Tuyển chọn vi khuẩn có khả năng phân hủy chất hoạt động bề mặt (las linear ankylbenzo sulfonate)

 

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
******

HỒ BÍCH DUYÊN

Đề tài:

TUYỂN CHỌN VI KHUẨN CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT (LAS - LINEAR
ANKYLBENZO SULFONATE)

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN LAN HƯƠNG

HÀ NỘI - 2011


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi.
Các kết quả nghiên cứu trong luận văn hoàn toàn trung thực, các số liệu tính toán
được hoàn thành chính xác và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên
cứu nào.

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn thạc sỹ này, trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết
ơn và kính trọng sâu sắc tới TS. Nguyễn Lan Hương – Giảng viên Bộ môn
Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực
hiện.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn
đang công tác tại phòng thí nghiệm Viện CNSH và CNTP đã giúp đỡ và tạo
điều kiện cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu tại phòng.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên
góp ý và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian
thực hiện luận văn này.

Hà Nội, tháng 09 năm 2011
Học viên

Hồ Bích Duyên


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.......................................................................................... 1
DANH MỤC BẢNG....................................................................................................... 2
DANH MỤC HÌNH VẼ.................................................................................................. 3
MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 4

Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................ 6
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CHẤT TẨY RỬA.................................................................... 6
1.1.1Chất tẩy rửa là gì? ............................................................................................ 6
1.1.2 Cơ chế tẩy rửa ................................................................................................. 6
1.1.3 Một số chất tẩy rửa thường gặp....................................................................... 7
1.2. CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ LAS ........................................................... 9
1.2.1 Chất hoạt động bề mặt..................................................................................... 9
1.2.1.1 Lịch sử ra đời ............................................................................................ 9
1.2.1.2 Định nghĩa.............................................................................................. 10
1.2.1.3 Cấu tạo .................................................................................................... 11
1.2.1.4 Phân loại................................................................................................ 12
1.2.1.5. Cơ chế tẩy rửa ........................................................................................ 13
1.2.2. Giới thiệu về LAS ........................................................................................ 14
1.2.2.1 Cấu trúc, thành phần ............................................................................... 14
1.2.2.2 Tính độc của LAS ................................................................................... 16
1.2.2.3 Tình hình tiêu thụ LAS trên thế giới....................................................... 16
1.3 KHẢ NĂNG PHÂN HỦY LAS .......................................................................... 17
1.4 MỘT SỐ VI SINH VẬT PHÂN HỦY LAS ....................................................... 18
1.5 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA LAS TRÊN THẾ GIỚI.......... 20
1.6. THỰC TRẠNG Ô NHIỄM NƯỚC DO CHẤT TẨY RỬA TẠI VIỆT NAM .. 22
Chương 2 - VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ............................................................. 26
2.1 VẬT LIỆU .......................................................................................................... 26
2.1.1 Mẫu thí nghiệm ............................................................................................. 26
2.1.2 Hóa chất......................................................................................................... 26

Hồ Bích Duyên

i

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

2.1.3 Thiết bị .......................................................................................................... 26
2.1.4 Các loại môi trường sử dụng trong nghiên cứu............................................. 27
2.1.4.1 Môi trường hoạt hóa Nutrient borth (NB) .............................................. 27
2.1.4.2 Môi trường khoáng thử hoạt tính (MK).................................................. 27
2.1.4.3 Môi trường nhân giống ........................................................................... 27
2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................... 28
2.2.1 Phương pháp phân lập vi khuẩn có khả năng phân hủy LAS ....................... 28
2.2.2 Xác định đường cong sinh trưởng theo độ đục ............................................. 29
2.2.3 Phân loại tế bào bằng cách nhuộm Gram...................................................... 30
2.2.4 Phương pháp định tính thử khả năng phân hủy LAS .................................... 31
2.4.2.1 Phương pháp cấy chấm điểm .................................................................. 31
2.4.2.2 Phương pháp khuếch tán trên đĩa thạch .................................................. 31
2.2.5 Phương pháp xác định hàm lượng LAS ........................................................ 32
2.2.5.1 Phương pháp Methylene Blue Active Substance (MBAS)..................... 32
2.2.5.2 Phương pháp sắc ký lỏng cao áp (HPLC)............................................... 35
2.2.6 Nghiên cứu các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng phân hủy LAS ............. 37
2.2.6.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ.......................................................................... 37
2.2.6.2 Ảnh hưởng của pH .................................................................................. 37
2.2.6.3Ảnh hưởng của tốc độ lắc ........................................................................ 37
2.2.6.4 Ảnh hưởng của nồng độ LAS ................................................................. 38
2.2.7 Định tên vi sinh vật bằng phương pháp sinh học phân tử............................. 38
2.2.7.1 Phương pháp tách chiết DNA ................................................................. 38
2.2.7.2 Phương pháp điện di DNA trên gel agarose ........................................... 40
2.2.7.3 Phương pháp PCR................................................................................... 40

2.2.7.4 Phương pháp tinh sạch PCR bằng KIT Bioner – Hàn Quốc................... 41
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................. 43
3.1. PHÂN LẬP VI SINH VẬT CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY LAS ..................... 43
3.1.1 Đặc điểm hình thái của các chủng phân lập .................................................. 43
3.1.2 Hoạt tính phân hủy LAS của các chủng lựa chọn ......................................... 46

Hồ Bích Duyên

ii

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

3.1.3 Đặc điểm hình thái tế bào của các chủng lựa chọn ....................................... 46
3.2 ĐƯỜNG CONG SINH TRƯỞNG CỦA CÁC CHỦNG TRÊN MÔI
TRƯỜNG NHÂN GIỐNG ........................................................................................ 48
3.3 MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI KHẢ NĂNG PHÂN HỦY LAS ......... 49
3.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................................ 49
3.3.2 Ảnh hưởng của pH ........................................................................................ 50
3.3.3 Ảnh hưởng của tốc độ lắc đến khả năng phân huỷ LAS............................... 50
3.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ LAS........................................................................ 51
3.4 KHẢ NĂNG PHÂN HỦY LAS CỦA CHỦNG L2 XÁC ĐỊNH BẰNG HAI
PHƯƠNG PHÁP MBAS VÀ HPLC......................................................................... 54
3.5 ĐỊNH TÊN CHỦNG L2 VÀ L9 BẰNG KỸ THUẬT 16S rDNA...................... 55
3.5.1 Tách chiết DNA và sản phẩm PCR............................................................... 55
3.5.2 Kết quả định tên chủng.................................................................................. 56

Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 59
4.1 KẾT LUẬN.......................................................................................................... 59
4.2 KIẾN NGHỊ......................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 60
PHỤ LỤC...................................................................................................................... 63

Hồ Bích Duyên

iii

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu

Tên đầy đủ

1

LAS

Linear Ankylbenzo Sulfonate.

2

CHĐBM

Chất hoạt động bề mặt.

3

MBAS

Methyllene Blue Active Subtance.

4

HPLC

High Performance Liquid Chromatography

Hồ Bích Duyên

1

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Số liệu mức tiêu thụ bình quân các chất giặt tẩy năm 1996 [4] ..................9
Bảng 1.2 Thành phần các đồng đẳng LAS thương mại [21] ....................................15
Bảng 1.3 Khả năng phân hủy LAS của một số chủng trên thế giới..........................19
Bảng 1.4 So sánh khả năng phân hủy LAS của một số nhà máy theo phương pháp
vật lý, sinh học [11]...................................................................................................20
Bảng 2.1 Thành phần của một phản ứng PCR ..........................................................40
Bảng 2.2 Trình tự và nhiệt độ bắt cặp của mồi .........................................................41
Bảng 2.3 Điều kiện của một phản ứng PCR .............................................................41
Bảng 3.1 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc và tế bào của các chủng .............................47
Bảng 3.2 Một số yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phân hủy LAS..............................51
Bảng 3.3 Khả năng phân hủy LAS sau 4 ngày nuôi chủng L2 được xác định bằng
phương pháp MBAS và HPLC .................................................................................54
Bảng 3.4 Kết quả phân tích giải trình tự hai chủng L2 và L9...................................57

Hồ Bích Duyên

2

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một số loại xà bông chứa chất tẩy rửa .........................................................7
Hình 1.2 Một số sản phẩm chăm sóc cá nhân chứa chất tẩy rửa ................................8
Hình 1.3 Cấu tạo của xà phòng và chất hoạt động bề mặt........................................11

Hình 1.4 Cấu tạo hóa học của 10 CHĐBM phổ biến................................................13
Hình 1.5 Cơ chế tẩy rửa của CHĐBM ......................................................................14
Hình 1.6 Cấu trúc hóa học LAS ................................................................................15
Hình 1.7 Sản phẩm LAS thương mại........................................................................15
Hình 1.8 Sơ đồ phân hủy LAS [20] ..........................................................................18
Hình 1.9 Sơ đồ xử lý nước thải ở nhà máy P&G ......................................................24
Hình 1.10 Toàn cảnh ô nhiễm tại cửa sông Phú Lộc ................................................25
Hình 2.1 Phương pháp pha loãng canh trường. ........................................................29
Hình 2.2 Phản ứng giữa AS và MB ..........................................................................32
Hình 2.3 Sơ đồ xác định hàm lượng LAS.................................................................33
Hình 2.4 Đường chuẩn LAS đo mật độ quang ở bước sóng 650 nm........................34
Hình 2.5 Sơ đồ hoạt động của thiết bị HPLC ...........................................................36
Hình 2.6 Qui trình tách chiết DNA ...........................................................................39
Hình 2.7 Qui trình tinh sạch PCR .............................................................................42
Hình 3.1 Hình thái khuẩn lạc của 8 chủng phân lập từ mẫu M1 sau 2 ngày nuôi cấy
trên môi trường MK quan sát trên kính hiển vi với độ phóng đại 40 .......................44
Hình 3.2 Hình thái khuẩn lạc của 6 chủng phân lập từ mẫu M2 sau 2 ngày nuôi cấy
trên môi trường MK quan sát trên kính hiển vi với độ phóng đại 40 .......................45
Hình 3.3 Vòng thử hoạt tính theo phương pháp cấy chấm điểm ..............................46
Hình 3.4 Hình thái tế bào của các chủng quan sát dưới kính hiển vi ở độ phóng đại
1000 lần .....................................................................................................................47
Hình 3.5 Đường cong sinh trưởng (A): L1; (B): L2; (C): L7; (D): L9.....................48
Hình 3.6 % LAS còn lại của các chủng với cùng nồng độ LAS ban đầu, sau 6 ngày
nuôi (A):100ppm;(B):300ppm;(C):500ppm;(D):700ppm(bảng 3, 4, 5, 6 – phụ lục)52
Hình 3.7 Khả năng phân hủy LAS của các chủng khi thay đổi nồng độ ..................53
Hình 3.8 Kết quả tách chiết DNA của hai chủng L2 và L9 ......................................55
Hình 3.9 Sản phẩm PCR của hai chủng L2 và L9 ....................................................55

Hồ Bích Duyên

3

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

MỞ ĐẦU
Đồng hành với sự phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật, đời sống của con
người ngày càng được nâng cao thì mức độ tàn phá thiên nhiên ngày càng nghiêm
trọng, một trong những ảnh hưởng của con người đến tự nhiên chính là hiện tượng ô
nhiễm môi trường. Trong đó, tình trạng ô nhiễm nước nghiêm trọng đang diễn ra ở
nhiều nơi, đặc biệt là tại các đô thị đang phát triển như Hà Nội, thành phố Hồ Chí
Minh, Bình Dương,… nơi có dân cư đông đúc và nhiều khu công nghiệp lớn. Hầu
hết sông hồ ở các thành phố này đều bị ô nhiễm bởi chất thải từ khu dân cư và các
khu công nghiệp. Phần lớn lượng nước thải đều không được được qua hệ thống xử
lý hoặc thu gom đến một nhà máy xử lý nước thải chung, mà thải thẳng vào các ao
hồ, sông suối.
Hiện nay trên thế giới có khoảng 6 tỷ người sinh sống vì vậy lượng nước thải
sinh hoạt hàng ngày lên tới hàng trăm tỷ m3. Cùng với lượng nước thải đó là hàng
trăm ngàn tấn các chất hữu cơ, dầu mỡ, chất dinh dưỡng (giàu nitơ, phot pho…), vi
sinh vật. Tuy nhiên phần lớn lượng chất thải này không được xử lý mà thải trực tiếp
ra môi trường. Ở Việt Nam cũng vậy, hàng ngày có hàng triệu m3 nước thải được đổ
vào môi trường do hoạt động sinh hoạt gia đình của con người, đó là chưa kể đến
các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp… mà phần lớn lượng nước thải trong sinh
hoạt trong số này không được xử lý mà đổ trực tiếp ra môi trường đất hay nước.
Điều này không chỉ gây nguy hại cho môi trường xung quanh do sự phân hủy các
chất dinh dưỡng mà còn nguy hiểm hơn khi các chất ô nhiễm này ngấm xuống tầng

nước ngầm gây ô nhiễm nước ngầm vốn là nguồn nước sinh hoạt của nhiều người
dân.
Các chất tẩy rửa đi vào nước thải sinh hoạt qua quá trình tắm giặt, gội và rửa.
Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu sử dụng chất tẩy rửa càng tăng. Trong chất
tẩy rửa thành phần chất hoạt động bề mặt chiếm tỷ trọng lớn, các chất này không
những gây ra ô nhiễm mà còn ảnh hưởng đến khả năng hòa tan oxy trong hệ thống
xử lý nước thải, dẫn đến giảm khả năng phân hủy sinh học của hệ thống xử lý. Hàng
năm trên thế giới sử dụng khoảng hơn 4 triệu tấn chất hoạt động bề mặt, trong đó
Hồ Bích Duyên

4

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

Linear Alkylbenzo Sulfonate (LAS) chiếm khoảng 50%. Đã có nhiều phương pháp
đưa ra để loại bỏ chất này ra khỏi nước thải, trong đó phương pháp sinh học có
nhiều triển vọng nhất. Sự phân hủy sinh học LAS đã được tiến hành trong hơn 30
năm qua, nhiều chủng vi khuẩn đã được phân lập từ các khu vực bị ô nhiễm LAS để
xử lý nước thải của khu vực đó. Ở châu Âu 99% các chất hoạt động bề mặt chính
được loại bỏ bằng các hệ thống xử lý.
Ở nước ta, chưa có nghiên cứu về việc sử dụng vi sinh vật có khả năng phân
hủy các chất tẩy rửa có trong nước thải. Vì vậy, việc “Tuyển chọn vi khuẩn có khả
năng phân hủy chất hoạt động bề mặt Linear Ankylbenzo Sulfonate (LAS)” là rất
cần thiết.

Hồ Bích Duyên

5

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

Chương 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CHẤT TẨY RỬA
1.1.1Chất tẩy rửa là gì?
Chất tẩy rửa sử dụng cho việc làm sạch có thành phần rất phức tạp, nhưng thành
phần chính thường gồm:
9 Chất hoạt động bề mặt.
9 Các chất xây dựng.
9 Tác nhân tẩy trắng.
9 Các chất phụ gia.
Mỗi thành phần trong chất tẩy rửa có những đặc tính riêng trong việc tẩy rửa,
tuy nhiên chúng vẫn có tác động tương hỗ giữa các chất này hay các chất khác.
Ngoài thành phần chính trên đây, tùy theo yêu cầu mục đích sử dụng của từng loại
bột giặt, người ta có thể thêm vào các phụ gia cần thiết hoặc loại bỏ các chất không
cần thiết.
1.1.2 Cơ chế tẩy rửa
Cơ sở lý hóa của việc làm sạch các vết bẩn từ bề mặt chất mang là do việc hấp
phụ của chất hoạt động bề mặt lên các bề mặt nhiễm bẩn, hay sự hấp phụ chọn lọc
của các hợp chất chelat lên các hạt bẩn phân cực.
Tính chất hóa học của bề mặt chất tẩy rửa/chất lỏng và bề mặt phân cách chất

bẩn/chất lỏng bị thay đổi khi có sự hấp phụ của hợp chất tẩy rửa. Mức độ hấp phụ
phụ thuộc vào nồng độ các chất hoạt động bề mặt, vào các chất khác có trong dung
dịch, vào nhiệt độ và đặc biệt phụ thuộc vào loại bề mặt chất tẩy rửa hay các chất
bẩn. Sự hấp phụ này là điều kiện tiên quyết cho việc làm sạch các vết bẩn. Sự hấp
phụ xảy ra càng mạnh thì sự tẩy rửa càng tốt.

Hồ Bích Duyên

6

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

1.1.3 Một số chất tẩy rửa thường gặp
a. Xà phòng:

Hình 1.1 Một số loại xà bông chứa chất tẩy rửa
Xà bông là chất tẩy rửa đầu tiên xuất hiện trong nền văn minh nhân loại.
Cách đây 2500 năm trước công nguyên người Sumer đã tự tìm cho mình công thức
chế biến xà bông: “tro (than) đun với dầu”. Sau đó người Ai Cập đã cải tiến bằng
một chất xút tự nhiên – chất Trona (1 lớp vỏ khô cứng bên bờ hồ nước mặn) hòa
vào các chất mỡ. Cho tới cuối thế kỷ 18 thì cuộc cách mạng về xà bông nổ ra khi
Chervereul đã thành công khi giải thích được phản ứng hóa học giữa chất kiềm và
triglyxerit [4].
Từ thời kỳ này, sự sản xuất công nghiệp trở nên dễ dàng hơn, việc sử dụng xà
bông trở thành phổ biến. Thị trường sản xuất các sản phẩm tẩy rửa cũng ngày càng

đa dạng về chủng loại để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng, chẳng hạn như:
9 Các sản phẩm để giặt quần áo hay các loại vải có màu sắc.
9 Các chất làm mềm vải.
9 Các chất lau chùi gia dụng.
9 Các dạng sản phẩm để chăm sóc cá nhân

Hồ Bích Duyên

7

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

b. Sản phẩm chăm sóc cá nhân:

Hình 1.2 Một số sản phẩm chăm sóc cá nhân chứa chất tẩy rửa
Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu chăm sóc cá nhân ngày càng đòi hỏi
cao. Đây là động lực thúc đẩy cho ngành cho sản xuất mỹ phẩm ra đời. Hàng loạt
các sản phẩm làm đẹp ra đời như dầu gội đầu, dầu xả, kem đánh răng, sữa tắm… đa
dạng về chủng loại và hương thơm mang lại nguồn doanh thu cao.
Trong quá trình sản xuất sản dầu gội thì chất hoạt động bề mặt là 1 nguyên
liệu lý tưởng vì: khả năng tạo bọt cao khi có chất nhờn, không gây kích ứng cho da
(α-olefinsulfonat), không cay mắt (sulfosuccinat)….
Trong quá trình sản xuất kem đánh răng thì chất tẩy rửa giúp: tẩy mảng bám
trên răng, tạo bọt, hòa tan và phân tán các mùi hương không tan trong nước…Theo
số liệu thống kê năm 1996 mức tiêu dùng trung bình 4,5kg chất tẩy rửa mỗi người

dân trong một năm [4].

Hồ Bích Duyên

8

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

Bảng 1.1 Số liệu mức tiêu thụ bình quân các chất giặt tẩy năm 1996 [4]
Khu vực

Mức tiêu thụ(kg/người dân/năm)

Bắc Mỹ

9,8

Tây Âu

9,5

Nhật Bản

4,5

Châu Mỹ La Tinh

3,8

Đông Nam Á và Châu Úc

2

Châu Phi

2

1.2. CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ LAS
1.2.1 Chất hoạt động bề mặt
1.2.1.1 Lịch sử ra đời
Xà bông là chất tẩy rửa đầu tiên xuất hiện trong nền văn minh nhân loại. Ban
đầu sự chế biến xà phòng còn thô sơ nhưng nó được xem là sản phẩm xa xỉ để tắm
gội và là mỹ phẩm trong nhiều thế kỷ.
Cuối thế kỷ 18 khi ngành sản xuất xà bông phát triển rầm rộ các nhà khoa
học mở ra hướng nghiên cứu về những sản phẩm thay thế chất hữu hiệu hơn cả xà
bông có được nhờ tổng hợp các hóa chất. Fritz Guinther đã thành công khi sáng chế
ra chất tẩy rửa tổng hợp đầu tiên là Ankylnaphatalen. Tuy nhiên Ankylnaphatalen
có chuỗi phân tử quá ngắn không thể đáp ứng đầy đủ được những đặc tính của chất
tẩy rửa [4].
Một thời gian sau Bertch khám phá este chất axit béo từ dầu cây thầu dầu
kèm theo việc sunphua hóa, làm phát sinh một chất mang những đặc tính thấm ướt
tuyệt vời (chất butyleste sulfonat) tuy nhiên hiệu quả giặt tẩy chưa cao [4].

Hồ Bích Duyên

9

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

Cho tới năm 1946, sự phát hiện ra Ankylbenzen Sulfonate (ABS) đã tạo ra
một bước ngoặc quan trọng và trở thành chất hoạt động bề mặt “nổi tiếng” nhất sau
xà bông bởi tính chất ít cảm ứng với chất vôi, hiệu quả cao trong việc tẩy rửa.
Nhưng nhược điểm của ABS là nó có khả năng phân giải sinh học yếu tạo ra những
khối bọt lớn trên các dòng thải gây ảnh hưởng tới môi trường. Chính vì vậy mà
ABS dần bị cấm sử dụng ở một số quốc gia, đầu tiên là Đức, Pháp, Ý, Nhật.
Sau đó, Linear Alkylbenzo Sulfonate (LAS) đã được tìm ra để thay thế cho
ABS. LAS đã trở thành một tác nhân làm sạch chính để tẩy rửa quần áo hầu hết trên
thế giới. LAS có khả năng phân hủy nhanh hơn so với chuỗi tương tự tetrapropyl
benzene sulfonate của ABS. LAS được đưa vào thị trường thế giới năm 1964 và
được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Ở Việt Nam, mãi đến ngày 01/01/1998,
theo chỉ thị của Thủ tướng Chính phủ thì tất cả các cơ sở sản xuất, kinh doanh mới
phải sử dụng LAS thay thế cho dodexyl benzen sunfonic axit (DBSA) trong công
nghiệp chất tẩy rửa tổng hợp [2, 4].
Cùng với sự phát triển của các chất hoạt động bề mặt, các hợp chất tẩy rửa
cũng được cải thiện. Dần dần, các cách thiết lập công thức được phong phú hơn,
chẳng hạn bằng cách thêm các tác nhân ngăn ngừa các hạt bẩn bám lại, các chất tẩy
quang học và enzyme, các chất hoạt hóa làm trắng…
1.2.1.2 Định nghĩa
Chất hoạt động bề mặt (CHĐBM) là thành phần không thể thiếu trong các
sản phẩm chất tẩy rửa. Nhiệm vụ của nó là đảm bảo tẩy đi các vết bẩn và những

chất lơ lửng trong nước giặt để ngăn cản sự bám lại của chúng trên bề mặt tẩy rửa.
Nhờ có một số tính chất đặc biệt như khả năng tẩm ướt, tạo bọt, làm ổn định
huyền phù, nhũ tương, nên các hợp chất hoạt động bề mặt được sử dụng rộng rãi
trong ngành công nghiệp (dệt nhuộm, tuyển nổi quặng, khai thác dầu mỏ, chế hoá
kim loại, sản xuất polyme, sơn, sợi hoá học, da, vật liệu cho phim ảnh, thuốc
nhuộm, mỹ phẩm...), trong nông nghiệp (điều chế huyền phù, nhũ tương của các
chất bảo vệ thực vật...), trong kỹ thuật chữa cháy (bọt chữa cháy) và trong đời sống

Hồ Bích Duyên

10

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

gia đình (chất tẩy rửa tổng hợp...). Chính vì vậy, hàng ngày chúng ta thải ra một
lượng đáng kể CHĐBM mà chủ yếu là CHĐBM anion gây ô nhiễm môi trường
nước. Cùng với sự phát triển không ngừng của nền kinh tế thế giới, việc sử dụng
các CHĐBM cũng tăng đáng kể. Lượng CHĐBM sử dụng trong năm 2006 lên tới
9,3 triệu tấn tăng 232,5% so với năm 1996 (4 triệu tấn) (LAS chiếm khoảng 2,8
triệu tấn) [4]. Trong đó, theo điều tra của Đức, số lượng CHĐBM sử dụng cho
ngành mỹ phẩm chiếm khoảng gần 50% lượng chất hoạt động bề mặt sử dụng trong
các ngành công nghiệp. Như vậy, sự phát triển nhanh chóng của mỹ phẩm cũng kéo
theo sự tăng trưởng của chất hoạt động bề mặt.
CHĐBM dùng để làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng. Nếu có
nhiều hơn hai chất lỏng không hòa tan thì CHĐBM làm tăng diện tích tiếp xúc giữa

hai chất lỏng đó. Khi hòa CHĐBM vào trong một chất lỏng thì các phân tử của
CHĐBM có xu hướng tạo đám (micelle, được dịch là mixen), nồng độ mà tại đó các
phân tử bắt đầu tạo đám được gọi là nồng độ tạo đám tới hạn.
1.2.1.3 Cấu tạo
Một phân tử CHĐBM gồm hai phần: một phần không tan trong nước
(thường chứa mạch hydrocacbon dài có thể là gốc alkyl, aryl) và một phần tan trong
nước (thường chứa các nhóm -OH, -ONa, -COOH). Tính chất ưa nước làm cho toàn
bộ phân tử CHĐBM tan trong nước. Khi kết hợp hai tính chất trên của CHĐBM, sẽ
tạo ra hoạt tính bề mặt tác động lớn vào giao diện (bề mặt các phân tử này có tác
động tiếp xúc của các pha) không khí/nước hoặc dầu/nước
Hình 1.3 Cấu tạo của xà phòng và chất hoạt động bề mặt

Thông thường cả hai tính chất hấp thụ và tính làm sạch tăng lên khi tăng
chiều dài mạch của phần kỵ nước. Cấu trúc của phần kỵ nước cũng ảnh hưởng đáng
kể đến tính chất của CHĐBM. Chất hoạt động bề mặt với mạch alkyl ít phân nhánh
Hồ Bích Duyên

11

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

thường cho tính làm sạch tốt hơn, nhưng đặc tính thấm ướt kém. Ngược lại khi độ
phân nhánh của mạch alkyl tăng lên, chất hoạt động bề mặt có tính thấm ướt tốt
nhưng không thỏa mãn tính tẩy rửa. Với một chất chứa một lượng nguyên tử cacbon
xác định trong mạch, đặc tính thấm ướt tăng lên rõ rệt khi nhóm ưa nước chuyển

vào giữa mạch, hoặc khi độ phân nhánh tăng nhưng đồng thời lại giảm sự hấp phụ
và đặc tính tẩy rửa.
Tính thấm nước và tính tan bọt của các CHĐBM là hai tính chất quan trọng,
nó làm dễ thấm ướt với nước đối với các vật. Tính tạo bọt tạo điều kiện các chất bẩn
phân tán dễ trong môi trường và làm tăng bề mặt tiếp xúc với bề mặt cần tẩy rửa.
Một CHĐBM thích hợp cho chất tẩy rửa phải có các đặc tính sau:
- Hấp phụ chọn lọc.
- Tách được các chất bẩn.
- Độ nhạy cảm với nước cứng thấp.
- Có khả năng chống chất bẩn kết tủa lại.
- Tính thấm ướt tốt; Tính hòa tan cao; Có đặc tính tạo bọt mong muốn.
- Không độc hại đối với người sử dụng; Không gây ô nhiễm môi trường.
- Sử dụng được nguồn nguyên liệu dễ kiếm…
1.2.1.4 Phân loại
Dựa theo nguồn gốc các CHĐBM có thể chia thành 2 nhóm
* Nhóm 1: các loại chất hoạt động cổ điển được sản xuất từ các loại dầu mỡ động
vật thực vật giàu thành phần acid béo như mỡ bò, cừu, dầu cọ, dầu dừa ...
* Nhóm 2: phong phú và đa dạng có tính chất như nhóm trên (khả năng thấm ướt,
giảm sức căng bề mặt, tính tẩy rửa) có tên chung là các chất tẩy rửa tổng hợp.

Hồ Bích Duyên

12

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

Trong đó, chất hoạt động bề mặt tổng hợp thành 3 loại (dựa theo đặc tính của
nhóm ưa nước):
- Loại anionic: là loại có nhóm phân cực bị phân ly thành ion âm trong dung dịch,
chủ yếu là nhóm -SO3, -OSO3 (-SO3Na, -OSO3Na) có thể sử dụng trong môi trường
acid yếu và nước cứng .
- Loại cationic là loại có nhóm phân cực bị phân ly thành ion dương trong dung
dịch, thường là dẫn xuất của muối amoni bậc 4.
- Loại nonionic (trung tính ): có nhóm phân cực không bị ion hóa trong dung dịch
nước. Bao gồm nhóm: -OH , ete, este...
- Loại lưỡng tính: có tính lưỡng cực, có khả năng chuyển thành anionic, cationic
hoặc non-ionic trong dung dịch phụ thuộc vào pH (acid hay kiềm) của nước.

Hình 1.4 Cấu tạo hóa học của 10 CHĐBM phổ biến
1.2.1.5. Cơ chế tẩy rửa
Chất tẩy rửa hòa tan các chất bẩn không tan trong nước (như dầu mỏ..) vào
dung dịch nước. Cả chất tẩy rửa và dầu mỡ có cấu tạo giống nhau (gồm một đầu kị
nước và một đầu ưa nước).
Hồ Bích Duyên

13

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

Phần kỵ nước ( gốc hydrocacbon ) " hấp thụ " hay " hòa tan " lên các hạt dầu

mỏ, còn phần ưa nước của các phân tử chất tẩy rửa hướng ra ngoài với nước, tương
tác này tạo thành hạt keo tích điện âm, các hạt keo này cùng dấu không kết hợp với
nhau được và cũng không trở lại.

Hình 1.5 Cơ chế tẩy rửa của CHĐBM
Khi chất dầu mỡ gặp chất tẩy rửa có trong xà phòng có cấu trúc tương tự thì
kết hợp với nhau tạo thành khối cầu hỗn hợp dầu mỡ và xà phòng mang điện tích
âm tách ra khỏi bề mặt vật liệu.
Khả năng hoạt động bề mặt phụ thuộc vào :
- Bản chất của nhóm phân cực .
- Vị trí của nhóm phân cực trong mạch cacbon: nhóm phân cực ở đầu mạch thường
có khả năng tẩy rửa tốt hơn ở giữa mạch, nhóm phân cực thông dụng là -COONa,
-SO3Na...Nhóm kỵ nước có cấu tạo mạch thẳng khả năng hoạt động bề mặt tốt hơn
mạch nhánh, nhóm có thành phần hỗn hợp alkyl và arese tốt hơn alkyl hoặc aryl
đơn thuần .
1.2.2. Giới thiệu về LAS
1.2.2.1 Cấu trúc, thành phần
LAS bao gồm một vòng thơm sulfonate được cố định với một chuỗi linear
alkyl ở vị trí para. Sản phẩm thương mại là hỗn hợp đồng đẳng chứa 10 - 13 nguyên
Hồ Bích Duyên

14

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

tử C trong chuỗi ankyl. Mỗi một đồng đẳng bao gồm những đồng phân vị trí do cố
định vòng phenyl vào nguyên tử C của chuỗi alkyl.

Hình 1.6 Cấu trúc hóa học LAS
Bảng 1.2 Thành phần các đồng đẳng LAS thương mại [21]
Thành phần

Tỷ lệ (% khối lượng)

Phenyl C10

13

Phenyl C11

30

Phenyl C12

33

Phenyl C13

24

Đặc điểm LAS

-

Dạng lỏng sệt.

-

Màu nâu sáng.

-

Mùi hắc đặc trưng.

Hình 1.7 Sản phẩm LAS thương mại

Hồ Bích Duyên

15

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

1.2.2.2 Tính độc của LAS
LAS cũng có độc tính nhất định nhưng chưa tới mức có hại cho sức khoẻ con
người. Mặc dù chưa được liệt kê vào bảng danh mục các độc chất, nhưng LAS cũng
gây ra một số cảnh báo đối với người sử dụng nếu hít phải (hắt hơi, ho, đau họng,
thở khó, buồn nôn, ói mửa), dính vào mắt (xót mắt, đỏ mắt, mờ mắt).
Đối với động vật các nhà khoa học đã tiến hành một số thí nghiệm để theo
dõi ảnh hưởng của LAS trên động vật thủy sinh. Các thí nghiệm cho thấy khi sống
trong môi trường nước có LAS, cá hồi hấp thụ khá mạnh loại hóa chất này. Qua các

kết quả phân tích người ta cũng thấy hàm lượng LAS trong mô của mang cá là lớn
nhất, sau đó là ở gan và nội tạng, tiếp theo là ở đầu (óc và mắt cá), thịt (cơ) và da.
Tuy nhiên hàm lượng LAS chưa tới mức gây ảnh hưởng xấu tới các hoạt động sinh
lý của cá. Một điểm đáng chú ý trong thịt cá là hàm lượng LAS thấp nhất mà con
người khi ăn chỉ đụng tới thịt cá là chính. Như vậy nguy cơ nhiễm độc (nếu có)
cũng sẽ giảm thiểu. Cho tới nay người ta vẫn coi LAS là vô hại. Nhưng kinh
nghiệm thực tế cho thấy phải sau hàng chục năm những cái lợi và hại của việc sử
dụng một loại hóa chất nào đó mới được hiểu rõ như trường hợp của thuốc trừ sâu
DDT và các chất làm lạnh CFC. Như vậy việc theo dõi độc tính của LAS vẫn rất
cần thiết [13].
1.2.2.3 Tình hình tiêu thụ LAS trên thế giới
-

Từ năm 1964 LAS chính thức được đưa vào sử dụng trên thị trường thế giới.
Ở Việt Nam, mãi đến ngày 01/01/1998, LAS được thay thế cho dodxeyl
benzene sunfonic axit (DBSA) [2].

-

Từ 1987 – 1991, tại Mỹ, mỗi năm tiêu thụ khoảng 364 – 415 nghìn tấn [12].

-

Năm 1990, tính trên toàn thế giới tiêu thụ 2 tỷ tấn [21].

-

Năm 1994, tính riêng Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản đã tiêu thụ 950 nghìn tấn [4].

-

Năm 1995, lượng LAS sản xuất tại Đông Âu 410 nghìn tấn và trên toàn thế
giới 2,6 tỷ tấn [4].

-

Năm 2006, lượng LAS tiêu thụ trên thế giới vào khoảng 2,8 tỷ tấn [4].

Hồ Bích Duyên

16

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

1.3 KHẢ NĂNG PHÂN HỦY LAS
Chuỗi ankyl có thể phân hủy dễ dàng chính là nguyên nhân tại sao LAS được
sử dụng rộng rãi. Sự phân giải sinh học sinh học của nó nhanh gấp 40-50 lần ABS
nhánh trong cùng điều kiện giống nhau. Tuy nhiên, sự phân hủy của một số chất
hoạt động bề mặt bao gồm cả LAS giới hạn trong khoảng nồng độ 20-50 mg/l và nó
chỉ tự phân giải ngay khi tác động ô nhiễm đã biến mất (khi mức oxy hòa tan được
tái lập)[4]. Thậm chí thấp hơn nồng độ này, LAS vẫn khó có thể phân hủy vì
khoảng 1/3 LAS có thể hấp phụ vào bùn trong thiết bị phản ứng và không được xử
lý. Ở nồng độ cao hơn, như dòng nước thải của các nhà máy sản xuất chất tẩy rửa (
nồng độ LAS có thể lên tới 50000 mg/l), ở nồng độ này LAS ức chế sự phân hủy
sinh học [20].

Theo Larson với nồng độ LAS thấp (trong khoảng 1-100µg/l), thời gian bán
rã trong nước và tầng đáy (nơi mà thời gian cư trú thay đổi tính theo ngày cho đến
tuần) được quan sát từng ngày hay ít hơn. Trong lúc đó, ở đất và lớp dưới bề mặt
thời gian tồn tại có thể từ tháng cho tới năm, thời gian bán rã thay đổi từ ít hơn một
ngày cho tới vài tuần [21].
Con đường phân hủy tổng quát của LAS đã được xác lập ở hình 1.8, sự phân
hủy bắt đầu với việc oxy hóa đoạn cuối của chuỗi alkyl, cắt một axit carboxylic, sau
đó mở vòng chuyển nhóm sulfate thành sulfate vô cơ.
Để LAS phân hủy theo con đường hình 1.8, hệ thống hiếu khí sẽ có lợi thế so
với hệ thống kị khí vì thực tế giai đoạn đầu tiên của sự phân hủy, sự oxy hóa ở đoạn
cuối của chuỗi alkyl, đòi hỏi oxy.

Hồ Bích Duyên

17

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

Hình 1.8 Sơ đồ phân hủy LAS [20]
1.4 MỘT SỐ VI SINH VẬT PHÂN HỦY LAS
Sau khi LAS được đưa vào sản xuất một cách rộng rãi thì vấn đề về môi
trường đã khiến các kỹ sư nghiên cứu, tìm tòi ra các phương pháp xử lý nước thải
có chứa LAS sử dụng công nghệ sinh học thân thiện với môi trường. Dưới đây là
bảng thống kê một số chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy LAS của một số báo
cáo [9, 10, 17, 23].

Hồ Bích Duyên

18

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ khoa học

Công nghệ sinh học

Bảng 1.3 Khả năng phân hủy LAS của một số chủng trên thế giới
Chủng

Khả năng phân hủy

Aeromonas sp.

23,1% (sau 8 ngày)

Pseudomonas fluorescens

77,95% (sau 8 ngày)

P. aeruginosa

44,85% (sau 8 ngày)

P. putida

67,5% (sau 8 ngày)

Tập hợp (Aeromonas sp., Pseudomonas fluorescens,

90% (sau 8 ngày)

P. aeruginosa, P. putida)
Tập hợp ( Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa,

85,2% (sau 8 ngày)

P. putida)
Pseudomonas aeroginosa, Bacillus subtilis, Bacillus Có thể sống trong môi
aglomerans, Bacillus cereus, Bacillus alvae

trường chứa 1500 ppm
LAS. Không có báo cáo
kết quả đầy đủ

Pseudomonas beteli

96,4% (sau 10 ngày)

Acinetobacter johnsoni

97,2% (sau 10 ngày)

Pseudomonas betel và Acinetobacter johnsoni

97,6% (sau 10 ngày)

Hồ Bích Duyên

19

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội