Luận án tiến sĩ: Khả năng loại màu thuốc nhuộm hoạt tính và phân hủy chất diệt cỏ dioxin nhờ enzyme laccase từ vi sinh vật

• Tác giả: Phùng Khắc Huy Chú
• Người hướng dẫn: PGS. TS Đặng Thị Cẩm Hà
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng loại màu thuốc nhuộm hoạt tính và phân hủy chất diệt cỏ/dioxin của vi sinh vật sinh enzyme laccase
• Loại tài liệu: luận án tiến sỹ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• Lời cảm ơn
• MỤC LỤC
• Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình vẽ và đồ thị
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Laccase, laccase-like và vi sinh vật sinh tổng hợp laccase, laccase-like
• 1.1.1. Giới thiệu chung về laccase
• 1.1.2. Cấu trúc phân tử của laccase
• 1.1.3. Cơ chế xúc tác của laccase
• 1.1.4. Một số đặc tính sinh hóa của laccase
• 1.1.5. Vi sinh vật sinh tổng hợp laccase
• 1.1.6. Khả năng của laccase trong phân hủy các hợp chất hữu cơ
• 1.1.7. Khả năng của laccase trong phân hủy các hợp chất hữu cơ có clo
• 1.1.8. Giới thiệu về laccase-like
• 1.2. Đặc điểm ô nhiễm nước thải dệt nhuộm và công nghệ xử lý
• 1.2.1. Đặc điểm chung của thuốc nhuộm và nước thải dệt nhuộm
• 1.2.2. Đặc điểm chung của thuốc nhuộm
• 1.2.3. Đặc điểm chủng của nước thải dệt nhuộm
• 1.2.4. Các phương pháp xử lý màu thuốc nhuộm
• 1.2.4.1. Phương pháp hóa lý
• 1.2.4.2. Phương pháp oxy hóa nâng cao
• 1.2.4.3. Phương pháp sinh học
• 1.3. Hiện trạng ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin ở Việt Nam và các công nghệ xử lý
• 1.3.1. Hiện trạng ô nhiễm
• 1.3.2. Công nghệ xử lý dioxin và các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm
• 1.3.3. Phương pháp phân hủy sinh học xử lý dioxin và các hợp chất hữu cơ
• 1.3.4. Phân hủy 2,4-D, 2,4,5-T, dioxin và các hợp chất tương tự bởi laccase
• 1.3.5. Phân hủy 2,4-D, 2,4,5-T, dioxin và các hợp chất tương tự bởi nấm sinh tổng hợp enzym ngoại bào
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Vật liệu để phân lập vi sinh vật và các chủng nấm kế thừa
• 2.3. Đối tượng nghiên cứu xử lý
• 2.4. Môi trường sử dụng trong nghiên cứu
• 2.5. Thiết bị chính sử dụng trong nghiên cứu
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2.7. Phân lập, nuôi cấy vi sinh vật
• 2.7.1. Phân lập chủng nấm
• 2.7.2. Phân lập xạ khuẩn
• 2.7.3. Lựa chọn môi trường nuôi cấy để chủng nấm sinh tổng hợp laccase cao
• 2.7.4. Nuôi cấy xạ khuẩn sinh tổng hợp laccase-like trên các nguồn chất hữu cơ vòng thơm khác nhau
• 2.8. Phân loại vi sinh vật
• 2.8.1. Phân loại VSV theo hình thái khuẩn lạc
• 2.8.2. Phân loại VSV theo phương pháp sinh học phân tử
• 2.9. Phương pháp hóa - sinh
• 2.10. Xác định hoạt tính laccase, laccase-like sử dụng ABTS
• 2.11. Tinh sạch, nhận diện protein của laccase, laccase-like
• 2.12. Xác định đặc tính protein của laccase, laccase-like tinh sạch
• 2.13. Xác định khả năng loại màu thuốc nhuộm
• 2.13.1. Xác định khả năng loại màu thuốc nhuộm bởi laccase, laccase-like
• 2.13.2. Xác định khả năng loại màu thuốc nhuộm bởi chủng nấm
• 2.14. Xác định khả năng phân hủy chất diệt cỏ/dioxin
• 2.14.1. Thực nghiệm phân hủy chất diệt cỏ/dioxin bằng laccase thô
• 2.14.2. Thực nghiệm phân hủy chất diệt cỏ/dioxin bằng chủng nấm sinh tổng hợp laccase
• 2.15. Phương pháp phân tích để xác định khả năng phân hủy chất diệt cỏ/dioxin
• 2.16. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BIỆN LUẬN
• 3.1. Phân lập, tuyển chọn và định tên chủng nấm và xạ khuẩn có khả năng sinh tổng hợp laccase, laccase-like
• 3.2. Phân lập và lựa chọn để phân loại nấm đảm có hoạt tính laccase cao
• 3.3. Phân lập và phân loại xạ khuẩn có khả năng sinh trưởng trên môi trường chứa chất diệt cỏ/dioxin và sinh tổng hợp laccase-like
• 3.3.1. Phân lập xạ khuẩn
• 3.3.2. Phân loại chủng xạ khuẩn XKBHN1 và XKBiR929
• 3.4. Môi trường để chủng nấm, chủng xạ khuẩn sinh tổng hợp laccase, laccase-like
• 3.4.1. Môi trường thích hợp để chủng nấm FBV40 sinh tổng hợp laccase
• 3.4.2. Khả năng sinh tổng hợp laccase-like của XKBHN1 và XKBiR929 trên môi trường chứa các chất hữu cơ clo khác nhau
• 3.5. Đặc điểm hóa-lý của laccase, laccase-like tinh sạch
• 3.6. Tinh sạch laccase của nấm đảm Rigidoporus sp. Tinh sạch laccase-like của xạ khuẩn Streptomycese sp. Đặc tính hóa-lý của laccase và laccase-like tinh sạch
• 3.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến laccase tinh sạch
• 3.8. Đặc điểm động học của laccase tinh sạch
• 3.9. Đặc tính hóa-lý của laccase thô
• 3.10. Đặc tính hóa - lý của laccase-like tinh sạch
• 3.11. Loại màu thuốc nhuộm và phân hủy chất diệt cỏ chứa dioxin
• 3.11.1. Loại màu thuốc nhuộm bởi laccase, laccase-like
• 3.11.2. Loại màu thuốc nhuộm tổng hợp bởi laccase thô của chủng nấm FBV40
• 3.11.3. Loại màu hoạt tính sử dụng trong quân đội bởi laccase thô
• 3.11.4. Loại màu thuốc nhuộm hoạt tính MN.FBN bởi Lac1 tinh sạch
• 3.11.5. Loại màu thuốc nhuộm hoạt tính MN.FBN bởi laccase-like tinh sạch của chủng xạ khuẩn XKBiR929
• 3.11.6. Loại màu thuốc nhuộm hoạt tính bởi Rigidoporus sp. Khả năng loại màu một số thuốc nhuộm hoạt tính sử dụng để nhuộm vải may quân trang
• 3.11.7. Loại màu thuốc nhuộm MN.FBN ở các nồng độ khác nhau
• 3.11.8. Loại màu thuốc nhuộm MN.FBN khi có mặt D-glucose
• 3.11.9. Loại màu thuốc nhuộm MN.FBN khi có mặt các loại đường khác nhau
• 3.11.10. Loại màu thuốc nhuộm MN.FBN khi có mặt các nguồn nitơ khác nhau
• 3.12. Phân hủy chất diệt cỏ/dioxin bởi laccase và nấm sinh tổng hợp laccase
• 3.12.1. Phân huỷ chất diệt cỏ/dioxin bởi laccase thô
• 3.12.2. Phân huỷ chất diệt cỏ/dioxin bởi nấm sinh tổng hợp laccase
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Giới thiệu về enzyme laccase và ứng dụng

Enzyme laccase là một loại enzyme thuộc nhóm oxidoreductase, có khả năng oxy hóa nhiều hợp chất hữu cơ vòng thơm chỉ với sự hiện diện của oxy tự do. Vi sinh vật sinh tổng hợp laccase đã được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Nghiên cứu enzyme này tập trung vào việc tìm kiếm các chủng vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp laccase để ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là loại màu thuốc nhuộm và phân hủy dioxin. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng laccase có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như dioxin và thuốc nhuộm, mang lại hiệu quả cao trong công nghệ sinh học.

1.1. Cấu trúc và cơ chế hoạt động của laccase

Enzyme laccase có cấu trúc phân tử gồm bốn nguyên tử đồng, tạo thành trung tâm hoạt động. Cơ chế xúc tác của laccase dựa trên quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ, tạo ra các gốc tự do và cuối cùng là phân hủy chúng thành các sản phẩm ít độc hại hơn. Vi sinh vật sinh tổng hợp laccase thường là nấm và xạ khuẩn, có khả năng thích nghi cao với môi trường ô nhiễm. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng laccase có thể phân hủy các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm, bao gồm cả dioxin và thuốc nhuộm, thông qua quá trình oxy hóa.

1.2. Ứng dụng của laccase trong xử lý ô nhiễm

Ứng dụng enzyme laccase trong xử lý ô nhiễm môi trường đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu. Laccase có khả năng loại màu thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm, giảm thiểu tác động của các chất độc hại đến môi trường. Ngoài ra, laccase còn được sử dụng để phân hủy dioxin, một chất độc hại khó phân hủy trong đất và nước. Các nghiên cứu tại Việt Nam đã chỉ ra rằng laccase từ vi sinh vật có thể phân hủy hiệu quả các chất diệt cỏ chứa dioxin, mang lại tiềm năng lớn trong công nghệ sinh học và bảo vệ môi trường.

II. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp enzyme laccase. Các phương pháp nghiên cứu bao gồm phân lập vi sinh vật từ môi trường ô nhiễm, nuôi cấy và đánh giá hoạt tính laccase. Kết quả nghiên cứu đã xác định được các chủng nấm và xạ khuẩn có khả năng sinh tổng hợp laccase cao, đặc biệt là chủng nấm FBV40 và xạ khuẩn XKBiR929. Các chủng này đã được sử dụng để loại màu thuốc nhuộm và phân hủy dioxin trong các thí nghiệm thực tế.

2.1. Phân lập và tuyển chọn vi sinh vật

Quá trình phân lập vi sinh vật được thực hiện từ các mẫu đất và nước ô nhiễm. Các chủng nấm và xạ khuẩn được nuôi cấy trong môi trường chứa các chất hữu cơ vòng thơm để kích thích sinh tổng hợp enzyme laccase. Kết quả đã xác định được chủng nấm FBV40 và xạ khuẩn XKBiR929 có hoạt tính laccase cao nhất. Các chủng này đã được sử dụng trong các thí nghiệm tiếp theo để đánh giá khả năng loại màu thuốc nhuộm và phân hủy dioxin.

2.2. Đánh giá khả năng loại màu và phân hủy

Các thí nghiệm loại màu thuốc nhuộm được thực hiện với các loại thuốc nhuộm hoạt tính như NY1, NY5 và NY7. Kết quả cho thấy laccase từ chủng FBV40 có khả năng loại màu hiệu quả, đạt hiệu suất trên 80% sau 24 giờ. Đối với phân hủy dioxin, laccase từ chủng FBV40 cũng cho thấy khả năng phân hủy 2,4,5-T và 2,3,7,8-TCDD với hiệu suất cao. Các kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của enzyme laccase trong xử lý ô nhiễm môi trường.

III. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh rằng enzyme laccase từ vi sinh vật có tiềm năng lớn trong loại màu thuốc nhuộm và phân hủy dioxin. Các chủng nấm FBV40 và xạ khuẩn XKBiR929 đã được xác định là có hoạt tính laccase cao, có thể ứng dụng trong công nghệ sinh học để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ. Các kết quả nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các giải pháp bền vững để xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là trong bối cảnh ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin và nước thải dệt nhuộm đang gia tăng tại Việt Nam.

3.1. Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc ứng dụng enzyme laccase để xử lý chất độc hại như dioxin và thuốc nhuộm. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của laccase trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đặc biệt là trong các khu vực bị ảnh hưởng bởi chất diệt cỏ/dioxin. Việc phát triển các công nghệ dựa trên enzyme laccase có thể góp phần bảo vệ sức khỏe con người và hệ sinh thái, đồng thời thúc đẩy công nghệ sinh học tại Việt Nam.

3.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình sản xuất và ứng dụng enzyme laccase từ vi sinh vật. Các nghiên cứu nên tập trung vào việc cải thiện hiệu suất phân hủy các chất ô nhiễm, đồng thời mở rộng ứng dụng laccase trong các lĩnh vực khác như y học và công nghiệp. Ngoài ra, cần phát triển các công nghệ tích hợp để xử lý đồng thời nhiều loại chất ô nhiễm, nhằm đạt hiệu quả cao hơn trong xử lý ô nhiễm môi trường.