Nghiên cứu khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học của vi khuẩn nhằm ứng dụng loại CADIMI từ đất ô nhiễm

Gần đây, phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặngnói chung và Cd nói riêng bằng chất hoạt hóa bề mặt sinh học CHHBMSH do vi sinh vật tạo rathu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nh

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Công nghệ Sinh học,Viện Đại học Mở Hà Nội đã tận tình giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức cơ bản trong 4 năm học tại trường

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Kiều Thị Quỳnh Hoa, Trưởng phòng Phòng Vi sinh vật dầu mỏ, Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệp quý báu giúpem thực hiện khóa luận tốt nghiệp Em cũng xin cảm ơn tập thể cán bộ Phòng Vi sinh vật dầu mỏ, Viện Công nghệ Sinh học đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em thực tập tại phòng

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè những người đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Ngô Thị Hiền

Khóa luận tốt nghiệp Ngô Thị Hiền

MỤC LỤC

KÍ HIỆU VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Ô nhiễm cadimi 3

1.1.1 Tính độc hại của cadimi 3

1.1.2 Nguồn thải của cadimi 4

1.1.3 Tác động của cadimi đến môi trường và con người 5

1.2 Một số phương pháp xử lý cadimi 6

1.2.1 Phương pháp hóa học 6

1.2.2 Xử lý bằng phương pháp hóa lý 6

1.2.3 Phương pháp sinh học 7

1.3 Chất hoạt hóa bề mặt sinh học 8

1.3.1 Khái niệm chất hoạt hóa bề mặt sinh học 8

1.3.2 Phân loại chất hoạt hóa bề mặt sinh học 8

1.3.3 Tính chất của chất hoạt hóa bề mặt sinh học 12

1.3.4 Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong đời sống 12

1.3.5 Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học đến xử lý ô nhiễm Cd 13

1.4 Phương pháp xử lý kim loại nặng bằng chất hoạt hóa bề mặt sinh học 14

1.4.1 Vi khuẩn có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học 14

1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng hợp chất hoạt hóa bề mặt sinh học 14

1.4.2.1 Ảnh hưởng của nguồn carbon 14

1.4.2.2 Ảnh hưởng của nitơ 14

1.4.2.3 Ảnh hưởng của các yếu tố pH 15

1.4.2.3 Ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ 15

PHẦN 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

2.1 Vật liệu 16

2.1.1 Chủng vi khuẩn 16

2.1.2 Hóa chất và môi trường nuôi cấy 16

Khóa luận tốt nghiệp Ngô Thị Hiền

2.2 Phương pháp nghiên cứu 17

2.2.1 Phương pháp xác định hình thái khuẩn lạc và tế bào vi khuẩn 17

2.2.2 Phân loại vi khuẩn nghiên cứu bằng kit chuẩn sinh hoá API 50 CHB 19

2.2.3 Phương pháp đánh giá khả năng tạo CHHBMSH của các chủng vi khuẩn phân lập dựa trên chỉ số E24 19

2.2.4 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện môi trường nuôi cấy lên khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH 19

2.2.5 Phương pháp loại Cd từ đất ô nhiễm bằng CHHBMSH 20

PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20

3.1.Đặc điểm hình thái của chủng ĐM 26 20

3.2 Kết quả sốc nhiệt 21

3.3.Phân loại chủng ĐM 26 bằng kit chuẩn sinh hóa API 50 CHB 22

3.4.Ảnh hưởng của nguồn carbon đến quá trình sinh trưởng và tạo CHHBMSH 24

3.7 Đánh giá hiệu quả xử lý đất nhiễm cadimi bằng CHHBMSH tạo ra từ chủng ĐM 26 33

KẾT LUẬN 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

KÍ HIỆU VIẾT TẮT

CHHBMSH Chất hoạt hóa bề mặt sinh học

EPS Extracellular polymeric substance (polyme ngoại bào)

HKTS Hiếu khí tổng số

CMC Critical micellar concentration (hàm lượng mixen tới hạn)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Máy móc và thiết bị

Bảng 2: Kết quả thử Kít

Bảng 3 Kết quả phân tích đất

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ

Hình 1: Kim loại Cadimi

Hình 2: Chứng teo thận của bệnh itai itai gây ra do sống trong vùng ô nhiễm Cadimi

Hình 3: Công thức cấu tạo của trelaloselipid

Hình 4: Công thức cấu tạo của Sophorolipid

Hình 5: Công thức của rhamnolupid

Hình 6: Hình thái khuẩn lạc chủng vi khuẩn 26 trên môi trường

Hình 14 Khả năng nhũ hóa xylen của chủng ĐM 26 trên các nguồn nitơ khác nhau

Hinh 19 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng ĐM 26

Hình 20 Khả năng nhũ hóa xylen của chủng ĐM 26 ở các nhiệt độ khác nhau

1

MỞ ĐẦU

Kim loại nặng (Cd, Pb, Cr, Zn, Cu, Hg,…) từ quá trình sản xuất công

nghiệp, nông nghiệp, khai khoáng, luyện kim, sản xuất tái chế đồ dùng bằng kim loại gây tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường sống Những kim loại này tích tụ trong môi trường và xâm nhiễm vào cơ thể con người thông qua hô hấp, tiêu hóa, da gây nên một số bệnh về đường hô hấp, ung thư da, ung thư phổi, nhuyễn xương, rối loạn đường tiết niệu, viêm cầu thận.… Một số kim loại (Ca, Mg,

Fe, Zn) là yếu tố vi lượng cần thiết cho sự sống, tuy nhiên cũng có những kim loại

(Cd, Hg, Pb…) không cần thiết cho sự sống mà gây hại đến sức khỏe con người

cũng như các sinh vật khác

Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý Cd như phương pháp kết tủa hóa học, phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion,…Tuy nhiên, các phương pháp này thường gây ra ô nhiễm thứ cấp và chi phí hoạt động lớn Gần đây, phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặngnói chung và Cd nói riêng bằng chất hoạt hóa bề mặt sinh học (CHHBMSH) do vi sinh vật tạo rathu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới CHHBMSH là hợp chất sinh học chứa hai nhóm chức ưa nước và kị nước trong cùng một phân tử Do đó, CHHBMSH có thể làm giảm sức căng bề mặt và lực hút tĩnh điện ở bề mặt tiếp xúc giữa hai pha (lỏng-lỏng; lỏng-rắn); giúp chúng dễ dàng tiếp xúc và tạo phức với kim loại nặng

Phương pháp này được đánh giá cao bởi ưu điểm: giá thành phù hợp, xử lý triệt để, an toàn với môi trường dokhả năng phân hủy sinh học nên không gây ô nhiễm thứ cấp, tạo bọt cao, chịu nhiệt, pH và chịu lực ion tốt

Cùng với chì và thủy ngân, cadimi (Cd) là kim loại nặng độc hại đối với

con người và môi trường sống Vì vậy,chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài

“ Nghiên cứu khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học của vi khuẩn

nhằm ứng dụng loại cadimi từ đất ô nhiễm”

2

CHHBMSH của chủng vi khuẩn

CHHBMSH tạo ra bởi chủng vi khuẩn nghiên cứu

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Ô nhiễm cadimi

1.1.1 Tính độc hại của cadimi

Cadimi (tên Latin là Cadimium, viết tắt là Cd) là nguyên tố hóa học thuộc nhóm IIB trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev; số thứ tự nguyên tử là 48;

mềm dẻo, dễ uốn, không hòa tan trong nước và không dễcháy Tuy nhiên, ở dạng bột nó có thể đốt cháy và tạo ra khói độc[33]

Cadimi đã được phát hiện ra năm 1817 bởi Friedrich Stromeyer và Karl Samuel Leberecht Hermann[19].Cadimi phân bố rộng rãi trên bề mặt trái Đất, nồng

độ trung bình của Cd trong lớp vỏ Trái Đất là khoảng 0,1-0,5 ppm

Hình 1 Cadimi

Cadimi là một tạp chất phổ biến trong quặng kẽm, một số quặng sunfuakẽm chứa tới 1,4% Cd.Vì vậy, Cd được xem như một sản phẩm phụ từ việc khai thác, tinh luyệnquặng sunfua kẽm[39]

Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy, Cd là một trong những kim loại nặng nguy hiểm nhất đối với cơ thể con người Nguyên tố này cùng với các hợp chất của

4

nó là những chất cực độc,với nộng độ rất thấp chúng sẽ tích lũy trong cơ thể và gây độc cho tế bào Cadimi tích lũy sinh học trong cơ thể ảnh hưởng đến quá trình cố định Ca, gây nên chứng bệnh loãng xương, mục xương và phá hủy tủy xương Cadimicó khả năng thay thế Zn ở một số enzyme, làm thay đổi cấu trúc và chức năng của enzyme gây rối loạn tiêu hóa

1.1.2 Nguồn thải của cadimi

Trong tự nhiên: Cd có sẵn trong đất,đất bắt nguồn từ đá núi lửa có chứa lượng Cd 0,1-0,3 mg/kg, đá ngầm chứa 0,3-11 mg/kg Nhìnchung, Cd trong đất có nồng độ dưới 1mg/kg, ngoại trừ đất ở những nơi bị ô nhiễm hoặc đất hình thành trên những đá mẹ với lượng Cd cao bất thường; qua quá trình rửa trôi, xói mòn và tích tụ nên hàm lượng Cdtrong đất cao

Trong công nghiêp: Ngành công nghiệp khai thác khoáng sản-quặng, luyện kim, hàn hoặc từ các ngành công nghiệp khác như pin NiCd, xi mạ, bột màu và chất dẻo,…là nguồn thải chính gây ô nhiễm cadimi Một số nguồn khác hình thành Cd trong không khí như việc đốt nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ), đốt rác thải của thành phố (nhựa ,pin nickel-cadmium,…) cũng thải ra ngoài không khí một lượng lớn cadimi

Trong nông nghiệp: Sử dụng phân phosphate hóa học chứa hàm lượng Cd caođã và đang trở thành nguồn gây ô nhiễm Cd cho đất và nước nông nghiệp Hàm lượng Cd trong đất sử dụng phân phosphate tăng từ 0,07 đến 10mg Cd /kg đất trồng

Một số nguồn khác:Từ bùn thải sinh hoạt, Cd tích lũy trong nước cống, bùn được thải ra trong quá trình sinh hoạt hàng ngày

Khi đã có mặt trong môi trường đất, Cd dễ dàng xâm nhập vào chuỗi thức

ăn và các loại cây ngũ cốc và rau Tại Nhật Bản, nhiều báo cáo cho thấy các bệnh nhân hấp thu khoảng 600µg Cd mỗi ngày do ăn gạo bị nhiễm Cd bởi nông dân sử dụng nước sông Jintsuđể tưới tiêu, con sông này bị ô nhiễm bởi quặng và xỉ từ một nhà máy chế biến Cd[22]

Cadimi ảnh hưởng tiêu cực tới cơ thể con người, nó gây ra ung thư và tác động tới hầu hết các hệ cơ quan trong cơ thể: tim mạch, thận, mắt, cơ quan sinh sản,hệ miễn dịch, hệ thần kinh,…Khi đi vào cơ thể, Cd sẽ tác động tới thận đầu tiên; nguyên tố này tích tụ chủ yếu ở thận; sự tích tụ này có thể dẫn đến rối loạn chức năng ống thận.Với hàm lượng cao dẫn đến rối loạn trong chuyển hóa Ca hình thành sỏi thận, thiếu máu và phá hủy tủy xương[3] [38] [39]

Ngoài ra, Cd cũng liên quan đến ung thư tuyến tiền liệt, ung thư vú, những người tiếp xúc thường xuyênvới nơi bị phơi nhiễm Cd có thể bị mềm xương và loãng xương.Tại Nhật Bản, nhiễm độc Cddẫn đến bệnh về xương; biểu hiện của bênh này là xương trở nên giòn, dễ gẫy, hội chứng này đã khiến hàng trăm người tử vong Khi hít phải khói hoặc bụi chứa Cd có thể dẫn đến một loạt các triệutrứng như đau đầu, khó thở, đau ngực, ho có đờm lẫn máu hoặc có bọt và yếu cơ, nếu nghiêm trọng sẽ bị phù phổi và có thể dẫn tới tử vong (thường là do hỏng thận)[3]

Trong một điếu thuốc lá có chứa khoảng 1,5- 2,0 mg Cd và người hút thuốc hít vào 10% lượng Cd này, hút một gói thuốc lá một ngày làm tăng gấp đôi lượng

Cd đi vào cơ thể Nuốt phải một lượng nhỏ Cd có thể gây ngộ độc và tổn thương gan và thận Cơ quan Nghiên cứu Quốc tế về ung thư (IARC) cũng cho biết Cdlà một trong những chất gây ung thư ở người; Cd và hợp chất của nó được được xếp vào nhóm 2A (nhóm tác nhân hoặc hỗn hợp có thể gây ung thư cho người)

Phương pháp này dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào đất với kim loại cần tách, ở pH thích hợp tạo thành hợp chất kết tủa, đây là phương pháp nhằm hạn chế sự linh động của kim loại nặng trong đất.Đối với mỗi loại kim loại khác nhau thìpH thích hợp để kết tủa là không giống nhau Khi pH của đất lớn hơn 6.5,

vào đất sẽ có tác dụng làm giảm tính linh động của Cd, từ đây chúng có thể bị cố định nên cây trồng khó hấp thu hơn và khả năng gây độc của Cd sẽ giảm đi

7

Phương pháp trao đổi iondựa trên sự tương tác hóa học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn Sử dụng ion là nhựa hữu cơ tổng hợp, các chất cao phân

tử có gốc là hydrocarbon và các nhóm chức trao đổi ion Các vật liệu nhựa này có thể thay thế được mà không làm thay đổi tính chất vật lý của các chất trong dung dịch

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên sự chuyển từ dạng này sang dạng khác bằng cách thêm electron khử hoặc bớt đi electron một cặp bởi sự cho nhận electron Dựa trên các tính chất vật lý và hóa học của đất để tiến hành phản ứng oxy hóa- khử tạo kết tủa làm giảm tính linh động và cố định Cd

Phương pháp hấp phụ là quá trình hấp phụ chất ô nhiễmhòa tan ở bề mặt ranh giới giữa pha lỏng và pha rắn Thông thường quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt, tùy theo lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mà người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

1.2.3 Phương pháp sinh học

Hiện nay, người ta đã tìm ra nhiều loại vi sinh vật, thực vật và các chất có hoạt tính sinh học nhằm loại bỏ Cd trong đất

kim loại nặng.Trong môi trường tự nhiên vi khuẩn Citrobacter sp có khả năng hấp

thu Cd lên tới170 % so với trọng lượng khô

đến công nghệ sử dụng thực vật xử lý môi trường ô nhiễm do diện tích ô nhiễm ngày càng tăng Một số loại thực vật đặc biệt có thể hấp thu hay tồn tại được với nồng độ kim loại cao Dựa vào đặc tính đó, người ta phát triển phương pháp mới để

giải quyết ô nhiễm đất gọi là “Phetoremediation”, dùng thực vật để giảm thiểu ô

nhiễm kim loại nặng[43] Cỏ Vetiver được biết đến là loại thực vật có sức chống chịu với Cd trong môi trường đất là rất lớn, cỏ vetiver không chỉ có khả năng sinh trưởng, phát triển tốt trong đất có hàm lượng Cd từ 10-40ppm, mà còn có khả năng hấp thụ và tích lũy Cd trong cây cao[4]

8

sản phẩm do vi sinh vật tạo ra

1.3 Chất hoạt hóa bề mặt sinh học

1.3.1 Khái niệm chất hoạt hóa bề mặt sinh học

Chất hoạt hóa bề mặt sinh học (CHHBMSH) là những hợp chất có cấu trúc

đa dạng về hoạt tính bề mặt được tổng hợp bởi vi sinh vật Tất cả CHHBMSH là hợp chất lưỡng cực, có cấutạo gồm một nhóm ưa nước (thường là phân tử đường hoặc amino acid) và một nhóm kị nước (thường là acid béo) có khả năng làm giảm sức căng bề mặt giữa các phân tử[1].Phần ưa nước thường là các nhóm acid amin, peptide, sacarit đơn, đôi, polysaccarit hay một nhóm phosphat Phần kị nước thường

là acid béo có mạch carbon dài, no hoặc không no[25]

Các CHHBMSH có cấu trúc hóa học và kích thước phân tử khác nhau từ đơn giản như các acid béo đến phức tạp như hợp chất polymer [33] Các CHHBMSH thường tiết ra bên ngoài tế bào phổ biến nhất là glycolipid trong đó carbohydrates được gắn liền với một chuỗi dài axit béo, trong khi những chất khác

CHHBMSH được tạo ra cả ở trên các cơ chất không tan trong nước lẫn cả tan trong nước, nó được tạo ra do phản ứng thích nghi với môi trường không thuận lợi, độc hại và có xu hướng tạo ra nhiều trên các cơ chất không hòa tan trong nước[12]

1.3.2 Phân loại chất hoạt hóa bề mặt sinh học

CHHBMSH là một nhóm rất đa dạng và có cấu trúc hóa học khác nhau, chủ yếu được phân loại dựa vào thành phần hóa học và nguồn gốc vi sinh vật tạo ra

Phân loại dựa vào thành phần hóa học:

ứng dụng nhiều nhất và có hoạt tính mạnh Glucolipid gồm các loại sau:

và C6’ của mỗi glucose với các phân tử acid mycolic[7],ở các sinh vật khác nhau thì

chuỗi dài axit béo hydroxy

khác nhau được tìm thấy trong h

tử glucose liên kết với nhau

Hình

Sophorolipid do nhi

T.bombicola, T petrophilum, T apicola

9

ủa acid mycolic, số carbon nguyên tử, và mứ

3 Công thức cấu tạo của trelaloselipid

ật thuộc thành viên của chi Mycobacterium bào[12].Một số loại khác của trehalose ch

t số vi sinh vật thuộc nhóm mycolates như Mycobacterium, Arthrobacter, Nocardia và Gordonia[7]

Sophorolipid: do một phân tử đường sophorose được liên k

ài axit béo hydroxy, có ít nhất sáu đến chín sophorosides liên k

ấy trong hỗn hợp CHHBMSH[20].Phân tử đư

i nhau, nhóm OH ở vị trí C6 và C6’ bị acetyl hóa

Hình 4 Công thức cấu tạo củaSophorolipid

o nhiều chủng nấm men thuộc chi Torulopsis T.bombicola, T petrophilum, T apicola và các loài nấm men nh

Torulopsis sản xuất như

m men như Candida

10

apicola, Thodotorula bogoriensis, Wickerhamiella domercqiae, và Starmerella bombicola[11]

• Rhamnolipid: do phân tử rhamnoza liên kết với một hoặc hai phân tử β

acid-hydroxydecacnoic, gồm có 4 loại: 2 phân tử đường liên kết với 2 phân tử acid, 2 phân tử rhamnose liên kết với 1 phân tử acid, 1 phân tử đướng liên kết với 2 phân tử acid, và một phân tử đường liên kết với một phân tử acid[15]

Hình 5 Công thức của rhamnolupid

men bao gồm các acid béo mạch thẳng, acid béo phức hợp chứa nhóm OH và

nhóm ankyl (corynomucolic)[26][29]

vật sinh trưởngtrên các cơ chất là ankan thì hàm lượng phospholipid tăng

mạnh[30].Một số chủng có khả năng tạo phospholipid nhưAcnetobacter sp, Thiobacillus Thioxydans, Athrobacter AK-19, Pseudomonas, Aeruginose 44T1 và Aspergillus spp

Chủng Bacillus subtilis ATCC 21332 có khả năng tạo lipolipid có hoạt tính cao, là một trong những CHHBMSH mạnh nhất Nó làm giảm sức căng bề mặt của nước từ 72mN/m xuống còn 27,9 mN/m ở nồng độ thấp 0,005%[32] Hơn nữa, nó cókhả năng kháng khuẩn, kháng virus, kháng nấm, antimycoplasma và các hoạt động tán huyết

Emulsan do Acinetobacter calcoaceticus RAG-1 (ATCC 31012) tạo ra, đơn

phân của nó chứa một trisacarid liên kết với hai acid béo Emulsan là một tác nhân nhũ hóa rất hiệu quả đối với hydrocarbon trong nước thậm chí ở nồng độ thấp 0,001 đến 0.01%[10]

Lyposan tạo ra từ Candida Lypolytica, là một chất nhũ hóa ngoại bào, hòa

tan trong nước, trong cấu trúc của nó chứa 17% protein và 83% hydrocarbon, các hydrocarbon trong lyposan gồm glucose, glactose, galactosamin, acid galactorunic [23]

Candida tropicals đã sản xuất ra một loại phức hợp manan-acid béo trên

môi trường ankan[10]

Manoprotein sp Sacharomyces cerevisiae taọ ra chứa 44% manose và 17%

protein

Pseudomonas aeruginosa P-20 tạo ra một peptidoglycolipid chứa 52 acid

amin, 11 acid béo, 1 đường[12]

Cyanobacteria phormidium J-1 tạo ra các CHHBM là bioflocculant và

12

1,158 g/ cm3 chứa protein, phospholipid và lipopolysaccharide, chứa 5 phần

phospholipid và khoảng 350 phần polusacarid [24]

1.3.3 Tính chất của chất hoạt hóa bề mặt sinh học

CHHBMSH có một số tính chât hóa học như độc tính thấp, khả năng phân hủy sinh học cao, tạo bọt cao, chịu nhiệt, pH và chịu lực ion tốt[12] [28]

CHHBM có hoạt tính tốt có thể làm giảm sức căng bề mặt của nước từ 72 mN/m xuống 1 mN/m[1].Rhamnolipd làm giảm sức căng bề mặt của nước xuống 25-30 mN/m và sức căng bề mặt giữa pha nước với hexandecan xuống dưới

1mN/m Sophorolipid do Torulopsis bomlicola tạo ra làm giảm sức căng bề mặt của

nước xuống 33mN/m và làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha nước và hexandecan xuống 5mN/m[27]

So với các chất hoạt hóa bề mặt hóa học(CHHBMHH)thì các CHHBMSH phân hủy dễ dàng hơn và có tính độc thấp hơn Do không độc và dễ dàng phân hủy, giá thành sản xuất lại rẻ nên chúng được ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm và xử lý môi trường

Các CHHBMSH khối lượng phân tử cao có khả năng nhũ hóa tốt hơn các

CHHBMSH có khối lượng phân tử thấp Các Sophorolipid có khả năng làm giảm

sức căng bề mặt nhưng khả năng nhũ hóa không cao[11].Ngược lại, các

CHHBMSH tạo ra từ các chủng vi khuẩn thuộc chi Acinetobactercó nhũ hóa cao

nhưng khả năng làm giảm sức căng bề mặt thấp

CHHBMSH là nhóm đa cấu trúc, mỗi loài vi sinh vật khác nhau có thể tạo

ra các loại CHHBMSH khác nhau có bản chất và trọng lượng phân tử khác nhau Với sự đa dạng này mà chúng có những đặc tính như tạo bọt, giữ ẩm, hòa tan, khả năng hoạt động bề mặt và khả năng nhũ hóanên CHHBMSH được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp

1.3.4 Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong đời sống

13

CHHBMSH được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, khai thác dầu mỏ, thuộc da, thu hồi dầu, công nghệ hóa học, mỹ phẩm, dược phẩm, thực phẩm và y học với đặc tính là nhân tố làm ướt, tạo bọt, hoạt động bề mặt, nhũ tương hoá

như lecithin và các dẫn xuất của nó, este acid béo chứa glycerol, sorbitan, ethylene glycol và các dẫn xuất của ethyoxylated monoglycerides đượcsử dụng như là chất tạo nhũ trong các ngành công nghiệp thực phẩm trên toàn thế giới[9].CHHBMSH được dùng trong sản xuất bánh mì và các sản phẩm thịt, nó ảnh hưởng đến đặc tính của bột hoặc nhũ tương của mô mỡ

kem dưỡng da, chất khử mùi,sản phẩm chăm sóc móng tay và kem đánh răng,…Sophorolipid được Công ty TNHH Kao được xem là một chất giữ độ ẩm cho nhãn hiệu mỹ phẩm trang điểm Sofina Qua quá trình phát triển và lên men để sản xuất sophorolipid, công ty này đã tìm ra được ứng dụng trong các sản phẩm như son môi và kem dưỡng ẩm cho da và tóc

Succinoyl-trehaloselipid được tạo ra bởiRhodococcus erythropolishas có khả năng

ức chế virus herpes simplex và virus cúm với liều gây chết là 10 đến 30 µg/ml[34][35] Sunfactin là một trong những CHHBMSH có thể ức chế hình thành cục máu đông sợi huyết và hình thành các kênh ion trong màng lipid.Một số CHHBMSH có tính kháng khuẩn mạnh, kháng nấm và kháng virus, do các cấu trúc

đa dạng của CHHBMSH[42]

trong lĩnh vực chế biến bột giấy và giấy, than đá, dệt may và chế biến quặng uranium

1.3.5 Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học đến xử lý ô nhiễm Cd

Ngoài những ứng dụng trên CHHBMSH còn được sử dụng trong xử lý đất

bị ô nhiễm kim loại nặng Đây là phương pháp mang lại hiệu quả cao trong việc phục hồi đất bị ô nhiễm Wang và Mulligan (2004) đã đánh giá tính khả thi của việc

14

sử dụng bọt Rhamnolipid để loại bỏ Cd từ đất cát, hiệu quảloại Cd lên tới 73.2% [37]

Một nghiên cứu khác cho thấy, chủng Serratia sp có khả năng tạo polymer

ngoại bào (EPS), có khả năng liên kết với kim loại, 1g EPS hấp thụ được 170 mg Cd[36]

1.4 Phương pháp xử lý kim loại nặng bằng chất hoạt hóa bề mặt sinh học

1.4.1 Vi khuẩn có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học

Trong tự nhiên có rất nhiều vi sinh vật có khả năng tạo CHHBMSH như vi khuẩn, nấm men, xạ khuẩn,… trong đó vi khuẩn chiếm đa số.Một số vi khuẩn tạo ra CHHBMSH nhằm thích nghi với các điều kiện môi trường sống đặc biệt như trong các bể chứa dầu, đất, trong đại dương [33]

Yakimov và cộng sự(1995) đã phân lập được chủng Bacillus licheniformis

BSA50, có khả năng sinh trưởng kị khí trong môi trường có bổ sung glucose và 0.1% NaCl tạo ra CHHBMSH có tên là lichenysin[40]

1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng hợp chất hoạt hóa bề mặt sinh học

1.4.2.1 Ảnh hưởng của nguồn carbon

Nguồn carbon là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và tạo CHHBMSH của vi sinh vật.Chủng

Pseudomonasaeruginosa tạo ra một chất giống protein trên nguồn hydrocarbon

nhưng không tạo ra trên glucose, glycerol hoặc axit palmitic[18] Đối với chủng

Pseudomonas aeruginosa khi nuôi cấy trên môi trường chứa glycerol bổ sung thêm

glucose, acetate, succinate hoặc citrate vào môi trường thì rhamnolipid giảm

mạnh[17][18] Loài Torulopsis petrophilum không sản xuất bất kỳ một loại

glycolipids nào khi nuôi trên một môi trường có chứa bất cứ nguồn carbon hòa tan trong nước[11]

1.4.2.2 Ảnh hưởng của nitơ

Nguồn nitơlà một trong những thành phần không thể thiếu cho vi khuẩn

sinh tổng hợp CHHBMSH Đối với chủngA paraffineusis thì CHHBMSH tạo ra

15

nhiều khi thêm các acid amin như acid aspartic, acid glutamic, asparagine, và

glycine vào môi trường nuôi cấy [13].Tương tự, với chủng B licheniformis BAS50

hàm lượng lichenysin-A tăng lên gấp hai hoặc bốn lần khi thêm gutalic và asparagine vào môi trường

nhất cho việc sản xuất CHHBMSH ở chủng Pseudomonastrain44T1 và Rhodococcus ST-5 sinh trưởng trên dầu oliu và dầu hỏa[31]

1.4.2.3 Ảnh hưởng của các yếu tố pH

Ngoài nguồn cacbon và nguồn nitơ thì các yếu tố pHcũng ảnh hưởng tới quá trình sản xuất CHHBMSH của vi sinh vật.Độ pH của môi trường đóng một vai

trò quan trọng trong sản xuất sophorolipid bởi chủng T.bombicola[14].Khoảng pH 7-9 thích hợp cho sự sinh trưởng và tạo CHHBMSH củac chủngBacillus licheniformis F2

Powalla và cộng sự chứng minh rằng sản xuất lipid penta và disaccharide

bởiN corynbacteroidesis giới hạn trong phạm vi pH 6,5 đến 8[16]

1.4.2.3 Ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ

Nhiệt độ là yếu tố không thể thiếu trong quá trình tạo CHHBMSH của vi

sinh vật Với chủng A paraffineus ATTCC19558, Rhodotorua erythropolis và Pseudomonas spDSM-2874 nhiệt độ lại đóng vai trò quan trọng, nó dẫn đến sự thay

đổi thành phần trong sản xuất CHHBMSH Loài Thermophilic Bacillussp sinh

sự, 1991)[5][6]