Nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silicachitosan ứng dụng làm chất kháng nấm bệnh thực vật.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-------------------------------------

LÊ NGHIÊM ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANO SILICA TỪ TRO VỎ TRẤU
VÀ VẬT LIỆU LAI NANO SILICA/CHITOSAN ỨNG DỤNG
LÀM CHẤT KHÁNG NẤM BỆNH THỰC VẬT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

TP.HCM – 2021


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

LÊ NGHIÊM ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANO SILICA TỪ TRO VỎ TRẤU
VÀ VẬT LIỆU LAI NANO SILICA/CHITOSAN ỨNG DỤNG
LÀM CHẤT KHÁNG NẤM BỆNH THỰC VẬT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA HỌC
Chun ngành: Hóa vơ cơ

Mã số

: 9.44.01.13

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Bùi Duy Du
2. GS.TS. Nguyễn Quốc Hiến


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án này do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn khoa học. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận
án là trung thực và chưa được công bố trong luận án khác.
Tác giả luận án

NCS. Lê Nghiêm Anh Tuấn

1


LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành tại Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng - Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, với sự hỗ trợ kinh phí của đề tài
NAFOSTED 106-NN.03-2015.84. Trong q trình nghiên cứu, tác giả đã nhận
được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp,
bạn bè và gia đình.
Trước hết, tơi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Bùi Duy Du,
PGS.TS. Nguyễn Quốc Hiến đã tận tình hướng dẫn trong suốt q trình nghiên cứu
và hồn thiện luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Lại Thị Kim Dung cùng tập thể Viện Khoa

học Vật liệu Ứng dụng; cảm ơn Phòng Nghiên cứu và Phát triển – Trung tâm
Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ TP.HCM (VINAGAMMA) đã tạo điều
kiện tốt nhất cho tôi tổng hợp vật liệu và thử hoạt tính kiểm sốt bệnh cây trồng
trong thời gian thực hiện luận án.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Cơng
nghệ, Viện Cơng nghệ Hóa học và Khoa Hóa học đã giúp đỡ tơi tận tình và tạo điều
kiện thuận lợi cho tơi để hồn thành luận án.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và những người thân đã
luôn luôn quan tâm, khích lệ, động viên tơi trong suốt q trình học tập và nghiên
cứu./.
Tác giả luận án

NCS. Lê Nghiêm Anh Tuấn


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................... ii
MỤC LỤC............................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH...................................................................................... viii
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề.......................................................................................................... 1
2. Nội dung chính của luận án................................................................................ 2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn............................................................................ 2

Chương 1.

TỔNG QUAN.................................................................................... 4

1.1. Cấu tạo, tính chất của nano silica, oligochitosan và vật liệu lai của chúng......4
1.1.1. Nano silica................................................................................................ 4
1.1.2. Oligochitosan............................................................................................ 6
1.1.3. Vật liệu lai nano silica/oligochitosan........................................................ 6
1.2. Nghiên cứu tổng hợp nano silica, oligochitosan và nano silica/oligochitosan.7
1.2.1. Tổng hợp nano silica................................................................................. 7
1.2.2. Nghiên cứu điều chỉnh khối lượng phân tử chitosan thành oligochitosan

............................................................................................................................12
1.2.3. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan....................15
1.3. Hoạt tính kháng vi sinh vật của nano silica, oligochitosan và vật liệu lai nano

silica/oligochitosan............................................................................................... 17
1.3.1. Một số nghiên cứu về hoạt tính kháng vi sinh vật của nano silica..........17
1.3.2. Hoạt tính kháng vi sinh vật của oligochitosan........................................ 18
1.3.3. Hoạt tính kiểm soát bệnh thực vật của vật liệu lai nano silica/chitosan. 21
1.4. Triển vọng của việc sử dụng vật liệu nano silica/oligochitosan làm chất kiểm

soát bệnh thực vật................................................................................................. 22
1.5. Kết luận phần tổng quan tài liệu.................................................................... 26

Chương 2.

THỰC NGHIỆM.............................................................................. 28

2.1. Nguyên liệu và hóa chất................................................................................ 28


2.2. Thực nghiệm................................................................................................. 28

2.2.1. Điều chế nano silica từ tro vỏ trấu.......................................................... 28
2.2.2. Điều chế oligochitosan khối lượng phân tử từ 3.000 – 7.000 g.mol-1......30
2.2.3. Điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan.......................................31
2.2.4. Xác định độc tính của vật liệu lai nano silica/oligohitosan.....................33
2.2.5. Nghiên cứu in vivo hiệu lực kiểm soát bệnh đốm nâu trên cây thanh long

của vật liệu nano silica, oligochitosan và nano silica/oligochitosan.
34
2.2.6. Nghiên cứu in vivo hiệu lực kiểm sốt bệnh đạo ơn lá và bạc lá lúa của

vật liệu lai nano silica/oligochitosan.
38
2.2.7. Nghiên cứu hiệu lực kiểm soát bệnh nấm hồng trên cây cao su của vật

liệu lai nano silica/oligochitosan.
41
2.3. Các phương pháp và kỹ thuật sử dụng trong nghiên cứu............................... 42
2.3.1. Phương pháp đo giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)....................................... 42
2.3.2. Phương pháp đo phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)............................42
2.3.3. Phương pháp đo phổ hồng ngoại (FT-IR)............................................... 43
2.3.4. Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)..............43
2.3.5. Phương pháp đo phổ sắc ký lọc gel (GPC)............................................. 43
2.3.6. Phương pháp đo quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-vis).........................44
2.3.7. Phương pháp đo thế điện kép zeta.......................................................... 45

Chương 3.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................... 46

3.1. Thành phần hóa học của phế thải tro vỏ trấu trước và sau xử lý HCl............46

3.2. Kết quả điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân..........................47
3.2.1. Điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu.............47
3.2.2. Điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân gel SiO2/CS...........50
3.2.3. Thành phần và tính chất hóa lý của nano silica...................................... 53
3.3. Kết quả điều chế oligochitosan bằng cách xử lý chitosan bởi H2O2 kết hợp với

chiếu xạ tia  Co-60.............................................................................................. 60
3.3.1. Ảnh hưởng của liều chiếu xạ đến sự suy giảm khối lượng phân tử của

chitosan.


60
3.3.2. Nghiên cứu đặc trưng liên kết và cấu trúc mạng tinh thể của

oligochitosan.
............................................................................................................................63
3.4. Kết quả điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan..................................65


3.4.1. Điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan bằng phương pháp phối

trộn. 65
3.4.2. Điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan bằng phương pháp kết tủa

nano silica trong dung dịch oligochitosan
68
3.4.3. Tính chất hóa lý đặc trưng của vật liệu lai nano SiO2/OC3000..............70
3.5. Nghiên cứu độ ổn định của vật liệu lai nano silica/oligochitosan..................74
3.6. Xác định độc tính của vật liệu lai nano SiO2/OC3000...................................76

3.6.1. Độc tính qua đường miệng...................................................................... 76
3.6.2. Độc tính qua đường tiếp xúc da.............................................................. 77
3.7. Thử nghiệm in vivo khả năng kiểm soát bệnh đốm nâu cây thanh long của

nano SiO2/OC.......................................................................................................78
3.7.1. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử oligochitosan đến hoạt độ của

enzyme chitinase và hiệu quả kiểm sốt bệnh đốm nâu thanh long.
78
3.7.2. Hiệu ứng kích kháng của vật liệu nano SiO2/OC3000 đến hoạt độ enzyme

chitinase và khả năng kiểm soát bệnh đốm nâu thanh long.
82
3.8. Hiệu lực kiểm sốt in vivo bệnh đạo ơn và bạc lá trên lúa của nano SiO2/OC.

...............................................................................................................................88
3.8.1. Hiệu lực kiểm soát bệnh đạo ôn lá trên lúa của nano SiO2/OC..............88
3.8.2. Hiệu lực kiểm soát bệnh bạc lá trên lúa của nano SiO2/OC....................91
3.9. Hiệu lực kháng bệnh nấm hồng Corticium salmonicolor trên cây cao su......93
3.9.1. Hiệu lực in vitro kháng nấm hồng Corticium salmonicolor của nano

SiO2/OC.
93
3.9.2. Hiệu lực kiểm soát bệnh nấm hồng trên cây cao su của nano SiO2/OC 95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 98
KẾT LUẬN.......................................................................................................... 98
KIẾN NGHỊ......................................................................................................... 99
MỘT SỐ ĐÓNG GĨP MỚI CỦA LUẬN ÁN...................................................... 100
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ..........................101

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 102
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 118


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CS

Chitosan

cs

cộng sự

CSB

Chỉ số bệnh

CTAB

Cetyltrimethylammonium bromide

DNS

Axit 3,5-dinitrosalicylic

EDX

Tán xạ năng lượng tia X

FT-IR

Phổ hồng ngoại

GPC

Sắc ký lọc gel

IC50

Nồng độ ức chế tối thiểu 50% nấm bệnh

KLPT

Khối lượng phân tử

LD50

Độc tính cấp - Liều gây chết 50% qua đường miệng

nano SiO2

Nano silica

nano SiO2/OC3000

Nano silica/oligochitosan khối lượng phân tử 3.000
g.mol-1

OC

Oligochitosan

OC3000

Oligochitosan có khối lượng phân tử 3.000 g.mol-1

OC5000

Oligochitosan có khối lượng phân tử 5.000 g.mol-1

OC7000

Oligochitosan có khối lượng phân tử 7.000 g.mol-1

OD

Optical density

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

TEOS

Tetraethoxysilane

TLB

Tỉ lệ bệnh

TMOS

Tetramethoxysilane

XRD

Nhiễu xạ tia X

 Co-60

Tia gamma Coban đồng vị 60


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Khối lượng phân tử và thời gian lưu của các mẫu chuẩn Pullulan

44

Bảng 3.1. Thành phần hóa học của phế thải cơng nghiệp tro vỏ trấu.......................46
Bảng 3.2. Thành phần tro vỏ trấu sau khi xử lý với axit HCl 2N, thời gian 2 giờ 46
Bảng 3.3. Hàm lượng SiO2 trong nano silica điều chế bằng nhiệt phân tro vỏ trấu. 54
Bảng 3.4. Dữ liệu phổ FT-IR của nano silica được điều chế bằng nhiệt phân tro vỏ
trấu và nhiệt phân gel SiO2/CS................................................................................58
Bảng 3.5. Khối lượng phân tử của các mẫu chitosan theo liều chiếu xạ và chu kỳ
chiếu xạ................................................................................................................... 61
Bảng 3.6. Dữ liệu phổ FT-IR của vật liệu lai nano SiO2/OC...................................73
Bảng 3.7. Thế điện kép (ζ) của dung dịch keo nano SiO2/OC3000.........................76
Bảng 3.8. Kết quả thử độc tính cấp qua đường miệng trên chuột của vật liệu nano

SiO2/OC3000...........................................................................................................77
Bảng 3.9. Tỷ lệ nhạy cảm của chuột tiếp xúc với vật liệu lai nano SiO2/OC3000. 77
Bảng 3.10. Tỉ lệ bệnh và chỉ số bệnh đốm nâu thanh long xử lý với OC3000,
OC5000
và OC7000 trong phương pháp lây nhiễm nấm bệnh.............................................. 82
Bảng 3.11. Tỉ lệ bệnh và chỉ số bệnh đốm nâu thanh long xử lý vật liệu OC3000,
nano SiO2, và nano SiO2/OC3000 bằng phương pháp lây nhiễm nấm bệnh............86
Bảng 3.12. Hiệu quả kiểm sốt bệnh đạo ơn lá lúa sau khi xử lý bằng vật liệu lai
nano SiO2/OC3000..................................................................................................89
Bảng 3.13. Hiệu quả kiểm soát bệnh bạc lá lúa sau khi xử lý với vật liệu lai nano
SiO2/OC3000...........................................................................................................92
Bảng 3.14. Hiệu lực kiểm soát bệnh nấm hồng trên cây cao su khi xử lý vật liệu lai
nano SiO2/OC3000, nano SiO2 và OC3000.............................................................95


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của silica [1]................................................................... 4
Hình 1.2. Sự hấp thụ silicic trong cây lúa (a) và silica trong vỏ trấu (b)................... 5
Hình 1.3. Cơng thức cấu tạo của chitosan.................................................................. 6
Hình 1.4. Mơ phỏng hình thành liên kết giữa silica và chitosan [26]........................ 7
Hình 1.5. Ảnh TEM của nano silica tổng hợp từ vỏ trấu: a) [29]; b) [30]; c) [31]; d)
[45].......................................................................................................................... 10
Hình 1.6. Sơ đồ cơ chế bắt hydro của gốc tự do hydroxyl cắt mạch chitosan [60]. 14
Hình 1.7. Mơ phỏng liên kết phối trí giữa SiO2 và chitosan [45, 65]......................16
Hình 1.8. Cơ chế kháng vi sinh vật của chitosan và oligochitosan [69]...................19
Hình 1.9. Cơ chế kích kháng sinh học trên cây trồng khi có tác động của
oligoglucan, oligochitosan [104]............................................................................. 20
Hình 1.10. Vết bệnh đốm nâu trên dây, quả thanh long........................................... 24
Hình 1.11. Vết bệnh đạo ôn lá lúa (a); Bệnh bạc lá trên lúa (b)...............................25
Hình 1.12. Vết bệnh nấm hồng trên cây cao su (a); Vết bệnh nấm hồng gây hại nặng

(b)............................................................................................................................ 25
Hình 2.1. Quy trình điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu.
...................................................................................................................................29
Hình 2.2. Quy trình điều chế nano silica bằng cách nhiệt phân gel SiO2/CS...........29
Hình 2.3. Quy trình điều chế oligochitosan có khối lượng phân tử khác nhau........31
Hình 2.4. Quy trình điều chế vật liệu nano SiO2/OC bằng phương pháp phối trộn. 32
Hình 2.5. Quy trình điều chế vật liệu lai nano silica/oligochitosan bằng phương
pháp kết tủa nano SiO2 trong dung dịch oligochitosan............................................33
Hình 2.6. Phản ứng thủy phân chitin bằng enzyme chitinnase................................36
Hình 2.7. Phản ứng của đường khử với thuốc thử DNS..........................................36
Hình 2.8. Đường chuẩn tương quan giữa khối lượng phân tử và thời gian lưu của
Pullulans chuẩn........................................................................................................ 44
Hình 3.1. Phổ EDX của tro vỏ trấu ban đầu (a) và tro vỏ trấu sau xử lý axit (b).

47

Hình 3.2. Tro vỏ trấu đã xử lý axit HCl (a) và nano silica (nhiệt phân tro vỏ trấu). 47
Hình 3.3. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của nano silica khi nhiệt phân tại:
(A, a) 700 oC; (B, b) 750 oC và (C; c) 800 oC.......................................................... 48


Hình 3.4. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của nano silica phụ thuộc vào tỉ lệ:
(A; a) SiO2/CS ~ 1/1; (B; b) SiO2/CS ~ 2/1; (C; c) SiO2/CS ~ 4/1 và (D; d) SiO2/CS
~ 6/1...........................................................................................................................51
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của kích thước hạt nano silica vào tỉ lệ khối lượng SiO2/CS.
...................................................................................................................................52
Hình 3.6. Phổ và dữ liệu EDX của nano silica khi nhiệt phân tại: a) 700 oC; b) 750
C; c) 800 oC và d) nhiệt phân gel SiO2/CS.............................................................54

o

Hình 3.7. Giản đồ XRD của mẫu nano silica khi nhiệt phân tại: a) 700 oC; b) 750 oC
và c) 800 oC............................................................................................................. 55
Hình 3.8. SiC - màu xám đen (a); nano silica - màu trắng (b).................................56
Hình 3.9. Giản đồ XRD của nano silica phụ thuộc vào tỉ lệ: a) SiO2/CS ~ 1/1; b)
SiO2/CS ~ 2/1; c) SiO2/CS ~ 4/1và d) SiO2/CS ~ 6/1..............................................57
Hình 3.10. Phổ FT-IR của mẫu nano silica khi nhiệt phân tại: a) 700 oC; b) 750 oC
và c) 800 oC............................................................................................................. 57
Hình 3.11. Phổ FT-IR của nano silica phụ thuộc vào tỉ lệ: a) SiO2/CS ~ 1/1; b)
SiO2/CS ~ 2/1; c) SiO2/CS ~ 4/1và d) SiO2/CS ~ 6/1 trong gel...............................59
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của khối lượng phân tử của oligochitosan vào liều xạ.....62
Hình 3.13. Phổ FT-IR: a) CS nguyên liệu; b) Mẫu CS03 (KLPT ~7.000 g.mol-1); c)
Mẫu CS04 (KLPT ~5.000 g.mol-1); d) Mẫu CS07 (KLPT ~3.000 g.mol-1)..............63
Hình 3.14. Giản đồ XRD của chitosan nguyên liệu (a) và OC3000.........................64
Hình 3.15. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt nano silica trong vật liệu SiO 2/OC
phụ thuộc vào: (A; a) OC3000; (B; b) OC5000; (C; c) OC7000.............................66
Hình 3.16. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt silica của nano SiO2/OC (phối trộn)
phụ thuộc vào hàm lượng SiO2: a) SiO2 1%; b) SiO2 1,5%; c) SiO2 2%..................67
Hình 3.17. Mẫu vật liệu nano SiO2/OC (phối trộn): SiO2 1,0%/OC 2% (a); SiO2
1,5%/OC 2% (b) sau 12 tháng; c) SiO2 2%/OC 2% sau 2 tháng bảo quản..............68
Hình 3.18. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt nano silica trong nano SiO2/OC
(kết tủa) phụ thuộc vào hàm lượng SiO2: a) SiO2 1%; b) SiO2 1,5%; c) SiO2 2%.. .69
Hình 3.19. Mẫu vật liệu nano SiO2/OC (kết tủa): SiO2 1,0%/OC 2% (a); SiO2
1,5%/OC 2% (b) sau 12 tháng; c) SiO2 2%/OC 2% sau 2 tháng bảo quản..............70
Hình 3.20. Giản đồ XRD: a) nano silica điều chế bằng phương pháp nhiệt phân tro
vỏ trấu; b) vật liệu lai nano SiO2/OC3000...............................................................71


Hình 3.21. Phổ UV-vis của chitosan (a); oligochitosan (b); vật liệu nano
SiO2/OC3000 (c) và nano silica (d)........................................................................ 71

Hình 3.22. Phổ FT-IR của: a) nano SiO2/OC3000 g.mol-1; b) OC5000 g.mol-1; c)
nano SiO2/OC7000 g.mol-1..................................................................................... 72
Hình 3.23. Minh họa sự tương tác của nano silica với oligochitosan trong vật liệu lai
nano SiO2/OC..........................................................................................................74
Hình 3.24. Sự thay đổi kích thước hạt nano SiO2 trong vật liệu lai nano SiO2/OC3000
(nano SiO2 1,5% và OC 2%) theo thời gian bảo quản.............................................75
Hình 3.25. Hoạt độ enzyme chitinase trên cây thanh long được xử lý bởi các
OC3000, OC5000 và OC7000 sau khi lây nhiễm nấm Neoscytalidium dimidiatum 79
Hình 3.26. Hoạt độ enzyme chitinase của cây thanh long được xử lý bởi OC, nano
SiO2, và nano SiO2/OC sau khi lây nhiễm nấm Neoscytalidium dimidiatum...........83
Hình 3.27. Vết bệnh đốm nâu trên dây thanh long tại thời điểm sau 168 giờ lây
nhiễm nấm: a) OC; b) Đối chứng dương; c) nano SiO2/OC; d) Đối chứng âm; e) nano
SiO2.
...................................................................................................................................87
Hình 3.28. Vết bệnh đạo ôn lá trên lúa trong thí nghiệm in vivo xử lý bằng: a) nano
SiO2/OC75; b) nano SiO2/OC100; c) nano SiO2/OC125; d) Trizole 75WP; e) Đối
chứng....................................................................................................................... 90
Hình 3.29. Hình ảnh nghiên cứu hiệu lực kiểm soát in vivo bệnh bạc lá trên lúa: a)
Bố trí thí nghiệm; b) Khung điều tra; c) Vết bệnh sau khi xử lý nano SiO2/OC; d)
Vết bệnh đối chứng................................................................................................. 93
Hình 3.30. Ảnh hưởng của vật liệu nano SiO2/OC3000 đến sự phát triển của tản
nấm sau 8 ngày nhiễm nấm Corticium salmonicolor............................................... 94
Hình 3.31. Hiệu quả ức chế nấm Corticium salmonicolor phụ thuộc vào nồng độ
của nano SiO2/OC....................................................................................................95
Hình 3.32. Thí nghiệm kiểm sốt bệnh nấm hồng trên cây cao su: a, c) Vườn cao su
thí nghiệm; b) Vết bệnh nấm hồng cấp 3; d) Vết bệnh sau xử lý vật liệu nano
SiO2/OC.
...................................................................................................................................96

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề

Ngày nay, việc nghiên cứu sử dụng chất thải trong các ngành công nghiệp,
nông nghiệp, chế biến thủy hải sản, … thành các vật liệu mới ứng dụng trong đời
sống nhằm tiết kiệm nguồn tài nguyên hữu hạn của nhân loại là cần thiết.
Nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản là những ngành kinh tế chủ lực của Việt
Nam, chất thải tro vỏ trấu dồi dào từ nền nông nghiệp sản xuất lúa gạo là nguồn
nguyên liệu hữu ích có thể tổng hợp thành vật liệu silica và phế thải vỏ tôm trong
chế biến thủy hải sản điều chế thành vật liệu sinh học chitin, chitosan để ứng dụng
trong nhiều ngành công nghiệp. Theo thống kê trung bình hàng năm, Việt Nam có
khối lượng tro vỏ trấu thải ra khoảng 150.000 tấn và vỏ tôm khoảng 325.000 tấn.
Tro vỏ trấu có hàm lượng SiO2 > 60% là nguyên liệu thích hợp dùng để điều
chế silica, tùy vào phương pháp điều chế sẽ có kích thước vật liệu khối hoặc vât liệu
nanomét. Ở kích thước nanomét, silica có hoạt tính kháng nhiều loại vi khuẩn, vi
nấm. Chitosan được điều chế từ vỏ tơm có hoạt tính kháng vi sinh vật phổ rộng và
hiệu quả. Khi sử dụng trong canh tác cây trồng, chitosan được thực vật hấp thụ tùy
thuộc vào khối lượng phân tử và thể hiện khả năng kích thích thực vật tạo ra các
enzyme kháng lại vi sinh vật gây bệnh như chitinase, glucanase, … hoặc tác động
trực tiếp tiêu diệt vi sinh vật.
Vì các lý do trên, luận án lựa chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo
nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silica/chitosan ứng dụng làm chất
kháng nấm bệnh thực vật”. Mục tiêu của luận án là điều chế một loại vật liệu nano
lai có hoạt tính kháng vi sinh vật thể hiện cộng hợp tính chất của cả hai vật liệu vô
cơ – hữu cơ là nano silica và chitosan có khối lượng phân tử thấp (oligochitosan)
ứng dụng trong kiểm soát bệnh do vi nấm, vi khuẩn gây hại cho cây trồng. Các
nghiên cứu hiệu ứng sinh học về hoạt tính kháng vi khuẩn, vi nấm và tạo kích kháng
của tế bào thực vật của vật liệu nano silica/oligochitosan trong luận án này được
thực hiện đối với một số bệnh trên các cây trồng chủ lực như lúa, thanh long, cao su
là những loại nông sản có sản lượng, giá trị kinh tế cao tại Việt Nam.

Kết quả của luận án là cơ sở khoa học mở ra hướng tổng hợp vật liệu nano lai
kháng vi sinh vật từ phế thải tro vỏ trấu, vỏ tơm làm chất kiểm sốt bệnh cây trồng
1


trong sản xuất nơng nghiệp an tồn và mở rộng ứng dụng sang các lĩnh vực phịng
trị bệnh trong ni trồng thủy hải sản, bảo quản nông sản, thực phẩm, …
2. Nội dung chính của luận án

Luận án gồm các nội dung chính sau:
Nghiên cứu điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu,
gel SiO2/chitosan (SiO2 tách từ tro vỏ trấu) và xác định một số tính chất hóa lý đặc
trưng của chúng.
Nghiên cứu điều chế oligochitosan khối lượng phân tử từ 3.000 - 7.000
g.mol- 1 bằng phương pháp xử lý chitosan bởi H 2O2 nồng độ thấp kết hợp với chiếu
xạ tia  Co-60.
Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan bằng phương pháp
phối trộn nano silica với oligochitosan và phương pháp kết tủa nano silica từ dung
dịch Na2SiO3 với ion H+ trong dung dịch oligochitosan.
Thử nghiệm in vitro và in vivo hiệu lực kích kháng và ức chế vi nấm, vi khuẩn
gây bệnh thực vật của vật liệu nano silica/oligochitosan đối với bệnh đốm nâu trên
cây thanh long, bệnh đạo ôn lá và bạc lá trên cây lúa, bệnh nấm hồng trên cây cao
su.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.1. Ý nghĩa khoa học

Kết quả của Luận án đóng góp số liệu và quy luật khoa học cho quá trình
điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu và phương pháp nhiệt
phân gel silica/chitosan. Phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu đã tách các hợp chất
kim loại ở 700 oC trong 2 giờ thu được nano silica có kích thước hạt trung bình từ

30 – 50 nm, kích thước này lớn hơn các hạt silica kết tinh trên mạng xenlulo vỏ
trấu theo các nghiên cứu đã được công bố. Phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel
silica/chitosan cho phép điều chỉnh được kích thước hạt nano silica theo ý muốn
bằng cách thay đổi tỷ lệ khối lượng của silica với chitosan, kích thước hạt nano
silica tăng cùng chiều với tỷ lệ khối lượng silica/chitosan. Phương pháp tổng hợp
và nhiệt phân gel silica/chitosan là cơ sở khoa học để tiếp tục nghiên cứu sử dụng
các polyme có khả năng tạo gel khác với silica nhằm tối ưu về công nghệ và chi phí
sản xuất.
Luận án cũng cơng bố kết quả điều chỉnh khối lượng phân tử chitosan từ 3.000


- 7.000 g.mol-1 bằng phương pháp xử lý H2O2 nồng độ 0,5% kết hợp với chiếu xạ
tia
 Co-60 không làm thay đổi cấu trúc đơn phân tử của mạch chitosan mà chỉ làm
giảm


khối lượng phân tử của chitosan và giảm đáng kể liều chiếu xạ nhằm giảm chi phí.
Kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan chứa nano silica
với oligochitosan bằng phương pháp phối trộn 02 đơn chất hoặc thực hiện phản
ứng kết tủa SiO2 giữa Na2SiO3 với ion H+ trong dung dịch oligochitosan.
Ý nghĩa khoa học quan trọng về hiệu lực kháng bệnh thực vật là nghiên cứu
ban đầu đã chứng minh vật liệu nano silica/oligochitosan có hiệu ứng kích thích
sản sinh kháng thể, hiệu quả kiểm sốt bệnh thực vật đối với bệnh đốm nâu gây hại
cây thanh long, bệnh đạo ôn và bạc lá gây hại trên lúa, bệnh nấm hồng gây hại trên
cây cao su đạt từ 86 – 92% ở nồng độ hoạt chất từ 100 – 150 mg.L-1.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của Luận án làm cơ sở khoa học ban đầu để xây dựng quy trình tận
dụng phế thải tro vỏ trấu và vỏ tôm sản xuất các loại vật liệu có giá trị gia tăng cao

ứng dụng trong nhiều ngành cơng nghiệp khác nhau.
Có thể sản xuất vật liệu nano silica từ tro vỏ trấu với kích thước < 30 nm
bằng phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel SiO 2/chitosan, kích thước hạt silica
có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi tỉ lệ khối lượng SiO 2/chitosan. Nếu sản xuất
silica có kích thước hạt từ 30 – 50 nm thì bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu
là phương pháp hiệu quả, sản phẩm sử dụng cho các nhu cầu của các ngành công
nghiệp khác nhau như cao su, sơn, phụ gia xi măng,…
Oligochitosan khối lượng phân tử thấp được điều chế bằng phương pháp xử
lý H2O2 nồng độ 0,5% kết hợp với chiếu xạ tia  Co-60 làm giảm liều chiếu xạ và
giá thành nguyên liệu cho sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, chăn nuôi, thủy sản, mỹ
phẩm, y tế, bảo quản nông sản thực phẩm. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano
silica/oligochitosan đáp ứng công nghệ sản xuất xanh tạo ra sản phẩm có hoạt tính
kích kháng, kiểm sốt nấm bệnh thực vật có tiềm năng thay thế thuốc bảo vệ thực
vật độc hại ứng dụng trong sản xuất nơng nghiệp an tồn.


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Cấu tạo, tính chất của nano silica, oligochitosan và vật liệu lai của chúng.
1.1.1. Nano silica.

Silica là một oxit của silic, công thức phân tử là SiO2, có độ cứng cao và
được biết đến từ thời cổ đại. Trong tự nhiên, SiO2 không tồn tại dưới dạng phân tử
riêng lẻ mà liên kết thành các phân tử lớn do phản ứng ngưng tụ giữa các nhóm
silanol (Si- OH). Silica sử dụng vào các mục đích khác nhau phụ thuộc rất nhiều
vào độ tinh khiết, cấu trúc mạng tinh thể và vi cấu trúc của chúng. Silica bao gồm
hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và vơ định hình (Hình 1.1) [1]. Khống vật chứa
silica trong tự nhiên chủ yếu có cấu trúc tinh thể (thạch anh, triđimit, cristtobalit, đá
mã não,...), chúng trơ về mặt hóa học, chủ yếu được ứng dụng làm vật liệu xây
dựng, cơng nghiệp lọc khí và cơng nghiệp hấp thụ,... Silica ở dạng vơ định hình
được tìm thấy trong tế bào tảo cát (diatom) và chủ yếu tạo ra bằng phương pháp

tổng hợp nhân tạo. Silica vơ định hình linh động, hoạt động hóa học hơn silica tinh
thể nên chúng có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Các loại silica có diện tích bề mặt
lớn như silica cấu trúc xốp (mesoporous) [2], đặc biệt là nano silica hiện nay đã
được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như chế tạo bê tông
cường độ cao, bê tông chống ion Cl- ăn mịn, tạo liên kết trong vật liệu polyme vơ
cơ (geopolyme), chất chống lắng và tạo màng cho sơn, làm phụ gia tăng cường cho
vật liệu nhựa, vật liệu xây dựng và dân dụng, phụ gia chống mài mòn trong chế biến
cao su, sản xuất chất hấp phụ (zeolit, than hoạt tính, ...) xử lý mơi trường, hấp thụ
trong thu hồi dầu, sản xuất chất hút ẩm silica gel, chất bọc phủ chống đóng bánh
trong sản xuất phân bón, chất phân tán thuốc bảo vệ thực vật,... [3, 4].

Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của silica [1].


Sản lượng lúa tại Việt Nam hiện nay đạt gần 45 triệu tấn/năm nên tạo ra
nguồn vỏ trấu dồi dào khoảng 8 triệu tấn/năm [5]. Tro vỏ trấu là sản phẩm còn lại
sau khi sử dụng trấu làm chất đốt cho các ngành công nghiệp [6]. Hàm lượng SiO2
trong vỏ trấu chiếm khoảng 14 - 25% tùy thuộc vào giống lúa, khí hậu và thổ
nhưỡng của nơi canh tác [7]. Trong tro vỏ trấu, hàm lượng SiO 2 tăng lên từ 60 90% khi hợp chất hữu cơ được phân hủy trong q trình làm ngun liệu đốt, silica
có cấu trúc chủ yếu là vơ định hình chiếm tỷ lệ từ 80 - 97% SiO2 [8, 9]. Ngồi thành
phần chính SiO2, trong tro vỏ trấu chứa hàm lượng cacbon từ 10 - 40% và một
lượng nhỏ các hợp chất kim loại dạng oxit như Na2O, K2O, Al2O3 Fe2O3, CaO,
MgO,… tùy thuộc vào nhiệt độ đốt trấu. Vì vậy, sử dụng tro vỏ trấu làm nguyên liệu
để sản xuất nano silica có tính khả thi và hiệu quả kinh tế [10, 11]. Theo tác giả
Zakharov và cs (1993) và Nian và cs (2013), hạt silica trong vỏ trấu có kích thước
từ 10 - 40 nm và được phân bố giữa các lớp tế bào thực vật [12, 13]. Cây lúa hấp
thụ silica ở dạng hòa tan của axit silicic (Si(OH)4), silic tích tụ giữa các hốc của tế
bào xenlulo trong vỏ trấu được mơ phỏng theo hình 1.2 [13].
X
X

Hình 1.2. Sự hấp thụ silicic trong cây lúa (a) và silica trong vỏ trấu (b).
(Nguồn Tabata và cs, 2010)
Trong nông nghiệp, silica được sử dụng là phân bón, nó là dinh dưỡng trung
lượng cần thiết cho cây trồng. Silica có tác dụng gia cường vách tế bào thực vật làm
hạn chế sự xâm nhập gây tổn thương của các lọai côn trùng, sâu hại, nấm bệnh. Khi
silica ở kích thước nanomet, theo một số nghiên cứu gần đây cho thấy chúng tỏ ra
có hiệu quả kháng vi sinh vật, tăng sức đề kháng cho cây trồng vượt trội so với
silica vật liệu khối [14, 15]. Khả năng kháng vi sinh vật của nano silica phụ thuộc
vào kích thước hạt tức là phụ thuộc vào diện tích bề mặt và khả năng tiếp xúc. Silica
có kích thước nanomet hịa tan hoặc thẩm thấu nhanh vào tế bào thực vật giúp cây
trồng hấp


thụ silic, thúc đẩy quá trình sinh tổng hợp các hợp chất silic hữu cơ và tăng trưởng
cây trồng.
1.1.2. Oligochitosan

Oligochitosan được điều chế bằng phương pháp cắt đứt liên kết β-1,4
glucozit giữa các đơn phân tử D-glucosamin trong cấu tạo phân tử của chitosan
bằng các tác nhân như sinh học enzym [16], hóa học [17] và bức xạ [18] tạo thành
sản phẩm có khối lượng phân tử thấp hơn. Đơn vị cấu tạo trong phân tử
oligochitosan là D- glucosamin có cơng thức cấu tạo được biểu diễn trong hình 1.3.

Hình 1.3. Công thức cấu tạo của chitosan.
Oligochitosan và chitosan đều có khả năng kháng vi sinh vật và tạo kháng
thể giúp cây trồng chống lại sự xâm nhập của vi nấm, vi khuẩn gây bệnh. Khả năng
kiểm soát vi sinh vật gây bệnh trực tiếp của chitosan giảm khi khối lượng phân tử
giảm nhưng khả năng tạo kháng thể thực vật tăng [19]. Theo Đặng Xuân Dự (2015),
các oligochitosan có khả năng tạo ra các phyatolexin (chitinase, glutanase,…) cao

và khác biệt với chitosan khi khối lượng phân tử nhỏ hơn 10.000 g.mol-1 [19].
Burkhanova và cs (2007) đã công bố tác dụng kiểm soát bệnh của oligochitosan với
khối lượng phân tử 5.000 – 10.000 g.mol -1 đối với bệnh thối rễ của lúa mì [20],
Ozeretskovskaya và cs (2006) chứng minh hiệu quả của oligochitosan (2.000 –
6.000 g.mol-1) kiểm soát bệnh mốc sương ở khoai tây so với chitosan có khối lượng
phân tử lớn hơn [21].
1.1.3. Vật liệu lai nano silica/oligochitosan

Vật liệu lai là vật liệu tổng hợp gồm hai thành phần trong đó có ít nhất một
thành phần có cấu trúc nanomet. Trong vật liệu lai, thơng thường có một chất là vơ
cơ, chất cịn lại là hữu cơ. Việc tổng hợp vật liệu lai có thể thực hiện bằng cách phối
trộn giữa hai pha để được hỗn hợp đồng nhất hoặc có thể hình thành pha vơ cơ
trong pha hữu cơ bằng các phản ứng hóa học hoặc hình thành cả hai pha vơ cơ, hữu
cơ bằng phản ứng hóa học [22].


Vật liệu lai nano silica/oligochitosan bao gồm các hạt nano silica phân tán
trong dung dịch polyme oligochitosan, nó tương tác với nhau bằng các liên kết
hydro, Van der Waals, tương tác tĩnh điện hoặc có thể có tương tác hóa học do hình
thành liên kết cộng hóa trị (Hình 1.4). Sự tương tác giữa thành phần vô cơ và hữu
cơ quyết định tính chất của vật liệu lai khác với tính chất của vật liệu đơn lẻ. Vật
liệu lai thể hiện được các đặc tính của hai pha trong vật liệu (cộng hợp) hoặc thể
hiện được các đặc tính vượt trội (đồng vận) hoặc xuất hiện các đặc tính mới. Các
nghiên cứu ban đầu của một số tác giả cho thấy vật liệu nano silica/oligochitosan có
hiệu lực kháng vi sinh vật gây bệnh thực vật, tăng trưởng cây trồng [23-25].

Hình 1.4. Mơ phỏng hình thành liên kết giữa silica và chitosan [26].
1.2. Nghiên cứu tổng hợp nano silica, oligochitosan và nano silica/oligochitosan.
1.2.1. Tổng hợp nano silica.

Cho đến nay có 02 phương pháp điều chế vật liệu nano silica từ vỏ trấu, tro
vỏ trấu là phương pháp hóa học và phương pháp nhiệt phân.
a) Phương pháp hóa học

Nguyên lý của phương pháp hóa học điều chế nano silica là sử dụng phản
ứng kết tủa SiO2 giữa dung dịch muối kiềm silicate và axit hoặc thủy phân các hợp
chất hữu cơ chứa silic.
Phản ứng kết tủa điều chế nano silica: Silica có cấu trúc vơ định hình từ vỏ
hoặc tro vỏ trấu được tách bằng cách hòa tan trong kiềm như NaOH, Na 2CO3, … và
sử dụng axit (HCl, H2SO4,…) kết tủa thu SiO2 theo phương pháp sol-gel [27, 28].
Để thu được kết tủa silica kích thước nanomet có thể thực hiện trong nước thì dung
dịch keo silica có hàm lượng silica thấp và nếu kết tủa trong hệ dung dịch ổn định


có bổ


sung chất chống kết tụ như chất hoạt động bề mặt, polyme thì thu được dung dịch
keo có hàm lượng silica cao hơn. Phương trình phản ứng hình thành SiO2 như sau:
SiO2 (Vỏ trấu, tro vỏ trấu) + 2NaOH  Na2SiO3 + H2O

(1.1)

SiO2 (Vỏ trấu, tro vỏ trấu) + Na2CO3  Na2SiO3 + CO2

(1.2)

Na2SiO3 + H2SO4  SiO2 + Na2SO4 + H2O

(1.3)

Si(OH)4 + Si(OH)4  2SiO2 + 4H2O

(1.4)

Tại Việt Nam đã có một số cơng trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano
silica sử dụng nguyên liệu vỏ trấu. Tác giả Lê Văn Hải và cs (2013) đã tổng hợp
silica có kích thước nanomet theo phương pháp sol-gel từ vỏ trấu qua 3 công đoạn
[29]. Công đoạn 1: Vỏ trấu được đốt ở nhiệt độ 600°C trong 4 giờ để loại hợp chất
hữu cơ, tăng hàm lượng SiO2. Công đoạn 2: Tiến hành tách silica bằng dung dịch
NaOH tạo thành Na2SiO3. Công đoạn 3: Kết tủa silica bằng phản ứng giữa Na2SiO3
với H2SO4 đến pH
~4 trong hỗn hợp nước/butanol và chất ổn định Cetyltrimethylammonium bromide
(CTAB). Silica thu được có cấu trúc vơ định hình, kích thước hạt trung bình 15 nm
và có diện tích bề mặt lớn khoảng 340 m 2/g (Hình 1.5a). Cũng bằng phương pháp
này, tác giả Nguyễn Trí Tuấn và cs (2014) [30] và Nguyễn Văn Hưng và cs (2015)
[31] đã điều chế thành công nano silica có kích thước hạt trung bình khoảng 15 nm:
Vỏ trấu được nung trong thời gian 4 giờ ở nhiệt độ từ 500 – 700 oC, hòa tan trong
NaOH; bột nano silica thu được bằng phản ứng kết tủa SiO 2 giữa Na2SiO3 với HCl
trong dung dịch nước hoặc bổ sung ethanol tại pH ~ 6. Hạt nano silica các tác giả
thu được có cấu trúc vơ định hình và có xu hướng kết tụ (Hình 1.5b, 1.5c).
Zulkifli và cs đã sử dụng kiềm chiết xuất các hạt silica trong tro vỏ trấu đã
loại bỏ các tạp chất kim loại [32]. Tro vỏ trấu ban đầu được xử lý bằng HCl trong
thời gian 4 giờ ở 75°C. Sau đó tro vỏ trấu được rửa bằng nước cất cho đến khi đạt
pH trung tính và sấy khơ ở 110°C trong 12 giờ. NaOH sử dụng để chiết silica thu
được dung dịch Na2SiO3. Axit hóa dung dịch Na2SiO3 bằng H3PO4 3M cho đến khi
tạo gel. Gel được ly tâm và rửa bằng nước cất để loại bỏ muối hịa tan, sau đó được
nung để tạo ra hạt nano silica. Liou và Yang [33] đã nghiên cứu các biến số khác
nhau ảnh hưởng đến diện tích bề mặt và kích thước hạt silica của nano silica sử
dụng nguyên liệu tro vỏ trấu bằng phương pháp chiết kiềm. Nồng độ axit, kiềm, pH

gel hóa, thời gian tạo gel và nhiệt độ đã được tối ưu hóa để điều chế các hạt nano
silica. Rehman