Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nano titan oxit làm xúc tác quang hóa phân hủy kháng sinh β lactam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----o0o-----

BÙI XUÂN TÚ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG NANO TITAN OXIT
LÀM XÚC TÁC QUANG HÓA PHÂN HỦY
KHÁNG SINH β - LACTAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----o0o-----

BÙI XUÂN TÚ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG NANO TITAN OXIT
LÀM XÚC TÁC QUANG HÓA PHÂN HỦY
KHÁNG SINH β - LACTAM
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60440118
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN VĂN RI

Hà Nội 2016

LỜI CẢM ƠN
Đƣợc sự phân công của khoa Hóa học – Trƣờng Đại học khoa học tự nhiên
Hà Nội và đƣợc sự đồng ý của thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Ri em đã
thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nano titan oxit làm xúc tác quang
hóa phân hủy kháng sinh β-Lactam”.
Để hoàn thành khóa luận này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy
giáo: PGS.TS Nguyễn Văn Ri đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá
trình thực hiện nghiên cứu này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Hóa Phân Tích đã tạo
điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị, bạn bè trong phòng thí nghiệm đã
động viên cổ vũ và giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này.
Mặc dù có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất. Song
do ít thời gian làm công việc nghiên cứu khoa học, tiếp cận với thực tế cũng nhƣ
hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất
định mà bản thân chƣa thấy đƣợc. Em rất mong đƣợc sự đóng góp của quý Thầy,
Cô và các bạn đồng nghiệp để khóa luận đƣợc hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng
Học viên
Bùi Xuân Tú

năm 2016


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 10
1.1 .Tổng quan về kháng sinh β-Lactam……………………………………….10

1.1.1 . Cấu trúc và phân loại: ........................................................................ 10
1.1.2 .Tính chất ............................................................................................. 14
1.1.3 .Tác dụng ............................................................................................. 14
1.1.4 .Giới hạn dƣ lƣợng tối đa..................................................................... 16
1.1.5 . Tình đề kháng kháng sinh của vi khuẩn ở Việt Nam và trên thế giới
hiện nay......................................................................................................... 18
1.2 .Tổng quan về các phƣơng pháp xử lý kháng sinh trong nƣớc thải……....19
1.2.1 . Xử lý bằng màng trao đổi .................................................................. 19
1.2.2 .Than hoạt tính xử lý hấp phụ .............................................................. 20
1.2.3 .Quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) .................................................. 20
1.2.4 .Ozon hóa ............................................................................................. 21
1.2.5 .Oxi hóa Feton ..................................................................................... 22
1.2.6 .Chiếu xạ siêu âm ................................................................................ 22
1.2.7 . Ảnh hƣởng của khử trùng trên loại bỏ thuốc kháng sinh .................. 23
1.2.8 .Quang xúc tác không đồng nhất với TiO2 .......................................... 23
1.3 .Các phƣơng pháp điều chế vật liệu nano…………………………………25
1.3.1 .Phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano đi từ trên xuống .......................... 25
1.3.2 .Phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano đi từ dƣới lên .............................. 26
1.4 .Các phƣơng pháp phân tích kháng sinh β-lactam…………………..........28
1.4.1 .Phƣơng pháp tách ............................................................................... 28
1.4.2 .Phƣơng pháp điện ............................................................................... 31
1.4.3 .Phƣơng pháp quang ............................................................................ 31
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................... 33
2.1.Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu…………………………………..........33
2.2.Nội dung nghiên cứu……………………………………………………...33
2.3.Phƣơng pháp nghiên cứu………………………………………………….33
2.3.1.Quy trình điều chế vật liệu .................................................................. 33
2.3.2.Quy trình xử lý kháng sinh .................................................................. 37

2.3.3.Quy trình phân tích định lƣợng ........................................................... 38
2.3.4.Quy trình khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng ............................................ 40
2.4.Dụng cụ hóa chất………………………………………………………….40
2.4.1.Máy móc và dụng cụ ........................................................................... 40
2.4.2.Hóa chất………………………………………………………………....41
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 42
3.1.Xác nhận giá trị sử dụng trong phân tích………………………………....42
3.1.1.Lập đƣờng chuẩn ................................................................................. 42
3.1.2.Kiểm tra xem phƣơng pháp có mắc sai số hệ thống hay không .......... 43
3.1.3.Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lƣợng của đƣờng chuẩn
(LOQ) ........................................................................................................... 44
3.1.4.Độ chính xác của phép đo ................................................................... 45
3.1.5.Độ lặp lại của phép đo ......................................................................... 46
3.2.Khảo sát các đặc tính của vật liệu nano……………………………..........47
3.2.1.Phƣơng pháp phổ nhiễu xạ tia X ......................................................... 47
3.2.2.Phƣơng pháp chụp SEM, TEM ........................................................... 49
3.3.Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình quang hóa…………............50
3.3.1.Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến quá trình xử lý ................................. 50
3.3.2.Khảo sát thời gian xử lý ...................................................................... 52
3.3.3.Khảo sát nồng độ của chất xúc tác ...................................................... 52
3.3.4.Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu của kháng sinh .................. 53
3.3.5.Khảo sát sự ảnh hƣởng của H2O2 ........................................................ 54
3.3.6.Khảo sát sự ảnh hƣởng của ánh sáng và chất xúc tác.......................... 55
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 58
TIẾNG ANH………………………………………………………………….58


DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Công thức cấu tạo của penicillin .............................................................. 10

Hình 2: Công thức cấu tạo của cephalosporin. ..................................................... 12
Hình 3: Quy trình điều chế TiO2 bằng phƣơng pháp sol – gel .............................. 34
Hình 4: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2…………………………..35
Hình 5: Bộ thực hiện thí nghiệm xử lý kháng sinh ............................................... 37
Hình 6: Đƣờng chuẩn của kháng sinh CEP .......................................................... 43
Hình 7: Nhiễu xạ tia X của hạt nano TiO2 ............................................................ 47
Hình 8: Nhiễu xạ tia X của hạt nano TiO2pha tạp Zn, Ln, Fe, Ni......................... 49
Hình 9: Ảnh TEM ................................................................................................. 50
Hình 10: Kết quả đo SEM ..................................................................................... 50
Hình 11: Khảo sát ảnh hƣởng của pH ảnh hƣởng đến quá trình xử lý ................. 51
Hình 12: Khảo sát thời gian xử lý ......................................................................... 52
Hình 13: Khảo sát với các điều kiện thay đổi nồng độ khác nhau ........................ 53
Hình 14: Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu đến hiệu quả xử lý ............. 54
Hình 15: Khảo sát ảnh hƣởng của pH ảnh hƣởng đến quá trình xử lý ................. 55
Hình 16: Khảo sát sự ảnh hƣởng của thành phần xúc tác và điều kiện ánh sáng..56

6


DANH MỤC BẢNG
ảng 1: Phân loại và cấu trúc một số penicillin .................................................... 11
ảng 2: Phân loại và cấu trúc của các cephalosporin ........................................... 13
ảng 3:Hằng số axit của một số kháng sinh ......................................................... 14
ảng 4: Dƣ lƣợng tối đa cho phép (MRL) của một số kháng sinh nhóm β-lactam
.......................................................................................................………………17
ảng 5: Phƣơng trình hồi quy đầy đủ của các kháng sinh .................................... 43
ảng 6: Các thông số liên quan đến phƣơng trình hồi quy................................... 44
ảng 7: Giới hạn phát hiện của phƣơng pháp ....................................................... 45
ảng 8:Khảo sát độ chính xác của phƣơng pháp phân tích……………………45
ảng 9: Đánh giá độ lặp lại của phƣơng pháp phân tích ………………….......47

7


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACN

Acetonitril

AMO

Amoxicillin

AMP

Ampicillin

CEF

Cefixim

PEN

Penicillin

CEP

Cephalexil

C-FLO

Cipzo- Floxacill

CLO

Cloxacillin

UV

Tử ngoại

HPLC

Sắc kí lỏng hiệu năng cao

TLC

Sắc kí bản mỏng

CE

Điện di mao quản

LOD

Giới hạn phát hiện

LOQ

Giới hạn định lƣợng

MeOH

Methanol

SPE

Chiết pha rắn

XRD

Nhiễu xạ tia X

TEM

Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua

SEM

Phƣơng pháp chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử quét

IR

Phổ hồng ngoại

STT

Số thứ tự

8

MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi xã hội ngày càng phát triển thì vấn đề sức khỏe của con
ngƣờingày càng đƣợc quan tâm. Sự phát triển của các ngành công nghiệp đã
mang lại những nguồn lợi lớn đồng thời thải ra một lƣợng chất độc hại ảnh
hƣởng xấu đến môi trƣờng cũng nhƣ sức khỏe con ngƣời.
Trong y học hiện đại, các loại thuốc kháng sinh tổng hợp có vai trò quan
trọng trong việc chữa bệnh cho con ngƣời, thú y. Từ khi chúng đƣợc giới
thiệu vào thị trƣờng vào năm 1938 và là loại kháng sinh đƣợc dùng nhiều
nhất hiện nay. Nhờ các thuốc kháng sinh mà y học có thể loại bỏ đƣợc các
dịch bệnh nguy hiểm và điều trị hiệu quả nhiều bệnh gây ra bởi vi khuẩn.
Nhƣng trong quá trình bào chế các loại kháng sinh cũng thải ra một lƣợng
nƣớc thải có chứa dƣ một lƣợng thuốc kháng sinh trong môi trƣờng s gây
nên những hậu quả vô c ng nghiêm trọng, ảnh hƣởng đến sức khỏe con
ngƣời và động thực vật. Vì vậy,việc tìm kiếm một phƣơng pháp xử lí thuốc
kháng sinh hiệu quả, hợp lí là hết sức quan trọng. Do đó, chúng tôi thực hiện
đề tài nghiên cứu: “ Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nano titan oxit làm xúc
tác quang hóa phân hủy kháng sinh β-Lactam” với mục đích tìm ra những
giải pháp hợp lí để loại bỏ lƣợng thuốc kháng sinh trong nƣớc thải trƣớc khi
thải ra môi trƣờng.
Nhƣ vậy đề tài này nghiên cứu việc sử dụng TiO2 là chất xúc tác cho quá
trình phân hủy kháng sinh làm phá vỡ cấu trúc của kháng sinh.Sau đó, xác
định hiệu suất của quá trình bằng phƣơng pháp phổ UV - Vis.

9


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 .Tổng quan về kháng sinh β-Lactam

Là các kháng sinh mà phân tử chứa vòng β-Lactam. Gồm các nhóm:
penicillin, cephalosporin, monobactam, cacbapenem trong đó hai nhóm sử
dụng phổ biến và lớn nhất là penicillin và cephalosporin.
Các penicillin thu đƣợc từ môi trƣờng nuôi cấy nấm Penicilium notatum
và Penicillium chryrogenum, bán tổng hợp từ axit 6-amino penicillanic
(6APA).
Các cephalosporin tự nhiên đƣợc phân lập từ môi trƣờng nuôi cấy nấm
Cephalosporium

acremonium

và

bán

tổng

hợp

từ

axit

7-amino

cephalosporinic (7ACA) xuất phát từ các kháng sinh thiên nhiên.
1.1.1 . Cấu trúc và phân loại:
* Các penicillin
Các penicillin đều có cấu trúc cơ bản gồm 2 vòng: vòng thiazolidin,
vòng β-Lactam

R

CO

S

N
H

6

5

7

1

N

CH3

4

3
2

CH3

O
COOM

Hình 1: Công thức cấu tạo các kháng sinh penicillin
Tên gọi chung công thức của các penicillin khi chƣa có gốc R là:
(2S,5R,6R3,3-dimethyl-7-oxo-4-thia-1-azabicyclo[3.2.0]heptane-2carboxylic acid.
Khi thay thế R bằng các gốc khác nhau, những cacbon bất đối có cấu
hình 2S, 5R, 6R ta có các penicilin có độ bền, dƣợc động học và phổ kháng
khuẩn khác nhau.Với M là gốc cation thƣờng là: K, Na, H.
Nhóm kháng sinh penicillin đƣợc chia thành 3 nhóm chính với hoạt tính
khác nhau.

10


Bảng 1 : Phân loại và cấu trúc một số penicillin

Nhóm penicillin tự nhiên

Tên kháng sinh

R

Hoạt tính
CH2-

Penicillin G

Gồm các Penicillin tự

(PENG)

nhiên và dẫn chất.Phổ
Benzyl

Benzathin

hẹp: vi khuẩn gram(+).
Không

kháng

β-

lactamase

Nhóm penicillin kháng penicilliiase

CH3
C-

Oxacillin

N O

(OXA)

6-[(5-methyl-3-phenyl-

1,2-oxazole-4-carbonyl)amino]
Cl

Cloxacillin

O
N

tổng hợp. Phổ hẹp nhƣ
nhóm

I.

Kháng

penicilliiase, không tác

C-

động vào vòng

CH3

6-{[3-(2-chlorophenyl

(CLO)

Là các Penicillin bán

β –

Lactam đƣợc.

)-5-methyl-oxazole-4carbonyl]amino}
NH2NH2
CH-

Nhóm penicillin phổ rộng

Ampicillin
(AMP)

6-([(2R)-2-amino-2phenylacetyl]amino)

kháng

lactamase

CH-

(AMO)

khuẩn gram (+) và (-).
Không

NH2NH2

Amoxicillin

Phổ rộng, tác dụng cả

penicilliiase
HO

6-{[(2R)-2-amino-2-(4-

hydroxyphenyl)-acetyl]amino}

11

βvà


* Các cephalosporin
Các cephalosporin cấu trúc chung gồm 2 vòng: vòng β-Lactam 4 cạnh
gắn với 1 dị vòng 6 cạnh, những cacbon bất đối có cấu hình 6R, 7R. Khác
nhau bởi các gốc R
R2
S

R1

CO

N
H

7

6

8

N5

1

2
3

4

R3

O
COOM

Hình 2. Công thức cấu tạo các kháng sinh cephalosporin
Tên gọi chung của các cephalosporin khi chƣa có gốc R là: (6R,7R) 8oxo-5-thia-1-azabicyclo[4.2.0]oct-2-ene-2-carboxylic acid.
Khi thay đổi các gốc R, những cacbon bất đối có cấu hình 6R, 7R đƣợc
các cephalosporin có độ bền, tính kháng khuẩn và dƣợc động học khác nhau.
Dựa vào khổ kháng khuẩn, chia các cephalosporin thành 4 thế hệ. Các
cephalosporin thế hệ trƣớc tác dụng trên vi khuẩn gram dƣơng mạnh hơn,
nhƣng trên gram âm yếu hơn thế hệ sau.
Bảng 2: Phân loại và cấu trúc của các cephalosporin
Nhóm
I: tác dụng
mạnh nhất trên
vi khuẩn gram
(+), yếu nhất
trên gram (-).

Kháng sinh

Cephalexin

lactamphá hủy

CH-

(CEP)

NH2

Cephapirin

SCH2-

Không bền và
dễ bị β-

R1

R2

R3

H

-CH3

H

-CH2-OCOCH3

N
Cephazolin

N CH2N N

12

N

H

-CH2 S

N
CH3


II:

tác

dụng

yếu hơn trên vi
khuẩn

gram

Cefaclor

CH-

(CEF)

H

Cl

NH2

(+), mạnh hơn
trên gram (-)
so với thế hệ I. Cefprozil
Bền

với

HO

CHH

-CH=CH-CH3

NH2

β-

lactamase.
H2N

III: tác dụng
yếu hơn trên vi Cefixim
khuẩn
gram
(+) so với thế

N

S
N H
HOOCCH2O

-CH=CH2

hệ I, tác dụng
mạnh

H2N

trên

gram (-). Bền Ceftazidim
với
βlactamase

N

S
N H

HOOCC(CH3)2O

-CH2

+

N

IV: hoạt phổ
tác dụng nhƣ
thế

hệ

III

nhƣng tốt hơn
và kháng nhiều
β-

H2N

Cefepim

N
S

+

N H

CH3O

lactamasehơn

13

-H2C N
CH3


1.1.2 .Tính chất
Các β-lactam thƣờng ở dạng bột kết tinh màu trắng, dạng axit ít tan trong
nƣớc, dạng muối natri và kali dễ tan; tan đƣợc trong metanol và một số dung
môi hữu cơ phân cực vừa phải. Tan trong dung dịch axit và kiềm loãng do đa
phần chứa đồng thời nhóm –COOH và –NH2.
Các nguyên tử bất đối làm các phân tử β – lactam hữu tuyền mạnh, chỉ số
quay cực riêng là một trong các tiêu chuẩn kiểm nghiệm. Cực đại hấp phụ
chủ yếu do nhân phenyl, tùy vào cấu trúc khác làm dạng phổ thay đổi (đỉnh
phụ, vai, sự dịch chuyển sang bƣớc sóng ngắn hoặc dài, giảm độ hấp thụ).
Các β-lactam là các axit với nhóm –COOH có pKa= 2.5-2.8 tùy vào cấu
trúc phân tử. Trong môi trƣờng axit, kiềm, β-lactamase có tác dụng phân cắt
khung phân tử, mở vòng β-lactam làm kháng sinh mất tác dụng.
Bảng 3. Hằng số axit của một số kháng sinh
Tên kháng sinh

pKa1 Tên kháng sinh pKa1 Tên kháng sinh

pKa1

PEN

2.74

AMO

2.8

CLO

2.7

AMP

2.7

CEP

2.6

CEF

2.75

1.1.3 .Tác dụng
Các penicillin có khả năng acyl hóa các D- alanin tranpeptidase, làm cho
quá trình tổng hợp peptidoglycan không đƣợc thực hiện.Sinh tổng hợp vách
tế bào bị ngừng lại. Ít tác dụng trên vi khuẩn gram (-). Mặc khác, các
penicillin còn hoạt hóa enzym tự phân giải murein hydroxylase làm tăng
phân hủy vách tế bào, kết quả là vi khuẩn bị tiêu diệt.
Ngăn cản xây dựng và giảm độ bền của mang tế bào vi khuẩn nên chủ

yếu kìm hãm sự tồn tại và phát triển của vi khuẩn. Các kháng sinh β-lactam
có hoạt phổ rộng.

14


Kháng thuốc:
Vi khuẩn sinh ra các β-lactamase, là enzim có tác dụng mở vòng βlactam, theo phản ứng ái nhân vào nhóm C=O, làm kháng sinh mất tác dụng.
Tất cả các cách kháng không sinh ra β-lactamase để thực hiện gọi là kháng
gián tiếp (đƣợc gọi là kháng methicillin).
Độc tính- Tác dụng phụ
Kháng sinh β-lactam là một trong những nhóm thuốc đƣợc sử dụng rộng
rãi để điều trị các bệnh lí nhiễm trùng.Tuy nhiên, bên cạnh hiệu quả điều trị,
hầu hết các loại thuốc kháng sinh cũng đều có nguy cơ gây ra các phản ứng
không mong muốn cho ngƣời sử dụng.
Các kháng sinh nhóm β – lactam nhƣ amoxycillin, penicillin,cephlexin…
đều có tác dụng điều trị và độ an toàn tƣơng đối cao. Tuy nhiên, đây cũng là
nhóm nguyên nhân chủ yếu gây ra các phản ứng dị ứng cho thuốc. Các phản
ứng phụ đang lo ngại nhất của nhóm thuốc này là những phản ứng dị ứng tức
thì gây ra do kháng thể lgE đặc hiệu với thuốc. Những phản ứng này thƣờng
xảy ra trong vòng vài phút đến vài giờ sau khi dùng thuốc. Biểu hiện nhẹ
thƣờng là nổi ban đỏ, ngứa, phù mắt, môi. Những trƣờng hợp nặng có thể
gây tụt huyết áp, co thắt phế quản hoặc phù nề thanh quản. Một số phản ứng
dị ứng muộn cũng có thể xảy ra sau d ng các kháng sinh β-lactam nhƣ thiếu
máu tan máu, hội chứng Stevens- Johnson và viêm da. Riêng ampicillin và
amoxycillin thƣờng gây ra ban dạng sởi. Ngoài ra, có thể xảy ra dị ứng chéo
giữa các kháng sinh cephlosporin và penicillin, đặc biệt là các kháng sinh
cephacillin thế hệ 1.
Điều chế
 Sinh tổng hợp:

Là phƣơng pháp chủ yếu nuôi cấy chủng nấmPenicillin nonatum
hoặc Penicillium chrysogennum trong môi trƣờng và điều kiện thích
hợp.Chiết xuất dạng kết tinh và muối natri hoặc kali. Trong môi trƣờng nuôi

15


cấy có tạo ra các axit amin →peptide →polypeptide.Penicillin tạo thành từ
một tripeptide, sau đó acyl hóa bởi men.
 Bán tổng hợp:
Các penicillin bán tổng hợp bằng cách chế tạo acid 6- amino penicillanic
(A6AP).Nuôi cấy nấm penicillium không thêm tiền chất.Khi đó môi trƣờng
dồi dào A6AP, chiết lấy trực tiếp. Tách phần phenylacetyl ( C6H5-CH2-CO-)
khỏi phân tử penicillin G bằng acylase thích hợp rồi chiết lấy A6AP. Acyl
hóa A6AP với clorid axit trong môi trƣờng acetone, có mặt trimethylamin để
hấp thu HCl giải phóng ra trong phản ứng đƣợc penicillin khác.
 Tổng hợp hóa học:
Đang nghiên cứu phát triển
1.1.4 .Giới hạn dƣ lƣợng tối đa
Tồn dƣ đó là hiện tƣợng các chất hóa học, sinh học do con ngƣời sử dụng
vì những mục đích khác nhau trong chăn nuôi động vật, đã đƣợc chuyển hóa
trong cơ thể của con vật nhƣng chƣa đào thải hết gây tích lũy tại các mô, các
phủ tạng. Hàm lƣợng này đƣợc phân tích xuất hiện dƣới dạng vết cho đến
các giá trị vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép.
Giới hạn dƣ lƣợng tối đa cho phép(MRL) là giới hạn dƣ lƣợng của một
loại thuốc, đƣợc phép tồn tại về mặt pháp lý hoặc xem nhƣ có thể chấp nhận
trong cơ thể vật nuôi, thức ăn gia súc mà không gây hại cho ngƣời sử dụng
và vật nuôi khi tiêu thụ.
Theo quy định số 0571/QLCL- CL1 của Cục Quản lý chất lƣợng Nông
lâm sản và thủy sản – Bộ Nông Nghiệp và phát triển nông thôn, mức dƣ

lƣợng tồn dƣ tối đa cho phép (MRL – Maximum Residue Limit) trong thực
phẩm đối với một số kháng sinh nhóm β –lactam đƣợc quy định trong bảng
sau:

16


Bảng 4. Dư lượng tối đa cho phép (MRL) của một số kháng sinh nhóm β-lactam
STT

1

2

3

4

5

β – lactam

Ampicillin

Penicillin G

Penicillin V

Oxacillin

Cloxacillin

Đối tƣợng

MRL (µg/kg)

Thịt

50

Mỡ

50

Gan

50

Thận

50

Sữa

4

Thịt

50

Mỡ

50

Gan

50

Thận

50

Sữa

4

Thịt

25

Mỡ

25

Gan

25

Thận

25

Sữa

4

Thịt

300

Mỡ

300

Gan

300

Thận

300

Sữa

30

Thịt

300

Mỡ

300

Gan

300

Thận

300

Sữa

30

17


1.1.5 . Tình đề kháng kháng sinh của vi khuẩn ở Việt Nam và trên thế
giới hiện nay
Nhƣ trên cho thấy, có nhiều loại kháng sinh khác nhau, tác động bằng
các cơ chế khác nhau đối với các vi trùng khác nhau. Kháng sinh chỉ có tác
dụng với các bệnh do vi trùng (bacteria), không có tác dụng với các bệnh do
siêu vi (virus). Để điều trị bệnh nhiễm trùng cần biết loại vi trùng gây bệnh
để chọn kháng sinh thích hợp. Vì thiếu hiểu biết và vì tin tƣởng sai lầm, nên
ở khắp nơi trên thế giới, nhất là ở các nƣớc đang phát triển, ngƣời ta đã d ng
kháng sinh quá nhiều, cả khi không cần thiết, không đúng chỉ định và không
đúng cách.
Nghiên cứu toàn cầu của chƣơng trình Alexander[29, 31]năm 1996 1997 đã ghi nhận tỉ lệ đề kháng penicillin rất cao ở Hồng Kong (53,1 %), kế

đó là Pháp (30,6%), Mexico (27,2 %); Tây

an Nha (29,3 %);Tiệp Khắc

(19,8 %), Mỹ ( 17,7 %); Bồ Đào Nha ( 16,8 %). Tiếp theo chƣơng trình
Alexander năm 1998 -2000 [30] thực hiện trên 26 quốc gia Châu Á cho thấy
tỉ lệ đề kháng penicillin cao nhất cũng là Hồng Kong ( 69,9 %), kế đó là
Pháp ( 40,5 %), Nhật Bản (28,5 %), Tây

an Nha ( 26,4 %),…Tổng kết

chƣơng trinh nghiên cứu đa quốc gia Protek 1999-2000[30] cũng cho thấy tỉ
lệ kháng penicillin rất cao ở Châu Á (53,4 %) với cả ba quốc gia tham gia
đều có tỉ lệ kháng penicillin rất cao ở Hàn Quốc (71,5 %); Hồng Kong (57,1
%). Nhật Bản (44,5 %).
Các nghiên cứu của ANSORP đã cho thấy các quốc gia nhƣ Việt Nam,
Hàn Quốc, Hồng Kong và Đài Loan chính là các điểm nóng ở Châu Á về
tình hình S.pneumoniae kháng penicillin. Theo các nghiên cứu của
ABSORP, tình hình S.pneumoniae đề kháng kháng sinh đang ở tình trạng
thật sự báo động ở nhiều quốc gia Châu Á. Nghiên cứu 1998 -2000[12, 13,
14] cho thấy tình trạng trẻ em mang S.pneumoniae không nhạy cảm với
penicillin là rất cao (70 -91 %) ở Đài Loan, Hàn Quốc và Việt Nam. Nghiên
cứu 2000 -2001[14] trên S. pneumoniae đã ghi nhận một tỉ lệ đề kháng rất
cao đối với penicillin ở Việt Nam (71 %), Hàn Quốc ( 55 %), Hồng Koong
18


(43 %). Tỉ lệ đề kháng cao đối và có khuynh hƣớng ngày càng gia tăng đối
với mcrolides cũng đƣợc ANSORP ghi nhận tại hầu hết các quốc gia tham
gia nghiên cứu[31], đặc biệt tại Việt Nam ( 65 % năm 1996 -1997) đến 88 %

năm (1998 -2000); Hàn Quốc từ 74 % đến 85 %, Trung Quốc từ 25 % đến 76
%.
Theo nghiên cứu trƣớc đây, 204 chủng S. pneumoniae bao gồm 96 chủng
xâm lấn và 108 chủng không xâm lấn đƣợc thu nhận từ 10 bệnh viện khác
nhau tại Việt Nam, bao gồm hai bệnh viện lớn tại Hà Nội, một bệnh viện lớn
tại Đà Nẵng, và bảy bệnh viện tại thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả cho thấy
có tới 80 % các S. pneumoniae kháng penicillin, 72 % đề kháng
erythromecyl; 86 % kháng clarithromycin, 74 % kháng azithromycin, 75 %
kháng sunfamethoxazol và 29 % kháng chroramphenicol.
Còn theo một nghiên cứu khác đã cho 235 chủng vi khuẩn Staphylococus
aureus từ 7 phòng thí nghiệm vi sinh của 7 bênh viện tại Đà Nẵng, Cần Thơ
và Tp Hồ Chí Minh đƣợc gửi về trung tâm nghiên cứu. Kết quả ghi nhận
đƣợc 47 % Staphylococus aureus kháng methicillin; 42 % với gentamicin, 63
% với erythromycin, 68 % với azithromycin, 39 % với ciprofloxacin, 38 %
với cefuroxime, 30 % với amoxicillin, và chỉ 8 % với rifampicine.
1.2 .Tổng quan về các phƣơng pháp xử lý kháng sinh trong nƣớc thải
1.2.1 . Xử lý bằng màng trao đổi
Loại bỏ các kháng sinh trong quá trình màng có thể xảy ra thông qua
nhiều cơ chế[5]. Những cơ chế này phụ thuộc vào các đặc tính của hợp chất
(trọng lƣợng phân tử cắt (MWCO), pKa, kị nƣớc / ƣa nƣớc), bản chất dung
dịch (pH, độ ion), và các đặc tính màng (chất lƣợng vật liệu, hình thái bề
mặt, kích thƣớc lỗ chân lông). Trong khi các lỗ chân lông nhỏ trong màng
lọc là quá lớn để loại bỏ các chất ô nhiễm vi sinh, kích thƣớc dƣới màng lỗ
đƣợc sử dụng trong lọc nano (NF, lỗ phạm vi kích thƣớc: 0.001mm) và thẩm
thấu ngƣợc (RO, phạm vi kích thƣớc lỗ <0.001mm) đã thể hiện trong những
năm gần đây để loại bỏ hiệu quả các hợp chất dƣợc phẩm thấp trọng lƣợng

19

phân tử, bao gồm cả thuốc kháng sinh, trong xử lý nƣớc thải. Nghiên cứu
khác nhau[8, 17, 19, 27] cho thấy một số thuốc kháng sinh bao gồm
quinolone, sulfonamides, tetracycline đƣợc loại bỏ đáng kể. Nhƣng một số
cuộc nghiên cứu[16, 21] cho thấy các ô nhiễm của màng cũng có thể dẫn đến
cải thiện nhiều chất hoà tan.
1.2.2 .Than hoạt tính xử lý hấp phụ
Hiệu quả của việc sử dụng than hoạt tính phụ thuộc và tính chất của vật
liệu hấp phụ, các đặc tính vật lý của hợp chất. Hơn nữa, hiệu quả hấp thụ[28]
của thuốc kháng sinh để than hoạt tính có thể ảnh hƣởng lớn đến nồng độ ban
đầu của các hợp chất, độ pH, nhiệt độ và sự hiện diện của các hợp chất khác
có trong nƣớc. Việc loại bỏ các thuốc kháng sinh bằng than hoạt tính[27] đã
đƣợc báo cáo trong một số nghiên cứu. Nồng độ của một số thuốc kháng sinh
trong nƣớc thải với liều lƣợng từ 10 đến 20 mg/ L đã giảm 49-99% sau 4 giờ
thời gian tiếp xúc với than hoạt tính [1].
1.2.3 .Quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs)
Quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) là phƣơng pháp mới khá hiệu quả
cho các nƣớc và xử lý nƣớc thải.Các quá trình liên quan đến việc sử dụng và
thế hệ của các loài chuyển tiếp mạnh m , chủ yếu là gốc hydroxyl (HO).
Trong khi các loài này đƣợc đặc trƣng bởi sự thiếu tính chọn lọc của các tác
nhân. Tính chất này là rất quan trọng trong xử lý nƣớc thải do các gốc tự tấn
công các phần oxy hóa của các phân tử hữu cơ. Một số nghiên cứu [3, 20]đã
báo cáo xử lý AOPs hiệu quả để loại bỏ các kháng sinh trong nƣớc thải. Ví
dụ, sự hiện diện của các chất hữu cơ hòa tan tự nhiên (DOM) có thể dẫn đến
sự hình thành của quá trình oxy hóa các sản phẩm có thể gây ra chất lƣợng
nƣớc xấu đi vƣợt trạng thái ban đầu của ô nhiễm. Tƣơng tự nhƣ vậy, sự hiện
diện của nitrat cacbonat và DOM, có thể can thiệp vào việc phá hủy các
kháng sinh mục tiêu (s) và cuối cùng là làm giảm hiệu quả của AOP chọn. Sự
linh hoạt của AOPs đƣợc tăng cƣờng bởi thực tế có nhiều cách khác nhau của
sản xuất các gốc hydroxyl, tạo điều kiện cho phù hợp với các yêu cầu xử lý

20


cụ thể. Các AOPs phổ biến nhất đã đƣợc sử dụng và đánh giá là : sự quang
dƣới tia cực tím (UV) bức xạ, sự kết hợp của hydrogen peroxide (H2O2),
ozone (O3) và tia cực tím chiếu xạ ; quang xúc tác đồng nhất với thuốc thử
Fenton, quang xúc tác không đồng nhất với vật liệu bán dẫn (egTiO2) và
sonolysis chiếu xạ siêu âm.
1.2.4 .Ozon hóa
Ozone là một chất oxy hóa mạnh m và ngày càng đƣợc sử dụng để xử lý
nƣớc thải trong khi nó đã đƣợc truyền thống đƣợc sử dụng trong xử lý nƣớc
uống. Các nghiên quan sát đã cho thấy rằng việc sử dụng ozone ở liều 2 mg
L1 (0,3-0,4 g g1 DOC) hơn 80% của sulfonamides, trimethoprim và
macrolide đã đƣợc loại bỏ trong nƣớc thải xử lý nƣớc thải thứ cấp. Trong
một số nghiên cứu đã [7] cho thấy ozon hóa mà loại bỏ hơn 95% của một số
sulfonamid và trimethoprim từ nƣớc sông trong thời gian tiếp xúc 1.3 phút ở
liều lƣợng ôzôn 7,1 mg/ml và cũng cho chúng ta thấy 80% β-lactam loại bỏ
từ nƣớc thải đã đƣợc quan sát trong quá trình điều trị ozon hóa sau 60 phút
và ozone liều 2,96 g L11. Trong một nghiên cứu khác về hàm lƣợng COD[9]
cũng chỉ ra rằng COD của một công thức kháng sinh nƣớc thải có chứa
penicillin (COD ¼ 830 mg L1) đƣợc loại bỏ bởi 10-56% trong quá trình ozon
hóa trong khi việc bổ sung một lƣợng nhỏ hydrogen peroxide tăng hiệu quả
loại bỏ (83%) . Trong một nghiên cứu khác[24] COD và TOC của việc xây
dựng nƣớc thải có chứa thuốc penicillin đƣợc loại bỏ bằng 49% và 52%
tƣơng ứng trong điều kiện kiềm (pH ¼ 11), trong khi hiệu quả xử lý thấp hơn
nhiều trong điều kiện có tính acid (pH ¼ 3) (COD loại bỏ tối đa ¼ 15%;
TOC loại bỏ tối đa ¼ 2%). Nhiều tác giả cho rằng độ pH là một tham số quan
trọng trong quá trình ozon hóa và giảm độ pH thƣờng ảnh hƣởng đến tốc độ
phản ứng và cũng là tỷ lệ hấp thụ ozone. Trong quá trình ozon hóa nƣớc thải,
nhiều kháng sinh, bao gồm cả β-lactam, sulfonamides, macrolide, quinolone,

trimethoprim và tetracyclin, đã đƣợc chứng minh để đƣợc chuyển đổi chủ
yếu là thông qua quá trình oxy hóa trực tiếp của O3 trong khi penicillin G,

21


cephalexin và N4-acetylsulfamethoxazole đƣợc chuyển đến một mức độ lớn
bằng các gốc hydroxyl. Ozone hoặc hydroxyl gốc tự tắt đặc tính diệt khuẩn
của kháng sinh bằng cách tấn công hoặc điều chỉnh các nhóm chức năng
dƣợc hoạt động của họ, chẳng hạn nhƣ N-etheroxime và dimetylamino nhóm
macrolid các nửa của anilin sulfonamid, nhóm thioether của penicillin, liên
kết không bão hòa của cephalosporin và vòng phenol của trimethoprim.
Nghiên cứu đƣợc tiến hành cho đến nay cho thấy ozon hóa đó là một cách
tiếp cận đầy hứa hẹn để làm giảm kháng sinh. Ozon hóa đã đƣợc tìm thấy là
một quá trình có hiệu quả để loại bỏ β-lactam, macrolides, sulfonamid và
trimethoprim, quinolone, tetracycline và lincosamide. Hiệu quả xử lý ozone
có thể đƣợc tăng cƣờng nếu ozone kết hợp với tia UV, hydrogen peroxide
hoặc chất xúc tác (thƣờng là sắt hoặc đồng hợp)[26]. Tuy nhiên, quá trình tối
ƣu và điều kiện hoạt động vẫn chƣa đƣợc xác định cho các nƣớc khác nhau
và các loại nƣớc thải cũng nhƣ các loại thuốc kháng sinh.
1.2.5 .Oxi hóa Feton
Quá trình oxy hóa Fenton là một quá trình oxy hóa đồng nhất và đƣợc
coi là một kim loại xúc tác phản ứng oxy hóa, trong đó sắt đóng vai trò nhƣ
chất xúc. Nhƣợc điểm chính của quá trình này là giá trị pH thấp cần thiết để
tránh kết tủa sắt diễn ra ở pH cao hơn. Nhìn chung, quá trình Fenton đã đƣợc
sử dụng rộng rãi với sự thành công cho quá trình oxy hóa của nhiều loại
kháng sinh bao gồm cả β-lactam, quinolone, trimethoprim và tetracycline.
1.2.6 .Chiếu xạ siêu âm
Chiếu xạ siêu âm là một quá trình tƣơng đối mới trong xử lý nƣớc và
nƣớc thải và do đó, đã không mấy ngạc nhiên khi phƣơng pháp này ít đƣợc

chú ý hơn AOPs . Điều này cũng đƣợc phản ánh bởi số lƣợng nhỏ các ấn
phẩm liên quan đến việc xử lý của các hợp chất dƣợc phẩm. Siêu âm tăng
cƣờng thay đổi hóa học và vật lý trong một môi trƣờng lỏng thông qua việc
phá hủy thế hệ tiếp theo của các bong bóng và tạo bọt. Các bong bóng khí
phát triển trong khoảng thời gian một vài chu kỳ đến một kích thƣớc cân

22


bằng cho các tần số cụ thể đƣợc áp dụng. Có thể thấy rằng việc chuyển đổi
amoxicillin đã đƣợc tăng cƣờng tại tăng mật độ năng lƣợng đƣợc áp dụng,
điều kiện có tính axit và trong sự hiện diện của không khí hòa tan và loại bỏ
tối đa quan sát là 40%. Điều quan trọng cần lƣu ý rằng chi phí cho quá trình
xử lý tiên tiến xử lý nƣớc thải chƣa đảm bảo về mặt kinh tế vì khía cạnh này
là một vấn đề rất quan trọng.
1.2.7 . Ảnh hƣởng của khử trùng trên loại bỏ thuốc kháng sinh
a) Clo
Nghiên cứu giới hạn đã tập trung vào việc loại bỏ các chất kháng sinh
trong quá trình xử lý nƣớc thải với clo. Clo đến nay là phƣơng pháp phổ biến
nhất của khử tr ng nƣớc thải và đƣợc sử dụng trên toàn thế giới để khử trùng
mầm bệnh trƣớc khi thải ra tiếp nhận suối, sông, biển. Hai nhƣợc điểm chính
của việc sử dụng chất khử trùng clo dựa trên là :
+ Những mối nguy liên quan đến lƣu trữ, vận chuyển và xử lý clo
+ Sự hình thành tiềm năng của sản phẩm phụ khử trùng.
Việc loại bỏ hiệu quả của thuốc kháng sinh bằng clo từ nƣớc thải đòi hỏi
phải có nồng độ clo tự do đầy đủ và thời gian tiếp xúc.
b) Chiếu xạ tia cực tím
Việc khử trùng bằng tia cực tím (UV) đang ngày càng đƣợc ứng dụng
trong UWTPs. Trong quang phân trực tiếp, các chất gây ô nhiễm hấp thụ các
photon năng lƣợng phù hợp, dẫn đến sự tan rã của phân tử. Sự phân rã của

một số hợp chất bởi tia UV phụ thuộc vào sự hấp thu năng lƣợng tia cực tím
và hiệu suất lƣợng tử của hợp chất. Phƣơng pháp này đã đƣợc sử dụng rộng
rãi để xử lý các v ng nƣớc thải trên toàn thế giới. Tuy nhiên công nghệ này
chỉ có thể áp dụng cho những chất có nồng độ COD thấp.
1.2.8 .Quang xúc tác không đồng nhất với TiO2
Không đồng nhất xúc tác quang của TiO2 bán dẫn đƣợc thực hiện thƣờng
là do sự chiếu sáng của hệ thống treo của TiO2 trong dung dịch nƣớc với
năng lƣợng ánh sáng lớn hơn năng lƣợng khoảng cách phổ của chúng. Điều

23


này dẫn đến sự hình thành của cặp electronhole năng lƣợng cao (e / H) có thể
di chuyển trên bề mặt của chất xúc tác và có thể tái tổ hợp sản xuất năng
lƣợng nhiệt, hoặc tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử với các hợp chất
đƣợc hấp thụ trên bề mặt của chất xúc tác [4, 39, 23]. Các lỗ hóa trị là oxy
hóa mạnh và có khả năng oxy hóa các chất ô nhiễm khác nhau, cũng nhƣ các
nƣớc, dẫn đến sự hình thành của HO- trong khi các điện tử vùng dẫn là chất
khử tốt giảm oxy hòa tan cho O2[18](Munter, 2001). Nghiên cứu của Elmolla
và Chaudhuri (2011) [38]đã kiểm tra tính khả thi của việc sử dụng kết hợp
TiO2 ảnh xúc tác (UV/TiO2 / H2O2) và trình tự hàng loạt lò phản ứng sinh
học (SBR) quá trình xử lý của một nƣớc thải có chứa kháng sinh amoxicillin
và cloxacillin. Bãi bỏ hoàn toàn các hợp chất này đã đƣợc quan sát thấy ở
TiO2 và H2O2 liều 1000 và 250 mg L 1, tƣơng ứng . Amoxicillin cũng đã
đƣợc loại bỏ hoàn toàn từ nhà máy xử lý nƣớc thải đô thị sử dụng nƣớc thải
[TiO2] ¼ 0,8 g L1 sau 120 phút xử lý theo báo cáo của Rizzo et al.
(2009)[22]. Ofloxacin trong các mẫu nƣớc thải đƣợc loại bỏ bằng cách sử
dụng 60% [TiO2] ¼ 3gL1[15] (Michael và cộng sự., 2010) trong khi H
apeshi et al. (2010) báo cáo rằng DOC của một dung dịch chứa ofloxacin ở
mức 10 mg L1 đã giảm 79% sau 120 phút xử lý quang sử dụng [TiO2] ¼ 250

mg L 1 và [H2O2 ] ¼ 0,07 mmol L1. Bên cạnh một số nhƣợc điểm của xúc
tác quang không đồng nhất (ví dụ nhƣ hiệu suất lƣợng tử tƣơng đối nhỏ của
quá trình này; phạm vi ánh sáng phản ứng tƣơng đối hẹp của TiO2; nhu cầu
sau tách và phục hồi của các hạt chất xúc tác từ hỗn hợp phản ứng trong hệ
thống bùn dung dịch nƣớc), TiO2 dƣờng nhƣ có một số tính năng thú vị,
chẳng hạn nhƣ sự ổn định cao hóa học trong một khoảng pH rộng, sức đề
kháng mạnh m để phân tích hóa học và photocorrosion, sẵn sàng thƣơng
mại và thực hiện tốt. Chất xúc tác cũng là giá rẻ và có thể đƣợc tái sử
dụng[33][11](Andreozzi và cộng sự, 1999;. Malato et al, 2009.). Các thuộc
tính của thuốc kháng sinh để điều trị nhƣ cấu trúc phân tử pKa s quyết định
không chỉ hiệu quả của suy thoái quang của họ mà còn là cơ chế của các sản

24


phẩm oxy hóa hình thành (tức là đóng góp của HO triệt để và lỗ hóa trị trong
phản ứng oxy hóa)
1.3 .Các phƣơng pháp điều chế vật liệu nano
Để chế tạo vật liệu nano ngƣời ta thƣờng sử dụng 2 phƣơng pháp:
phƣơng pháp từ trên xuống và phƣơng pháp từ dƣới lên. Phƣơng pháp từ trên
xuống là phƣơng pháp tạo hạt kích thƣớc nano từ các hạt có kích thƣớc lớn
hơn, phƣơng pháp từ dƣới lên là phƣơng pháp từ dƣới lên là phƣơng pháp
hình thành hạt nano từ các nguyên tử.
1.3.1 .Phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano đi từ trên xuống
a,Phương pháp cơ học
Bao gồm phƣơng pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. theo phƣơng pháp
này,vật liệu ở dạng bột đƣợc nghiền đến kích thƣớc nhỏ hơn. Ngày nay các
máy nghiền thƣờng dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay.
Phƣơng pháp này thƣờng d ng để tạo vật liệu không phả là hữu cơ nhƣ kim
loại

b,Phương pháp bốc bay
Gồm các phƣơng pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân
không (vacuum deposition), vật lý, hóa học.Các phƣơng pháp này áp dụng
hiệu quả để chế tạo nano mang mỏng hoặc các lớp phủ bề mặt tuy vậy ngƣời
ta cũng có thể d ng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế. Tuy
nhiên phƣơng pháp này không hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô
thƣơng mại.
c,Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase)
Gồm các phƣơng pháp nhiệt phân (flame pyrolysis ), nổ điện (electroexplosion), đốt laser, bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của phƣơng
pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Nhiệt phân là phƣơng pháp
có từ rất lâu, đƣợc d ng để tạo các vật liệu đơn giản nhƣ carbon, silicon.
Phƣơng pháp đốt laser thì có thể tạo đƣợc nhiều nhƣng lại bị giới hạn trong
phòng thí nghiệm vì hiệu suất thấp. Phƣơng pháp plasma một chiều và xoay

25