công nghệ sinh học môi trường bài 2 xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy

CÔNG NGHỆ SINH HỌC
MÔI TRƯỜNG
THS: VƯU NGỌC DUNG
BÀI 2: XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT HỮU
CƠ KHÓ PHÂN HỦY
1. GIỚI THIỆU
2. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA PHÂN HỦY BỞI VI
KHUẨN
3. CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM
4. CÁC KHÍA CẠNH TỔNG QUÁT CỦA CÁC QUÁ
TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ
5. CÁC PHẢN ỨNG “CHỦ ĐẠO” CỦA SỰ PHÂN HỦY
KỴ KHÍ CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ NHẤT
ĐỊNH
1. GIỚI THIỆU
• Bước tấn công đầu tiên vào chất ô nhiễm hữu cơ xảy ra bên
trong tế bào là quá trình oxy hoá; sự hoạt hoá và gắn oxy vào
phân tử chất ô nhiễm là những quá trình enzyme, ở đây các
enzyme chìa khoá là oxygenase và peroxidase.
• Con đường phân huỷ diễn ra từng bước một chuyển chất ô
nhiễm hữu cơ thành những hợp chất trung gian tiến tới vòng
trao đổi chất trung tâm, có nghĩa là vòng tricarboxylic acid.
• Sinh khối tế bào được tổng hợp từ chính những nền tảng là
chất chuyển hoá trung gian, giả sử như CoA, suscinate,
pyruvate. Chất đường cần thiết cho nhiều quá trình sinh tổng
hợp và sinh trưởng được tổng hợp qua quá trình
gluconeogenesis.
• Phân hủy bao gồm hai quá trình cơ sở: sinh trưởng và đồng trao
đổi chất.
- Trong quá trình sinh trưởng, một chất hữu cơ được sử dụng làm
nguồn carbon và nguồn năng lượng duy nhất, kết quả phân huỷ

hoàn toàn (khoáng hoá) chất hữu cơ
- Qúa trình đồng trao đổi chất được định nghĩa là quá trình trao
đổi chất của một chất hữu cơ trong khi có mặt của một cơ chất
sinh trưởng là nguồn carbon và năng lượng chính.
2. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA QUÁ TRÌNH
PHÂN HỦY BỞI VI KHUẨN
2.1. CÁC VI KHUẨN PHÂN HỦY HIẾU KHÍ
ĐIỂN HÌNH
• Phần lớn những vi khuẩn phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ
trong môi trường ô nhiễm giàu oxy là những loài vi khuẩn
hóa dưỡng hữu cơ.
• Chúng có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ tự nhiên hay nhân
tạo làm nguồn cacbon duy nhất và nguồn cho điện tử để tạo
năng lượng.
• Mặc dù nhiều loài vi khuẩn có khả năng chuyển hóa nhiều
chất ô nhiễm hữu cơ, nhưng không có một loài nào lại có thể
có phân hủy tất cả hay phần lớn các hợp chất hữu cơ.
• Hỗn hợp các vi khuẩn có khả năng phân hủy cao nhất.
• Khả năng di truyền và những yếu tố môi trường nhất định:
nhiệt độ, pH, nguồn nitơ và phospho xác định tốc độ và
thời gian của quá trình phân hủy.
• Loài vi khuẩn Pseudomonads có khả năng lên men, có khả
năng phân hủy cao nhất (P. putida và P. fluorescens) và có
khả năng sử dụng hơn trăm hợp chất hữu cơ làm nguồn
carbon.
• Khả năng to lớn của Pseudomonads không chỉ phụ thuộc vào
các enzym dị hóa mà còn ở khả năng điều hòa chuyển hóa.
• Nhóm thứ hai là cầu khuẩn Gram dương (Rhodococci) và
phẩy khuẩn (Coryne).
• Những vi khuẩn này tạo ra axít mycolic trên bề mặt tế bào và

các axít béo bị ester hóa thành peptidoglycan – thành phần
của thành tế bào.
• Các loài vi khuẩn này có khả năng sinh tổng hợp các hợp chất
hoạt động bề mặt sinh học
2.2. SỰ PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT BÉO CÓ
LIÊN QUAN ĐẾN TĂNG TRƯỞNG
• Vi khuẩn hiếu khí ban đầu tấn công các hợp chất hydrocarbon
béo và vòng béo đều đòi hỏi có oxy phân tử.
• Hai dạng enzyme tham gia vào quá trình phản ứng là
monooxygense hay dioxygenase tùy thuộc vào bản chất của
cơ chất và loại enzyme tạo ra bởi vi sinh vật.
• Sản phẩm phân hủy liên quan đến tăng trưởng là CO
2
, nước
và sinh khối.
• Sinh khối có thể tiếp tục bị khoáng hóa sau khi kết thúc quá
trình phân hủy chất ô nhiễm ngoài môi trường.
• Các hợp chất n-alkans dễ dàng bị phân hủy ngay, những
hydrocarbon mạch ngắn (< C9) gây độc cho hầu hết các vsv lại
dễ dàng bay hơi từ vị trí bị ô nhiễm.
• Cơ chế oxy hóa các hợp chất alkan được chia làm 2 kiểu: Một
đầu carbon (Monoterminal) hoặc Hai đầu carbon (Diterminal).
• Một đầu là cơ chế chủ đạo: tạo nên các hợp chất rượu 
aldehyde axít béo  acetyl-CoA.
• Các hydrocarbon có số carbon lẻ: propionyl-CoA  succinyl-
CoA.
• Các axít béo có chuỗi carbon sinh lý có thể được bổ sung trực
tiếp cho cấu trúc lipid màng tế bào.
• Oxy hóa kiểu áp cuối (Subterminal) thường xảy ra ở hydrocarbon
có C3-C6 hoặc dài hơn tạo thành rượu bậc 2 rồi chuyển sang

dạng keton.
• Các alkan mạch vòng khó bị phân hủy sinh học, một vài vsv sử
dụng cyclohexan làm nguồn carbon chính và phân hủy theo cơ
chế đồng chuyển hóa (co-metabolism).
• Các hydrocarbon béo có mạch càng dài càng kém tan trong
nước. 2 cơ chế vsv tiếp nhận các hợp chất béo: vsv bám vào hạt
dầu và tạo các chất hoạt động bề mặt sinh học (biosurfactant).
• Biosurfactant: là những hợp chất có cấu trúc gồm 2 phần là ưa
nước và kị nước, có khả năng tạo nhũ và làm giảm sức căng bề
mặt của chất béo và tạo nên các cấu trúc hình cầu li ti (micelle).
• Sản phẩm của quá trình là tạo cơ chất của quá trình chuyển hóa
năng lượng và sinh tổng hợp sinh khối tế bào:
- Tổng hợp amino axít và protein cần nguồn nitơ và lưu huỳnh
- Nucleotides hay nuclelic axít cần nguồn phospho
- Thành tế bào cần chất đường
2.3. Đa dạng của các hợp chất vòng thơm - Các
quá trình dị hóa đồng nhất
• Những hợp chất thơm như: benzen, toluen, ethylbenzen và
xylen (các hơp chất BTEX) và naphtalen thuộc về một nhóm
chất hóa dầu có thể tích lớn, được sử dụng rộng rãi làm nhiên
liệu và dung môi công nghiệp.
• Các hợp chất phenol và chlorophenol thải ra môi trường dưới
dạng sản phẩm hay chất thải công nghiệp.
• Các cơ thể sinh học cũng tạo ra một lượng lớn các hợp chất
vòng thơm (các amino axít dạng vòng, các phenol,
hydroquinone/ quinone…), vsv có thể phân hủy các cấu trúc hóa
học tương tự hợp chất tự nhiên.
• Cometabolism là dạng chuyển
hóa một chất không có giá trị
dinh dưỡng khi có mặt cơ chất

sinh trưởng là dạng khá phổ biến
trong vi sinh vật.
• Là cơ sở chuyển hoá sinh học
(bioconversion) để chuyển một
chất thành chất có cấu trúc hóa
học khác.
• Một vi sinh vật sinh trưởng trong
một nguồn cơ chất nào đó có khả
năng oxi hóa một cơ chất thứ hai
(co-substrate). Cơ chất thứ hai
này không bị đồng hóa nhưng
sản phẩm của nó có thể là cơ
chất cho loài vi sinh vật khác có
trong hỗn hợp vi sinh.
Phân hủy trichloroethylen (TCE) theo
cơ chế đồng chuyển hóa bởi hệ enzym
metan monooxygenase trong vi khuẩn
hóa dưỡng metan
Phân hủy các chất ô nhiễm bền bằng sự phối hợp giữa vi
khuẩn hiếu khí và kỵ khí
• Về mặt nguyên tắc, tính bền vững của các hợp chất ô nhiễm hữu
cơ tăng lên cùng với mức độ halogen hóa.
• Thay thế halogen, nitơ hay lưu huỳnh trong vòng thơm đi kèm
với tăng ái lực điện tử. Những các hợp chất này kháng lại ái lực
của enzym oxygenase của vi khuẩn hiếu khí.
• Những chất tồn tại bền vững trong điều kiện hiếu khí bao gồm
PCBs (Polychlorinated biphenyls), dioxins (đa vòng chứa clo)
một vài loại thuốc bảo vệ thực vật như DDT và Lindan.
• Vi khuẩn kị khí đóng vai trò quan trọng trong việc khử các hợp
chất xenobiotic chứa clo. Khử halogen là bước đầu tiên của

phân huỷ các hợp chất bền chứa nhiều halogen bởi vi khuẩn kị
khí. Sau quá trình khử làm giảm bậc halogen, trở nên dễ dàng
được vô cơ hóa bởi các vi khuẩn hiếu khí.
3. CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA
NẤM
3.1. Sự chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ
bởi vi nấm
• Nhóm vi nấm gồm cả nấm men và nấm mốc. Về mặt phân
loại chúng thuộc các nhánh ascomycetous, deuteromycetous
và zygomycetous.
• Nấm men thường thường mọc thành từng tế bào đơn hoặc
dạng tiền sợi, trong khi đó nấm mốc mọc đặc trưng ở dạng
sợi có vách ngăn thực.
• Vi nấm bám trụ và sinh trưởng ở nhiều nơi khác nhau, một
vài loài là dạng đặc trưng của vi sinh vật đất (Aspergillus,
Penicillium, Trichodema, Candida, Trichosporon).
Các hydrocarbon béo
• Nấm men có khả năng phân huỷ sinh học các hợp chất béo như
dầu thô và các sản phẩm dầu mỏ, C10-C20 là thích hợp với hầu
hết vi nấm.
• Nấm men phân huỷ n-alkan có Candida lipolytica, Candida
tropicalis, Rhodotorula rubra và Aureobasidion (Trichosporon)
pullulans…Nấm mốc có Cuninghamella blakesleeana,
Aspergillus niger và Penicillium frequentans
• Hydrocarbon mạch ngắn (n.C5-C9) có độ độc cao, độc tính có
thể mất đi khi thêm vào hydrocarbon mạch dài:
- Candida có thể sinh trưởng trên n-octan nếu có mặt 10%
pristane.
- Penicillium frequentans có thể sử dụng hợp chất n-alkan chứa 1
halogen và loại bỏ halogen hoàn toàn.

• Hydrocarbon béo không tan trong nước, nấm tiết ra các chất hoạt
động bề mặt để làm nhũ hoá hydrocarbon.
• Vi nấm không thể sử dụng alkan mạch nhánh hay mạch vòng no
như là nguồn carbon và năng lượng
• Sản phẩm cuối là oxit carbon (CO
2
) trong chu trình chuyển hoá
tricarbocylic axit (Krebs) .
Các hợp chất vòng thơm
• Nấm mốc và nấm men có khả năng sử dụng các hợp chất
hydrocarbon thơm làm cơ chất để sinh trưởng
• Khả năng chuyển hoá những hợp chất vòng thơm theo kiểu
Đồng chuyển hoá (co-metabolic).
• Penicillium frequentants:
- Phenol chuyển hoá hoàn toàn thành sinh khối, khí carbonic
và nước.
- Phenol chứa clo thành dạng catechol (như là sản phẩm cuối
cùng).
3.2. Hệ thống enzyme phân hủy lignin
• Cellulose và lignin là dạng hợp chất carbon vòng thơm phổ
biến nhất.
• Lignin là chất keo gắn chặt mạch cellulose và hermicellulose,
ngăn cản vi sinh phân huỷ gỗ và bảo vệ hợp chất đường dễ bị
phân hủy.
• Nấm đảm có một hệ thống enzyme phân huỷ lignin hiệu quả,
gọi tên là nấm trắng hoại gỗ (white rot fungi).
• Tiêu biểu là Trametes versicolor, Pleurotus ostreatus,
Nematoloma flrowardii và những loài phân huỷ rác thải
Agaricus bisporus, Agrocybepraecox và Stropharia coronilla.
• Lignin phân hủy không là nguồn carbon và năng lượng để

nấm sinh trưởng. Nguyên lý phân hủy là đồng chuyển hóa
(cơ chất sinh trưởng là hầu hết các chất đường sinh ra từ
phản ứng thủy phân hemicellulose xúc tác enzym).
• Một số enzym dạng oxydoreductase (enzyme làm phân rã
lignin): peroxidase và laccase . Những enzym này xúc tác
và tấn công lignin theo cơ chế không đặc trưng.
4. CÁC KHÍA CẠNH TỔNG QUÁT CỦA CÁC
QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ
• Xảy ra quá chậm và không hiệu quả với một số dạng cơ chất khá
bền vững nhất định.
• Trong quá trình xử lý nước thải, quá trình phân hủy kị khí kinh tế
hơn so với các quá trình hiếu khí: năng lượng, khí sinh học
(biogas: CH
4
, CO
2
) và ít sinh khối.
• Các chất hữu cơ bị phân hủy mà không cần tới oxy.
• Dùng xử lý nước thải có hàm lượng phenol cao, tránh tạo thành
các sản phẩm thứ cấp như là trùng ngưng của polyphenols
5. CÁC PHẢN ỨNG CỦA SỰ PHÂN HỦY KỴ KHÍ
5.1. Sự phân hủy hydrocarbon
• Các hydrocarbon béo bão hòa bị tấn công sinh học một cách
chậm chạp trong môi trường không có oxy.
• Chủng vi khuẩn kị khí oxy hóa alkan đặc biệt hoạt động với
hydrocarbon mạch dài (C12 - C20) hoặc mạch trung bình (C6
– C16) và sử dụng sulphát hoặc nitrát làm chất nhận điện tử .
• Phản ứng của carbon áp cuối tạo nên bởi phân tử fumarát và
dạng trung gian alkyl succinát
• Các hydrocarbon không bão hoà có thể bị hydrát hóa tạo

thành các rượu tương ứng và sau đó bị phân hủy hoàn toàn.
Quá trình phân hủy không hoàn toàn rất có thể do tạo thành
các dạng dẫn xuất mạch nhánh bão hòa.
Sự phân hủy các chất hữu cơ chứa
halogen
• Khử halogen, về mặt cơ sở là thông qua phản ứng oxy hoá,
thuỷ phân, hoặc khử. Đối với vi khuẩn kị khí là phản ứng
khử thế halogen.
• Phản ứng khử loại bỏ halogen: điện tử xuất phát từ phân tử
hydrogen, formate hay một chất hữu cơ phức tạp hơn được
chuyển đến cơ chất chứa clo để tạo thành chất hữu cơ ở
dạng khử và ion Clo (Cl-).
• Một số trường hợp, phản ứng oxi hóa khử dạng này có thể
hình thành năng lượng chuyển hoá thông qua chuỗi hô hấp.