Tổng hợp vật liệu nano đa chức năng trên nền chitosan oligosaccharide và ứng dụng TT

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ THANH HẢI TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO ĐA CHỨC NĂNG TRÊN NỀN CHITOSAN OLIGOSACCHARIDE VÀ ỨNG DỤNG Ngành: Hóa lý thuyết hóa lý Mã số: 44 01 19 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HUẾ - NĂM 2021 Cơng trình hồn thành tại: Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Người hướng dẫn khoa học: GS TS TRẦN THÁI HÒA TS NGUYỄN THỊ THU THỦY Phản biện 1: GS TS DƯƠNG TUẤN QUANG Phản biện 2: PGS TS LÊ TỰ HẢI Phản biện 3: PGS TS HỒ SĨ THẮNG Luận án bảo vệ Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Huế họp tại: Vào hồi: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: MỞ ĐẦU Ngày nay, với tiến công nghệ nano, số lượng lớn vật liệu nano xuất với tính chất độc đáo mở nhiều ứng dụng hội nghiên cứu Cho đến nay, có nhiều nghiên cứu hoạt động kháng vi sinh vật hạt nano ứng dụng thành công lĩnh vực chủ yếu y sinh học Ngồi ra, vật liệu nano có nhiều khả sử dụng lĩnh vực nông nghiệp, đặc biệt việc quản lý bệnh hại trồng Nhiều báo cáo khoa học sáng chế công bố lĩnh vực cho thấy tiến công nghệ nano bảo vệ trồng quản lý dịch bệnh Trên thực tế, chế phẩm sinh học chứa ion nano kim loại bạc, đồng, … sử dụng rộng rãi làm chất kháng khuẩn Cùng với phát triển mạnh mẽ cơng nghệ thơng tin, việc tính tốn hóa lượng tử trở thành cơng cụ đắc lực thiếu nghiên cứu khoa học Việc áp dụng phương pháp hóa học lượng tử với nhiều phần mềm tính tốn vào nghiên cứu cấu trúc, tính chất hợp chất có ý nghĩa lớn lý luận thực tiễn, giúp giải thích, tìm quy luật cho tượng hóa học, sâu nghiên cứu chất tương tác hóa học xa định hướng kiểm tra tính đắn cho nghiên cứu thực nghiệm Ngày nay, phát triển chủng vi khuẩn kháng loại kháng sinh khác khiến việc nghiên cứu loại thuốc vật liệu có phổ hoạt động kháng khuẩn hiệu trở nên cấp thiết Các nghiên cứu gần vật liệu nano cho thấy hạt nano kim loại oxit kim loại khác có vai trò hứa hẹn đầy tiềm chất kháng khuẩn Sự đời công nghệ nano canh tác nông nghiệp thập kỷ qua tạo loại phân bón nano thuốc trừ sâu bệnh nano phương pháp bền vững để canh tác Do đó, điều làm giảm chi phí hóa chất nơng nghiệp để bảo vệ trồng chi phí xử lý để phục hồi môi trường Chitosan oligosaccharide sản phẩm cắt mạch từ chitosan Không giống chitosan trọng lượng phân tử cao, COS dễ dàng hấp thu qua ruột, nhanh chóng vào dịng máu có hiệu ứng sinh học có hệ thống Nhiều nghiên cứu cho thấy, COS có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm kháng virus Ngồi COS cịn có tác dụng kích thích sinh trưởng phát triển trồng Ở Việt Nam, lúa lương thực có vai trị quan trọng sản xuất nông nghiệp Tuy nhiên, vấn đề dịch bệnh mối đe dọa ảnh hưởng lớn đến suất chất lượng lúa Để phòng trừ bệnh hại lúa, biện pháp chủ yếu sử dụng thuốc hóa học Việc lạm dụng thuốc hóa học ngày nhiều làm cho mầm bệnh có khả hình thành tính kháng thuốc, cịn gây nhiễm mơi trường trầm trọng, tồn dư thuốc bảo vệ thực vật nông sản ảnh hưởng đến sức khỏe tính mạng người Ứng dụng công nghệ nano bảo vệ thực vật đồng thời thân thiện với môi trường hướng nhiều nước quan tâm Tuy nhiên Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ nano lĩnh vật nơng nghiệp cịn nhiều hạn chế Xuất phát từ thực tế đó, chúng tơi nhận thấy hướng nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano, đặc biệt vật liệu nano đa chức vừa kích thích sinh trưởng trồng vừa phịng trừ bệnh hại cịn mẻ, cần thiết có ý nghĩa mặt khoa học thực tiễn.Vì vậy, chúng tơi chọn nghiên cứu đề tài: “Tổng hợp vật liệu nano đa chức chitosan oligosaccharide ứng dụng” CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 NANO ĐỒNG Các hạt nano đồng nhận quan tâm lớn tiềm ứng dụng nhiều lĩnh Có nhiều kỹ thuật để tổng hợp nano đồng với kích thước, hình dạng khác nhau: khử siêu âm, khử quang hóa, khử phóng xạ, tổng hợp kim loại, kỹ thuật vi nhũ tương, trình polyol, khử nhiệt, khử hóa học, … Tuy nhiên, hoạt tính hóa học nên hạt nano đồng dễ bị oxy hóa đặc biệt kích thước hạt giảm dễ oxy hóa Hoạt tính kháng khuẩn nano đồng chứng minh qua nhiều kết nghiên cứu Ngồi hoạt tính kháng khuẩn, hạt nano đồng thể hoạt tính kháng nấm nhiều loại nấm khác như: Saccharomyces cerevisiae, Cladosporium cladosporoides, Phaeococcomyces chersonesos, Ulocladium chartarum, Candida albicans Penicillium citrinumby, … 1.2 NANO BẠC Nano bạc thu hút quan tâm đặc biệt có tính chất quang điện Ngồi ra, nano bạc thể đặc tính chống ăn mịn tốt, dễ dàng tổng hợp so với kim loại khác có xu hướng oxy hóa q trình tổng hợp Mặt khác, có hoạt tính kháng khuẩn, AgNPs đóng vai trị chất kháng khuẩn thường sử dụng cho ứng dụng khác nhau, từ thiết bị gia dụng đến xử lý nước khử trùng thiết bị y tế Có nhiều phương pháp ứng dụng thành cơng để tổng hợp nano bạc khử hóa học phương pháp phổ biến tính tiện lợi thiết bị đơn giản 1.3 NANO SILICA Silica nhiều nhà nông học quan tâm, đặc biệt nano silica vơ định hình có hoạt tính cao, dễ hấp thu Silica giúp cho trồng tăng khả kháng loại căng thẳng từ tối ưu hóa suất trồng, tăng hiệu kinh tế Cây lúa có nhu cầu silica lớn Silica có vai trị lúa như: tổng hợp carbohydrate, tăng suất hạt, tổng hợp phenolic bảo vệ thành tế bào thực vật 1.4 CHITOSAN OLIGOSACCHARIDE Hoạt tính kháng khuẩn chitosan dẫn xuất số lồi vi khuẩn công nhận xem tính chất quan trọng liên quan trực tiếp đến ứng dụng sinh học Ngồi ra, COS có khả kích thích sinh trưởng trồng giảm tác động xấu điều kiện bất lợi Mặt khác, COS cịn chất kích thích chế phòng thủ trồng, giúp cho trồng tổng hợp kháng thể chống lại vi sinh vật xâm nhập 1.5 CÁC BỆNH GÂY HẠI CHÍNH TRÊN CÂY LÚA Bệnh đạo ôn nấm Magnaporthe oryzae gây ra, bệnh gây hại nghiêm trọng lúa Một số loại thuốc bảo vệ thực vật sử dụng phổ biến để phòng trừ bệnh đạo ôn là: Kasugamycin, DithaneM45, Thiram, Topsin M, Thiabendazol, Tricyclazol, Isoprothiolane… Bệnh khô vằn nấm Rhizoctonia solani gây ra, bệnh hại phổ biến lúa, gây ảnh hưởng lớn đến suất chất lượng lúa Để phịng trừ bệnh khơ vằn chủ yếu p dụng biện pháp canh tác, ngồi cịn sử dụng số loại thuốc hóa học Validasin, Rovral 50%WP, Monceren 25%WP, Validamycin 5L,… CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU - Phổ tử ngoại khả kiến UV-Vis - Nhiễu xạ tia X (XRD) - Kính hiển vi điện tử quét (SEM) - Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) - Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM) Phổ hồng ngoại (FT-IR) Phổ tán sắc lượng tia X (EDX) Sắc ký gel thẩm thấu (GPC) Cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR) Phân tích nhiệt (TG-DSC) 2.2 PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG KÍCH THÍCH Q TRÌNH NẢY MẦM HẠT ĐẬU NÀNH CỦA COS 2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHÁNG NẤM 2.3.1 Đánh giá khả kháng nấm phương pháp mô lắp ghép phân tử 2.3.2 Đánh giá khả kháng nấm vật liệu nano thực nghiệm - điều kiện invitro - điều kiện nhà lưới CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHÁNG NẤM GÂY BỆNH KHÔ VẰN VÀ ĐẠO ÔN TRÊN CÂY LÚA CỦA CÁC HỆ PHỨC CHỨA BẠC BẰNG KỸ THUẬT MÔ PHỎNG LẮP GHÉP PHÂN TỬ 3.1.1 Ức chế nấm gây bệnh khô vằn đạo ôn lúa Khả ức chế phối tử lên protein 4G9M phức Validamycin đánh giá thông qua giá trị độ lệch bậc hai trung bình (RMSD), lượng điểm gắn kết (DS) loại tương tác Kết Bảng 3.1 cho thấy: hiệu ứng ức chế protein 4G9M phức đánh giá theo thứ tự sau: bisAg-C > bis-Ag-Si > validamycin > Ag-C  Ag-Si - Bảng 3.1 Các thông số docking phân tử: giá trị lượng điểm docking trung bình, độ phân cực tổng số liên kết hydro phức Ag-E bis-Ag-E (với E = C, Si) Validamycin gắn với protein 4G9M Phức Ag-C DS (kcal.mol-1) RMSD (Å) Số liên kết H -9,6 0,80 Ag-Si bis-Ag-C bis-Ag-Si Validamycin -11,9 -13,7 -12,7 -12,3 4 1,19 1,14 1,93 1,06 Tác dụng ức chế protein 6JBR phức Tricyclazole đánh giá theo thứ tự sau: bis-Ag-C > bis-AgSi > tricyclazole  Ag-C  Ag-Si Bảng 3.2 Các thông số docking phân tử: giá trị lượng điểm docking trung bình, độ phân cực tổng số liên kết hydro phức Ag-E bis-Ag-E (với E = C, Si) Tricyclazole gắn với protein 6JBR Phức DS (kcal∙mol-1) RMSD (Å) Số liên kết H Ag-C Ag-Si bis-Ag-C bis-Ag-Si Tricyclazole -12.9 -13.4 -16.3 -18.1 -10.7 1.52 1.30 1.69 1.24 1.77 10 Kết thu từ mơ hình ghép nối phân tử cho thấy, phức hợp chứa bạc gồm bạc- tetrylene bis- bạc-tetrylene có tác động ức chế mạnh protein 4G9M R solani protein 6JBR M oryzae 3.1.2 Ức chế nấm gây bệnh chết nhanh chết chậm tiêu Các hệ phức Ag-COS, Cu-COS, Ag-COS-Cu ức chế tốt hai protein 6KD3 1JFA Các hiệu ứng ức chế protein 6KD3 1JFA phức chất giảm theo thứ tự sau: Ag-COS-Cu > Cu-COS > Ag-COS Bảng 3.3 Kết mô lượng điểm docking (DS), thơng số độ lệch bậc hai trung bình (RMSD) tương tác với amino acid 6KD3 Phức COS-Ag COS-Cu Ag-COS-Cu phức COS-Ag, COS-Cu, Ag-COS-Cu DS (kcal.mol-1) RMSD (Å) Số liên kết H 1,15 -12,6 1,85 -14,3 1,67 -15,9 Bảng 3.4 Kết mô lượng điểm docking (DS), thông số độ lệch bậc hai trung bình (RMSD) tương tác với amino acid 1JFA Phức COS-Ag COS-Cu Ag-COS-Cu phức COS-Ag, COS-Cu, Ag-COS-Cu DS (kcal.mol-1) RMSD (Å) Số liên kết H -12,6 1,1 -13,1 1,08 -14,4 1,22 3.2 ĐIỀU CHẾ CHITOSAN OLIGOSACCHARIDES 3.1.3 Đặc trưng vật liệu COS Sau 360 h phản ứng, sản phẩm cắt mạch chitosan (COS) thu có Mw = 4500 g/mol Hình 3.1 Hình 3.2 cho thấy cấu trúc hóa học COS khơng thay đổi so với chitosan ban đầu Hình 3.1 Sắc ký đồ GPC chitosan and COS (4500 g/mol) Hình 3.2 Phổ FT-IR chitosan ban đầu (A) COS có trọng lượng phân tử trung bình 4500 g/mol (B) Hình 3.3 Phổ 1H NMR chitosan and COS (4500 g/mol) 3.1.4 Ảnh hưởng COS đến nảy mầm hạt đậu nành Kết Bảng 3.3 cho thấy GE GP mẫu hạt đậu tương có ủ với COS gia tăng đáng kể so với mẫu đối chứng Nồng độ COS (200 mg/L) có hiệu kích thích nảy mầm hạt đậu nành tốt nhất, đạt 91 93% tương ứng với GE GP Tuy nhiên, giá trị GE GP khơng có khác biệt đáng kể xử lý ngâm ủ với nồng độ COS 100 200 mg/L COS Do đó, nồng độ COS 100 mg/L lựa chọn nồng độ thích hợp để kích thích nảy mầm hạt đậu nành Bảng 3.5 Ảnh hưởng nồng độ COS ngâm ủ đến khả nảy mầm hạt đậu nành COS (mg/L) GE (%) GP (%) (đối chứng) 80.25 ± 3.10a 82.50 ± 2.38a 50 85.25 ± 2.75ab 88.00 ± 4.32ab b 100 89.00 ± 3.83 92.25 ± 3.30b b 200 91.00 ± 2.00 93.00 ± 2.00b LSD0.05 5.22 5.71 Hình 3.10 Ảnh TEM vật liệu: (a, b) silicaNPs (c, d) Cu-silicaNPs Hình 3.11 (a) Ảnh HRTEM vật liệu Cu-SilicaNPs (b) khoảng cách d mạng tinh thể nano đồng Khi có mặt Cu silica, vật liệu Cu-SilicaNPs thể dao động điển vật liệu silicaNPs, nhiên peak có dịch chuyển số sóng Dải hấp thụ vùng 962.5 cm-1chính dao động kéo dãn đối xứng nhóm Si-OH vật liệu silicaNPs 12 (Hình 3.12 a) Sau đưa Cu vào hình thành liên kết dị vịng Si-O-Cu số sóng dao động liên kết dịch chuyển đáng kể phía 958.6 cm-1 (Hình 3.12 b) Điều gián tiếp khẳng định đưa Cu vào silica Hình 3.12 Phổ hồng ngoại vật liệu: (a) silicaNPs, (b) CMC, (c) CusilicaNPs (d) Cu-silicaNPs/CMC Hình 3.13 Phổ EDX ảnh SEM – Maping đồ phân bố nguyên tố vật liệu Cu-silicaNPs/CMC Thành phần vật liệu Cu-silicaNPs/CMC xác định phổ tán xạ lượng tia X (Hình 3.30a) Các nguyên tố thành phần O, 13 Si Cu chiếm tỷ lệ tương ứng 63,24, 36,03 0,73% khối lượng mẫu vật liệu tổng hợp Ảnh SEM-Maping Hình 3.30 thể chi tiết thành phần hóa học bề mặt vật liệu Cu-silicaNPs/CMC Sự phân bố hai nguyên tố silic oxy (Hình 3.30 (b) (c)) cho thấy chúng thành phần Si O hạt nano silica hình cầu Hình 3.30 (d) cho thấy rõ Cu phân bố vật liệu silica Ảnh SEM-Maping Hình 3.30e cho thấy C CMC phân bố gắn hạt nano CusilicaNPs 3.4.2.2 Thử nghiệm khả kháng nấm Phytophthora capsici gây bệnh chết nhanh tiêu Cu-silicaNPs đánh giá khả kháng nấm nồng (0; 25; 50; 75; 100 125 ppm) Kết thể Bảng 3.11 Hình 3.31 Nhìn chung, hiệu lực ức chế nấm P Capsici tăng sau 24, 48 72 Sau 72 giờ, Cu-silicaNPs nồng độ 75, 100 125 ppm ức chế tốt nấm Phytophthora capsici với hiệu lực lên đến 93.30% hiệu lực có giảm (73.37%) nồng độ 50 ppm (Hình 3.31) Như nồng độ Cu-silicaNPs 75 ppm nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) Bảng 3.6 Hiệu lực ức chế nấm Phytophthora capsici Cu-silicaNPs khác Nồng độ Cu-silicaNPs (ppm) 25 50 75 100 125 P0.05 Hiệu lực ức chế nấm Phytophthora capsici 24 h 48 h 72 h 0.00g 0.00h 0.00h 49.11b 54.78c 39.47c 84.07a 80.05b 73.37b 84.07a 92.34a 93.30a a a 84.07 92.34 93.30a a a 84.07 92.34 93.30a