Đặt vấn đề Sự tác động từ các điều kiện tự nhiên (nắng, mưa, gió, bão, .) thường khiến các vật liệu xi măng truyền thống hình thành vết nứt, gây ảnh hưởng xấu đến độ bền và tính an toản của cấu trúc cơ sở hạ tầng. Trong một số nghiên cứu trước đây khi các nhà khoa học nghiên cứu về phương pháp thay thế cho vật liệu xi măng truyền thống, họ đã đưa ra tính khả thi khi bổ sung vi sinh vật có khả năng tạo kết tủa trong điều kiện môi trường thích hợp sẽ san sinh ra lượng chất kết đính giúp hàn gắn các vét nứt bê tông. Kết tủa calcite cảm ứng bằng vi sinh vật là một trong những phương pháp tiếp cận mới và thân thiện với môi trường nhằm cải thiện các đặc tính của cốt liệu tái chế. Đây là quá trình sản xuất calcium carbonate với sự hiện diện của urea, calcium chloride va vi khuẩn Bacillus subtilis QN7.
Vi khuẩn đóng vai trò là trung tâm thu hút các ion Ca?" đến gần tế bao do mảng tế bào điện tích âm. Đồng thời, nhờ khả năng tạo enzyme urease thúc đây quá trình thủy phân urea, calcium carbonate được sản xuất trong điều kiện thích hợp sẽ giúp tạo ra sự liên kết bền chặt giữa từng hạt đất với độ bền nén cao và khả năng thấm nước thấp. Tuy nhiên, nồng độ pH quá cao sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật, đẫn đến giảm hiệu quả khoáng hóa (Masahiro va ctv, 2017). Vì thế nên, bé sung vi sinh vật vào cốt liệu tái chế đòi hỏi phải đáp ứng các yếu tố hình thành xi măng sinh học, mà trong đó điều kiện môi trường nuôi cấy là một trong những ưu tiên hàng đầu.
Muc tiêu của đề tài Khảo sát các điều kiện môi trường thích hợp cho khả năng tạo kết tủa calcite của vi khuẩn Bacillus subtilis QNT. Nội dung thực hiện Khảo sát ảnh hưởng các điều kiện môi trường nuôi cấy đến mật độ tế bào của chủng vi khuẩn Bacillus subtilis QNT. Khảo sát ảnh hưởng các điều kiện môi trường nuôi cấy đến khả năng tạo kết tủa calcite của chủng vi khuẩn Bacillus subtilis QN7. Bồ trí thí nghiệm đơn yếu tổ các điều kiện môi trường nuôi cấy ảnh hưởng đến mật độ tế bào và khả năng tạo tủa calcite của chủng vi khuan Bacillus subtilis QN?.
TONG QUAN TÀI LIEU 2. Kết tủa calcite cảm ứng bằng vi sinh vật Kết tủa calcite do vi sinh vật gây ra (MICP — Microbially Induced Calcite Precipitation) là một quá trình sinh hoc tự nhiên sử dụng hoạt động của enzyme va sự trao đổi chất của vi sinh vật trong quá trình sinh trưởng và sinh san để tạo ra một số anion, sau đó kết hợp với các cation trong môi trường để tạo thành kết tủa calcite (CaCO3) (DeJong va ctv, 2013; Li va ctv, 2013). Được biết đến là một trong những kỹ thuật thân thiện với môi trường, MICP trở thành trọng tâm của nhiều nghiên cứu thông qua những lợi ích mà chúng đem lại. Trong một số nghiên cứu (Ivanov và ctv, 2008; Phillips và ctv, 2013; DeJong và ctv, 2014; Umar và ctv, 2016; Krajewska, 2018), các ứng dụng kỹ thuật tiềm năng của MICP được trình bày, đặc biệt là vai trò của MICP trong đất được nhấn mạnh.
So với các kỹ thuật truyền thông nhằm cải thiện các đặc tính cơ lý hóa học của đất, phương pháp cải tiến sử dụng vi sinh vật được kỳ vọng sẽ thân thiện hơn với môi trường. Trong quá trình MICP, calcite được kết tủa và lắng đọng vào các hat đất giúp tăng cường liên kết giữa các hạt đất; do đó, cải thiện cường độ và độ cứng của đất, cũng như giảm tính thấm va khả năng xói mòn của đất (Martinez và ctv, 2009; DeJong và ctv, 2010; Al Qabany và ctv, 2013; Krajewska, 2018). Hơn nữa, MICP còn cho thấy vai trò quan trọng trong việc ôn định đất (Ivanov, 2008; DeJong và ctv, 2010), sửa chữa các di tích đá vôi (Delong và ctv, 2010), sửa chữa vết nứt trong bê tông (DeBelie và ctv, 2006), cải thiện cường độ cát (Nemati và ctv, 2003), xử lý nước thải (Hammes và ctv, 2003), giảm sự di chuyền của kim loại nặng, các chất hữu cơ và làm giảm khả năng hóa lỏng của cát (Sharaky và ctv, 2018). Tế bao vi sinh vật trong MICP đóng vai trò là nơi tạo mam cho kết tủa các khoáng chất calcite do bề mặt tích điện âm thu hút các ion Ca?* mang điện tích dương ở pH trung tính và cung cấp các vị trí tạo mầm không đồng nhất.
Nhiều nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu đến một số chủng Bacillus chang hạn như Achal và ctv (2009) nghiên cứu chủng Bacillus pasteurii va Bacillus sp. CT15 (Whiffn va ctv, 2007; Sarda va ctv, 2009) có khả năng liền vết nứt, giảm tinh thấm của chloride. Cơ chế tạo tủa calcite của chủng vi khuẩn Bacillus sp. Trong tự nhiên, vi khuẩn có khả năng tạo tủa calcite bằng nhiều cơ chế khác nhau như quang hợp (Bundeleva và ctv, 2012), thủy phân urea (Stocks-Fischer và ctv, 1999; Fujita va ctv, 2008; Cheng va ctv, 2013), khử sulfide (Deng và ctv, 2010), oxy hoa methane (Ganendra va ctv, 2014; Ganendra, 2015), khử nitrat (Pham va ctv, 2016; Hamdan va ctv, 2017).
Mỗi cơ chế dựa trên những con đường hóa học khác nhau và có vai trò chủ đạo trong quá trình tạo kết tủa calcite. Tuy nhiên, quá trình tạo kết tủa calcite thông qua con đường thủy phân urea bang enzyme urease của các vi khuan là cơ chế được nghiên cứu và khai thác nhiều nhất vì điều kiện dé kiểm soát và có hiệu quả kết tủa đến 90% calcite trong thời gian ngắn và do đó, đóng vai trò quan trọng trong việc ôn định dat (Al Thawadi, 2011). Các nhóm vi khuẩn mang hoạt tính urease có thê tạo kết tủa calcite trong môi trường kiềm thông qua con đường chuyên hóa urea thành ammonium và carbonate. Sự phân hủy urea làm tăng pH cục bộ và tăng sự lắng dong của các tinh thé calcite đóng vai trò là thành phan han gắn vết nứt.
Theo phân tích của Al Thawadi (2011), quá trình hình thành kết tủa calcite nhờ vi sinh vật thông qua con đường thủy phân urea có thé chia thành 4 giai đoạn: (1) thủy phan urea, (1) sự gia tăng pH của môi trường vi mô, (iii) sự hấp thụ ion Ca?" lên bề mặt, (iv) tạo mam và hình thành tinh thé calcite. Vi khuẩn có tính xúc tác thủy phân urea (CO(NH2)2) thành ammonia (NH¿`) và carbon dioxide (CO3?) qua các phản ứng trung gian. Trong đó, sự chuyền dịch pH và sự hiện diện của nước thúc day quá trình hòa tan phân ly diễn ra (Al Thawadi, 2011). Cơ chế cụ thê cua từng giai đoạn được mô ta qua các phan ứng sau: CO(NHạ); ví khuẩn, NH;COOH + NH; NEbCOOH +50 + NH; + HạCOs HạCOa © HCOx + Ht NH; + HO © NHit + 20H HCO3 + H + 20H c CO; + 2H20 Ca2* + Cell = Cell = Ca?* Cell — Ca2* + CO; >= Cell = CaCO3 Enzyme urease xuc tac qua trinh thuy phan urea thanh amomonia va acid carbamic.
Sau đó, acid carbamic sẽ tự thủy phan thành ammonia va acid carbonic. Hai sản pham NH3 và H2CO; tiếp tục được cân bang trong nước tạo dang bicarbonate, ammonium và ion hydroxide. Sự xuất hiện của ion hydroxide làm tăng pH xúc tác phản ứng thuận nghịch cân bằng bicarbonate tạo thành các ion carbonate. Tiếp theo, phản ứng thuận nghịch này sẽ tạo kết tủa với các ion kim loại.
Sự hình thành ion NH,* làm tăng pH cục bộ đồng thời phản ứng tiếp tục xảy ra tạo kết tủa calcium carbonate (Ferris và ctv, 1996; Mitchell va ctv, 2005). Cuối cùng, kết tủa CaCO; xảy ra tại bề mặt tế bao vi khuẩn khi có đủ nồng độ của Ca?” và CO3”. Bởi vì việc tạo ra tinh thé CaCO; nhờ vi khuẩn phải thong qua một quá trình biến dưỡng phức tạp, nên quá trình này chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nhiều yếu tố, chủ yếu nhờ các yếu tổ chính sau: (i) nồng độ calcium, (ii) nồng độ carbon vi cơ hòa tan, (iii) độ pH của môi trường và (iv) vị trí tâm hoạt động có sẵn trên bề mặt vi khuẩn (Liu và ctv, 2022). Trong đó ba yếu tố đầu tiên là những điều kiện môi trường có khả năng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính của vi khuẩn.
Ngoài ra, yếu tố cuối cùng (vị trí tâm hoạt động) có vai trò quyết định đến khả năng tạo tua calcite của vi khuẩn. Các chủng vi khuẩn có hoạt tinh cao phải có khả năng cố định được càng nhiều Ca?* trên bề mặt tế bao và các vấn đề cần quan tâm khi tuyển chọn chủng vi sinh vật sử dụng cho các công trình gồm có: (i) Tính an toàn của các chủng vi khuẩn, những vi khuẩn được chọn được sử dụng phục vụ cho con người phải an toan sinh học và không gây bệnh, (ii) Có khả năng tồn tai lâu dài trong môi trường và chịu được các điều kiện khắc nghiệt trong vật liệu. Chính vì vậy, hiện nay khi sàng lọc các vi khuẩn tạo tủa calcite, các nhà nghiên cứu ưu tiên hướng đến những vi khuẩn có khả năng tạo bảo tử, bào tử vi sinh vật có thé tồn tại hàng trăm năm dưới dạng tiềm ân qua giai đoạn khắc nghiệt; khi gặp điều kiện thuận lợi sẽ nảy mầm và phát triển. Đồng thời với những mục đích chuyên biệt, việc sàng lọc các loại vi khuẩn cũng có những yêu cầu riêng (ví dụ khả năng chịu kiềm, khả năng chịu mặn, ky khi/hiéu khí).
Vi vậy, yêu cầu đầu tiên đặt ra khi ứng dụng các vi khuẩn tạo tủa calcite là phải có được chủng vi khuẩn và môi trường nuôi cấy thích hợp với điều kiện địa phương. Một số chủng vi khuẩn được biết đến có hoạt tính urease như Helicobacter pylori, Proteus vulgaris, Staphylococcus aureus, Sprorosarcina pasteurii, Pseudomonas aeruginosa. Trong đó chủng Bacillus sp. được sử dụng phổ biến nhất bởi hoạt tinh urease cao và không gay bệnh.
Đặc điểm chung của vi khuẩn Bacillus sp. Sơ lược về chủng vi khuẩn Vi khuẩn Bacillus sp. có hình que, thường là Gram dương, có khả năng di động, hô hấp hiếu khí hay kị khí tùy nghi, hầu hết có phản ứng catalase dương tính và sử dụng khí oxi làm chất nhận electron trong quá trình trao đổi chất. Vi khuẩn chi Bacillus phan lớn được tìm thay trong môi trường tự nhiên.
Khả năng nuôi cấy dễ dàng, hap thụ kim loại nặng và kết tinh sinh học dé tạo thành calcite đã khiến chúng trở thành vi khuân đầy hứa hẹn cho mục đích khoáng hóa sinh học trong ngành xây dung.