3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.3.2. Hoạt tính kháng vi sinh vật của oligochitosan
Chitosan và oligochitosan có tính chất hóa học và nhiều hoạt tính sinh học
được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như vật liệu kháng nấm [83], kháng vi khuẩn [84, 85], kháng các khối u, bướu [17, 86], chất tăng cường khảnăng miễn dịch [87], bảo vệ chống lại sự nhiễm trùng và oxi hóa [88-90], sử dụng làm vắc xin thực vật [23, 24, 91] và xửlý môi trường [92, 93]. Các đặc tính chất kháng vi sinh vật của oligochitosan phụ thuộc vào khối lượng phân tử, mức độ polyme hóa (DP) [94], độ đề acetyl hóa (ĐA) [95, 96], cấu trúc (α, β, γ) và loại vi sinh vật tiếp xúc [97]. Độ lớn và sự phân bốđiện tích trên chitosan, oligochitosan, các dẫn xuất của chitosan có ảnh hưởng lớn
đến hoạt tính sinh học của chúng.
Chitosan và oligochitosan chứa các nhóm chức amino, số nhóm amino này có vai trò quan trọng trong hoạt tính kháng vi sinh vật theo cơ chế được Hosseinnejad và cs (2016) [98] và Chen và cs (2002) [99] mô tảtheo hình 1.8. Cơ chếđược cho là phù hợp cho rằng chitosan hoặc oligochitosan có thểlàm thay đổi các đặc tính thẩm thấu của màng tế bào vi sinh vật, ngăn cản sự tiếp nhận khoáng chất hoặc phá hủy
các thành phần tế bào làm vi sinh vật chết [100]. Một cơ chếkhác đưa ra để giải thích về hoạt tính kháng vi sinh vật của oligochitosan là sựngăn chặn việc sao chép RNA khi oligochitosan thâm nhập vào DNA của vi sinh vật [101]. Đểđáp ứng được cơ chế
này, khối lượng phân tử của chitosan phải nhỏhơn một giá trị giới hạn nhất định, cho phép các phân tử xâm nhập vào trong tế bào vi khuẩn, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu đến nay chưa đủ để củng cố giả thuyết nàỵ Một giả thuyết khác cho rằng, oligochitosan có khảnăng tạo chelat với ion kim loại có trong màng tế và gây rối loạn biến dưỡng các chất dinh dưỡng thiết yếu tới sựsinh trưởng của vi khuẩn dẫn đến vi sinh vật chết [102].
Hình 1.8. Cơ chế kháng vi sinh vật của chitosan và oligochitosan [69].
Có nhiều nghiên cứu sử dụng chitosan và oligochitosan trên thực vật chứng minh rằng chúng có khảnăng kích thích cây trồng tạo ra kháng thể chống lại vi sinh vật gây bệnh, vì vậy nó được coi như một vacxin thực vật [23-25]. Theo Klarzynski và Fritig, chất kích kháng “elicitor” được định nghĩa là những hợp chất có khảnăng
kích thích cây trồng sinh ra những phản vệđề kháng lại các tác động của các vi sinh vật (nấm, virút, vi khuẩn) [103]. Cơ chế kích kháng của oligochitosan được mô phỏng theo hình 1.9.
Khảnăng tạo kháng thể phytoalexin thực vật của oligochitosan đã được chứng minh trong một số nghiên cứu kháng lại bệnh gây hại trên một số loại cây trồng như
lúa, thuốc lá, nho, cà rốt. Nghiên cứu của Molloy và cs cho thấy oligochitosan có khả năng kháng nấm Sclerotinias clerotiorum gây bệnh cho cà rốt [97]. Oligochitosan còn ức chế sự nảy mầm của bào tử nấm Fusarium và kích thích sản sinh phytoalexin
ức chế hoàn toàn sự nảy mầm của bào tử nấm Botrytis và kiểm soát nấm mốc xám do nấm Botrytis cinerea gây ra trên cây dưa chuột. Cây dưa chuột được xử lý
oligochitosan trước khi lây nhiễm nấm Botrytis cinerea gây bệnh mốc xám đã làm
giảm gần 90% tỉ lệ bệnh so với đối chứng. Oligochitosan khối lượng phân tử thấp có hiệu quảhơn trong việc sinh ra các phản ứng phòng vệ so với các oligochitosan có khối lượng phân tử cao, thể hiện qua hiệu quả chống lại bệnh đạo ôn do nấm
Magnaporthe grisea gây ra trên cây lúa [106]. Oligochitosan còn được nghiên cứu sử
dụng phòng bệnh vi rút khảm thuốc lá ở nồng độ 50 µg.mL-1 [107]. Ait Barka và cs công bố rằng oligochitosan có khảnăng phòng ngừa bệnh mốc xám do nấm Botrytis cinerea gây hại cây nho [93]. Một số nghiên cứu về hiệu ứng kiểm soát bệnh trên cây
lương thực cũng cho thấy oligochitosan có hiệu lực caọ Agrawal và cs (2002) công bố rằng sau khi xử lý oligochitosan 0,1%, cây lúa có khả năng kích thích phản ứng phòng vệ (ROS) kháng lại vi sinh vật gây hại [109]. Ngoài ra, các nghiên cứu trên lúa mì chỉ ra rằng oligochitosan có khối lượng phân tử từ 5.000 – 10.000 g.mol-1 có ĐA 65% có hiệu quả cao đối với việc kiểm soát nấm Bipolaris sorokiniana gây bệnh (Burkhanova và cs, 2007) [20].
Hình 1.9. Cơ chế kích kháng sinh học trên cây trồng khi có tác động của oligoglucan, oligochitosan [104].
Ở Việt Nam, đã có một số kết quả thí nghiệm khảo sát hiệu quảkích thích tăng trưởng và kiểm soát nấm bệnh của oligochitosan. Oligochitosan (KLPT 4.000 – 6.000 g.mol-1) ở nồng độ 60 – 80 mg.L-1 thể hiện khảnăng kích thích tăng trưởng và kháng
bệnh thán thư trên cây ớt được công bố bởi Phạm Đình Dũng và cs (2016) [44, 110]. Tác giả Nguyễn Quốc Hiến và Bùi Phước Phúc (2015) trong nghiên cứu của mình đã
xác nhận oligochitosan có hiệu ứng kích thích tăng trưởng đối với cây mía và cây lúa [111]. Đặng Xuân Dự (2015) báo cáo rằng oligochitosan có khối lượng phân tử
15.000 g.mol-1 có hiệu quả kháng khuẩn Escherichia coli cao (~99%) ở nồng độ 400 mg.L-1 [19]. Bùi Duy Du và cs (2015) nghiên cứu khảnăng kiểm soát bệnh đốm nâu do nấm Neoscytalidium dimidiatum gây ra trên cây thanh long do kích thích sản sinh enzyme chitinase khi xử lý oligochitosan (khối lượng phân tử ~5.000 g.mol-1) ở nồng
độ 150 mg.L-1đạt hiệu quả 81% so với đối chứng [112].
Khảnăng đề kháng của chitosan và oligochitosan đối với một số loại vi khuẩn, vi nấm được coi là đặc tính có vai trò quan trọng nhất liên quan đến khảnăng ứng dụng của chúng. Theo Jeon và cs, oligochitosan có khối lượng phân tử nhỏ từ 1.000 - 10.000 g.mol-1 cho thấy có hoạt tính kháng hầu hết các vi khuẩn và hoạt tính kháng khuẩn tăng theo chiều tăng khối lượng phân tử [93]. Đặc tính quan trọng giúp oligochitosan có tính ứng dụng cao là mặc dù nó kháng lại hầu hết các loại vi sinh vật gây bệnh nhưng không gây hại cho các loại vi sinh vật có lợi chẳng hạn như vi khuẩn lactic, vi nấm trichoderma.