1.2.3. Ứng dụng vi khuẩn tía quang hợp để phân hủy hydrocarbon dầu mỏ
Phân hủy kỵ khí hydrocarbon đóng một vai trò quan trọng trong tự nhiên, khi oxy cạn kiện và hydrocarbon bị oxy hóa bởi các chất nhận điện tử khác [66].
Các hợp chất thơm là nhóm khó phân hủy trong tự nhiên bởi sự liên kết bền vững của vòng benzen. Một số PNSB có khả năng sử dụng các hợp chất thơm có nguồn gốc từ thực vật bao gồm nhiều loại monome lignin và một số hợp chất nhân tạo như chlorobenzoates và toluene để làm nguồn carbon [66].
Rps. palustris có khả năng sử dụng benzoate là nguồn carbon duy nhất cho quá trình quang hợp kỵ khí. Khả năng chuyển hóa benzoate ở Rps. palustris; Rps. fulvum; Rcy. purpureus là đặc tính đặc trưng để phân biệt chúng với các loài khác trong cùng một chi [2, 25, 67, 68].
Khả năng quang chuyển hóa hợp chất thơm cũng được phát hiện ở một số loài khác như: Rps. acidophila có khả năng sử dụng acid vanilic, vanilin, rượu vanillyl, acid ferulic, acid veratric, acid syringic, syringaldehyde và rượu benzyl làm nguồn carbon [69]; Rhodomicrobium (Rmi.) vannieli phát triển tốt trên nguồn benzoate và rượu benzyl [70]; Blastochloris (Blc.) sulfoviridis sử dụng toluene làm nguồn carbon [71]; Rubrivivax (Rvi.) benzoatilyticus sử dụng benzoate, 2- aminobenzoate (anthranilate), 4-aminobenzoate, 4-hydroxybenzoate, phthalate, phenylalanine, trans-cinnamate, benzamide, salicylate, cyclohexanone, cyclohexanol và cyclohexane-2-carboxylate làm nguồn cacbon và / hoặc chất cho điện tử [72].
Một số nghiên cứu khảo sát sự sinh trưởng của Rps. palustris trên nhiều hợp chất thơm khác nhau cho thấy tuỳ từng chủng Rps. palustris ngoài benzoate còn sử dụng một số hợp chất thơm khác như 4-hydroxybenzoate, 4-hydroxycinnamate, cinnamate, chorobenzoates, phenylaxetat, phenol, các hợp chất metoxyl hóa, như cũng như aldehyde và rượu thơm là nguồn carbon và nitơ cho sinh trưởng [73, 74, 75, 76];
Khả năng phân hủy những dẫn xuất của lignin chứa các nhóm thế 3-methoxyl- hoặc 3-hydroxyl- là tính đặc trưng riêng của R. palustris. - Phenylalkane carboxylate mang chuỗi bên có chiều dài từ 3 đến 8 C hoặc các lignin dạng monomer không chứa nhóm thế hoặc chứa nhóm hydroxyl- ở vị trí C4 như
trans-cinnamate và 4-hydroxycinnamate (4-coumarate) là cơ chất thích hợp nhất cho sinh trưởng của Rps. palustris khi chúng được sử dụng là nguồn carbon duy nhất [73, 74]. Mặc dù các hợp chất chlorobenzoate thường là những chất độc đối với VSV nhưng một số chủng thuộc loài Rps. palustris có khả năng sử dụng các hợp chất này là nguồn carbon [75, 77, 78].
Ở Việt Nam, tác giả Đinh Thị Thu Hằng và cộng sự năm 2007 đã có những nghiên cứu về sự phân hủy sinh học hợp chất hydrocacbon mạch vòng ở một số vi khuẩn quang hợp tía. Nghiên cứu đã phát hiện được 2 chủng vi khuẩn quang hợp tía có khả năng phân hủy mạnh 3-chlorobenzoate với đồng cơ chất là benzoate hoặc 4- hydroxybenzoate, trong đó 3-chlorobenzoate được sử dụng là nguồn carbon duy nhất. Gen badA mã hóa cho enzyme benzoate-CoA ligase trong con đường phân hủy benzoate ở chủng VKTQH MI1 tương đồng 93,3% so với gen tương ứng của loài R. palustris chủng DCP3 đã được công bố trên Ngân hàng Gen Quốc tế [79].
Gần đây, Sampaio và cộng sự (2017) phân lập được một số chủng thuộc chi Rhodovolum và chi Rhodomicrobium có khả năng phân hủy kỵ khí hydrocarbon dầu mỏ ở quần đảo King George [80]. Venkidusamy và Megharaj (2021) phân lập được chủng Rps. palustris RP2 phân huỷ các thành phần n-alkane trong hydrocarbon dầu mỏ [81].
Như vậy, những nghiên cứu của nhiều tác giả về khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ ở VKTQH cho thấy chúng có vai trò quan trọng trong quá trình sử dụng và khoáng hoá các hợp chất khó phân huỷ trong tự nhiên. VKTQH là nhóm vi khuẩn có tính linh hoạt đặc biệt trong các phương thức dinh dưỡng và có khả năng tổng hợp năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Đặc biệt, nhờ vào khả năng sử dụng nhiều hợp chất hydrocarbon trong dầu mỏ bởi VKTQH mà chúng ta thấy được vai trò của nhóm VK này trong quá trình phân huỷ hydrocarbon dầu mỏ nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, cho đến nay chưa có nhiều công bố về khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon dầu mỏ cả trong điều kiện xử lý tại chỗ (in-situ) và bên ngoài (ex-situ). Vì vậy, những nghiên cứu về khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ của VKTQH vừa góp phần làm rõ hơn khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ vừa góp phần tăng tiềm năng ứng dụng của chúng trong công nghệ sinh học môi trường.
1.3. Vi sinh vật có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ và màng sinh học
Trong điều kiện hiếu khí, nhiều vi khuẩn phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ chiếm ưu thế là các loài hóa dưỡng hữu cơ. Vi khuẩn phân hủy trong điều kiện hiếu khí cần oxy tham gia vào giai đoạn hoạt hóa cơ chất và là chất nhận điện tử cuối cùng của chuỗi hô hấp [82].
Các hợp chất được phân hủy trong điều kiện hiếu khí bao gồm: hydrocarbon thơm, hydrocarbon no. Các chi vi khuẩn hiếu khí có khả năng phân hủy các hợp chất này được trình bày ở Bảng 1.3 và 1.4.
Bảng 1.3. Các chi vi khuẩn có phân huỷ hiếu khí hydrocarbon thơm [57, 83, 84, 85, 86, 87]
Azotobacter Bacillus Beijerinckia Beneckea Brevibacterium Clavibacter Clostridium Coccochloris Comanonas Corynebacterium Curtobacterium Cyclolasticus Cytophaga Enterobacter Erwinia | Escheriachia Flavobacterium Gordona Klebsiella Lactobacillus Leucothrix Marinobacter Micrococcus Microcoleus Moaxella Mycrobacterium Nocardia Nostoc Oscillatoria Peptococcus | Phorm Proteus Pseudomonas Rhodococcus Sarcina Serratia Spherotilus Sphingomonas Spirillum Streptomyces Thermoleophilum Vibrio Xanthomonas |
Có thể bạn quan tâm!
-
Nghiên cứu khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ của một số chủng vi khuẩn tía quang hợp tạo màng sinh học phân lập tại Việt Nam - 2 -
Định Vị Sắc Tố Quang Hợp Trong Tế Bào Vi Khuẩn Tía Quang Hợp -
Ứng Dụng Của Vi Khuẩn Tía Quang Hợp Để Phân Hủy Hydrocarbon Dầu Mỏ -
Sơ Đồ Các Bước Thí Nghiệm Thực Hiện Trong Luận Án -
Phương Pháp Nghiên Cứu Hệ Sắc Tố Của Vi Khuẩn Tía Quang Hợp -
Kết Quả Phân Lập Các Khuẩn Lạc Vktqh Từ Nguồn Mẫu Nước Bị Ô Nhiễm Dầu Mỏ Ở Các Vùng Biển Việt Nam
Xem toàn bộ 144 trang tài liệu này.
Bảng 1.4. Các chi vi sinh vật có khả năng phân huỷ hiếu khí hydrocarbon no [27, 57, 86, 87]
Burkholderia | Methylomonas | Nocardia | |
Acinetobacter | Caulobacter | Methylocella | Oleiphilus |
Alcanivorax | Comamonas | Methylocystis | Pseudomonas |
Alcaligenes | Corynebacterium | Methylocystis | Ralstonia |
Aeromicrobium | Dietzia | Methylobacter | Rhodococcus |
Arthrobacter | Flavobacterium | Methylococcus | Sphingomonas |
Bacillus | Geobacillus | Microbulbifer | Streptomyces |
Brevibacterium | Gordonia | Mycobacterium | Thermoleophilum |
Trong điều kiện kỵ khí, các chất nhận điện tử trong quá trình phân huỷ hydrocarbon thơm là các hợp chất vô cơ ở dạng oxy hóa như nitrate, ion kim loại, sulfate và CO2 thay cho oxy [26, 88, 89, 90, 91]. Do đó, có sáu kiểu chuyển hoá hợp chất thơm trong quá trình phân hủy kỵ khí: khử nitrate, khử sắt, khử sulfate, quang chuyển hóa, lên men và sinh metan (Bảng 1.5).
Bảng 1.5. Các nhóm vi khuẩn có khả năng phân huỷ kỵ khí hydrocarbon
Chất nhận điện tử | Cơ chất phân hủy | Tài liệu tham khảo | |
1. Khử nitrate - Thauera aromatica - Thauera sp. - Azoacus tolulyticus - Alcaligens xylosoidans - Dechloromonas aromatica - Pseudomonas sp. | NO3- | Toluene, phenol, xylene, ethylbenzene, propylbenzene, benzene, benzoate, 2- aminobenzoate | 27, 92, 93 |
2. Khử ion sắt - Geobacter metallireducens | Fe3+ | Benzoate, toluene, phenol, p- cresol aldehyde và rượu thơm | 94, 95 |
3. Khử sulfate - Desulfobacterium sp. - Desulfobacterium anilini - Desulfobacula toluolica - Desulfotomaculum sp. - Desulfatibacillum aliphaticivorans | SO42- | Catechol, 3-aminobenzoate, aniline, phenol, toluene, xylene, ethylbenzene, naphthalene, hexadecane, pentadecane, decane, octanoate | 96, 97, 27 |
4. Lên men - Eubacterium oxidoreducens - Clostridium sp. - Pelobacter acidigallici | H+ | Gallic acid, resorcinol, trihydroxybenzene | 98, 99, 100 |
Chất nhận điện tử | Cơ chất phân hủy | Tài liệu tham khảo | |
5. Sinh metan - Syntrophus buswellii - Methanospirillum hungatei - Methanospirillum sp. - Methanothrix sp. | H+ | Benzoate, phenol, phloroglucinol, resorcinol, pyrogallol, aminobenzoate, benznene | 101 |
6. Quang hợp - Rhodopseudomonas palustris - Rhodobacter capsulatus - Rhodobacter sphaeroides - Rubrivivax gelatinosus -Rhodospirilum rubrum - Blastocholoris sulfoviridis | CO22- | 3-chlorobenzoate (3-CBA), 3- bromobenzoate (3-BrBA) cinnamate, hippurate (N- benzoyl-L-glycine), benzoate, 4-hydroxybenzoate, 4- aminobenzoate, 4- aminophenol, ferulate, phloroglucinol, toluene | 27, 73, 74,75, 102, 103, 104 |
Vì một số hợp chất chỉ có thể được chuyển hóa bởi một số vi khuẩn trong những điều kiện oxy hóa khử nhất định nên việc sử dụng liên tiếp các chất nhận điện tử rất quan trọng đối với quá trình phân hủy trong tự nhiên [26].
Sự ô nhiễm môi trường bởi các hydrocarbon dầu mỏ, bao gồm hydrocarbon no và hydrocarbon thơm tồn tại lâu trong tự nhiên và có xu hướng lan rộng vào nước bề mặt và nước ngầm [105]. Hiệu quả phân hủy PAH của vi khuẩn phụ thuộc vào khả năng tồn tại của nó trong môi trường khắc nghiệt [106]. Điều đáng chú ý, khu hệ VSV trong màng sinh học có khả năng chống chịu các điều kiện khắc nghiệt của môi trường tốt hơn, hỗ trợ trao đổi chất tốt hơn và hạn chế sự cạnh tranh của các VSV khác [107] qua đó cho thấy tiềm năng chống chọi với môi trường khắc nghiệt và có thể tăng cường khả năng phân hủy các chất ô nhiễm [108]. Kokoky và cộng sự (2017) đã phân lập được một số chủng VK từ đất ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ, trong đó có chủng Acinetobacter sp. PDB4 đã được lựa chọn để đánh giá khả năng tạo màng sinh học, phân hủy PAH và thúc đẩy sự phát triển của cây trồng [105]. Shao và cộng sự (2015) cũng công bố về chủng Acinetobacter sp. được phân
lập từ khu vực khai thác than có thể sử dụng fluorene, phenanthrene và pyrene làm nguồn carbon duy nhất của nó [109]. Nghiên cứu của Zhang và cộng sự (2015) cho thấy màng sinh học hình thành bởi chủng Micrococcus sp. PHE9 và Mycobacterium sp. NJS-P có khả năng phân hủy phenanthrene và pyrene, tốc độ phân hủy trong màng sinh học cao hơn nhiều so với vi khuẩn ngoài EPS. Do đó, người ta cho rằng EPS và sự hình thành màng sinh học là yếu tố quan trọng trong việc gắn tế bào vi khuẩn với các bề mặt khác và hiệu suất phân hủy sinh học của các chủng vi khuẩn [110]. Wimpenny và cộng sự (2000) báo cáo trong một nghiên cứu rằng xử lý sinh học qua trung gian màng sinh học là một cách tiếp cận thành thạo và là lựa chọn an toàn hơn vì các tế bào trong màng sinh học có cơ hội sống sót và khả năng thích ứng tốt hơn, đặc biệt là trong các điều kiện khắc nghiệt [111]. Màng sinh học hỗ trợ sự phát triển của Pseudomonas sp. và tăng cường sự phân hủy của dầu thô một cách dễ dàng và rộng rãi. Màng sinh học được hình thành khi có dầu thô tích lũy sinh khối cao hơn so với các màng sinh học được tạo ra khi có glucose là nguồn carbon duy nhất [112]. Nghiên cứu của Tribelli và cộng sự (2012) cũng cho thấy chủng Pseudomonas extremaustralis phân lập từ Nam Cực có khả năng tạo màng sinh học. Trong màng sinh học, các tế bào VK tăng trưởng, sản xuất chất hoạt hóa bề mặt và phân hủy dầu diesel đạt hiệu suất cao hơn so với nuôi cấy trong bình lắc. Màng sinh học của chủng này phân hủy được alkane mạch dài và mạch nhánh, tuy nhiên khi nuôi cấy trong bình lắc chủng này chỉ phân hủy được ankane mạch trung bình [113].
Để khám phá tiềm năng xử lý nước nhiễm dầu thô đậm đặc của Pseudomonas aeruginosa NY3, chủng NY3 được cố định trên bề mặt mút xốp để đánh giá khả năng tạo màng sinh học và khả năng khôi phục các màng sinh học đã sử dụng được nghiên cứu. Kết quả cho thấy quá trình hình thành màng sinh học đối với chủng NY3 diễn ra nhanh chóng và dễ dàng. Trong điều kiện tối ưu, sinh khối cố định trên bề mặt mút xốp có thể đạt 488,32 mg tế bào khô / g mút xốp khô. Kết quả chứng minh rằng khi thời gian phân hủy là 12 giờ, tỷ lệ loại bỏ dầu trung bình trong 2 g dầu thô / L nước bị ô nhiễm là khoảng 90% trong 40 ngày. Trong khi đó, các màng sinh học có thể được thu hồi để tái sử dụng. Khả năng thu hồi và tốc độ loại bỏ dầu cao, ổn định đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng các màng sinh học để loại bỏ dầu cô đặc khỏi nước thải [114].
Mới đây, Omarova và cộng sự (2019) khi nghiên cứu về khả năng phân hủy hydrocarbon của chủng Alcanivorax borkumensis cũng thấy rằng màng sinh học của chủng này có khả năng loại bỏ 40-50% vệt dầu loang sau 3 ngày nuôi cấy và phân hủy được đến 90% hexadecan sau 5 ngày nuôi cấy (trong khi đó chất phân tán thương mại Corexit 9500A chỉ làm giảm 25% hexadecan) [115].
Quá trình xử lý kỵ khí đối với nước thải nhiễm dầu đi vào bể chứa đầy quy mô được thực hiện hiệu quả bởi mô hình phản ứng dựa trên màng sinh học, cụ thể là mô hình phản ứng màng sinh học chuyển động kỵ khí (AnMBBR- anaerobic moving bed biofilm reactor). AnMBBR có thể xử lý gấp đôi đến gấp ba tốc độ tải hữu cơ ở tải trọng thủy lực thấp hơn so với bể chứa đầy đủ với mức loại bỏ COD tương tự [116].
Như vậy, những vấn đề trên cho thấy các hydrocarbon dầu mỏ là một bài toán nan giải, cần có các biện pháp phân huỷ sinh học bằng các chủng VSV.
Trong một vài năm gần đây tác giả Lê Thị Nhi Công và cộng sự đã đánh giá khả năng tạo màng sinh học một số chủng VK và nấm men phân huỷ dầu, phân lập từ các mẫu nước biển bị ô nhiễm dầu ở Thanh Hoá và Vũng Tàu. Kết quả cho thấy, đã xác định được các chủng thuộc các chi như Candida, Acinetobacter, Bacillus, Rhodococcus... là những chủng vừa tạo màng sinh học vừa có khả năng phân huỷ và chuyển hoá các thành phần dầu mỏ rất tốt. Hơn thế nữa, sau 24 giờ nuôi cấy, ở dạng tạo màng sinh học chúng còn có khả năng phân huỷ dầu tốt hơn ở dạng tế bào tự do. Điều này cho thấy tiềm năng phong phú về chủng loại vi sinh vật vừa tạo màng sinh học vừa phân huỷ và chuyển hoá hydrocarbon trong các mẫu đất và nước bị ô nhiễm dầu ở Việt Nam [117]. Chủng nấm men Trichosporon asahii QN-B1 phân lập tại Quảng Ninh được phát hiện có khả năng tạo màng sinh học tốt ở độ pH từ 3- 7, có khả năng phân hủy 90% phenol với nồng độ ban đầu là 200ppm sau 7 ngày nuôi cấy ở 30oC [118]. Nghiên cứu của Cung Thị Ngọc Mai (2019) đã tuyển chọn được 7 chủng vi khuẩn và 2 chủng nấm men bao gồm Rhodococcus sp. BQN11, Paracoccus sp. DG25, Ochrobactrum sp. DGP2, Pseudomonas sp. DGP4, Pseudomonas sp. DGP8, Acinetobactersp. QND10, Rhodococcus sp.VTPG5 C. viswanathii TH1 và Candida sp. TH4 từ các vị trí ô nhiễm dầu. Các chủng VSV có khả năng tạo màng sinh học tốt ở pH 5, 30oC có khả năng phân hủy lên đến 99.8%
phenol, 76.07% pyrene, 65.4% anthracene và 35.7% iso-pentybenzene trong điều kiện nuôi cấy phòng thí nghiệm với nồng độ ban đầu từ 100-200 ppm [119].
Sử dụng giá thể vi sinh vật có rất nhiều ưu điểm như tăng mật độ vi sinh vật tham gia xử lý, đem lại hiệu quả xử lý và ổn định. Vật liệu sử dụng làm giá thể được dùng trong xử lý ô nhiễm nước rất đa dạng như xơ dừa, sỏi nhẹ, bông xốp, bèo tây khô… Hiện nay nhiều công nghệ xử lý nước thải sử dụng giá thể cho hệ vi sinh đã được phát triển như Membrane bioreactor (MBR), Moving bed biofilm reactor (MBBR)…và đều đem lại hiệu quả cao trong quá trình xử lý [120, 121, 122]. Năm 2016, Lê Thị Nhi Công và cộng sự đã nghiên cứu màng sinh học của hỗn hợp các chủng vi khuẩn và nấm men gắn trên xơ dừa, vừa là chất hấp phụ, vừa là giá thể. Hiệu quả phân hủy các thành phần hydrocarbon khó phân hủy có trong nước thải nhiễm dầu nhờ hệ thống màng sinh học từ vi sinh vật gắn trên xơ dừa đạt > 99% sau 7 ngày thử nghiệm, đạt tiêu chuẩn nước thải loại B của Việt Nam [117]. Năm 2017, Đỗ Văn Tuân và cộng sự đã thiết kế hệ thống xử lý sinh học nước thải nhiễm dầu quy mô 20.000 lít/mẻ tại kho xăng dầu Đỗ Xá, Thường Tín, Hà Nội sử dụng màng sinh học gắn trên xơ dừa. Sau 7 ngày xử lý, 99.9% các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu, 99,9% phenol và trên 94,8% các thành phần hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) đã được loại bỏ [123].
Việc sử dụng các chủng vi khuẩn kị khí hoặc vi hiếu khí, nấm men có khả năng tạo màng sinh học phân hủy hydrocarbon dầu mỏ là một giải pháp khắc phục ô nhiễm do dầu mỏ. Đặc biệt, VKTQH được công bố là có khả năng trao đổi chất linh hoạt, sử dụng nhiều loại cơ chất trong đó có hydrocarbon dầu mỏ… đang là nhóm vi khuẩn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu và ứng dụng VKTQH tạo màng sinh học nhằm xử lý hydrocarbon dầu mỏ vừa có ý nghĩa về nghiên cứu cơ bản và ý nghĩa nghiên cứu ứng dụng. Tuy nhiên, hiện nay những nghiên cứu về khả năng phân hủy/chuyển hóa các hợp chất hydrocarbon dầu mỏ ở VKTQH tạo màng sinh học ở nước ta còn chưa nhiều. Do vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi sẽ đề cập tới khả năng tạo màng sinh học của một số chủng VKTQH phân lập từ các địa điểm ô nhiễm dầu cũng như hiệu quả phân huỷ các hợp chất hydrocarbon trong dầu mỏ bởi màng sinh học đơn chủng và đa chủng VKTQH trên các loại giá thể, từ đó đưa ra giải pháp xử lý ô nhiễm dầu ở một số dạngmô hình với quy mô phòng thí nghiệm.