Nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silica chitosan ứng dụng làm chất kháng nấm bệnh thực vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - LÊ NGHIÊM ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANO SILICA TỪ TRO VỎ TRẤU VÀ VẬT LIỆU LAI NANO SILICA/CHITOSAN ỨNG DỤNG LÀM CHẤT KHÁNG NẤM BỆNH THỰC VẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC TP.HCM – 2021 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …… ….***………… LÊ NGHIÊM ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANO SILICA TỪ TRO VỎ TRẤU VÀ VẬT LIỆU LAI NANO SILICA/CHITOSAN ỨNG DỤNG LÀM CHẤT KHÁNG NẤM BỆNH THỰC VẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA HỌC Chun ngành: Hóa vơ Mã số : 9.44.01.13 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Bùi Duy Du GS.TS Nguyễn Quốc Hiến TP.HCM – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án thực hướng dẫn cán hướng dẫn khoa học Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực chưa công bố luận án khác Tác giả luận án NCS Lê Nghiêm Anh Tuấn i LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, với hỗ trợ kinh phí đề tài NAFOSTED 106-NN.03-2015.84 Trong trình nghiên cứu, tác giả nhận nhiều giúp đỡ quý báu thầy cô, nhà khoa học, đồng nghiệp, bạn bè gia đình Trước hết, tơi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Bùi Duy Du, PGS.TS Nguyễn Quốc Hiến tận tình hướng dẫn suốt q trình nghiên cứu hồn thiện luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Lại Thị Kim Dung tập thể Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng; cảm ơn Phòng Nghiên cứu Phát triển – Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ TP.HCM (VINAGAMMA) tạo điều kiện tốt cho tổng hợp vật liệu thử hoạt tính kiểm sốt bệnh trồng thời gian thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Cơng nghệ Hóa học Khoa Hóa học giúp đỡ tơi tận tình tạo điều kiện thuận lợi cho tơi để hồn thành luận án Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè người thân luôn quan tâm, khích lệ, động viên tơi suốt q trình học tập nghiên cứu./ Tác giả luận án NCS Lê Nghiêm Anh Tuấn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Nội dung luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn Chương TỔNG QUAN 1.1 Cấu tạo, tính chất nano silica, oligochitosan vật liệu lai chúng 1.1.1 Nano silica 1.1.2 Oligochitosan 1.1.3 Vật liệu lai nano silica/oligochitosan 1.2 Nghiên cứu tổng hợp nano silica, oligochitosan nano silica/oligochitosan 1.2.1 Tổng hợp nano silica 1.2.2 Nghiên cứu điều chỉnh khối lượng phân tử chitosan thành oligochitosan 12 1.2.3 Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan 15 1.3 Hoạt tính kháng vi sinh vật nano silica, oligochitosan vật liệu lai nano silica/oligochitosan 17 1.3.1 Một số nghiên cứu hoạt tính kháng vi sinh vật nano silica 17 1.3.2 Hoạt tính kháng vi sinh vật oligochitosan 18 1.3.3 Hoạt tính kiểm sốt bệnh thực vật vật liệu lai nano silica/chitosan 21 1.4 Triển vọng việc sử dụng vật liệu nano silica/oligochitosan làm chất kiểm soát bệnh thực vật 22 1.5 Kết luận phần tổng quan tài liệu 26 Chương THỰC NGHIỆM 28 2.1 Nguyên liệu hóa chất 28 iii 2.2 Thực nghiệm 28 2.2.1 Điều chế nano silica từ tro vỏ trấu 28 -1 2.2.2 Điều chế oligochitosan khối lượng phân tử từ 3.000 – 7.000 g.mol .30 2.2.3 Điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan 31 2.2.4 Xác định độc tính vật liệu lai nano silica/oligohitosan 33 2.2.5 Nghiên cứu in vivo hiệu lực kiểm soát bệnh đốm nâu long vật liệu nano silica, oligochitosan nano silica/oligochitosan 34 2.2.6 Nghiên cứu in vivo hiệu lực kiểm sốt bệnh đạo ơn bạc lúa vật liệu lai nano silica/oligochitosan 38 2.2.7 Nghiên cứu hiệu lực kiểm soát bệnh nấm hồng cao su vật liệu lai nano silica/oligochitosan 41 2.3 Các phương pháp kỹ thuật sử dụng nghiên cứu 42 2.3.1 Phương pháp đo giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 42 2.3.2 Phương pháp đo phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 42 2.3.3 Phương pháp đo phổ hồng ngoại (FT-IR) 43 2.3.4 Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 43 2.3.5 Phương pháp đo phổ sắc ký lọc gel (GPC) 43 2.3.6 Phương pháp đo quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-vis) .44 2.3.7 Phương pháp đo điện kép zeta 45 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Thành phần hóa học phế thải tro vỏ trấu trước sau xử lý HCl 46 3.2 Kết điều chế nano silica phương pháp nhiệt phân 47 3.2.1 Điều chế nano silica phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu 47 3.2.2 Điều chế nano silica phương pháp nhiệt phân gel SiO2/CS 50 3.2.3 Thành phần tính chất hóa lý nano silica 53 3.3 Kết điều chế oligochitosan cách xử lý chitosan H 2O2 kết hợp với chiếu xạ tia γ Co-60 60 3.3.1 Ảnh hưởng liều chiếu xạ đến suy giảm khối lượng phân tử chitosan 60 3.3.2 Nghiên cứu đặc trưng liên kết cấu trúc mạng tinh thể oligochitosan 63 3.4 Kết điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan 65 iv 3.4.1 Điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan phương pháp phối trộn 65 3.4.2 Điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan phương pháp kết tủa nano silica dung dịch oligochitosan 68 3.4.3 Tính chất hóa lý đặc trưng vật liệu lai nano SiO2/OC3000 70 3.5 Nghiên cứu độ ổn định vật liệu lai nano silica/oligochitosan .74 3.6 Xác định độc tính vật liệu lai nano SiO2/OC3000 76 3.6.1 Độc tính qua đường miệng 76 3.6.2 Độc tính qua đường tiếp xúc da 77 3.7 Thử nghiệm in vivo khả kiểm soát bệnh đốm nâu long nano SiO2/OC 78 3.7.1 Ảnh hưởng khối lượng phân tử oligochitosan đến hoạt độ enzyme chitinase hiệu kiểm soát bệnh đốm nâu long 78 3.7.2 Hiệu ứng kích kháng vật liệu nano SiO2/OC3000 đến hoạt độ enzyme chitinase khả kiểm soát bệnh đốm nâu long 82 3.8 Hiệu lực kiểm sốt in vivo bệnh đạo ơn bạc lúa nano SiO 2/OC 88 3.8.1 Hiệu lực kiểm sốt bệnh đạo ơn lúa nano SiO2/OC 88 3.8.2 Hiệu lực kiểm soát bệnh bạc lúa nano SiO2/OC 91 3.9 Hiệu lực kháng bệnh nấm hồng Corticium salmonicolor cao su 93 3.9.1 Hiệu lực in vitro kháng nấm hồng Corticium salmonicolor nano SiO2/OC 93 3.9.2 Hiệu lực kiểm soát bệnh nấm hồng cao su nano SiO 2/OC 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 KẾT LUẬN 98 KIẾN NGHỊ 99 MỘT SỐ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 100 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 PHỤ LỤC 118 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CS Chitosan cs cộng CSB Chỉ số bệnh CTAB Cetyltrimethylammonium bromide DNS Axit 3,5-dinitrosalicylic EDX Tán xạ lượng tia X FT-IR Phổ hồng ngoại GPC Sắc ký lọc gel IC50 Nồng độ ức chế tối thiểu 50% nấm bệnh KLPT Khối lượng phân tử LD50 Độc tính cấp - Liều gây chết 50% qua đường miệng nano SiO2 Nano silica nano SiO2/OC3000 Nano silica/oligochitosan khối lượng phân tử 3.000 OC OC3000 g.mol Oligochitosan -1 Oligochitosan có khối lượng phân tử 3.000 g.mol OC5000 Oligochitosan có khối lượng phân tử 5.000 g.mol -1 OC7000 -1 OD TEM Oligochitosan có khối lượng phân tử 7.000 g.mol Optical density Kính hiển vi điện tử truyền qua TEOS Tetraethoxysilane TLB Tỉ lệ bệnh TMOS Tetramethoxysilane XRD Nhiễu xạ tia X γ Co-60 Tia gamma Coban đồng vị 60 -1 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Khối lượng phân tử thời gian lưu mẫu chuẩn Pullulan 44 Bảng 3.1 Thành phần hóa học phế thải công nghiệp tro vỏ trấu 46 Bảng 3.2 Thành phần tro vỏ trấu sau xử lý với axit HCl 2N, thời gian 46 Bảng 3.3 Hàm lượng SiO2 nano silica điều chế nhiệt phân tro vỏ trấu 54 Bảng 3.4 Dữ liệu phổ FT-IR nano silica điều chế nhiệt phân tro vỏ trấu nhiệt phân gel SiO2/CS 58 Bảng 3.5 Khối lượng phân tử mẫu chitosan theo liều chiếu xạ chu kỳ chiếu xạ 61 Bảng 3.6 Dữ liệu phổ FT-IR vật liệu lai nano SiO2/OC 73 Bảng 3.7 Thế điện kép (ζ) dung dịch keo nano SiO2/OC3000 .76 Bảng 3.8 Kết thử độc tính cấp qua đường miệng chuột vật liệu nano SiO2/OC3000 77 Bảng 3.9 Tỷ lệ nhạy cảm chuột tiếp xúc với vật liệu lai nano SiO 2/OC3000 77 Bảng 3.10 Tỉ lệ bệnh số bệnh đốm nâu long xử lý với OC3000, OC5000 OC7000 phương pháp lây nhiễm nấm bệnh 82 Bảng 3.11 Tỉ lệ bệnh số bệnh đốm nâu long xử lý vật liệu OC3000, nano SiO2, nano SiO2/OC3000 phương pháp lây nhiễm nấm bệnh 86 Bảng 3.12 Hiệu kiểm sốt bệnh đạo ơn lúa sau xử lý vật liệu lai nano SiO2/OC3000 89 Bảng 3.13 Hiệu kiểm soát bệnh bạc lúa sau xử lý với vật liệu lai nano SiO2/OC3000 92 Bảng 3.14 Hiệu lực kiểm soát bệnh nấm hồng cao su xử lý vật liệu lai nano SiO2/OC3000, nano SiO2 OC3000 95 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc phân tử silica [1] Hình 1.2 Sự hấp thụ silicic lúa (a) silica vỏ trấu (b) Hình 1.3 Cơng thức cấu tạo chitosan Hình 1.4 Mơ hình thành liên kết silica chitosan [26] Hình 1.5 Ảnh TEM nano silica tổng hợp từ vỏ trấu: a) [29]; b) [30]; c) [31]; d) [45] 10 Hình 1.6 Sơ đồ chế bắt hydro gốc tự hydroxyl cắt mạch chitosan [60] 14 Hình 1.7 Mơ liên kết phối trí SiO2 chitosan [45, 65] 16 Hình 1.8 Cơ chế kháng vi sinh vật chitosan oligochitosan [69] 19 Hình 1.9 Cơ chế kích kháng sinh học trồng có tác động oligoglucan, oligochitosan [104] 20 Hình 1.10 Vết bệnh đốm nâu dây, long 24 Hình 1.11 Vết bệnh đạo ơn lúa (a); Bệnh bạc lúa (b) 25 Hình 1.12 Vết bệnh nấm hồng cao su (a); Vết bệnh nấm hồng gây hại nặng (b) 25 Hình 2.1 Quy trình điều chế nano silica phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu 29 Hình 2.2 Quy trình điều chế nano silica cách nhiệt phân gel SiO 2/CS 29 Hình 2.3 Quy trình điều chế oligochitosan có khối lượng phân tử khác 31 Hình 2.4 Quy trình điều chế vật liệu nano SiO 2/OC phương pháp phối trộn 32 Hình 2.5 Quy trình điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan phương pháp kết tủa nano SiO2 dung dịch oligochitosan 33 Hình 2.6 Phản ứng thủy phân chitin enzyme chitinnase 36 Hình 2.7 Phản ứng đường khử với thuốc thử DNS 36 Hình 2.8 Đường chuẩn tương quan khối lượng phân tử thời gian lưu Pullulans chuẩn 44 Hình 3.1 Phổ EDX tro vỏ trấu ban đầu (a) tro vỏ trấu sau xử lý axit (b) 47 Hình 3.2 Tro vỏ trấu xử lý axit HCl (a) nano silica (nhiệt phân tro vỏ trấu) 47 Hình 3.3 Ảnh TEM phân bố kích thước hạt nano silica nhiệt phân tại: (A, o o o a) 700 C; (B, b) 750 C (C; c) 800 C 48 viii ... diệt vi sinh vật Vì lý trên, luận án lựa chọn thực đề tài: ? ?Nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu vật liệu lai nano silica/ chitosan ứng dụng làm chất kháng nấm bệnh thực vật? ?? Mục tiêu... HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …… ….***………… LÊ NGHIÊM ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANO SILICA TỪ TRO VỎ TRẤU VÀ VẬT LIỆU LAI NANO SILICA/ CHITOSAN ỨNG DỤNG LÀM CHẤT KHÁNG... phân tử chitosan thành oligochitosan 12 1.2.3 Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/ oligochitosan 15 1.3 Hoạt tính kháng vi sinh vật nano silica, oligochitosan vật liệu lai nano silica/ oligochitosan