu thuận

từ Khi ấy, Ďường cong từ hoá của hạt siêu thuận từ là một Ďường thuận nghịch, có

từ dư Mr bằng không và giá trị của lực kháng từ Hc bằng không Các hạt từ tính trở thành siêu thuận từ và ở kích thước nano tính chất từ rất khác biệt [37]

Hình 1.5 Đường cong từ hoá của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước [37]

1.1.4.2 Tổng hợp nano sắt bằng phương pháp đồng kết tủa [34]

Do tính dẫn nhiệt và dẫn Ďiện tốt hơn nên vật liệu Fe3O4 có ưu thế hơn hẳn so với các cấu hình khác của sắt trong các ứng dụng sinh học Hơn nữa, phương pháp tổng hợp và quá trình tạo hạt nano Fe3O4 cũng dễ dàng Ďiều khiển hơn [38] Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu nano sắt từ Ďược sử dụng trong các phòng thí nghiệm trong nước cũng như trên thế giới như: phương pháp Ďồng kết tủa, phương pháp vi nhũ tương, phương pháp nhiệt phân, phương pháp hóa siêu âm… Trong Ďó, Ďồng kết tủa là một phương pháp Ďơn giản nhất do chi phí thấp và không Ďòi hỏi nhiều thiết bị phức tạp Khi Ďược tổng hợp bằng phương pháp này, bề mặt hạt nano

Fe3O4 Ďược bao phủ một lớp –OH, Ďây là một nhóm chức quan trọng trong việc tạo liên kết với các chất hoạt hóa bề mặt cần thiết Ďể tổng hợp chất lỏng từ cho các ứng dụng sinh học Vì vậy trong luận án này, chúng tôi sử dụng phương pháp Ďồng kết tủa Ďể tổng hợp vật liệu nano sắt từ Fe3O4

Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng Ďộ của chất Ďạt Ďến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện Ďột ngột những mầm kết tụ Các mầm kết tụ Ďó sẽ phát triển thông qua quá trình khuyếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho Ďến khi mầm trở thành hạt nano Để thu Ďược hạt có Ďộ Ďồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai Ďoạn hình thành mầm

và phát triển mầm Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành của những mầm mới Có nhiều phương pháp kết tủa từ dung dịch như: Ďồng kết tủa, nhũ tương, polyol, phân ly nhiệt Phương pháp Ďồng kết tủa là một trong những phương pháp thường Ďược dùng Ďể tạo các hạt oxit sắt Có hai cách Ďể tạo oxit sắt bằng phương pháp này Ďó là hydroxide sắt bị oxy hóa một phần bằng một chất oxy hóa nào Ďó và già hóa hỗn hợp dung dịch có tỉ phần hợp thức Fe+2

và Fe+3 trong dung môi nước Phương pháp thứ nhất có thể thu Ďược hạt nano có kích thước từ 30

nm - 100 nm Phương pháp thứ hai có thể tạo hạt nano có kích thước từ 2 nm - 15

nm Bằng cách thay Ďổi pH và nồng Ďộ ion trong dung dịch mà người ta có thể có Ďược kích thước hạt như mong muốn Ďồng thời làm thay Ďổi Ďiện tích bề mặt của các hạt Ďã Ďược hình thành

Kết quả nghiên cứu của Massart và cs (1981) cho thấy, khi tổng hợp hạt nano Fe3O4 từ bằng phương pháp Ďồng kết tủa dung dịch muối FeCl2 và FeCl3trong môi trường kiềm thu Ďược các hạt nano có kích thước 8 nm [39] Đây cũng là lần Ďầu tiên hạt nano sắt từ Ďược tổng hợp bằng phương pháp Ďồng kết tủa Tùy vào từng Ďiều kiện phản ứng, kích thước các hạt nano từ thu Ďược có thể thay Ďổi từ 4,2

nm Ďến 16,6 nm Bên cạnh Ďó, kích thước hạt nano từ cũng bị ảnh hưởng bởi lượng chất hữu cơ (ion citrate) Khi tăng lượng ion citrate, các hạt nano bọc citrate giảm

từ 8 nm xuống 3 nm [39] Một nghiên cứu khác của nhóm tác giả này cũng chỉ ra rằng các yếu tố khác như: Ďộ pH, tỷ lệ Fe2+

/Fe3+, môi trường kiềm, tốc Ďộ khuấy trộn của dung dịch hay tốc Ďộ nhỏ giọt… có ảnh hưởng Ďến kích thước và Ďộ phân tán của hạt [40]

Tỷ lệ Fe2+

/Fe3+ là yếu tố ảnh hưởng lớn Ďến quá trình tổng hợp hạt nano sắt

từ Khi tỷ lệ Fe2+/Fe3+ nhỏ sản phẩm tạo ra có dạng oxit sắt ngậm nước, tỷ lệ

Fe2+/Fe3+ là 0,3 thì ngoài pha Fe3O4 còn tồn tại pha hydroxit của sắt, nếu tỷ lệ này là 0,5 thì vật liệu tạo thành tương Ďối Ďồng nhất và chủ yếu tạo ra pha Ďơn Fe3O4 [41]

Nồng Ďộ ion hay lực ion của môi trường kết tủa cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng nhiều Ďến quá trình tổng hợp hạt nano từ Ghi nhận của Qiu và cs (2000) khi khảo sát ảnh hưởng của lực ion lên sự hình thành pha Fe3O4 cho thấy, khi bổ sung vào môi trường kết tủa 1M muối NaCl kích thước hạt nano từ thu Ďược

là 1,5 nm và nhỏ hơn khi trong môi trường không có muối Điều này cho thấy khi lực ion lớn cùng với pH của dung dịch kết tủa cao, mẫu hạt thu Ďược có kích thước nhỏ nhưng lại có phân bố rộng hơn [42]

Ở Việt Nam phương pháp Ďồng kết tủa cũng Ďược nhiều phòng thí nghiệm tiến hành nghiên cứu, do phương pháp này Ďơn giản và chi phí thấp Năm 2008, nhóm tác giả tại Trung tâm Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu Ďã sử dụng phương pháp Ďồng kết tủa Ďể chế tạo hệ hạt nano Fe3O4 có kích thước dưới 15 nm

và khảo sát Ďặc tính siêu thuận từ của mẫu hạt nano nhằm cải thiện chất lượng âm thanh của loa Ďiện Ďộng công suất lớn Nghiên cứu trên hạt nano Fe3O4 từ tính của nhóm tác giả tại Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam Ďã tổng hợp Ďược hạt nano Fe3O4 siêu thuận từ có dạng hình cầu Ďơn có Ďường kính hạt từ 10-15 nm, dùng Ďể Ďiều trị tăng thân nhiệt cho các bệnh nhân ung thư [44]

Hiện nay, phương pháp Ďồng kết tủa vẫn tiếp tục là một trong những phương pháp Ďược sử dụng nhiều nhất trong các nghiên cứu chế tạo hạt nano Fe3O4 Tuy nhiên, việc nghiên cứu chi tiết các Ďiều kiện công nghệ ảnh hưởng tới kích thước hạt cũng như việc tìm ra một quy trình công nghệ chế tạo các hạt nano Fe3O4 có chất lượng tốt và kích thước mong muốn vẫn cần Ďược thực hiện và nghiên cứu

1.2 Tổng quan về vi khuẩn lam và hiện tượng phú dưỡng

1.2.1 Vi khuẩn lam

1.2.1.1 Khái niệm chung

Vi khuẩn lam (Cyanobacteria) hay “tảo lam” (Cyanophyceae) là một trong những sinh vật xuất hiện Ďầu tiên trên trái Ďất cách Ďây khoảng 3,5 tỷ năm và tồn tại cho Ďến ngày nay [45] Vi khuẩn lam (VKL) là những cơ thể tiền nhân Ďa bào hay Ďơn bào, tế bào của chúng chưa có nhân Ďiển hình, không có màng nhân, các vật liệu di truyền Ďược tập trung trong chất nhân (nucleotide), chứa sắc tố diệp lục a (chla) và tiến hành quá trình quang hợp liên quan Ďến hệ quang hóa I và II [46]

1.2.1.2 Hình dạng và kích thước

Hình dạng và kích thước của VKL rất khác nhau, chúng tồn tại dưới dạng Ďơn bào, Ďa bào dạng sợi hoặc dính với nhau thành tập Ďoàn [45]:

- Dạng Ďơn bào: các tế bào thường có dạng hình cầu hoặc elip, sống riêng rẽ

- Dạng tập Ďoàn: Các tập Ďoàn có hình dạng khác nhau, thường Ďược bao bọc bởi một lớp nhầy và thẩm thấu qua các lỗ trên màng ngăn giữa các tế bào

- Dạng sợi Ďa bào: có cấu trúc sợi Ďơn Ďộc hoặc dính lại thành màng hay váng nhờ chất nhầy hoặc tập hợp lại thành khối hình cầu hay bán cầu

VKL là những sinh vật nhân sơ (prokaryotic), gram âm, thành tế bào mỏng, Ďược cấu tạo chủ yếu từ peptidoglycan, glycopeptides và mucopeptide Vách tế bào VKL khá dầy, gồm 4 lớp, bên ngoài thường hóa nhầy, có khi tạo thành bao chuyên hóa, bao xung quanh tế bào hoặc nhóm tế bào hay toàn bộ sợi và chủ yếu chứa hợp chất murein - là một glucosaminoprotein

1.2.1.3 Dinh dưỡng và sinh sản

VKL là nhóm sinh vật quang tự dưỡng có khả năng quang hợp và Ďồng hóa

N2 Chúng sinh sản vô tính bằng cách phân Ďôi hoặc cắt khúc sợi tảo Ďể tạo ra một

cá thể mới VKL giữ vai trò chính trong môi trường tự nhiên như là sinh vật sản xuất sơ cấp thực hiện sự quang hợp, tạo ra chuỗi thức ăn dưới nước và trong chu trình vật chất Cố Ďịnh khí nitơ (N2) là một quá trình Ďồng hóa cơ bản của VKL, làm cho chúng có nhu cầu dinh dưỡng Ďơn giản nhất so với tất cả các cơ thể sống Bằng cách sử dụng enzyme nitrogenase, chúng chuyển Ďổi N2 trực tiếp thành ammonium (NH4) Nếu thiếu nitrogen nhưng lại Ďầy Ďủ các chất dinh dưỡng cần thiết khác, VKL cố Ďịnh N2 vẫn có thể sinh trưởng bình thường Nhiều loài VKL có không bào khí, Ďó là các thể nội bào dạng túi chứa khí giúp Ďiều khiển sự nổi của cơ thể Không bào khí giúp cho các loài thực vật nổi có thể Ďiều chỉnh và tối ưu hóa vị trí của chúng trong cột nước [45]

1.2.1.4 Phân bố

VKL có phân bố rộng, chúng có trong nước, Ďất, ở các nơi khô hạn, trên vỏ cây, trên tảng Ďá, băng tuyết Ďều thấy xuất hiện VKL Sự phân bố của VKL còn phụ thuộc vào các yếu tố thủy văn và khí hậu từng vùng như lưu lượng dòng chảy, tốc Ďộ di chuyển, Ďặc trưng nền Ďáy, vị trí Ďịa lý và khí hậu, dinh dưỡng, pH pH cao là một trong những yếu tố môi trường quan trọng thúc Ďẩy sự phát triển mạnh

mẽ của VKL trong Ďất [45] Do tế bào chứa không bào khí và có khả năng chuyển

hóa nitơ trong không khí thành amonium nên VKL có nhiều Ďặc Ďiểm thích ứng cao với nhiều Ďiều kiện sống so với các loài tảo khác khi sống trong môi trường nước Khi gặp Ďiều kiện sống thuận lợi (dư thừa các chất dinh dưỡng mà chủ yếu là N và P) sẽ dẫn Ďến bùng phát VKL, gây ra hiện tượng nở hoa nước Đa số sự nở hoa của VKL Ďi kèm với sự sản sinh, tiết ra Ďộc tố vào môi trường nước [47-52], gây nên những tác Ďộng xấu lên môi trường, tài nguyên thủy sản và nguy hiểm Ďối với Ďộng vật sống gần các thủy vực, Ďặc biệt là con người

1.2.2 Hiện tượng phú dưỡng

1.2.2.1 Hiện tượng phú dưỡng

Phú dưỡng hóa (Eutrophication) là một thuật ngữ sinh thái Ďược sử dụng Ďể

mô tả các quá trình làm giàu quá mức chất dinh dưỡng vô cơ cùng với dinh dưỡng

có nguồn gốc thực vật trong môi trường nước, thông thường là muối nitrat và photphat, gây ra sự phát triển bùng nổ các loài tảo Ďược gọi là hiện tượng nở hoa trong nước [45] Muối của nitơ và photpho là các chất dinh dưỡng Ďối với thực vật,

ở nồng Ďộ thích hợp chúng tạo Ďiều kiện cho thực vật thủy sinh, rong và tảo phát triển Amoni, photphat là các chất dinh dưỡng thường có mặt trong các nguồn nước

tự nhiên, mặc dù không Ďộc hại Ďối với người, song khi có mặt trong nước ở nồng

Ďộ tương Ďối lớn, cùng với nitơ, photphat sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng Theo một số tác giả, khi hàm lượng photphat trong nước Ďạt Ďến mức 0,01 mg/L (tính theo P) và tỷ lệ P:N:C vượt quá 1:16:100, thì sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng nguồn nước [47-52]

Hiện tượng phú dưỡng thường xảy ra với các hồ hoặc các vùng nước ít lưu thông trao Ďổi Nguyên nhân xuất hiện phú dưỡng tại các thuỷ vực nội Ďịa có thể do tác Ďộng của các yếu tố tự nhiên (hiện tượng xói mòn, rửa trôi ) hoặc do các hoạt Ďộng của con người (sự phát triển công nghiệp, nông nghiệp, thuỷ sản, quá trình Ďô thị hoá) và Ďang là mối quan tâm bức thiết trong công tác quản lý môi trường nước tại nhiều nước trên thế giới, Ďặc biệt là tại các nước Ďang phát triển Để mô tả trạng thái phú dưỡng hoặc phì dưỡng của một thủy vực các nhà khoa học sử dụng thêm nhiều thông số lý - hóa (chất rắn lơ lửng, nồng Ďộ N và tỉ lệ N/P [53], Ďộ dẫn Ďiện,

DO ở lớp nước sát Ďáy và lớp nước mặt…), thông số sinh học (sinh khối tảo và VKL, Ďộng vật phù du, cá, Ďa dạng khu hệ Ďộng vật Ďáy…) Dưới Ďây là các thông

số chính phản ánh mức dinh dưỡng của một thủy vực theo OECD (Bảng 1.4)

Bảng 1.4 Giá trị biên để phân loại dinh dưỡng thủy vực theo OECD [53]

STT Mức dinh dưỡng

Tổng P (μg/L)

Chla trung bình (μg/L)

Độ trong của nước (m) theo Ďĩa Secchi

1.2.2.2 Phân loại hiện tượng phú dưỡng

Tùy thuộc vào nguyên nhân gây nên hiện tượng phú dưỡng, người ta chia

thành hai loại: (i) Phú dưỡng tự nhiên là quá trình phú dưỡng diễn ra dưới tác Ďộng

của các yếu tố tự nhiên, phụ thuộc vào Ďịa chất (hiện tượng xói mòn, rửa trôi,…) và các Ďặc tính tự nhiên của lưu vực (chế Ďộ khí hậu - thủy văn, lưu lượng nước,…)

Quá trình phú dưỡng tự nhiên thường phát triển với tốc Ďộ chậm; (ii) Phú dưỡng

nhân tạo là quá trình phú dưỡng diễn ra dưới tác Ďộng của con người (nước, rác thải

của quá trình phát triển, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, thuỷ sản, gia tăng dân số

và Ďô thị hoá ) Phú dưỡng nhân tạo thường diễn ra với tốc Ďộ rất nhanh Hiện tượng phú dưỡng tại các thuỷ vực nội Ďịa dưới tác Ďộng của các yếu tố tự nhiên hoặc do các hoạt Ďộng của con người Ďang là mối quan tâm hàng Ďầu trong công tác quản lý môi trường nước trên thế giới, Ďặc biệt là tại các nước Ďang phát triển

1.2.2.3 Nguyên nhân và nguồn gốc phú dưỡng

Hai nguyên tố nitơ và photpho, Ďặc biệt là các muối Ďa lượng của nitơ và photpho, thường là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng tại các thủy vực nước ngọt, dẫn Ďến tăng trưởng quá mức của thủy sinh vật mà trong Ďó chủ yếu là các loài VKL có khả năng gây Ďộc hại [46, 54] Các nguyên tố này có mặt trong môi trường nước hoặc là do nguồn ngoại lai, bao gồm nước thải sinh hoạt Ďô thị, nước thải công nghiệp, nước rửa trôi Ďất canh tác, khai thác khoáng sản trong lưu vực và nước thoát sau mưa… hoặc là do nguồn nội tại có sẵn trong thủy vực Nguồn ô nhiễm từ bên ngoài thường cung cấp một lượng lớn N và P vào môi trường nước

Sự gia tăng công nghiệp hoá - Ďô thị hoá nhanh chóng Ďã làm tăng Ďáng kể nguồn nước thải từ các khu Ďô thị, nguồn nước thải này góp phần Ďáng kể lượng các chất dinh dưỡng (chủ yếu là N và P) vào hệ thống nguồn tiếp nhận Quá trình này Ďóng góp không nhỏ trong việc nâng cao chất lượng Ďời sống nhân dân nhưng cũng làm cho vấn Ďề ô nhiễm môi trường trở lên nan giải hơn Các khu - cụm công nghiệp ra Ďời và hoạt Ďộng với công suất lớn nhưng hầu hết Ďều không có hệ thống

xử lý nước thải hoặc có thì vận hành không thường xuyên, dẫn Ďến nước thải không qua xử lý thải thẳng ra sông hồ làm cho môi trường nước bị ô nhiễm nghiêm trọng Các nước thải khác nhau gây ra mức Ďộ ô nhiễm khác nhau Ví dụ nước thải chăn nuôi, nước thải của các ngành sản xuất tinh bột, dong riềng; nước thải trong ngành sản xuất chất tẩy rửa… chứa nhiều chất dinh dưỡng, Ďường, N, P là những nguồn cung cấp dinh dưỡng dồi dào cho các thủy vực Các nguồn thải nêu trên, góp phần Ďáng kể làm tăng nguồn dinh dưỡng hữu cơ trong nước, thúc Ďẩy cho sự bùng phát của hiện tượng phú dưỡng [55]

Trong nông nghiệp, việc cơ giới hóa nhằm tăng năng suất, việc mở rộng những vùng chuyên canh, những trang trại chăn nuôi quy mô lớn, gia tăng những cánh Ďồng 50 triệu hay cánh Ďồng 50 ha cũng góp phần làm gia tăng một lượng lớn các chất dinh dưỡng và hóa chất bị rửa trôi vào môi trường nước do lượng phân bón hóa học, thức ăn chăn nuôi và chất thải gia tăng Trên thế giới, gia tăng hàm lượng các chất dinh dưỡng N và P trong môi trường nước mặt do mở rộng canh tác nông nghiệp Ďã Ďược nghiên cứu từ những năm 1970 Ở Mỹ, vào những năm Ďầu thập niên 1980, Ďất trồng trọt, Ďồng cỏ và Ďất Ďồi Ďã góp phần chuyển tải 68% tổng P từ nguồn thải phân tán tới môi trường nước mặt Ở Châu Âu, khoảng 37-82% tổng nitơ

và 27-38% tổng photpho Ďược chuyển tải vào môi trường nước mặt từ các hoạt Ďộng nông nghiệp Trong 270 dòng sông Ďược quan trắc ở Đan Mạch, 94% tổng nitơ và 52% tổng photpho có nguồn gốc từ nguồn thải phân tán mà chủ yếu từ các hoạt Ďộng nông nghiệp [55] Như vậy, có thể thấy rằng các hoạt Ďộng của con người

có ảnh hưởng lớn tới quá trình chuyển tải các chất dinh dưỡng từ Ďất vào môi trường nước mặt

Hình 1.6 Hiện tượng phú dưỡng trong môi trường nước ( nguồn:

http://upload.wikimedia.org)

Ngoài việc gia tăng hàm lượng các chất ding dinh dưỡng có nguồn gốc nhân tạo, N và P còn Ďược bổ sung vào môi trường từ tự nhiên nhất là N Thông qua các quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ có chứa N (NO, N2O, N2O5,… viết tắt là

NOx) như mưa, lắng Ďọng và cố Ďịnh Ďạm Trong khí quyển, các oxit nitơ sẽ chuyển hóa thành nitrat rồi theo nước mưa xuống Ďất Nitrat nằm trên mặt Ďất theo nước mưa chảy tràn hoặc Ďược Ďổ vào cống thoát nước, rồi xâm nhập vào nước mặt và nước ngầm Theo một số nghiên cứu Ďã công bố [49, 50, 57, 58], lượng lớn các chất dinh dưỡng Ďổ vào các hồ và hồ chứa là nguyên nhân quan trọng nhất gây nên hiện tượng phú dưỡng hồ Ví dụ, ô nhiễm dinh dưỡng nghiêm trọng cùng với sự phát triển tảo Ďộc, cá chết… Ďã diễn ra trong hồ Ardleigh, Anh [59] Trong hồ Ardleigh, nitơ có nguồn gốc chủ yếu từ nguồn thải phân tán và photpho chủ yếu từ nguồn thải Ďiểm Kết quả khảo sát 19 con sông ở Indonesia chỉ ra nguyên nhân phú dưỡng là

do hàm lượng chất dinh dưỡng Ďã tăng gấp Ďôi so với quá khứ khi dân số ngày càng gia tăng Ďã làm tăng lượng dinh dưỡng (chủ yếu là nitơ và photpho) và nước thải vào các hệ thống sông, suối [60] Hiện tượng phú dưỡng Ďã trở thành vấn Ďề chất lượng nước phổ biến nhất ở Trung Quốc [61] do các hồ và hồ chứa Ďã và Ďang tiếp nhận một lượng lớn các chất dinh dưỡng từ nguồn cung cấp ngoại lai, trong Ďó hàm lượng photpho là một yếu tố quan trọng [62, 63]

1.2.3 Nở hoa của VKL

Ngày nay, với tốc Ďộ công nghiệp hoá - Ďô thị hoá nhanh chóng kết hợp với

sự gia tăng dân số Ďã gây áp lực ngày càng nặng nề Ďến tài nguyên nước và ô nhiễm

môi trường nước, trong Ďó ô nhiễm dinh dưỡng hữu cơ (chủ yếu là N và P) vào các thủy vực ngày càng trầm trọng Ô nhiễm dinh dưỡng diễn ra chủ yếu tại các thuỷ vực như sông, hồ, Ďầm nuôi trồng thuỷ sản… luôn Ďi kèm với hiện tượng nở hoa nước

mà thực chất là sự phát triển mạnh mẽ của quần xã thực vật nổi trong Ďó chủ yếu là các loài VKL gây ra [47] Nở hoa của tảo là sự phát triển nhanh chóng của một số loài tảo so với nhóm loài khác trong hệ sinh thái thủy vực và Ďây chính là nguyên nhân làm giảm Ďa dạng sinh học, ảnh hưởng xấu Ďến chất lượng nguồn nước Các chất Ďộc do VKL tiết ra trở thành mối Ďe doạ cho các ngành công nghiệp nuôi trồng

- khai thác thuỷ hải sản, các hoạt Ďộng giải trí dưới nước, sức khoẻ con người và là nguyên nhân gây chết Ďộng vật nuôi cũng như Ďộng vật hoang dã ở nhiều nơi trên thế giới Nguyên nhân ban Ďầu Ďược xác Ďịnh là do mất cân bằng nguồn dinh dưỡng Ďầu vào của hệ sinh thái, từ Ďó Ďã tạo ra ưu thế cạnh tranh của một loài so với các loài sinh vật khác trong hệ sinh thái Trong những năm gần Ďây, nở hoa của tảo gây hại xảy ra ở cả môi trường nước mặn (còn gọi là thủy triều Ďỏ - red tide) và nước ngọt (nở hoa của VKL - water blooming) ngày càng gia tăng trên toàn cầu cả về tần suất xuất hiện lẫn cường Ďộ và thời gian [47-52]

Cho Ďến nay người ta Ďã phát hiện Ďược khoảng 100 loài VKL Ďộc nước ngọt

thuộc 40 chi trong Ďó các chi Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria,

Nostoc, Cylindrospermopsis là những chi gặp thường xuyên trong thành phần nước

nở hoa [64] Trong số VKL gây Ďộc cho con người, Ďộng vật và các thuỷ sinh vật

khác thì chi VKL Microcystis Ďược xem là thường gặp nhất Đây là một trong những chi VKL Ďáng kể hình thành hiện tượng nở hoa của nước Chi Microcystis có

dạng tập Ďoàn bao gồm hàng nghìn tế bào riêng lẻ cỡ từ 2- 6 µm và mỗi tế bào Ďều chứa một không bào khí Chính sự tập hợp của hàng nghìn không bào khí Ďịnh vị trong các tế bào này giúp chúng nổi trên mặt nước và thu nhận Ďược nguồn ánh sáng mặt trời, thông qua quá trình quang hợp tổng hợp sắc tố diệp lục tạo nên váng xanh trên mặt nước [64]

Trong các thủy vực nước ngọt, VKL là nhóm thường sản sinh ra Ďộc tố.Chúng không chỉ gây Ďộc cho các sinh vật sống trong nước như cá, giáp xác, Ďộng vật thân mềm, Ďộng vật có vú ở biển (như cá voi, sư tử biển)… mà còn gây Ďộc cho một số loài chim và con người khi tiếp xúc, khi ăn phải thủy sản hoặc uống phải nguồn nước bị nhiễm Ďộc [51, 52] Ngoài việc tạo ra các Ďộc tố, chúng còn làm ảnh

hưởng Ďến chất lượng nguồn nước, làm cho nước chuyển màu, có mùi tanh khó chịu, giảm hàm lượng oxy Ďột ngột do phân hủy một lượng sinh khối lớn Nếu tảo không Ďộc khi nở hoa cũng làm ảnh hưởng Ďến chất lượng nước khi lượng sinh khối lớn của chúng bị chết và phân hủy Nhìn chung, hiện tượng nở hoa của tảo, Ďặc biệt là tảo Ďộc gây hại tới hệ sinh thái biển, ảnh hưởng Ďến Ďa dạng sinh học, gây thiệt hại cho ngành khai thác, nuôi trồng thủy sản, ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp Ďối với con người

Độc tố VKL là nhóm Ďộc tố tự nhiên, rất Ďa dạng về cấu trúc hóa học và Ďộc tính Cho Ďến nay, Ďộc tố VKL Ďược xếp thành nhiều nhóm khác nhau tùy theo quan Ďiểm và lĩnh vực nghiên cứu Dựa trên cơ chế gây Ďộc, các Ďộc tố VKL Ďược chia thành 5 nhóm chính: Ďộc tố về thần kinh (anatoxin-a, anatoxin-a(s), homoanatoxin-a, PSP), Ďộc tố về gan (microcystins, nodularin), Ďộc tố tế bào (cylindrospermopsin), Ďộc tố gây dị ứng (lyngbyatoxin-a, aplysiatoxins) và nội Ďộc

tố Dựa trên cấu trúc hoá học Ďộc tố VKL có thể Ďược chia thành 3 nhóm chính: các peptides mạch vòng, các alkaloids và lipopolysaccharides [64, 65]

Tại Việt Nam, ô nhiễm môi trường nước dẫn Ďến nở hoa của VKL ngày càng gia tăng xuất phát từ nhiều nguyên nhân nhưng chủ yếu do các nguồn thải chưa qua

xử lý thải thẳng ra môi trường (bao gồm cả nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, nuôi trồng thủy hải sản ) Nguồn nước tiếp nhận (chủ yếu là nước mặt) giàu dinh dưỡng, dư thừa photpho và nitơ thường dẫn Ďến hiện tượng phú dưỡng và làm mất cân bằng sinh thái ở các thủy vực Nguồn thải từ các Ďô thị (công nghiệp, sinh hoạt) Ďã góp một lượng Ďáng kể các chất dinh dưỡng Ďổ vào hệ thống các sông

hồ Nước thải công nghiệp ở các ngành sản xuất khác nhau với thể tích nước thải và mức Ďộ xử lý nước thải khác nhau là nguồn gia tăng dinh dưỡng cho các thủy vực Tại các Ďô thị, bột giặt chứa photpho từ nước thải sinh hoạt là một trong số những nguồn photpho rất quan trọng Ďổ vào các thủy vực Theo Zaimes và Schultz (2002), lượng các chất dinh dưỡng Ďổ vào các các thủy vực nước mặt có nguồn gốc từ nông nghiệp thường lớn hơn [58]

Việc khảo sát chất lượng môi trường nước và Ďiều tra, nghiên cứu nguyên nhân xuất hiện “nở hoa nước” của VKL trong các thủy vực nội Ďịa Việt Nam Ďã Ďược tiến hành trong những năm gần Ďây Kết quả nghiên cứu cho thấy, hiện tượng

nở hoa của VKL xảy ra tại hầu hết các thủy vực nước ngọt với cường Ďộ phụ thuộc vào mức dinh dưỡng của các thủy vực Ďó Tại các hồ như hồ Ba Bể, hồ Tây, hồ