gel. Khái niệm về sol và gel
Sol: là hệ phân tán vi dị thể rắn phân tán trong lỏng, trong đó các
hạt của pha phân tán có kích thƣớc d = 10-9 - 10-7 nm.
Gel: là hệ phân tán vi dị thể lỏng phân tán trong rắn và rắn phân tán
trong lỏng.
Trong đó: + Rắn: tạo thành khung ba chiều.
+ Lỏng: nằm trong lỗ hổng của khung đó.
Phƣơng pháp sol-gel đƣợc phát triển rất đa dạng, có thể quy tụ theo ba hƣớng chính sau:
-Thủy phân các muối.
-Theo con đƣờng tạo phức.
-Thủy phân các alkoxide
Phƣơng pháp sol-gel theo con đƣờng thủy phân các alkoxide
Các alkoxide có cơng thức tổng qt là M(OR)n .
Trong đó:
Mn+: là ion kim loại hoặc phi kim có tính ái điện tử.
R: gốc alkyl (có thể no hoặc khơng no, mạch thẳng hay mạch nhánh). n: số oxi hóa của M.
O: oxi đƣợc đính trực tiếp vào M.
Các alkoxide phản ứng với nƣớc rất mạnh theo phƣơng trình sau: M(OR)n + nH2O M(OH)n + nROH
Trong thực tế, phản ứng trên xảy ra rất phức tạp và đƣợc quy thành hai q trình chính là: q trình thủy phân và quá trình ngưng tụ.
Quá trình thủy phân alkoxide M(OR)n
Giai đoạn (a) là cộng ái nhân (An), các tác nhân ái nhân (nucleophile) tấn công vào nhân Mn+ của alkoxide. Giai đoạn (b) hình thành trạng thái chuyển tiếp. Sau đó là giai đoạn (c) vận chuyển proton từ phân tử nƣớc sang nhóm RO. Giai đoạn (d) là giai đoạn loại rƣợu ROH. Các quá trình trên xảy ra thuận lợi khi:
- Tính chất ái nhân của phân tử đi vào (H2O) và tính chất ái điện tử của M lớn.
- Tính chất đi ra của phân tử bị loại (ROH) lớn. Tốc độ thế ái nhân phụ thuộc vào: Sự khơng bão hịa phối trí của nguyên tử kim loại trong alkoxide. Sự khơng bão hịa phối trí N-Z càng lớn thì năng lƣợng hoạt hóa của giai đoạn cộng ái nhân càng thấp. Trong đó: N là số phối trí, Z là số oxi hóa.
- Khả năng vận chuyển proton ở trạng thái chuyển tiếp (b): proton càng linh động thì năng lƣợng hoạt hóa của q trình vận chuyển càng thấp.
Q trình ngƣng tụ
Quá trình này xảy ra rất phức tạp ngay sau khi sinh ra nhóm hydroxo. Tuỳ thuộc vào điều kiện thực nghiệm có thể xảy ra ba cơ chế cạnh tranh nhau: cơ chế Alkoxolation, oxolation và olation.
Alkoxolation
Về cơ bản quá trình này giống quá trình thủy phân. Nhiệt động học và động học của phản ứng do cùng các thông số nhƣ đối với sự thủy phân chi phối.
Oxolation
Phản ứng tạo thành cầu nối oxo bằng cách loại phân tử nƣớc:
Cơ chế này giống cơ chế alkoxolation nhƣng R đƣợc thay thế bằng H.
Olation
Cơ chế olation có sự hình thành cầu nối hydroxo do loại phân tử dung môi.
- Cơ chế này xảy ra khi trong alkoxide sự bão hịa phối trí chƣa đƣợc thoả mãn (NZ > 0).
- Dung mơi có thể là H2O, ROH tuỳ thuộc vào nồng độ của nƣớc có trong mơi trƣờng.
Nhƣ vậy bốn phản ứng: thủy phân, alkoxolation, oxolation, olation tham gia vào sự biến đổi alkoxide thành khung oxit. Do đó cấu trúc, hình thái học của các oxit thu đƣợc phụ thuộc rất nhiều vào sự đóng góp tƣơng đối của mỗi phản ứng. Sự đóng góp này có thể tối ƣu hóa bằng sự điều chỉnh điều kiện thực nghiệm liên quan đến:
- Thông số nội: bản chất của kim loại và các nhóm alkyl, cấu trúc của alkoxide.
- Thông số ngoại: tỉ số thủy phân h = H2O/alkoxide, xúc tác, nồng độ, dung môi và nhiệt độ.
Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình sol-gel
-Bản chất của nguyên tố M
- Bản chất của nhóm alkyl: Tốc độ của phản ứng thủy phân phụ thuộc
rất nhiều vào bản chất của nhóm alkyl. đối với alkoxide của Si và Ti kết quả nghiên cứu cho thấy khi kích thƣớc của nhóm alkyl tăng lên thì tốc độ thủy phân giảm:
Ảnh hƣởng của kích thƣớc và cấu trúc của nhóm alkyl đƣợc giải thích bằng sự cản trở khơng gian. Nếu gốc R càng cồng kềnh thì sự xoay phân tử tạo điều
- Xúc tác: Thƣờng dùng xúc tác axít cho q trình thủy phân, cịn bazơ
cho quá trình ngƣng tụ.
- Dung môi: Dung môi đƣợc sử dụng làm mơi trƣờng hịa tan các chất
không trộn lẫn với nhau. Khi dùng dung mơi ta có thể kiểm sốt đƣợc nồng độ của các chất tham gia phản ứng.
- Nhiệt độ: Thực nghiệm cho thấy, khi nhiệt độ tăng sẽ làm tăng sự
thủy phân và ngƣng tụ và do đó thời gian gel hóa sẽ ngắn. 1.2. TỔNG QUAN VỀ VI KHUẨN Bacillus subtilis
1.2.1. Giới thiệu chung về nhóm vi khuẩn PGPR
Vi khuẩn vùng rễ kích thích tăng trƣởng thực vật (Plant growth promoting rhizobacteria – PGPR) là những vi khuẩn phân bố tự do trong đất, sinh sống xung quanh hoặc trên bề mặt rễ, cộng sinh bên trong rễ, trực tiếp hoặc gián tiếp tham gia việc kích thích sinh trƣởng và phát triển của thực vật thông qua sản xuất và tiết ra những chất hóa học khác nhau ở xung quanh vùng rễ. Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng các chủng vi sinh vật nội sinh để bảo vệ cây trồng là vấn đề rất quan trọng và đã đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới quan tâm.
Các PGPR nổi bật gồm thành viên của các chi Arthrobacter, Azoarcus,
Azospirillum, Bacillus, Burkholderia, Enterobacter, Gluconacetobacter, Herbaspirillum, Klebsiella, Paenibacillus, Pseudomonas, Serratia,…
1.2.2. Vai trị PGPR trong kích thích sinh trƣởng thực vật
Các nghiên cứu về vi khuẩn PGPR tập trung nhiều vào vai trò tăng khả năng chống chịu với điều kiện mơi trƣờng khắc nghiệt của nhóm vi khuẩn PGPR. Chaiharn và Lumyong đã phân lập đƣợc tổng cộng có 216 phân lập vi khuẩn hịa tan phosphate đƣợc phân lập từ đất trồng lúa khác nhau ở miền Bắc Thái Lan [18]. Những chủng này đƣợc sàng lọc invitro cho các hoạt động thúc đẩy tăng trƣởng thực vật của chúng nhƣ hòa tan phosphate vô cơ, amoniac (NH3), catalase và hoạt động enzyme làm thối hóa tế bào. Kết quả cho thấy 100% phosphate hịa tan vơ cơ, 77,77% sản xuất NH3 và hầu hết các chủng phân lập đều dƣơng tính với catalase. Ngoài ra, một số chủng cũng sản
sinh ra các enzim làm thối hóa tế bào nhƣ protease (7%), chitinase (1%), cellulase (3%) và β-glucanase. Các chủng phân lập có thể biểu hiện nhiều hơn hai hoặc ba đặc tính thúc đẩy tăng trƣởng thực vật (PGP), có thể thúc đẩy tăng trƣởng thực vật trực tiếp hoặc gián tiếp. Đặc biệt, nghiên cứu cịn cho thấy, chủng Acinetobacter CR 1.8. có thể phát triển ở nồng độ muối lên tới 25%.
Gần đây, nghiên cứu hoạt động của hỗn hợp vi khuẩn nội sinh
Pseudomonas pseudoalcaligenes) và vi khuẩn vùng rễ (Bacillus pumilus) trên Oryza sativa L. với cũng cho thấy phản ứng tốt trong việc chống lại các tác động bất lợi của độ mặn [19].
Một nghiên cứu khác cũng cho thấy vai trò tƣơng tự của PGPR. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hƣởng của khả năng chịu mặn của vi khuẩn
Bacillus amyloliquefaciens NBRISN13 (SN13) trên cây lúa trong điều kiện
thủy canh và đất bị nhiễm mặn. SN13 tăng khả năng sinh trƣởng của thực vật và khả năng chịu mặn (NaCl 200 mM) [20].
(1) Biofertilizer (cố định đạm, sản sinh siderophore và hòa tan P trong đất);
(2) Kiểm soát sinh học đối với các tác nhân gây bệnh cây trồng (đối kháng ức chế các tác nhân gây bệnh, sản sinh enzyme lytic và cơ chế kích kháng trên cây trồng).
- Sử dụng phân bón vi sinh đa chức năng với các vi khuẩn Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) có khả năng tăng dinh dƣỡng và chức năng tự nhiên vốn có của đất trồng giúp tiết kiệm phân bón vơ cơ và tăng sức đề kháng tự nhiên của cây trồng dẫn tới giảm lƣợng thuốc BVTV sử dụng đối với cây trồng.
- Vi khuẩn nội ký sinh thực vật (Endophytic bacteria) đƣợc tìm thấy trong hầu hết ở các loài thực vật, chúng cƣ trú ở trong nội mô của thực vật ký chủ và giữa chúng hình thành một loạt các mối quan hệ khác nhau nhƣ cộng sinh tƣơng hỗ, công sinh dinh dƣỡng, hội sinh. Endophytic bacteria khi kết hợp chức năng PGPR sẽ thúc đẩy thực vật tăng trƣởng, tăng năng suất và đóng vai trị là một tác nhân điều hòa sinh học. Endophytic PGPR bacteria sản xuất hàng loạt các sản phẩm tự nhiên có lợi cho thực vật ký chủ mà ta có thể khai thác những tác nhân đó để ứng dụng trong y học, nơng nghiệp hay cơng nghiệp. Ngồi ra nó cịn có tiểm năng loại bỏ các chất gây ơ nhiễm trong đất bằng cách tăng cƣờng khả năng khử độc đồng thời có khả năng sản xuất sinh khối và nhiên liệu sinh học.
Hình 1.7. Hạt nano Titanium-Bis-Ammonium-Lactato-
Dihydrohyde (TiBALDH) [23] (A); hạt nano CaptiGel trong dung môi hữu cơ
(B); hạt nano CaptiGel trong nƣớc
(C); sự hình thành bề mặt phức của hạt nano Ti với các phospholipids
(D); phƣơng trình phản ứng trên bền mặt hạt nano Ti và các phospholipids (E); sự hình thành những tập hợp vi khuẩn Bacillus spp từ sự kích ứng của hạt nano Ti (F).
Bộ: Eubacteriales Họ: Bacillaceae Giống: Bacillus
Loài: Bacillus subtilis
1.2.3.2. Đặc điểm phân bố
B. subtilis là vi khuẩn thƣờng có mặt trong nƣớc, đất, khơng khí, xác
bã thực vật thối rữa và cả trong đƣờng tiêu hóa của ngƣời và động vật. B. subtilis hiện diện trong đất với một số lƣợng phổ biến là 106 – 107 CFU/g. Vi khuẩn này có khả năng sinh bào tử để có thể chịu đựng các điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt và những thay đổi bất lợi của môi trƣờng sống. Thơng thƣờng có khoảng 60% số lƣợng B. subtilis trong đất tồn tại ở trạng thái này [24].
1.2.3.3. Đặc điểm hình thái
B. subtilis là trực khuẩn nhỏ, hai đầu trịn, bắt màu tím Gram dƣơng,
kích thƣớc 0.5 – 0,8 µm x 1,5 – 3 µm, đứng đơn lẻ hay tạo thành chuỗi ngắn. Vi khuẩn có khả năng di động, có 8 – 12 chiên mao, sinh bào tử hình bầu dục nhỏ hơn tế bào vi khuẩn và nằm giữa tế bào. Bào tử B. subtilis phát triển bằng cách nảy chồi do sự nứt của vỏ, khơng kháng acid, có khả năng chịu nhiệt, chịu ẩm, tia tử ngoại, phóng xạ,… [25].
Hình dạng của vi khuẩn trên môi trƣờng TSA (Trypcase Soya Agar) là khuẩn lạc dạng trịn, rìa răng cƣa khơng đều, đƣờng kính 3 – 5 mm, màu vàng xám, tâm sẫm màu. Sau 1- 4 ngày bề mặt nhăn nheo, màu hơi ngả nâu. Trên môi trƣờng canh TSB (Trypton Soya Broth), B. subtilis phát triển làm đục môi trƣờng, tạo màng nhăn, lắng cặn kết lại nhƣ vẩn mây ở đáy, khó tan khi lắc đều.
1.2.3.4. Đặc điểm sinh hóa [26]
1.2.3.5. Các chất kháng sinh do Bacillus subtilis tổng hợp
Subtilin
Subtilin có khả năng chịu nhiệt rất cao, khơng mất hoạt tính khi hấp autoclave ở pH 2, tác động của subtilin là ức chế sự phát triển của vi sinh vật bằng cách gắn với màng nguyên sinh chất bằng tƣơng tác giữa điện tử tự do sinh ra bởi sự dehydrate với các nhóm sulfhydyl trên màng nguyên sinh chất làm ảnh hƣởng đến hệ thống vận chuyển các chất có trọng lƣợng phân tử nhỏ và hệ thống trao đổi proton.
Subtilosin
Subtolosin là bacteriocin có tính kháng khuẩn mạnh đối với Listeria
monocytogenes và Bacillus cereus. Sublancin Sublancin không tác động với
vi khuẩn gram âm nhƣng có khả năng đối kháng mạnh với vi khuẩn gram dƣơng kể cả tế bào sinh dƣỡng lẫn bào tử. Sublancin là bacteriocin rất bền, bảo quản ở nhiệt độ thƣờng trong thời gian 2 năm khơng mất hoạt tính.
TasA
TasA có phổ kháng khuẩn rộng đƣợc tổng hợp và tiết vào môi trƣờng 30 phút sau khi quá trình tạo bào tử đƣợc bắt đầu, đồng thời TasA cũng đƣợc chuyển vào giữa lớp màng kép của tiền bào tử sau đó định vị trong lớp petidoglycan vách của lõi bào tử, TasA giúp cho Bacillus subtilis chiếm ƣu thế trong q trình tạo bào tử và nảy mầm.
Surfactin
Surfactin có tính đối kháng mạnh với vi khuẩn, virut và kháng lại các tế bào ung thƣ nhƣng ít tác động đối với nấm. Tác động của surfactin làm ức chế các kênh chuyển ion trên lớp màng lipid kép đồng thời ức chế hoạt tính của một số enzyme.
Bacilysocin
Bacilysocin là kháng sinh có bản chất phospholipid có tính kháng khuẩn mạnh với nấm đƣợc phát hiện đầu tiên trên Bacillus subtilis.
1.2.3.6. Tính đối kháng của Bacillus subtilis
Với vi sinh vật gây bệnh
Hình thức đối kháng chủ yếu của Bacillus subtilis đối với vi sinh vật gây bệnh là cạnh tranh dinh dƣỡng và tiết kháng sinh. Tác dụng chủ yếu của kháng sinh đối với vi khuẩn có thể biểu hiện ở 3 hƣớng chủ yếu sau:
Làm ngừng tổng hợp thành (màng) tế bào hay làm tan màng tế bào
vi khuẩn và do đó phá hủy tính chất thẩm thấu của tế bào, các ion Mg2+, Na+, Ca2+ thốt ra ngồi, tế bào chết.
Ảnh hƣởng quá trình tổng hợp protein của vi khuẩn. Chất kháng sinh có thể phong bế q trình tổng hợp protein bằng cách ngăn cản ribosome tổng hợp chuỗi polypeptid hay đƣa đến tổng protein bất thƣờng.
Ảnh hƣởng đối với acid acetic cụ thể là phá hủy sự trao đổi của ADN và ARN bằng cách ức chế men RNA polymerase hay gắn vào các base làm đứt đoạn chuỗi xoắn kép ADN.
Thực tế khi ni cấy nấm bệnh có sự hiện diện của Bacillus subtilis với một số lƣợng lớn sẽ xảy ra cạnh tranh dinh dƣỡng, cạnh tranh không gian sinh sống giữa vi khuẩn và nấm. Do vi khuẩn phát triển nhanh hơn (trong 24 giờ) sẽ sử dụng phần lớn chất dinh dƣỡng trong môi trƣờng, đồng thời tạo ra một số loại kháng sinh nên sự sinh trƣởng của nấm bị ức chế.
Với đồng loại
Trong môi trƣờng dinh dƣỡng bị cạn kiệt, Bacillus subtilis đã tạo ra chất kháng sinh giết chết những tế bào vi khuẩn bên cạnh chƣa bắt đầu quá trình này nhằm tiêu thụ chất dinh dƣỡng giải phóng từ các tế bào này với mục đích kéo dài thời kỳ trƣớc khi tạo bào tử.
1.3. CÂY LÚA VÀ DƢA LƢỚI
1.3.1. Tổng quan về cây lúa
Đến nay, có nhiều giả thiết khác nhau về nguồn gốc của chi Lúa trên trái đất, nhƣng hầu hết đều thừa nhận rằng các loài lúa hoang dại đã xuất hiện từ thời tiền sử của trái đất (thời Gondwana). Theo công bố của Chang và cộng sự, O.sativa xuất hiện đầu tiên ở dãy Himalaya, Miến Điện, Lào, Việt Nam và Trung Quốc [27]. Từ các trung tâm trên lúa Indica phát tán đến lƣu vực sông Hồng Hà và sơng Dƣơng Tử rồi sang Nhật Bản, Triều Tiên và từ đó biến thành chủng Japonica. Lúa đƣợc hình thành ở Indonesia và là sản phẩm của quá trình chọn lọc từ Indica.
Ở Việt Nam, theo kết quả khảo sát nguồn gen cây lúa những năm gần đây tìm thấy các loài lúa dại mọc nhiều ở vùng Tây Bắc, Nam Trung bộ, đồng bằng sông Cửu Long, Tây Nguyên là các loài O.granulata, O.nivara,
O.ridleyi, O.rufipogon. Với điều kiện khí hậu nhiệt đới, Việt Nam cũng có thể
là cái nơi hình thành cây lúa nƣớc. Từ lâu, cây lúa đã trở thành cây lƣơng thực chủ yếu có ý nghĩa quan trọng trong nền kinh tế và xã hội của nƣớc ta.
Lúa trồng hiện nay có nguồn gốc từ lúa dại. Việc xác định trực tiếp tổ tiên của cây lúa trồng ở Châu Á (Oryza sativa) vẫn còn nhiều ý kiến khác nhau. Một số tác giả nhƣ Đinh Dĩnh, Bùi Huy Đáp, Đinh Văn Lữ,… cho rằng: Oryza fatua là loài lúa dại gần nhất và đƣợc coi là tổ tiên của lúa trồng hiện nay.
Phân loại cây lúa
Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI) trƣớc đây đã nghiên cứu và xếp lúa trồng ở châu Á (Oryza sativa) thuộc họ hịa thảo (graminae), có bộ nhiễm sắc thể 2n = 24. Theo Trần Văn Đạt, Kato là ngƣời đầu tiên xây dựng các luận cứ khoa học về phân loại dƣới loài của lúa trồng châu Á dựa trên các đặc điểm hình thái [28]. Tùy theo các đặc điểm và tiêu chí khác nhau mà các nhà khoa học phân loại cây lúa theo các quan điểm khác nhau, phân loại cây lúa nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng nguồn gen để phục vụ cho mục