Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.7. Nano bạc và các ứng dụng trong nhâ ny và thú y
Công nghệ nano là một khoa học phát triển nhanh chóng của sản xuất và sử dụng các hạt có kích cỡ nano đo ở nanomet (1nm = 1 phần tỷ của một mét).
Trong chăn nuôi gia súc và gia cầm, công nghệ nano hướng chủ yếu vào việc ngăn ngừa bệnh vì bệnh là yếu tố nguy cơ nhất gây tác hại đến năng suất và hiệu quả chăn nuôi. Muốn ngăn ngừa bệnh thì việc làm tăng sức đề kháng của động vật cũng như làm sạch môi trường nuôi là những biện pháp quan trọng. Một số nguyên tố khoáng vi lượng ở dạng kích thước nano đã được dùng khá phổ biến như một phụ gia thức ăn chăn nuôi trong việc nâng cao năng lực miễn dịch của lợn hay gia cầm. Các nguyên tố vi khoáng dạng nano đi vào cơ thể bằng con đường hấp thu trực tiếp cho nên có tỷ lệ lợi dụng cao hơn rất nhiều so với các nguyên tố vi khoáng vô cơ thông thường. Các nghiên cứu khoa học cho biết nếu tỷ lệ lợi dụng các nguyên tố vô cơ là 30% thì tỷ lệ này đối với các nguyên tố dạng nano lên tới gần 100% (Mingxia Huang and Mackenzie J. Parker, 2014). Trong thú y, công nghệ nano hướng vào chiến lược phá vỡ những con đường truyền bệnh và hạn chế các bệnh truyền nhiễm của gia súc và gia cầm. Các thuốc vô trùng mới và những chất phủ bề mặt các thiết bị chuồng nuôi bằng chất liệu nano (nanocoating) đã được nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất. Các chất phủ bề mặt này vừa dễ làm sạch, vừa có tính sát khuẩn.
Việc phát hiện và chẩn đoán bệnh bằng các công cụ nano cũng đã được áp dụng trong nhân y cũng như trong thú y. Nhờ các chip thử sử dụng công nghệ nano với chức năng kép, vừa có tác dụng bắt giữ, vừa phát hiện vi khuẩn bệnh đã được phát triển và cho kết quả rất nhanh so với các phép thử cổ điển. Ví dụ, với công cụ cũ việc phát hiện vi khuẩn trong máu của người bệnh bị nhiễm trùng cần 2-5 ngày thì với công cụ mới (sử dụng công nghệ nano) công việc này chỉ mất 30 phút, có nghĩa là tốc độ phát hiện nhanh hơn tới 100 lần (Mingxia Huang and Mackenzie J. Parker , 2014). Kỹ thuật keo vàng miễn dịch (immune colloidal gold
technique) dựa trên công nghệ tách miễn dịch từ (immunomagnetic separation technology) đã được sử dụng và thành công trong việc phát hiện một quần thể trực khuẩn gây hôn mê (Vibrio choleras). Công nghệ microarray oligonucleotide với màng nitrocellulose như một chất mang và nhuộm nano vàng đã được chỉ ra là một phương pháp phát hiện nhanh và chính xác đối với các vi khuẩn E. coli,
Samonella, V.cholera, V.parahaemolyticus, Proteus, Listeriamonocytogenes,
Bacillus cereus, Clostridium botulium và Campylobacter jejuni.
Phép thử nano-PCR đã được phát triển để phát hiện virus sốt lợn châu Phi; sự khuếch đại được nâng cao một cách hiệu quả nhờ các hạt nano vàng sử dụng như một chất điều giải nhiệt trong hệ thống khuếch đại. Độ nhậy của phương pháp nano-PCR lớn hơn 1000 lần so với phương pháp PCR thông thường và đặc biệt không có phản ứng chéo với các vi khuẩn khác như E.coli, porcine circovirus type II hay các virus như giả dại, tai xanh hay sốt cổ điển của lợn (Cui D., Li C., 2013).
Bạc đã được sử dụng để điều trị bệnh y tế trong hơn 100 năm do thuộc tính của nó kháng khuẩn và kháng nấm tự nhiên. Các hạt nano bạc thường đo 25nm. Các hạt Nano bạc có diện tích mặt rất lớn, gia tăng tiếp xúc của chúng với vi khuẩn hoặc nấm, và nâng cao hiệu quả diệt khuẩn và diệt nấm. Nano bạc khi tiếp xúc với vi khuẩn và nấm bất lợi sẽ ảnh hưởng đến chuyển hóa tế bào và ức chế sự phát triển của tế bào. Nano bạc ức chế hô hấp, quá trình trao đổi chất cơ bản của hệ thống truyền và vận chuyển chất nền trong các màng tế bào vi khuẩn. Ion Bạc có ái lực rất mạnh đối với các nhóm chức mang điện tích âm trong cơ thể phân tử sinh học như nhóm –SH, -COOH,… cũng như các nhóm chức tích điện âm khác trong khắp tế bào vi khuẩn. Chính phản ứng liên kết đó đã làm thay đổi cấu trúc của các đại phân tử sinh học, làm chúng trở nên mất tác dụng trong tế bào. Vì vậy hầu như các vi sinh vật không thể có khả năng chống lại tính sát khuẩn của nano bạc. Nano bạc ức chế sự nhân và tăng trưởng của các vi khuẩn và nấm gây nhiễm trùng, mùi, ngứa và lở loét.
Các ưu điểm của Nano bạc là hiệu quả cao; có tác dụng nhanh chóng; không độc; không kích thích; không dị ứng; không dung sai; ưa nước. Nhờ những tính năng này, Nano bạc được xem là chất kháng khuẩn tự nhiên an toàn và hiệu quả. Hiệu quả trong việc làm sạch khuẩn của những sản phẩm có ứng dụng công nghệ Nano bạc đã được giới chuyên môn kiểm chứng và công nhận. Hơn nữa, những sản phẩm được ứng dụng công nghệ này không gây kích ứng
cho người dùng và vật nuôi và đó là những tính năng ưu việt và vượt trội hoàn toàn hơn so với các sản phẩm khử trùng diệt khuẩn sử dụng hóa chất được hại cho cây trồng và vật nuôi.
Đối với thủy sản, Nano bạc khi phân tán trong môi trường ao nuôi chúng sẽ phòng và diệt nguồn bệnh trong ao nuôi, ổn định màu nước, khử mùi hôi tanh của nước, đặc biệt đối với những ao có chất thải hữu cơ từ phân gia súc và gia cầm, hạn chế cá ăn nổi và các bệnh như đốm đỏ, đốm trắng, bệnh nấm thủy my, nấm mang, nấm bào tử…
Đối với chăn nuôi, Nano bạc cũng được sử dụng như một loại thuốc sát khuẩn chuồng trại, khử mùi hôi chuồng trại, tiêu diệt mầm bệnh, các loại vi khuẩn, vi rút có hại cho vật nuôi, cực kỳ hiệu quả trong việc phòng dịch và dập dịch, và hoàn toàn không độc hại cho người và vật nuôi. Đối với thủy sản, Nano bạc khi phân tán trong môi trường ao nuôi chúng sẽ phòng và diệt nguồn bệnh trong ao nuôi, ổn định màu nước, khử mùi hôi tanh của nước, đặc biệt đối với những ao có chất thải hữu cơ từ phân gia súc và gia cầm, hạn chế cá ăn nổi và các bệnh như đốm đỏ, đốm trắng, bệnh nấm thủy my, nấm mang, nấm bào tử… (Mingxia Huang and Mackenzie J. Parker, 2014).
Trường Đại học Copenhaghen – Đan Mạch đang tiến hành nghiên cứu nano sinh học, được gọi là “nanobiotics”, đặc biệt là những nghiên cứu về nano bạc (Nanobiotic Silver) ứng dụng trong ngành chăn nuôi gia cầm. Những nghiên cứu này của Đại học Copenhaghen đã kết hợp với Đại học Warsaw từ năm 2007.
Bạc (Ag) và những ion của nó từ lâu đã được biết là có tính kháng khuẩn. Công nghệ nano đã tạo ra được những hạt bạc có kích thước nano (Nanobiotic-Ag) có đặc tính sinh học cao, độc tính thấp và không có tính kháng thuốc. Không những thế Nanobiotic-Ag còn có thể tăng hoạt động chuyển hoá tế bào, từ đó dẫn đến tăng tốc độ sinh trưởng của động vật. Các nhà khoa học của các trường đại học trên dự kiến Nanobiotic có thể thay thế kháng sinh cũng như các thuốc chống cầu trùng (coccidiostate) vào năm 2010.
Tính kháng khuẩn của Nano bạc (NSP-Nanosilver pratices)
Các NSP có tác dụng kháng khuẩn rộng rãi đối với một số vi khuẩn Gram âm và Gram dương và khuẩn kháng kháng sinh. Hiệu quả kháng khuẩn của NSP phụ thuộc vào kích thước và nồng độ. Thông thường, nồng độ cao hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả hơn, trong khi các hạt kích thước nhỏ có thể giết chết vi
khuẩn ở nồng độ thấp hơn. Ngoài kích thước hạt và nồng độ, hình dạng cũng ảnh hưởng đến hiệu quả kháng vi rút của NSPs. Sadeghi B and Garmaroudi FS (2012) điều tra hoạt động kháng khuẩn của các dạng nano khác nhau trên Staphylococcus aureus và E. coli. Cũng có báo cáo rằng các NSP kết hợp với các kháng sinh khác nhau có tác dụng kháng vi khuẩn tốt hơn so với chỉ sử dụng NSPs hoặc chỉ sử dung kháng sinh. Ví dụ, Li P, Li J (2005) đã chứng minh tác dụng kháng khuẩn lớn hơn đối với E. coli khi kết hợp amoxicillin và nano bạc khi chúng được dùng riêng.
Cơ chế diệt khuẩn của Nano Bạc
Bạc là một nguyên tố có tính kháng khuẩn tự nhiên, có khả năng tiêu diệt phổ rộng các loài vi sinh vật gây bệnh, nhưng đồng thời là một chất kháng khuẩn thân môi trường, bởi vì không gây tác dụng độc hại đối với cơ thể con người và động vật nếu được sử dụng với liều lượng phù hợp cho việc khử trùng.
Mặc dù hiệu quả kháng khuẩn của nano bạc đã được nghiên cứu rộng rãi, nhưng cơ chế chính xác của NSP vẫn còn khó nắm bắt. NSPs có thể bám vào và sau đó xâm nhập vào thành tế bào vi khuẩn, do đó gây ra sự thay đổi cấu trúc của màng tế bào và tăng tính thấm của tế bào, dẫn đến sự chết của tế bào và sự hình thành của các gốc tự do (Kim KJ and Sung WS, 2009). Ngoài ra các NSP có thể giải phóng các ion bạc và tương tác với các nhóm thiol của nhiều enzyme quan trọng và nguyên tố phospho, do đó ức chế một số chức năng trong các tế bào, chẳng hạn như ngăn chặn sự phân chia tế bào và tái tạo DNA. Ngoài ra, các NSP có thể điều chỉnh việc truyền tín hiệu thông qua việc thay đổi cấu hình phosphoxyrosine của các peptide vi khuẩn đối với cơ chế kháng khuẩn tiềm ẩn.
Các nhà khoa học thuộc hãng INOVATION Hàn Quốc cho rằng Bạc tác dụng trực tiếp lên màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn. Màng này là một cấu trúc gồm các glycoprotein được liên kết với nhau bằng cầu nối axit amin để tạo độ cứng cho màng. Các ion Bạc vừa mới được giải phóng ra từ bề mặt các hạt nano Bạc tương tác với các nhóm Peptidoglican và ức chế khả năng vận chuyển oxy của chúng vào bên trong tế bào, dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn. Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đó, khả năng hoạt động của vi khuẩn có thể lại được phục hồi. Các tế bào động vật thuộc nhóm sinh vật bậc cao (Sinh vật đa bào: động vật nói chung bao gồm cả con người là ĐV bậc cao) có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào vi sinh vật đơn bào (Nấm, Vi khuẩn và Virus). Chúng có hai lớp Lipoprotein giàu liên kết đôi bền vững có khả năng cho điện tử
do đó không cho phép các ion Bạc xâm nhập, vì vậy chúng không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion Bạc (điều này có nghĩa Nano Bạc hoàn toàn không gây hại đến con người và động vật nói chung).
Cơ chế tác động của các ion bạc lên vi khuẩn được các nhà khoa học Trung Quốc làm việc trong hãng ANSON mô tả như sau: khi ion Ag+ tương tác với lớp màng của tế bào vi khuẩn gây bệnh nó sẽ phản ứng với nhóm Sunphohydril –SH của phân tử enzym vận chuyển oxy và vô hiệu hóa Enzym này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn.
Ngoài ra, các ion bạc còn có khả năng ức chế quá trình phát triển của vi khuẩn bằng cách sản sinh ra oxy nguyên tử siêu hoạt tính trên bề mặt của hạt nano bạc: 2Ag+ + O-2 ==> 2Ag0 + O0
Theo các nhà khoa học Nga, hiện nay có nhiều lý thuyết về cơ chế tác dụng diệt vi khuẩn của nano bạc đã được đề xuất, trong đó lý thuyết hấp phụ được nhiều người chấp nhận hơn cả. Bản chất của thuyết này là ở chỗ tế bào vi khuẩn bị vô hiệu hóa là do kết quả của quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang điện tích âm của tế bào và ion Ag+ được hấp phụ lên đó, các ion này sau đó xâm nhập vào bên trong tế bào vi khuẩn và vô hiệu hóa chúng.
Cho đến nay, những gì liên quan đến cơ chế tác động của Nano Bạc lên tế bào vi sinh vật (đơn bào), mới chỉ có một quan điểm được hầu hết các nhà khoa học thừa nhận. Đó là khả năng diệt khuẩn của hạt Nano Bạc là kết quả của quá trình biến đổi (giải phóng liên tục) các nguyên tử Bạc kim loại trên bề mặt hạt Nano Bạc thành các ion Ag+ tự do và các ion tự do này sau đó tác dụng lên vi khuẩn và diệt khuẩn theo những cơ chế đã nói ở trên. Tuy nhiên nếu dùng Ag+ thì lại không có hiệu quả cao mà phải là hạt nano Ag, tức phân tử bạc.
Tựu chung lại, các nhà khoa học đã đề xuất một số giả thiết về cơ chế diệt khuẩn của Nano Bạc như sau:
Cơ chế thứ nhất: Cơ chế của quá trình ôxy hóa nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn hoặc quá trình phá hủy nguyên sinh chất bởi ôxy hòa tan trong nước với vai trò xúc tác của Bạc.
Cơ chế thứ hai: Cơ chế của các quá trình vô hiệu hóa enzym có chứa các nhóm –SH và –COOH, phá vỡ cân bằng áp suất thẩm thấu, hoặc tạo phức với axit nucleic dẫn đến làm thay đổi cấu trúc DNA của tế bào vi sinh vật (tác động trực tiếp đến cấu trúc DNA).
Cơ chế thứ ba: Tác động gián tiếp lên phân tử DNA bằng cách tăng số lượng các gốc tự do làm giảm hoạt tính của các hợp chất chứa ôxy hoạt động, làm rối loạn các quá trình ôxy hóa cũng như Phosphoryl hóa trong tế bào vi khuẩn.
Cơ chế thứ tư: Ức chế quá trình vận chuyển các ion Na+ và Сa2+ qua màng tế bào.
Ngoài ra, một số nhà khoa học còn cho rằng ion bạc có khả năng vô hiệu hóa các loài Virus gây bệnh đậu mùa, bệnh cúm A-1, B, adenovirus và HIV, cho hiệu quả điều trị tốt đối với các bệnh virus Marburg, virus bệnh đường ruột (enteritis) và virus bệnh chó dại. Tuy nhiên, để có thể vô hiệu hóa hoàn toàn virus bacteriophag đường ruột N163, virus Koksaki serotyp A-5, A-7, A-14 cần đến nồng độ bạc cao hơn (0,5 – 5,0 mg/lít) so với trường hợp xử lý Escherichia,
Salmonella, Shigellia và các loài virut đường ruột khác (0,1 – 0,2 mg/lít).
Nano bạc thể hiện mạnh mẽ khả năng diệt nấm: tại nồng độ 0,1mg/lít (0,1ppm), với mật độ 105 tế bào/lít, nấm Candida albicans có thể bị vô hiệu hóa hoàn toàn sau 30 phút tiếp xúc với các hạt Nano Bạc. Ngoài ra còn rất nhiều thử nghiệm khoa học đã chứng minh phổ diệt khuẩn rất rộng của Nano Bạc.
Một nghiên cứu chi tiết đã được tiến hành để điều tra hiệu quả của các tác dụng kháng khuẩn của NSP đối với nấm men, E. coli và Staphylococcus
aureus. Kết quả cho thấy ở nồng độ NSP thấp, sự ức chế sự tăng trưởng hoàn
toàn được quan sát thấy ở nấm men và E. coli , trong khi đó tác động nhẹ đối
với S. aureus. Hiệu quả của các kháng sinh khác nhau như penicillin G,
amoxicillin, erythromycin, clindamycin và vancomycin đối với Staphylococcus
aureus và E. coli tăng lên khi có NSP. Khi so sánh với NSP, các hạt nano