Đặt vấn đề Nhu cầu về đời sống và cơ sở hạ tang hiện nay đang được quan tâm rất nhiều dan đến sự phát trién của nhiều ngành công nghiệp phát triển nhanh chóng trong đó thì ngành công nghiệp xây dựng là một trong số các ngành công nghiệp phát trién nhanh chóng. Các cơ sở hàng tầng cũ và mới luôn được quan tâm về việc bảo trì, sửa chữa các cơ sở hạ tầng nên đòi hỏi nguồn nhân lực, tài nguyên và chỉ phí cao. Các nước phát triển phải sử dụng lượng lớn ngân sách trong việc sửa chữa, bảo trì và xây dung các cơ sở hạ tang cũ và mới (Gardner và ctv, 2018). Bê tông là vật liệu xây dựng sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới (khoảng 6 triệu m/năm được sản xuất) (Nguyen và ctv, 2019).
Tuy nhiên, nó dé bị hư hỏng, ăn mòn và nứt và do đó mat đi độ bền của nó trong một khoảng thời gian. Hậu quả là hư hỏng va đòi hỏi phải khắc phục và sửa chữa vô cùng tốn kém. Nhiều phương pháp xử lý hữu cơ và vô cơ đã được áp dụng nhưng cho đến nay, chỉ đạt được rất ít thành công. Do đó, nhu cầu phát triển và cải tiền công nghệ dé đáp ứng nhu cầu của xã hội là rất cấp thiết.
Các nghiên cứu thị trường đã chỉ ra những vấn đề gặp phải của bê tông trong ngành công nghiệp xây dựng là các vết nứt, nước xâm nhập, thiệt hại do va đập, thiệt hại do các điều kiện môi trường và hóa chất vào các kết cấu của bê tông (Gardner và ctv, 2018). Hiện nay rất nhiều những nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện các độ bền của bê tông, phương pháp kết tủa calcite do vi sinh vật gây ra (MICP) là một phương pháp tiếp cận mới và thân thiện với môi trường. Việc sử dụng phương pháp MICP giúp tạo ra các vật liệu bê tông có kha năng tự phục hồi để giảm thiểu chi phí cho việc sửa chữa, bảo trì các cơ sở hạ tầng và giảm các nguy cơ gặp phải đối với sức khỏe. Trong phương pháp MICP thì các vi sinh vật đóng vai trò không thê thiếu, có rất nhiều chủng vi khuan đã được sử dung dé nghiên cứu, trong số đó thì chủng vi khuẩn Bacillus sp.
cho hoạt động tạo tủa calcite cao. Nghiên cứu của Zhang va ctv, 2016 Bacillus sp. (được chỉ định là chủng H4) cho thấy hoạt động tạo tua calcite cao nhất lên đến 94,8%. Hiện nay, ở nước ta có rất nhiều nghiên cứu về phân lập, định danh các loài vi khuẩn có khả năng tạo tủa calcite cũng như đánh giá về các điều kiện tối ưu để giúp việc tạo tủa calcite của vi khuẩn diễn ra tốt nhất.
Nhưng vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về bộ gen của vi khuẩn và tìm ra các gen liên quan đến khả năng tạo tủa calcite cho nên việc tìm kiếm việc phát hiện ra các gen này sẽ giúp ích rất nhiều cho nhiều nghiên cứu sau nay. Trên cơ sở đó, Trong đề tai “Giải trình tự bộ gen vi khuan Bacillus sp. có khả năng tao tua calcite” đã được thực hiện va sẽ tập trung chủ yếu vào việc phân tích và dự đoán bộ gen của Bacillus sp. có liên quan đến việc tạo tủa calcite dé làm tài liệu cho các nghiên cứu về sau.
Mục tiêu: Giải trình tự, thu được bộ gen của Bacillus sp. có khả năng tạo tủa calcite. Và bước đầu dự đoán được các gen có liên quan đến khả năng tạo tủa calcite của vi khuân Bacillus sp. Nội dung thực hiện: Xác định độ thuần và đánh giá khả năng tạo tủa calcite của vi khuẩn Bacillus sp.
Định danh vi khuẩn Bacillus sp. có khả năng tạo tủa calcite Bước đầu giải trình tự bộ gen và xử lý, phân tích bộ gen của vi khuẩn Bacillus sp. có khả năng tạo tua calcite CHUONG 2. TONG QUAN TÀI LIEU 2.
Tong quan vé calcite Calcite là một dạng khoáng chất cacbonat và là dạng bền nhất, ôn định nhất của canxi cacbonat (CaCO2), là thành phần phổ biến trong đá tram tích, trong đá hoa biến chat và là thành phần chính của vỏ các loài sinh vật biển, sinh vật phù du. Các dạng khác của CaCO¿ là các khoáng chat aragonite và vaterite. Aragonite sẽ chuyền thành dạng calcite khi được đun nóng đến khoảng 400°C và Vaterite, dang đa hình tự nhiên khác của CaCO3 , cực kỳ hiém va đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm là biến đổi thành calcite hoặc aragonit hoặc cả hai đồng thời. Giới thiệu về vi khuẩn Bacillus sp.
có khả năng tạo tủa calcite Bacillus là chủng vi sinh vật có kích thước 0.5 wm đến 20 pm, trực khuẩn hình que, gram dương, có thé sinh bào tử, hiếu khí hoặc ky khí tùy nghi. Chỉ có một nội bao tử được hình thành trên mỗi tế bào. Các bào tử có khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt (chống nóng, lạnh, bức xạ, hút 4m va chất khử trùng). Bacillus anthracis là tác nhân gây bệnh than.
Au trùng Bacillus, Bacillus lentimorbus, Bacillus popilliae, Bacillus sphaericus va Bacillus thuringiensis là mầm bệnh của các nhóm côn trùng cu thé. Một số loài khác, đặc biệt là Bacillus cereus , đôi khi là mầm bệnh của người và gia súc, nhưng phần lớn các loài Bacillus là hoại sinh vô hại. Các loài Bacillus đã được báo cáo về hoạt động tạo cacbon là Bacillus megaterium (Cacchio va ctv, 2003), Bacillus thuringiensis , Bacillus pumilus (Baskar va ctv, 2006), Bacillus pseudofirmus , Bacillus cohnii (Jonkers va ctv, 2010), Bacillus alkalinitrilicus (Wiktor và Jonkers, 2011). Các chủng vi khuẩn phân lập như Bacillus cereus, Bacillus licheniformis đã được thử nghiệm về khả năng đa khoáng hóa sinh học của chúng (Daskalakis va ctv, 2015).
Giới thiệu về phương pháp tạo tủa calcite do vi sinh vật (MICP) MICP là một phương pháp có ứng dụng tiềm năng và thân thiện với môi trường. Quá trình MICP là phương pháp thay thế cho các phương pháp truyền thống, thông thường như trát xi măng, đầm nén hoặc bơm epoxy. MICP là phương pháp sử dụng các vi sinh vat có khả năng tạo tủa calcite. Vi khuẩn tạo thành canxi cacbonat ngoại bao thông qua hoạt động trao đổi chất.
Hiện tượng hình thành khoáng chất của cơ thê sống do phản ứng của các sản phẩm trao đổi chất của nó với môi trường xung quanh được gọi là khoáng hóa sinh học. Việc tạo ra tỉnh thể calcium carbonate nhờ vi khuẩn phải chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nhiều yếu tố, bao gồm: (i) nồng độ calcium, (ii) nồng độ carbon hòa tan, (iii) độ pH của môi trường và (iv) các vị trí tâm hoạt động có sẵn trên bề mặt vi khuẩn. Trong đó ba yếu tố đầu tiên là những điều kiện môi trường có khả năng làm ảnh hưởng trực tiếp tới hoạt tính của vi khuẩn (Joshi va ctv, 2017). Các chủng vi khuẩn có hoạt tính cao phải có khả năng cố định được càng nhiều ion Ca?” trên bề mặt tế bao, việc tìm kiếm các chủng có hoạt tính tạo kết tủa calcite cao đang là vấn đề đặt ra khi muốn tiến hành các thí nghiệm ứng dụng.
Các van đề cần phải được quan tâm đến khi tuyên chọn các chủng vi sinh vật sử dụng cho các công trình gồm có: (i) Tính an toàn của các chủng vi khuẩn, những vi khuẩn được chọn sử dụng phục vụ con người phải an toàn sinh học và không gây bệnh, (ii) Có khả năng tồn tai lâu dài trong môi trường và chịu được các điều kiện khắc nghiệt trong vật liệu. Chính vì vậy, khi sang lọc các vi khuẩn tao tủa calcite các nhà nghiên cứu ưu tiên những vi sinh vật có khả năng tạo bào tu, bao tử của vi sinh vật có thể tồn tại hàng trăm năm dưới dạng tiềm ấn khi gặp các điều kiện khắc nghiệt và khi gặp điều kiện thuận lợi sẽ nảy mâm và phát triên. Cơ chế tạo tủa calcite do vi sinh vật (MICP) Trong tự nhiên, vi khuẩn có khả năng tạo tủa calcite thông qua nhiều cơ chế khác nhau như quang hop , thủy phan urea, khử sulfate, oxy hóa ky khí sulfide, oxi hóa methane, con đường tao biofilm và các hợp chat polymer ngoại bào (Daskalakis và ctv, 2015). Photosynthesis Ureolysis tai co, ®HCO, + H,O -> CH,O + O, G5)-> co, + OH Antiporter v = NH, + H,O -> WHIP+ OH,/ Ca” OH OH +H'->H,O Là (oh + co, -> HCO, ¥ % “> Ca” + HCO, -> CaCO, + H” Ca” + HCO, + OH’ -> CaCO, + H,O =4 GHIESD« › or + ‘eye.
-> 2CO, qfẾ@WGiđ9+ o, -> NH, +CO,+H,0 2.8H,O l E v NH, +#,0 ->ÑÑf?*+ OH Ca?" + CO, + 20H’ -> CaCO, + H,O v Ea E CO, + OH’ -> HCO, be Ca” + HCO, -> CaCO, + H" Methane oxidation BP AEH+ + or -- Hs 2HCO, + 2H,O v : Ca” + HCO, -> CaCO, + Hˆ Í: + Hs: ->đ@ Trong các cơ chế trên thì tạo tủa calcite bằng con đường thủy phân urea là phố biên nhat, được nghiên cứu và triên khai nhiêu nhât. So với các con đường khác thi con đường thủy phân cho hiệu suất kết tủa CaCO: cao va quá trình nay dé dàng được kiêm soát. Các nhóm vi khuân mang hoạt tinh urease có thê tạo kêt tủa calcium carbonate trong môi trường kiềm thông qua con đường chuyên hóa urea thành ammonium và carbonate. Quá trình trao đổi chất này làm tăng độ kiềm (tăng độ pH và hàm lượng carbon vô cơ hòa tan) của môi trường và do đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình kết tủa CaCOs (Mors va Jonkers, 2017), (Castanier, Le Métayer-Levrel và Perthuisot, 1999).
Một số chủng vi khuẩn được biết đến có hoạt tính urease như Bacillus sp., Helicobacter pylori, Proteus vulgaris, Staphylococcus aureus, Sprorosarcina pastuerii, Pseudomonas aeruginosa. Trong đó chủng Bacillus sp. được sử dụng phô biến nhất vi hoạt tính urease cao và phần lớn không gây bệnh. Quá trình tạo calcite bằng con đường thủy phân urea được chia làm 4 giai đoạn: (i) thủy phân urea, (ii) sự gia tang pH môi trường, (11) su hấp thụ ion Ca2+ lên bề mặt, (iv) hình thành tinh thé calcium carbonate.
Cơ chế hoạt động của các giai đoạn được mô tả qua các phan ứng dưới day: urease của vi khuân CO(@NH2; + HO Y NHzCOOH +NHạ (1) NH2COOH + H;O Y NH3 + H2CO3 (2) H2CO; X HCO; + H* (3) NH3 + 2H2O 2NH¿' X + 20H (4) HCO; + H* + 20H" Ÿ CO; + 2H20 (5) Ca?" + tế bào vi khuẩn J Cell-Ca?* (6) Cell-Ca?* + CO3* X Cell-CaCO3 (7) Đầu tiên enzyme urease sẽ xúc tác cho quá trình này dé chuyên hóa urea thành ammonia va acid carbamic (1). Sau đó, acid carbamic sé tự thủy phân thành ammonia va acid carbonic (2). Hai san pham NH3 và H2CO3 được tạo ra sẽ được cân bằng trong nước tạo dạng bicarbonate, ammonium va ion hydroxide (3)(4).