Đặt vấn đề Trái đất cả chúng ta đang ngày càng đối mặt với các vấn đề nghiêm trọng về thiên tai và khí hậu biểu hiện ở việc nhiệt độ trái đất ngày một nóng lên, lũ quét và hạn hán diễn ra thường xuyên liên tục trên hầu khắp các địa phương, tình trạng sa mạc hóa ngày một tăng. Những vấn đề thiên tai nêu trên ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của hàng triệu người trên khắp các lục địa. Một trong những nguyên nhân gây nên các vấn đề thiên tai đó là tình hình cháy rừng và chặt phá rừng xảy ra rất thường xuyên với quy mô diện tích vô cùng lớn trên rất nhiều kiểu rừng đặc biệt là rừng Thông. Với đặc tính của rừng Thông là lớp thảm khô thảm mục có khối lượng rất lớn và trong lá cũng như cành khô có chứa một lượng tinh dầu mỗi khi xảy ra cháy thì mức độ tàn phá là vô cùng lớn.
Việc kiểm soát cháy rừng Thông rất khó khăn bởi đặc tính của lớp thực bì lớp thảm khô thảm mục có khối lượng rất lớn. Đứng trước những yêu cầu về tình hình hiện tại muốn giảm thiểu được cháy rừng Thông cũng như giảm thiểu được mức độ gây hại mỗi khi sẩy ra cháy chúng ta cần giảm thiểu được ở mức tối đa lớp vật liệu cháy là lá và cành cây khô cũng như lớp thực bì ở dưới tán rừng. Có rất nhiều các biện pháp được đưa ra như đốt trước, làm băng trắng, băng xanh cản lửa nhưng dường như các biện pháp trên chưa mang lại hiệu quả cao. Hiện nay trên thế giới việc đưa các vi sinh vật vào phục vụ đời sống đang trở nên phổ biến.
Không nằm ngoài xu thế đó việc đưa các vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo dưới tán rừng Thông nhằm nâng cao hiệu quả của việc phòng trống cháy rừng Thông là hết sức cần thiết. Nhằm phục vụ công tác nghiên cứu phát triển những lợi ích của các chủng VSV này tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu đặc điểm sinh học của một số chủng vi sinh vật phân giải h 2 xenlulo được phân lập từ các mẫu đất dưới tán rừng thông đuôi ngựa (Pinus massoniana) ở Tam Đảo, Vĩnh Phúc”. Xác định được đặc điểm sinh học như điều kiện sinh trưởng và phát triển tối ưu nhất cho các chủng vi sinh vật có hoạt tính phân hủy xenlulo cao ứng dụng vào trong sản xuất chế phẩm sinh học phân hủy xenlulo nhanh, để phục vụ trong lĩnh vực sản xuất Nông - Lâm nghiệp và ứng dụng trong phòng chống cháy rừng. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định được đặc điểm sinh học, điều kiện sinh trưởng và phát triển tối ưu của các chủng vi sinh vật là cơ sở khoa học để sản xuất chế phẩm sinh học nhằm phân hủy xenlulo.
Ý nghĩa của đề tài 1. Ý nghĩa khoa học - Đề tài góp phần bổ sung cơ sở lý luận trong việc nghiên cứu và sản xuất chế phẩm sinh học nhằm phân hủy nhanh xenlulo. Ý nghĩa trong thực tiễn - Là cơ sở để sản xuất chế phẩm sinh học nhằm phân hủy nhanh xenlulo phục vụ trong lĩnh vực sản xuất Nông - Lâm nghiệp và phòng chống cháy rừng. - Giúp sinh viên có cơ hội tiếp cận với việc nghiên cứu khoa học, kỹ năng thực hành học trong phòng thí nghiệm.
Qua đó kết hợp với các kiến thức lý thuyết đã được học sinh viên sẽ có những hiểu biết chuyên sâu về chuyên nghành đào tạo. h 3 PHẦN 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2. Tổng quan tài liệu nghiên cứu 2. Tổng quan về Emzym xenlulo Xenlulo là chất hữu cơ khó phân hủy.
Người và hầu hết động vật không có khả năng phân hủy cellulose. Do đó, khi thực vật chết hoặc con người thải các sản phẩm hữu cơ có nguồn gốc thực vật đã để lại trong môi trường lượng lớn rác thải hữu cơ. Tuy nhiên nhiều chủng vi sinh vật bao gồm nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn có khả năng phân hủy xenlulo thành các sản phẩm dễ phân hủy nhờ enzyme cellulase (Trịnh Đình khả và cộng sự, 2007).[14] Cellulase là phức hệ enzyme thủy phân xenlulo tạo thành các phân tử đường β-glucose. Theo nghiên cứu của một số tác giả, xenlulo bị phân hủy dưới tác dụng hiệp đồng của phức hệ cellulase bao gồm ba enzyme là Exo-β- (1,4)-glucanase hay enzyme C1, Endo-β-glucanase hay endocellulase còn gọi là enzyme CMC-ase hay Cx và β-(1,4)-glucosidase hay cellobioase: Exo-1,4-gluconase giải phóng cellobiose hoặc glucose từ đầu không khử của cellulose, tác dụng yếu lên CMC nhưng tác dụng mạnh lên xenlulo và định hình hoặc xenlulo đã bị phân giải một phần.
Tác dụng lên xenlulo kết tinh không rõ ràng nhưng khi có một endoglucanase thì có tác dụng hiệp đồng rõ rệt, enzyme tác dụng mạnh lên cellodextrin. Enzyme này hoạt động mạnh ở vùng vô định hình nhưng lại hoạt động yếu ở vùng kết tinh của cellulose. β-1,4-glucosidase thủy phân cellobiose và các cellodextrin khác hòa tan trong nước sinh ra, chúng có hoạt tính cao trên cellobiase, còn cellodextrin thì hoạt tinh thấp và giảm khi chiều dài của chuỗi tăng lên. Phân loại cellulase Cellulase là phức hệ enzyme có tác dụng thủy phân xenlulo thông qua việc thủy phân liên kết β-1,4-glycoside tạo thành các phân tử đường β-glucose.
h 4 Dựa vào đặc điểm của cơ chất và cơ chế phân cắt, enzyme cellulase được chia thành ba loại: - 1,4- -D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.91) - 1,4- -D-glucan 4-glucanohydrolase (EC 3.4) - -D-glucoside glucohydrolase (EC 3.21) Các enzyme này được tìm thấy trong vi khuẩn sống trong dạ dày cỏ bò và mối và trong một số nấm như Trichoderma, Aspergillus… Endo-1,4-glucanase (hay CMC-ase, Cx, EC 3.4) thủy phân liên kết ß-1,4-glucoside và tác động vào chuỗi xenlulo một cách tùy tiện, sản phẩm của quá trình thủy phân là cellobiose và glucose. Do thủy phân CMC hoặc xenlulo theo kiểu tùy tiện nên endo-1,4-glucanase làm giảm nhanh chiều dài chuỗi xenlulo và tăng chậm các nhóm khử, enzyme tác dụng mạnh lên cellodextrin. Enzyme này hoạt động mạnh ở vùng vô định hình nhưng lại hoạt động yếu ở vùng kết tinh của cellulose. Exo-1,4-gluconase (hay cellobiohydrolase, C1 EC 3.91) giải phóng cellobiose hoặc glucose từ đầu không khử của cellulose, tác dụng yếu lên CMC nhưng tác dụng mạnh lên xenlulo vô định hình hoặc xenlulo đã bị phân giải một phần.
Tác dụng lên xenlulo kết tinh không rõ nhưng khi có mặt endoglucanase thì có tác dụng hiệp đồng rõ rệt. ß-1,4-glucosidase (hay cellobiase, EC 3.21) thủy phân cellobiose và các cellodextrin khác hòa tan trong nước sinh ra, chúng có hoạt tính cao trên cellobiase, còn cellodextrin thì hoạt tính thấp và giảm khi chiều dài của chuỗi tăng lên. Chức năng của ß-glucosidase có lẽ là điều chỉnh sự tích lũy các chất cảm ứng của cellulase. Cơ chế tác dụng của enzyme cellulase Cellulase là một hệ enzyme phức tạp xúc tác sự thủy phân xenlulo thành cellobiose và cuối cùng thành glucose.
h 5 Sự phân giải xenlulo dưới tác dụng của hệ enzyme cellulase xảy ra theo 3 giai đoạn chủ yếu sau: Trong giai đoạn thứ nhất, dưới tác dụng của tác nhân C1, xenlulo bị thủy phân thành xenlulo hòa tan. Trong giai đoạn thứ hai, xenlulo hòa tan sẽ bị thủy phân dưới tác dụng xúc tác của hệ enzyme Cx tạo thành đường cellobiose. Ở giai đoạn cuối cùng, dưới tác dụng của enzyme ß-1,4-glucosidase (hay cellobiase, EC 3.21), cellobiose bị thủy phân thành glucose. Các loài vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp cellulase trong điều kiện tự nhiên thường bị ảnh hưởng bởi tác động nhiều mặt của các yếu tố ngoại cảnh nên có loài phát triển rất mạnh, có loài phát triển yếu.
Chính vì thế, việc phân hủy xenlulo trong tự nhiên được tiến hành không đồng bộ, xảy ra rất chậm. Ứng dụng của emzym cellulose Hiện nay, enzyme cellulase được ứng dụng mạnh mẽ trong các ngành công nghiệp khác nhau như: công nghiệp thực phẩm, công nghiệp sản xuất bia rượu, công nghiệp chế biến thức ăn gia súc, công nghiệp dệt, sản xuất bột giặt, sản xuất giấy, trong nông nghiệp. Trong công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy, bổ sung các loại enzyme trong khâu nghiền bột, tẩy trắng và xeo giấy có vai trò rất quan trọng. Nguyên liệu ban đầu chứa hàm lượng cao các chất khó tan là lignin và một phần hemicellulose, nên trong quá trình nghiền để tách riêng các sợi gỗ thành bột mịn gặp nhiều khó khăn.
Trong công nghiệp xử lý rác thải và sản xuất chế phẩm vi sinh. Rác thải là nguồn chính gây nên ô nhiễm môi trường dẫn tới mất cân bằng sinh thái và phá hủy môi trường sống, đe dọa tới sức khỏe và cuộc sống con người. Thành phần hữu cơ chính trong rác thải là cellulose, nên việc sử dụng công nghệ vi sinh trong xử lý rác thải cải thiện môi trường rất có hiệu quả. Enzyme này có khả năng thủy phân chất thải chứa cellulose, chuyển hoá các hợp chất kiểu h 6 lignoxenlulo và xenlulo trong rác thải tạo nên nguồn năng lượng thông qua các sản phẩm đường, ethanol, khí sinh học hay các các sản phẩm giàu năng lượng khác.
Trong công đoạn nghiền bột giấy, bổ sung endoglucanase sẽ làm thay đổi nhẹ cấu hình của sợi cellulose, tăng khả năng nghiền và tiết kiệm khoảng 20% năng lượng cho quá trình nghiền cơ học. Trước khi nghiền hóa học, gỗ được xử lý với endoglucanase và hỗn hợp các enzyme hemicellulase, pectinase sẽ làm tăng khả năng khuếch tán hóa chất vào phía trong gỗ và hiệu quả khử lignin.Trong công nghệ tái chế giấy, các loại giấy thải cần được tẩy mực trước khi sản xuất các loại giấy in, giấy viết.Endoglucanase và hemicellulase đã được dùng để tẩy trắng mực in trên giấy. Enzyme cellulase được bổ sung vào nhiều giai đoạn khác nhau trong quá trình sản xuất giấy. Trong công nghiệp dệt, người ta sử dụng enzyme cellulase để giữ màu vải sáng, bền và không bị sờn cũ.
Đối với vải jean, cellulase được dùng để làm mềm vải jean và tạo ra các vệt “stone washed”. Trước đây các vệt “stone washed” được làm thủ công bằng cách dùng đá bọt chà lên vải jean, làm mất lớp kiềm trên bề mặt vải và tạo ra những sợi chỉ trắng. Hiện nay người ta sử dụng enzyme cellulase trong giai đoạn giặt vải jean thay cho việc sử dụng đá bọt. Enzyme cellulase chỉ phân hủy theo các vết kiềm trên vải jean đã nhuộm màu để tạo ra các vệt “stone washed”.
Các vệt “stone washed” được tạo ra bằng phương pháp này bền hơn bằng cách dùng đá bọt. Ngoài ra, người ta có thể tăng độ đậm nhạt của các vệt này bằng cách tăng hay giảm hàm lượng cellulase sử dụng trong giai đoạn giặt. Ngoài việc bổ sung trực tiếp vi sinh vật vào bể ủ để xử lý rác thải thì việc tạo ra các chế phẩm vi sinh có chứa các vi sinh vật sinh ra cellulase đã được nghiên cứu và sản xuất. Vi sinh vật phân giải cellulose 2.