Tổng quan luận án

Vấn đề ô nhiễm môi trường do các hợp chất hữu cơ khó phân hủy (POPs), thuốc bảo vệ thực vật, hóa chất diệt cỏ chứa dioxin tồn lưu sau chiến tranh và nước thải từ ngành công nghiệp dệt nhuộm đang gây ra những tác động nghiêm trọng đối với hệ sinh thái và sức khỏe con người tại Việt Nam. Nhiều chất ô nhiễm có độc tính cao, cấu trúc mạch vòng bền vững, thời gian bán hủy dài và khả năng tích lũy sinh học cao. Trong đó, di chứng của chất độc hóa học/dioxin tại các điểm nóng như sân bay Biên Hòa, sân bay Đà Nẵng đã kéo dài qua nhiều thế hệ. Các phương pháp xử lý hóa học và vật lý truyền thống (như thiêu đốt, khử hấp phụ nhiệt, hóa rắn) thường đòi hỏi chi phí rất cao, tiêu tốn năng lượng và khó áp dụng trên quy mô lớn tại các nước đang phát triển. Phương pháp phân hủy sinh học (bioremediation) sử dụng vi sinh vật và enzyme ngoại bào được đánh giá là giải pháp có tính khả thi cao, thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí.

Khoảng trống nghiên cứu lớn được xác định là: phần lớn các công trình trước đây chỉ thử nghiệm enzyme laccase hoặc vi sinh vật trên các chất màu tổng hợp đơn lẻ hoặc các chất mô phỏng đơn giản; thiếu các nghiên cứu xử lý trên nền mẫu hỗn hợp thực tế gồm chất diệt cỏ (2,4-D; 2,4,5-T), các đồng loại độc của dioxin (đặc biệt là 2,3,7,8-TCDD) trong đất ô nhiễm tại các sân bay quân sự, cũng như các loại thuốc nhuộm hoạt tính thương mại sử dụng trong công nghệ dệt may quân trang. Đồng thời, các thông tin về hoạt chất sinh học laccase-like (tác nhân oxy hóa không phải protein cấu trúc chuẩn, bền nhiệt cao) từ xạ khuẩn bản địa vẫn còn rất hạn chế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 2 nội dung chính:

  1. Tuyển chọn vi sinh vật có khả năng sinh laccase, laccase-like từ khu vực rừng Quốc gia Ba Vì và trong đất ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin tại sân bay Biên Hòa;
  2. Đánh giá khả năng phân hủy các chất diệt cỏ chứa dioxin và loại màu thuốc nhuộm hoạt tính bởi laccase, laccase-like và chủng vi sinh vật được lựa chọn nhằm định hướng áp dụng trong hoạt động quân sự và bảo vệ môi trường.

Nhiệm vụ cụ thể của luận án bao gồm:

  1. Phân lập, phân loại nấm và xạ khuẩn có khả năng sinh laccase và laccase-like từ rừng Quốc gia Ba Vì và đất ô nhiễm nặng chất diệt cỏ/dioxin tại khu vực Z1 và khu Tây Nam (Pacer Ivy) sân bay Biên Hòa, Đồng Nai;
  2. Lựa chọn môi trường nuôi cấy tối ưu để nấm và xạ khuẩn sinh tổng hợp laccase, laccase-like cao;
  3. Chiết tách và tinh sạch laccase, laccase-like từ các chủng đại diện có hoạt tính cao;
  4. Nghiên cứu đặc tính hóa - lý và hóa - sinh cơ bản của laccase, laccase-like tinh sạch;
  5. Đánh giá hiệu suất loại màu thuốc nhuộm tổng hợp và thuốc nhuộm hoạt tính bởi laccase, laccase-like và sinh khối vi sinh vật;
  6. Đánh giá khả năng phân hủy chất diệt cỏ 2,4-D, 2,4,5-T tinh khiết và trong dịch chiết đất (DCĐ) ô nhiễm sân bay Biên Hòa bởi laccase, đơn chủng và hỗn hợp chủng nấm;
  7. Đánh giá hiệu suất phân hủy đồng loại 2,3,7,8-TCDD bằng đơn chủng và hỗn hợp chủng nấm sinh laccase.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng vi sinh vật: Các chủng nấm đảm và xạ khuẩn phân lập từ tự nhiên hoặc kế thừa từ các bộ sưu tập giống vi sinh vật; enzyme laccase và hoạt chất sinh học laccase-like.
  • Đối tượng xử lý: Thuốc nhuộm tổng hợp (acid red 299 - NY1, acid blue 281 - NY5, acid red 266 - NY7, Remazol Brilliant Blue R - RBBR); các loại thuốc nhuộm hoạt tính thương mại dùng trong quân đội (Megafix navy FBN - MN.FBN, Megafix red EBR - MR.EBR, Megafix turquoise BES - MT.BES, Megafix yellow BES - MY.BES, Megafix yellow EG - MY.EG, Nova navy SG - NN.SG, Nova yellow RN2R - NY.FN2R, Nova yellow S3R - NY.S3R); chất diệt cỏ 2,4-D (2,4-dichlorophenoxyacetic acid), 2,4,5-T (2,4,5-trichlorophenoxyacetic acid); 2,3,7,8-TCDD (2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin); dịch chiết đất ô nhiễm tại sân bay Biên Hòa.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Mẫu đất và nấm thu thập tại Vườn Quốc gia Ba Vì (Hà Nội) và sân bay Biên Hòa (Đồng Nai); luận án được thực hiện trong khuôn khổ Đề tài độc lập cấp Nhà nước (Mã số DTDLCN.TS Đặng Thị Cẩm Hà làm chủ nhiệm) và bảo vệ năm 2018 tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến enzyme laccase, hoạt chất laccase-like, công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm và khử độc đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin:

Hướng nghiên cứu Tác giả, công trình và năm Nội dung chính và phát hiện
Phát hiện và cấu trúc laccase Yoshida (1883); Messerschmidt và cs. (1989–1993); Giardina và cs. (2010); Morozova và cs. (2007) Phát hiện laccase từ nhựa cây sơn Rhus vernicifera; xác định cấu trúc 3 miền chứa 4 nguyên tử Cu (T1, T2, T3); cơ chế oxy hóa cơ chất chuyển 4 electron để khử $O_2$ thành $H_2O$.
Hệ chất gắn kết laccase (LMS) Bourbonnais & Paice (1990); Call & Mücke (1997); Riva (2006) Sử dụng các mediator như ABTS, HBT, HPI, Violuric acid (ViO), Vanillin (VA) giúp mở rộng phổ cơ chất của laccase đối với các hợp chất có thế oxy hóa cao hoặc cồng kềnh.
Phân hủy hợp chất vòng thơm và PAHs Boyle và cs. (1992); Johannes và cs. (1996); Alves và cs. (2010); Zeng và cs. (2017) Ứng dụng laccase tự do, cố định và tái tổ hợp từ Trametes versicolor, Trametes sanguineus, Pycnoporus sanguineus, Bacillus subtilis CotA để phân hủy phenol, chlorophenol, bisphenol A, naphthalene, phenanthrene, benzo[a]pyrene.
Nghiên cứu laccase tại Việt Nam Đặng Thị Cẩm Hà và cs. (2009); Đào Thị Ngọc Ánh và cs. (2011); Hoàng Thị Nhung và cs. (2012); Trần Thị Thu Hiền và cs. (2013) Phân lập vi khuẩn Achromobacter sp. BQNT2 (15 U/L), nấm sợi Aspergillus sp. FNA1 (1.608 U/L), Trichoderma sp. FCP3 (2.000 U/L), Myrothecium sp. FNBLa1 (30.016 U/L) có khả năng sinh laccase và phân hủy PAH, thuốc trừ sâu DDT, HCH.
Hoạt chất laccase-like (LMCO, LMS phân tử thấp) Tanaka và cs. (1999); Enoki và cs. (1999); Messerschmidt và cs. (1993); Đàm Thúy Hằng và cs. (2012) Phát hiện các peptide phân tử lượng thấp (<5 kDa) như tác nhân Pc (P. chrysosporium), Gt (G. trabeum), SFGF và các hoạt chất từ xạ khuẩn Streptomyces sp. XKBH1, XKBH13 ở Biên Hòa có tính oxy hóa giống laccase, rất bền nhiệt (chịu 80–100°C).
Phân hủy chất diệt cỏ và dioxin bởi nấm Takada và cs. (1996); Vroumsia và cs. (2005); Kamei và cs. (2006); Itoh và cs. (2008); Kasai (2010); Xiao và cs. (2011) Nghiên cứu các chủng nấm mục trắng Phanerochaete chrysosporium, Phanerochaete sordida YK-624, Phlebia lindtneri, Phlebia brevispora, Acremonium sp. 622 phân hủy 2,4-D, 2,4-DCP, 2,7-DCDD, 2,3,7,8-TCDD, OCDD qua hệ enzyme lignin (LiP, MnP, Laccase) và Cytochrome P450.
Xử lý bioremediation hiện trường tại Việt Nam Đặng Thị Cẩm Hà và cs. (1999–2012); Lâm Vĩnh Ánh và cs. (2011–2015) Xử lý thành công 3.384 $m^3$ đất nhiễm dioxin tại sân bay Biên Hòa bằng công nghệ phân hủy sinh học, giảm độ độc 99,6% sau 40 tháng (còn 14,12 ng TEQ/kg đất khô); tích hợp rửa đất, oxy hóa khử và nhiệt xúc tác.

Khoảng trống luận án giải quyết:

  • Đa số các thử nghiệm laccase trước đây chỉ tập trung vào thuốc nhuộm dệt may thông thường hoặc chất diệt cỏ đơn chất nhân tạo trong môi trường muối khoáng. Luận án đi sâu vào việc tinh sạch và khảo sát chi tiết hoạt chất laccase-like từ xạ khuẩn bản địa (Streptomyces sp. XKBiR929) phân lập từ vùng ô nhiễm dioxin sân bay Biên Hòa.
  • Đánh giá khả năng loại màu trên các thuốc nhuộm hoạt tính chuyên dụng dùng để nhuộm vải may quân trang của Nhà máy X20 (Tổng cục Hậu cần).
  • Đánh giá năng lực phân hủy đồng thời hỗn hợp chất diệt cỏ (2,4-D, 2,4,5-T) và đồng loại độc nhất của dioxin (2,3,7,8-TCDD) trong môi trường dịch chiết đất thực tế bằng enzyme laccase thô, đơn chủng nấm và tổ hợp hỗn hợp nhiều loài nấm bản địa (Rigidoporus sp. FBV40, FBD154, Myrothecium sp. FNBLa1).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Cơ chế xúc tác của Multicopper Oxidase (Laccase): Laccase (EC 1.10.3.2) thuộc nhóm oxidoreductase, chứa 4 nguyên tử đồng tại trung tâm phản ứng. Cơ chất phenol hoặc amin thơm bị oxy hóa tại vị trí Cu T1 (tạo gốc tự do), chuyển 1 electron làm Cu T1 chuyển sang dạng khử $Cu^+$. Electron sau đó được chuyển đến cụm 3 nguyên tử đồng (1 nguyên tử T2 và 2 nguyên tử T3), nơi phân tử oxy tự do ($O_2$) đóng vai trò là chất nhận electron cuối cùng và bị khử thành 2 phân tử nước ($H_2O$).
  • Hệ chất trung gian (Laccase-Mediator System - LMS): Đối với các cơ chất có kích thước phân tử lớn hoặc thế oxy hóa khử cao (như thuốc nhuộm azo phức tạp, dioxin, phenoxyacetic acid), laccase oxy hóa chất trung gian (mediator như ABTS, HBT, ViO) thành các gốc oxy hóa có khả năng khuếch tán ra ngoài để oxy hóa gián tiếp cơ chất đích.
  • Hoạt chất laccase-like / LMCO: Các peptide hoặc glycopeptide có phân tử lượng thấp (<5 kDa), chứa kim loại đồng hoặc ion kim loại chuyển tiếp, không bị biến tính ở nhiệt độ cao (80–100°C) nhưng có khả năng xúc tác phản ứng oxy hóa tương tự laccase.
  • Động học enzyme: Xác định hằng số Michaelis ($K_m$) và vận tốc cực đại ($V_{max}$) theo phương trình Michaelis-Menten và đồ thị Lineweaver-Burk.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp vi sinh học:
    • Thu thập mẫu gỗ mục, đất rừng Ba Vì và đất ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin tại các điểm Z1, Tây Nam (Pacer Ivy) sân bay Biên Hòa.
    • Phân lập trên các môi trường chọn lọc (Czapek-Dox, Gause, muối khoáng bổ sung cơ chất phenol/dioxin/chất diệt cỏ).
    • Sàng lọc khả năng sinh laccase định tính trên đĩa thạch chứa chất chỉ thị màu ABTS hoặc guaiacol.
  • Phương pháp sinh học phân tử:
    • Tách chiết DNA tổng số từ sinh khối nấm và xạ khuẩn.
    • Khuếch đại PCR các đoạn gen chỉ thị phân loại: 16S rRNA đối với xạ khuẩn (sử dụng cặp mồi 27F/1492R) và 18S rRNA / vùng ITS đối với nấm.
    • Giải trình tự gen, so sánh độ tương đồng trên GenBank (NCBI) bằng công cụ BLAST và xây dựng cây phát sinh chủng loại theo phương pháp Neighbor-Joining.
  • Phương pháp hóa sinh và tinh sạch enzyme:
    • Xác định hoạt tính laccase/laccase-like bằng đo mật độ quang trên máy quang phổ UV-Vis ở bước sóng 420 nm với cơ chất ABTS ($\varepsilon_{420} = 36.000\ M^{-1}cm^{-1}$).
    • Quy trình tinh sạch: Ly tâm thu dịch nổi $\rightarrow$ Siêu lọc màng (thẩm thấu màng) $\rightarrow$ Kết tủa phân đoạn bằng amoni sulfat $(NH_4)_2SO_4$ $\rightarrow$ Sắc ký trao đổi ion (cột DEAE-Sepharose/Q-Sepharose) $\rightarrow$ Sắc ký lọc gel (Sephadex G-100 / Superdex).
    • Điện di SDS-PAGE để kiểm tra độ tinh sạch và xác định khối lượng phân tử protein; nhận diện protein bằng khối phổ MALDI-TOF/MS.
    • Khảo sát các đặc tính hóa lý: Xác định pH tối ưu và độ bền pH (dải pH 2,0–10,0); nhiệt độ tối ưu và độ bền nhiệt (20–90°C); ảnh hưởng của các ion kim loại ($Cu^{2+}, Fe^{2+}, Fe^{3+}, Mn^{2+}, Zn^{2+}, Mg^{2+}, Ca^{2+}, Na^+, K^+$) và các chất ức chế (EDTA, sodium azide, L-cysteine, DTT, SDS).
  • Phương pháp thực nghiệm xử lý thuốc nhuộm và chất diệt cỏ/dioxin:
    • Loại màu thuốc nhuộm: Bố trí thí nghiệm trong bình tam giác với các nồng độ thuốc nhuộm (50, 100, 200 mg/L), khảo sát vai trò của enzyme thô, enzyme tinh sạch, sinh khối nấm sống, ảnh hưởng của các chất gắn kết (ViO, HBT, ABTS), nguồn cacbon (D-glucose, lactose, maltose, sucrose) và nguồn nitơ ($NaNO_3, (NH_4)_2SO_4$, cao ngô, pepton). Đo độ giảm màu bằng phổ quét UV-Vis.
    • Phân hủy chất diệt cỏ và dioxin: Thí nghiệm phân hủy 2,4-D, 2,4,5-T chuẩn và dịch chiết đất (DCĐ) chứa 2,4-D, 2,4,5-T và 2,3,7,8-TCDD (tổng độ độc ban đầu lên tới 2.000 ng TEQ/L) bằng dịch laccase thô, đơn chủng Rigidoporus sp. FBV40 và hỗn hợp chủng (FBV40, FBD154, FNBLa1).
  • Phương pháp phân tích dụng cụ:
    • Phân tích dư lượng chất diệt cỏ 2,4-D, 2,4,5-T bằng sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS).
    • Phân tích vi lượng các đồng loại dioxin và 2,3,7,8-TCDD bằng sắc ký khí phân giải cao ghép khối phổ phân giải cao (HRGC/HRMS) theo tiêu chuẩn USEPA 1613B.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 1 tổng thuật chi tiết toàn bộ các cơ sở lý luận và thực tiễn về enzyme laccase, hoạt chất laccase-like, tính chất nước thải dệt nhuộm và hiện trạng ô nhiễm dioxin tại Việt Nam. Tác giả phân tích rõ:

  • Cấu trúc phân tử laccase gồm 3 miền (domain A, B, C) chứa 4 nguyên tử đồng. Cơ chế chuyển dịch electron từ chất cho đến $O_2$ và vai trò mở rộng cơ chất của hệ chất trung gian (LMS).
  • Sự tồn tại của các hoạt chất oxy hóa phân tử lượng thấp (LMS Low Molecular Weight như tác nhân Pc, Gt, SFGF và laccase-like từ xạ khuẩn), có khả năng chịu nhiệt cao (80–100°C) và bền vững ở điều kiện khắc nghiệt.
  • Đặc điểm phức tạp của nước thải dệt nhuộm: độ màu cao (lên đến 10.000 Pt-Co), pH kiềm (9–12), COD dao động từ 80 đến 18.000 mg/L, hàm lượng cặn lơ lửng lớn và sự hiện diện của các nhóm thuốc nhuộm azo khó phân hủy chiếm 60–70% thị phần.
  • Dữ liệu khảo sát chi tiết về các điểm nóng ô nhiễm dioxin tại sân bay Biên Hòa: Khu Tây Nam có nồng độ dioxin cao nhất đạt 110.000 ppt-TEQ (điểm SW-1A, sâu 30–60 cm); Khu Pacer Ivy đạt 11.400 ppt (điểm PI-2); các khu vực hồ Cổng 2, mương thoát nước phía Tây đều bị ô nhiễm nặng vượt ngưỡng quy chuẩn QCVN 45:2012.
  • Đánh giá ưu nhược điểm của 40 loại hình công nghệ xử lý POPs trên thế giới, khẳng định hướng tiếp cận phân hủy sinh học (bioremediation) sử dụng hệ enzyme ngoại bào và nấm bản địa là giải pháp phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết toàn bộ các đối tượng sinh học, hóa chất, thiết bị và các quy trình thực nghiệm được thiết kế phục vụ đề tài:

  • Hệ thống hóa các nguồn mẫu phân lập từ rừng Quốc gia Ba Vì và đất ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin sân bay Biên Hòa (khu Z1, Pacer Ivy).
  • Quy trình phân lập, tuyển chọn nấm đảm và xạ khuẩn có hoạt tính oxy hóa ABTS cao; quy trình giải trình tự gen 16S rRNA và 18S rRNA/ITS để định danh chủng.
  • Quy trình nuôi cấy chìm định kỳ để sinh tổng hợp laccase từ nấm và laccase-like từ xạ khuẩn; tối ưu hóa thành phần môi trường dinh dưỡng (nguồn cacbon, nitơ, ion vi lượng $Cu^{2+}$).
  • Quy trình tinh sạch laccase và laccase-like qua các bước siêu lọc, kết tủa muối amoni sulfat, sắc ký trao đổi ion và sắc ký lọc gel; kỹ thuật SDS-PAGE và MALDI-TOF.
  • Phương pháp xác định các thông số động học ($K_m, V_{max}$) và tính chất hóa lý của enzyme tinh sạch cũng như dịch thô.
  • Thiết kế các lô thực nghiệm loại màu thuốc nhuộm hoạt tính dệt may quân đội và thực nghiệm phân hủy 2,4-D, 2,4,5-T, 2,3,7,8-TCDD trong môi trường lỏng và nền đất/dịch chiết đất ô nhiễm bằng các phân tích quang phổ UV-Vis, GC-MS và HRGC/HRMS.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và biện luận

Chương 3 trình bày các phát hiện thực nghiệm và luận giải khoa học qua 4 nhóm nội dung lớn:

1. Phân lập, tuyển chọn và định danh chủng vi sinh vật

  • Đã phân lập được chủng nấm đảm ký hiệu FBV40 từ mẫu nấm thu thập tại Vườn Quốc gia Ba Vì có hoạt tính laccase ngoại bào cao vượt trội. Kết quả giải trình tự vùng gen 18S rRNA/ITS và phân tích cây phát sinh chủng loại xác định chủng FBV40 thuộc chi Rigidoporus sp.
  • Phân lập từ đất ô nhiễm dioxin tại sân bay Biên Hòa 2 chủng xạ khuẩn ký hiệu XKBHN1 và XKBiR929 có khả năng sinh trưởng trên môi trường chứa chất diệt cỏ và sinh tổng hợp hoạt chất laccase-like. Trình tự 16S rRNA khẳng định cả 2 chủng thuộc chi Streptomyces sp.
  • Nghiên cứu môi trường nuôi cấy cho thấy chủng nấm Rigidoporus sp. FBV40 sinh tổng hợp hoạt tính laccase thô cực đại đạt tới 107.708 U/L khi được nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng tối ưu có bổ sung ion $Cu^{2+}$. Chủng xạ khuẩn Streptomyces sp. XKBiR929 sinh laccase-like cao trên môi trường chứa các hợp chất vòng thơm có clo.

2. Tinh sạch và đặc tính hóa - lý của laccase và laccase-like

  • Tinh sạch laccase từ Rigidoporus sp. FBV40 thu được 2 isozyme laccase (ký hiệu Lac1 và Lac2). Điện di SDS-PAGE và phân tích MALDI-TOF xác định khối lượng phân tử của Lac1 và Lac2 nằm trong khoảng 60–66 kDa.
  • Tinh sạch từ dịch nuôi cấy xạ khuẩn Streptomyces sp. XKBiR929 thu được phân đoạn hoạt tính laccase-like. Khác với laccase thông thường, laccase-like thể hiện tính bền nhiệt rất cao, duy trì hoạt tính tốt ở 80°C và không bị mất hoạt tính hoàn toàn khi đun nóng.
  • Khảo sát đặc tính hóa lý của Lac1 và Lac2 từ chủng FBV40:
    • pH tối ưu cho phản ứng oxy hóa ABTS nằm trong vùng acid yếu (pH 4,0–4,6), enzyme bền trong khoảng pH từ 5,0 đến 8,0.
    • Nhiệt độ tối ưu hoạt động trong khoảng 45–55°C, độ bền nhiệt duy trì tốt ở 30–50°C.
    • Xác định động học xúc tác: Enzyme có ái lực cao với ABTS với giá trị hằng số Michaelis $K_m$ đặc trưng.
    • Ảnh hưởng của ion kim loại và chất ức chế: Hoạt tính laccase bị ức chế mạnh bởi sodium azide ($NaN_3$), L-cysteine, DTT ở nồng độ thấp; các ion $Cu^{2+}$ ở nồng độ thích hợp giúp duy trì và kích hoạt hoạt tính enzyme, trong khi một số kim loại nặng khác gây ức chế ở các mức độ khác nhau.

3. Khả năng loại màu thuốc nhuộm tổng hợp và thuốc nhuộm hoạt tính dệt may quân đội

  • Dịch enzyme laccase thô từ Rigidoporus sp. FBV40 có khả năng khử màu nhanh và hiệu quả đối với các thuốc nhuộm tổng hợp nhóm azo và anthraquinone (NY1, NY5, NY7, RBBR).
  • Đối với các loại thuốc nhuộm hoạt tính thương mại do Nhà máy X20 (Tổng cục Hậu cần) cung cấp:
    • Laccase thô của FBV40 và enzyme tinh sạch Lac1 loại màu hiệu quả thuốc nhuộm Megafix navy FBN (MN.FBN). Sự có mặt của chất gắn kết Violuric acid (ViO) hoặc ABTS làm tăng đáng kể tốc độ và hiệu suất loại màu.
    • Laccase-like tinh sạch từ chủng xạ khuẩn Streptomyces sp. XKBiR929 cũng có khả năng oxy hóa và làm mất màu thuốc nhuộm MN.FBN.
    • Nuôi cấy sợi nấm sống Rigidoporus sp. FBV40 trực tiếp trong môi trường chứa thuốc nhuộm MN.FBN ở các dải nồng độ 50, 100 và 200 mg/L cho thấy sinh khối nấm vừa hấp phụ vừa phân hủy chuyển hóa hoàn toàn màu thuốc nhuộm sau 3–4 ngày. Khảo sát các nguồn cacbon (D-glucose, maltose, sucrose, lactose) và nguồn nitơ cho thấy D-glucose và nguồn nitơ hữu cơ giúp tăng cường sinh khối và kích thích tiết laccase cao, thúc đẩy quá trình loại màu triệt để.

4. Khả năng phân hủy chất diệt cỏ và dioxin

  • Phân hủy bằng dịch laccase thô: Dịch enzyme laccase thô từ FBV40 có khả năng phân hủy 2,4,5-T tinh khiết và làm giảm hàm lượng các chất ô nhiễm hữu cơ chứa clo trong dịch chiết đất (DCĐ) ô nhiễm sân bay Biên Hòa.
  • Phân hủy bằng chủng nấm sinh laccase:
    • Đơn chủng Rigidoporus sp. FBV40 có khả năng phân hủy 2,4-D và 2,4,5-T trong đất ô nhiễm, đồng thời phân hủy được đồng loại độc nhất của dioxin là 2,3,7,8-TCDD.
    • Thử nghiệm tổ hợp hỗn hợp chủng gồm 3 loài nấm (Rigidoporus sp. FBV40, FBD154 và Myrothecium sp. FNBLa1) trên nền đất/dịch chiết đất ô nhiễm có tổng độ độc ban đầu lên đến 2.000 ng TEQ/L cho thấy: hỗn hợp chủng nấm phân hủy 2,4-D, 2,4,5-T nhanh hơn và đạt hiệu suất phân hủy 2,3,7,8-TCDD cao gấp 2 lần so với khi chỉ sử dụng đơn chủng FBV40.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Đây là công trình đầu tiên nghiên cứu tinh sạch và xác định đặc tính của hoạt chất sinh học laccase-like được sinh tổng hợp bởi chủng xạ khuẩn Streptomyces sp. XKBiR929 (phân lập từ đất nhiễm dioxin sân bay Biên Hòa), đồng thời chứng minh khả năng của laccase-like trong việc làm mất màu thuốc nhuộm hoạt tính thương mại MN.FBN.
  2. Đã phân lập, định danh và chứng minh chủng nấm đảm bản địa Rigidoporus sp. FBV40 có khả năng sinh tổng hợp laccase ngoại bào với hoạt tính thô rất cao (đạt tới 107.708 U/L); khẳng định hiệu quả cao của laccase từ chủng này trong việc loại màu các thuốc nhuộm tổng hợp (gốc azo, anthraquinone) và các thuốc nhuộm hoạt tính thương mại chuyên dụng phục vụ dệt nhuộm quân trang quân đội.
  3. Đã khẳng định chủng nấm đảm Rigidoporus sp. FBV40 có khả năng đồng thời phân hủy các chất diệt cỏ 2,4-D, 2,4,5-T và đồng loại độc nhất của dioxin là 2,3,7,8-TCDD. Luận án làm sáng tỏ việc sử dụng tổ hợp hỗn hợp các loài nấm bản địa (gồm cả nấm đảm và nấm sợi sinh laccase) mang lại hiệu suất phân hủy 2,3,7,8-TCDD cao gấp 2 lần so với nuôi cấy đơn chủng trên nền ô nhiễm có độ độc cao tới 2.000 ng TEQ/L.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất ứng dụng chế phẩm enzyme laccase thô và sinh khối nấm Rigidoporus sp. FBV40 vào hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm chứa thuốc nhuộm hoạt tính tại các nhà máy may quân trang thuộc Bộ Quốc phòng nhằm giảm thiểu ô nhiễm màu trước khi xả thải.
  • Ứng dụng tổ hợp hỗn hợp vi sinh vật bản địa sinh enzyme oxy hóa ngoại bào (FBV40, FBD154, FNBLa1) vào quy trình công nghệ phân hủy sinh học (bioremediation) quy mô lớn để xử lý khử độc đất và trầm tích ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin tại các điểm nóng sân bay Biên Hòa và các khu vực tồn lưu hóa chất chiến tranh tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án cho thấy một số hạn chế và định hướng cần tiếp tục hoàn thiện:

  • Nghiên cứu cơ chế phân hủy sâu ở mức độ nhận diện đầy đủ toàn bộ các hợp chất chuyển hóa trung gian của 2,3,7,8-TCDD và thuốc nhuộm hoạt tính mới dừng lại ở mức giả định và phân tích định lượng độ giảm nồng độ/độ độc; chưa giải trình chi tiết từng bước bẻ gãy liên kết trong chuỗi phản ứng sinh hóa.
  • Hoạt chất sinh học laccase-like từ xạ khuẩn Streptomyces sp. XKBiR929 cần được tiếp tục phân tích cấu trúc hóa học phân tử chi tiết (giải mã trình tự peptide, phối tử đồng) để làm rõ bản chất hóa học đầy đủ và đăng ký tên gọi chính thức mới (như đề xuất tên SDL).
  • Các thực nghiệm phân hủy dioxin và xử lý thuốc nhuộm chủ yếu được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm (bình tam giác, dịch chiết đất); cần tiếp tục nghiên cứu mở rộng sang quy mô pilot, bioreactor dung tích lớn và thử nghiệm ngoài hiện trường thực địa.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao đối với các nhóm đối tượng:

  • Các nhà nghiên cứu và học viên sau đại học chuyên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ sinh học môi trường và Vi sinh vật học: Tài liệu cung cấp phương pháp luận bài bản về quy trình phân lập, tuyển chọn vi sinh vật sinh enzyme oxy hóa, quy trình tinh sạch protein và kỹ thuật đánh giá động học enzyme laccase/laccase-like.
  • Cán bộ kỹ thuật và các nhà quản lý môi trường ngành Dệt may và Công nghiệp hóa chất: Cung cấp giải pháp sinh học xử lý màu nước thải dệt nhuộm chứa thuốc nhuộm hoạt tính azo và anthraquinone.
  • Đơn vị nghiên cứu và ứng dụng trong Quân đội (Binh chủng Hóa học, Viện Hóa học - Môi trường quân sự, Nhà máy X20/Tổng cục Hậu cần): Cung cấp nguồn giống vi sinh vật bản địa và cơ sở khoa học để xây dựng công nghệ tẩy độc đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin và xử lý chất thải công nghiệp quốc phòng.

Câu hỏi thường gặp

1. Chủng nấm Rigidoporus sp. FBV40 được phân lập từ đâu và đạt hoạt tính laccase thô tối đa là bao nhiêu? Chủng nấm đảm Rigidoporus sp. FBV40 được phân lập từ mẫu nấm gỗ mục thu thập tại Vườn Quốc gia Ba Vì (Hà Nội). Trong điều kiện môi trường nuôi cấy tối ưu có bổ sung chất cảm ứng ion $Cu^{2+}$, hoạt tính laccase ngoại bào thô của chủng này đạt cực đại lên tới 107.708 U/L.

2. Hoạt chất laccase-like từ xạ khuẩn Streptomyces sp. XKBiR929 có những đặc tính gì khác biệt so với laccase thông thường? Laccase-like từ chủng XKBiR929 không phải là enzyme protein thông thường mà là hoạt chất sinh học phân tử lượng thấp (<5 kDa). Hoạt chất này có khả năng oxy hóa cơ chất ABTS giống laccase nhưng có độ bền nhiệt rất cao, duy trì hoạt tính tốt ở 80°C và không bị mất hoạt tính hoàn toàn khi đun sôi, phù hợp để xử lý ô nhiễm trong các điều kiện môi trường bất lợi.

3. Khả năng phân hủy 2,3,7,8-TCDD của tổ hợp hỗn hợp chủng nấm khác biệt như thế nào so với nuôi cấy đơn chủng? Kết quả thực nghiệm trên môi trường chứa dioxin với tổng độ độc ban đầu 2.000 ng TEQ/L cho thấy việc sử dụng tổ hợp hỗn hợp 3 chủng nấm bản địa (Rigidoporus sp. FBV40, FBD154 và Myrothecium sp. FNBLa1) giúp tăng hiệu suất phân hủy đồng loại độc nhất 2,3,7,8-TCDD lên gấp 2 lần so với khi chỉ sử dụng đơn chủng FBV40.

4. Luận án đã thử nghiệm xử lý những loại thuốc nhuộm hoạt tính dệt may quân đội nào? Luận án đã thử nghiệm trên các loại thuốc nhuộm hoạt tính thương mại do Nhà máy X20 (Tổng cục Hậu cần) sử dụng để nhuộm vải may quân trang, bao gồm: Megafix navy FBN (MN.FBN), Megafix red EBR (MR.EBR), Megafix turquoise BES (MT.BES), Megafix yellow BES (MY.BES), Megafix yellow EG (MY.EG), Nova navy SG (NN.SG), Nova yellow RN2R (NY.FN2R) và Nova yellow S3R (NY.S3R).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của NCS Phùng Khắc Huy Chú đã giải quyết thành công các mục tiêu nghiên cứu về việc tuyển chọn, tinh sạch và đánh giá tiềm năng ứng dụng của enzyme laccase và hoạt chất laccase-like từ các chủng nấm đảm và xạ khuẩn bản địa Việt Nam. Công trình đã chứng minh chủng nấm Rigidoporus sp. FBV40 có hoạt tính laccase thô cao (107.708 U/L) và chủng xạ khuẩn Streptomyces sp. XKBiR929 sinh hoạt chất laccase-like bền nhiệt, có khả năng xử lý hiệu quả các loại thuốc nhuộm hoạt tính thương mại dùng trong quân đội. Đồng thời, nghiên cứu khẳng định hiệu quả vượt trội của tổ hợp hỗn hợp nấm bản địa trong việc phân hủy đồng thời hỗn hợp chất diệt cỏ (2,4-D, 2,4,5-T) và đồng loại độc nhất của dioxin (2,3,7,8-TCDD). Các kết quả thu được cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc phát triển các công nghệ sinh học xử lý ô nhiễm nước thải dệt nhuộm và tẩy độc môi trường tồn lưu chất độc hóa học tại Việt Nam.