Nghiên cứu đặc điểm sinh học và khả năng sử dụng nitơ của vi khuẩn biofilm tại Việt Nam

Khám phá luận văn thạc sỹ sinh học của Nguyễn Thị Giang, phân tích sâu sắc về các vấn đề sinh học hiện đại và ứng dụng trong nghiên cứu.

• Tác giả: Nguyễn Thị Giang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Huy
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm
• Đề tài: Nghiên Cứu Đặc Điểm Sinh Học, Khả Năng Sử Dụng Nitơ Của Một Số Chủng Vi Khuẩn Tạo Biofilm Phân Lập Tại Việt Nam
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIOFILM
• 1.1. Giới thiệu chung về Biofilm
• 1.2. Các dạng tồn tại của biofilm
• 1.2.1. Trong tự nhiên
• 1.2.2. Trong hệ thống thiết bị nhân tạo
• 1.2.3. Trong cơ thể sinh vật
• 1.3. Thành phần và cấu trúc của biofilm
• 1.3.1. Thành phần của biofilm
• 1.3.1.1. Các hợp chất ngoại bào
• 1.3.2. Vai trò của các thành phần trong EPS
• 1.3.3. Lông, roi, tiêm mao và các phân tử bám dính
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật chất, thiết bị
• 2.2. Môi trường nuôi cấy
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phương pháp phân lập vi khuẩn
• 2.3.2. Phương pháp đánh giá khả năng hình thành biofilm
• 2.3.3. Phương pháp chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử quét
• 2.3.4. Phương pháp đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành biofilm
• 2.3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 2.3.4.2. Ảnh hưởng của pH
• 2.3.5. Phương pháp nhuộm Gram
• 2.3.6. Phương pháp đánh giá khả năng chuyển hóa các hợp chất nitơ
• 2.3.6.1. Phương pháp thử khả năng chuyển hóa amoni
• 2.3.6.2. Phương pháp thử khả năng chuyển hóa nitrit
• 2.3.7. Phương pháp phân loại dựa trên phân tích gen 16S rRNA
• 2.3.8. Phương pháp thống kê sinh học
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả phân lập các chủng vi sinh vật có khả năng tạo biofilm
• 3.2. Đánh giá khả năng hình thành biofilm
• 3.2.1. Khả năng tạo biofilm trên môi trường Winogradski 1
• 3.2.2. Khả năng tạo biofilm trên môi trường Winogradski 2
• 3.3. Đặc điểm hình dạng của các chủng vi khuẩn phân lập được
• 3.4. Khả năng phát triển và tạo màng sinh vật của các chủng nghiên cứu
• 3.4.1. Khả năng phát triển và tạo màng nổi
• 3.4.2. Ảnh hiển vi màng nổi của các chủng nghiên cứu
• 3.4.3. Khả năng tạo biofilm bề mặt
• 3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo biofilm của các chủng phân lập
• 3.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.5.2. Ảnh hưởng của pH
• 3.6. Phân loại các chủng vi khuẩn dựa trên gen 16S rRNA
• 3.7. Khả năng chuyển hóa nitơ
• 3.7.1. Khả năng chuyển hóa amoni
• 3.7.2. Khả năng chuyển hóa nitrit
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu biofilm vi khuẩn tại Việt Nam

Nghiên cứu về biofilm vi khuẩn tại Việt Nam đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong sinh học và y học. Biofilm là một cộng đồng vi sinh vật bám dính trên bề mặt, có khả năng gây ra nhiều vấn đề trong môi trường và sức khỏe con người. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các loại vi khuẩn gây bệnh mà còn mở ra hướng đi mới trong việc xử lý ô nhiễm môi trường.

1.1. Khái niệm và vai trò của biofilm trong tự nhiên

Biofilm là một cấu trúc phức tạp, bao gồm nhiều loại vi sinh vật khác nhau. Chúng có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống trong môi trường tự nhiên, giúp vi khuẩn tồn tại và phát triển. Biofilm cũng có thể bảo vệ vi sinh vật khỏi các tác nhân gây hại từ môi trường.

1.2. Tình hình nghiên cứu biofilm tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu về biofilm vi khuẩn đang được chú trọng, đặc biệt trong các lĩnh vực như xử lý nước thải và y học. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng biofilm có thể giúp cải thiện hiệu quả xử lý ô nhiễm và giảm thiểu tác động của vi khuẩn gây bệnh.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu biofilm vi khuẩn

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nghiên cứu về biofilm vi khuẩn tại Việt Nam vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như ô nhiễm môi trường, sự kháng thuốc của vi khuẩn và thiếu hụt nguồn lực nghiên cứu là những yếu tố cần được giải quyết.

2.1. Ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến biofilm

Ô nhiễm môi trường, đặc biệt là từ nước thải, đã tạo ra điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của biofilm. Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến sự gia tăng của các vi khuẩn gây bệnh, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng.

2.2. Kháng thuốc và sự phát triển của biofilm

Sự kháng thuốc của vi khuẩn trong biofilm là một thách thức lớn trong điều trị bệnh. Biofilm có khả năng bảo vệ vi khuẩn khỏi tác động của kháng sinh, làm cho việc điều trị trở nên khó khăn hơn.

III. Phương pháp nghiên cứu biofilm vi khuẩn hiệu quả

Để nghiên cứu biofilm vi khuẩn, các phương pháp hiện đại như phân tích gen, chụp ảnh hiển vi điện tử và các kỹ thuật nuôi cấy vi sinh vật được áp dụng. Những phương pháp này giúp xác định đặc điểm sinh học và khả năng tạo biofilm của các chủng vi khuẩn.

3.1. Phương pháp phân lập vi khuẩn tạo biofilm

Phân lập vi khuẩn từ các mẫu môi trường là bước đầu tiên trong nghiên cứu. Các chủng vi khuẩn được phân lập sẽ được đánh giá khả năng tạo biofilm trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Kỹ thuật chụp ảnh hiển vi điện tử trong nghiên cứu biofilm

Chụp ảnh hiển vi điện tử cho phép quan sát cấu trúc và hình dạng của biofilm. Kỹ thuật này giúp nghiên cứu sâu hơn về sự hình thành và phát triển của biofilm trong môi trường nuôi cấy.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu biofilm trong y học

Nghiên cứu về biofilm vi khuẩn không chỉ có giá trị trong lĩnh vực sinh học mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong y học. Việc hiểu rõ về biofilm có thể giúp phát triển các phương pháp điều trị hiệu quả hơn cho các bệnh nhiễm trùng.

4.1. Biofilm và các bệnh nhiễm trùng

Biofilm có liên quan đến nhiều bệnh nhiễm trùng, như nhiễm trùng đường tiết niệu và nhiễm trùng vết thương. Nghiên cứu về biofilm giúp tìm ra các phương pháp điều trị mới, hiệu quả hơn.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Biofilm có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải để cải thiện hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm. Việc áp dụng biofilm trong xử lý nước thải là một giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu biofilm vi khuẩn tại Việt Nam

Nghiên cứu về biofilm vi khuẩn tại Việt Nam đang mở ra nhiều cơ hội mới trong việc giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường và sức khỏe cộng đồng. Tương lai của nghiên cứu này phụ thuộc vào việc đầu tư vào công nghệ và nguồn lực nghiên cứu.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu biofilm trong tương lai

Nghiên cứu biofilm sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các giải pháp bền vững cho các vấn đề môi trường và sức khỏe. Việc hiểu rõ về biofilm sẽ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho cộng đồng.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong lĩnh vực biofilm

Định hướng nghiên cứu trong lĩnh vực biofilm cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới, ứng dụng công nghệ hiện đại và tăng cường hợp tác giữa các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do hàm lượng nitơ vượt mức cho phép là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm suy giảm chất lượng môi trường sinh thái và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng. Trong đó, nước thải chăn nuôi được xem là nguồn ô nhiễm nitơ cao, khó xử lý và tiềm ẩn nguy cơ phát triển các nhóm vi sinh vật gây bệnh. Theo ước tính, hàm lượng nitơ tổng số trong nước thải chăn nuôi dao động khoảng 200 – 350 mg/l, trong đó amoni chiếm 80-90%. Việc xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi là yêu cầu cấp thiết nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Luận văn tập trung nghiên cứu đặc điểm sinh học và khả năng sử dụng nitơ của một số chủng vi khuẩn tạo biofilm phân lập tại Việt Nam, nhằm khai thác tiềm năng của các vi sinh vật trong xử lý sinh học nước thải chứa nitơ. Nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu nước thải thu thập từ các trang trại chăn nuôi lợn và vịt tại Hà Nội trong năm 2012. Mục tiêu cụ thể là phân lập, tuyển chọn các chủng vi khuẩn có khả năng tạo biofilm và chuyển hóa các hợp chất nitơ, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH đến quá trình hình thành biofilm.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các công nghệ xử lý nước thải sinh học thân thiện với môi trường, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi, đồng thời mở rộng hiểu biết về đa dạng sinh học vi sinh vật tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Biofilm là cấu trúc màng sinh vật gồm các quần xã vi sinh vật bám dính trên bề mặt các môi trường khác nhau thông qua mạng lưới các hợp chất ngoại bào (EPS). EPS gồm polysaccharide, protein, axit nucleic và các đại phân tử sinh học khác, chiếm khoảng 3-6% tổng khối lượng biofilm, đóng vai trò quan trọng trong việc kết dính tế bào và bảo vệ vi sinh vật khỏi các tác nhân bất lợi như khô hạn, tia UV, chất độc hại. Biofilm giúp vi sinh vật tận dụng nguồn dinh dưỡng hiệu quả, trao đổi vật chất và di truyền giữa các tế bào, đồng thời tăng khả năng kháng kháng sinh gấp 1000 lần so với tế bào tự do.

Chu trình nitơ trong tự nhiên bao gồm các quá trình cố định nitơ, khoáng hóa, nitrat hóa và phản nitrat hóa. Quá trình nitrat hóa gồm hai bước chính: oxy hóa amoni thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrosococcus và oxy hóa nitrit thành nitrat bởi Nitrobacter, Nitrocytis. Phản nitrat hóa là quá trình khử nitrat thành khí nitơ phân tử (N2) trong điều kiện yếm khí, do các vi khuẩn như Pseudomonas, Bacillus thực hiện, giúp loại bỏ nitrat không mong muốn trong nước thải.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu gồm các mẫu nước thải thu thập từ trại nuôi lợn xã Tân Ước, hệ thống thoát nước xã Dương Nội và trại nuôi vịt xã Trung Tú, Hà Nội. Mẫu được xử lý và phân tích trong vòng 24 giờ tại phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ Enzym và Protein, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

Phương pháp phân lập vi khuẩn sử dụng kỹ thuật pha loãng mẫu và cấy trên môi trường Winogradski 1 (chứa amoni) và Winogradski 2 (chứa nitrit) nhằm phân lập các chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa nitơ. Khả năng tạo biofilm được đánh giá bằng phương pháp nhuộm tím kết tinh, đo mật độ quang học (OD570) để xác định mật độ tế bào trong biofilm và OD620 để đo mật độ tế bào tự do.

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để quan sát cấu trúc biofilm và hình dạng vi khuẩn. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành biofilm như nhiệt độ (25-55°C) và pH (4-9) được khảo sát bằng cách nuôi cấy vi khuẩn trong môi trường LB lỏng dưới điều kiện tĩnh.

Khả năng chuyển hóa amoni và nitrit được đánh giá bằng các phương pháp so màu hóa học, đo sự giảm nồng độ amoni, nitrit và sự tăng nồng độ nitrat theo thời gian. Phân loại vi khuẩn dựa trên phân tích trình tự gen 16S rRNA, so sánh với cơ sở dữ liệu quốc tế để xác định mức độ tương đồng loài.

Các kết quả được xử lý thống kê sinh học với ít nhất 3 lần lặp lại, sử dụng phần mềm Excel và Microsoft Word để đảm bảo độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phân lập vi khuẩn tạo biofilm: Tổng cộng 35 chủng vi khuẩn được phân lập từ 3 địa điểm nghiên cứu, trong đó 18 chủng từ môi trường Winogradski 1 và 17 chủng từ Winogradski 2. Mẫu nước thải từ xã Dương Nội có số lượng chủng phân lập nhiều nhất (17 chủng), trong khi trại nuôi vịt xã Trung Tú có ít nhất (7 chủng).

2. Khả năng tạo biofilm: Qua đánh giá bằng nhuộm tím kết tinh, 4 chủng vi khuẩn được chọn có khả năng tạo biofilm mạnh, gồm T4.1, H2.2, T2.2 và một chủng khác. Giá trị OD570 của các chủng này dao động từ 2,51 đến 2,54, cho thấy mật độ tế bào trong biofilm cao. Đồng thời, OD620 giảm tương ứng chứng tỏ tế bào chuyển từ dạng tự do sang dạng bám dính.

3. Đặc điểm hình dạng vi khuẩn: Các chủng được quan sát dưới kính hiển vi điện tử có hình que, một số là Gram âm, một số Gram dương, với khuẩn lạc có màu trắng đục hoặc hơi vàng, bề mặt nhẵn hoặc có bờ nhăn.

4. Khả năng chuyển hóa nitơ: Các chủng vi khuẩn phân lập có khả năng chuyển hóa amoni và nitrit thành nitrat, phù hợp với vai trò của chúng trong chu trình nitơ tự nhiên. Quá trình nitrat hóa diễn ra hiệu quả ở pH trên 6 và nhiệt độ khoảng 30°C.

Thảo luận kết quả

Kết quả phân lập và đánh giá khả năng tạo biofilm của các chủng vi khuẩn từ nước thải chăn nuôi tại Hà Nội phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vi sinh vật nitrat hóa trong môi trường ô nhiễm. Số lượng chủng phân lập nhiều nhất tại xã Dương Nội có thể do nguồn nước thải chưa được xử lý triệt để, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển đa dạng vi sinh vật.

Khả năng tạo biofilm mạnh của một số chủng vi khuẩn cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý sinh học nước thải, bởi biofilm giúp vi sinh vật bám dính trên giá thể, tăng mật độ sinh khối và khả năng chuyển hóa các hợp chất nitơ. Việc quan sát cấu trúc biofilm qua SEM minh họa rõ các kênh dẫn nước và mạng lưới EPS, hỗ trợ trao đổi chất hiệu quả.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến quá trình tạo biofilm cũng phù hợp với đặc tính sinh học của vi khuẩn nitrat hóa, cho thấy điều kiện môi trường cần được kiểm soát để tối ưu hóa hiệu quả xử lý sinh học. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này góp phần khẳng định vai trò quan trọng của biofilm trong chu trình nitơ và xử lý ô nhiễm nước thải.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh OD570 và OD620 của các chủng vi khuẩn, bảng phân loại gen 16S rRNA và hình ảnh SEM minh họa cấu trúc biofilm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển công nghệ xử lý nước thải sinh học dựa trên biofilm: Áp dụng các chủng vi khuẩn có khả năng tạo biofilm mạnh và chuyển hóa nitơ hiệu quả để xây dựng hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi, nhằm giảm hàm lượng nitơ xuống mức an toàn trong vòng 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

2. Kiểm soát điều kiện môi trường trong quá trình xử lý: Đề xuất duy trì nhiệt độ khoảng 30°C và pH từ 6-8 để tối ưu hóa sự phát triển biofilm và hoạt động chuyển hóa nitơ, giúp tăng hiệu quả xử lý. Chủ thể thực hiện: nhà quản lý và vận hành hệ thống xử lý nước thải.

3. Mở rộng nghiên cứu đa dạng vi sinh vật tạo biofilm: Tiếp tục phân lập và đánh giá các chủng vi khuẩn từ nhiều nguồn nước thải khác nhau để tìm kiếm các chủng có hiệu quả cao hơn, đồng thời nghiên cứu cơ chế sinh học và gen liên quan đến khả năng tạo biofilm. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho người chăn nuôi: Tổ chức các khóa tập huấn về quản lý chất thải chăn nuôi và ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý nông nghiệp và môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Sinh học, Công nghệ sinh học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về biofilm, vi sinh vật chuyển hóa nitơ và phương pháp nghiên cứu vi sinh vật môi trường, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường: Tham khảo để ứng dụng các chủng vi khuẩn tạo biofilm trong thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải sinh học, nâng cao hiệu quả xử lý nitơ.

3. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Sử dụng làm tài liệu tham khảo trong xây dựng chính sách, quy định về quản lý chất thải chăn nuôi và bảo vệ nguồn nước.

4. Doanh nghiệp công nghệ môi trường: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm vi sinh xử lý nước thải, mở rộng thị trường và nâng cao giá trị sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Biofilm là gì và tại sao nó quan trọng trong xử lý nước thải?
   Biofilm là cấu trúc màng sinh vật gồm các vi sinh vật bám dính trên bề mặt thông qua mạng lưới các hợp chất ngoại bào. Biofilm giúp vi sinh vật tồn tại, trao đổi chất hiệu quả và tăng khả năng kháng các tác nhân bất lợi, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý sinh học nước thải.

2. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến sự hình thành biofilm?
   Nhiệt độ, pH, đặc tính bề mặt giá thể và thành phần dinh dưỡng môi trường là những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng tạo biofilm của vi sinh vật. Ví dụ, nhiệt độ khoảng 30°C và pH từ 6-8 được xác định là điều kiện tối ưu cho nhiều chủng vi khuẩn tạo biofilm.

3. Làm thế nào để đánh giá khả năng tạo biofilm của vi khuẩn?
   Phương pháp nhuộm tím kết tinh kết hợp đo mật độ quang học (OD570) được sử dụng để đánh giá mật độ tế bào trong biofilm. Giá trị OD570 cao cho thấy mật độ tế bào trong biofilm lớn, đồng thời OD620 giảm chứng tỏ tế bào chuyển từ dạng tự do sang dạng bám dính.

4. Vi khuẩn chuyển hóa nitơ có vai trò gì trong chu trình nitơ?
   Vi khuẩn chuyển hóa nitơ thực hiện các bước oxy hóa amoni thành nitrit, nitrit thành nitrat và phản nitrat hóa nitrat thành khí nitơ phân tử, giúp duy trì cân bằng nitơ trong môi trường và loại bỏ các hợp chất nitơ độc hại trong nước thải.

5. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này là gì?
   Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các công nghệ xử lý nước thải sinh học sử dụng vi sinh vật tạo biofilm, giúp giảm ô nhiễm nitơ trong nước thải chăn nuôi, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Kết luận

• Phân lập thành công 35 chủng vi khuẩn tạo biofilm từ các mẫu nước thải chăn nuôi tại Hà Nội, trong đó 4 chủng có khả năng tạo biofilm mạnh và chuyển hóa nitơ hiệu quả.
• Biofilm đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ vi sinh vật và tăng hiệu quả chuyển hóa nitơ trong môi trường nước thải.
• Điều kiện môi trường như nhiệt độ và pH ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng tạo biofilm và hoạt động chuyển hóa nitơ của vi khuẩn.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng vi sinh vật tạo biofilm trong xử lý sinh học nước thải chăn nuôi, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
• Đề xuất phát triển công nghệ xử lý nước thải dựa trên biofilm và tiếp tục nghiên cứu đa dạng vi sinh vật để nâng cao hiệu quả xử lý.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot công nghệ xử lý nước thải sinh học sử dụng các chủng vi khuẩn đã tuyển chọn trong vòng 12 tháng tới.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường được khuyến khích hợp tác để phát triển và ứng dụng công nghệ xử lý nước thải sinh học dựa trên biofilm tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Nƣớc thải có hàm lƣợng nitơ cao quá mức cho phép khi đƣợc thải ra sông, hồ sẽ gây ra hiện tƣợng phú dƣỡng làm nƣớc có màu, mùi khó chịu ảnh hƣởng đến môi trƣờng sinh thái cũng nhƣ sức khoẻ cộng đồng. Do vậy, việc phải loại bỏ nitơ đến mức tối thiểu từ các nguồn nƣớc ô nhiễm trƣớc khi đƣa ra môi trƣờng là cần thiết. Trong số các loại nƣớc thải ô nhiễm, nƣớc thải chăn nuôi là một trong những loại nƣớc thải có hàm lƣợng nitơ cao, có khả năng g y ô nhiễm môi trƣờng và là sinh sống phát triển của nhiều nhóm sinh vật gây bệnh và cũng là loại nƣớc thải ô nhiễm khó xử lý. Có nhiều phƣơng pháp xử lý nitơ khác nhau nhƣ áp dụng các phƣơng pháp hoá học, vật lý nhƣng phƣơng pháp xử lý mang tính bền vững, thân thiện với môi trƣờng vẫn là các phƣơng pháp sinh học với sự tham gia của các nhóm vi sinh vật trong tự nhiên.

Trong tự nhiên, hầu hết các tế bào vi sinh vật thƣờng liên kết với nhau tạo thành một cộng đồng và bám dính trên các bề mặt giá thể thông qua mạng lƣới các hợp chất ngoại bào, hình thành cấu trúc màng sinh vật (biofilm). Biofilm giúp cho vi sinh vật tồn tại và quan hệ hợp tác giữa các loài khác nhau trong hệ thống màng sinh vật, có thể tận dụng đƣợc nhiều nguồn dinh dƣỡng. Việc nghiên cứu khả năng phát triển và tạo màng sinh vật của các chủng vi sinh vật phân giải nitơ trong nƣớc thải nói chung và nƣớc thải chăn nuôi nói riêng là một hƣớng đi mới nhằm nâng cao hiệu quả trong xử lý ô nhiễm môi trƣờng cũng nhƣ góp phần tìm hiểu sự đa dạng sinh học trong tự nhiên. Xuất phát từ thực tiễn đó, chúng tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu đặc điểm sinh học, khả năng sử dụng nitơ của một số chủng vi khuẩn tạo biofilm phân lập tại Việt Nam.” 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Sinh học Nguyễn Thị Giang CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BIOFILM 1.

Giới thiệu chung về Biofilm Khái niệm màng sinh vật đƣợc hiểu là tập hợp các quần xã vi sinh vật bám dính và phát triển trên bề mặt các môi trƣờng khác nhau thông qua mạng lƣới chất ngoại bào do chính chúng tạo ra [32], [57]. Màng sinh vật có thể hình thành trên bề mặt môi trƣờng vô sinh hay hữu sinh và là một hiện tƣợng phổ biến xuất hiện trong tự nhiên, trong đời sống hay trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Các tế bào vi sinh vật trong một màng sinh vật khác biệt với các tế bào sống trôi nổi tự do bởi việc tổng hợp các chất ngoại bào giúp các tế bào bám dính với nhau trên bề mặt, sự giảm tỷ lệ tăng trƣởng, và sự điều hòa tăng hoặc giảm của các gen đặc biệt nào đó. Khả năng bám d nh của vi sinh vật là một quá trình phức tạp đƣợc điều hòa bởi các đặc điểm khác nhau về môi trƣờng nuôi cấy, chất nền ngoại bào và bề mặt tế bào [56].

Vi khu n bắt đầu quá trình tạo màng sinh vật để đáp ứng với những tác động cụ thể từ môi trƣờng sống nhƣ nguồn chất dinh dƣỡng và oxy. Quá trình tạo thành màng sinh vật cũng trải qua các biến đổi động học trong việc chuyển từ đời sống tự do sang dạng sống bám dính trong cấu trúc màng sinh vật, bao gồm cả việc sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp và gia tăng các chất chống lại các tác nhân vật lý, hóa học và sinh học gây hại [82]. Sự hình thành màng sinh vật đƣợc coi là một trong số những cơ chế tồn tại của vi sinh vật, tại đó vi khu n tận dụng đƣợc các nguồn dinh dƣỡng và nhận đƣợc sự bảo vệ trong các điều kiện bất lợi nhƣ khô hạn, bức xạ cực tím hoặc những chất độc hại. Mặt khác có thể coi hệ thống màng sinh vật là một mạng lƣới nhiều gen, tại đó các vật liệu di truyền có thể dễ dàng đƣợc trao đổi qua lại giữa các tế bào vi sinh vật [65].

Biofilm có thể đƣợc hình thành bởi tập hợp các tế bào của một hoặc nhiều loài vi sinh vật khác nhƣ nấm, tảo, xạ khu n, vi khu n. Trong biofilm các tế bào tập hợp thành các đơn vị cấu trúc là các vi khu n lạc. Thành phần này đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành biofilm đặc biệt là ở giai đoạn đầu bởi nó quy định đặc tính hình thành biofilm cho từng loài vi sinh vật, đảm nhiệm chức năng tiết các hợp chất ngoại bào cũng nhƣ có chứa các yếu tố phụ trợ tế bào nhƣ lông roi, lông nhung hỗ trợ cho việc bám dính của các tế bào khác lên bề mặt giá thể. 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Sinh học Nguyễn Thị Giang 1.

Các dạng tồn tại của biofilm Biofilm là một dạng tồn tại của sinh vật không chỉ xuất hiện ở trong phòng thí nghiệm mà còn có ở nhiều nơi khác nhau. Biofilm thƣờng đƣợc tìm thấy trên bề mặt các vật liệu rắn (đất, đá, các vật liệu dạng rắn…) nơi ngập nƣớc hoặc bề mặt nơi tiếp xúc với dung dịch nƣớc. Biofilm có thể h nh thành tƣơng tự nhƣ mảng nổi trên bề mặt chất lỏng và trên bề mặt của lá, đặc biệt là ở nơi có độ m cao. Với đầy đủ các nguồn dinh dƣỡng cho quá tr nh sinh trƣởng, một biofilm sẽ nhanh chóng phát triển đạt k ch thƣớc lớn (có thể quan sát phát hiện thấy bằng mắt thƣờng).

Biofilm có thể đƣợc tạo thành bao gồm chỉ một loài vi sinh vật hoặc cũng có thể gồm nhiều loài vi sinh vật khác nhau, nhƣ vi khu n, nấm và tảo; mỗi nhóm thực hiện chức năng trao đổi chất ri ng, nhƣng có quan hệ chặt chẽ với nhau. Do vậy trong thực tế có thể bắt gặp nhiều dạng biofilm đƣợc tạo thành từ các vi sinh vật khác nhau [54]. Trong tự nhiên Biofilm có thể tồn tại ở khắp nơi. Chúng thƣờng đƣợc thấy ở những sinh cảnh có nƣớc, chất dinh dƣỡng và bề mặt.

Từ những sa mạc băng ở Nam Cực đến những khe đá s u hàng ngàn kilomet dƣới lòng đất cũng có sự xuất hiện của màng sinh vật [67]. Các rừng mƣa nhiệt đới, nơi có độ m cao là điều kiện thuận lợi cho sự phát triển phong phú của màng sinh vật, nhƣ r u và những cặn bám dƣới đáy ao, hồ, hay những mảng r u, địa y bám trên thân cây, hay những váng nổi trên bề mặt ao, hồ… [67]. Màng sinh vật còn có thể đƣợc tìm thấy ở sa mạc. Một trong những hình thức phổ biến của dạng màng sinh vật sa mạc đƣợc gọi là vec-ni sa mạc (varnish desert), một thuật ngữ mô tả hiện tƣợng những hòn đá, vách núi có màng sinh vật phát triển xuất hiện những vết màu [67].

Đối với thực vật, một số loài thực vật cộng sinh với vi khu n có trong màng sinh vật bám ở rễ cây. Màng sinh vật đƣợc tạo ra bởi vi khu n cố định nitơ Rhizobium trong rễ cây có thể giúp ngăn ngừa bệnh cho cây trồng [82]. 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Sinh học Nguyễn Thị Giang 1. Trong hệ thống thiết bị nhân tạo Trong các thiết bị nhân tạo, màng sinh vật thƣờng xuất hiện ở các dụng cụ dẫn nƣớc và chứa nƣớc gây tắc nghẽn đƣờng ống, rò rỉ nƣớc hay ô nhiễm môi trƣờng.

Biofilm làm giảm nhiệt trong hệ thống làm mát hoặc hệ thống sƣởi nƣớc [21]. Biofilm trong hệ thống kỹ thuật biển, chẳng hạn nhƣ ống dẫn dầu ngoài khơi, ống dẫn ga công nghiệp có thể dẫn đến sự ăn mòn đáng kể. Ăn mòn chủ yếu là do các yếu tố vô sinh. Tuy nhiên, ít nhất 20% nguy n nh n g y ra ăn mòn là do các vi sinh vật đã bám vào bề mặt kim loại [72].

Trong cơ thể sinh vật Màng sinh vật có trong rất nhiều bệnh nhiễm trùng của cơ thể, ƣớc tính khoảng 80% các bệnh nhiễm trùng [61]. Các quá trình truyền nhiễm có li n quan đến biofilm nhƣ nhiễm trùng đƣờng tiết niệu, nhiễm trùng ống thông, nhiễm trùng tai giữa, hình thành các mảng bám răng, vi m nƣớu, nhiễm trùng trong bệnh xơ nang. Một số nghiên cứu ghi nhận rằng màng sinh vật có thể giúp chữa lành vết thƣơng ở da và giảm tại chỗ hiệu quả kháng khu n trong chữa bệnh hoặc điều trị nhiễm trùng vết thƣơng da [28]. Màng sinh vật cũng có thể xuất hiện trên các bề mặt của các thiết bị cấy ghép nhƣ các ống thông, van tim nhân tạo…[52].

Thành phần và cấu trúc của biofilm 1. Thành phần của biofilm Về cơ bản màng sinh vật đƣợc cấu tạo gồm rất nhiều tế bào của cùng một loài hay từ các loài vi sinh vật khác, khối lƣợng tế bào vi sinh vật chiếm 2-5% tổng khối lƣợng biofilm, 97% là nƣớc, 3-6% còn lại là các hợp chất polymer ngoại bào (EPS) và ion [13]. Các hợp chất ngoại bào Các hợp chất ngoại bào thƣờng có ở vi khu n và vi khu n cổ, tảo và nấm [79]. Đƣợc tiết ra bởi các vi sinh vật trong suốt quá tr nh sinh trƣởng hoặc ph n giải tế bào, EPS gồm có các hợp chất hữu cơ nhƣ polysaccharide, protein, axit nucleic, lipid, axit uronic và các đại phân tử sinh học khác [18], [79].

Sau nƣớc, 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Sinh học Nguyễn Thị Giang polysaccharide và protein là các thành phần chính của EPS và rất khác nhau về thành phần, cấu trúc, tính chất [35]. Phần lớn các polysaccharide của EPS là polyanion bởi sự có mặt của cả axit uronic (v dụ nhƣ D - glucuronic, D - galacturonic, và axit mannuronic)và liên kết ceton của pyruvate [74]. Ở những protein ngoại bào, nhiều axit amin khác nhau mang điện t ch m. Có nhiều nhóm chức hóa học nhƣ carboxyl, phosphate, sulfate trong các axit amin [79].

T nh chất này rất quan trọng bởi nó cho ph p các ph n tử polysaccarit ngoại bào li n kết đƣợc với các ion dƣơng hóa trị II nhƣ Ca2+ và Mg2+. Từ đó h nh thành li n kết ch o giữa các sợi polymer và tạo ra lực li n kết lớn hơn trong cấu trúc màng sinh vật. Trong trƣờng hợp của một số vi khu n gram dƣơng nhƣ Staphylococcus, thành phần hóa học của mạng lƣới ngoại bào có thể hoàn toàn khác nhau và gồm chủ yếu là các ion dƣơng. Sutherland đã ghi nhận hai thuộc t nh quan trọng của mạng lƣới ngoại bào.

Thứ nhất, thành phần và cấu trúc của các polysaccarit xác định cấu tạo ch nh của mạng lƣới ngoại bào.