4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
3.2.1. Sự suy giảm nồng độ ion Cu2+ trong dung dịch catot
Kết quả phân tích nồng độ ion đồng tại khoang catot (hình 3.4) cho thấy trong một tuần đầu thí nghiệm, nồng độ dung dịch của 2 hệ có sự thay đổi rõ rệt. Ở ngày thứ 7 nồng độ ion đồng giảm xuống khoảng 18% đối với hệ sử dụng
chủng vi khuẩn HN41 so với hệ đối chứng từ 4,9 mM xuống xấp xỉ 4 mM. Trong khi đó tại hệ sử dụng chủng SP200, nồng độ ion Cu2+ chỉ giảm khoảng 7% từ 4,8 mM xuống 4,5 mM ở ngày thí nghiệm thứ 7.
Hình 0.6. Sự biến động của hàm lượng ion Cu2+ trong khoang catot
Quan sát hai hệ MFC trong 7 ngày thí nghiệm cho thấy, ở ngày thứ 3 của thí nghiệm đã xuất hiện kết tủa đồng trong hệ sử dụng chủng HN41. Điều này cũng phù hợp với sự thay đổi pH trong anot hay nói cách khác dòng điện dịch chuyển từ anot ở hệ HN41 tốt hơn. Như vậy, tốc độ sản xuất vật liệu đồng của hệ HN41 cao hơn so với hệ SP200. Trên điện cực than chì, hạt nano kết tủa thành lớp màng mỏng màu xanh da trời và có ánh kim của các hạt nano đồng.
Từ kết quả của các thí nghiệm trên có thể nhận thấy catot có vai trò quan trọng đối với hiệu suất giải phóng năng lượng ở anot và nó cũng phải có thế oxi hóa khử cao để kết hợp với các proton trong sự hình thành sản phẩm ở khoang catot. Hệ MFC hai khoang thí nghiệm có ưu điểm là dễ dàng thu hồi vật liệu sau khi thí nghiệm, do nếu chỉ có một khoang thì việc tiếp xúc giữa vi sinh vật và vật liệu tạo thành trong hệ sẽ gây khó khăn cho việc làm sạch vật liệu. Hơn nữa quy mô anot nhỏ ảnh hưởng tới cường độ dòng điện sinh ra trong MFC, do
đó ảnh hưởng tới phản ứng sinh ra kết tủa nano đồng trong khoang catot cũng như sự sụt giảm ion đồng trong khoang diễn ra chậm. Tao và cs (2011) đã tách ion đồng ra khỏi môi trường nước ở điện cực dương, đã công bố hệ MFC có khả năng loại bỏ ion đồng lên đến 100 mM Cu2+ với hiệu suất 96% sau 15 ngày dưới dạng Cu2O và Cu [38].
Từ kết quả của các thí nghiệm trên, nhóm nghiên cứu nhận thấy không có sự hình thành sản phẩm của Cu trong điều kiện catot kị khí. Điều này được giải thích: do sự chênh lệch thế oxi hóa khử giữa anot và catot. Để giải phóng năng lượng trao đổi chất, vi sinh vật vận chuyển electron từ cơ chất tại một điện thế thấp (axetat, lactat,…) thông qua chuỗi vận chuyển electron tới chất nhận electron cuối cùng (oxi, Mn2+,…) tại một điện thế cao hơn. Catot có vai trò quan trọng đối với hiệu suất giải phóng năng lượng ở anot và nó cũng phải có thế oxi hóa khử cao để kết hợp với các proton trong sự hình thành sản phẩm ở khoang catot. Ở hệ hiếu khí, sự có mặt của oxi đã làm tăng thế oxi hóa khử ở cực dương của pin vi sinh vật, do đó 32 làm tăng tốc độ vận chuyển electron qua màng tế bào (EET) của vi khuẩn tới điện cực, kết quả làm tăng tốc độ phản ứng tạo thành sản phẩm trong khoang catot.
Tuy nhiên, hệ MFC hai khoang thí nghiệm có ưu điểm là dễ dàng thu hồi vật liệu sau thí nghiệm, do việc tiếp xúc giữa vi sinh vật và vật liệu tạo thành trong MFC một khoang gây khó khăn cho việc làm sạch vật liệu. Hơn nữa, quy mô anot nhỏ ảnh hưởng tới cường độ dòng điện sinh ra trong MFC, do đó ảnh hưởng tới phản ứng sinh nano đồng trong khoang catot, cũng như sự sụt giảm nồng độ ion Cu2+ trong khoang. Trong đề tài này , các chủng Shewanella trong hệ pin chỉ loại bỏ được ca nhất khoảng 18% với chủng HN41 sau 7 ngày. Việc loại bỏ được ion đồng có trong khoang thí nghiệm MFC còn có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc ứng dụng thiết kế này trong xử lý kim loại nặng có trong nước thải ô nhiễm kim loại. Lớp kết tủa trong khoang được phân tích đặc trưng bề mặt, hình dạng và kích thước hạt bằng phương pháp chụp ảnh SEM.
3.2.2. Đặc trưng về hình thái, cấu trúc và tính chất của vật liệu nano đồng thu được
Kết quả phân tích hiển vi điện tử quét SEM và hiển vi điện tử truyền qua TEM của hạt nano đồng thu được từ hai hệ MFC như sau:
Hình 0.7. Ảnh hiển vi điện tử quét (A,B) của vật liệu trên bề mặt than chì của
hệ cấy chủng SP200 và ảnh hiển vi điện tử quét (C,D) của vật liệu trên bề mặt than chì có chủng HN41
Quan sát hình thái học cho thấy: Các hạt nano đồng đều có cấu tạo khá đồng đều về mặt kích thước và phân tán khá tốt trong dung dịch. Kết quả hình trên cho thấy phần lớn kết tủa dạng hình cầu có kich thước khoảng 1,2 micromet đối với vật liệu từ cả hai hệ pin nhiên liệu vi sinh vật không mạch ngoài sử dụng vi khuẩn Shewanella.
Đồng thời, ảnh SEM cũng cho thấy các hạt nano đồng với kích thước khoảng 80 nm có hiện tượng gắn kết lại với nhau. Vật liệu nano trong hệ sử
dụng chủng HN41 kết tủa trên bề mặt điện cực dày, gồ ghề hơn so với kết tủa trên bề mặt điện cực hệ sử dụng chủng SP200. Và trong hệ đối chứng, không nhận thấy kết tủa sau 7 ngày thí nghiệm cả trên điện cực than chì cũng như trong môi trường ở điện cực dương. Kích thước là một trong những yếu tố quan trọng quyết định khả năng xâm nhập qua màng tế bào của vật liệu nano cũng như tạo ra các đặc tính khác biệt của vật liệu so với dạng.
Thông thường, theo cơ chế nhập bào, để được hấp thụ vật liệu nano cần phải liên kết đủ với các thụ thể và cơ quan thụ cảm bề mặt nhằm tạo ra sự giảm cục bộ mức năng lượng tự do Gibbs trên màng tế bào. Vì vậy, những hạt nano có kích thước nhỏ cần ít các thụ thể để liên kết hơn, do đó dễ dàng qua màng tế bào và tích tụ tại các bào quan nhiều hơn các vật liệu có kích thước lớn [39– 41]. Vật liệu nano đồng thu được sau 7 ngày thí nghiệm thu được ở điện cực sau đó được đem xác định về thành phần nguyên tố và trạng thái của đồng bằng phân tích ESD và phổ nhiễu xạ tia X.
Phổ tán xạ năng lượng ESD là rất cần thiết để xem xét sự có mặt của các nguyên tố được hình thành trong khoang điện cực dương trong vật liệu nano thu được ở khoang điện cực dương.
Hình 0.8. Ảnh ESD của vật liệu trên bề mặt điện cực than chì của hệ cấy với chủng SP200
Hình 0.9. Ảnh ESD của vật liệu trên bề mặt điện cực than chì của hệ cấy với
Kết quả trên cho thấy ngoài nguyên tố đồng còn có sự xuất hiện của oxi (Hình 3.6, 3.7). Như vậy ở điện cực than chì có thể xảy ra phản ứng oxi hóa khử như sau:
Cu2+ + e- + OH-Cu(OH-)
Hình 0.10. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của vật liệu nano đồng thu được
Bên cạnh đó các nguyên tố Clo và Cacbon có nguồn gốc từ điện cực và từ môi trường ở điện cực dương, vì vậy dựa theo phương trình phản ứng trên, ở khoang điện cực dương phản ứng oxi hóa khử ion Cu2+ và OH- khi điện tử electron từ khoang anot chuyển sang và khử oxi trong môi trường ở điện cực dương thành gốc OH- và thành dạng đồng hydroxit, điều này cũng được thấy khi phân tích phổ năng lượng tia X.
Để khẳng định kết quả về cấu trúc vật liệu đã thu được, trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X đánh giá một cách chi tiết dạng tinh thể. Giản đồ phổ nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy có sự xuất hiện của các
cực đại nhiễu xạ trong phạm vi góc 2θ = 20 – 60 độ. Các đỉnh cực đại của phổ nhiễu xạ tia X tương ứng với định cực đại của vật liệu đồng ở dạng hỗn hợp tinh thể Paratacamite và Atacamite (Hình 3.8).
3.3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ỨC CHẾ CỦA NANO ĐỒNG ĐẾN HAI LOẠI VI KHUẨN XANTHOMONAS AXONOPODIS VÀ RALSTONIA
SOLANACEARUM