Đánh giá khả năng phân hủy một số hydrocarbon thơm của vi khuẩn tía quang hợp tạo màng sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------

Nguyễn Bỉnh Hiếu

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÂN HUỶ
MỘT SỐ HYDROCARBON THƠM CỦA VI KHUẨN TÍA
QUANG HỢP TẠO MÀNG SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------

Nguyễn Bỉnh Hiếu

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÂN HUỶ
MỘT SỐ HYDROCARBON THƠM CỦA VI KHUẨN TÍA
QUANG HỢP TẠO MÀNG SINH HỌC
:V

ọc

Mã số: 8420101.07
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Lê Thị Nhi Công
TS. Trần Thị Thanh Huyền

Hà Nội - Năm 2018


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN

i

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

i

DANH MỤC HÌNH ẢNH

ii

DANH MỤC BẢNG

iv

MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

3

1.1 Tình hình ô nhiễm và độc tính của hydrocarbon thơm ..................................... 3
1.1.1 N

ố

m ......................................................................... 3

1.1.2 T
1.1.3 T

m

m ........................................................... 3

ộ

m ..................................................................... 4

1.2 Các biện pháp xử lý hydrocarbon thơm ............................................................ 5
1.2.1 P

.......................................................................................... 5

1.2.2 P

ọ ...................................................................................... 6

1.2.3 P

ọ ..................................................................................... 6

1.3 Giới thiệu chung về màng sinh học và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm
hydrocarbon thơm .............................................................................................. 8
1.3.1

m ềm

1.3.2 Cấ

m

1.3.3 T

ầ

1.3.4

ố

ọ ........................................................................... 9
ọc ................................................................................... 9
m

ọ ..................................................................... 10

ở
m

1.3.5

ă

m

ọ

................. 13
m...................... 15

1.4 Giới thiệu chung về VKTQH và khả năng xử lý hydrocarbon thơm .............. 17
1.4.1 G ớ
1.4.2 Kh

ề
ă

â

............................................................ 17
m

1.4.3 Giá thể cố ịnh vi sinh v t trong x

a VKTQH ................................... 18
ớc th i ô nhi m ........................... 19

CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

21

2.1 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ....................................................... 21
2.2 Thiết bị và hóa chất sử dụng ........................................................................... 22

a


2.2.1 Thi t bị và hóa chất ....................................................................................... 22
2.2.2 M

ờng phân l p, nuôi cấy và giữ giống ................................................ 22

2.3 Địa điểm tiến hành nghiên cứu ....................................................................... 23
2.4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 23
2.4.1 S

nghiên cứu ........................................................................................... 23

2.4.2 Đ

ă

o màng sinh học .......................................................... 24

2.4.3 Đ

ởng và phát triển c a VKTQH trên các hydrocarbon
m ............................................................................................................... 26

2.4.4 Đ

ă

â

m

a màng sinh học do

các ch ng VKTQH t o thành ........................................................................ 26
2.4.5 Đ

ối kháng c a các ch ng lựa chọn ......................................... 27

2.4.6 Xây dự

m

u qu x

m

a

màng sinh học do hỗn h p các ch ng t o thành ........................................... 27
2.4.7 Đ

ă

ởng c a ch ng VKTQH t o màng sinh học

trên giá thể vi sinh.......................................................................................... 30
2.4.8 P

â

ọc .................................................................... 31

2.4.9 X lý thống kê ............................................................................................... 32
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1

33

àng lọc các chủng vi hu n t a quang hợp tạo màng sinh học .................... 33

3.2 Đánh giá hả năng sinh trưởng của các chủng VKTQH trên các nguồn
hydrocarbon thơm ............................................................................................ 34
3.2.1 Kh

ă

ởng c a các ch ng VKTQH trên toluene ........................ 34

3.2.2 Kh

ă

ởng c a các ch ng VKTQH trên phenol ......................... 36

3.2.3 Kh

ă

ởng c a các ch ng VKTQH trên naphthalene ................. 37

3.2.4 Tuyển chọn các ch ng VKTQH có kh

ă

ởng trên pyrene........ 39

3.3 Khả năng phân hủy các hợp chất thơm của màng sinh học do các
chủng VKTQH tạo thành ................................................................................. 40
3.4 Đánh giá t nh đối kháng của các chủng VKTQH lựa chọn ............................ 43

b


3.5 Khả năng phân hủy các hợp chất thơm của màng sinh học do đa chủng
VKTQH lựa chọn tạo thành ............................................................................. 44
3.5.1 Đ

ă
ă
ă

V TQH

m

ởng c

V TQH

m

ất naphthalene .......................................................... 46

ch ng trên ngu
3.5.4 Đ

ởng c

ất phenol .................................................................. 45

ch ng trên ngu
3.5.3 Đ

m

ất toluene ................................................................. 44

ch ng trên ngu
3.5.2 Đ

ởng c a các V TQH

ă

ch ng trên ngu

ởng c

V TQH

m

ất pyrene .................................................................. 47

3.6 Đánh giá hả năng sinh trưởng của chủng VKTQH tạo màng sinh học
trên giá thể vi sinh ........................................................................................... 47
3.7 Đánh giá hiệu suất phân hủy hydrocarbon thơm trong mô hình th nghiệm ..... 51
KẾT LUẬN

55

KIẾN NGHỊ

56

TÀI LIỆU THAM KHẢO

57

c


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Thị Nhi Công và
TS. Trần Thị Thanh Huyền, người cô đã rất quan tâm, tận tình chỉ bảo, hướng
dẫn tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới các anh chị cán bộ nhân viên và sinh viên
làm việc tại Phòng Công nghệ sinh học môi trường – Viện Công nghệ sinh học –
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi trong quá trình
học tập và nghiên cứu tại Phòng.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong Khoa Sinh học, trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là các thầy, cô giáo trong Bộ môn Vi sinh
vật học người đã tận tình giảng dạy và dìu dắt tôi trong suốt thời gian học tập tại
trường.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới những người thân trong gia
đình, bạn bè luôn bên cạnh ủng hộ, động viên, khuyến khích tôi rất nhiều trong
suốt quãng thời gian qua.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 12 năm 2018
Học viên

Nguyễn Bỉnh Hiếu

i


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AT

M

ờng nuôi cấy vi khu n tía quang h p

BA

Benzoic acid (benzoate)

BTEX

Benzene Toluene Ethylene Xylene

C

Carbon

CoA

Coenzyme A

d

Diameter-

DNA

Deoxyribonucleic acid (axit deoxyribonucleic)

DO

Disolved oxygene (oxi hòa tan)

EPS

Extracellular Polymetic Substances (H p chất polymer ngo i bào)

KL

Khu n l c

LD

Lethal Dose (Liều gây ch t)

MTBE

methyl tertiary-butyl ether

OD

Opitical Density (M

PAH

Polycyclic aromatic hydrocarbon (

PCR

Polymerase chain reaction (Ph n ứng chuỗi trùng h p)

ppb

Part per billion (phần tỉ)

ppm

Part per million (phần tri u)

v/ph

Vòng/phút

VK

Vi khu n

VKTQH

Vi khu n tía quang h p

VSV

Vi sinh v t

ờng kính

ộ quang học)

i

ò

)


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sự phân bố các nhóm VSV trong màng sinh học .....................................11
Hình 1.2 Các yếu tố môi trường hình thành các hệ tầng biofilm ...........................13
Hình 2.1 ơ đồ các bước thực hiện trong quá trình nghiên cứu .............................24
Hình 2.2 ơ đồ xử lý sơ bộ các loại giá thể .............................................................28
Hình 2.3 Mô hình các loại giá thể khác nhau .........................................................29
Hình 2.4 Mô hình xử lý hydrocarbon thơm .............................................................30
Hình 2.5 Chi tiết mô hình xử lý hydrocarbon thơm.................................................31
Hình 3.1. Khả năng tạo màng sinh học của các chủng VKTQH ............................33
Hình 3.2. Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH sau 7 ngày nuôi cấy ở các
nồng độ toluene khác nhau .......................................................................................35
Hình 3.3. Dịch nuôi cấy của 10 chủng VKTQH ở 300 ppm toluene sau 7 ngày ....35
Hình 3.4. Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH sau 7 ngày nuôi cấy ở các
nồng độ phenol khác nhau .......................................................................................36
Hình 3.5. Dịch nuôi cấy của 10 chủng VKTQH ở150 ppm phenol sau 7 ngày ......36
Hình 3.6. Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH sau 7 ngày nuôi cấy ở các
nồng độ naphthalene khác nhau ..............................................................................38
Hình 3.7. Dịch nuôi cấy của 10 chủng VKTQH ở200 ppm naphthalene sau 7 ngày
...................................................................................................................................38
Hình 3.8. Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH sau 7 ngày nuôi cấy ở các
nồng độ pyrene khác nhau .......................................................................................39
Hình 3.9. Dịch nuôi cấy của 10 chủng VKTQH ở 200 ppm pyrene sau 7 ngày .....39
Hình 3.10. Sự hông đối kháng lẫn nhau của các chủng VKTQH lựa chọn. Trong
đó, (1), DQ41; (2), PY2; (3), PY6 và (4), DG12 .....................................................43
Hình 3.11 Khả năng sinh trưởng của biofilm đa chủng trên cơ chất toluene ........44
Hình 3.12 Khả năng sinh trưởng của biofilm đa chủng trên cơ chất phenol .........45
Hình 3.13. Khả năng sinh trưởng của biofilm đa chủng trên cơ chất naphthalene

...................................................................................................................................46
Hình 3.14. Khả năng sinh trưởng của biofilm đa chủng trên cơ chất pyrene ........47

ii


Hình 3.15. Các bể mô hình xử lý hydrocarbon thơm của VKTQH tạo biofilm trên
giá thể và ko có giá thể .............................................................................................49
Hình 3.16. Ảnh hiển vi điện tử quét các chủng VKTQH tạo biofilm trên giá thể ..50

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số chủng VSV có khả năng phân hủy hydrocarbon thơm .................7
Bảng 3.1 Khả năng sinh trưởng và phát triển trên các nguồn cơ chất của VKTQH
...................................................................................................................................40
Bảng 3.2 Khả năng phân hủy một số hydrocarbon thơm của màng sinh học do các
chủng VKTQH tạo thành sau 7 ngày nuôi cấy ........................................................41
Bảng 3.3. Số lượng tế bào vi khu n bám trên các loại giá thể ...............................48
Bảng 3.4. Hiệu suất phân hủy hydrocarbon thơm trong các mô hình ....................52

iv


MỞ ĐẦU
H

m

ề

ấ

â
m

y
ề
m
ă

m

T

ớ

ứ

ể

m
m

ở

ở

ứ

H

ởng.

ộ mặ

ứ

ộ

ă

d ng nhiều ngu n hydrocarbon

e e

ữ

e e …v.v làm ngu n C cho sinh

ầ

â

ấ , V TQH

ă

ớc những bất l i c a môi

một lớp màng bao ph xung quanh b o v
ờnggọi là m

nấm mốc.

ộ ,

ă
e ze e

â

âm

ở
ộ

m

ă

(VKTQH)

ở

e

ứ

các nhóm vi khu n,x khu n, ấm men

carbon, nitrogen
m

ể

ố

ể

có nhiều

ố ớ ;

mộ

phân h y hoặc chuyển

khu n,

ề

ộ

B

nay

h

Trong n

ứ ấ

ự

ng

m

ứ

m

ữ

ểm

ọ
ấ

H

ọ ;

ữ

ấ

ự

sinh học. Màng sinh học (biofilm) là khái ni m

ộ

c ứng d ng trong nhiề

ĩ

ự

m T

các h p chấ

ộ

ặc bi t trong x lý
ù

tác trong h thốngh thống polimer ngo i bào (EPS), các vi khu n trong màng
ới nhau có kh

sinh họ

m

ki n kh c nghi t c
ă

ờng kh

ă

ởng tố

ờng,

ỗ tr lẫ
ng thời

ổi gene. H

â

ấ

/chuyển hóa
m

m

ờ

1

ều
ỡng,

y sự tích t chấ

nữa, VKTQH có kh

VKTQH t o m
ă

ể chống chịu l i

ều ki n h n ch oxy ở các lớ

học.
ă

ă

ă

ới c a màng sinh
ọ

góp phần làm ă
m ừ

ă


Tuy nhiên, h

ữ

nay

ứ

m ở VKTQH t o màng sinh học ở

các h p chấ

n hành nghiên cứ
hydrocarbon h
M
kh
ă

ă

ề

i

: “Đ

i h ẩ
ọ

:S

â

ề

h gi

ă
ớ

ò

h

gh

c

phân h y/chuyển hóa
ề

g h

h

ộ

g i h họ ”

VKTQHvừa t o màng sinh học vừa có
m

y tốt một số thành phầ

c

ởi màng sinh học t o thành.

phân h y các h p chấ
Nội dung nghiên cứu:


S

ọ

m

ởng trên các ngu n


Đ

m
ă

ở

ể
m

trên một số ngu


Đ

ọ

ă

â

m

:
-

m

ừ

-

m

ỗ

-

m

ỗ

ấ m

2

:

ừ m

ố


CHƯƠNG 1.
Tì h hì h ô hiễ

1.1

1.1.1 Ng

g

độ

h dr

H

rb
m(

TỔNG QUAN
h

h dr

rb

h

h
m)

p chấ

m các h p chất chứa một hay
m ũ

nhiều nhân benzene trong cấu trúc phân t . Các h p chấ
với mộ

ng lớn trong dầu mỏ, trầm tích, than bùn và

[27]. Ngoài ra

ịa chất tự

chúng còn p
núi l a, hóa lỏng khí than, cháy rừ

…T

ờ

sinh ho t c

c tìm thấy
: ự phun trào

rong quá trình s n xuất và

m

m

ờng qua các

ngu n khác nhau bao g m các sự cố tràn dầu trên biển; khí th i từ các nhà máy
e

hóa khí và hóa lỏ

;

i từ

n giao thông;

ớc th i từ các nhà máy s n xuất than cốc, s n xuấ
máy lọc dầu, kho chứ
1.1.2 Tì h r

ă

ầ …;

g ô hiễ

h dr
m

nhau bao g m c m
ờ

ờ

m…

ớc th i sinh ho t c a
rb

ời [29].

h

c tìm thấy ở nhiề m
ấ

ớc th i từ nhà

ớ

ờng sinh thái khác

T

ớc tính có kho ng 99.200 tấn

m

ờ

ớc,

m thâm nh

i

mỗi tháng [29].
H

m

nhóm các h p chất hữ

c t o ra bởi quá trình

ốt cháy không hoàn toàn hoặc quá trình hóa họcápcao. Hầu h t các hydrocacbon
m

c t o ra nhờ áp suấ

ấp trong không khí nên s

m

các h t tiểu phân (h t b i). Trong khí quyể
ứng với các chất gây ô nhi m

c hấp ph trên
ể ph n

ozone, NO2 và SO2, t o ra các dione, các

m chứa -N,-N2, và các sulfonic acid [52].
ọ

C

ổng n

ộ c a 16 hydrocarbon

m

(naphthalene, acenaphthene, phenanthrene, chrysene, perylene, 2-fluorobiphenyl,
e

e

…)

ộng từ 4 255

n 51.261 ng/g, với n

3

ộ trung bình 13.196


ầm

ng/g Dry weight (dw)
N mĐ

ự

[19]. Ngu n hydrocarbon

m

ể có ngu n gốc từ

ốt cháy than.
Bên c

khi có các v tràn dầu trên biển x y ra, các thành phần
m có trong dầulà ộc tố gây

biển

triển, sinh s …
m

m

ớc có thể gây t
: Capitella capital (

nhi m dầu trên m
gi m ă

ờ

ấ

ất ng

ởng tới hô hấp, phát

, sinh hóa,

ể dẫn tới t

5m /
ố

mặ

ă

: làm rối lo n các chứ

ởng nghiêm trọng cho sinh v t

ng các chất hydrocarbon
ộng v t không

vong hàng lo t c

ốt), Scoleleis fuliginnosa [3].

,ô

ớc biển s làm suy thoái h sinh thái và c nh quan,
ng sinh học, tài nguyên sinh v t biển, ven bờ (rừng ng p

ớc, cỏ biển, san hô, sinh v t phù du, sinh v t

m

)

nguyên du lịch,…v.v.
1.1.3 T h độ

h dr

rb
m

h
ờng có trong nhiên li u hóa th

d ng làm dung môi trong các s n ph m tiêu dùng và công nghi
ă

cs
gia
ều s n

là ph gia trung gian trong tổng h p các h p chất hữ

ph m tiêu dung khác. Tuy nhiên, chúng l i là chất ô nhi m dai dẳng, th i ra môi
ờng ch y u b ng các ho

ộ

ăm ò

a ngành dầu khí, s n xuất dầu, làm

l nh dầu, v n chuyển dầu, s n xuất dầu mỏ, dung môi, s n ph m có ngu n gốc từ
than

, giao thông, hút thuốc lá, vi c làm d ng thuốc. Các hydrocacbon khó tan
ớc, một số lo

ém

ớ

benzen, toluen, etylbenzen và ba

lo i xylen (BTEX). Chúng có tính bền vững rất lớn, có thể phát tán trong không
khí nên qua hàng tri

ăm

di chuyển và phân phố

m

ờng và d

c v n chuyển vào các sinh v t sống. Chúng hòa tan tốt trong lipid và do
c hấp th từ m

ờng vào

ờng tiêu hóa. Chúng gây sự suy

thoái về mặt hóa lý và sinh học trong các h

ng thời sự

ể s gây ộc và suy thoái cho các sinh v t [51].

4

ũ trong

ớc nghiên cứu về các h p chấ

Theo từ

ị

càng có thể khẳ

ộc c

trong số này có thể â
m

ột bi n, gây quái thai

ò
mứ

mức n

[28]. C c b o v

ộ an toàn c a PAH (h p chất
ể tránh gây

e

ở

n

ộ cao

p xúc với một số PAH có n

: 03 m

e e/

ờ ; 0 04 m

thể

â

m)

ờ

ời ta l i

n sinh v t, th m chí nhiều h p chất

ờng Mỹ (USEPA)

sức khỏe

m

ể

e e/

ời; 0,06 mg acenaphthene/kg

ể

ờ ; 0 03 m

e e/

ể

ời [56].
C

1.2

biệ

1.2.1 Ph

h

g h

xử lý h dr

rb

h

ậ lý
ề xuấ

Một số

ng rác th i

ấ

ố … v.v. Ngoài ra, s

d ng các chùm tia bức x , tia cực tím hay còn gọ

â

chứa mộ
ũ

m ớ

ể gi i quy

ng

m

i hi u qu nhấ

S

ấ
T

pháp c
â

ờ

m

ớ

ể

ấ ổ

ấ

ỏ

ọ

ũ

ấ

ấ

ấ

â

ữ

mộ
ổ
ự

ấ

e

e e

ố

ừ â

ầ

O các công c

cs

… v.v.
Đố

ớ

m

ể quây dầ

d

thuần hoặc phao
l

ịnh.

ặ

ầ mỏ

n và thông d ng nhất là các phao nổi, có thể
èm

thống thu gom trên mặ

ớc. Các phao có thể

ịnh hình b ng thuyền kéo hoặc cano m

dầ

d ng các máy hút dầ

vào b n chứa [10].

5

ù
ể tách dầu khỏi mặ

c
ể

ớ


1.2.2 Ph

g h

h

họ

Gi i pháp oxy hóa b c cao (AOPs - A

e O

O2

hóa hoàn toàn các h p chất hữ

.

m Vi c

u qu trong x
ũ

s d ng các chất phân tán, chấ
th dầu ũ

ặc t o thành

m có nhiều trong dầu mỏ

ũ

pháp x lý ô nhi m dầ

khoáng

ớ

các h p chất trung gian d phân h y sinh họ
ò

ầ

ớc, các chất keo t , chất hấp
m. Các tác nhân này

u qu trong vi c x
ữ

t dầu loang nh m m

m bớt lự

ớc t o ra những giọt dầu nhỏ

mặt phân giới giữa dầ
ều ki

phân tán tự nhiên, t
chúng một cách d

e e )

n nay [10] P

một trong những gi i pháp x lý tố

V

P

ă

y nhanh quá trình

ể di n ra quá trình phân h y sinh học và phát tán

.

Chất hấp ph dầu: dầu s hình thành một lớp chất lỏng trên bề mặt c a chất
hấp ph

Ư

tự

ũ

iểm c a vi c s d ng chất hấp ph là có thể hấp ph dầu ở mọi d ng
ị

â

ớ

Đặc bi t, những lo i chất này có tính
ớc. Chất hấp ph có thể là hữ

chọn lọc rất cao chỉ hút dầu chứ

ự

ự nhiên, hoặc tổng h p [10].
1.2.3 Ph

g h

P

i h họ
â

ỏ

ều ki n phức t p

ộ cao, áp suất lớn, quá trình xúc tác, … v.v) không gây ra ô nhi m thứ cấp,

(nhi

thân thi n vớ m

ờng, chi phí thấ

[10]. Phân h y sinh học có thể
kh

ò

y sinh họ

ă

â

y các chấ

ất phù h p vớ

ều ki n ở

ớc ta

c thực hi n theo cách bổ sung các vi sinh v t có
ộc vào vùng ô nhi m ( ă

bioaugmentation); kích thích phát triển c a vi sinh v t b

ờng sinh học ịa (kích thích sinh học

- biostimulation) và s d ng k t h p 2 cách trên.
T

ởng và phát triển c a một số loài vi sinh v t, các

ngu n hydrocarbon c a dầu có thể

c s d ng làm ngu n carbon duy nhất, hoặc

6


những s n ph m phân h y c a hydrocarbon c a vi sinh v t này l i là ngu
ể

chấ

ởng cho những sinh v

H

t o s n ph m sau cùng là các chấ

c oxy hóa, bẻ m ch
O2

n: các acid hữ

khối vi sinh v t không gây ô nhi m

m

ớc và sinh

ờng.

Kích thích sinh học là bổ sung ch ph m có chứa các chất cần thi
nitrogen, phosphore, các khoáng chấ … v.v cho h vi sinh v t b
ă

â

y dầu. Khác vớ
Tă

họ

lý ô nhi m b ng kích thích sinh

ờng sinh học là bổ sung ch ph m sinh học có chứa vi
m

sinh v t phân h y dầ

ờng bị ô nhi m P

c phân l p từ vùng ô nhi m

ổi cấu trúc di truyề

ể

ớ

B ng 1.1 cho thấy sự

VSV

ớng thích nghi, b ng cách thay

n phân h y các h p chấ

ng về số

ũ

m. Từ thống kê ở

ng lo i VSV có kh

ă

m [6, 49].

phân h

g h

B ng 1.1. Một s ch ng VSV có kh
Nhóm

ức t p,

ều tiềm ă

chi phí nghiên cứu, v
ờ

ịa có kh

Burkholderia cepacia

h dr

Các h p chấ h

Tên vi khuẩn
Arthrobacter sp.

h

rb
đ

h
c phân h y

Dibenzothiophene, carbazole,
phenanthrene
Naphthalene, phenanthrene, pyrene
Dibenzofuran, fluorene,

Vi

Janibacter sp.

anthracene, dibenzo-p-dioxin

khu n
hi u
khí

dibenzothiophene, phenanthrene,

Mycobacterium sp.

Pseudomonas sp.

Stenotrophomonas maltophilia

pyrene, benzo[a]pyrene,
benz[a]anthracene
Fluorene, dibenzofuran,
dibenzothiophene
Pyrene, fluoranthene,
benz[a]anthracene, benzo[a]pyrene,

7


dibenz[a,h]anthracene, coronene

Nấm

Xanthamonas sp.

Pyrene, benzo[a]pyrene, carbazole

Aspergillus fumigatus

Phenol, p-cresol, 4-ethylphenol

Clasdosporium sphaeropermum

Toluene
Benzoat, 3-hydroxybenzoat, 4-

Kh nitrate

hydroxybenzoat, phenol, m-,p-cresol,

-Thauera aromatica

toluene, resorcinol, phenylacetate,

- Azoacus evansii

phenylpropionate, maldelate, phthalate,

- Alcaligens xylosoidans

ethylbenzene, propylbenzen, p-cymene

Kh sulfate
-Desulfobacterium (Db.) anilini
- Db. phenolicum
Vi

Benzoat, aniline, phenol, p-,m-cresol,
catechol, indol, phenylacetate, 3aminobenzoat, hydroquinone, vanillate,

- Db. indolicum

toluene, anthranilate

khu n

- Desulfococus multivorans

k khí

Quang h p

Benzoat, caffeate, cinnamate,

-Rhodopseudomonas (R.)

cinnamaldehyde, ferulate,

palustris

hydrocaffeate, hydrocinnamaldehyde,

- Rhodoblastus acidophilus

4-hydroxybenzadehyde, 4-

- Rhodospirilium (Rs) fulvum

hydroxybenzoylformate, 4-

- Rhodocylus purpureus

hydroxycinnamate, 4-phenylbutyrate, 3-

- Rhodobacter (Rb) capsulatus

phenylpropionate, 5-phenylvalerae,
e z

- Rb. sphaeroides

e

e…

- Rhodomicrobium vanniella

1.3
h dr

Giới hiệ
rb

h

g ề

g i h họ

ứ gd

g r

g xử lý ô hiễ

h

Hi n nay, các vi sinh v

c ứng d ng trong x lý ô nhi m m

ch y u vẫn là dựa vào ho t tính phân h y các h p chấ

8

ờng

ộc h i tự nhiên c a


chúng. Tuy nhiên, khi x lý trong những vùng vớ
ộ, áp suất, n

nhi

ộ

m

ă

kh c ph c nhữ

ều ki n kh c nghi t về pH,
ò

, các nhà khoa họ

ặp nhiều h n ch . Để
ặc tính t o màng

id

ờng.

sinh học do chính những ch ng vi sinh v t này t o ra khi x lý ngoài hi
1.3.1 Kh i iệ

ề

g i h họ

Màng sinh học (biofilm) là khái ni m về một t p h p các vi sinh v t trong
bào liên k t với nhau và liên k t với một bề mặt khác thông qua EPS
(H p chất polymer ngo i bào) do chúng tự s n xuất [57]. Cấu trúc màng sinh học
bao g m thành phần t bào liên k t với nhau một cách có tr t tự
ổi thông tin liên t

m b o sự trao

c di n ra giữa các t bào. Một màng sinh học hoàn chỉnh

có thể dày từ 600 – 900µm.
ển hình c a màng sinh học có thể

Mộ
3

n chính là: g n k

ă

c tóm t t

ờng và phát tán. Sự phân tán màng sinh
N-acetyl-

học di n ra nhờ các enzyme phân h y h thống polymer ngo
β-hexosaminidase, deoxyribonuclease.
1.3.2 Cấ

r

g i h họ

m
chi m 50%

c cấu t o ch y u từ các t bào vi sinh và EPS. EPS có thể

n 90% tổ

ng carbon hữ

a màng sinh học và có thể

c

coi là v t li u chính c a màng sinh học. EPS có thể khác nhau về tính chất hóa học
và v

y u bao g m polysaccharide. Một số các polysaccharide
ờng h p cho EPS c a vi khu n Gram âm.

là trung tính hoặ
Sự hi n di n c a các uronic acid (

-glucuronic, D-galacturonic, và các axit

mannuronic) hoặc pryruvate liên k t với gốc ketal t o ra tính chất anion.
EPS ũ

c hydrat hóa cao vì nó có thể k t h p mộ
ớc. Độ hòa tan c a EPS ũ

ể

ất quan trọng c a EPS có thể
họ

Đầu tiên, thành phần và cấu trúc c a pol

9

ớc vào

EPS ều có tính thấm

cấu trúc c a nó b ng các liên k t hydro. Hầu h t các lo
ớc và k

ng lớ

ổi. Sutherland (2001)
ộ

ể trên màng sinh
e

ịnh cấu t o chính


ều và

c a chúng. Thứ hai, EPS giữa các màng sinh họ
có thể khác nhau về mặt không gian và thời gian hình thành [53].
vị cấ

ũ

n c a biofilm là microcolony. Sự gầ

a các

t bào trong màng sinh học (hoặc giữa các microcolonies) cung cấp một môi
ờ

ở

ể t

e

ỡ

ổi gene và Quorum

sensing (giao ti p c a VSV). Cấu trúc màng sinh họ

ng nhất c về

ổi vì các quá trình bên ngoài và bên

không gian và thời gian, khi nó liên t

ểm khác nhau [20]. Theo thờ

trong với những thờ

nhau, cho thấy sự di chuyển c a các t

ị xen k lẫn

bào từ một microcolony này sang

microcolony khác.
M
mặ ă

ộ vi khu n xuất hi

ă

ộ nhám bề

t chặt ch

Đ ều này là do lực liên k t trên một di n tích bề mặ
ất hóa lý c a bề mặ

mặt chất mang cứng
ởng m

n tố

ộ và mứ

ũ

ể gây nh

ộ g n k t. Hầu h t các nhà nghiên cứ

m

hi n ra r ng vi sinh v

ề

ề mặt không k

ớ
ớ

các lo i teflon và các lo i nhựa khác so với các v t li

y tinh

hoặc kim lo i.
Sự k

ớc bề mặt t bào, sự hi n di n c a fimbriae (lông) hay các cấu trúc

d ng s i trên bề mặt vi sinh v t khác, và vi c s
ộ và mứ

ộ g n k t c a các t bào vi sinh v t. Tính k
ộ

rất quan trọ

m

h hầ

n tốc

ớ

ề

ă
âm

ớc trên bề mặt.

vẫn chứa các thành phần bề k
1.3.3 Th

ở

ớc c a bề mặt t bào
ớ

ới bề mặt chất nền. Hầu h t các vi khu

lự

a)

EPS ều

g i h họ

hành phần tế bào
Màng sinh học là một h thống phức t p có thể

c hình thành bởi t p h p

các t bào c a một hoặc nhiều các loài vi sinh v
x khu n, vi khu n. Do tố

ộ

c các VK hi u khí tiêu th

10

ấm, vi t o,
ốc


ộ oxy khu ch tán nên gây ra một gradient n
m

VSV

ộ oxy từ ngoài vào sâu bên

c phân tầng từ VK hi u khí – VK vi hi u khí – VK

k khí
ò

ọng trong quá trình hình thành màng

ầu bở

ịnh tính hình thành màng sinh học

Thành phần t bào
ặc bi

sinh họ

cho từng loài vi sinh v
ũ

m nhi m chứ

ă

t h p các h p chất ngo i bào

ứa các y u tố ph tr t

ỗ tr cho

vi c bám dính c a các t bào lên bề mặt giá thể [23].

Hình 1.1 Sự

â

ố

óm VSV

m

ọ

ạng lưới các hợp chất ngoại bào

b)

EPS không chỉ bao g m polysaccharides mà còn g m một lo t các protein,
glycoprotein, glycolipid và DNA ngo i bào (e-DNA). Trong các màng sinh học
m

ờ

e

Polysaccharide ngo
hầu h

ờng chỉ là một thành phần nhỏ [23].
c tìm thấy trong kh p h thống EPS. Chúng

ều là các phân t dài, m ch thẳng hoặc phân nhánh, khố

từ 0,5 × 106 dalton

n 2 × 106 dalton.

11

ng phân t

ớ EPS ũ

M

ứa mộ

ể protein. Thành phần protein

ể so với thành phần t bào, vớ

c a EPS có sự khác bi

protein t bào không biểu hi n hoặc không phát hi
n kh

ă

c trong EPS. Các protein

ộng, b o v , bao ngoài t

e

chaperone

e
e

e

e-isomerases, những enzyme
e ũ

li t k t thành t bào và chuyể
ớ EPS

Trong một nghiên cứu, m

bào, hay các

c biểu hi n quá mức trong EPS. Các

e

enzyme, chẳng h

80%

c phát hi n [38].

c s n xuất bởi Bacillus subtilis B-1

ịnh là ch y u là -polyglutamate (-PGA), với khối

c tinh ch

ng phân t trên 1.000 kDa. Sự hình thành biofilm và s n xuất -PGA c a B.
subtilis B-1 ă

ă

ộ Mn2+ hoặc glycerol. -PGA

ă

ở

n nuôi cấ

c t o ra theo

ứng, và các màng sinh học nổ

c

ứng minh r ng

hình thành.Khi phân tích proteomic protein màng t

flagellin, oligopeptide permease và tiền chất protease c a Vpr là các protein chính
c t o ra bởi các t bào trong một màng sinh học nổi [41].
Lớp EPS bao g m nhiều thành phần và các thành phần này có thể
với nhau. Ví d
nhờ

e có thể

các protein ngo

e

y rất quan trọ

ể

ă

giữ

ặn sự r a trôi các

enzyme, giữ chúng gần với các t bào s n sinh ra chúng và cho phép t bào phân
m

h y hi u qu các h p chất khó phân h y
m ũ

mộ

ở

ể

ờng [24].
ổi v t li u di truyền và duy trì

một vùng gen lớn và d dàng có thể ti p c n. Vì các t

c duy trì ở gần

nhau nên chúng có thể chuyển gen cho nhau, do v y, chúngcó thể
tin di truyền với nhau [23] Đ

c nhiên là, e- NA

ổi thông

c tổ chức theo các mô

hình riêng bi t trong màng sinh học c a sinh v t này, t o thành các cấu trúc giống
ới, cho thấy vai trò cấu trúc cho e-DNA.
Các DNA ngo

ầ

c cho là v t li

ừa từ các t bào bị ly

gi i, tuy nhiên càng ngày càng có nhiều b ng chứng cho thấy DNA ngo i bào là

12


một phần không thể tách rời màng sinh họ
Rhodovulum, các phân t DNA trọ

T

m

ọ
ờng nhớt nên hỗ tr

ng phân t

ớc [58].

vi c k t dính giữa các t bào và k t dính t bào với các bề mặt k
1.3.4 C

ế

h h ở g đế

h

g

Đặc tính bề mặt giá thể: là y u tố quy
học bởi vì ặc tính này quy

ịnh d

i i h ậ

biofilm

ịnh sự hình thành c a màng sinh

ởng c a vi sinh v t là tự do

(planktonic) hay màng sinh học (biofilm) Đặc tính bề mặt giá thể

c nghiên

cứu chi ti t ở Pseudomonas aeruginosa và

cs d

hình cho sự hình thành biofilm [43]. Ở

n này, các protein bề mặ

ộ bám dính giữa t bào và bề mặt. V

SadB hoặc LapA và EPS hỗ tr
ỗ tr chuyể
ộ
ò

một sinh v t mô

ộ

e

Để

m

e gầ

ần ho t

ộng nh m m

m

,

ỏi chất v n chuyển ABC và 1 lo i protein bí n. Ngoài ra, một thông tin thứ

cấp (second messenger) nội bào và bis-(3′-5′)-cyclic dimeric guanosine
monophosphate (c-di-GMP)

n nhau. c-di-GMP

ều chỉnh s n xuấ EPS

nhiều vi khu

ộ

Các nhân tố môi

Hình 1.2

ốm

e

c s n xuất bởi
ớ

ối l p.

ờng

ờ

ầng biofilm

Từ hình 1.2 có thể thấy sự hình thành biofilm và các y u tố m
c lựa chọn
m

ở

ờng kiểm soát n

n từ

ờng

n hình thành biofilm [55]. Các tín hi u

ộ c a các thông tin thứ cấ

Những tín hi u này kiểm soát các y u tố

AMP

-di-GMP.

n màng sinh họ

phần ph c a t bào, protein bề mặ EPS

13

ộng c a t bào. Quorum


sensing (QS) ũ

m

ịnh hình biofilm b ng cách kiểm soát các

n màng sinh học ở trên.

y u tố

Nhiệt độ và pH:
ă

ều ki n nhi

ộ và pH

ởng và phát triển c a VSV. Sự

ởng trực ti p tới kh

ổi pH bên trong và bên ngoài t

e

bào thông qua quá trình tổng h

n nhiều quá trình t bào
ă

khác nhau trực ti p là s n xuất các polymer ngo i bào và kh
học [26] T

ộl i n

ở

n kh

o màng sinh

ă

ộng c a các

enzyme trong màng sinh học.

ỡng thì ngu n

Nguồn Carbon trong tự nhiên: trong các ngu

ởng và phát triển

carbon (C) là ngu n v t chất quan trọ

c a vi sinh v t. Trong t bào, ngu n C tr i qua một lo t quá trình bi n hóa hóa học
phức t p s bi n thành v t chất c a b n thân t bào và các s n ph m

ổi

chất.Vi sinh v t s d ng một cách chọn lọc các ngu n C. Ngu n C ch y

c

vi sinh v t s d ng g m

ờng, acid hữ

u, lipid, hydrocarbon, CO2,

CO32-… v.v [26].
Nồng độ muối NaCl:

ộng trực ti p lên sự hình thành màng sinh học

ứng với một số gene
ộng gián ti p qua

sinh họ
vsv Đ
2%

ịnh cho sự hình thành, phát triển màng

ố vi khu
ũ

ở

ởng và phát triển c a

ởng tốt trong m

ờng có n

một số lo i vi khu

ộ muối thấ

ởng tố

m

ờng có chứa

ộ muối trên 30% [7].

n

Đặc tính tế bào: ũ
màng sinh học, mặ
ă

kh

ù

â
m

m
ớc tố

cho vi

m

ởng tới kh

ờng tự nhiên không ph
ọc. Nhữ

ă
ờ

ố quan trọng
ặc tính t

VSV

ă

o

ũ
n cấu t o

ộng s giúp cho vi c di chuyển trong môi

u qu t o màng sinh họ

ũ

ng thời hỗ tr

ầu c a t bào với bề mặt [15]. Có một số loài không cần
ă

n các phần ph tr t bào mà vẫn có kh

14

m

ọc m nh

ă

dựa trên kh

ự tổng h p sẵn các chất ngo

e

glycoprotein t o thành các cấu trúc màng giáp (capsule), màng nhày (slime) bao
quanh t bào.
1.3.5 Ứ g d

g

g i h họ

r

g xử lý h dr

rb

h
ới VSV

Sự hình thành màng sinh học giúp VSV có nhiều thu n l

ổi sâu s c trong quá trình chuyể

d ng tự do khi chúng tr i qua nhữ

ội - planktonic) sang các t bào là một

c a chúng từ sinh v t phù du (tự
phần c a cộ

ng phức t p, g n k t bề mặ

và phân t gầ

â

ầu, sự

t

p c n di truyền

ể nghiên cứu các màng sinh học vi khu n và

cs d

ịnh các gene và các m

nấm

ổi

ều ti t quan trọ

ề mặt

ởng thành c a màng sinh học và sự trở l i ch

ộ

ởng
ổi

tự do c a vi sinh v t [42]. Các nghiên cứu cho thấy r ng quá trình chuyể
màng sinh học là một quá trình phức t

c kiểm soát cao.

Các vi sinh v t trong màng sinh học s d ng các hydrocarbon làm ngu n
ỡ

ă

ởng và phát triển. Chính vì v y màng

ng cho sự

c ứng d ng rộng rãi trong x lý ngu n ô nhi m ặc bi t là x lý

sinh họ

m Ở Vi

N m ũ

ững công trình nghiên cứu và áp
m Năm 2014

d ng thực ti n trong quá trình x lý các họ
Thị Ngọ M

â
ă

t i bể chứ
ă

â

với n

ĐGP2 ĐGP4

c 3 ch

ĐGP8 ừ mẫ

ầ Đức Giang, Gia Lâm, Hà Nội. K t qu cho thấy kh

y phenol sau 7 ngày nuôi cấy c a màng sinh họ
ộ

ầu là 150 mg/l [1]

ti p t c phân l
7

ù

ăm

ng là 99,3%

T ị Nhi Công và cộng sự

c ch ng Paracoccus sp. DG25 có kh
ĩ

ớc th i

ă

â

y pyrene

ởi màng sinh học c a ch ng DG25 lên tới 76,07 % với n ng

ộ

ầu là 300 ppm [39]. Ngoài ra nhóm c a Lê Thị Nhi Công ũ

ị

c kh

ă

â

y và chuyển hóa các chấ

naphthalene, anthracene và pyrene
hi u suấ

90% ở

ă

t là sự phân h

ều ki n khác nhau [2, 6, 9].

15

m
e

ò
tở