Nghiên cứu chế tạo vật liệu polymer khâu mạch bức xạ hấp phụ thuốc nhuộm mày và chế phẩm cố định vi sinh vật có khả năng phân giải một số chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trường potx

Bộ khoa học và công nghệ
viện năng lợng nguyên tử việt nam






Báo cáo tổng kết
đề tài khoa học công nghệ cấp bộ
2005 - 2006



nghiên cứu chế tạo vật liệu polymer khâu mạch bức
xạ hấp phụ thuốc nhuộm màu và chế phẩm cố định vi
sinh vật có khả năng phân giải một số chất hữu cơ
gây ô nhiễm môi trờng.




Cơ quan chủ trì: Viện Khoa Học và Kỹ Thuật Hạt Nhân
Chủ nhiệm đề tài: Th.S. NCVC Nguyễn Văn Toàn

6679
23/11/2007


Hà Nội, Tháng 07/2007


2





Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài

1. TS. Đặng Đức Nhận Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt Nhân
2. Th.s. Lê thị Đính nt
3. CN. Nguyễn Văn Bính nt
4. CN. Nguyễn Thuý Bình nt
5. KS. Nguyễn Đình Dơng nt
6. CN. Nguyễn Mạnh Hùng nt
7. TS. Đỗ Thị Tố Uyên Viện Công Nghệ Sinh Học
8. TS. Ngô Đình Quang Bính nt

9. CN. Lê Khơng Thuý nt
















3
MụC LụC
Đề mục - trang.
Ngời tham gia 2
Mục lục 3
Các từ viết tắt 5
Phần I - mở đầu 8
Phần II - Lý thuyết, tổng quan 11
1. Công nghệ bức xạ 11
2. Nhu cầu và biện pháp xử lý thải 12
3. Vai trò của vi sinh vật trong xử lý nớc thải 15
4. ứng dụng công nghệ bức xạ trong cải biến chế tạo vật liệu 27
4.1. Cơ sở ứng dụng công nghệ bức xạ cải biến và chế tạo vật liệu 27

4.2. Cơ chế hấp phụ chất màu của vật liệu khâu mạch 30
5. Một số phơng pháp xử lý thải theo nguyên tắc 32
sinh học thờng đợc áp dụng
6. Hiện trạng xử lý nớc thải ô nhiễm màu tại Việt nam 34
Phần III - vật liệu và phơng pháp 36
1.Vật liệu 36
2. Phơng pháp 36
2.1.Tạo vật liệu Polymer khâu mạch hấp phụ thuốc nhuộm màu 36
2.2. Các vật liệu cố định vi sinh vật 38
2.3. Xác định độ trơng và hàm lợng gel của vật liệu khâu mạch 38
2.4. Xác định khả năng hấp phụ màu của vật liệu 39
2.5. Phân lập, tuyển chọn và nhân giống các chủng vi sinh vật 39
có khả năng hấp phụ và phân huỷ thuốc nhuộm màu.
2.6. Tạo chế phẩm cố định vi sinh vật 40
2.7. Xác định Nitrate trong nớc 41
2.8. Đo Amoni NH
3
- N trong nớc: 42
2.9. Xác định khả năng hấp phụ và phân giải chất nhuộm màu 42
của chế phẩm cố định vi sinh vật.
2.10. Dựng đờng chuẩn hàm lợng chất nhuộm màu 43
2.11. Tơng quan chuyển đổi hệ số đo mg/l và CU 43
phần IV- kết quả và thảo luận 45
1. Vật liệu khâu mạch bức xạ 45
2. Vật liệu thu thập 46
2.1. Vật liệu khâu mạch đợc chế tạo tại Viện NLNT 46
2.2. Tinh bột khâu mạch- TBKM 46
2.3. Hạt lọc nớc 47
3. Xác định độ trơng, hàm lợng gel và dung lợng 49
hấp phụ chất nhuộm màu của các vật liệu chế tạo và thu thập.

4. Các yếu tố ảnh hởng tới khả năng hấp phụ chất nhuộm màu 51
của các vật liệu đã tuyển chọn: TBKM và vật liệu HN2
4.1.Tinh bột khâu mạch TBKM 51

4
4.1.1 ảnh hởng của pH tới khả năng hấp phụ của TBKM 51
4.1.2. ảnh hởng của hàm lợngTBKM 52
4.1.3. ảnh hởng của thời gian xử lý 53
4. 2. Vật liệu khâu mạch- HN2: 54
4.2.1. ảnh hởng của liều xạ tới hàm lợng gel và độ trơng 54
của vật liệu khâu mạch HN2.
4.2.2. ảnh hởng của hàm lợng HN2 56
4.2.3. ảnh hởng của pH 56
4.2.4. ảnh hởng của thời gian xử lý 58
5. Khả năng hấp phụ thuốc nhuộm màu của vật liệu 58
đã tuyển chọn TBKM và HN2 trong nớc thải
6. Giải hấp thụ thuốc nhuộm màu để tái sử dụng vật liệu 59
6.1. Sự hấp phụ thuốc nhuộm màu 59
6.2. Giải hấp phụ thuốc nhuộm màu 60
7. Phân lập, tuyển chọn và nhân giống vi sinh vật có khả năng 63
phân huỷ thuốc nhuộm màu
8. Khả năng hấp phụ màu của tập hợp chủng vi sinh vật 64
9. Tạo chế phẩm cố định vi sinh vật 65
10. Khả năng hấp phụ và phân giải chất nhuộm màu của vật liệu và 67
chế phẩm vi sinh
Sự phân giải chất màu 69
11. Khả năng hấp phụ và phân giải chất nhuộm màu trong nớc thải 74
12. ứng dụng thực tế và đánh giá khả năng ứng dụng thực tế 75
12.1. Xử lý nớc thải của các xởng nhuộm lụa Vạn Phúc Hà Đông 75
12.1.1. Xử lý trong phòng thí nghiệm 75

12.1.2. Xử lý nớc thải tại xởng nhuộm của làng nghề Vạn Phúc 77
12.2. Xử lý nớc thải Xí nghiệp nhuộm Công ty dệt 8 3 78
12.2.1. Xử lý trong phòng thí nghiệm 78
12.2.2. Xử lý nớc thải tại Xí nghiệp nhuộm Công ty dệt 8-3 81
12.3. Đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu khâu mạch 85
HN2; TBKM và chế phẩm cố định vi sinh HN2.vs; TBKM.vs.
12.4. Quy trình kỹ thuật xử lý nớc thải có chứa thuốc nhuộm màu 87
Phần V - Kết luận 90
Phụ Lục 93
Tài liệu tham khảo 100







5
Các từ viết tắt

TT Ký hiệu Chú thích
1
PVA
Polyvinyl alcohol
2
PEO
Polyethylene oxide
3
CMC
C

arboxylmethyl cellulose
4
Ct
Chitin
5
Cts
Chitosan
6
CMCts
Carboxymethyl Chitosan
7
HPA
Hydrolyzed PolyAcrylamide
8
EB
Eriochrome Blue - SE (C
16
H
9
Cl N
2
Na O
9
S
2
)
9
RP
Red Phenol (C
19

H
14
O
5
S)
10
HN2
Vật liệu khâu mạch bức xạ tạo từ hỗn hợp PVA 5% -
Starch 5% PEO 0,5% - HPA 3% - chitosan 1% - Borax
0,1%, chiếu xạ 5 kGy trên nguồn
60
Co.
11
HN2.vs
Vật liệu HN2 cố định các chủng vi sinh phân lập đợc từ
nớc thải và dung dịch RP bị nhiễm vi sinh.
12
TBKM
Tinh bột khâu mạch
13
TBKM.vs
Tinh bột khâu mạch cố định các chủng vi sinh phân lập
đợc từ nớc thải và dung dịch RP bị nhiễm vi sinh.
14
HL0
Hạt lọc nớc cha bọc màng của Viện Công nghệ Sinh
học cung cấp
15
HL1
Hạt lọc nớc HL0 đã bọc màng bao bằng hốn hợp dung

dịch tạo vật liệu khâu mach HN2 đã chiếu xạ
16
HL1.vs
HL1 cố định các chủng vi sinh phân lập đợc từ nớc
thải và dung dịch RP bị nhiễm vi sinh
17
SG1, SG2,
SG3
Vật liệu khâu mạch do Trung Tâm nghiên cứu và triển
khai Công nghệ Bức xạ Tp. Hồ Chí Minh cung cấp
18
CU
(colour units): Đơn vị đo mầu trong dung dịch có nồng
độ không xác định. Trong dung dịch mầu đơn (ví dụ
dung dịch màu RP) biết chính xác nồng độ: 1mg/l tơng
đơng 5000 CU.
19
NAD
+

Nicotinamide-adenine-dinucleotide (dạng oxy hoá)
20
NADH
Nicotinamide-adenine-dinucleotide (dạng khử)
21
NADP
+

Nicotinamide-adenine-dinucleotide-phosphate (dạng oxy
hoá)

22
NADPH
Nicotinamide-adenine-dinucleotide-phosphate(dạng khử)
23
CoA
Coenzyme A
24
FAD
Flavinadenine dinucleotide
25
FADH
2
Flavinadenine dinucleotide (dạng khử)
26
FMN
Flavin mononucleotide



6
Nghiên cứu chế tạo vật liệu polymer khâu mạch bức xạ
hấp phụ thuốc nhuộm màu và chế phẩm cố định vi sinh
vật có khả năng phân giải một số chất hữu cơ gây ô
nhiễm môi trờng.
Nguyễn Văn Toàn, Đặng Đức Nhận, Lê thị Đính, Trần Băng Diệp, Nguyễn Thuý Bình,
Nguyễn văn Bính, Nguyễn Manh Hùng.
Viện Khoa Học và Kỹ Thuật Hạt Nhân, Viện NLNTVN.
Các chất nhuộm màu của nghành công nghiệp sơn, trang trí nội thất và in-
dệt-nhuộm là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trờng, độc hại cho ngời
và động vật. Hiện nay các biện pháp xử lý chính đối với loại chất gây ô nhiễm này

là công nghệ hấp phụ, phân huỷ và chuyển hoá chúng thành các chất ít độc hơn.
Chất hấp phụ chính hiện nay sử dụng là than hoạt tính, nhng hiệu suất hấp phụ
của chất hấp phụ này thấp, mặt khác nó lại không chứa các nhóm chức đặc biệt
nh methylcarboxy (-CH
2
COO
-
) hay nhóm amin (-NH
2
) có khả năng tham gia vào
các phản ứng hấp phụ hay cố định bổ sung làm tăng hiệu quả xử lý. Công nghệ bức
xạ hiện đang đợc coi là công nghệ sạch và đợc ứng dụng trong nhiều ngành kinh
tế trong đó có ngành chế tạo và cải biến vật liệu nhằm tạo ra các vật liệu có tính
năng đặc biệt nh có độ trơng nớc cao, bền cơ học, dẻo, bền trong môi trờng có
dải pH rộng dùng trong nông nghiệp, tạo màng bao bảo quản quả tơi, hấp phụ
kim loại nặng, cố định vi sinh xử lý môi trờng. Trong nghiên cứu này, áp dụng
phơng pháp chiếu xạ gamma chế tạo vật liệu và chế phẩm cố định vi sinh có khả
năng hấp phụ, phẩn giải chất nhuộm màu có trong nớc thải của công ty dệt đã
đợc thực hiện. Vật liệu khâu mạch bức xạ HN2 đợc chế tạo từ các polyme tự
nhiên (tinh bột, chitosan) và polyme tổng hợp là PVA, PEO, HPA, vật liệu có độ
trơng khoảng 100 g/g và có khả năng hấp phụ chất nhuộm màu trong dung dịch
cũng nh trong nớc thải của công ty nhuộm (hấp phụ Red phenol và Erichome
Blue SE trên 20mg/g vật liệu và khoảng 80 % lợng màu trong nớc thải). Chế
phẩm cố định vi sinh HN2 và TBKM.vs đợc chế tạo từ vật liệu HN2, tinh bột
khâu mạch-TBKM và các chủng vi sinh phân lập từ nớc thải và dung dịch Red
phenol nhiễm vi sinh. Các chế phẩm HN2.vs vàTBKM.vs có khả năng hấp phụ và
phân giải màu trong dung dịch cũng nh trong nớc thải (hấp phụ Red phenol và
Erichome Blue SE trên 20ml/g vật liệu và khoảng 80 % lợng màu trong nớc thải)
Từ khoá: Công nghệ bức xạ, khâu mạch, cố định vi sinh, chiếu xạ gamma

7
Studying induction of radiation crosslinking materials for
dyes absorption and microorganisms immobilization
products for organic pollutant degradation
Toan Nguyen Van, Nhan Dang Duc. Dinh Le Thi, Diep Tran Bang, Binh Nguyen Thuy,
Binh Nguyen Van, Hung Nguyen Van.
Institute for Nuclear Science and Techniques
Dyes used in paint, interior decoration and textile industries are organic
compounds causing environmental pollution and harm to human and animals.
Adsorption, degradation and transformation are applied for treating these organic
compounds. Commonly used adsorbent is activated charcoal, but its adsorption
capacity is restricted. On the other hand there are no special functional groups such
as methylcarboxy (-CH
2
COO
-
) or amin (-NH
2
), in active charcoal. These groups
could take part in adsorption or immobilization so that it could increase the
treatment productivity. Radiation technology has been considered to be a clear
technology that is applied in many fields. Among other radiation induced

crosslinking of polymer materials to improve its physical properties such as
swelling, flexibility and stability under a wide range of pH, appears to be of
important practical application. The crosslinking materials with functional groups
could be applied in agriculture, preservation of fresh fruits, heavy metal
adsorption, and environmental treatment. In this study, application of gamma
irradiation to make crosslinking materials for the immobilization of microorganism
to absorb and degrade dyes in wastewater of textile factories has been carried out.
HN2 material is made from natural polymers (starch, chitosan) and synthetic
polymer (PVA, PEO, and HPA) irradiated with 5 kGy in the air. The swell
capacity of the material is about 100g/g. The material can absorb Red phenol or
Eriochrome Blue SE dyes from wastewater of textile factories with a capacity
about 20mg/g. Microorganism immobilization HN2.vs and TBKM.vs the products
are produced from HN2, TBKM by immobilized the trains of microorganisms that
isolated from wastewater of textile factories and red phenol solution. These
products can absorb and degrade of dyes in solution and wastewater of textile
factories (absorption capacity of Red phenol and Eriochrome Blue SE is over
20ml/g products and about 80 % amount of dye in wastewater).
Key words: Radiation technology, crosslinking, immobilization, gamma irradiation

8
Phần I- mở đầu
1. Đặt vấn đề
Hiện nay khoa học và kỹ thuật hiện đại đang đợc ứng dụng mạnh mẽ
trong mọi lĩnh vực kinh tế xã hội, y tế và công, nông nghiệp nhằm phục vụ
và nâng cao hiệu quả kinh tế, đời sống con ngời. Nhng điều đó cũng đặt ra
cho con ngời nhiều vấn đề nan giải cần phải giải quyết. Một trong những
vấn đề đó là ô nhiễm môi trờng do các loại khí thải, rác thải, nớc thải của
các ngành kinh tế công nghiệp, nông nghiệp và y tế cộng đồng đa vào môi
trờng.
Có rất nhiều phơng pháp khác nhau xử lý giảm thiểu và loại bỏ các
chất ô nhiễm nh kim loại nặng, hợp chất phenolic, thuốc nhuộm khỏi chất
thải lỏng đã đợc nghiên cứu và ứng dụng. Có thể chia thành 3 nhóm chính:
phơng pháp xử lý vật lý, phơng pháp hoá học và phơng pháp sinh học.
Phơng pháp vật lý có nhiều u điểm trong việc loại bỏ các tạp chất có kích
thớc lớn, phơng pháp hoá học thờng đợc áp dụng để tách và loại bỏ các
chất ô nhiễm dễ phân huỷ. Phơng pháp xử lý sinh học thờng đợc dùng để
chuyển hoá các chất ô nhiễm độc hại thành dạng không độc, biện pháp xử lý
kết hợp nhiều phơng pháp có hiệu quả xử lý cao hơn nhiều so với các biện
pháp xử lý riêng lẻ từng phơng pháp.
Công nghệ bức xạ đang đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau,
trong đó có lĩnh vực sản xuất và biến tính vật liệu, đặc biệt là vật liệu polyme
nhằm tạo ra các vật liệu mới có những tính năng đặc biệt phù hợp cho từng
nhu cầu sử dụng, trên cơ sở tác dụng của tia bức xạ polyme hoá các monome
mà không cần phải dùng các hoá chất, phụ gia gây độc cho ngời sử dụng và
môi trờng. Các vật liệu có độ trơng nớc khác nhau, có khả năng tự phân
huỷ sinh học, đặc biệt các vật liệu còn có khả năng hấp phụ rất cao các chất
vô cơ hay hữu cơ gây ô nhiễm môi trờng nh chất nhuộm màu trong nớc
thải của các nhà máy dệt nhuộm, da giày hay sơn tổng hợp. Hoặc làm giá thể

cố định các chủng vi sinh vật trong sản xuất thuốc trừ sâu sinh học hay các
chủng vi sinh vật có khả năng hấp phụ và phân huỷ các chất nhuộm màu
trong xử lý nớc thải chứa chất nhuộm màu nghành công nghiệp dệt,
Sự phát triển kinh tế xã hội nớc ta trong thời gian gần đây đã gây ô
nhiễm nghiêm trọng không khí, đất và các nguồn nớc, đặc biệt trong công
nghiệp chế biến thực phẩm, trong sản xuất công nghiệp và trang trí, các chất
màu là một trong những nguồn gây ô nhiễm chất hữu cơ độc hại đối với môi
trờng sinh thái, gây độc cho ngời và động vật. Vì vậy tuỳ thuộc vào bản
chất nguồn thải và chất ô nhiễm mà các biện pháp xử lý khác nhau đã đợc
áp dụng, nhằm loại bỏ các chất nhuộm màu và các chất thải khác ra khỏi
nớc thải trớc khi thải vào môi trờng. Biện pháp xử lý chính đối với các
hợp chất màu này là hấp phụ, phân huỷ hoặc chuyển hoá chúng thành dạng ít
độc hơn. Nhng nếu chỉ sử dụng các dạng vật liệu thông thờng nh than
hoạt tính kết hợp một số chất xúc tác khác để khử độc và hấp phụ màu thì
hiệu suất xử lý không cao không triệt để. Do diện tích riêng bề mặt của than

9
hoạt tính thấp và bản thân nó không có những nhóm chức đặc biệt nh
methylcarboxyl CH
2
COO
-
hay nhóm amin -NH
2
có khả năng tham gia vào
các phản ứng hấp phụ hay cố định bổ sung và làm tăng hiệu quả xử lý. Vì
vậy cần có các dạng vật liệu khác có các tính năng u việt hơn, khả năng hấp
phụ cao hơn để xử lý ô nhiễm môi trờng mà quan trọng là ô nhiễm các chất
nhuộm màu.
Kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Bộ do TS Đặng đức Nhận chủ trì

năm 2004 đã tạo ra vật liệu polyme khâu mạch bức xạ trên cơ sở chiếu xạ
khâu mạch dung dịch hỗn hợp PVA- PEO- Tinh bột, vật liệu này có độ bền
cơ lý tốt, có khả năng hấp phụ chất nhuộm màu nhng hiệu suất còn thấp,
khả năng tái sử dụng thấp. Do đó cần nghiên cứu cải tiến chất lợng của vật
liệu nhằm tạo ra một vật liệu có khả năng hấp phụ màu, có các đặc tính cơ lý
tốt hơn và thích hợp cho việc xử lý nớc thải có chứa chất nhuộm màu.
Ngoài ra cũng cần nghiên cứu khảo sát tạo chế phẩm cố định vi sinh vật có
khả năng hấp phụ và phân huỷ một số hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ nh chất
tẩy rửa hay khó phân huỷ nh chất nhuộm màu có trong nớc thải. Chất
nhuộm màu rất bền vững trong môi trờng do cấu trúc phân tử bao gồm
nhiều vòng nhân thơm nên việc nghiên cứu để tìm ra biện pháp phân huỷ nó
là rất cần thiết, vi sinh vật phải phá vỡ đợc chuỗi liên kết hydratcacbon của
mạch phân tử và sử dụng cacbon nh nguồn nguyên liệu cho sự sinh trởng
phát triển của mình.
Trên cơ sở những thành công đã đạt đợc và nhu cầu cấp thiêt của thực
tế, đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme khâu mạch bức xạ hấp phụ
chất nhuộm màu và chế phẩm cố định vi sinh vật có khả năng phân giải
một số chất hữu cơ gây ô nhiễm môi trờng xin đợc đăng ký và thực
hiện với mục đích chính là tạo đợc vật liệu polyme khâu mạch bức xạ phù
hợp làm vật liệu hấp phụ chất nhuộm màu và chế phẩm cố định vi sinh vật có
khả năng hấp phụ và phân huỷ màu cao sử dụng trong xử lý nớc thải chứa
chất nhuộm màu ngành công nghiệp dệt.
2. Mục tiêu
Tạo đợc vật liệu polyme khâu mạch bức xạ có dung lợng hấp phụ
chất nhuộm màu cao.
Tạo đợc chế phẩm cố định vi sinh vật có khả năng hấp phụ và phân
giải mốt số hợp chất hữu cơ khó phân huỷ nh chất nhuộm màu có
trong nớc thải.

Đánh giá khả năng ứng dụng các sản phẩm trên xử lý thực tế nớc thải

có chứa chất nhuộm màu của Công ty Nhuộm Hà Nội
Xây dựng quy trình kỹ thuật xử lý nớc thải chứa chất nhuộm màu
3. Các nội dung nghiên cứu chính
3.1. Cải tiến chất lợng vật liệu polyme khâu mạch bức xạ đã chế tạo trong
năm 2004.


10
3.2. Thu thập và tiến hành thí nghiệm so sánh với một vài loại vật liệu
polyme đã chế tạo tại Viện NLNTVN nhằm chọn ra một vật liệu thích
hợp nhất cho nghiên cứu xử lý nớc thải ô nhiễm chất nhuộm màu.
3.3. Xác định khả năng hấp phụ chất nhuộm màu của vật liệu đã chọn trong
dung dịch chất nhuộm màu.
3.4. Xác định khả năng hấp phụ chất nhuộm màu của vật liệu đã chọn trong
nớc thải có chứa chất nhuộm màu.
3.5. Biện pháp giải hấp phụ chất nhuộm màu để tái sử dụng vật liệu.
3.6. Phân lập và tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả năng thích nghi với
môi trờng có nồng độ chất nhuộm màu cao.
3.7. Xác định khả năng hấp phụ và phân huỷ chất nhuộm màu của chủng vi
sinh vật đã phân lập đợc.
3.8. Tạo màng bao polyme sinh học trên bề mặt hạt lọc nớc dùng làm vật
liệu cố định chủng vi sinh vật đã phân lập.
3.9. Tạo chế phẩm cố định vi sinh vật
3.10. Đánh giá khả năng hấp phụ và phân huỷ các chất nhuộm màu của chế
phẩm cố định vi sinh vật trong dung dịch chất nhuộm màu.
3.11. Đánh giá khả năng hấp phụ và phân huỷ các chất nhuộm màu của chế
phẩm cố định vi sinh vật trong nớc thải có chứa chất nhuộm màu
3.12. Xử lý thực tế nớc thải chứa chất nhuộm màu của Công Ty Nhuộm Hà
nội bằng vật liệu polyme khâu mạch bức xạ và chế phẩm cố định vi sinh
đã chế tạo. Qui trình kỹ thuật xử lý nớc thải có chứa chất nhuộm màu.

4. Thời gian thực hiện: 24 tháng
5. Đơn vị thực hiện: Trung Tâm An Toàn Bức xạ và MôI Trờng, Viện
Khoa Học và Kỹ Thuật Hạt Nhân
6. Nguồn kinh phí và mức kinh phí đợc cấp:
Nguồn kinh phí: Từ ngân sách nhà nớc
Mức kinh phí đợc cấp: 250.000.000 VND (hai trăm năm mơi triệu đồng)










11
Phần II lý thuyết, tổng quan

1. Công nghệ bức xạ
Công nghệ bức xạ đang dần trở thành một phơng pháp tiên tiến ứng
dụng trong nhiều ngành kinh tế khác nhau nh khử trùng dụng cụ y tế, thanh
trùng hải sản, bảo quản lơng thực, thực phẩm, cải biến và chế tạo vật liệu
ứng dụng trong y tế, công nông nghiệp Công nghệ này đợc coi là công
nghệ sạch không gây bất kỳ sản phẩm phụ có hại cho ngời sản xuất, tiêu
dùng và đặc biệt không gây ô nhiễm môi trờng [2][3][4][6]
ứng dụng công nghệ bức xạ trong các lĩnh vực kinh tế và khoa học
đều dựa vào bản chất và năng lợng của tia bức xạ bao gồm bức xạ ion hoá
và không ion hoá, cũng nh bản chất và tính chất cơ hoá lý, vật lý và sinh
học của vật liệu để cải biến hay tạo vật liệu mới có những tính năng phù hợp

hơn với những nhu cầu ứng dụng thực tế và từng nghiên cứu cụ thể.
Từ những polymer tự nhiên hay tổng hợp, bằng công nghệ bức xạ ngời
ta có thể tạo ra rất nhiều loại vật liệu polyme có đặc tính khác nhau trên cơ
sở các phản ứng hoá bức xạ xảy ở vật liệu dới tác dụng của tia bức xạ. Vật
liệu có thể bị cắt mạch, khâu mạch hay ghép mạch tuỳ theo mức năng lợng
của tia bức xạ, bản chất và trạng thái của vật liệu [2][3][4][6][7
]. Các polyme
tự nhiên nh tinh bột, cellulose, alginat, chitosan, carageenan khi chiếu xạ ở
trạng thái khô sẽ xảy ra hiệu ứng cắt mạch. Nhng khi chiếu xạ trong môi
trờng lỏng, đặc biệt khi ở trạng thái hồ đặc trong điều kiện có chân không
thì có thể xảy ra hiệu ứng khâu mạnh hoặc ghép mạch giữa các polyme cùng
loại với nhau hoặc với các polyme khác loại trong hỗn dịch, nhờ có sự hỗ trợ
của các gốc tự do là sản phẩm xạ ly nớc trong quá trình chiếu xạ
[4][7]. Từ
đó vật liệu tạo ra rất đa dạng, phong phú với những đặc tính khác nhau phù
hợp với mục đích và nhu cầu của sản xuất, ứng dụng hay nghiên cứu, đó có
thể là vật liệu trơng dùng trữ nớc cho những vùng khô hạn, là vật liệu siêu
hấp phụ dùng xử lý nớc thải ô nhiễm kim loại nặng, dầu thô hay ô nhiễm
chất nhuộm màu
[2][3][4][6][22][23]
Chơng trình hợp tác nghiên cứu về xử lý bức xạ polysaccharide biển
giữa VNLNT Việt Nam và VNLNT Nhật Bản đã thành công trong việc xử lý
bức xạ làm tăng hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của chitosan, tăng hoạt
tính kích thích sinh trởng của alginate. Ngoài ra hớng nghiên cứu biến tính
vật liệu tạo ra một số loại vật liệu đa nhóm chức hấp phụ kim loại nặng từ
chitosan, tinh bột và acid acrylic cũng đã đợc ứng dụng trong xử lý nớc
thải, làm sạch môi trờng. Nh nghiên cứu của
Masao Kunioka chế tạo vật
liệu siêu hấp thụ nớc có độ trơng 3500 lần khi chiếu xạ PGA (Poly
glutamic axit) đợc tổng hợp từ các Bacterial Polyamino axit khi chiếu xạ 19

kGy hay 200 lần khi chiếu xạ 100 kGy dung dịch PGA 2 % tạo ra từ Bacillus
subrilis và chỉ cần vài ppm của hydrogel PGA là có thể làm mất độ đục của
nớc. Tạo Hydrogel trơng nớc từ PEO, PVA, của Fumico Yoshii, khi

12
chiếu xạ dung dịch PEO 15% ở 40 60 kGy đạt độ trơng 20 lần. Hay
hydrogel từ hỗn hợp dung dịch PVA - Tinh bột- CMC đạt độ trơng 50 lần
khi chiếu liều 25 kGy và hydrogel tạo ra khi chiếu xạ dung dịch CMS 15%
với liều 3 kGy đạt độ trơng 500 lần của F. Yoshii, T. Kume.
2. Nhu cầu và các biện pháp xử lý thải:
Thực tế cho thấy có quá nhiều chất thải cha qua xử lý đợc thải ra
môi trờng, gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trờng sinh thái và điều kiện
sống của con ngời, đó là các loại khí độc hại CO
2
, CO, SO
2,
các hợp chất
màu, các dạng phenolic và các hợp chất hữu cơ độc hại. Trong ngành công
nghiệp dệt, tuỳ theo công đoạn và phơng pháp công nghệ sử dụng, nớc thải
có chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau, đáng chú ý là các công đoạn tẩy
trắng và nhuộm mầu. Nớc thải có chứa mỡ từ sợi, một phần nhỏ các hợp
chất lignin, hydrat cacbon và các chất tẩy, có thể có các hợp chất clo hữu cơ
rất độc, các chất nhuộm mầu và một số lợng hoá chất nh Na
2
C0
3
, KOH,
Na0H, các mui thiosulphit, thiosulphat, axit axetic, các hóa cht khác s
dng lm n nh mu. Nồng độ màu trong nớc thải thờng từ 10 đến
200mg/l và có thể cao hơn, đa số nớc thải của các xí nghiệp và các cơ sở

sản xuất dệt nhuộm thờng chỉ mới đợc xử lý phổ biến nhất là bằng phơng
pháp pha loãng để giảm nồng độ màu nhng lại làm tăng thể tích dung dịch
nớc thải phải xử lý [8][9][10][11][12].
Phần lớn các chất màu trong công nghiệp dệt nhuộm (khoảng trên
50% các chất màu thơng mại) đều có chứa nhóm Azo (- N = N -), có thể là
1 (monoazo) cũng có thể chứa 2; 3 nhóm azo (di triazo) hoặc hiếm hơn là 4
nhóm azo (polyazo), các nhóm liên kết azo này thờng gắn với 1 hoặc 2 gốc
tự do (thờng là 2) A và E chứa các vòng nhân thơm, gốc A chứa các nhóm
nhận điện tử, gốc E chứa các nhóm cho điện tử, đặc biệt là các nhóm
Hydroxy và Amino. [14]
A N = N - E

Có thể phân các loại chất nhuộm màu thành các nhóm chính:
* Chất nhum hot tớnh: Cỏc loi chất nhum thuc nhúm ny cú cụng thc
cu to tng quỏt l S-F-T-X trong ú: S l nhúm lm cho chất nhum cú
tớnh tan; F l phn mang mu thng l cỏc hp cht Azo (-N=N-),
antraquinon, axit cha kim loi hoc ftaloxiamin, T l gc mang nhúm phn
ng, X l nhúm phn ng
.
* Chất nhum trc tip: ây l nhóm chất nhum bt mu trc tip vi x
si không qua giai on x lý trung gian, thng s dng nhum si
100% cotton, si protein (t tm) v si poliamid, phn ln chất nhum trc
tip có cha azo (mono, di and poliazo) v mt s l dn xut ca dioxazin.
Ngoi ra, trong chất nhum còn có cha các nhóm lm tng bt mu nh
triazin v salicilic axit có th to ph
c vi các kim loi tng bn mu.
* Chất nhum hon nguyên: Chất nhum hon nguyên gm 2 nhóm chính:
Nhóm a vòng có cha nhân antraquinon v nhóm indigoit có cha nhân

13

indigo. Công thc tng quát l R= C- 0; trong ó, R l các hp cht hu c
nhân thm, a vòng.
* Chất nhum phân tán: Nhóm chất nhum ny có cu to phân t t gc
azo v antraquinon v các nhóm amin (NH2, NHR, NR2, NR-OH), dùng ch
yu nhum các loi si tng hp (si axetat, si polieste) không a
nc.
* Chất nhum lu hunh: L nhóm chất nhum cha mch dị hình nh
tiazol, tiazin trong ó có cu ni -S-S- dùng nhum các loi si cotton
v viscose.
* Chất nhum axit: Các chất màu có tính acid (Acid Dyes), l các mui
sulfonat ca các hp cht hu c khác nhau có công thc l R-SO
3
Na, phần
lớn tan trong nớc, tính tan đó phụ thuộc sự tồn tại của các nhóm sulphonic
acid (SO
3
H) thờng ở dạng muối ( SO
3
Na) phân bố trong cấu trúc của phân
tử, khi tan trong nc phân ly thnh nhóm R-SO
3
mang mu. Các chất
nhum ny thuc nhóm mono, diazo v các dn sut ca antraquinon, triaryl
metan
* Thuc in, nhum pigmen: Có cha nhóm azo, hon nguyên a vòng,
ftaoxianin, dn sut ca antraquinon

Nói chung các chất màu bao gồm 2 thành phần chính:
- Auxochrome (electron donor, Chất cho e).
- Chromogen (electron acceptor, chất nhận e): điều hoà tính tan và tạo màu

sắc, gồm các vòng nhân thơm chứa các nhóm sinh màu (chromophore),
Chromophore sinh ra màu nhờ khả năng thay đổi tần số hấp thụ trong vùng
ánh sáng nhìn thấy, cấu trúc của một số nhóm sinh màu thờng gặp là [14]:
Cấu trúc một số nhóm sinh màu thờng gặp
nitroso
nitro
nhóm azo
nhóm ethylene
nhóm cacbonyl
nhóm cacbon-nitrogen
nhóm cacbon-sulphur
NO hoặc (=N-OH)
NO
2
hoặc (=N-OOH)
-N=N-
-C=C-
-C=O-
-C=NH-, -CH=N-
-C=S; -C-S-S-C-

Các chất nhuộm màu có màu sắc khác nhau do trong cấu trúc phân tử có
chứa các nhóm sinh màu khác nhau nêu trên, vì vậy khi làm đứt hoặc thay
đổi các liên kết hình thành các chromophore sẽ làm thay đổi màu sắc hoặc
làm mất màu của của các chất nhuộm màu.
[14]
Bởi vậy có nhiều loại hình công nghệ xử lý môi trờng đợc thử nghiệm
để giải quyết vấn đề ô nhiễm, đó là phơng pháp vật lý bằng cách lọc,

14

phơng pháp hoá học sử dụng các Fentons Reagent (H
2
O
2
+ Fe(II) salts),
phơng pháp sinh học chuyển hoá các chất ô nhiễm độc hại thành dạng
không độc, và các biện pháp kết hợp của nhiều phơng pháp để làm tăng
hiệu quả của các phơng pháp xử lý riêng biệt [14][15][16][17][24][25][28].
Nhng không dễ dàng để đạt đợc kết quả mong muốn là tách bỏ ô nhiễm
màu của nớc thải, bởi xử lý bằng các phơng pháp riêng lẻ hiệu suất xử lý
không cao, thờng phát sinh rất nhiều khó khăn trong quá trình xử lý. Thực
chất có 2 cách để giải quyết vấn đề ô nhiễm màu là hạn chế thải và xử lý
thải, hạn chế thải mục đích là giảm nồng độ màu và thể tích thải bằng cách
tái chế chất màu, chất bổ trợ và nớc, còn xử lý thải là tách và loaị bỏ chất
màu và các hợp chất không thể tái chế
[14][15][16][17][24][25][28].
Việc tái chế nớc có thể đạt đợc bằng cách tách màu và phụ gia khỏi
dung dịch, thờng bằng phơng pháp vật lý lọc hoặc hấp phụ, kỹ thuật lọc
thích hợp là thẩm thấu ngợc, còn hấp phụ chất màu có thể bằng các vật liệu
hấp phụ nh than hoạt tính hoặc các vật liệu cellulose, chuyển các thành
phần bị nhuộm màu thành dạng rắn có thể tái chế hoặc đem chôn nh chất
thải rắn. Đồng thời các phơng pháp hoá học cũng đợc sử dụng nh dùng
các chất đông tụ làm đông kết các chất màu và tách khỏi dung dịch thải ở
dạng hồ đặc, trong một số trờng hợp và phơng pháp nhuộm ngời ta có thể
tái sử dụng các chất màu tái chế, nhng đây là biện pháp miễn cỡng và mạo
hiểm ảnh hởng tới chất lợng sản phẩm. Bởi vậy cần có một biện pháp sinh
học xử lý hoàn thiện chất màu trong nớc thải, khử màu và khóang hoá các
chất màu hữu cơ thành các hợp chất vô cơ nh CO
2
, CH

4
và nớc nhờ hoạt
động hấp thụ và phân huỷ chất màu của các chủng vi sinh vật hiếu khí - kỵ
khí sống trong môi trờng nớc thải, mặc dù bản chất của quá trình khử màu
và khoáng hoá chất màu còn cha đợc khẳng định
[9][10][11] [14].
Thông thờng việc xử lý thải với hy vọng khử màu của các chất màu
có thể tiến hành bằng các phơng pháp hoá học và sinh học, phơng pháp
hoá học có thể bao gồm các kỹ thuật oxy hoá nh dùng ozon làm gãy các
cầu nối đôi của chất màu và phơng pháp chiếu xạ tử ngoại kết hợp với H
2
O
2

làm đứt gãy các nhóm azo của chất màu azo [14]. Còn phơng pháp sinh học
có thể là phơng pháp xử lý riêng biệt hoặc kết hợp cả hai pha xử lý hiếu khí
và kỵ khí. Nhng các nghiên cứu gần đây đều cho thấy chỉ có kết hợp cả 2
pha xử lý hiếu khí và kỵ khí trong phơng pháp xử lý sinh học mới đủ khả
năng để khử màu và khoáng hoá chất màu ngành công nghiệp dệt (Haug et
al., 1991)
[14]. Thuận lợi cơ bản của phơng pháp sinh học là hiệu quả kinh
tế, giá thành giảm rất nhiều so với phơng pháp hoá học phải luôn cần một
lợng lớn các chất hoá học nh chất đông tụ hay H
2
O
2
[9][10][11] [14].
Công nghiệp dệt sử dụng rất nhiều loại chất nhuộm màu khác nhau,
kéo theo ô nhiễm nghiêm trọng bởi các chất màu và phụ gia có trong nớc
thải. Vì vậy, nếu chỉ dùng những chất hấp phụ nh than hoạt tính hay các vật

liệu hấp phụ thông thờng để xử lý thì không thể đạt hiệu quả cao và cha
triệt để mà cần phải có các sản phẩm hấp phụ có khả năng hấp phụ màu cao,
diện tích riêng bề mặt lớn. Đặc biệt là các vật liệu hoặc chế phẩm này có thể

15
có khả năng bẻ gãy các phân tử màu thành các thành phần không màu và
không độc hại trong quá trình chuyển hoá của vật chất thì mới giải quyết
triệt để vấn đề ô nhiễm màu
[14][15][16][17][24][25][30][31][37][44]. Một
số nghiên cứu về công nghệ sinh học cũng đợc áp dụng vào xử lý thải của
các nhà máy giấy, dệt nhuộm, xử lý cặn dầu hoặc các vụ tràn dầu bằng các
chủng vi sinh có khả năng phân huỷ các mạch hydrate cacbon và chuyển hoá
thành nguồn thức ăn và năng lợng cho vi sinh vật.

[14][15][16][17][19][20][37][42][44].
3. Vai trò của vi sinh vật trong xử lý nớc thải
Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh [9][10][11][13][14][45]:
- Các tế bào vi sinh vật và nấm có thể đợc sử dụng nh các chất hấp
thụ giá rẻ nhằm tách các chất nhuộm màu ra khỏi dung dịch, đặc biệt là các
tế bào nấm Myrotherium verrucaria có khả năng hấp thụ màu tan trong nớc
cao hơn rất nhiều so với các chất hấp phụ thông thờng nh than hoạt tính.
Tuy nhiên không phải mọi chủng vi sinh vật hay nấm đều có khả năng hấp
thụ và phân huỷ tất cả các loại chất màu vì nh Hu (1992)
[14] khi nghiên
cứu khả năng hấp thụ và phân huỷ của 22 dòng nấm men và 25 dòng vi sinh
vật đối với 4 chất nhuộm màu xanh, 3 chất nhuộm màu đỏ, 2 chất nhuộm
màu tím, 2 chất nhuộm màu vàng cho thấy chỉ có 15 chủng có khả năng khử
màu của chất nhuộm màu đỏ trong khoảng 8 ngày. Với riêng chủng
Aeromonas sp, có thể khử màu của chất nhuộm màu đỏ trong 6 ngày nên
thờng đợc sử dùng trong rất nhiều thí nghiệm nghiên cứu khả năng hấp thụ

và phân huỷ các chất nhuộm màu. Còn với các chất nhuộm xanh hoạt tính,
vàng và đỏ khác chỉ đợc khử màu một phần khi bị hấp thụ bởi sinh khối
Aeromonas sp. Khả năng hấp thụ đặc biệt của tế bào vi sinh vật thờng lớn
nhất ở giai đoạn đầu của chu kỳ sinh trởng và theo Hu (1992)[14] vị trí hấp
thụ chủ yếu đối với chất màu nh Procion Red G là chitin trong vỏ tế bào vi
sinh vật của sinh khối Aeromonas, dung lợng hấp thụ của sinh khối đối với
Procion Red G là 27,41 mg/g tế bào khô với hiệu suất tách màu là 60%.
Theo Mou (1991) và Brahimi-Horn (1992)[14], nấm Myrothecium
verrucaria hấp thụ màu rất tốt đối với 3 chất màu Orange II, RS (H/C) và 10
B (H/C) ở cả trạng thái tĩnh và động, nhng trạng thái tĩnh không đạt hiệu
quả cao nh trạng thái động hay khi có oxy trong quá trình khử màu, dung
lợng hấp thụ của tế bào nấm đối với chất màu RS là 4g/10kg tế bào ở dạng
ớt. Sau khi hấp thụ, màu liên kết trên các tế bào dần biến mất sau khoảng 1
tuần hoặc lâu hơn chứng tỏ có sự phân huỷ sinh học chất màu, mức độ phân
huỷ phụ thuộc vào cấu trúc chất màu [14]. Cơ chế để chất màu có thể liên kết
với nấm Myrothecium verrucaria đợc Brahimi-Horn (1992) [14]
cho rằng
một phần chất màu có thể thẩm thấu qua màng vào hấp thụ bên trong tế bào,
nhng phần lớn hấp thụ bên ngoài trên phần chitin của vách tế bào tại các
tâm hoạt tính là các nhóm amine NH
2
và OH. [15][18][20][32][35][41][44].


16



- Đa số các chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ màu (đặc biệt là
chất màu monoazo) đều là các chủng sống độc lập trong điều kiện hiếu khí

hoặc kỵ khí không bắt buộc nh Bacillus, Pseudomonas, Aeromonas [2
]
[13][14][45]. Đây là các chủng vi sinh vật rất phổ biến, linh hoạt và đa
năng, thờng đợc sử dụng trong nhiều thí nghiệm nghiên cứu hấp thụ và
phân huỷ các hợp chất màu azo không có sẵn trong tự nhiên. Gần đây, các
nghiên cứu cố định vi sinh, cố định enzym để làm tăng hiệu quả của phơng
pháp xử lý sinh học đợc ứng dụng nhiều trong xử lý rác thải và nớc thải ô
nhiễm màu và các chất hữu cơ độc hại. Tuy nhiên phơng pháp này có hạn
chế là thời gian làm sạch tơng đối dài thờng phải từ 5 đến 10 ngày, nh
nghiên cứu về sự phân huỷ sinh học của phenols và cyanides khi sử dụng
màng polyacrylonitrile đợc cố định hỗn hợp các chủng vi sinh vật dòng
Agrobacterium radiobacter, Staphylococcus seiuri và Pseudomonas
diminuta có khả năng phân huỷ phenol và cyanide là 36 và 20,6% theo thứ
tự, của M. Kowalska [2][13][14][45].
Chính mức độ sulphonate hoá của các chất màu azo làm tăng khả năng
tan trong nớc nhng làm giảm khả năng các hợp chất đó hấp thụ và thâm
nhập qua vách tế bào và làm hạn chế sự phân huỷ hiếu khí chất màu [14]. Vị
trí của các nhóm sulphonic acid và trọng lợng phân tử của chất màu, cấu
trúc của chất màu và khả năng tan trong nớc là nguyên nhân chính ngăn cản
các chất màu azo bị hấp thụ và phân huỷ sinh học bởi vi sinh vật.
Phản ứng
oxy hoá khử làm đứt gãy liên kết azo của quá trình khử màu dễ dàng xảy ra
trong điều kiện kỵ khí nhng lại rất hạn chế trong điều kiện hiếu khí [14.p 2-
6]. Nhng có một số loại nấm nh Phanerochaete chrysosporium lại có khả
năng phân huỷ một số lợng lớn các chất màu ở điều kiện hiếu khí, Pasti-
Grigsby et al., 1992
. [14]. Theo Pasti-Grigsby nấm P. chrysosporium có thể
khử màu và phân huỷ 3 chất màu polymeric (Poly B, Poly R and Poly Y)
bằng quá trình trao đổi thứ cấp. Đầu tiên sự khử màu bị kìm hãm do N của
chất dinh dỡng hữu cơ tồn tại trong nớc thải, quá trình khử màu chỉ bắt

đầu khi N trong môi trờng đã bị sử dụng hết và vi sinh vật rất cần oxy để
tạo ra và kích hoạt hệ xúc tác cho quá trình khử màu. Cripps (1990)
[14]
cũng cho rằng nấm P. chrysosporium có thể khử màu của 3 chất màu azo
Tropeolin O, Orange II and Congo Red
và chất màu dị vòng (Azure B), cấu
trúc các chất màu ảnh hởng tới mức độ khử màu và chất màu dị vòng dễ bị
khử màu bởi nấm hơn trong khi Congo red là chất màu phổ biến hơn lại khó
hoàn thiện quá trình khử màu ngay cả sau khi ủ 10 ngày [14].


17
. - Tảo đơn bào (Algae) cũng có thể phân huỷ và sử dụng các chất màu azo
nh nguồn cacbon và nitrogen cho sinh trởng và phát triển. Jinqui và
Houtian (1992) [14] khi thí nghiệm với Chlorella pyrenoidosa, C. vulgaris
và Oscillateriatenui để khử màu 30 chất màu azo thì 14 chất có độ khử màu
là 50% hoặc cao hơn. Kết quả cũng chỉ ra rằng sự khử màu liên quan trực
tiếp tới cấu trúc phân tử của chất màu azo, chất màu azo với nhóm -OH hoặc
-NH
2
dễ bị phân huỷ hơn các nhóm methyl, methoxy, sulpho hoặc nitro [14].
Eriochrome Blue SE là chất màu azo và cũng dễ dàng bị phân huỷ bởi algae,
quá trình phân huỷ liên quan tới hoạt động trao đổi chất của tảo và sau khi bị
khử màu, chất màu sẽ bị tảo khoáng hoá thành các hợp chất vô cơ nh
cacbon và năng lợng [14]. Các enzyme reductase cũng tham gia vào quá
trình khử liên kết azo để hình thành các thành phần tổng hợp nên các amin
thơm mà sau đó bị khoáng hoá bới agae. Nh vậy tảo có liên quan gián tiếp
tới sự phân huỷ các hợp chất hữu cơ bằng cách cung cấp oxy qua quá trình
quang tổng hợp để làm tăng khả năng phân huỷ của vi sinh vật dị dỡng sống
trong môi trờng nớc thải [8][9][10][11][13][14].

Hầu hết các thí nghiệm nghiên cứu sự phân huỷ kỵ khí các chất màu
mà chủ yếu là màu azo thờng sử dụng các chủng vi sinh vật đơn, nh các
chủng Bacillus và Pseudomonas, AeromonasCác chủng vi sinh vật này
đợc thấy hoạt động rất tốt trong phân huỷ kỵ khí của đa số các chất màu
[8][9][10][11][13][14] làm đứt gãy các liên kết azo để hình thành các sản
phẩm là các amine thơm sẽ đợc khoáng hoá trong pha phân huỷ hiếu khí.
Khi nghiên cứu hoạt động phân huỷ màu azo của các chủng Bacillus
đối với hỗn hợp dung dịch màu bao gồm CI Acid Red 14, CI Acid Orange 7
and CI Acid Black 1, Wilcox [14] cho rằng Bacillus khử màu rất tốt các chất
màu đỏ và đen nhng lại không quan sát thấy sự khử màu đối với chất màu
da cam còn lại. Cho thấy ở dạng hỗn hợp các chất màu bị phân huỷ bởi vi
sinh vật hiệu quả hơn là khi các chất màu ở dạng dung dịch đơn, vi sinh vật
cũng không thể chỉ dùng các chất màu nh nguồn cacbon và năng lợng duy
nhất mà đòi hỏi phải có sự bổ sung nguồn dinh dỡng trong hoạt động phân
giải màu [14].
Wuhrmann khi nghiên cứu quá trình khử kỵ khí chất màu azo đợc
dùng trong công nghiệp dệt của chủng Bacillus cereus tách từ đất cũng cho
thấy vi khuẩn có khả năng khử màu thông qua khử liên kết azo. Nhng sự
khử màu của các chất màu này sẽ không xẩy ra khi thiếu vắng cacbon
(glucose), cho thấy glucose rất cần thiết để duy trì trạng thái trao đổi chất
của vi khuẩn tạo ra các sản phẩm là Flavin rất cần cho quá trình khử màu
[14]. Sự thẩm thấu của chất màu vào trong tế bào vi khuẩn đợc coi là yếu tố
giới hạn chính cho hiệu suất khử màu và theo Meschner và Wuhrmann
(1982) tính thấm này có thể đợc tăng lên khi bổ sung toluen vào hệ thống
xử lý và làm tăng hiệu suất hấp thụ đối với chất màu azo bị sulphonate và
carboxylate từ môi trờng bên ngoài vào tế bào vi khuẩn [14].

18
Trong các chủng vi sinh vật đợc sử dụng để nghiên cứu sự khử màu
của các chất màu azo thì Pseudomonas sp và

Aeromonas sp là các chủng vi
sinh vật phổ biến nhất, dễ thích nghi và thích hợp cho nghiên cứu sự phân
huỷ của các hợp chất màu azo không có sẵn trong tự nhiên. Những kết quả
nghiên cứu sự phân huỷ các chất màu azo CI Acid Orange 12, CI Acid
Orange 20 and CI Acid Red 88 bởi chủng vi sinh vật Pseudomonas cepacia
13NA của Ogawa (1990) [14] cho thấy ở pha đầu tiên của quá trình xử lý,
hàm lợng các chất dinh dỡng có sẵn trong hệ thống xử lý làm tăng nhanh
tập hợp chủng vi sinh vật và làm tăng số lợng vi sinh vật có khả năng phân
huỷ chất màu azo. ở các pha tiếp theo khi hàm lợng các chất dinh dỡng đã
bị hạn chế do vi sinh vật sử dụng để sinh trởng và pháp triển buộc vi sinh
vật phải tiêu hoá các chất màu azo cho sự sinh trởng của mình, tức là các
chất màu azo chỉ bị phân huỷ ở điều kiện khi hàm lợng các chất dinh dỡng
tự nhiên có sẵn trong hệ thống xử lý bị hạn chế, bị thiêú hay đã bị sử dụng
hết bởi vi sinh vật [14]. Kết quả này cho thấy quá trình phân giải các chất
màu azo luôn đòi hỏi phải cung cấp thêm cacbon để duy trì hoạt động trao
đổi chất của tập hợp chủng vi sinh vật khi phân huỷ chất màu. Ogawa and
Yatome (1990) [14] khi sử dụng chủng vi sinh vật P. cepacia 13NA cố định
trên gel K-carrageenan để tách màu và các hợp chất hữu cơ khỏi nớc thải
cho thấy rằng ở ngay pha đầu tiên của quá trình xử lý, các chất hữu cơ tự
nhiên có sẵn trong nớc thải đợc u tiên xử lý trớc, khi đó có sự tăng lên
về hàm lợng sinh khối vi sinh vật. Tuy nhiên cũng có một lợng nhỏ chất
màu bị phân huỷ, chứng tỏ lợng chất màu này đã bị phân huỷ bới các tế bào
vi sinh vật đang bị đói. Vì vậy giai đoạn đầu của quá trình phân huỷ màu, khi
mà hàm lợng dinh dỡng trong hệ thống xử lý quá cao rất phù hợp cho sự
sinh trởng làm tăng số lợng tế bào vi sinh vật, chỉ ở các giai đoạn sau khi
mà hàm lợng dinh dỡng thấp đi do bị vi sinh vật sử dụng mới phù hợp với
hoạt động dị hóa phân huỷ chất màu của vi sinh vật. Vì vậy việc xử lý các
chất màu bởi hệ thống sinh học phân giải hiếu khí kỵ khí phải cần một thời
gian nhất định, có thể là 20 giờ hoặc hơn nhng để đạt hiệu quả cao nhất cần
duy trì thời gian xử lý dài hơn, thờng từ 5 đến 10 ngày [14

]. Sự khử màu đặc
trng cho bớc đầu tiên của quá trình phân huỷ, kết quả là tạo ra các sản
phẩm là các amine thơm và để khoáng hoá đợc các hợp chất thải thì vi sinh
vật phải phân huỷ đợc các amine đã đợc tạo ra [14]. Hiệu suất khử màu
khác nhau đối với loại chất màu khác nhau, với những chất màu thuộc loại
màu trực tiếp, axit, kiềm, hoạt tính hay cation, sự khử màu nhanh và hiệu quả
hơn, khả năng khử màu của vi sinh vật ở điều kiện kỵ khí trong bóng tối cao
hơn trong điều kiện có ánh sáng.
Các kết quả nghiên cứu sự khoáng hoá các chất màu trong hệ thống
xử lý sinh học cho thấy sự phân huỷ các hợp chất mầu thờng xảy ra trong
điều kiện kỵ khí, nhng phụ thuộc rất nhiều vào lợng oxy làm đứt gãy các
dạng cấu trúc vòng nhân thơm là các thành phần cơ bản tạo nên cấu trúc của
các chất màu. Lợng oxy này tồn tại ở dạng nitrate hoặc sulphate và đợc vi
sinh vật phân giải thành oxy tự do tham gia vào hoạt động phân huỷ chất

19
màu. Do đó hầu hết các chất màu có các vòng nhân thơm trong cấu trúc đều
đợc xem là các chất màu đã đợc chuyển đổi và có thể bị phân huỷ màu ở
điều kiện kỵ khí. Phơng pháp quét tử ngoại (ultraviolet scanning) cũng cho
thấy quá trình phân giải màu xảy ra do có quá trình khử liên kết azo và tiếp
theo là phân huỷ các nhóm tạo màu (chromophore) của chất màu [14].
Naphthalene và naphthol (bao gồm cả các hợp chất thay thế) đợc xem
là các thành phần cơ bản hình thành cấu trúc của đa số các chất màu azo, còn
các hợp chất Nitrogen dị vòng hình thành các nhóm hoạt tính của các chất
màu [14]. Sự phân huỷ của Naphthalene, Naphthol và Acenaphthalene có thể
xảy ra ở điều kiện kỵ khí nhng thực chất là xảy ra trong điều kiện có oxy
tồn tại ở dạng hợp chất nh NO
3
hoặc SO
3

bị vi sinh vật phân giải thành oxy
tự do tham gia vào hoạt động phân huỷ. Thời gian để phân huỷ Naphthalene
và Acenaphthalene ở điều kiện có oxy tách ra từ NO
3
và SO
3
do vi sinh vật
phân giải là khoảng 2 tuần [14]. Các kết quả nghiên cứu quá trình phân huỷ
sinh học của các hợp chất màu có vòng nhân thơm đã bị sulphonate hoá cho
thấy sự phân giải chỉ xẩy ra tiếp ngay sau quá trình tách nhóm axit sulphonic
khỏi hợp chất, liên kết CSO
3
H có tính không bền khi bị tách oxy trong điều
kiện hiếu khí. Tơng tự nh quá trình phân huỷ hiếu khí các Naphthalene-
sulphonic axit bởi các chủng vi sinh vật Pseudomonas, nhóm axit sulphonic
chuyển hoá thành hydrogen sulphite HSO
3
và hợp chất naphthalene sẽ bị
khoáng hoá thành nguồn cacbon và năng lợng (Brilonvà các cộng sự) [14].
- Khả năng hấp thụ đặc biệt của tế bào vi sinh vật thờng lớn nhất ở
giai đoạn đầu của các kỳ sinh trởng [14] do đó có thể dùng vi sinh vật làm
chất hấp phụ, dung lợng hấp thụ của sinh khối đối với chất nhuộm màu có
thể đạt 27 mg/g tế bào khô và hiệu suất tách màu là 60%. Chất nhuộm màu
bị hấp thụ bởi vi sinh vật sau một thời gian màu dần biến mất, chứng tỏ sự
mất màu có liên quan đến quá trình sinh học phân huỷ cấu trúc chất nhuộm
màu của các vi sinh vật.
Sự phân huỷ màu bởi vi sinh vật bao gồm 2 pha: phân giải hiếu khí và
phân giải kỵ khí, nhng nếu xử lý riêng rẽ thì pha phân giải kỵ khí sẽ không
đủ khả năng để đạt đợc sự khoáng hoá các sản phẩm đã bị biến tính và pha
phân giải hiếu khí cũng không đủ khả năng để thực hiện xử lý thực tế màu

của nớc thải. Vì vậy phải có sự kết hợp cả 2 pha xử lý: pha phân giải kỵ khí
để phân giải màu và pha phân giải hiếu khí để khoáng hoá các sản phẩm đã
bị biến tính. Nhng nếu có thêm Glucose (1mg/l) trong môi trờng nuôi cấy
thì càng tăng cao quá trình phân giải màu, vì thế glucose có thể xem nh chất
cho e
-
của quá trình khử màu hoặc thêm nó có thể dẫn tới làm tăng hoạt tính
của tế bào vi sinh vật và làm tăng hoạt động phân giải màu [14]. Các chất
màu azo chứa các nhóm -OH và -NH
2
dễ bị biến tính hơn các chất màu chứa
các nhóm methyl, methoxy, sulpho hoặc nitro. Chúng dễ bị phân giải làm
mất màu bởi các vi sinh vật phân giải kỵ khí và tiếp theo là phân giải hiếu
khí để khoáng hoá và chuyển đổi thành nguồn cacbon và năng lợng.

20
Vì vậy có thể xem hệ thống phân giải bởi vi sinh vật bao gồm 2 pha phân
giải kỵ khí và phân giải hiếu khí là rất thích hợp khi xử lý nớc thải có chứa
các chất nhuộm màu ngành công nghiệp dệt. Thông thờng nớc thải ngành
công nghiệp dệt rất phức tạp, rất khác nhau về thành phần và thờng nồng độ
màu rất cao có thể từ 10 đến 200 mg/l tuỳ thuộc vào cộng nghệ nhuộm hấp
và các biện pháp xử lý nớc thải đợc áp dụng.
3.1. Cơ chế hấp thụ và phân giải màu của vi sinh vật
Hoạt động hấp thụ và phân giải màu của vi sinh vật bao gồm 3 giai đoạn:
3.1.1. Hấp thụ:
Chất màu bị vi sinh vật hấp thụ một phần do chất màu thẩm thấu qua
màng tế bào chất lipoprotein theo 1 trong 2 cơ chế là khuyếch tán hoặc vận
chuyển đặc biệt vào hấp thụ bên trong tế bào, nhng phần lớn là chất màu
hấp thụ trên phần chitin của vỏ tế bào vi sinh vật theo các cơ chế khác nhau.
+ Cơ chế khuyếch tán: bao gồm cơ chế khuyếch tán thụ động các phân tử

đi qua màng nhờ sự chênh lệch nồng độ hay chênh lệch điện thế ở 2 phía của
màng, tuy nhiên trừ nớc ra còn đa phần các chất hoà tan bao gồm chất màu
đi qua màng nhờ cơ chế vận chuyển đặc biệt khi chúng liên kết với các phân
tử vận chuyển là các protein có tên gọi là pecmeaza sắp xếp trong màng và
đợc vận chuyển vào bề mặt bên trong của màng tế bào để đợc chuyển vào
tế bào chất. Sự vận chuyển nhờ pecmeaza có thể là vận chuyển thụ động chất
hoà tan liên kết thuận nghịch vào một vị trí đặc biệt trên phân tử pecmeaza
nằm ở bên trong màng, phức hợp này sẽ đợc vận chuyển theo cả 2 phía của
màng nhờ sự chênh lệch nồng độ của chất màu. Nhng tế bào vi sinh vật còn
có khả năng tích luỹ một số chất với nồng độ cao hơn bên ngoài, nên tế bào
vi sinh vật còn tồn tại cơ chế vận chuyển chủ động nhờ pecmeaza ngợc
gradien nồng độ và có sử dụng năng lợng do ATP cung cấp qua màng. Tức
là cùng một pecmeaza có thể đảm nhận chức năng vận chuyển thụ động lẫn
chủ động tuỳ theo sự có mặt hay vắng mặt ATP, phản ứng cung cấp năng
lợng nhờ ATP diễn ra phía trong của màng.

Phía trong màng phía ngoài

vận chuyển S P P S P: pecmeaza
thụ động S: chất đợc vận chuyển
ATP PS PS P
v
: photphat vô cơ
vận chuyển
chủ động P
v
+ADP P
t
P
S

hoạt hoá lại
Hình1. Cơ chế vận chuyển cơ chất qua màng tế bào
Trong vận chuyển thụ động, P đợc di động thuận nghịch ở dạng đơn (P)
hoặc ở dạng phức hợp với cơ chất S (PS); hớng di chuyển của S phụ thuộc
vào nồng độ cuả nó ở hai phía màng tế bào. Trong sự vận chuyển chủ động
có ATP cung cấp năng lợng, P bị chuyển thành dạng bất hoạt P
t
ở phía bên

21
trong màng và có ái lực rất thấp đối với S, sau khi S đợc tách khỏi phức hợp
PS và đợc vận chuyển vào tế bào chất thì P
t
lại chuyển thành P hoạt động
phía ngoài màng nhờ một phản ứng cung cấp năng lợng nào đó. Có thể có
hàng loạt pecmeaza khác nhau trong các loài vi sinh vật và chúng có tính đặc
hiệu cơ chất khác nhau, một số có tính đặc hiệu tuyệt đối với chỉ một cơ chất
nào đó.
+ Cơ chế hấp thụ màu trên phần chitin của vỏ tế bào: Phần lớn chất màu
dạng sulphonat hoá hấp thụ trên phần chitin của vỏ tế bào theo sơ đồ sau

Hình 2. Chitin và cơ chế hấp phụ màu của chitin
Trong môi trờng lỏng pH trung tính, chitin bị phân ly thành gốc tích
điện âm trong khi đó chất màu bị proton hoá trở thành một cation tích điện
dơng, hai ion trái dấu sẽ liên kết với nhau nhờ liên kết tĩnh điện.
3.1.2. Phân giải kỵ khí:
Sau quá trình hấp thụ là quá trình khử màu chất nhuộm màu của vi
sinh vật. Do đa số chất màu dùng trong công nghệ dệt nhuộm là chất màu
azo nên quá trình khử màu chủ yếu là làm đứt gãy liên kết azo N=N- của
chất màu nhờ khả năng xúc tác của nhiều loại men khác nhau. Đây có thể là

một tập hợp men rất phổ biến, rất nhạy cảm với oxy và cần điều kiện kỵ khí
để đạt trạng thái hoạt động cực đại. Các enzyme này xúc tác cho sinh tổng
hợp các flavoprotein trong chuỗi vận chuyển e của vi sinh vật, chính các
flavoprotein này xúc tác cho sinh tổng hợp các flavin dạng khử của FMN
hoặc FAD bằng cách oxy hoá khử NADH hoặc NADPH. Các flavin dạng
khử này sẽ vận chuyển e và khử liên kết azo, chuyển hợp chất màu thành các
thành phần cơ bản là các hydro cacbua thơm và đa vòng tạo lên cấu trúc
phân tử của chất màu.


3.1.3. Phân giải hiếu khí:
Là quá trình xảy ra tiếp ngay sau quá trình khử màu để khoáng hoá
chất màu thành CO
2
, H
2
O và năng lợng duy nhất của chu trình sinh trởng
và phát triển của vi sinh vật. Phản ứng đầu tiên của quá trình phân giải hiếu
khí chất màu đối với vi sinh vật là oxy hoá khử làm đứt gãy liên kết C-SO
3
H
giải phóng nhóm hydrogen sulphit HSO
3
và tiếp tục khoáng hoá các hợp
R-OH + OH
-
R-O
-
+ H
2

O
D-SO
3
H + H
3
O
+
D-SO
3
H
2
+
+ H
2
O
R-O
-
+ D-SO
3
H
2
+
R-O
-
D-SO
3
H
2
+

22
chất thơm còn lại thành các axit hữu cơ, mà sau đó đợc chuyển hoá thành
các sản phẩm trao đổi trung gian trớc khi chuyển hoá hoàn toàn thành CO
2
,
H
2
O và năng lợng.
Các cacbua hydro thơm và đa vòng đầu tiên thờng đợc chuyển hoá
thành các hợp chất thơm mà trong vòng không chứa những chất thế nào khác
ngoài nhóm oxy, chúng sẽ đợc chuyển đổi thành các dẫn xuất octo hoặc
para-dioxyphenil mà dới tác dụng của hệ thống men cảm ứng sẽ bị cắt đứt
vòng để chuyển thành các axit hữu cơ.
a. Sự phân giải các vòng nhân thơm:
Đợc thực hiện nhờ men oxigenaza, men này xúc tác cho việc gắn oxi
phân tử vào cơ chất, men dioxigenaza xúc tác việc gắn 2 nguyên tử H vào
mỗi phân tử cơ chất, còn men monooxigenaza xúc tác việc gắn 1 nguyên tử
H. Trớc khi vòng nhân thơm bị đứt, 1 nguyên tử O dới tác dụng của men
hydroxylaza sẽ liên kết với hydro cacbua thơm và làm hydroxil hoá, còn 1
nguyên tử O khác bị khử thành H
2
O. Các chất thế trong vòng nhân thơm đôi
khi bị tách ra trớc khi đứt vòng hoặc có thể bị thay thế bởi nhóm OH và
các nhánh bên thẳng có thể bị rút ngắn hoặc đôi khi vẫn giữ nguyên vẹn.
Vị trí đứt của vòng thơm thờng xảy ra theo các trờng hợp đặc trng sau:
+ Phân cắt octo: Pirocatechol bị cắt vòng ở vị trí octo giữa 2 nguyên tử C
bị hydroxil hoá nằm kề nhau dới tác dụng của men pirocatechaza. Khi đó
thoạt tiên có sự liên kết giữa O

2
với 2 nguyên tử C lân cận tạo thành 1 peroxit
vòng, sau đó có sự chuyển vị nội phân tử với sự cắt đứt liên kết C- C sinh ra
axit xis-xis muconic. Sau nhiều quá trình chuyển đổi khác, axit xis-xis
muconic cuối cùng sẽ chuyển thành các dẫn xuất của CoA là xucxinil-CoA
và axetil-CoA tham gia vào chu trình Krebs phân giải các axit hữu cơ thành
CO
2
, H
2
O và năng lợng.


+ Phân cắt meta: Pirocatechol bị cắt vòng thơm ở vị trí meta giữa nguyên
tử C bị hydroxil hoá và nguyên tử C lân cận không bị hydroxil hoá (phân cắt
meta). Pirocatechol bị chuyển hoá thành a. semialdehit 2-oximuconic để sau
thành CO
2
, a. axetic, a. pyruvic hoặc Pirocatechol chuyển hoá thành a. semi
OH
OH
O
2

Pirocatechaza
C
C O
O
OH
OH

CH
3-
CO-S-CoA + CH
3
-CH
2
-CO-S-CoA
axetil-CoA xucxinil-CoA
OH
OH
O
2

protocatechat
3-4 oxigenaza
C
C O
O
OH
HOOC
CH
3
-COOH + COOH-CH
2
=CH
2
-COOH
a. axetic a. xucxinic
a. xis-xis muconic
a. 3 cacboxi xis-xis muconic

OH

23
aldehit 2-oxi-4-cacboxi muconic rồi chuyển hoá thành a. oxalaxetic và a.
pyruvic tham gia vào chu trình krebs.

+ Phân cắt ở vị trí giữa nguyên tử C bị hydroxil hoá và nguyên tử C liên
kết với nhóm cacboxil. ví dụ:

b: Sự phân giải các hợp chất 1 cacbon:
Một số vi sinh vật nh chủng Pseudomonas methanica có khả năng sử
dụng một số hợp chất 1 cacbon làm nguồn C và năng lợng duy nhất, quá
trình oxy hoá nh sau.
CH
4
CH
3
OH HCHO HCOOH CO
2
+ H
2

metan metanol focmaldehyt a. focmic
c. Sự phân giải các hợp chất 2 cacbon:
Cơ chế phân giải các hợp chất 2 cacbon có những tính chất đặc biệt,
axetat và các hợp chất sinh ra nó nh etanol có thể tham gia trực tiếp vào chu
trình krebs ở dạng axetil-CoA và sau đó đợc oxy hoá hoàn toang thành CO
2
,
H

2
O và năng lợng. Nhng các hợp chất có mức độ oxy hoá cao hơn nh
glicolat và glixin lại không tham gia trực tiếp vào chu trình krebs mà chuyển
hoá thành glioxilat rồi mới đợc oxy hoá hoàn toàn thành CO
2
, H
2
O và năng
lợng thông qua chu trình krebs. Trong chu trình này glioxilat dới tác dụng
của men malat sintaza sẽ phản ứng với axetil-CoA sinh ra a. malic rồi đợc
oxy hoá thành a. oxalaxetic và tiếp tục oxy hoá thành pyruvat và CO
2
,
pyruvat đợc chuyển thành axetil-CoA, NADH sẽ đợc oxy hoá bởi oxy
phân tử và năng lợng sinh ra đợc tích luỹ trong các phân tử ATP.
COOHCH
2
COCOOH + CH
3
COCOOH
a. oxalaxetic a. pyruvic
OH
OH
OH
OH
O
2

metapinocate
catechaza

O
2

protocatechat
4-5 oxigenaza
C
C
CO
2
OH
OH
O
H
O
CH
3
COOH + CH
3
COCOOH
a. axetic a. pyruvic
C
C
OH
O
H
OH
O
HOOC
a. semialdehit 2-oxi muconic
a. semialdehit 2-oxi 4-cacboxi muconic

C
O=C - OH
OH
OH
OH
OH
OH
O
H
O
+ pyruva
t

naphthlene
1-2 dioxi-naphthlene
O-oxibenzal-pyruvat
aldehit salisilic
a. salisilic
piro catechol
C
OH
O
OH

24

d. Axit pyruvic và chu trình krebs.
Axit pyruvic sau khi đợc hình thành bằng một trong các con đờng
phân giải các hydrat cacbon nêu trên sẽ đợc chuyển hoá tiếp theo các chiều
hớng khác nhau tuỳ thuộc điều kiện môi trờng.

+ Trong điều kiện kỵ khí không có oxy, axit pyruvic có thể tiếp tục bị
chuyển hoá theo một trong hai hớng; lên men lactic hoặc lên men rợu
[48].
1. Lên men Lactic: với sự xúc tác của enzyme lactate đehydrogenase, axit
pyruvic sẽ bị khử thành axit lactic
CH
3
COCOOH + NAD.H + H
+
CH
3
CHOHCOOH + NAD
+

2. Lên men rợu: axit pyruvic trải qua 2 phản ứng kế tiếp nhau:
- Pyruvate bị decarboxyl hoá thành acetalđehyde với sự tham gia của men
pyruvate decarboxylase
CH
3
COCOOH CH
3
CHO + CO
2

- Với sự xúc tác của enzyme alcohol dehydrogenase, acetaldehyde bị khử
thành ethanol
CH
3
CHO + NAD.H + H
+

CH
3
CH
2
OH + NAD
+
+ Trong điều kiện có oxy, axit pyruvic không bị lên men mà tiếp tục bị oxy
hoá hoàn toàn thành CO
2
, H
2
O và giải phóng toàn bộ năng lợng. Nh vậy
axit pyruvic vừa là sản phẩm cuối cùng của con đờng Glycolys phân giải
các hợp chất hữu cơ vừa là sản phẩm mở đầu của quá trình oxy hoá tiếp tục
trong chu trình krebs.
Trớc khi tham gia vào chu trình Krebs, axit pyruvic bị oxy hoá-
decarboxyl hoá với sự tham gia của coenzyme A để tạo thành acetyl-
CHO-COOH
a glioxinic
CH
2
OH-COOH
a.
g
licolic
CH
2
-NH
2
-COOH

g
lixin
Axetil-CoA
A. malic
A.
py
ruvic
A. oxalaxetic
A. photpho
enol
py
ruvic
NAD
+
NADH
NADH
CO
2
CO
2
CoA-SH
NAD
+


25
coenzyme A, là sản phẩm trung gian quan trọng nhất của các quá trình trao
đổi chất.
Pyruvate + NAD
+

+ CoA- SH ặ Acetyl-S-CoA + NAD.H + H
+
+ CO
2

G
0
= - 8,0 Kcal/mol
Acetyl-coenzyme A tiếp tục bị oxy hoá theo các phản ứng của chu trình
krebs với phản ứng tổng quát là:
Acetyl S- CoA + H
2
O ặ Acetate + CoA- SH
G
0
= - 7,52 Kcal/mol
Hệ thống pyruvate đehydrgenase xúc tác cho quá trình decarboxy hoá
- oxy hoá axit pyruvic bao gồm 3 enzyme và 5 coenzyme khác nhau tập hợp
lại thành một cơ cấu thống nhất. Vai trò của mỗi thành phần trong hệ thống
đợc trình bày trong hình 30:


CH3-CO-COOH
E
1
TPP E
1
TPPCHOH-CH3
1
E

2

2 S S
CoA-SH E
1
- TPP

E
2
3

E
2


SH SH S S
C- CH3
E
3
-FAD 4 O

E
2
5
S - S E
3
-FAD-H
2
E
3

FAD

NAD
+


Hình 3: Cơ chế xúc tác của hệ thống men pyruvate đehydrogenase
Toàn bộ quá trình đợc chia làm 5 giai đoạn, ở giai đoạn 1 axit
pyruvic bị decarboxy hoá với sự xúc tác của enzyme pyruvate dehdrogenase
(E
1
) có nhóm hoạt động là thyamine pyrophosphate (TPP). Trong phản ứng
này pyruvate mất CO
2
biến thành dẫn xuất oxyethyl ở trạng thái liên kết với
nhóm thyamine pyrophosphate của E
1
. ở giai đoạn 2 nhóm oxyethyl đợc
chuyển đến cho một trong 2 nguyên tử lu huỳnh S của nhóm đisulfide vòng
của axit lipoic là một axit béo no, dễ dàng bị khử thành axit đihydrolipoic,
lúc đó nhóm disulfide biến thành 2 nhóm SH. Axit lipoic liên kết đồng hoá
trị với enzyme dihydrolipoyl transacetylase (E
2
) bằng cách tạo nên liên kết
peptide với nhóm
- amine của lysine trong thành phần của phân tử enzyme.
Khi chuyển nhóm oxyethyl từ thyamine pyrophosphate đến axit lipoic cũng
xảy ra đồng thời phản ứng oxy hoá khử: nhóm oxyethyl bị oxy hoá thành
nhóm acetyl do bị mất 2 nguyên tử H, trong đó một nguyên tử H gắn với axit
CO2

CH3-CO-S-CoA
NAD.H + H
+