Phân lập các chủng vi sinh vật chuyển hóa nitơ, tạo biofilm và ứng dụng trong xử lí nước thải chăn nuôi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

Vũ Thị Huế

PHÂN LẬP CÁC CHỦNG VI SINH VẬT CHUYỂN HOÁ NITƠ,
TẠO BIOFILM VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ
NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội, 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

Vũ Thị Huế

PHÂN LẬP CÁC CHỦNG VI SINH VẬT CHUYỂN HOÁ NITƠ,
TẠO BIOFILM VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ
NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI

Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm
Mã số: 60 42 01 14

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN QUANG HUY

Hà Nội, 2017


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS.
Nguyễn Quang Huy, ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn, dành nhiều thời gian trao
đổi, định hƣớng nghiên cứu và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá
trình học tập, nghiên cứu khoa học thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến toàn thể quý thầy, cô trong Bộ môn Sinh lý
thực vật và Hóa sinh cũng nhƣ các Thầy cô giáo khoa Sinh học, Trƣờng Đại học
Khoa học Tự nhiên đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt thời
gian học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Ban Lãnh đạo Khoa Sinh học,
Phòng Sau Đại học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên đã gi p đ và tạo điều kiện
cho tôi hoàn thành chƣơng trình học tập và thực hiện luận văn
Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, ngƣời thân và
bạn b , những ngƣời đã động viên và tạo điều kiện thuận l i nhất cho tôi có thời gian
học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Hà Nội, Ngày 28 tháng 11 năm 2017
Học viên

Vũ Thị Huế

i


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU...................................................................3

1.1.

Tình trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc hiện nay ở Việt Nam và Thế giới.........3
1.1.1. Tình hình ô nhiễm môi trƣờng nƣớc...................................................3
1.1.2. Tình hình ô nhiễm nƣớc thải chăn nuôi..............................................4

1.2.

Các phƣơng pháp xử lý ô nhiễm nƣớc thải có chứa h p chất nitơ hiện nay.5

1.3.

Các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các h p nitrate.................................8

1.4.

Màng sinh học và ứng dụng của màng sinh học trong việc xử lý ô nhiễm nƣớc
thải giàu nitơ……………………………….…………………………….....11
1.4.1. Màng sinh học........................................................................................11
1.4.2. Vai trò và ứng dụng của sự hình thành màng sinh học..........................15

CHƢƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................21
2.1.

Nguyên liệu....................................................................................................21

2.2.

Hóa chất, thiết bị............................................................................................21
2.2.1. Môi trƣờng nuôicấy..............................................................................21

2.2.2. Thiết bị ngiên cứu chính......................................................................22

2.3.

Phƣơng pháp nghiên cứu...............................................................................22
2.3.1. Phƣơng pháp phân lập vi khuẩn.........................................................22
2.3.2. Phƣơng pháp đánh giá khả năng hình thành biofilm.........................22
2.3.3. Ảnh hƣởng của các điều kiện môi trƣờng nuôi cấy lên sự hình thành
màng sinh học.....................................................................................23
2.3.4. Phƣơng pháp nhuộm Gram................................................................24
2.3.5. Phƣơng pháp đánh giá khả năng chuyển hóa các h p chất
nitơ......................................................................................................24
2.3.6. Phƣơng pháp phân tích nitơ tổng số..................................................25
2.3.7. Phƣơng pháp phân tích hàm lƣ ng amoni (NH4+)............................25
2.3.8. Phƣơng pháp thử khả năng chuyển hóa nitrite...................................26
ii


2.3.9. Phƣơng pháp phân loại vi sinh vật dựa trên gen 16S rRNA..............27
2.3.10. Phƣơng pháp thống kê sinh học........................................................27
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................28
3.1. Vi khuẩn oxi hóa amoni.....................................................................................28
3.1.1. Phân lập, tuyển chọn vi khuẩn oxi hóa amoni....................................28
3.1.2. Khả năng tạo màng vi sinh vật............................................................29
3.2. Vi khuẩn oxi hóa nitrite.....................................................................................30
3.2.1. Phân lập, tuyển chọn vi khuẩn oxi hóa nitrite.....................................30
3.2.2. Khả năng tạo màng vi sinh vật.............................................................31
3.3. Vi khuẩn phản nitrat hóa....................................................................................33
3.3.1. Phân lập vi khuẩn phản nitrat hóa…………………………………....33
3.3.2. Xác định khả năng phản nitrat hóa của các chủng phân lập đƣ c…...33

3.3.3. Xác định hoạt tính khử nitrat của các chủng tuyển chọn.....................33
3.4. Nghiên cứu khả năng sinh trƣởng, tạo biofilm và hoạt tính chuyển hoá ni tơ
của

các

chủng

tuyển

chọn

khi

kết

h p

với

vật

liệu

mang...............................................................................................................35
3.4.1. Hoạt tính oxi hóa amoni của vi khuẩn khi có vật liệu mang ...…......36
3.4.2. Hoạt tính oxi hóa nitrite của vi khuẩn khi có vật liệu mang ..….…..37
3.4.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ......................................................................38
3.4.4. Ảnh hƣởng của pH môi trƣờng...........................................................40
3.4.5. Ảnh hƣởng của nồng độ amoni và nitrit đến sinh trƣởng của các chủng

vi khuẩn nitrate hóa tuyển chọn....................................................................43
3.5. Kết quả giải trình tự gen 16S rRNA của các chủng phân lập............................45
KẾT LUẬN...........................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................49

iii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Chu trình nitơ trong tự nhiên....................................................................8
Hình 1.2. Các giai đoạn chính của quá trình hình thành một biofilm.....................13
Hình 3.1. Khả năng tạo màng sinh vật của các chủng vi khuẩn oxi hóa amoni.....30
Hình 3.2. Khả năng tạo màng sinh vật của các chủng vi khuẩn oxi hóa nitrite.....32
Hình 3.3. Khả năng tạo màng sinh vật của các chủng vi khuẩn khử nitrate...........35
Hình 3.4. Hình ảnh tập đoàn vi sinh BNII-10 trong vật liệu mang polyurethane .37
Hình 3.5. Ảnh hƣởng của nhiệt độ tới hoạt tính nitrate hóa của vi khuẩn ………39
Hình 3.6. Khả năng tạo màng vi sinh vật của chủng BNI-8....................................40
Hình 3.7. Khả năng tạo màng vi sinh vật của chủng BNII-9...................................40
Hình 3.8. Ảnh hƣởng của pH tới chủng BNI-8 và BNII-9 ......................................41
Hình 3.9. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng tạo màng và sinh trƣởng.....................41
Hình 3.10. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng tạo màng biofilm của chủng BNI-8..41
Hình 3.11. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng tạo màng biofilm của chủng BNII-9.42
Hình 3.12. Ảnh hƣởng của amoni, nitrit đến sinh trƣởng của các chủng vi khuẩn..44
H nh 3.13. Cây phát sinh chủng loại các chủng phân lập BNI-8, BNI-9, BNII-9 và
BNII-10 dựa trên trình tự gen mã hóa 16S RNAr.....................................................46

iv


DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1. Khả năng oxi hóa amoni của nhóm vi khuẩn oxi hóa amoni..................28
Bảng 3.2. Khả năng tạo màng biofilm của các chủng vi khuẩn oxi hóa amoni......29
Bảng 3.3. Khả năng oxi hóa nitrite của nhóm vi khuẩn oxi hóa nitrite...................31
Bảng 3.4.Khả năng tạo màng sinh vật của các chủng vi khuẩn lựa chọn................32
Bảng 3.5. Khả năng sinh khí của các chủng phân lập …………………………....33
Bảng 3.6. Biến động hàm lƣ ng N-NO3 và N-NO2 trong môi trƣờng nuôi vi
khuẩn.........................................................................................................................34
Bảng 3.7. Khả năng tạo màng sinh học của các chủng nghiên cứu.........................35
Bảng 3.8. Ảnh hƣởng của chất mang đến khả năng oxi hóa amoni của vi khuẩn..36
Bảng 3.9. Ảnh hƣởng của chất mang tới khả năng oxi hóa nitrite của các chủng...38

v


MỞ ĐẦU
Ô nhiễm nƣớc thải hiện nay đang ở mức báo động. Ô nhiễm nƣớc là sự thay
đổi theo chiều xấu đi các tính chất vật lý – hoá học– sinh học của nƣớc, với sự xuất
hiện các chất lạ ở thể lỏng, rắn làm cho nguồn nƣớc trở nên độc hại với con ngƣời
và sinh vật. Xét về tốc độ lan truyền và quy mô ảnh hƣởng thì ô nhiễm nƣớc là vấn
đề đáng lo ngại hơn ô nhiễm đất. Xử lý nƣớc thải trƣớc hết nhằm mục đích cải thiện
điều kiện vệ sinh môi trƣờng sống của con ngƣời và xa hơn nhằm duy trì cân bằng
sinh thái, tạo điều kiện phát triển bền vững lâu dài cho loài ngƣời.
Thành phần gây ô nhiễm trong nƣớc thải, xét về khía cạnh tác động gây hại
và giải pháp công nghệ xử lý, có thể chia thành ba nhóm chính: nhóm chất hữu cơ
có khả năng sinh hủy, nhóm có thành phần dinh dƣ ng và nhóm loại h p chất hóa
học nguy hiểm trong đó việc xử lý ô nhiễm từ nhóm thành phần dinh dƣ ng đƣ c
quan tâm hơn cả.
Thành phần dinh dƣ ng gây ô nhiễm hầu hết là h p chất nitơ. Sự thâm nhập
của các h p chất này vào nƣớc gây ra hiện tƣ ng ph dƣ ng, th c đẩy tảo và các
loại thủy thực vật phát triển mạnh khó kiểm soát về mật độ. Hiện tƣ ng bùng nổ tảo

dẫn đến khi tảo chết hàng loạt trong thời gian ngắn, chìm xuống đáy, tiếp tục bị
phân hủy trong tình trạng yếm khí thay đổi điều kiện sống (pH, oxi hoà tan) là
những tác nhân gây khó khăn, thậm chí là môi trƣờng không thể sống đối với nhiều
loài thuỷ, động vật.
Nhiều các giải pháp kỹ thuật đƣ c sử dụng để xử lý nƣớc thải đã và đang
đƣ c sử dụng trong các điều kiện khác nhau. Mỗi giải pháp kỹ thuật đều có những
ƣu, nhƣ c điểm riêng. Hiện nay việc xử lý nƣớc thải nói chung và nƣớc thải ni tơ
nói riêng theo hƣớng áp dụng các kỹ thuật sinh học đƣ c ch trọng phát triển do
ch ng có tính bền vững, thích nghi với nhiều điều kiện trong tự nhiên, đáp ứng
đƣ c mục tiêu bảo vệ nguồn nƣớc, tiết kiệm năng lƣ ng, hóa chất vừa thu nhận và
tiết kiệm đƣ c nguồn tài nguyên, phù h p với phƣơng pháp luận “công nghệ xanh”.
Nƣớc thải chăn nuôi là loại nƣớc thải có hàm lƣ ng các h p chất ni tơ cao.
Việc áp dụng phƣơng pháp xử lý nƣớc thải chăn nuôi bằng con đƣờng vi sinh vật
1


còn góp phần tái sử dụng và thu hồi chất dinh dƣ ng từ phế thải.
Vì vậy, ch ng tôi tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu phân lập các chủng
vi sinh vật chuyển hoá ni tơ, tạo biofilm và kết hợp với vật liệu mang trong xử lý
nước thải chăn nuôi.
Với nội dung nghiên cứu nhƣ sau:
 Phân lập và lựa chọn các chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hóa amoni,
nitrite và đánh giá sự hình thành biofilm của các chủng vi khuẩn này khi kết
h p và không kết h p với vật liệu mang.
 Phân lập các chủng có khả năng phản nitrate hóa
 Nghiên cứu điều kiện sinh trƣởng của các chủng vi khuẩn đã đƣ c lựa chọn
 Định danh các chủng vi khuẩn đã đƣ c lựa chọn
Mục tiêu của nghiên cứu
 Phân lập và tuyển chọn đƣ c các chủng vi sinh vật có khả năng phân giải
nitơ (oxy hóa amoni, nitrite, phản nitrate hóa)

 Tối ƣu đƣ c điều kiện nuôi cấy thích h p và đánh giá khả năng tạo biofilm.
 Định danh đƣ c các chủng vi khuẩn có khả năng phân giải nitơ đồng thời có
khả năng tạo biofilm.
Tính mới của nghiên cứu
Đã đóng góp và phát hiện đƣ c hệ gen vi sinh vật chuyển hóa nitơ, tạo biofilm
từ nƣớc thải chăn nuôi tại Bắc Ninh
Đã nghiên cứu đƣ c các điều kiện tối ƣu của môi trƣờng trong việc chuyển hóa
và tạo màng.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.

T nh trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc hiện nay ở Việt Nam và Thế giới

1.1.1. Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc.
Hiện nay, ô nhiễm môi trƣờng là vấn đề đang đƣ c quan tâm không chỉ ở
Việt Nam mà còn ở nhiều quốc gia trên thế giới. Nƣớc thải là một trong những
nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng hiện nay. Ô nhiễm nguồn nƣớc không chỉ ảnh
hƣởng đến môi trƣờng sống của con ngƣời, mà còn ảnh hƣởng đến đa dạng sinh
học, đến môi trƣờng sống của các loài động, thực vật trên trái đất.
Theo báo cáo môi trƣờng Quốc gia năm 2010 của Bộ Tài Nguyên và Môi
Trƣờng, từ năm 2007 đến năm 2009, ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt ở tất cả các chỉ
số đều vƣ t quá tiêu chuẩn cho phép theo QCVN 08:2008/BTNMT. Các chỉ số
COD, BOD đều vƣ t quá tiêu chuẩn từ 5 đến 10 lần. Hàm lƣ ng NH4+ trong môi
trƣờng nƣớc bềmặt của sông Nhuệ, sông Đáy và sông Cầu đều vƣ t quy chuẩn cho
phép QCVN 08:2008/BTNMT cho nƣớc mặt phù h p với việc bảo tồn động thực
vật thủy sinh là là 0,2 mg/l. Năm 2009, hàm lƣ ng NH4+ trong nƣớc sông Nhuệ đo

tại Cự Đà trên 10 mg/l vƣ t quá tiêu chuẩn 50 lần, sông Đáy đo tại Cầu Hoàng 3
mg/l vƣ t quátiêu chuẩn 15 lần, sông Cầu đo tại Thái Nguyên trên 22 mg/l vƣ t quá
tiêu chuẩn 110 lần [2].
Theo Mulder, lƣ ng h p chất nitơ trong chuỗi thức ăn là 15 kg/ngƣời/năm,
một phần trong đó đƣ c con ngƣời tiêu thụ, phần lớn đƣ c thải ra ngoài môi trƣờng.
Tính theo đầu ngƣời, mỗi ngƣời thải ra 4,75 kg nitơ một năm. Lƣ ng nitơ trong
nƣớc thải chiếm 30% lƣ ng nitơ tiêu thụ [41]. Nƣớc thải ở các đô thị chủ yếu ở
dạng nitơ hữu cơ và amoni, trong đó 60% ở dạng hữu cơ và 40% ở trạng thái amoni.
Ở Mỹ, hàm lƣ ng nitơ có trong nƣớc thải phụ thuộc vào số dân và lƣu lƣ ng nƣớc
thải hằng ngày. Lƣ ng nitơ thải vào nguồn nƣớc trung bình là 16g/ngƣời/ngày.
Hàm lƣ ng và các loại h p chất chứa nitơ thay đổi trong từng loại nƣớc thải khác
nhau. Hàm lƣ ng nitơ trong nƣớc thải thƣờng dao động trong khoảng 20 đến 85
mg/l trong đó nitơ ở dạng h p chất hữu cơ trung bình từ 8 đến 35 mg/l, hàm lƣ ng
N-NH3 từ 12 đến 50 mg/l [26].
3


1.1.2. Ô nhiễm nƣớc thải chăn nuôi
Nƣớc thải chăn nuôi là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn
nƣớc. Ônhiễm nƣớc thải chăn nuôi đặc trƣng là ô nhiễm hữu cơ, hàm lƣ ng nitơ,
photpho cao và vi sinh vật gây bệnh, hàm lƣ ng nitơ tổng số nằm trong khoảng từ
512 đến 594 mg/l, trong đó N- NH3 trong nƣớc thải từ 304 đến 471 mg/l, hàm lƣ ng
photpho tổng số dao động trong khoảng từ 13,8 đến 62 mg/l [6].
Trong những năm qua, mô hình chăn nuôi l n đã tạo nguồn thu nhập chính
của nhiều hộ nông dân, đem lại nguồn thu nhập cũng nhƣ đóng góp vào sự phát
triển kinh tế, cải thiện đời sống cho nhân dân địa phƣơng. Chăn nuôi l n tập trung
hiện nay ở nƣớc ta đã và đang phát triển mạnh cả về số lƣ ng trang trại, quy mô
cũng nhƣ chất lƣ ng con giống.
Qua kiểm tra thực tế kiểm tra nhiều các trang trại, gia trại nằm xen kẽ trong
các khu dân cƣ, có quỹ đất nhỏ hẹp không đủ diện tích xây dựng các công trình bảo

vệ môi trƣờng đảm bảo xử lý chất thải, nƣớc thải đạt tiêu chuẩn cho phép, không
đảm bảo khoảng cách vệ sinh đến khu dân cƣ gây ô nhiễm môi trƣờng trầm trọng,
ảnh hƣởng đến đời sống, sinh hoạt của ngƣời dân xung quanh. Trong số các trang
trại chăn nuôi tập trung và các hộ gia đình chăn nuôi quy mô lớn đang hoạt động,
mặc dù đã đầu tƣ xây dựng hệ thống xử lý nƣớc thải bằng hệ thống hầm Biogas,
qua lắng lọc sau đó thải ra môi trƣờng, hoặc chất thải chăn nuôi đƣ c xử lý bằng
đệm lót sinh học. Tuy nhiên các biện pháp này chỉ giảm thiểu ô nhiễm khi số đàn
gia s c gia cầm vừa đủ, nƣớc thải sau xử lý vẫn có nguy cơ gây ô nhiễm môi
trƣờng, đặc biệt là khi các cơ sở không tuân thủ quy trình sản xuất, quy trình vận
hành hệ thống xử lý chất, nƣớc thải đƣ c xả thẳng ra cống rãnh, ao hồ, sông suối.
Nhiều công trình nghiên cứu trong nƣớc đã điều tra tình hình chăn nuôi và
đƣa ra một số giải pháp xử lý về chuồng trại, xử lý nƣớc thải bằng biogas gi p giảm
thiểu ô nhiễm môi trƣờng. Theo kết quả nghiên cứu tại Việt Nam cho thấy kết quả
xác định nồng độ khí độc tại chuồng trại nông nghiệp. Nồng độ NH3:0,94 mg/m3;
H2S: 0,38 mg/m3; CO: 6,7 mg/m3; NO2- 0,25 mg/m3; SO2: 0,45mg/m3so với TCVN
5938-95; 5937-95 nồng độ này cao hơn mức cho phép từ 2-3 lần.
4


Theo Cục chăn nuôi (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn), mỗi năm
ngành chăn nuôi gia s c, gia cầm thải ra khoảng 75-85 triệu tấn chất thải. Các chất
này thƣờng xuyên không đƣ c xử lý ổn định đã gây ra ô nhiễm môi trƣờng trầm
trọng. Ngoài ra trong nƣớc thải chăn nuôi còn có các vi sinh vật, các bào tử nấm,
giun sán… Đây là nguyên nhân gây ra các bệnh về đƣờng hô hấp, tiêu hóa. Tổ chức
Y tế thế giới (WHO) đã cảnh báo, nếu không có biện pháp thu gom và xử lý chất
thải chăn nuôi một cách sẽ ảnh hƣởng lớn đến sức khỏe con ngƣời vật nuôi. Không
những thế, ô nhiễm môi trƣờng còn phát sinh dịch bệnh nhƣ lở mồm long móng,
bệnh tai xanh gây tổn thất cho ngành chăn nuôi.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của dân số, rác thải sinh hoạt ngày một gia
tăng. Ở Việt Nam, phƣơng pháp xử lý rác thải chính vẫn là sử dụng các hố chôn lấp.

Nƣớc rỉ rác từ các hố chôn lấp tại khu xử lý rác thải gây ảnh hƣởng rất lớn đến đời
sống của ngƣời dân xung quanh, gây ô nhiễm nguồn nƣớc mặt và nƣớc ngầm quanh
khu vực. Trong nƣớc thải rỉ rác chứa rất nhiều thành phần độc hại khác nhau trong
đó đặc biệt là hàm lƣ ng chất hữu cơ cao. Tổng hàm lƣ ng nitơ trong nƣớc thải rỉ
rác dao động trong khoảng từ 200 đến 2000 mg/l, hàm lƣ ng amoni cao, trung bình
200 mg/l, trong khi đó tiêu chuẩn cho phép là 0,2 mg/l [6].
1.2.

Các phƣơng pháp xử lý ô nhiễm nƣớc thải có chứa hợp chất nitơ
Hiện nay có nhiều phƣơng pháp xử lý nƣớc thải đƣ c áp dụng nhƣ phƣơng

pháp cơ học, phƣơng pháp vật lý, phƣơng pháp hóa học, phƣơng pháp sinh học. Tất
cả các phƣơng pháp xử lý hiện nay đều có những ƣu, nhƣ c điểm. Trong thực tế,
quá trình xử lý nƣớc thải cần có sự kết h p của nhiều phƣơng pháp nhằm nâng cao
hiệu quả và giảm thời gian xử lý. Ví dụ, có thể sử dụng phƣơng pháp cơ học gi p
loại bỏ các chất thải có kích thƣớc lớn ban đầu, sau đó có thể áp dụng các phƣơng
pháp hóa học, sinh học nhằm loại bỏ các chất độc bảo đảm tính bền vững cho môi
trƣờng.
Phương pháp hóa học
Cơ sở của phƣơng pháp hóa học là dựa trên các phản ứng hóa học. Các phản
ứng hóa học đƣ c ứng dụng trong xử lý nƣớc thải nhƣ phản ứng oxy hóa, phản ứng
5


trung hòa, phản ứng keo tụ… giữa chất ô nhiễm và các hóa chất bổ sung.
Quá trình xử lý nƣớc thải chứa nitơ dựa trên nguyên tắc hóa học, nƣớc thải
đƣ c đƣa đến pH trong khoảng từ 10 đến 11 bằng cách thêm Ca(OH)2 để tạo thành
NH4OH, khi đó amoni chuyển từ trạng thái lỏng sang khí và sau đó đƣ c đƣa ra
ngoài không khí qua các tháp làm lạnh [56]. Cheung và cộng sự đã sử dụng
Ca(OH)2 với nồng độ là 10 g/l, sau thời gian xử lý là 24 giờ và ở nhiệt độ từ 20 đến

23oC. Kết quả cho thấy đã xử lý 65 – 75% NH4+ khi lƣu lƣ ng không khí bằng với
môi trƣờng, và 86 – 93% NH4+ khi lƣu lƣ ng không khí là 5l/ ph t [16]. Ozturk và
cộng sự đã áp dụng phƣơng pháp này, sau 2 giờ, đã xử lý đƣ c 72 – 85% lƣ ng
amoni trong nƣớc thải rỉ rác khi bổ sung Ca(OH)2 với hàm lƣ ng là 8 g/l và lƣu
lƣ ng không khí là 7,6 l/ph t. Tuy nhiên phƣơng pháp này có chi phí xử lý cao do
đòi hỏi lƣ ng không khí lớn và lƣ ng Ca(OH)2 sau đó phải đƣ c xử lý với H2SO4
rƣớc khi thải ra môitrƣờng [48].
Li và cộng sự đã thử nghiệm một phƣơng pháp để loại bỏ amoni trong nƣớc
thải thông qua việc kết tủa amoni dƣới dạng (NH4)MgPO4.6H2O khi thêm MgCl2 và
Na2HPO4 trong quá trình xử lý. Bằng phƣơng pháp này, với tỷ lệ Mg: NH4: PO4 =
1:1:1 và pH trong nƣớc từ 8,5 đến 9, nồng độ amoni trong nƣớc thải rỉ rác giảm từ
5.600 mg/l xuống chỉ còn 110 mg/l trong 15 ph t [38]. Phƣơng pháp này cũng đã
đƣ c Yangin và cộng sự áp dụng đối với nƣớc thải sinh hoạt, kết quả đã loại bỏ
đƣ c 66% lƣ ng amoni trong nƣớc thải và phƣơng pháp này còn có thể ứng dụng
cho việc loại bỏ h p chất chứa photpho trong nƣớc thải [66]. Một phƣơng pháp để
xử lý nitơ khác là bổ sung thêm clo vào nƣớc thải trong quá trình xử lý. Khi cho clo
vào nƣớc thải, NH3 sẽ phản ứng với clo dƣới dạng HOCl để tạo ra các sản phẩm
trung gian là NH2Cl, NHCl2, NCl3. Quá trình xử lý sẽ diễn ra liên tục khi thêm
HOCl vào phản ứng để tạo ra sản phẩm cuối cùng là nitơ phân tử [56]. Quá trình
này diễn ra phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, pH, thời gian xử lý và tỷ lệ HOCl/
NH3 [49]. Với tỷ lệ HOCl/ NH3 đƣ c tính theo mol bằng 1 tại pH trong khoảng từ 7
đến 8 tất cả NH3 đều chuyển hóa thành NH2Cl. Với tỉ lệ HOCl/ NH3 bằng 2 sản
phẩm chủ yếu là NHCl2, khi tỉ lệ trên bằng 3 thì sản phẩm xử lý tạo ra chủ yếu là
6


NCl3 [3].
Phương pháp sinh học
Trong môi trƣờng nƣớc, h p chất nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng amoni (NH4+ ),
nitrate (NO3-), ít hơn ở dạng nitrite (NO2-) và trong một số h p chất hữu cơ khác.

Thành phần đƣ c xem là bền đối với trƣờng và không gây hiệu quả xấu cho môi
trƣờng là khí nitơ (N2). Nitơ hữu cơ có thể tồn tại trong các sinh vật sống hoặc các
sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy các vật chất hữu cơ [53, 54]. Xử lý
nƣớc thải có chứa h p chất nitơ dựa trên các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa
thành các chất không độc nhƣ khí N2, trả lại môi trƣờng không khí. Phƣơng pháp
sinh học có những ƣu điểm so với các phƣơng pháp vật lý, hóa học nhƣ:hiệu suất
khử nitơ cao, sự ổn định và tƣơng đối dễ vận hành, quản lý, chi phí đầu tƣ h p lý và
quan trọng cho sự phát triển bền vững, bảo vệ môi trƣờng và hệ sinh thái.
Để xử lý nƣớc thải chứa nitơ theo phƣơng pháp sinh học. Các nghiên cứu
dựa trên cơ sở là trong tự nhiên luôn tồn tại các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa
h p chất nitơ. Quá trình chuyển hóa nitơ trong tự nhiên đƣ c trình bày ở hình 1.1
[53, 57].
Các
quá trình trong chu trình nitơ chuyển đổi nitơ từ dạng này sang dạng

khác đều đƣ c tiến hành bởi các nhóm vi sinh vật khác nhau với mục đích lấy năng
lƣ ng hoặc để tích tụ nitơ thành một dạng cần thiết cho sự phát triển của ch ng.
Các dạng nitơ hữu cơ từ nguồn động thực vật sau khi chết đƣ c các vi khuẩn amoni
hóa chuyển hóa thành dạng NH4+ sau đó NH4+ đƣ c chuyển hóa thành NO2- nhờ vi
khuẩn nitrite hóa, NO2- sinh ra đƣ c nhóm sinh vật nitrate hóa chuyển hóa thành
NO3; cuối cùng nitrate đƣ c nhóm sinh vật kỵ khí chuyển thành dạng nitơ phân tử
nhờ quá trình khử nitrate (Hình 1.1) [23, 24].

7


Hình 1.1. Chu trình nitơ trong tự nhiên [69, 70]
1.3.

Các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp nitrate

Nitrate (NO3-) đƣ c chuyển hóa bởi một số vi khuẩn: Nitrobacter

Winogradsky, Nitrospina gracilis, Nitrococcus mobilis.
Nitrosomonas
+

NH4 + 1,5O2
NH4+ + 1,5O2

NO2- + H2O + 2H+ + 2H+ NO2- + 0,5O2
NO3- + H2O + 2H+

+
4NO3 + 4 H + 5Chữucơ

5CO2 + 2N2 + 2H2O

Tế bào đặc trƣng của nhóm vi khuẩn Nitrobacter trong dịch nuôi là dạng
hình que tròn, hình hạt đậu, hoặc hình trứng, có thể di động hoặc không di động.
Khi điều kiện không thuận l i ch ng có thể liên kết với nhau thành tập đoàn.
Nitrospina gracilis là những trực khuẩn thẳng, thỉnh thoảng có dạng hình cầu,
không di động chất chứa nitơ trong xử lý ô nhiễm nƣớc thải.
Trong nƣớc thải có nhiều thành phần khác nhau, bao gồm các h p chất hữu
cơ và vô cơ. Trong đó các h p chất chứa nitơ và photpho chiếm tỷ lệ lớn.
Nitrate hóa là quá trình oxi hóa NH4+ thành NO3- cung cấp năng lƣ ng cho vi
sinh vật hoạt động. Quá trình oxi hóa này xảy ra cùng với quá trình đồng hóa CO2.
Hầu hết các vi sinh vật tự dƣ ng hóa năng vô cơ thuộc loại hiếu khí bắt buộc đều có
8

khả năng thực hiện quá trình này. Nitrate hóa qua 2 giai đoạn:
Đầu tiên là giai đoạn oxi hóa amoni (NH4+) thành nitrite (NO2-) bởi một số
đại diện thuộc nhóm vi khuẩn nitrite hóa: Nitrosomonas,Nitrosocystis,
Nitrosococcus, Nitrosolobus... Tất cả ch ng khá giống nhau về mặt sinh lý, sinh
hóa, chỉ khác nhau về mặt hình thái học và cấu tr c tế bào. Các đại diện của chi
Nitrosomonas không sinh nội bào tử, tế bào nhỏ bé hình bầu dục. Trên môi trƣờng
lỏng, quá trình phát triển của vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas trải qua một số giai
đoạn và phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trƣờng [12, 27].
Giai đoạn 2 củaquá trình nitrate hóa oxi hóa nitrite (NO2-) thành và có đặc
trƣng là liên kết tạo thành tập đoàn. Nitrococcus mobili thì có dạng hình tròn, có
tiêm mao [5].
pH thích h p cho nhóm vi khuẩn Nitrosomonas là từ 7,8 đến 8, Nitrobacter là
từ 7,3 đến 7,5. Nitrobacter sẽ tăng trƣởng chậm hơn ở các mức pH cao đặc trƣng
cho các thủy vực nƣớc mặn. Nitrosomonas sống ở những nơi giàu NH3 và các muối
vô cơ nhƣ trong bùn đáy ao, nƣớc cống, nƣớc ngọt, các thủy vực bị ô nhiễm chứa
nhiều h p chất nitơ nhằm tránh ánh sáng. Nitrobacter không có khả năng di động và
cần phải bám vào bề mặt giá thể nhƣ đá, cát, hoặc một giá thể sinh học…
Nitrobacter không thể sống trong môi trƣờng khô. Trong môi trƣờng nƣớc, ch ng
có thể tồn tại trong khoảng thời gian ngắn ở các điều kiện bất l i nhờ vào việc sử
dụng các chất dự trữ bên trong tế bào [31].
Oxy hóa amoni bao gồm hai phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa
củaquá trình bị khống chế bởi gian đoạn có tốc độ thấp hơn. Tốc độ phát triển của
Nitrosomonas chậmhơn Nitrobacter do đó nồng độ NO2- thấp hơn trong giai đoạn
ổn định. Vì vậy trong quá trình động học ngƣời ta chỉ sử dụng các thông số liên
quan đến vi khuẩn Nitrosomonas để đặc trƣng cho quá trình oxy hóa amoni [31].
Quá trình chuyển hóa các h p chất chứa nitơ không chỉ diễn ra do các chi vi khuẩn
nói trên mà trong tự nhiên còn nhiều nhóm vi sinh vật khác cũng có khả năng
chuyển hóa nhƣ vậy. Nghiên cứu khả năng chuyển hóa amoni, nitrite, nitrate, Zhang
và cộng sự đã phân lập đƣ c chủng vi khuẩn Pseudomonas stutzeri không chỉ có
9

khả năng chuyển hóa nitrite mà còn có khả năng chuyển hóa amoni. Sau thời gian
18 giờ, chủng vi khuẩn này đã chuyển hóa đƣ c amoni hoàn toàn thành dạng khí
N2 với hiệu suất là 39% [47]. Nghiên cứu về việc sử dụng vi khuẩn Bacillus
methylotrophicus trong xử lý nitơ cho thấy trongmôitrƣờngở điều kiện pH từ 7 đến
8 và nhiệt độ là 37oC, chủng B.methylotrophicus đã làm nồng độ NH4+ ban đầu
146,71mg/l giảm xuống 38,29 mg/l sau 9 ngày nuôi cấy, với tốc độ chuyển hóa là
51,58 mg/l/ngày [38].
Nghiên cứu của Broda cho thấy sự tồn tại của các vi khuẩn gọi là anammox
[15]. Các vi khuẩn này có thể oxy hoá amoni trong điều kiện kị khí (Anaerobic
Amoni Oxidation) hay còn gọi là anammox. Các nhà khoa học Hà Lan và Đức đã
nghiên cứu và phát hiện các vi khuẩnnày thuộc năm chi gồm Brocadia,Kuenenia,
Anammoxoglobus,

Jettenia

và

Scalindua,

bộ

Planctomycetales,

ngành

Planctomycetes [22, 32]. Sử dụng kỹ thuật sinh học phân tử cũng nhƣ đặc điểm sinh
lý, sinh hóa Schmid cùng cộng sự đã phân loại đƣ c vi khuẩn Kuenenia
stuttgartiensis thuộc nhóm vi khuẩn anammox [43]. Ngoài phƣơng pháp xử lý sinh

học kết h p hai quá trình nitrate hoá và khử nitrate có thể loại bỏ đƣ c amoni ra
khỏi nƣớc thải trong thực tế còn tồn tại một số vi khuẩn có khả năng oxy hoá amoni
thành dạng khí N2 sử dụng nitrite đƣ c hình thành từ quá trình xử lý thay thế cho
việc phải sử dụng oxy cấp từ nguồn bên ngoài vào [18, 30].
Trong tự nhiên, ngoài các chi Nitrosomonas, Nitrobacter có khả năng chuyển
hóa h p chất chứa nitơ có trong nƣớc thải là NH4+, NO2-, NO3- còn có một số chi vi
sinh vật khác nhƣ Bacillus, Pseudomonas….
NO3- là sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa amoni chƣa đƣ c coi
làbền vững và còn gây độc cho môi trƣờng nên cần phải chuyển hóa về dạng khí N2.
Vi sinh vật thực hiện quá trình chuyển hóa là các vi sinh vật khử nitrate bao gồm
một số vi sinh vật thuộc các chi nhƣ Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas,
Thiobacillus [22]. Các vi sinh vật khử nitrate sử dụng oxy hoặc nitrate, nitrite làm
chất oxy hóa để cung cấp năng lƣ ng cho các quá trình sinh hóa.
Quá trình khử nitrate thƣờng đƣ c nhận dạng là khử nitrat kị khí, tuy nhiên
10


diễn biến quá trình sinh hóa không phải là quá trình lên men kị khí mà nó giống quá
trình hô hấp hiếu khí nhƣng thay vì sử dụng oxy, vi sinh vật sử dụng nitrate, nitrite.
Để khử nitrate, vi sinh vật cần có chất khử (nitrate là chất oxy hóa), chất khử có
thểlà chất hữu cơ hoặc vô cơ nhƣ H2, S, Fe2+. Phần lớn vi sinh vật khử nitrate thuộc
loại dị dƣ ng, sử dụng nguồn cacbon hữu cơ để xây dựng tế bào ngoài phần sử
dụng cho phản ứng khử nitrate. Rất ít vi sinh vật khử nitrate thuộcloại tự dƣ ng, ví
dụ Thiobacillus denitrificant sử dụng lƣu huỳnh làm chất khử [3, 27].
1.4. Màng sinh học và ứng dụng của màng sinh học trong việc xử lý ô nhiễm

nƣớc thải giàu nitơ
1.4.1. Màng sinh học
1.4.1.1. Định nghĩa về màng sinh học
Màng sinh học (biofilm) đƣ c định nghĩa là một tập h p của vi sinh vật liên

kết với nhau thông qua mạng lƣới polymer ngoại bào [21]. Màng sinh học có thể
hình thành do tập h p các tế bào của cùng một vi sinh vật hay các vi sinh vật khác
nhau. Trong tự nhiên, màng sinh học thƣờng là sự liên kết của vi khuẩn, nấm, tảo,
xạ khuẩn. Trong màng sinh học các tế bào tập h p thành các đơn vị cấu tr c là các
vi khuẩn lạc. Thành phần này đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành
màng sinh học đặc biệt là ở giai đoạn đầu bởi nó quy định đặc tính hình thành
màng cho từng loài vi sinh vật, đảm nhiệm chức năng tiết các h p chất ngoại bào
cũng nhƣ có chứa các yếu tố phụ tr

tế bào nhƣ lông roi, lông nhung hỗ tr cho

việc bám dính của các tế bào khác lên bề mặt giá thể [44].
1.4.1.2. Thành phần và quá trình hình thành màng sinh học
Cấu tr c của màng sinh học trong tự nhiên gồm hai thành phần chính là các
tập h p tế bào vi sinh vật và mạng lƣới các chất ngoại bào (Extracellular Polymeric
Substances - EPS). Các tế bào của một hay nhiều loài vi sinh vật khác nhau, bám
dính trên bề mặt nhất định (có thể là hữu sinh hay vô sinh). Các tế bào liên kết với
nhau một cách có trật tự đảm bảo sự trao đổi thông tin liên tục diễn ra giữa các tế
bào. Có thể nói màng sinh học là dạng sống khá phổ biến của nhiều loài vi sinh vật
[37, 39].
11


Mạng lƣới các chất ngoại bào (EPS) bao quanh các tế bào, tạo nên cấu tr c
đặc trƣng cho biofilm. Mạng lƣới ngoại bào có độ dày từ 0,2 đến1µm.Ở một vài
loài vi khuẩn độ dày của lớp EPS mỏng hơn nằm trong khoảng từ 10 đến 30 nm
[19]. Mạng lƣới các chất ngoại bào có vai trò quy định sự sắp xếp tế bào đồng thời
tạo nên những kênh dẫn truyền nƣớc bên trong biofilm nhờ đó mà các chất dinh
dƣ ng cũng nhƣ nƣớc có thể lƣu thông trong biofilm tạo điều kiện cho việc khuếch
tán, phân phối chất dinh dƣ ng đến khắp các tế bào vi sinh vật trong biofilm cũng

nhƣ loại bỏ đi những chất thải không cần thiết [35].
Về cơ bản màng sinh học đƣ c cấu tạo gồm rất nhiều tế bào của cùng một
loài hay từ các loài vi sinh vật khác, khối lƣ ng tế bào vi sinh vật chiếm từ 2
đến5% tổng khối lƣ ng biofilm. Trong biofilm ngoài thành phần tế bào thì có tới
97% là nƣớc, 3 đến 6% còn lại là EPS và ion. Một tế bào vi khuẩn tùy thuộc vào
điều kiện môi trƣờng khác nhau có thể hình thành biofilm ở các dạng khác nhau.
Thành phần polymer ngoại bào rất đa dạng tùy loài vi sinh vật, dạng biofilm và điều
kiện hình thành nhƣng về cơ bản đều bao gồm các polysaccharide chiếm khoảng từ
40 đến 95%, từ 1 đến 60% là protein, từ 1 đến 10% là axit nucleic, và từ 1 đến
40% lipit về khối lƣ ng [19, 25]. Các h p chất này thay đổi theo không gian và
thời gian tồn tại của màng sinh học. Về cơ bản màng sinh học càng dày và thời gian
tồn tại càng lâu thì có hàm lƣ ng EPS càng nhiều.
Mật độ tế bào tập trung cao nhất ở lớp đỉnh của biofilm và giảm dần theo độ
sâu. Trái lại, thành phần EPS lại phong ph hơn ở vùng phía trong biofilm. Thành
phần EPS trong biofilm cũng khác biệt so với ở dạng sống tự do của chính vi khuẩn
đó [19]. EPS có thể chiếm 50% đến 90% của tổng cacbon hữu cơ của các màng sinh
học và có thể coi là thành phần chính của màng sinh học. EPS có thể thay đổi
mộtvài tính chất hóa học và vật lý, nhƣng thành phần chính của nó chủ yếu vẫn gồm
các polysaccharides. Có thể là các polysaccharides trung tính hay là polyanionic là
thành phần chính của EPS vi khuẩn Gram âm. Một số vi khuẩn Gram dƣơng, thành
phần hóa học của EPS có thể khác nhau và chủ yếu là cation [62].
Dựa trên các phƣơng pháp phân tích di truyền học, sinh học phân tử, cùng với
12


những phân tích về mặt cấu tr c của màng sinh học, các nhà khoa học đã đƣa ra một
mô hình cấu tr c màng sinh học cơ bản [18]. Trong mô hình này, vi khuẩn hình
thành nên các vi khuẩn lạc và đƣ c bao quanh bởi một mạng lƣới chất ngoại bào
gi p các thành phần tế bào liên kết với nhau một cách có trật tự đảm bảo sự trao đổi
thông tin liên tục diễn ra giữa các tế bào đồng thời tạo nên những kênh dẫn truyền

dịch ngoại bào bên trong màng sinh vật. Nhờ đó, dịch tế bào có thể đi qua màng
sinh vật tạo điều kiện cho việc khuếch tán, phân phối chất dinh dƣ ng đến khắp các
tế bào trong màng cũng nhƣ loại bỏ các chất thải. Sự hình thành biofilm là quá trình
phát triển mà trong đó vi khuẩn trải qua những thay đổi trong cách thức tồn tại để
chuyển từ dạng sống đơn bào, riêng rẽ sang dạng tập h p nhiều tế bào, cố định một
chỗ và có sự sinh trƣởng cũng nhƣ biệt hóa tế bào khác với dạng sống trôi nổi. Có
năm giai đoạn chính trong quá trình hình thành và phát triển của một biofilm (Hình
1.2) [40].

Hình 1.2. Các giai đoạn chính của quá trình hình thành một biofilm [40]
1.Giai đoạn gắn kết, 2. Hình thành lớp tế bào, 3. Hình thành mạng lƣới ngoại bào,
4. Hình thành màng sinh học hoàn chỉnh, 5. Quá trình tách rời.
Giai đoạn 1: Gắn kết thuận nghịch lên giá thể
Trong một số điều kiện nhất định và tùy thuộc đặc tính lý hóa, các vi khuẩn
có thể di chuyển hƣớng đến bề mặt bởi hóa ứng động và hình thành mối tƣơng tác
tạm thời với bề mặt thông qua các lực tƣơng tác yếu nhƣ lực Van der Waals,
lựch ttình điện, liên kết hydro. Nhờ khả năng di chuyển độc lập bằng các cử động
co r ttế bào hay sử dụng các tiêm mao, và khả năng tiết các chất ngoại bào gi p các
13


tế bào riêng rẽ đƣ c bao bọc trong một mạng lƣới và bắt đầu sự hình thành màng
sinh vật. Giai đoạn gắn kết thuận nghịch có vai trò quyết định một màng sinh học có
thể đƣ c hình thành hay không [8, 46].
Giai đoạn 2: Hình thành lớp tế bào
Khi các tế bào đầu tiên bám dính chặt hơn trên bề mặt giá thể, l c này các tế
bào sử dụng các chất hữu cơ trên bề mặt giá thể và trong môi trƣờng để sinh trƣởng
phát triển tạo nên các vi khuẩn lạc đồng thời cũng trải qua những thay đổi về số
lƣ ng tế bào, số lƣ ng loài cũng nhƣ cấu tr c tế bào nhất định. Sản sinh ra các h p
chất ngoại bào, gi p cho các tế bào bám dính chặt, không thuận nghịch trừ khi có

tác động của các tác nhân vật lý, hóa học. Các tế bào giảm mức độ sinh trƣởng, tiêu
giảm các phần phụ tr tế bào.
Giai đoạn 3: Hình thành mạng lưới ngoại bào
Các h p chất polymer ngoại bào tiếp tục đƣ c tạo ra bởi các tế bào để liên
kết các tế bào một cách có tổ chức đồng thời tạo thành cầu nối giữa các khuẩn lạc.
Ch ng cũng có vai trò trong việc thu h t các tế bào sống trôi nổi (có thể là từ nhiều
loài khác nhau) trong môi trƣờng. Kết quả là mật độ tế bào trong một màng sinh
học cũng nhƣ lƣ ng các polymer ngoại bào tạo ra tăng lên. Một màng sinh học dần
đƣ c hình thành.
Giai đoạn 4: Hoàn thành một màng sinh học hoàn chỉnh
Khi tế bào vi sinh vật bám dính không thuận nghịch lên bề mặt thì quá trình
trƣởng thành của màng sinh vật bắt đầu. Các tế bào phân chia và phát triển, hình
thành các cụm tế bào vi khuẩn và mở rộng về không gian, hình thành một cấu tr c
màng sinh học hoàn chỉnh. Từ một phạm vi ban đầu màng sinh học có thể mở rộng
về không gian cũng nhƣ độ phức tạp tùy thuộc vào điều kiện môi trƣờng. Một màng
sinh học hoàn chỉnh có cấu tr c giống nhƣ tháp hình nấm đƣ c bao quanh bởi các
kênh vận chuyển nƣớc có tính thẩm thấu cao tạo điều kiện cho việc vận chuyển chất
dinh dƣ ng và oxy vào bên trong màng [28].
Giai đoạn 5: Quá trình tách rời
Khả năng phát triển của màng sinh học bị giới hạn do nhu cầu dinh dƣ ng
14


của môi trƣờng nuôi cấy và biểu hiện của các phân tử cảm ứng mật độ tế bào. Các
phân tử này đƣ c giải phóng ra nhằmđáp ứng với những hạn chế về dinh dƣ ng, sự
tích tụ các sản phẩm độc hại và một số nhân tố khác, bao gồm các yếu tố pH, nguồn
cung cấp cacbon, oxy [45]. Trong một số trƣờng h p, khi màng sinh học đạt đến
khối lƣ ng và một mức cân bằng động tối đa thì các tế bào trong đó sẽ tự tách rời và
cùng với các tế bào của một màng khác hình thành nên các vi khuẩn lạc. Sự phân
hủy các polymer ngoại bào có thể diễn ra trong điều kiện thiếu hụt dinh dƣ ng hay

oxy bên trong màng sinh học.
Quá trình này liên quan đến sự tăng cƣờng biểu hiện của các gen mã hóa cho
enzyme phân hủy carbohydrate tạo nên các lực liên kết yếu hơn trong màng sinh
học, dẫn đến sự phân tách các tế bào riêng rẽ đồng thời operon mã hóa cho protein
lông roi đƣ c tăng cƣờng biểu hiện để chuẩn bị cho các tế bào sống tự do khi tách
rời khỏi màng [43, 45].
1.4.2. Vai trò và ứng dụng của sự h nh thành màng sinh học
1.4.2.1. Vai trò của sự hình thành màng sinh học
Sự hình thành màng sinh học mang lại l i ích cho chính bản thân vi sinh vật.
Trong quá trình hình thành màng sinh học, các tế bào phải trải qua một số thay đổi
về hình thái, đặc tính sinh lý và một trong những thay đổi quan trọng là việc hình
thành mạng lƣới các chất ngoại bào bao quanh. Mạng lƣới này gi p giữ lại chất hữu
cơ không hòa tan từ môi trƣờng nƣớc xung quanh tạo điều kiện cho vi sinh vật sinh
trƣởng, phát triển. Đồng thời nó cũng có vai trò trong việc kiến tạo cấu tr c không
gian 3 chiều đặc trƣng cho màng sinh học bằng cách tạo nên một mức độ ổn định,
một sự cân bằng nội môi cho các vi sinh vật.
Bên cạnh đó một vai trò quan trọng của mạng lƣới ngoại bào là đem lại khả
năng chống lại các tác nhân kháng khuẩn cho các tế bào sinh sống trong một màng
sinh học. Theo Flemming, vi khuẩn có thể có khả năng kháng đối với các tác nhân
gây hại (chất kháng sinh, chất hoạt động bề mặt...) cao gấp 1000 lần khi gắn kết với
nhau tạo thành màng sinh học so với tế bào sống trôi nổi. Mạng lƣới các h p
chấtngoại bào cũng đƣ c ghi nhận có khả năng gi p tế bào chống lại tác động của
15


kim loại nặng, các ion và chất độc, gi p tế bào tránh khỏi rất nhiều yếu tố gây tác
động xấu tới vi sinh vật từ môi trƣờng nhƣ tia UV, pH, sốc thẩm thấu và sự khô hạn
[23].
Những kênh vận chuyển nƣớc nằm xen kẽ trong cấu tr c của màng sinh học,
giữa các vùng bao quanh vi khuẩn lạc đƣ c ví nhƣ là một hệ thống tuần hoàn.

Ch ng hoạt động hiệu quả trong quá trình trao đổi chất với môi trƣờng xung quanh,
do đó làm tăng hiệu quả trong việc sử dụng nguồn dinh dƣ ng cũng nhƣ loại bỏ các
sản phẩm chuyển hóa có khả năng gây độc hại. Nhờ vậy quá trình chuyển hóa các
chất trong đó cũng mang những đặc trƣng khác so với dạng sống tự do [7].
Mặt khác quá trình hình thàng màng sinh học gi p vi sinh vật tận dụng đƣ c
nguồn chất hữu cơ bám dính trên bề mặt giá thể cũng nhƣ các cơ chất, chất dinh
dƣ ng tạo ra từ các loài vi sinh vật khác sống chung.
Một màng sinh học có thể đƣ c hình thành do sự h p tác cùng chung sống
của nhiều loài vi sinh vật để tạo một cộng đồng có cấu tr c không gian phức tạp.
Các loài vi sinh vật cùng tồn tại trong biofilm thích nghi với những điều kiện về
dinh dƣ ng, nồng độ khác nhau tạo nên những “vi ổ sinh thái” trong biofilm. Chẳng
hạn nhƣ những vi sinh vật nằm phía ngoài biofilm thích nghi với điều kiện hiếu khí
cao trong khi những loài nằm phía trung tâm biofilm có xu hƣớng chịu đƣ c nồng
độ oxy thấp (vi hiếu khí).
Khả năng thích nghi với nhiều điều kiện dinh dƣ ng khác nhau gi p các loài
vi sinh vật tận dụng đƣ c nguồn dinh dƣ ng từ môi trƣờng đồng thời hỗ tr lẫn
nhau theo hƣớng cùngcó l i trong quá trình chuyển hóa vật chất. Mối quan hệ h p
tác giữa các loài trong biofilm cũng có ảnh hƣởng lớn đến chu trình tuần hoàn của
các nguyên tố trong tự nhiên. Hầu hết các quá trình trong tự nhiên đòi hỏi sự phối
h p của nhiều nhóm vi khuẩn có cơ chế trao đổi chất khác nhau để cùng phân giải
một h p chất hữu cơ và việc các vi sinh vật thuộc nhiều nhóm khác nhau cùng cƣ
trú trong biofilm sẽ góp phần th c đẩy các quá trình này diễn ra nhanh hơn [35].
Quá trình truyền gen ngang đóng vai trò quan trọng trong việc th c đẩy sự
tiến hóa của các cộng đồng vi sinh vật. Trong đó cơ chế truyền gen phổ biến ở
16


visinh vật là truyền gen thông qua plasmid và cầu tiếp h p. Tuy nhiên từ những
hiểu biết rằng hầu hết các vi khuẩn trong tự nhiên định cƣ dƣới dạng biofilm, liên
kết với nhau bởi mạng lƣới các chất ngoại bào thì việc tiếp h p giống nhƣ là cơ chế

mà nhờ đó vi khuẩn trong biofilm có thể truyền gen từ tế bào này sang tế bào khác
[35].
1.4.2.2. Ứng dụng của màng sinh học trong xử lý ô nhiễm
Màng sinh học tác động đến rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống hàng ngày.
Do vậy nhiều nghiên cứu hiện nay về màng sinh học có ý nghĩa thực tiễn quan trong
và ngày càng thu h t sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Một số ứng dụng cụ thể
của màng sinh học nói riêng và các chủng vi sinh vật tạo màng sinh học nói chung
là xử lý ô nhiễm.
Trong công nghiệp lên men tại các bể lên men là nơi giữ lại sinh khối vi sinh
vật. Thông thƣờng các tế bào ở dạng tự do khó có khả năng đƣ c giữ lại trong các
bồn lên men sau mỗi mẻ xử lý. Khi đó để tiếp tục một qui trình mới lại phải bổ sung
thêm một lƣ ng sinh khối nhất định và đ i thời gian để vi sinh vật có thể sinh
trƣởng, phát triển tới một nồng độ nhất định mới. Qui trình này gây tốn kém ở khâu
nguyên liệu đầu vào cũng nhƣ mất thời gian vận hành. Ngƣ c lại khi đã đƣ c bám
giữ trên bề mặt giá thể bằng mạng lƣới biofilm sinh khối vi sinh vật có thể đƣ c giữ
lại một cách có hiệu quả sau mỗi mẻ xử lý. Những giá thể chất mang có sẵn mạng
lƣới biofilm có thể đƣ c tái sử dụng ở những lần xử lý tiếp theo mà không phải bổ
sung thêm vi sinh vật cũng nhƣ đ i thời gian phát triển [29].
Dầu thô và các sản phẩm từ dầu đƣ c loại bỏ bởi các vi khuẩn phân hủy
hydrocarbon. Các vi khuẩn đƣ c sử dụng có thể đƣ c thả trực tiếp xuống vùng dầu
tràn hoặc có thể thả ở vùng ven bờ mà dầu tràn bị sóng đánh vào. Lý do chính ở đây
là biofilm gi p tăng hiệu quả lọc nƣớc và làm tăng độ kết dính của vi sinh vật với bề
mặt giá thể nơi có dầu tràn. Trong nghiên cứu, khi sử dụng các vi khuẩn thuộc chi
Acinetobacter và dùng một lớp phủ làm giá thể cho vi khuẩn là tảo, kết quả đã làm
giảm đƣ c 64-98% n-octadecane và khoảng 38-56% phenanthrene từ môi trƣờng có
chứa 0,03% của hydrocarbon sau 2 tuần [40]. Trong nghiên cứu của Lê Thị Nhi
17


Công cùng cộng sự, đã phân lập từ biển nhóm vi khuẩn tạo biofilm và có hoạt tính

chuyển hóa các chất hydrocacbon thơm đa vòng nhƣ napthalene, anthracene, pyren
[17].
Một trong những ứng dụng của màng sinh học đang đƣ c quan tâm liên quan
đến việc làm sạch nguồn nƣớc thải, nguồn nƣớc ngầm bằng công nghệ sinh học.
Ứng dụng này bắt nguồn từ thực tế là bản thân vi sinh vật có khả năng phân hủy các
chất hữu cơ trong môi trƣờng tự nhiên thành các chất vô cơ đơn giản, ít độc. Đã có
nhiều phƣơng pháp xử lý nƣớc thải bao gồm những giai đoạn xử lý mà trong đó
nƣớc thải đƣ c lọc qua các biofilm nhằm mục đích tách và đồng hóa các h p chất
hữu cơ có hại. Một lƣ ng sinh khối lớn các vi sinh vật trong mạng lƣới biofilm làm
tăng sự h p tác trong quá trình trao đổi chất, gi p cho quá trình loại bỏ các chất gây
ô nhiễm trong nƣớc diễn ra hiệu quả hơn so với dạng sống tự do. Quá trình phân
hủy các chất cũng tỏ ra hiệu quả hơn khi thƣờng sản phẩm của chủng này lại là cơ
chấtcho một chủng khác trong mạng lƣới biofilm, ví dụ trong một mạng lƣới
biofilm xử lý nƣớc thải có chứa h p chất nitơ, ion NH4+ đƣ c nhóm Nitrosomonas,
Nitrobacter chuyển hóa thành ion NO3- rồi tiếp tục đƣ c các nhóm vi khuẩn yếm
khíkhác sử dụng để cuối cùng tạo thành N2 đi vào khí quyển [37].
Một số nghiên cứu về vi khuẩn anammox có khả năng xử lý nitơ trong nƣớc
thải, đã chỉ ra rằng trong hệ thống các lớp siêu mỏng của lớp màng biofilm của
chủng vi khuẩn Planctomycetes có sự phân bố oxi theo lớp. Các lớp phía trên là
những lớp giàu oxi trong khi các lớp ở phía dƣới cùng nằm trong trạng thái kị khí.
Sự phân chia theo lớp màng sinh học sẽ tạo điều kiện thuận l i trong quá trình ứng
dụng xử lý nƣớc thải giàu h p chất nitơ vì giai đoạn nitrate hóa là giai đoạn hiếu
khí, giai đoạn khử nitrate là giai đoạn kị khí [31].
Những nghiên cứu về biofilm trong xử lý nƣớc thải có chứa các h p chất
nitơ và photpho, các nhà nghiên cứu đã sử dụng màng sinh học của vi tảo để thực
hiện nghiên cứu này. Kết quả cho thấy, màng sinh học đƣ c thiết kế dựa vào các vi
tảo đã xử lý đƣ c nitơ là 1g/m2/ngày và photpho là 0,13 g/m2/ngày [13].
Các nhà khoa học đã nghiên cứu khi sử dụng một vật liệu bám sinh khối, thả
18