Nghiên cứu khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ của một số chủng vi khuẩn tía quang hợp tạo màng sinh học phân lập tại việt nam

- Đánh giá hiệu suất phân hủy các hợp chất hydrocarbon dầu mỏ bởimàng sinh học đơn chủng và đa chủng VKTQH trên các loại giá thể, từ đó đưara giải pháp xử lý ô nhiễm dầu ở điều kiện mô h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY HYDROCARBON

DẦU MỎ CỦA MỘT SỐ CHỦNG VI KHUẨN TÍA QUANG HỢP TẠO

MÀNG SINH HỌC PHÂN LẬP TẠI VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

HÀ NỘI – 2022

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

…… … ***…………

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY HYDROCARBON DẦU MỎ CỦA MỘT SỐ CHỦNG VI KHUẨN TÍA QUANG HỢP TẠO

MÀNG SINH HỌC PHÂN LẬP TẠI VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC Chuyên ngành: Vi sinh vật học

Mã số: 9 42 01 07

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Lê Thị Nhi Công

2 PGS TS Đồng Văn Quyền

Hà Nội – 2022

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án này, trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS

Lê Thị Nhi Công - Trưởng phòng Công nghệ sinh học môi trường và PGS TS Đồng Văn Quyền, Phó Viện trưởng Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoahọc và Công nghệ Việt Nam đã trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức vànhững kinh nghiệm qúy báu trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài nghiêncứu

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Đỗ Thị Liên và toàn thể các anh, chị cán bộnhân viên phòng CNSH môi trường Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ ViệtNam đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và đóng góp những lời khuyên bổ íchtrong suốt quá trình học tập nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo Viện Công nghệsinh học, Ban lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện chotôi được học tập và nghiên cứu trong suốt những năm qua

Bên cạnh đó, tôi cũng xin chân thành cảm ơn chuyên viên Bùi Thị Hải Hàphụ trách đào tạo của Viện Công nghệ sinh học và chuyên viên Nguyễn Thị MinhTâm phòng Đào tạo, Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ tôi hoàn thànhnhững thủ tục cần thiết trong suốt quá trình nghiên cứu sinh và bảo vệ luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quỹ Nghiên cứu cơ bản cấp Nhà nước (Nafosted)

đã cấp kinh phí cho nhóm nghiên cứu

Trong thời gian qua, tôi đã nhận được sự hỗ trợ nhiệt tình và tạo mọi điềukiện thuận lợi từ trường ĐH Sư phạm Hà Nội 2 nơi tôi đang công tác, cùng với sựgiúp đỡ nhiệt tình cũng như những đóng góp quý báu của các bạn bè đồng nghiệp Nhân dịp này tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến những người thân trong giađình, những người bạn thân thiết đã luôn bên cạnh động viên và khích lệ tôi trongsuốt quá trình học tập và nghiên cứu

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận án

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Đây là công trình nghiên cứu của tôi và một số kết quả cùng cộng tác với cáccộng sự khác;

Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, một phần đãđược công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý và cho phépcủa các đồng tác giả;

Phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ đã được cảm ơn, các tài liệu trích dẫn đãđược chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

Tác giả luận án

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1 3

1 1 Một số đặc điểm sinh học cơ bản của vi khuẩn tía quang hợp 3

1 1 1 Giớ i thi ệ u chung v ề vi khuẩn tía quang hợp

1 2 2 Sinh thái học của vi khuẩn tía quang hợp

1 2 3 Đa dạng vi khuẩn tía quang hợp

1 2 4 Đặc điểm của bộ máy quang hợp

1 2 5 Dinh dưỡng carbon

3 3 4 9 12 1 2 Ứng dụng của vi khuẩn tía quang hợp để phân hủy hydrocarbon dầu mỏ

1 2 1 Tính độc của hydrocarbon dầu mỏ

1 2 2 Các phương pháp xử lý ô nhiễm dầu mỏ

1 2 3 Ứng dụng của vi khuẩn tía quang hợp để phân hủy hydrocarbon dầu mỏ

13 13 18 22 1 3 Vi sinh vật có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ và tạo màng sinh học

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

24 30 2 1 Vật liệu nghiên cứu 30

2 1 1 Nguyên liệu

2 1 2 Hóa chất, môi trường nuôi cấy

2 1 3 Các thiết bị máy móc

30 31 32 2 2 Phương pháp nghiên cứu 33

2 2 1 Các phương pháp phân tích vi sinh vật

2 2 2 Các phương pháp sinh học phân tử

2 2 3 Nhóm phương pháp phân tích hóa học

2 2 4 Xử lý thống kê

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

34 42 43 43

44

3 1 Kết quả phân lập và tuyển chọn các chủng VKTQH khả năng

tạo màng sinh học và phân hủy hydrocarbon dầu mỏ

3 1 1 Kết quả phân lập các chủng VKTQH từ các mẫu nước và bùn ô nhiễm dầu

3 1 2 Tuyển chọn các chủng VKTQH khả năng tạo màng sinh học và phân hủy hydrocarbon dầu mỏ

44 44 48 3 2 Các đặc điểm sinh học và định danh ba chủng DQ41, DD4 và FO2 56

3 2 1 3 2 2 Các đặc điểm hình thái

Trình tự 16S rRNA và định danh ba chủng DQ41, DD4 và FO2 56 58 3 2 3 Các đặc điểm sinh học 59

3 3 Ảnh hưởng của một số điều kiện môi trường đến sự hình thành màng sinh học của 3 chủng VKTQH

3 3 1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

3 3 2 Ảnh hưởng của pH

3 3 3 Ảnh hưởng của nồng độ muối (NaCl)

63 63 64 65 3 4 Hiệu suất phân hủy một số hydrocarbon dầu mỏ của màng sinh học từ 3 chủng VKTQH

3 4 1 Hiệu suất phân hủy một số hydrocarbon thơm bởi màng sinh học đơn chủng không gắn giá thể của các chủng VKTQH được lựa chọn

3 4 2 Phân hủy hydrocarbon dầu mỏ bởi màng sinh học từ các VKTQH lựa chọn

66 66 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Bchl BacteriochlorophylBLAST Basic local alignment search

tool

Công cụ tìm kiếm các trình tựtương đồng

BOD Biochemical oxygen demand Nhu cầu oxy sinh hóa

CFU Colony Forming Unit Đơn vị hình thành khuẩn lạcCOD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxy hoá học

DAD Diode array detector Detectơ dãy diodeDNA Deoxyribonucleic acid Axit đeoxyribônuclêicDSMZ Deutch samplung

PAH Polycyclic aromatic

hydrocarbon

Hydrocacbon thơm đa vòng

PCR Polymerase chain reaction Chuỗi phản ứng trùng hợp

rARN Ribosomal ribonucleic acid Axit ribônuclêic ribôxôm

Bảng 1 3

Bảng 1 4

Các chi vi khuẩn có khả năng phân huỷ hiếu khí hydrocarbon 24thơm Các chi vi khuẩn có khả năng phân huỷ hiếu khí hydrocarbon 24

So sánh mức độ sử dụng một số nguồn C của ba chủng DQ41,

DD4 và FO2 với đại diện của loài Rhodopseudomonas

Khả năng phân hủy một số hydrocarbon thơm của màng sinhhọc do 3 chủng VKTQH tạo thành sau 14 ngày nuôi cấy

Sự phân hủy thành phần (%) của 20 (g) dầu thô sau 14 ngàynuôi cấy

Sự phân hủy hydrocacbon no (%) của dầu thô sau 14 ngàynuôi cấy bởi MSH đơn chủng và đa chủng VKTQH không giáthể

2531

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 1

Hình 1 2

Hình 1 3

Hình 2 1

Hình 2 2

Hình 2 3

Hình 2 4

Hình 2 5

Hình 3 1

Hình 3 2

Hình 3 3

Hình 3 4

Hình ảnh chụp dưới kính hiển vi huỳnh quang của VKTQH 5

Sơ đồ vị trí các thành phần của bộ máy quang hợp sơ cấp ở VKTQH 10

Quang hợp ở vi khuẩn tía không lưu huỳnh 11

Hình ảnh các loại giá thể 31

Sơ đồ các bước thí nghiệm thực hiện trong luận án 33

Sơ đồ xử lý sơ bộ các loại giá thể 39

Chi tiết mô hình xử lý hydrocarbon dầu mỏ 40

Các giai đoạn trong mô hình xử lý hydrocarbon dầu mỏ 41

Mẫu bùn ô nhiễm dầu trước và sau làm giàu 44

Một số khuẩn lạc VKTQH được phân lập từ mẫu làm giàu 45

Khả năng tạo MSH dựa trên khả năng bắt giữ tím tinh thể của MSH do các chủng VKTQH tạo thành 50

Khả năng tạo màng sinh học của các chủng VKTQH phân hủy hydrocarbon dầu mỏ và Acinetobacter calcoaceticus P23 50 Hình 3 5 Hình 3 6 Hình 3 7 Hình 3 8 Hình 3 9 Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH sau 7 ngày nuôi cấy ở các nồng độ dầu diesel khác nhau 51

Dịch nuôi cấy của 10 chủng VKTQH ở 10% dầu diesel sau 7 ngày nuôi cấy 51

Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH ở các nồng độ toluene khác nhau sau 7 ngày nuôi cấy 52

Dịch nuôi cấy của 10 chủng VKTQH ở 250 ppm toluene sau 7 ngày nuôi cấy 52

Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH sau 7 ngày nuôi cấy ở các nồng độ phenol khác nhau 53

Hình 3 10 Dịch nuôi cấy của 10 chủng VKTQH ở 150 ppm phenol sau 7 ngày 53

Hình 3 11 Khả năng sinh trưởng của 10 chủng VKTQH ở các nồng độ naphthalene khác nhau sau 7 ngày nuôi cấy 54

Hình 3 12 Dịch nuôi cấy của 10 chủng VKTQH ở nồng độ 200 ppm

naphthalene sau 7 ngày nuôi cấy 54

Hình 3 13 Khả năng sinh trưởng của các chủng VKTQH ở các nồng độ

pyrene khác nhau sau 7 ngày nuôi cấy 55

Hình 3 14 Dịch nuôi cấy của 10 chủng VKTQH ở nồng độ 200 ppm

pyrene sau 7 ngày nuôi cấy 55

Hình 3 15 Hình dạng khuẩn lạc và hình dạng tế bào dưới kính hiển vi

điện tử của chủng DD4, DQ41, FO2 57

Hình 3 16 Cây phát sinh chủng loại của 3 chủng DD4, DQ41, FO2 58 Hình 3 17 Phổ hấp phụ dịch huyền phù tế bào của 3 chủng DD4 (A),

DQ41 (B), FO2 (C) 60

Hình 3 18 Khả năng tạo sắc tố quang hợp của VKTQH ở hai điều kiện

(A) kỵ khí, sáng và (B) hiếu khí, tối 61

Hình 3 19 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hình thành màng sinh

Hình 3 23 Mật độ tế bào của chủng DD4, DQ41 và FO2 trong màng

sinh học VKTQH sau 9 ngày nuôi cấy 71

Hình 3 24 Hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của các giá thể trước và

sau khi VKTQH bám dính 72

Hình 3 25 Thời gian phân hủy dầu diesel và mật độ tế bào của chủng

VKTQH trong màng sinh học đơn hoặc đa chủng không giáthể 74

Hình 3 26 Khả năng phân hủy dầu diesel và mật độ tế bào của chủng

VKTQH DD4, DQ41 và FO2 trong MSH đa chủng trên giáthể 75

Hình 3 27 Hiệu suất phân hủy thành phần n-alkane (từ C8 đến C16) có

trong dầu diesel bởi màng sinh học đa chủng VKTQH trên

các giá thể khác nhau 76

Hình 3 28 Hiệu suất phân hủy PAH bởi các loại màng sinh học khác

nhau 81

Hình 3 29 Sắc ký đồ phân tích thành phần dầu thô còn lại sau 14 ngày

trong thí nghiệm phân huỷ dầu bằng MSH đơn chủngVKTQH 86

Hình 3 30 Sắc ký đồ phân tích thành phần dầu thô còn lại sau 14 ngày

trong thí nghiệm phân huỷ dầu bằng MSH đa chủng VKTQHkhông gắn trên giá thể 87

Hình 3 31 Sắc ký đồ phân tích thành phần dầu thô còn lại sau 14 ngày

trong thí nghiệm phân huỷ dầu bằng MSH đa chủng VKTQHtrên giá thể (sỏi nhẹ, xơ dừa, mút xốp) 88

Hình 3 32 Sắc ký đồ phân tích thành phần dầu thô còn lại sau 14 ngày

trong thí nghiệm khả năng hấp phụ dầu thô của giá thể (sỏinhẹ, xơ dừa, mút xốp) 89

Hình 3 33 Hiệu suất phân huỷ hydrocarbon no (%) của dầu thô sau 14

ngày nuôi cấy bởi màng sinh học đơn chủng và đa chủngVKTQH không giá thể 91

Hình 3 34 Hiệu suất phân huỷ hydrocarbon no (%) của dầu thô sau 14

ngày nuôi cấy bởi màng sinh học đa chủng VKTQH trên giáthể 92

MỞ ĐẦU

D ầ u mỏ đã được s ử dụ ng t ừ thời c ổ đạ i và ngày càng tr ở nên quan tr ọ ngtrong xã h ộ i, đặ c bi ệ t là kinh t ế , chính tr ị và công ngh ệ Bên c ạ nh nh ữ ng l ợi íchkinh t ế , d ầ u mỏ và các s ả n ph ẩ m c ủa d ầ u cũng là một trong nh ữ ng nguồn ônhiễm môi trường nghiêm tr ọng, được th ả i ra t ừ quá trình khai thác, s ử dụng vàchế biế n d ầ u D ầ u m ỏ có ch ứ a nhi ề u h ợp ch ấ t độc h ạ i khó phân h ủ y trong t ựnhiên , gây độ c và có th ể gây nh ữ ng h ệ lụ y nghiêm tr ọng cho môi trường sinhthái Đặ c bi ệ t, các h ợp ch ất thơm như: benzene, toluene, naphthalene, pyrene,

phenol có độ hòa tan trong nước khá cao, độc hại đối với nhiều loài sinh vật

X ử l ý ô nhi ễ m d ầ u mỏ có thể được tiến hành theo phương pháp cơ học(vậ t l ý), h ó a h ọc v à sinh h ọc Trong đó, c ác phương pháp vật lý và hóa học

thường được sử dụng để xử lý ô nhiễ m hydrocarbon dầu mỏ ở nồng độ cao, có

chi phí lớn Biện pháp sinh học sử dụng các vi sinh vật (VSV) phân hủy

hydrocarbon dầu mỏ là biện pháp hiệu quả trong xử lý ô nhiễm hydrocarbon

dầu mỏ ở nồng độ thấp, nằm ngoài khả năng của xử lý cơ học/hoá học Ứng

dụng VSV có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ đồng thời tạo màng sinh

học sẽ tăng hiệu quả xử lý sinh học

Vi khuẩn tía quang hợp (VKTQH) là các vi khuẩn quang hợp kỵ khí,

được công bố là có khả năng trao đổi chất linh hoạt, sử dụng nhiều loại cơ chất,

trong đó có hydrocarbon Một số VKTQH có khả năng tạo màng sinh học có

thể đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy và chuyển hóa các hợp chất

hydrocarbon trong dầu mỏ VKTQH phân bố rộng rãi trong tự nhiên, do vậy có

tiềm năng ứng dụng cao trong xử lý ô nhiễm hydrocarbon d ầ u m ỏ tạ i ch ỗ (in

situ) và bên ngoài (ex situ)

Luận án “Nghiên cứu khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ của

một số chủng vi khuẩn tía quang hợp tạo màng sinh học phân lập tại Việt

Nam” được thực hiện với mục tiêu và nội dung nghiên cứu như sau:

Mục tiêu nghiên cứu của luận án

- Tuyển chọn được một số chủng VKTQH từ các vùng biển ô nhiễm dầu

ở Việt Nam, vừa có khả năng tạo tạo màng sinh học vừa có khả năng phân hủy

hydrocarbon dầu mỏ hiệu suất cao

- Đánh giá hiệu suất phân hủy các hợp chất hydrocarbon dầu mỏ bởimàng sinh học đơn chủng và đa chủng VKTQH trên các loại giá thể, từ đó đưa

ra giải pháp xử lý ô nhiễm dầu ở điều kiện mô hình

Nội dung nghiên cứu

1 Tuyển chọn một số chủng VKTQH có khả năng tạo màng sinh học và phânhuỷ hydrocarbon dầu mỏ tốt; nghiên cứu đặc điểm sinh học và định danh cácchủng được lựa chọn

2 Nghiên cứu một số các điều kiện lý hóa như pH, nhiệt độ, nồng độ muối ảnhhưởng tới khả năng tạo màng sinh học của các chủng được lựa chọn

3 Đánh giá hiệu suất phân hủy một số thành phần hydrocarbon dầu mỏ bởimàng sinh học đơn chủng/ đa chủng gắn trên giá thể (xơ dừa, mút xốp, sỏinhẹ) hoặc không gắn giá thể

Những đóng góp mới của luận án

1) Đã tuyển chọn được 03 chủng VKTQH ở Việt Nam vừa tạo màng sinh họctốt vừa phân hủy thành phần hydrocarbon dầu mỏ hiệu suất cao

2) Luận án là công trình đầu tiên đánh giá hiệu suất phân hủy dầu thô, dầudiesel bởi màng sinh học đơn chủng và đa chủng VKTQH trên giá thể (sỏinhẹ, xơ dừa, mút xốp)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1 1 Một số đặc điểm sinh học cơ bản của vi khuẩn tía quang hợp

1 1 1 Giới thiệu chung về vi khuẩn tía quang hợp

VKTQH thuộc nhóm vi khuẩn (VK) thủy sinh có khả năng sinh trưởng trongđiều kiện kỵ khí bằng cách quang hợp nhưng không thải oxy vì chúng không nhậnđiện tử từ quá trình quang phân ly nước mà từ một số chất như: hydro, các acid hữu

cơ đơn giản, lưu huỳnh, hydro sulfide, đường đơn giản và rượu VKTQH thường có

màu hồng đến đỏ tía, sắc tố quang hợp đều chứa bacteriochlorophyll (Bchl) và

carotenoid Nhóm VK này có các kiểu trao đổi chất linh hoạt tùy thuộc vào điềukiện môi trường sống nên chúng phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên [1, 2, 3, 4]

Theo khoá phân loại của Bergey, VKTQH được chia thành 2 nhóm:

- VKTQH lưu huỳnh (PSB): có khả năng tích luỹ giọt lưu huỳnh bên trong tế bào

- VKTQH không lưu huỳnh (PNSB): không có khả năng tích luỹ giọt lưu huỳnh bêntrong tế bào [2]

1 1 2 Sinh thái học vi khuẩn tía quang hợp

Khối lượng lớn (hiện tượng “nở hoa”) của PSB thường được phát hiện trongcác hệ sinh thái thủy sinh có sulfide Đa số các loài trong nhóm này có thể sinhtrưởng trên môi trường chứa sulfide và có thể oxy hoá sulfide ở các mức độ khácnhau thành các dạng lưu huỳnh không độc hại như: S0, S4O62- hoặc SO42- [5]

Trong đáy ao nuôi trồng thủy sản ven biển thường có hàm lượng sulfate đáng

kể, nhóm vi khuẩn khử sulfate hoạt động tích cực tạo thành sulfide ở tầng đáy,sulfide khuếch tán từ tầng đáy lên trên theo cột nước bởi sự chênh lệch gradientnồng độ Sulfide kích hoạt sự phát triển của PSB ở vùng có ánh sáng xuyên qua vàhàm lượng sulfide tối ưu Ở các độ sâu khác nhau có thể thu nhận được các loàikhác nhau Nếu sinh khối của VKTQH phát triển mạnh mẽ, sẽ xuất hiện sự “nởhoa” của ao, hồ làm cho ao, hồ có màu đỏ tía hoặc đỏ nâu Khi sự “nở hoa” trong

ao, hồ xảy ra, người ta có thể phân biệt được hình thái tế bào đặc trưng của các chiVKTQH dưới kính hiển vi Trong các ao, hồ có sự “nở hoa” có thể bắt gặp hỗn hợpcác loài hoặc có thể chỉ xuất hiện 1 loài VKTQH [6]

Hiện tượng “nở hoa” của PNSB thường xảy ra ở các môi trường mà nồng độsulfide thấp (hoặc không có) Chúng thường được tìm thấy trong các các ao hồ tù

đọng, các nguồn nước thải, trong các hệ thống xử lý nước thải… Các hồ xử lý nước

thải được xem là nơi có các điều kiện phù hợp cho PNSB sinh trưởng Các PNSB

đã được tìm thấy ở trong các hệ thống xử lý nước thải như: Rodobacter (Rba )

capsulatus, (Rba ) sphaeroides, Rhodopseudomonas (Rps ) faecalis, Rhodopseudomonas (Rps ) palustris, Rhodospirillum (Rsp ) photometricum,

Blastochloris viridis, Rubrivivax gelatinosus, Rhodocyclustenuis, Rubrivivax

gelatinosus… [5, 7, 8, 9]

Tác giả Okubo và cộng sự (2006) đã phát hiện ra nhóm PNSB trong kênh

chứa nước thải chăn nuôi tạo nên một tấm thảm có màu đỏ, trong đó xuất hiện các

loài như Rba sphaeroides, Rba capsulatus và các loài trong chi

Rhodopseudomonas, đặc biệt là Rps palustris [9]

Ngoài ra có thể gặp đại diện của VKTQH trong một số thủy vực có điều kiệnkhắc nghiệt như: suối nước nóng, suối lưu huỳnh thủy vực kiềm hóa, thủy vực có

tính acid, ở vùng biển có độ mặn cao và thậm chí cả ở hồ có băng bao phủ Quá

trình quang hợp của VKTQH có thể diễn ra ở nhiêt độ cao nhất có thể lên tới 57oC

và thấp nhất ở 0oC; dải pH có thể thấp đến 3 và cao đến 11; ở độ mặn có thể lên tới

giá trị bão hòa của NaCl (~32%) … [5]

1 1 3 Đa dạng của vi khuẩn tía quang hợp

1 1 3 1 Đa dạng về hình thái

VKTQH là các tế bào Gram âm, đơn bào và có các dạng hình cầu, phẩy,

xoắn, gậy, cũng có thể gặp chúng ở trạng thái chuỗi trong những điều kiện môi

trường đặc biệt Kích thước của tế bào thường từ 0,3 - 0,6 µm Đa số các loài đều

sinh sản bằng cách nhân đôi, một số loài có tế bào dinh dưỡng dạng phân cực

thường sinh sản bằng cách nảy chồi (là đặc trưng của chi Rhodopseudomonas và

Rhodomicrobium) Khi sinh trưởng trong điều kiện quang hợp, dịch huyền phù tế

bào thường có màu tím tía, đỏ, nâu vàng, nâu hoặc xanh [2] Sự đa dạng về hình

thái tế bào của VKTQH là đặc điểm quan trọng được sử dụng để phân loại chúng

1 1 3 2 Đa dạng về di truyền

VKTQH được chia làm 3 họ, bao gồm (i) họ Chromatiaceae: gồm tất cả các

vi khuẩn lưu huỳnh màu tía có khả năng hình thành hạt lưu huỳnh bên trong tế bào,

(ii) họ Ectothiorhodospiraceae: gồm tất cả các vi khuẩn lưu huỳnh màu tía có khả

năng hình thành hạt lưu huỳnh bên ngoài tế bào, (iii) họ Rhodospirilaceae: gồm tất

cả các vi khuẩn quang hợp không tích lũy hạt lưu huỳnh [2]

Hình 1 1 Hình ảnh chụp dưới kính hiển vi huỳnh quang của VKTQH

(a) Tế bào của VKTQH Thermochromatium tepidum được phân lập từ suối nước

nóng New Mexico Các hạt lưu huỳnh nội bào khúc xạ ánh sáng (mũi tên); (b) Tế

bào của PNSB Rhodobaca bogoriensis được phân lập từ Hồ Bogoria (Kenya) [5]

Phân tích phát sinh loài dựa trên so sánh trình tự gene 16S rRNA, VKTQH được

xếp vào 3 phân lớp (i) Alphaproteobacteria: gồm VKTQH không lưu huỳnh (ii)

Betaproteobacteria: cũng gồm VKTQH không lưu huỳnh và (iii)

Gammaproteobacteria: gồm VKTQH lưu huỳnh (Bảng 1 1 và 1 2) [5]

Hiện nay, 20 chi PNSB đã được công bố (Bảng 1 1) Loài Rhodobacter và

Rhodopseudomonas là những loài tiên phong cho các nghiên cứu trong phòng thí

nghiệm về quang hợp kỵ khí Ngoài ra, một số loài khác có một hoặc nhiều đặc

điểm trao đổi chất đặc biệt cũng được biết đến Ví dụ, các loài sống trong môi

trường cực trị nóng, lạnh, mặn, kiềm và môi trường axit đã được phân lập (Hình

1 1b) Như trong Bảng 1 1, tất cả PNSB là proteobacteria và cây phát sinh chủng

loại cho thấy nhiều loài có quan hệ chặt chẽ với các loài không quang dưỡng [10]

Khi nghiên cứu về đặc điểm sắc tố và phức hệ quang hợp giữa các loài PNSB khácnhau mà lại có sự giống nhau cho thấy khả năng quang dưỡng ở PNSB là do chuyểngene ngang Nghiên cứu của Nagashimi và cộng sự, 1997 về phức hệ quang hợpprotein đơn đã chứng minh điều này [11]

Hơn 25 chi VKTQH đa dạng về hình thái đã được công bố (Bảng 1 1)

VKTQH bao gồm cả các loài có khả năng hình thành hạt lưu huỳnh bên trong tế bào

(họ Chromatiaceae) và các loài có khả năng hình thành hạt lưu huỳnh bên ngoài tế bào (họ Ectothiorhodospiraceae)

Bảng 1 1 Các chi vi khuẩn tía quang hợp [5]

tên chi 1

Alphaproteobacteria

Betaproteobacteria

Rhodobaca 3 Rhodobacter Rhodovulum Rhodopseudomonas 3 Rhodoblastus 3 Blastochloris Rhodomicrobium Rhodobium Rhodoplanes Rhodocista 3 Rhodospirillum Phaeospirillum Rhodopila 3 Rhodospira Rhodovibrio 3 Rhodothallasium Roseospira Roseospirillum Rhodocyclus Rhodoferax 3 Rubrivivax

Rca Rba Rdv Rps Rbl Blc Rmi Rbi Rpl Rcs Rsp Phs Rpi Rsa Rhv Rts Ros Rss Rcy Rfx Rvi

Hình cầu hoặc que ngắnHình que

Hình cầu hoặc queHình que có nảy chồiHình que có nảy chồiHình que có nảy chồiHình que có nảy chồiHình que

Hình queDạng sợiDạng sợiDạng sợiHình cầuDạng sợiHình dấu phẩyDạng sợiDạng sợiDạng sợiHình dấu phẩy trònHình que, dấu phẩyHình que, phẩy tròn

Phân loại Chi Viết tắt Hình thái

Thiocapsa Thiococcus Thiocystis Thiodictyon Thiofl avicoccus Thiohalocapsac 3 Thiolamprovum Thiopedia Thiorhodococcus Thiorhodovibrio Thiospirillum Ectothiorhodospira 3 Halorhodospira 3 Thiorhodospira 3 Ectothiorhodosinus

Alc Amb Chr Hch Isc Lpb Lpc Mch Rbc Tch Tac Tba Tca Tco Tcs Tdc Tfc Thc Tlp Tpd Trc Trv Tsp Ect Hlr Trs Ets

Hình queHình cầuHình queHình queHình queHình queCụm hình cầuHình queHình queHình queHình cầuHình queHình cầuHình cầuHình cầu đến que ngắnTập hợp hình queHình cầu

Hình cầuHình cầuHình cầu, dạng đĩaHình cầu

Hình dấu phẩy dạng sợiDạng sợi

Hình dấu phẩy dạng sợiHình dấu phẩy dạng sợiHình dấu phẩy dạng sợiHình que

Ghi chú: 1 - Viết tắt theo Imhoff và Madigan (2004) [12]; 2 - Các loài thuộc họ Chromatiaceae tích luỹ lưu huỳnh từ quá trình oxy hóa sulfide nội bào (Hình 1 1a); các loài thuộc họ Ectothiorhodospiraceae không tích luỹ lưu huỳnh; 3 - Chứa một hoặc nhiều loài phát triển ở nhiệt độ, độ pH, hoặc độ mặn lớn hơn độ mặn của biển

Ngày nay, với sự đa dạng của nhóm VKTQH bên cạnh việc phân tích thông

tin di truyền gen 16S rDNA, người ta còn phát hiện ra gen pufM có tính bảo thủ cao

để phân loại và đánh giá nhanh sự có mặt của nhóm VKTQH

Gen pufM thuộc operon puf (photosynthetic unit forming) được tìm thấy trong nhóm vi khuẩn quang hợp không thải oxy thuộc phân lớp Alpha-, Beta- và Gammaproteobacteria và họ Cloroflexaceae Hiện nay, người ta phát hiện ra 5 loại operon puf khác nhau Trong tất cả VKTQH đều chứa pufBALM mã hóa cho tiểu

phần L và M của protein trong tâm phản ứng quang hợp Ở VKTQH tâm phản ứnggồm ba tiểu phần, L (light), M (medium) và H (heavy) Chúng có chức năng gắn

với bacteriochlorophyll và carotenoid cũng như quinone và được tách ra nguyên vẹn như là một phức hợp sắc tố - protein riêng biệt Gen pufL và pufM có mặt trong tất cả các loại operon puf, chúng có vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng quang dưỡng Hiện nay, hai gen pufL và pufM đang được quan tâm khi nghiên cứu nhóm VKTQH ở cấp độ phân tử Đặc biệt, gen pufM mã hóa cho tiểu phần M của

protein liên kết với sắc tố trong tâm phản ứng quang hợp được nhiều nhóm tác giả

sử dụng khi nghiên cứu VKTQH Gen pufM có tính bảo thủ cao, sản phẩm PCR gen pufM có kích thước khoảng 200 bp, dễ dàng phân tích trình tự và so sánh Ngoài việc dùng gen pufM để phân loại nhóm vi khuẩn này người ta còn sử dụng như một

công cụ cho việc phát hiện khả năng sinh sống trong cả điều kiện môi trường thuậnlợi và khắc nghiệt [13]

1 1 3 3 Đa dạng về các phương thức trao đổi chất

Hai nhóm PSB và PNSB được minh chứng có sự khác nhau dựa trên cơ sởtrao đổi chất và phát sinh loài, nhưng các loài thuộc hai nhóm này thường cùng tồntại trong môi trường kỵ khí được chiếu sáng trong tự nhiên PSB có khả năng quang

tự dưỡng rất cao và có khả năng quang hóa ở mức hạn chế, nhưng chúng lại ít cókhả năng trao đổi chất và tăng trưởng trong bóng tối Ngược lại, PNSB tồn tại trongdải ánh sáng rộng, vừa có khả năng quang tự dưỡng và vừa có khả năng đa dạngcho sự trao đổi chất và tăng trưởng tối [5] Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi chủyếu đề cập tới nhóm PNSB

Nhóm PNSB phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên Một vài loài PNSB có thểsinh trưởng kỵ khí trong tối bằng phương thức lên men hoặc hô hấp kỵ khí và hầuhết chúng có thể sinh trưởng hô hấp hiếu khí trong tối Trong các điều kiện này,

chất cho điện tử có thể là hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ như H2 Tuy nhiên, khả năngsinh trưởng chủ yếu của PNSB là quang hợp dị dưỡng, trong đó ánh sáng là nguồnnăng lượng và một hợp chất hữu cơ là nguồn carbon [2, 3]

PNSB có tính linh hoạt đặc biệt trong các phương thức dinh dưỡng và sửdụng các nguồn năng lượng Chúng có thể sử dụng các acid béo, đường, rượu và cảcác hợp chất thơm là nguồn carbon Phần lớn PNSB có thể sinh trưởng quang tựdưỡng với CO2 + H2 hoặc CO2 + H2S ở nồng độ thấp Rất nhiều hợp chất thơmđược sử dụng bởi các VK này bao gồm các chất được tạo thành từ quá trình phânhủy kỵ khí lignin cũng như những sản phẩm tổng hợp độc hại tích tụ trong môitrường Chúng có khả năng đồng hóa hầu như hoàn toàn nguồn carbon từ một số cơchất thơm thành sinh khối tế bào của mình [3] Vì các hợp chất thơm ở trạng thái bịkhử hơn các vật liệu của tế bào nên VK phân hủy hợp chất thơm trong điều kiệnquang hợp cần sự đồng hóa CO2 ở một mức độ nhất định để làm cân bằng thế oxyhóa khử của chúng Ví dụ như oxy hóa benzoate ở VKTQH xảy ra theo các phươngtrình sau:

C7H6O2 + 6 H2O → 3 CH3COOH + CO2 + 6 [H]

6[H] + 1,5 CO2→ 1,5 [CH2O] +1 5 H2ONgoài ra, nhiều quá trình chuyển hóa carbon của PNSB đã được nghiên cứu

và công bố Đồng thời, vai trò cố định nitơ của PNSB cũng đã được biết đến Rba capsulatus và Rba sphaeroides có thể sinh trưởng nhanh chóng với N2 là nguồn Nvới hoạt tính của enzyme nitrogenase tăng mạnh Do đó, đây là nhóm VKTQH cónhiều hướng ứng dụng khác nhau, có thể liệt kê đến như là sinh vật mô hình đểnghiên cứu các quá trình quang hợp không thải oxy, ứng dụng trong xử lý cácnguồn ô nhiễm hữu cơ [10]

1 1 4 Đặc điểm của bộ máy quang hợp

VKTQH chỉ có một hệ thống quang hóa với một trung tâm phản ứng, do đó

sự vận chuyển điện tử của chúng rất khác biệt so với mạch truyền điện tử ở thực vật(có ít nhất hai hệ quang hóa với hai trung tâm phản ứng) [14] Phương trình tổngquát: CO2 + 2H2A + hv [CH2O]n + 2A + H2O

Chú thích: Ở tảo và thực vật bậc cao: H2A chính là H2O Ở VKTQH: H2A có thể làmột số chất như lưu huỳnh, các hợp chất khử của lưu huỳnh, hydro phân tử hoặccác hợp chất hữu cơ đơn giản Trong đó, các chất hữu cơ vừa đóng vai trò làm chấtcho điện tử vừa làm nguồn carbon trong quá trình quang hợp

1 1 4 1 Sắc tố quang hợp

• Bacteriochlorophyll (Bchl)

Sắc tố quang hợp chính ở VKTQH là bacteriochlorophyll (Bchl) Dựa theo

sự khác nhau về cấu trúc phân tử và cực đại hấp thụ trong vùng ánh sáng đỏ, Bchlđược chia thành 5 nhóm a, b, c, d, e Đa số các loài VKTQH chứa Bchl a, trừ một số

loài như Rps sulfoviridis, Rps viridis… lại chứa chủ yếu là Bchl b [14]

1 1 4 3 Định vị sắc tố quang hợp trong tế bào vi khuẩn tía quang hợp

Sắc tố quang hợp nằm ở đơn vị quang hợp Đơn vị này phân bố trên hệ màngcủa bộ máy quang hợp (chromotophor)

1 1 4 4 Đơn vị quang hợp

Hình 1 2 Sơ đồ vị trí các thành phần của bộ máy quang hợp sơ cấp ở VKTQH [16]

Đơn vị quang hợp gồm sắc tố anten LH-I và LH-II (để thu nhận ánh sáng),trung tâm phản ứng của quang hệ (kí hiệu là P) đây là Bchl nhưng ở trạng tháidimer Chúng gắn kết chất cho và chất nhận điện tử sơ cấp tạo thành trung tâm phảnứng của quang hệ (RC) Đơn vị quang hợp nằm trên màng quang hợp (Hình 1 2)

1 1 4 5 Hoạt động của bộ máy quang hợp sơ cấp

Ánh sáng được tế bào thu nhận qua hệ thống anten Từ đây năng lượng đượcchuyển vào trung tâm phản ứng (bao gồm 4 phân tử Bchl, 2 phân tử

bacteriophaeophintin và 1 phân tử protein) Khi trung tâm phản ứng P870 được kíchthích quá trình phân chia điện tích được xảy ra Điện tử được truyền đến chất nhận

sơ cấp (Bchl-BPheo) ngược chiều nhiệt động học Từ đó điện tử di chuyển đến cácquinon rồi qua một chuỗi vận chuyển electron lại trở về P870 đồng thời ATP đượctổng hợp (Hình 1 3)

Để tạo ra các hợp chất khử (NADH), VKTQH cần có chất cho điện tử từ bênngoài Nhờ có năng lượng và chất khử, dòng điện tử di chuyển đi ngược feredoxin

để tạo NADH từ NAD+ VKTQH có thể sản xuất ra một lượng lớn NAD+ trong quátrình quang hợp để sử dụng trong cố định CO2

Hình 1 3 Quang hợp ở VKTQH không lưu huỳnh [17]

Chú thích: P870: Trung tâm phản ứng; Cyt: cytochrom; Bph: Bacteriopheophytin)

1 1 5 Dinh dưỡng carbon

Ngoài khả năng cố định CO2, VKTQH còn có khả năng đồng hóa các hợpchất hữu cơ như: hợp chất 1-C; 2-C; 3C; 4-C và đường (6C)

1 1 5 2 Quang hợp dị dưỡng (nguồn carbon)

+ Hợp chất 1-C (formate, methanol, CO)

Có nhiều ví dụ về khả năng VKTQH sử dụng hợp chất 1 carbon cho sinh

trưởng ví dụ như: loài Rhodopila globiformis có khả năng sử dụng CO và methanol; loài Rps palustris có khả năng sinh trưởng trong môi trường chứa formate khi được

chiếu sáng Nhờ enzyme formate-dehydrogenaza mà formate bị oxy hóa thành CO2,sau đó CO2 này lại được đồng hóa theo chu trình Calvin, loài Rhodocyclus

gelatinosa và Rps acidophila có khả năng sử dụng methanol làm nguồn carbon cho

sinh trưởng khi được chiếu sáng tuy nhiên trong điều kiện đòi hỏi phải được cungcấp thêm CO2 với vai trò làm chất nhận điện tử Ở điều kiện sinh trưởng này, mức

độ enzyme RubisCO trong tế bào tăng lên 6 lần so với khi sinh trưởng trên môitrường chỉ chứa succinate làm cơ chất duy nhất Chu trình Calvin còn có vai trò vậnchuyển sức khử dư thừa từ methanol tới CO2 Như vậy, RubisCO vừa đóng vai trò

là enzyme chìa khóa quan trọng trong quá trình đồng hóa CO2 lại vừa có vai trò giữthế cân bằng oxy hóa khử [18, 19]

+ Hợp chất 2-C (acetate)

Tất cả các đại diện của nhóm VKTQH đã biết đều có khả năng sinh trưởngtrên môi trường chứa acetate, có ánh sáng Khả năng đồng hóa acetate rất khác nhau

ở các chủng khác nhau Enzyme chìa khóa của chu trình glyoxylate là isocitratelyase (ICL) Hoạt tính enzyme ICL trong dịch chiết từ tế bào các loài

Rhodospirillum (Rsp ) palustris và Rba capsulatus khi chúng sinh trưởng trên môi

trường chứa acetate hay butyrate ở điều kiện quang dưỡng cũng như hóa dưỡng làkhá cao Những bằng chứng về sự tồn tại của enzyme ICL trên đây cho thấy acetateđược PNSB đồng hóa theo chu trình glyoxylate Ngoài chu trình glyoxylate, một sốnghiên cứu gần đây đã phát hiện con đường khác có thể đồng hoá acetate [20, 21] + Hợp chất 3-C (pyruvate, propionate, glycerol, aceton)

Ở ngoài sáng, tất cả các vi khuẩn quang hợp đều có khả năng sinh trưởngtrên môi trường chứa pyruvate theo kiểu quang dị dưỡng Sự đồng hóa pyruvate và

hệ thống tham gia quá trình này khác nhau đối với mỗi loài Đa số các loài đều chứaenzyme pyruvate dehydrogenase Một số loài khi sinh trưởng ngoài sáng có thểphân hủy pyruvate tới CO2, axetaldehyde và acetoin nhờ enzyme pyruvate

decarboxylase Các tế bào Rsp rubrum sử dụng cả hai enzyme PEP–synthase

(phosphate enol pyruvate synthase) và PEP-cacboxylaza để chuyển hóa pyruvate và

tạo thành axit oxaloacetate (OAA) Các tế bào loài Rba sphaeroides và Rba

capulatus không chứa hai enzyme trên, chúng sử dụng pyruvate nhờ sự xúc tác của enzyme pyruvate carboxylase (PC) Ở tế bào loài Rsp rubrum, Rba sphaeroides và Rba capsulatus, enzyme pyruvate kinase (PK) tham gia cùng với enzyme PEP- carboxykinase xúc tác phản ứng tạo phosphoenolpyruvate từ pyruvate Loài Rsp rubrum còn có khả năng lên men pyruvate trong tối, sản phẩm của quá trình này là

propionate, H2 và formate Formate lại được chuyển hóa tiếp tục để tạo ra CO2 và

H2 [22, 23]

PNSB còn có khả năng sử dụng các chất 3-C khác như propionate, glyxerol,axeton Trong những trường hợp này cần phải bổ sung thêm CO2 (chất nhận điệntử) để giữ thế cân bằng oxy hóa khử của tế bào [4, 24]

+ Butyrate và các axit béo dạng khử

Các PNSB sinh trưởng nhanh hơn và đạt mật độ cao hơn trong môi trường cócác cơ chất 4-C với hai nhóm carboxyl (như malate, succinate) so với khi sinhtrưởng trên các nguồn cơ chất khác

Các PNSB khi sinh trưởng với butyrate (chất ở trạng thái khử hơn so với vậtliệu tế bào) cũng đòi hỏi phải bổ sung CO2 làm chất nhận điện tử Do đó quá trìnhđồng hóa butyrate ngoài sáng xảy ra đồng thời với quá trình cố định CO2

Trong điều kiện kỵ khí, tối, VKTQH tiến hành trao đổi chất theo kiểu lênmen Sản phẩm của lên men gồm các axit hữu cơ, CO2 và H2

+ Hợp chất thơm

Khả năng chuyển hóa benzoate ở Rps palustris; Rhodospirillum (Rsp ) fulvum; Rhodocyclus (Rcy ) purpureus [2, 6, 25] là đặc tính đặc trưng để phân biệt

chúng với các loài khác trong cùng một chi

PNSB có khả năng sử dụng những hợp chất thơm mang chuỗi bên mạch dài,chứa nhóm hydroxyl, nhóm methoxyl, nhóm methyl và nhóm carbonyl Một sốlượng lớn hợp chất thơm chứa nhân benzene có thể được nhóm vi khuẩn này phânhủy khi chúng sinh trưởng quang dị dưỡng (kỵ khí ngoài sáng) hoặc hóa dị dưỡng(hiếu khí trong tối) hoặc trong cả hai điều kiện này [25, 26]

1 2 Ứng dụng của vi khuẩn tía quang hợp để phân hủy hydrocarbon dầu mỏ

1 2 1 Tính độc của hydrocarbon dầu mỏ

Dầu mỏ hay dầu thô là một chất lỏng sánh đặc màu nâu hoặc ngả lục Thànhphần cơ bản của dầu mỏ là các hợp chất hydrocarbon với số nguyên tử carbon cótrong mạch từ 1 đến 60 hoặc lớn hơn Trong dầu thô các hợp chất này có thể chiếm

tới 90% trọng lượng của dầu, còn trong khí thiên nhiên chúng có thể chiếm tới 98

-99% Các hợp chất hydrocarbon trong dầu mỏ được chia thành các nhóm:

hydrocarbon mạch thẳng, hydrocarbon vòng no và hydrocarbon thơm [27, 28]

Hydrocarbon no mạch thẳng (C n H 2n+2 )

Hydrocarbon no mạch thẳng (hay còn gọi là alkane) là hợp chất phổ biến

trong dầu mỏ với số nguyên tử carbon từ C1 đến C45 [27, 28] Về cấu trúc alkane

gồm hai loại: hydrocarbon no mạch thẳng (n-alkane hoặc n-paraffin) và

hydrocarbon no mạch nhánh (iso- alkane hoặc iso-paraffin) Hàm lượng của

n-alkane trong dầu mỏ thường chiếm từ 25 - 30% thể tích Hàm lượng này thay đổi

tùy thuộc vào thời gian hình thành dầu mỏ

Hydrocarbon vòng no (C n H 2n )

Hydrocarbon vòng no (cyclo-paraffin hoặc cyclo-alkane) cũng là một trong

số hydrocarbon phổ biến trong dầu mỏ Hàm lượng của chúng có thể thay đổi từ 30

- 60% trọng lượng của dầu Chúng thường tồn tại ở 3 dạng chính: dạng vòng 5

cạnh, vòng 6 cạnh và dạng ngưng tụ 2 hoặc 3 vòng [27]

Hydrocarbon thơm (C n H 2n-6 )

Thành phần hydrocarbon thơm trong dầu mỏ bao gồm các hợp chất thơm

vòng đơn (benzene, toluene, xylene ) và các hợp chất hydrocarbon thơm đa vòng

-PAH (naphthalene, anthracene, phenanthrene, pyrene…) có từ 2 vòng thơm trở lên

đa dạng sinh học và hệ sinh thái mà còn gây nên những ảnh hưởng tới sức khỏe con

người bởi ô nhiễm môi trường biển và lượng chất độc hại tích lũy trong các sản

phẩm thủy sản [31, 32]

D ầ u mỏ gây ô nhi ễ m nghiêm tr ọng cho môi trường, th ể hiệ n ở nh ững điể mchính như sau:

(i) Thứ nhất, ô nhiễm dầu dẫn đến làm giảm khả năng tự làm sạch của nguồnnước do ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của các sinh vật phù du và sinh vậttầng đáy [33, 34]

(ii) Thứ hai, dầu nổi trên mặt nước làm ánh sáng giảm khi xuyên vào trongnước, ngăn cản việc xâm nhập của oxy vào nguồn nước, do đó, hạn chế sự quanghợp của các sinh vật quang tự dưỡng, ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn và là nguyênnhân dẫn đến mất cân bằng trong hệ sinh thái [35, 36]

(iii) Ngoài những thiệt hại trực tiếp về tài sản còn có ảnh hưởng mang tínhchất lâu dài như các vùng nuôi trồng đánh bắt thủy hải sản, cảnh quan môi trườngnhất là các khu du lịch biển, gây trở ngại cho vận tải đường biển Dầu có ảnh hưởngtrực tiếp đến con người thông qua tiếp xúc hoặc hít thở hơi dầu gây buồn nôn, nhứcđầu, các vấn đề về da, gây ra một số bệnh như ung thư, bệnh phổi, ảnh hưởng đếnchức năng hành vi thần kinh [37, 38, 39, 40, 41]

Dầu mỏ chứa nhiều hợp chất độc hại khó phân huỷ trong tự nhiên, gây độc

và có thể gây những hệ luỵ nghiêm trọng cho môi trường sinh thái đặc biệt là cáchợp chất thơm có độ hoà tan trong nước khá cao, độc hại đối với nhiều loài sinh vật

và con người Quá trình vận chuyển dầu mỏ, lưu trữ dầu tại các kho chứa, trung

chuyển dầu và hiện tượng rò rỉ, rơi rớt xăng dầu trong quá trình xúc rửa các bể chứadầu đã làm phát tán một lượng đáng kể phenol, toluene và hydrocarbon thơm đa

vòng (PAH) ra môi trường [42, 43, 44]

Việc thải phenol mà không được xử lý có thể dẫn đến các nguy cơ sức khỏenghiêm tr ọng đối v ới con người, độ ng v ậ t và sinh v ậ t th ủ y sinh Liều gây độc chongười khi uống phải là từ 200 mg đến 300 mg và liều gây chết là 3 g đến 30 g

Phenol sau khi thấm vào tế bào, trải qua quá trình chuyển hóa chủ yếu với sự thamgia của các oxidase trong hệ thống Cytochrome P450 Quá trình chuyển hóa làmtăng độc tính do sự trao đổi điện tích dẫn tới việc chúng có thể liên kết và phá hủycác phân tử DNA hoặc các enzyme khác của cơ thể làm thay đổi cấu trúc của mô,gây đột biến và ung thư Ngoài ra, phenol còn là một chất gây kích ứng mắt, màngnhầy và da, gây co giật, suy gan, thận và một số cơ quan khác [45,46,47]

Các nghiên cứu trên động vật đã cho thấy sự giảm trọng lượng cơ thể củathai nhi, chậm lớn và phát triển bất thường ở con cái Khi động vật hít lâu phenol ở

nồng độ trong khoảng 30 đến 60 ppm có thể gây tổn thương phổi, giảm cân và têliệt Tiếp xúc cấp tính với phenol có thể gây suy tim, suy thận Phenol gây cháy da,làm trắng và ăn mòn da Bệnh tăng nhãn áp đã được thử nghiệm trên thỏ bằng cáchtiêm 5% phenol cho thấy khi mắt thỏ tiếp xúc với phenol dạng tinh thể hoặc dungdịch sẽ gây trắng giác mạc, sau 8 giờ giác mạc bị tê liệt Những con chuột khi uốngphải nước pha 2 500 ppm phenol trong 103 tuần sẽ có hiện tượng gia tăng bệnh

bạch cầu và các u lympho, mặc dù vậy cho đến nay, phenol không được coi là chấtgây ung thư Bên cạnh đó, khi tiếp xúc với phenol trong thời gian dài có thể dẫn đếnchán ăn, da phát ban, câm điếc, rối loạn tiêu hóa, nôn mửa, giảm cân, đau cơ, đaugan và rối loạn thần kinh Phenol và các d ẫ n xu ấ t c ủa nó đã được đưa ra trong danhsách các chất ô nhiễm được chú trọng bởi USEPA [48,49]

Theo quy chuẩn của phenol trong quy định của Việt Nam hàm lượng

phenol có trong nước dao động từ 0,005 – 0,02 mg/l [50] Những ảnh hưởng củaphenol lên sức khỏe con người và động vật được chỉ ra ở Bảng 1 2

Bảng 1 2 Những ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động vật [50]

Khả năng gây ô nhiễm môi trường của hydrocarbon thơm còn tùy thuộc vàokhả năng hòa tan của chúng trong môi trường nước Khả năng hòa tan của các

hydrocacbon thơm rất biến động, từ những chất khó hòa tan nhất là benzo [g, h, i]perylene có chỉ số hòa tan là 0,0003 mg/l cho đến chất dễ hòa tan nhất là phenol cóchỉ số hòa tan ở 20oC tới 83 g/l Khi phát tán trong môi trường, các hợp chất thơmcùng với tính độc của nó gây ra những ảnh hưởng vô cùng nghiêm trọng đến đờisống sinh vật

Nồng độ trong nước

(ppm)

Thời gian nguy

Những ảnh hưởng đến con người

Những ảnh hưởng đến động vật

Theo từng bước nghiên cứu về các hợp chất hydrocarbon thơm, người ta lạicàng có thể khẳng định tính độc của nó đến sinh vật, thậm chí nhiều hợp chất trong

số này có thể gây đột biến, gây quái thai và gây ung thư Ở người, tiếp xúc vớinaphthalene trong thời gian dài với nồng độ lớn hơn 10 ppm sẽ dẫn tới các bệnhkinh niên, gây ung thư da phổi và có thể làm giảm khả năng thụ thai ở phụ nữ và cóthể làm nguy hiểm tới sự phát triển của thai nhi Anthracene có thể gây dị ứng,viêm, sung tấy da khi tiếp xúc trong thời gian ngắn Phenanthrene được biết đếnnhư chất cảm quang với da người, chất gây dị ứng với động vật, đột biến tới hệthống vi khuẩn trong các điều kiện đặc biệt Cục bảo vệ môi trường Mỹ (USEPA)

đã đưa ra mức nồng độ an toàn của PAH trong quá trình tiếp xúc để tránh gây ảnhhưởng đến sức khỏe con người, theo đó không nên tiếp xúc với một số PAH cónồng độ cao hơn các mức sau: 0,3 mg anthracene/kg cơ thể người; 0,06 mg

acenaphthene/kg cơ thể người; 0,04 mg fluoranthene/kg cơ thể người; 0,03 mgpyrene/kg cơ thể người [49, 50, 51]

PAH thường tồn tại ở dạng hỗn hợp, ít thấy ở dạng đơn lẻ do vậy khi bịnhiễm PAH, con người sẽ bị nhiễm hỗn hợp các PAH, chính điều này càng làm chođộc tính của chúng được tăng cường [51]

Những dữ liệu trên cho thấy, việc nghiên cứu, lựa chọn các biện pháp xử lý ônhiễm dầu an toàn và hiệu quả là vấn đề mang tính cấp thiết hiện nay

1 2 2 Các phương pháp xử lý ô nhiễm dầu mỏ

1 2 2 1 Phương pháp tự nhiên

Phương pháp này là các hoạt động suy giảm tự nhiên thông thường khôngcần đến sự can thiệp của con người Đối với các địa điểm bị ô nhiễm ở quá xakhông thể tiếp cận được, hơn nữa tốc độ suy giảm tự nhiên lại quá nhanh; hoặc ônhiễm tại các vị trí nhạy cảm không chịu được những tác động của các phương phápcan thiệp, đây thực sự là một phương pháp mang lại hiệu quả không những về kinh

tế mà còn có ý nghĩa sinh thái hơn hẳn khi có những biện pháp can thiệp không cầnthiết

Phương pháp tự nhiên bao gồm:

• Bay hơi: là quá trình làm sạch tự nhiên trong giai đoạn đầu của ô nhiễm dầu, giúploại bỏ thành phần dầu có khối lượng thấp

• Quang oxy hóa: diễn ra khi oxy dưới năng lượng ánh sáng mặt trời phản ứng vớicác thành phần dầu Quang oxy hóa giúp phân hủy các hợp chất phức tạp thành cáchợp chất đơn giản hơn theo xu hướng giảm khối lượng phân tử và dễ tan hơn trongnước

• Phân hủy sinh học: có rất nhiều loại VSV có khả năng oxy hóa hydrocarbon dầutồn trong tự nhiên Phân hủy sinh học tự nhiên được coi là một cơ chế quan trọngđối với việc loại bỏ các thành phần dầu không thể bay hơi khỏi môi trường Tuynhiên, quá trình này diễn ra rất chậm, có thể kéo dài từ vài tháng đến vài năm đểphân hủy một phần đáng kể lượng dầu có trong môi trường [52]

Trong thực tế, để xử lý một cách triệt để ô nhiễm dầu thì cần thiết phải có sựkết hợp các phương pháp một cách khoa học chứ không sử dụng đơn lẻ một biệnpháp Tuy nhiên, khi có sự cố ô nhiễm dầu xảy ra, điều cấp bách là thu hồi lại dầumột cách nhanh nhất Để thực hiện được mục tiêu này, trong giai đoạn ban đầungười ta sẽ sử dụng các phương pháp vật lý và hóa học để xử lý [52]

1 2 2 2 Phương pháp vật lý

Các phương pháp vật lý thường được sử dụng bao gồm:

• Lập hàng rào nổi và hớt váng: sử dụng hàng rào nổi để giới hạn và kiểm soát sự

di chuyển của dầu loang, sử dụng dụng cụ hớt để thu hồi chúng

• Lau bằng vật liệu hấp thụ: sử dụng các vật liệu kỵ nước để lau dầu từ bề mặtnhiễm bẩn

• Loại bỏ cơ khí: thu thập và loại bỏ trầm tích nhiễm dầu bằng các dụng cụ cơ khí

• Tẩy rửa dầu bám dính dọc bờ biển

• Định vị lại trầm tích và làm đất: chuyển trầm tích ô nhiễm dầu từ một nơi nàysang nơi khác của bờ biển hoặc làm đất và phối trộn các trầm tích nhiễm bẩn đểtăng cường quá trình làm sạch thông qua việc phân tán dầu vào trong khối nước vàthúc đẩy sự tương tác giữa dầu và các hạt khoáng Làm đất cũng có thể gây nên sựthâm nhập sâu của dầu vào trầm tích

• Đốt cháy in-situ: dầu trên bờ biển thường được đốt cháy khi nó lẫn với các cơchất cháy được như thực vật, gỗ, hay các tàn tích khác [52]

1 3 2 3 Phương pháp hóa học

Các phương pháp hóa học, đặc biệt là việc sử dụng các chất phân tán, được

sử dụng thường xuyên ở nhiều quốc gia như một lựa chọn hàng đầu cho xử lý ônhiễm dầu Các nhân tố hóa học chính hiện có bao gồm:

• Chất phân tán: là các nhân tố phân tán, bao gồm chất hoạt động bề mặt, được sửdụng để loại bỏ dầu loang từ bề mặt nước để phân tán chúng vào khối nước trướckhi dầu lan ra và nhiễm bẩn tới bờ biển Phương pháp này được thực hiện để giảmbớt tác động gây độc bằng cách pha loãng tới nồng độ cho phép và đẩy mạnh tốc độphân hủy sinh học bằng cách tăng bề mặt tiếp xúc giữa VSV với các giọt dầu, tănghiệu quả phân hủy dâu của VSV

• Chất nhũ hóa: được sử dụng để phá vỡ nhũ tương dầu pha nước và để tăng cường

sự phân tán tự nhiên

• Chất làm đông: là các loại chất hóa học tăng cường sự polymer hóa của dầu,được sử dụng để cố định dầu, ngăn cản sự lan tràn và tăng cường hiệu quả của cácphương pháp thu hồi vật lý

• Các chất hóa học màng phim: các nhân tố hình thành màng phim cũng được sửdụng để ngăn chặn dầu bám dính vào cơ chất ven biển và tăng cường quá trình loại

bỏ dầu bám dính vào bề mặt các thiết bị tẩy rửa [52]

Rõ ràng, các phương pháp vật lý và hóa học mang lại hiệu quả nhanh chóng,

rõ rệt và ngay lập tức phát huy tác dụng làm sạch dầu Tuy nhiên, chúng thường tốnkém, có thể tạo ra ô nhiễm thứ cấp Ngược lại, các phương pháp tự nhiên đặc biệt làphân hủy sinh học được coi là công nghệ xanh, đem lại hiệu quả cao và thân thiệnvới môi trường Hạn chế duy nhất của phương pháp này là thời gian diễn ra chậm Chính vì vậy, việc kết hợp khoa học các phương pháp cũng như việc tăng tốc độphân hủy sinh học đang được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây [52, 53,

54, 55]

1 2 2 3 Phương pháp sinh học

Về bản chất, xử lý ô nhiễm dầu mỏ bằng phương pháp sinh học thực chất làtác động của nguyên liệu bổ sung tới môi trường ô nhiễm làm tăng tốc độ của phânhủy tự nhiên dựa trên cơ sở có nhiều loại dầu được loại bỏ hoặc phân hủy theo conđường tự nhiên Thành công của phương pháp này phụ thuộc nhiều vào khả năng

thiết lập và duy trì các điều kiện sinh thái giúp tăng cường tốc độ phân hủy sinh họcdầu mỏ tại những nơi bị ô nhiễm [52, 56, 57] Có hai phương pháp sinh học phổbiến:

(i) Thúc đẩy sinh học (Bioaugmentation): Đây là phương pháp bổ các loạiVSV có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ vào quần thể VSV đã tồn tại từtrước tại khu vực bị ô nhiễm [52, 58] Phương pháp này có ưu điểm là sàng lọcđược những chủng có hoạt tính cao để xử lý triệt để các chất gây ô nhiễm Tuynhiên, phương pháp này vẫn còn có những hạn chế như sự cạnh tranh của vi sinhvật, độ độc của môi trường, sự thiếu hụt nguồn dinh dưỡng, các chất đa lượng và vilượng cần thiết cho hoạt động phân hủy của vi sinh vật [59, 60, 61]

(ii) Kích thích sinh học (Biostimulation): là quá trình kích thích sự sinhtrưởng của các sinh vật sử dụng hydrocarbon nội tại và tăng tốc độ phân hủy sinhhọc bằng cách điều chỉnh cân bằng dinh dưỡng (nitơ và phospho) hoặc các đồng cơchất giới hạn sinh trưởng khác, hoặc bằng cách thay đổi các điều kiện môi trường(nhiệt độ, pH) [52, 58, 62]

Phân lập và lựa chọn các vi sinh vật phân hủy hydrocarbon là những bướcquan trọng trong phương pháp xử lý sinh học [57] Trong số hơn 200 loài vi khuẩn,nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, một số loại tảo có khả năng sử dụng hydrocarbon đãđược xác định, mỗi loài trong đó có ái lực riêng với một chất hoặc nhóm các hợpchất đặc hiệu có trong dầu Điều này giải thích tại sao phương pháp hiệu quả nhấtkhi lựa chọn vi khuẩn để xử lý là sử dụng tổ hợp các sinh vật có khả năng phân hủydầu, phù hợp nhất với điều kiện môi trường cũng như quá trình ô nhiễm dầu tại một

vị trí cụ thể nào đó [52] Ngoài ra, các tác động qua lại giữa VSV sử dụng

hydrocarbon trong thúc đẩy sinh học trong quần thể dưới các điều kiện môi trườngkhác nhau xác định hiệu quả của phương pháp xử lý

Công nghệ xử lý sinh học dựa trên khả năng của VSV sử dụng các chất độchại (như hydrocarbon thơm đa vòng, thuốc trừ sâu, hydrocarbon dầu mỏ …) làmnguồn carbon và năng lượng Có những VSV hoặc tập đoàn VSV có thể phân hủychất ô nhiễm thành CO2 và H2O [63, 64, 65] Ứng dụng VSV tạo màng sinh họcđược xem là một trong những hướng mới để xử lý các thành phần hydrocarbon cótrong dầu mỏ

1 2 3 Ứng dụng vi khuẩn tía quang hợp để phân hủy hydrocarbon dầu mỏ

Phân hủy kỵ khí hydrocarbon đóng một vai trò quan trọng trong tự nhiên, khioxy cạn kiện và hydrocarbon bị oxy hóa bởi các chất nhận điện tử khác [66]

Các hợp chất thơm là nhóm khó phân hủy trong tự nhiên bởi sự liên kết bềnvững của vòng benzen Một số PNSB có khả năng sử dụng các hợp chất thơm có

nguồn gốc từ thực vật bao gồm nhiều loại monome lignin và một số hợp chất nhân

tạo như chlorobenzoates và toluene để làm nguồn carbon [66]

Rps palustris có khả năng sử dụng benzoate là nguồn carbon duy nhất cho

quá trình quang hợp kỵ khí Khả năng chuyển hóa benzoate ở Rps palustris; Rps

fulvum; Rcy purpureus là đặc tính đặc trưng để phân biệt chúng với các loài khác

trong cùng một chi [2, 25, 67, 68]

Khả năng quang chuyển hóa hợp chất thơm cũng được phát hiện ở một số

loài khác như: Rps acidophila có khả năng sử dụng acid vanilic, vanilin, rượu

vanillyl, acid ferulic, acid veratric, acid syringic, syringaldehyde và rượu benzyl

làm nguồn carbon [69]; Rhodomicrobium (Rmi ) vannieli phát triển tốt trên nguồn

benzoate và rượu benzyl [70]; Blastochloris (Blc ) sulfoviridis sử dụng toluene làm

nguồn carbon [71]; Rubrivivax (Rvi ) benzoatilyticus sử dụng benzoate,

2-aminobenzoate (anthranilate), 4-2-aminobenzoate, 4-hydroxybenzoate, phthalate,

phenylalanine, trans-cinnamate, benzamide, salicylate, cyclohexanone,cyclohexanol và cyclohexane-2-carboxylate làm nguồn cacbon và / hoặc chất cho

điện tử [72]

Một số nghiên cứu khảo sát sự sinh trưởng của Rps palustris trên nhiều hợp chất thơm khác nhau cho thấy tuỳ từng chủng Rps palustris ngoài benzoate còn sử

dụng một số hợp chất thơm khác như 4-hydroxybenzoate, 4-hydroxycinnamate,

cinnamate, chorobenzoates, phenylaxetat, phenol, các hợp chất metoxyl hóa, như

cũng như aldehyde và rượu thơm là nguồn carbon và nitơ cho sinh trưởng [73, 74,

75, 76];

Khả năng phân hủy những dẫn xuất của lignin chứa các nhóm thế

3-methoxyl- hoặc 3-hydroxyl- là tính đặc trưng riêng của R palustris ω

-Phenylalkane carboxylate mang chuỗi bên có chiều dài từ 3 đến 8 C hoặc các lignindạng monomer không chứa nhóm thế hoặc chứa nhóm hydroxyl- ở vị trí C4 như

trans-cinnamate và 4-hydroxycinnamate (4-coumarate) là cơ chất thích hợp nhất cho sinh trưởng của Rps palustris khi chúng được sử dụng là nguồn carbon duy

nhất [73, 74] Mặc dù các hợp chất chlorobenzoate thường là những chất độc đối

với VSV nhưng một số chủng thuộc loài Rps palustris có khả năng sử dụng các

hợp chất này là nguồn carbon [75, 77, 78]

Ở Việt Nam, tác giả Đinh Thị Thu Hằng và cộng sự năm 2007 đã có nhữngnghiên cứu về sự phân hủy sinh học hợp chất hydrocacbon mạch vòng ở một số vikhuẩn quang hợp tía Nghiên cứu đã phát hiện được 2 chủng vi khuẩn quang hợp tía

có khả năng phân hủy mạnh 3-chlorobenzoate với đồng cơ chất là benzoate hoặc hydroxybenzoate, trong đó 3-chlorobenzoate được sử dụng là nguồn carbon duy

4-nhất Gen badA mã hóa cho enzyme benzoate-CoA ligase trong con đường phân

hủy benzoate ở chủng VKTQH MI1 tương đồng 93,3% so với gen tương ứng của

loài R palustris chủng DCP3 đã được công bố trên Ngân hàng Gen Quốc tế [79]

Gần đây, Sampaio và cộng sự (2017) phân lập được một số chủng thuộc chi

Rhodovolum và chi Rhodomicrobium có khả năng phân hủy kỵ khí hydrocarbon

dầu mỏ ở quần đảo King George [80] Venkidusamy và Megharaj (2021) phân lập

được chủng Rps palustris RP2 phân huỷ các thành phần n-alkane trong

hydrocarbon dầu mỏ [81]

Như vậy, những nghiên cứu của nhiều tác giả về khả năng phân hủy

hydrocarbon dầu mỏ ở VKTQH cho thấy chúng có vai trò quan trọng trong quá trình sử dụng và khoáng hoá các hợp chất khó phân huỷ trong tự nhiên VKTQH là nhóm vi khuẩn có tính linh hoạt đặc biệt trong các phương thức dinh dưỡng và có khả năng tổng hợp năng lượng từ ánh sáng mặt trời Đặc biệt, nhờ vào khả năng sử dụng nhiều hợp chất hydrocarbon trong dầu mỏ bởi VKTQH mà chúng ta thấy được vai trò của nhóm VK này trong quá trình phân huỷ hydrocarbon dầu mỏ nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, cho đến nay chưa có nhiều công bố về khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon dầu mỏ cả trong điều kiện xử lý tại chỗ (in-situ) và bên ngoài (ex-situ) Vì vậy, những nghiên cứu về khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ của VKTQH vừa góp phần làm rõ hơn khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ vừa góp phần tăng tiềm năng ứng dụng của chúng trong công nghệ sinh học môi trường

1 3 Vi sinh vật có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ và màng sinh học

Trong điều kiện hiếu khí, nhiều vi khuẩn phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơchiếm ưu thế là các loài hóa dưỡng hữu cơ Vi khuẩn phân hủy trong điều kiện hiếukhí cần oxy tham gia vào giai đoạn hoạt hóa cơ chất và là chất nhận điện tử cuối

cùng của chuỗi hô hấp [82]

Các hợp chất được phân hủy trong điều kiện hiếu khí bao gồm: hydrocarbonthơm, hydrocarbon no Các chi vi khuẩn hiếu khí có khả năng phân hủy các hợp

chất này được trình bày ở Bảng 1 3 và 1 4

Bảng 1 3 Các chi vi khuẩn có phân huỷ hiếu khí hydrocarbon thơm [57, 83, 84, 85,

Escheriachia Flavobacterium Gordona

Klebsiella Lactobacillus Leucothrix Marinobacter Micrococcus Microcoleus Moaxella Mycrobacterium Nocardia

Nostoc Oscillatoria Peptococcus

Phorm Proteus Pseudomonas Rhodococcus Sarcina Serratia Spherotilus Sphingomonas Spirillum Streptomyces Thermoleophilum Vibrio

Flavobacterium Geobacillus Gordonia

Methylomonas Methylocella Methylocystis Methylocystis Methylobacter Methylococcus Microbulbifer Mycobacterium

Nocardia Oleiphilus Pseudomonas Ralstonia Rhodococcus Sphingomonas Streptomyces Thermoleophilum

Trong điều kiện kỵ khí, các chất nhận điện tử trong quá trình phân huỷhydrocarbon thơm là các hợp chất vô cơ ở dạng oxy hóa như nitrate, ion kim loại,sulfate và CO2 thay cho oxy [26, 88, 89, 90, 91] Do đó, có sáu kiểu chuyển hoá hợpchất thơm trong quá trình phân hủy kỵ khí: khử nitrate, khử sắt, khử sulfate, quangchuyển hóa, lên men và sinh metan (Bảng 1 5)

Bảng 1 5 Các nhóm vi khuẩn có khả năng phân huỷ kỵ khí hydrocarbon

Nhóm vi khuẩn

Chất nhận điện tử

Cơ chất phân hủy

Tài liệu tham khảo

Fe Benzoate, toluene, phenol,

p-cresol aldehyde và rượu thơm

SO

42-Catechol, 3-aminobenzoate,aniline, phenol, toluene,xylene, ethylbenzene,naphthalene, hexadecane,pentadecane, decane,octanoate

96, 97,27

Vì một số hợp chất chỉ có thể được chuyển hóa bởi một số vi khuẩn trongnhững điều kiện oxy hóa khử nhất định nên việc sử dụng liên tiếp các chất nhậnđiện tử rất quan trọng đối với quá trình phân hủy trong tự nhiên [26]

Sự ô nhiễm môi trường bởi các hydrocarbon dầu mỏ, bao gồm hydrocarbon

no và hydrocarbon thơm tồn tại lâu trong tự nhiên và có xu hướng lan rộng vàonước bề mặt và nước ngầm [105] Hiệu quả phân hủy PAH của vi khuẩn phụ thuộcvào khả năng tồn tại của nó trong môi trường khắc nghiệt [106] Điều đáng chú ý,khu hệ VSV trong màng sinh học có khả năng chống chịu các điều kiện khắc nghiệtcủa môi trường tốt hơn, hỗ trợ trao đổi chất tốt hơn và hạn chế sự cạnh tranh củacác VSV khác [107] qua đó cho thấy tiềm năng chống chọi với môi trường khắcnghiệt và có thể tăng cường khả năng phân hủy các chất ô nhiễm [108] Kokoky vàcộng sự (2017) đã phân lập được một số chủng VK từ đất ô nhiễm hydrocarbon dầu

mỏ, trong đó có chủng Acinetobacter sp PDB4 đã được lựa chọn để đánh giá khảnăng tạo màng sinh học, phân hủy PAH và thúc đẩy sự phát triển của cây trồng

[105] Shao và cộng sự (2015) cũng công bố về chủng Acinetobacter sp được phân

Nhóm vi khuẩn

Chất nhận điện tử

Cơ chất phân hủy

Tài liệu tham khảo

- Blastocholoris sulfoviridis

CO

22-chlorobenzoate (CBA), bromobenzoate (3-BrBA)cinnamate, hippurate (N-benzoyl-L-glycine), benzoate,4-hydroxybenzoate, 4-

3-aminobenzoate, aminophenol, ferulate,phloroglucinol, toluene

4-27, 73,74,75,

102, 103,104

lập từ khu vực khai thác than có thể sử dụng fluorene, phenanthrene và pyrene làmnguồn carbon duy nhất của nó [109] Nghiên cứu của Zhang và cộng sự (2015) cho

thấy màng sinh học hình thành bởi chủng Micrococcus sp PHE9 và Mycobacterium

sp NJS-P có khả năng phân hủy phenanthrene và pyrene, tốc độ phân hủy trongmàng sinh học cao hơn nhiều so với vi khuẩn ngoài EPS Do đó, người ta cho rằngEPS và sự hình thành màng sinh học là yếu tố quan trọng trong việc gắn tế bào vikhuẩn với các bề mặt khác và hiệu suất phân hủy sinh học của các chủng vi khuẩn[110] Wimpenny và cộng sự (2000) báo cáo trong một nghiên cứu rằng xử lý sinhhọc qua trung gian màng sinh học là một cách tiếp cận thành thạo và là lựa chọn antoàn hơn vì các tế bào trong màng sinh học có cơ hội sống sót và khả năng thíchứng tốt hơn, đặc biệt là trong các điều kiện khắc nghiệt [111] Màng sinh học hỗ trợ

sự phát triển của Pseudomonas sp và tăng cường sự phân hủy của dầu thô một cách

dễ dàng và rộng rãi Màng sinh học được hình thành khi có dầu thô tích lũy sinhkhối cao hơn so với các màng sinh học được tạo ra khi có glucose là nguồn carbonduy nhất [112] Nghiên cứu của Tribelli và cộng sự (2012) cũng cho thấy chủng

Pseudomonas extremaustralis phân lập từ Nam Cực có khả năng tạo màng sinh học

Trong màng sinh học, các tế bào VK tăng trưởng, sản xuất chất hoạt hóa bề mặt vàphân hủy dầu diesel đạt hiệu suất cao hơn so với nuôi cấy trong bình lắc Màng sinhhọc của chủng này phân hủy được alkane mạch dài và mạch nhánh, tuy nhiên khinuôi cấy trong bình lắc chủng này chỉ phân hủy được ankane mạch trung bình[113]

Để khám phá tiềm năng xử lý nước nhiễm dầu thô đậm đặc

của Pseudomonas aeruginosa NY3, chủng NY3 được cố định trên bề mặt mút xốp

để đánh giá khả năng tạo màng sinh học và khả năng khôi phục các màng sinh học

đã sử dụng được nghiên cứu Kết quả cho thấy quá trình hình thành màng sinh

h ọ c đối với chủng NY3 diễn ra nhanh chóng và dễ dàng Trong điều kiện tối

ưu, sinh khối cố định trên bề mặt mút xốp có thể đạt 488,32 mg tế bào khô / g mútxốp khô Kết quả chứng minh rằng khi thời gian phân hủy là 12 giờ, tỷ lệ loại bỏdầu trung bình trong 2 g dầu thô / L nước bị ô nhiễm là khoảng 90% trong 40

ngày Trong khi đó, các màng sinh học có thể được thu hồi để tái sử dụng Khảnăng thu hồi và tốc độ loại bỏ dầu cao, ổn định đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc

áp dụng các màng sinh học để loại bỏ dầu cô đặc khỏi nước thải [114]

Mới đây, Omarova và cộng sự (2019) khi nghiên cứu về khả năng phân hủy

hydrocarbon của chủng Alcanivorax borkumensis cũng thấy rằng màng sinh học của

chủng này có khả năng loại bỏ 40-50% vệt dầu loang sau 3 ngày nuôi cấy và phânhủy được đến 90% hexadecan sau 5 ngày nuôi cấy (trong khi đó chất phân tán

thương mại Corexit 9500A chỉ làm giảm 25% hexadecan) [115]

Quá trình xử lý kỵ khí đối với nước thải nhiễm dầu đi vào bể chứa đầy quy

mô được thực hiện hiệu quả bởi mô hình phản ứng dựa trên màng sinh học, cụ thể

là mô hình phản ứng màng sinh học chuyển động kỵ khí (AnMBBR- anaerobicmoving bed biofilm reactor) AnMBBR có thể xử lý gấp đôi đến gấp ba tốc độ tảihữu cơ ở tải trọng thủy lực thấp hơn so với bể chứa đầy đủ với mức loại bỏ CODtương tự [116]

Như vậy, những vấn đề trên cho thấy các hydrocarbon dầu mỏ là một bài

toán nan giải, cần có các biện pháp phân huỷ sinh học bằng các chủng VSV

Trong một vài năm gần đây tác giả Lê Thị Nhi Công và cộng sự đã đánh giákhả năng tạo màng sinh học một số chủng VK và nấm men phân huỷ dầu, phân lập

từ các mẫu nước biển bị ô nhiễm dầu ở Thanh Hoá và Vũng Tàu Kết quả cho thấy,

đã xác định được các chủng thuộc các chi như Candida, Acinetobacter, Bacillus,

Rhodococcus là những chủng vừa tạo màng sinh học vừa có khả năng phân huỷ và

chuyển hoá các thành phần dầu mỏ rất tốt Hơn thế nữa, sau 24 giờ nuôi cấy, ở dạngtạo màng sinh học chúng còn có khả năng phân huỷ dầu tốt hơn ở dạng tế bào tự do Điều này cho thấy tiềm năng phong phú về chủng loại vi sinh vật vừa tạo màng sinhhọc vừa phân huỷ và chuyển hoá hydrocarbon trong các mẫu đất và nước bị ô

nhiễm dầu ở Việt Nam [117] Chủng nấm men Trichosporon asahii QN-B1 phân

lập tại Quảng Ninh được phát hiện có khả năng tạo màng sinh học tốt ở độ pH từ

3-7, có khả năng phân hủy 90% phenol với nồng độ ban đầu là 200ppm sau 7 ngày

nuôi cấy ở 30oC [118] Nghiên cứu của Cung Thị Ngọc Mai (2019) đã tuyển chọn

được 7 chủng vi khuẩn và 2 chủng nấm men bao gồm Rhodococcus sp BQN11,

Paracoccus sp DG25, Ochrobactrum sp DGP2, Pseudomonas sp DGP4,

Pseudomonas sp DGP8, Acinetobactersp QND10, Rhodococcus sp VTPG5 C

viswanathii TH1 và Candida sp TH4 từ các vị trí ô nhiễm dầu Các chủng VSV có

khả năng tạo màng sinh học tốt ở pH 5, 30oC có khả năng phân hủy lên đến 99 8%

phenol, 76 07% pyrene, 65 4% anthracene và 35 7% iso-pentybenzene trong điềukiện nuôi cấy phòng thí nghiệm với nồng độ ban đầu từ 100-200 ppm [119]

Sử dụng giá thể vi sinh vật có rất nhiều ưu điểm như tăng mật độ vi sinh vậttham gia xử lý, đem lại hiệu quả xử lý và ổn định Vật liệu sử dụng làm giá thểđược dùng trong xử lý ô nhiễm nước rất đa dạng như xơ dừa, sỏi nhẹ, bông xốp, bèotây khô… Hiện nay nhiều công nghệ xử lý nước thải sử dụng giá thể cho hệ vi sinh

đã được phát triển như Membrane bioreactor (MBR), Moving bed biofilm reactor(MBBR)…và đều đem lại hiệu quả cao trong quá trình xử lý [120, 121, 122] Năm

2016, Lê Thị Nhi Công và cộng sự đã nghiên cứu màng sinh học của hỗn hợp cácchủng vi khuẩn và nấm men gắn trên xơ dừa, vừa là chất hấp phụ, vừa là giá thể Hiệu quả phân hủy các thành phần hydrocarbon khó phân hủy có trong nước thảinhiễm dầu nhờ hệ thống màng sinh học từ vi sinh vật gắn trên xơ dừa đạt > 99% sau

7 ngày thử nghiệm, đạt tiêu chuẩn nước thải loại B của Việt Nam [117] Năm 2017,

Đỗ Văn Tuân và cộng sự đã thiết kế hệ thống xử lý sinh học nước thải nhiễm dầuquy mô 20 000 lít/mẻ tại kho xăng dầu Đỗ Xá, Thường Tín, Hà Nội sử dụng màngsinh học gắn trên xơ dừa Sau 7 ngày xử lý, 99 9% các thành phần hydrocarbontrong nước thải nhiễm dầu, 99,9% phenol và trên 94,8% các thành phần

hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) đã được loại bỏ [123]

Việc sử dụng các chủng vi khuẩn kị khí hoặc vi hiếu khí, nấm men có khả năng tạo màng sinh học phân hủy hydrocarbon dầu mỏ là một giải pháp khắc phục

ô nhiễm do dầu mỏ Đặc biệt, VKTQH được công bố là có khả năng trao đổi chất linh hoạt, sử dụng nhiều loại cơ chất trong đó có hydrocarbon dầu mỏ… đang là nhóm vi khuẩn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường Nghiên cứu và ứng dụng VKTQH tạo màng sinh học nhằm xử lý hydrocarbon dầu mỏ vừa có ý nghĩa về nghiên cứu cơ bản và ý nghĩa nghiên cứu ứng dụng Tuy nhiên, hiện nay những nghiên cứu về khả năng phân hủy/chuyển hóa các hợp chất hydrocarbon dầu mỏ ở VKTQH tạo màng sinh học ở nước ta còn chưa nhiều Do vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi sẽ đề cập tới khả năng tạo màng sinh học của một số chủng VKTQH phân lập từ các địa điểm ô nhiễm dầu cũng như hiệu quả phân huỷ các hợp chất hydrocarbon trong dầu mỏ bởi màng sinh học đơn chủng và đa chủng VKTQH trên các loại giá thể, từ đó đưa

ra giải pháp xử lý ô nhiễm dầu ở một số dạngmô hình với quy mô phòng thí nghiệm