Nghiên cứu khả năng phân giải carbazole của vi khuẩn trong đất nhiễm dioxin tại sân bay Biên Hòa

Chuyên đề nghiên cứu Khả năng phân giải carbazole của vi khuẩn trong đất nhiễm dioxin tại sân bay Biên Hòa, cập nhật xu hướng mới, giá trị tham khảo

• Tác giả: Phạm Thị Huệ
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Minh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Khả Năng Phân Giải Carbazole Của Vi Khuẩn Trong Đất Nhiễm Dioxin Tại Sân Bay Biên Hòa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về carbazole
• 1.2. Đặc điểm hóa lý và cấu trúc phân tử
• 1.3. Ứng dụng của carbazole
• 1.4. Độc tính của carbazole
• 1.5. Các con đường phân hủy carbazole
• 1.5.1. Xử lý carbazole bằng phương pháp vật lý và hóa học
• 1.5.2. Xử lý carbazole bằng biện pháp sinh học
• 1.5.3. Vi khuẩn phân giải carbazole
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu nghiên cứu
• 2.2. Hóa chất và thiết bị
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Làm giàu hệ vi sinh vật đất có khả năng phân giải carbazole
• 2.3.2. Đánh giá khả năng phân giải carbazole của hệ vi sinh vật
• 2.3.3. Đánh giá ảnh hưởng của D-glucose đến tốc độ phân giải carbazole
• 2.3.4. Phương pháp xác định nồng độ carbazole
• 2.3.5. Các phương pháp phân lập vi khuẩn phân giải carbazole
• 2.3.6. Thử nghiệm sinh hóa vi khuẩn
• 2.3.7. Các phương pháp tách chiết DNA và kiểm tra sản phẩm tách
• 2.3.8. Phương pháp phân tích trình tự 16S rDNA và dựng cây phân loại
• 2.3.9. Phương pháp phân tích Metagenomic
• 2.3.10. Phương pháp phân tích trình tự Whole Genome
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hệ vi sinh vật phân giải carbazole làm giàu từ đất nhiễm dioxin
• 3.2. Khả năng phân giải carbazole của hệ vi sinh vật BIHC4-ER7
• 3.3. Đặc điểm của hệ vi sinh vật BiHC4-ER7 qua các thế hệ làm giàu
• 3.4. Hệ vi sinh vật BiHC4-ER7 phân giải carbazole trong các điều kiện dinh dưỡng khác nhau
• 3.5. Thành phần phân loại hệ vi sinh vật BIHC4-ER7
• 3.6. Loài vi khuẩn mới Dyella sp. BiH032 phân giải carbazole
• 3.7. Phân lập vi khuẩn BiH032 từ cụm hai vi khuẩn phân giải carbazole
• 3.8. Định danh bằng sinh học phân tử
• 3.9. Đặc điểm sinh trưởng của Dyella sp.
• 3.10. Loài vi khuẩn mới Mycolicibacterium sp. BiH015 phân giải carbazole
• 3.11. Phân lập chủng BiH015 phân giải carbazole
• 3.12. Định danh chủng vi khuẩn phân giải carbazole BiH015
• 3.13. Định danh bằng sinh học phân tử
• 3.14. Đặc hình thái và sinh hóa
• 3.15. Hiệu quả phân giải carbazole của Mycolicibacterium sp.
• 3.16. Whole Genome của chủng vi khuẩn Mycolicibacterium sp.
• 3.17. Phân tích tổng quan bộ gen
• 3.18. Thành phần gen tham gia chuyên hóa hợp chất hydrocarbon gây ô nhiễm
• 3.19. Phân tích thành phần gen chức năng liên quan đến con đường chuyển hóa carbazole
• CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Giới thiệu về carbazole

Carbazole, một hợp chất hydrocarbon dị vòng nito, được biết đến với khả năng gây ô nhiễm môi trường và độc tính sinh thái cao. Hợp chất này có cấu trúc hóa học tương tự như các hydrocarbon thơm đa vòng, với hai vòng benzen hợp nhất và một vòng pyrrole. Đặc tính hóa lý của carbazole, bao gồm trọng lượng phân tử 167,21 g/mol, nhiệt độ sôi 355°C và nhiệt độ nóng chảy 246°C, cho thấy tính ổn định cao và khó phân hủy của nó. Carbazole không chỉ tồn tại trong môi trường tự nhiên mà còn được phát hiện trong các sản phẩm công nghiệp như vật liệu quang điện tử và thuốc nhuộm. Độc tính của carbazole đã được xác nhận, với khả năng gây ảnh hưởng tiêu cực đến sinh vật và môi trường. Việc nghiên cứu khả năng phân giải carbazole là rất cần thiết để tìm ra các biện pháp xử lý hiệu quả cho các vùng đất nhiễm dioxin, đặc biệt tại sân bay Biên Hòa.

1.1. Tính chất hóa lý và cấu trúc phân tử

Cấu trúc phân tử của carbazole bao gồm hai vòng benzen hợp nhất xung quanh một vòng pyrrole, tạo thành một khung cấu trúc phẳng và ổn định. Điều này giúp carbazole có khả năng hòa tan trong các dung môi hữu cơ và khó phân hủy trong môi trường tự nhiên. Đặc điểm này làm cho carbazole trở thành một trong những hợp chất khó xử lý trong các phương pháp khử độc môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng carbazole có thể tích lũy trong môi trường và gây ra nhiều tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Việc hiểu rõ về cấu trúc và tính chất hóa lý của carbazole là cơ sở để phát triển các phương pháp xử lý hiệu quả hơn.

1.2. Ứng dụng và độc tính của carbazole

Carbazole không chỉ có ứng dụng trong ngành công nghiệp mà còn được sử dụng trong y học với nhiều hoạt tính sinh học khác nhau. Tuy nhiên, độc tính của carbazole cũng đã được ghi nhận, với khả năng gây hại cho nhiều sinh vật khác nhau. Nghiên cứu cho thấy rằng carbazole có thể gây ra các hiệu ứng độc tính tương tự như dioxin, ảnh hưởng đến sự phát triển và sức khỏe của sinh vật. Việc xác định độc tính của carbazole là rất quan trọng trong việc đánh giá rủi ro môi trường và phát triển các biện pháp xử lý hiệu quả.

II. Khả năng phân giải carbazole của vi khuẩn

Nghiên cứu về khả năng phân giải carbazole của vi khuẩn trong đất nhiễm dioxin tại sân bay Biên Hòa đã chỉ ra rằng các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa carbazole thành các hợp chất không độc hại hơn. Quá trình phân giải này thường được thực hiện thông qua các enzyme như dioxygenase, giúp oxy hóa carbazole thành các sản phẩm phụ ít độc hại hơn. Hệ vi sinh vật được làm giàu từ mẫu đất nhiễm dioxin đã cho thấy hiệu quả cao trong việc phân giải carbazole. Việc làm giàu hệ vi sinh vật tại các khu vực ô nhiễm không chỉ giúp tăng cường khả năng phân giải mà còn cải thiện khả năng thích nghi với điều kiện môi trường địa phương.

2.1. Các con đường phân hủy carbazole

Quá trình phân hủy carbazole diễn ra qua nhiều bước khác nhau, bao gồm oxy hóa và khử. Vi khuẩn có khả năng phân giải carbazole thường sử dụng các enzyme đặc hiệu để thực hiện các phản ứng hóa học cần thiết. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vi khuẩn có thể phân giải carbazole thông qua các con đường chuyển hóa khác nhau, từ đó tạo ra các sản phẩm ít độc hơn. Điều này không chỉ giúp loại bỏ carbazole khỏi môi trường mà còn góp phần vào quá trình phục hồi sinh thái tại các khu vực ô nhiễm.

2.2. Đánh giá khả năng phân giải của vi khuẩn

Đánh giá khả năng phân giải carbazole của vi khuẩn được thực hiện thông qua các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Các hệ vi sinh vật được làm giàu từ đất nhiễm dioxin đã cho thấy khả năng phân giải carbazole hiệu quả trong điều kiện nuôi cấy khác nhau. Việc phân lập và định danh các chủng vi khuẩn có khả năng phân giải cao là rất quan trọng để phát triển các chiến lược bioremediation hiệu quả. Các nghiên cứu hiện tại đang tiếp tục tìm kiếm và tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy nhằm nâng cao khả năng phân giải của vi khuẩn.

III. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu khả năng phân giải carbazole của vi khuẩn trong đất nhiễm dioxin không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao. Việc hiểu rõ về các vi sinh vật có khả năng phân giải carbazole giúp phát triển các phương pháp xử lý sinh học hiệu quả cho các khu vực ô nhiễm. Đây là một trong những phương pháp thân thiện với môi trường, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của các hợp chất độc hại đến hệ sinh thái. Đồng thời, nghiên cứu này cũng mở ra hướng đi mới trong việc phục hồi các khu vực bị ô nhiễm do hoạt động công nghiệp.

3.1. Ứng dụng trong xử lý ô nhiễm

Các kết quả từ nghiên cứu khả năng phân giải carbazole có thể được áp dụng trong việc xử lý các khu vực ô nhiễm dioxin. Việc sử dụng vi sinh vật để phân giải các hợp chất độc hại không chỉ giúp làm sạch môi trường mà còn tiết kiệm chi phí so với các phương pháp xử lý hóa học. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hiện nay khi các vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng.

3.2. Tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về khả năng phân giải carbazole cần tiếp tục được mở rộng để khám phá thêm nhiều chủng vi khuẩn có khả năng phân giải tốt hơn. Việc áp dụng công nghệ sinh học trong xử lý ô nhiễm có thể mang lại nhiều giải pháp mới cho các vấn đề môi trường hiện tại. Các nghiên cứu tiếp theo cũng nên tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy và phát triển các kỹ thuật bioremediation mới nhằm nâng cao hiệu quả xử lý các hợp chất độc hại.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Carbazole là một hợp chất hydrocarbon dị vòng nito, thuộc nhóm hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs), có trọng lượng phân tử 167,21 g/mol và nhiệt độ sôi 355°C. Đây là chất gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do tính chất khó phân hủy, ưa béo và khả năng liên kết mạnh với đất sét, chất mùn, dẫn đến tồn lưu lâu dài trong đất, nước và trầm tích. Theo một nghiên cứu tại Trung Quốc, nồng độ carbazole trung bình trong đất bề mặt là 7,5 ng/g khối lượng khô, trong khi trong bụi đường lên đến 235 ng/g khối lượng khô, cho thấy mức độ ô nhiễm carbazole do hoạt động con người. Carbazole và các dẫn xuất halogen hóa của nó có cấu trúc tương đồng với dioxin, một chất độc sinh thái nguy hiểm, làm tăng tính độc hại và khó xử lý.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc phân lập và đánh giá khả năng phân giải carbazole của vi khuẩn trong đất nhiễm dioxin tại sân bay Biên Hòa, một khu vực ô nhiễm nặng do hoạt động quân sự trong chiến tranh Việt Nam. Mục tiêu cụ thể là làm giàu các hệ vi sinh vật có khả năng phân giải carbazole từ đất nhiễm dioxin, phân lập các chủng vi khuẩn đơn thuần có hiệu quả phân giải cao và khảo sát hiệu quả phân giải carbazole trong điều kiện phòng thí nghiệm. Nghiên cứu được thực hiện trên 7 mẫu đất bề mặt lấy từ các lô trồng cỏ Vetiver và lô đối chứng tại sân bay Biên Hòa trong năm 2020.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển các hệ vi sinh vật bản địa có khả năng phân giải carbazole và các hợp chất tương tự, góp phần xử lý sinh học ô nhiễm dioxin và các hợp chất thơm đa vòng tại các khu vực ô nhiễm nặng, đồng thời cung cấp nguồn gen vi sinh vật tiềm năng cho công nghệ sinh học môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc và đặc tính hóa lý của carbazole: Carbazole có cấu trúc phẳng, giàu điện tử, khó phân hủy, tương đồng với dioxin về cấu trúc phân tử, dẫn đến độc tính và tồn lưu lâu dài trong môi trường.
• Con đường phân hủy carbazole của vi sinh vật hiếu khí: Quá trình phân hủy gồm hai giai đoạn chính là trao đổi chất ngoại vi (oxy hóa bên, hydroxyl hóa, oxy hóa góc) và trao đổi chất trung tâm (phân cắt catechol qua con đường ortho hoặc meta). Enzyme dioxygenase và monooxygenase đóng vai trò xúc tác chính.
• Hệ thống gen và enzyme phân giải carbazole: Hệ thống CARDO ở Pseudomonas resinovorans CA10 là ví dụ điển hình, bao gồm các gen carAa, carAc, carAd mã hóa các thành phần enzyme dioxygenase, xúc tác quá trình phân hủy carbazole thành các hợp chất trung gian như axit anthranilic và catechol.
• Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến xử lý sinh học: pH, nhiệt độ, nồng độ oxy, và nguồn dinh dưỡng (đặc biệt là sự có mặt của các nguồn carbon dễ phân giải như D-glucose) ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phân giải carbazole của vi sinh vật.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: 7 mẫu đất nhiễm dioxin nặng được thu thập tại sân bay Biên Hòa, với mức TEQ dao động từ 345 đến 1921 ppt. Các mẫu được bảo quản và xử lý trong điều kiện lạnh 4°C trước khi tiến hành làm giàu vi sinh vật.
• Làm giàu hệ vi sinh vật: Mỗi mẫu đất được lắc trong dung dịch NaCl 0,9% để khuếch tán vi sinh vật, sau đó chuyển sang môi trường khoáng M63-Car chứa carbazole làm nguồn carbon duy nhất. Quá trình làm giàu được thực hiện 7 lần liên tiếp ở 30°C, 200 rpm, nhằm chọn lọc các vi sinh vật có khả năng phân giải carbazole.
• Phân lập vi khuẩn đơn thuần: Sử dụng các phương pháp pha loãng cấy trải, cấy ria ba pha, nuôi cấy xen kẽ nhiệt độ và sang lọc bằng kháng sinh, nhằm thu được các chủng vi khuẩn thuần khiết có khả năng phân giải carbazole.
• Đánh giá khả năng phân giải carbazole: Xác định nồng độ carbazole còn lại trong môi trường bằng phương pháp tách chiết dung môi dichloromethane và đo hấp thụ UV-Vis tại bước sóng 261 nm, theo dõi trong các khoảng thời gian 0, 72, 144 và 432 giờ.
• Phân tích sinh học phân tử: Tách chiết DNA tổng số và metagenome, khuếch đại gen 16S rDNA, giải trình tự và dựng cây phân loại bằng phần mềm MEGA11. Phân tích metagenomic sử dụng Illumina MiSeq và công cụ QIIME2 để xác định thành phần vi sinh vật.
• Phân tích whole genome: Lắp ráp và chú thích bộ gen bằng GALAXY, Prokka, RAST, và các công cụ so sánh gen như orthoANI và dDDH để xác định loài và đánh giá gen chức năng liên quan đến phân giải carbazole.
• Timeline nghiên cứu: Thu thập mẫu vào tháng 11/2020, làm giàu và phân lập vi sinh vật trong vòng 6 tháng, phân tích sinh học phân tử và whole genome trong 6 tháng tiếp theo, tổng thời gian nghiên cứu khoảng 1 năm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Làm giàu thành công 7 hệ vi sinh vật phân giải carbazole từ các mẫu đất nhiễm dioxin tại sân bay Biên Hòa, với hiệu quả phân giải carbazole sau 48 giờ nuôi cấy đạt từ 11,1% đến 91,5%. Hệ BiHD2-ER7 đạt hiệu quả cao nhất 91,5%, BiHC5-ER7 đạt 58%, trong khi các hệ còn lại dưới 37%.

2. Hệ vi sinh vật BiHC4-ER7 được chọn làm đối tượng nghiên cứu chính do có sự chuyển đổi môi trường sớm và hiệu quả phân giải carbazole cao (72% sau 48 giờ). Qua 7 thế hệ làm giàu, môi trường nuôi cấy chuyển từ trắng đục sang vàng nâu đậm, biểu thị sự phân giải carbazole ổn định.

3. Ảnh hưởng của điều kiện dinh dưỡng: BiHC4-ER7 phân giải 95,2% carbazole trong môi trường khoáng tối thiểu chỉ chứa carbazole làm nguồn carbon sau 144 giờ. Trong môi trường giàu dinh dưỡng (TSB-Car), hiệu quả giảm mạnh còn 11,1% sau 144 giờ. Bổ sung D-glucose với nồng độ 0,25-5 g/L làm giảm hiệu quả phân giải carbazole xuống còn 26,6% sau 144 giờ, cho thấy sự cạnh tranh nguồn carbon ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động phân giải carbazole.

4. Phân tích metagenomic của BiHC4-ER7 xác định 5 ngành vi khuẩn chính: Proteobacteria (chiếm ưu thế), Bacteroidetes, Firmicutes, Chloroflexi và Actinobacteria. Ở cấp độ chi, Achromobacter chiếm 37%, Mycobacterium 6%, cùng sự hiện diện của Sphingomonas, Pseudomonas và Burkholderia, các nhóm vi khuẩn được biết đến có khả năng phân giải hydrocarbon thơm.

5. Phân lập thành công hai loài vi khuẩn mới có khả năng phân giải carbazole: Dyella sp. BiH032 (Gram âm) và Mycolicibacterium sp. BiH015 (Gram dương). Dyella sp. BiH032 có kích thước bộ gen 5,25 Mbp, GC 66%, là loài mới thuộc họ Rhodanobacteraceae, phát triển tối ưu ở 30-37°C, tạo vòng phân giải carbazole trên môi trường M63-Car sau 15-20 ngày. Mycolicibacterium sp. BiH015 cũng có khả năng phân giải carbazole hiệu quả, được xác định qua giải trình tự whole genome và phân tích gen chức năng.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả làm giàu và phân giải carbazole của hệ vi sinh vật BiHC4-ER7 vượt trội so với các nghiên cứu trước đây, như hệ DN533 phân giải 50% carbazole 100 ppm sau 120 giờ. Sự ưu thế của Proteobacteria và Actinobacteria trong hệ vi sinh vật phù hợp với các báo cáo về vai trò của các nhóm này trong phân hủy hợp chất thơm và dioxin. Việc bổ sung nguồn carbon dễ phân giải như D-glucose làm giảm hiệu quả phân giải carbazole do hiện tượng ức chế catabolite, làm giảm tỷ lệ vi sinh vật phân giải carbazole trong cộng đồng.

Phân lập các loài vi khuẩn mới như Dyella sp. BiH032 mở ra cơ hội nghiên cứu sâu hơn về con đường chuyển hóa carbazole và ứng dụng trong xử lý sinh học ô nhiễm. Sự ổn định và khả năng thích nghi của các chủng này trong điều kiện môi trường bản địa là yếu tố quan trọng để phát triển công nghệ xử lý sinh học hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện tỷ lệ phân giải carbazole của các hệ vi sinh vật sau 48 giờ, biểu đồ Krona mô tả thành phần phân loại vi sinh vật trong BiHC4-ER7, và cây phân loại 16S rDNA của các chủng vi khuẩn phân lập.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển công nghệ xử lý sinh học tại chỗ sử dụng hệ vi sinh vật BiHC4-ER7 và các chủng vi khuẩn phân lập như Dyella sp. BiH032 để xử lý đất nhiễm carbazole và dioxin tại sân bay Biên Hòa, với mục tiêu giảm nồng độ carbazole trên 70% trong vòng 6 tháng, do các cơ quan quản lý môi trường phối hợp thực hiện.

2. Bổ sung và duy trì điều kiện môi trường tối ưu như pH trung tính (6,5-7,5), nhiệt độ 30-37°C và cung cấp oxy đầy đủ để tăng cường hoạt động phân giải carbazole của vi sinh vật, đồng thời hạn chế bổ sung các nguồn carbon dễ phân giải nhằm tránh ức chế hoạt động phân giải.

3. Nghiên cứu và ứng dụng các chủng vi khuẩn mới phân lập trong quy mô pilot để đánh giá hiệu quả xử lý thực tế, đồng thời khảo sát khả năng phối hợp cộng sinh giữa các chủng nhằm tăng cường hiệu quả phân giải carbazole và các hợp chất liên quan.

4. Xây dựng hệ thống giám sát sinh học và phân tích metagenomic định kỳ để theo dõi sự biến đổi thành phần vi sinh vật và hiệu quả xử lý trong quá trình ứng dụng công nghệ, giúp điều chỉnh kịp thời các yếu tố môi trường và quy trình xử lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học môi trường: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về phân lập và đánh giá vi sinh vật phân giải carbazole, phương pháp làm giàu và phân tích metagenomic, hỗ trợ nghiên cứu sâu về xử lý ô nhiễm môi trường.

2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường làm việc tại các khu vực ô nhiễm dioxin và PAHs: Thông tin về hệ vi sinh vật bản địa và các chủng vi khuẩn phân giải carbazole giúp thiết kế và triển khai các giải pháp xử lý sinh học phù hợp với điều kiện thực tế.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách quản lý và phục hồi môi trường ô nhiễm carbazole và dioxin, đồng thời đánh giá hiệu quả các biện pháp xử lý sinh học.

4. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và xử lý môi trường: Các kết quả về chủng vi khuẩn mới và hệ vi sinh vật làm giàu có thể được ứng dụng trong phát triển sản phẩm sinh học xử lý ô nhiễm, mở rộng thị trường công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Carbazole là gì và tại sao nó gây ô nhiễm nghiêm trọng?
   Carbazole là một hydrocarbon thơm đa vòng dị vòng nito, có cấu trúc phẳng và giàu điện tử, khó phân hủy và dễ tích tụ trong môi trường đất và nước. Nó có độc tính cao, tương tự dioxin, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sinh vật và sức khỏe con người.

2. Tại sao cần sử dụng vi sinh vật để xử lý carbazole?
   Phương pháp xử lý sinh học sử dụng vi sinh vật có khả năng phân giải carbazole là giải pháp hiệu quả, thân thiện môi trường, chi phí thấp hơn so với các phương pháp vật lý và hóa học truyền thống, đồng thời có thể áp dụng tại chỗ.

3. Làm thế nào để làm giàu và phân lập vi sinh vật phân giải carbazole?
   Vi sinh vật được làm giàu bằng cách nuôi cấy mẫu đất nhiễm trong môi trường khoáng chứa carbazole làm nguồn carbon duy nhất, qua nhiều thế hệ để chọn lọc các vi sinh vật có khả năng phân giải. Sau đó, các chủng được phân lập bằng phương pháp pha loãng cấy trải và cấy ria ba pha.

4. Ảnh hưởng của nguồn carbon dễ phân giải như D-glucose đến quá trình phân giải carbazole?
   Sự có mặt của D-glucose làm giảm hiệu quả phân giải carbazole do hiện tượng ức chế catabolite, khi vi sinh vật ưu tiên sử dụng nguồn carbon dễ hấp thụ, làm giảm tỷ lệ vi sinh vật phân giải carbazole trong cộng đồng.

5. Các chủng vi khuẩn mới phân lập có tiềm năng ứng dụng như thế nào?
   Dyella sp. BiH032 và Mycolicibacterium sp. BiH015 là các chủng mới có khả năng phân giải carbazole hiệu quả, có thể được phát triển thành chế phẩm sinh học để xử lý ô nhiễm carbazole và các hợp chất tương tự trong môi trường đất và nước.

Kết luận

• Đã làm giàu thành công 7 hệ vi sinh vật phân giải carbazole từ đất nhiễm dioxin tại sân bay Biên Hòa, với hiệu quả phân giải carbazole cao nhất đạt 91,5%.
• Hệ vi sinh vật BiHC4-ER7 được lựa chọn nghiên cứu sâu do hiệu quả phân giải carbazole ổn định và cao (95,2% sau 144 giờ trong môi trường khoáng tối thiểu).
• Phân tích metagenomic xác định thành phần vi sinh vật chủ yếu thuộc các ngành Proteobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Chloroflexi và Actinobacteria, với các chi vi khuẩn có khả năng phân giải hydrocarbon thơm.
• Phân lập và định danh hai loài vi khuẩn mới Dyella sp. BiH032 và Mycolicibacterium sp. BiH015 có khả năng phân giải carbazole, mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng mới.
• Kế hoạch tiếp theo là phát triển công nghệ xử lý sinh học tại chỗ, khảo sát hiệu quả trong quy mô pilot và xây dựng hệ thống giám sát sinh học để tối ưu hóa quá trình xử lý ô nhiễm carbazole và dioxin.

Các nhà nghiên cứu và chuyên gia môi trường nên phối hợp triển khai thử nghiệm ứng dụng hệ vi sinh vật BiHC4-ER7 và các chủng phân lập trong xử lý ô nhiễm thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu sâu về cơ chế phân giải và tương tác cộng đồng vi sinh vật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu sự phân hủy hiếu khí của hydrocarbon thơm [38]. Quá trình này vừa tăng độ tan của phân tử trong nước vừa hoạt hóa phản ứng. Nguyên tử oxy được đưa vào dưới dạng nhóm hydroxyl (-OH) và bắt nguồn từ oxy phân tử (Oz) [38]. Phan ứng oxi hóa được xúc tác bởi các enzyme oxygenase.

Hai loại enzyme oxygenase bao gồm monooxygenase và dioxygenase. Enzyme monooxygenase đưa một nguyên tử oxy duy nhất vào cơ chất thơm. Trong khi đó dioxygenase đưa cả hai nguyên tử oxy vào cơ chất thơm, kích hoạt vòng thơm bằng cách hình thành các hợp chất dihydroxy và phá vỡ cấu trúc thơm. Ba con đường mở vòng chính đã được báo cáo đối với carbazole: Dioxy hóa bên ở vi tri carbon 3 và 4, monohydroxyl hóa ở vi trí carbon 1, 2 và 3 và oxy hóa góc ở vi tri carbon 1 và 9a [25, 38].

Dioxy hóa bên: Quá trình nay hình thành hai nhóm hydroxyl ở vi trí bên của vòng benzen dé tạo ra cis-dihydrodiol. Nhóm nghiên cứu của Grifoll đề xuất quá trình dioxy hóa carbazole bởi vi khuan Pseudomonas cepacia F297 ở cacbon C3 và C4. Carbazole được chuyển hóa tao ra axit 4-(3'-hydroxy-2'-indoyl)-2-oxo-3- butenoic. Tuy nhiên, chủng F297 không thé sử dụng carbazole làm nguồn carbon va năng lượng [26].

Hydroxyl hóa: Biến đổi thông qua quá trình hydroxyl hóa là một phan ứng chuyên hóa carbazole phô biến hơn ở vi khuẩn [26]. Sự chuyển đổi sinh học của carbazole thành hydroxycarbazole được đề cập trong nhiều báo cáo [21]. Aspergillus flavus VKM F-1024 đã monohydroxyl hóa carbazole ở vi trí 1, 2 va 3 10 tạo thành 1-, 2- và 3-hydroxycarbazole [21]. Sản phẩm chuyên hóa sinh học 3- hydroxycarbazole được xác định là sản phẩm chính trong khi 1-hydroxy- và 2- hydroxycarbazole là sản phâm phụ.

Các dioxygenase của vi khuẩn như naphthalene 1,2-dioxygenase từ Pseudomonas sp. NCIB 9816-4 và biphenyl dioxygenase từ Beijerinckia sp. B8/36 xúc tac quá trình oxy hóa ban đầu của carbazole thành 3- hydroxycarbazole [26]. Dioxy hóa góc [26]: Khác với quá trình oxy hóa bên và monohydroxyl hóa, quá trình oxy hóa góc dẫn đến quá trình khoáng hóa hoàn toàn carbazole tạo thành catechol.

Carbazole được oxy hóa ở các nguyên tử carbon góc (C9a) và nguyên tử carbon liền kề (C1) dé tạo ra 1-hydro-1,9a-dihydroxycarbazole. Sản phẩm tiếp tục được phân tách dé tạo thành 2'-aminobiphenyl-2,3-diol. Chất trung gian này được chuyền thành axit anthranilic thông qua quá trình phân tách meta và quá trình thủy phân [21, 22]. Axit anthranilic được chuyên đổi thành catechol bằng cách dioxy hóa ở vi trí Cl và C2, sau đó là các phản ứng khử amin và khử carboxyl tự phat [21].

Catechol là hợp chất trung gian quan trọng tạo ra ở con đường ngoại vi được ghi nhận trong phần lớn các báo cáo phân tích chất trung gian chuyển hóa carbazole. Trong con đường trung tâm, catechol được chuyền đổi thành chat trung gian của chu trình axit tricarboxylic (TCA) thông qua quá trình phân cat ortho (P. resinovorans CA10) hoặc quá trình phân cắt meta (P. Trên đây cũng là quy trình chung của các con đường phân cắt hydrocarbon, hydrocarbon thơm và các hợp chất POPs.

Các gen mã hóa các dioxygenase và monooxygenase là nền tảng cho các giai đoạn phân hủy của hydrocacbon thơm được báo cáo ở vi khuẩn bao gồm: bphAa, bphC, benA, pobA, carAa, antA, nahAa, nahAb, nahC, nagG, poxA, etbAa, nidA, phdF, pht3, phtAa, tphA2, cmtAb, cmtC, 11 hcaE và mhpB [38]. Trong đó carAa và bphC đã được chứng minh tham gia con đường phân hủy carbazole [25, 48]. Da dang vi khuẩn phân giải carbazole Vi khuẩn phân giải carbazole được tìm thấy chủ yếu từ mẫu đất, nước khu vực ô nhiễm do rác thải, hydrocarbon, tràn dầu hoặc ô nhiễm do chất diệt cỏ. Chúng có khả năng sử dụng carbazole làm nguồn carbon, nito và năng lượng.

Chiếm tỷ lệ lớn trong đó là các loài sinh trưởng hiếu khí. SL1, Pseudomonas sp. SL4 va Microbacterium esteraromaticum SL6 được phân lập từ đất nhiễm hydrocarbon va kim loại nặng [7].123 được phân lập từ đất của nhà máy sản xuất than lâu năm [8]. Pseudomonas rhodesiae KK1 được phân lập từ đất nhiễm hắc in than đá [9].

Bay chủng vi khuẩn Pseudomonas sp. được phân lập từ bùn hoạt tính của một nhà máy xử lý nước thải luyện cốc [51]. Pseudomonas stutzeri OM1 được tim thấy trong bùn khu vực ô nhiễm nước thải đô thị [37]. Số khác được phát hiện từ nguồn phân lập không ô nhiễm.

Ching vi khuẩn Burkholderia IMP5GC (AY914317) chịu nhiệt lên tới 70°C được phân lập từ suối nước nóng Mexico, có khả năng phân giải carbazole trên cả môi trường nước va môi trường hai pha dầu-nước [31]. Nhóm vi khuẩn phân lập từ nước biển thuộc các chỉ Neptuniibacter, Erythrobacter, Marinobacter, Caulobacter, Hyphomonas, Lysobacter, Sphingosinicella, Kordiimonas va Terrabacter, cing cho thay kha nang sử dụng carbazole cho sinh trưởng [11]. Bên cạnh nhóm các vi sinh vật hiếu khi tiềm năng, chỉ số Ít các báo cáo ghi nhận vi khuân phân giải carbazole ở điều kiện vi hiểu khí. Ching Bacillus sp.

KUKK-4 đã phân hủy 31% carbazole khi được nuôi cấy 28 ngày trong môi trường ban đầu chứa 1000 ppm carbazole ở điều kiện vi hiếu khí [67]. Một cộng đồng vi sinh vật, trong đó Pseudomonas sp., và Diaphorobacter sp. chiêm ưu thế, cho thay khả năng thích nghỉ cao và duy trì tốt hiệu quả phân giải carbazole trong lò phan ứng yếm khí tăng cường siêu âm 70°C dé xử lý nước thải [46]. Phan lớn các vi khuẩn phân giải carbazole đã được báo cáo là các chủng Gram âm.

Trong đó được bao cáo nhiêu nhat là Pseudomonas và Sphingomonas. Cac vi 12 khuẩn Gram dương phân giải carbazole đã được báo cáo bao gồm: Nocardioides aromafivorans IC177, Gordonia sp.8 và Microbacterium esteraromaticum SL6 [26]. Da dang gen chức năng tham gia phân giải carbazole ở vi khuẩn Hệ thống CARDO ở Pseudomonas resinovorans CA10 Con đường chuyển hóa carbazole của chủng vi khuẩn Pseudomonas resinovorans CA 10 đã được nghiên cứu chi tiết trong hai thập kỷ [8, 10, 18, 19, 25]. CARDO ở Pseudomonas resinovorans CA 10 là một hệ thông dioxygenase ba thành phần thuộc hệ thống Rieske nonheme iron oxygenase (ROS), bao gồm một terminal oxygenase và các protein vận chuyên điện tử (Hình 1.

Hệ thống protein và enzyme tham gia phân hủy sinh học của CA 10 bao gồm carbazole 1,9a-dioxygenase được mã hóa bởi car4a (terminal oxygenase), carAc (ferredoxin), và carAd (ferredoxin reductase) (Hình 1. CarBa, carBb mã hóa các tiêu đơn vị cấu trúc và tham gia xúc tác của enzyme cắt vòng thơm vi trí meta (2'-aminobiphenyl-2,3- diol 1,2-dioxygenase) (Hình 1. CarC mã hóa hợp chat hydorlase cắt meta. Các thành phần này cùng nhau chuyên đổi carbazole thành axit anthranilic và 2- hydroxy-4-pentenoate (Hình 4).

2-Hydroxypenta-2,4-dienoate được chuyển đổi thành axit pyruvic va acetyl coenzym A bởi 2-hydroxypenta-2,4-dienoate hydratase (được mã hóa bởi carD), 4-hydroxy-2-oxovalerate aldolase (được mã hóa bởi carE), va acetaldehyde dehydrogenase (được mã hóa bởi carF). Gen carDFE mã hóa con đường phân cắt meta đã được xác định ở vùng cuối của carAd. Gen antABC mã hóa anthranilate 1,2-dioxygenase nằm trên carAa. Trong số nhiều dioxygenase của hop chất thơm được báo cáo, CARDO là dioxygenase duy nhất có thé xúc tác quá trình cis-dihydroxyl hóa, monooxygen hóa và dioxygen hóa góc trên các hợp chất thơm khác nhau [18].

13 Carbazole _ NAD(P) + YÔ 7 red. NY [Sx = \ ⁄ +Q; l9) Aud \ ⁄ \ `NZ CarAd | CarAc { CarAa H | FAD, plant [2Fe2S} | Riekel2Ee2SJ | Ee*.RiekelzFe2SJ | NAD(P)H “ ON Ox. Kk ~ / ` ⁄ \ —Z b- ye SH tị OH OH Hình 1. Chudi truyện điện tử bat đầu con đường chuyển hóa carbazole và các protein liên quan cua chung Pseudomonas resinovorans C410 [10] NH, NH, NH, oe 7 hntheanilic acid cH, CarF cH, spontaneously tGarBaBh 00,H 'aFAAÁcd 0 M'm ; A "| ee Hồ.

(as a cou CarD E0, „H0 C05csA Carbazolo 2-Aminabipheny!- LAS 2,3-diol "9 cco 3-Hydtoxyparita- | ‡ ả-diennaic acid C=O | cH, Hình 1. Con đường chuyền hóa carbazole của vi khuẩn Gram âm P. resinovorans CA10 và vi khuan Gram dương N. Cum gen phân giải carbazole của chung Sphingomonas sp.

KA1 Cum gen car ở Sphingomonas sp. KA1 tương đồng <60% với cum gen car ở Pseudomonas [25, 12]. KA1 có cum gen car (carAaBaBbCAc), một gen ferredoxin (fdx/) và hai gen ferredoxin reductase (fdrII và ƒdr!!). CarAa ở Sphingomonas sp.

KA1 va Pseudomonas resinovorans CA10 tương đồng hơn 55%. CarAc khác nhau giữa hai chi nay [26]. Cum gen phân giải carbazole ở Nocardioides aromaticivorans IC177 Cum gen phân hủy carbazole của vi khuẩn Gram dương Nocardioides aromaticivorans IC177 bao gồm carAaCBaBbAcAd và carDFE [17, 23]. CarAa tương đồng 49% với Car⁄4a từ Sphingomonas sp.

CarAc tương đồng 31% với CarAc từ P. Vi tri của carC so với carBaBb trong chủng IC177 nằm ngược lại với vị trí trong cụm gen car của Pseudomonas và Sphingomonas [26]. Dioxygenase ở IC177 có thé xúc tác đồng thời cho cả hai phản ứng hydroxyl hóa và oxy hóa góc. Các gen này mã hóa các enzym phân cắt 14 carbazole thành anthranilate và 2-hydroxypenta-2,4-dienoate (HPD) (hydroxyl hóa) va HPD thành pyruvate và acetyl coenzyme A.

Hệ thống protein va enzyme phân giải carbazole tham gia chuyển hóa dioxin và PAHs khác Carbazole và dioxin tương đồng về khung phân tử [33, 41]. Do đó, hai nhóm chất này cũng có chung một số cơ chế phân tách nhân thơm với hệ thống protein và enzyme chức năng tương tự (Hình 1. Hai cơ chế đầu tiên phá vỡ cấu trúc bền vững của dioxin là oxy hóa bên và oxy hóa góc [41, 34]. Trong quá trình oxy hóa bên, sự hydroxyl hóa vòng thơm xảy ra trên các nguyên tử carbon 1,2 hoặc 2,3 hoặc 3,4.

Hoạt động này tương tự với con đường chuyền hóa các hợp chat thơm đa vòng (PAHs), trong đó có carbazole [11, 41]. Quá trình oxy hóa góc xảy ra ở các nguyên tử carbon phụ thuộc vào cầu ether (4, 4a) nhờ các dioxygenase [34]. Hoạt động của dioxygenase dẫn đến sự phân cắt vòng phá hủy hoàn toàn cau trúc phăng và do đó dẫn đến giảm đáng kể độc tính của dioxin [11, 34]. œ9r-IŒÐl—ờ% Dibenzo-p-dioxin 1,10a-dihydroxy-1- +0) hydrodibenzo-p-dioxin 2,2’ 3-Trihydroxydihpenyl ether NADH ~ : pe ? + Fe NADY" RedA2 Féxl DxnA1A2 + 0 OH lề iS 0 $ |.

0H Dibenzofuran OH HO 4,4a-dihydroxy-4- OH hydrodibenzo-furan 2,2',3-Trihydroxy-biphenyl Hình 1. Hệ dioxygenase chuyên hóa dioxin của chủng Sphingomonas wittichii RW1 [34]. Con đường chuyên hóa dioxin của Sphingomonas wittichii RW1 đã được nghiên cứu chi tiết [15, 34,41]. Enzyme dioxin dioxygenase phân cat dibenzofuran được tạo ra bởi RW1 đã cho thấy hoạt động dị hóa tích cực trên phân tử carbazole 15 [15, 34].

Trong quá trình nay, dioxin dioxygenase đã tấn công vào vị trí góc tiếp giáp với nguyên tử nitơ (vị tri 1 và 9a), chuyên đổi carbazole thành axit anthranilic va catechol. Chung Pseudomonas resinovorans CA 10 phan giải carbazole được báo cáo có khả năng phân hủy dibenzofuran va dibenzo-p-dioxin [10]. Các gen CARDO 1,9a-dioxygenase của CA10 có thé chuyển đổi dibenzo-p-dioxin và dibenzofuran thành 2,2'3-THDE và 2,2',3-THB tương ứng. Hoạt động chuyên hóa dibenzofuran và dibenzothiophene của vi khuẩn phân giải carbazole Sphingobium yanoikuyae XLDN2-5 được báo cáo bởi Zhonghui và cộng sự [6, 50].