Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hợp chất polymer ngoại bào 1. Khái niệm hợp chất polymer ngoại bào Hợp chất polymer ngoại bào (EPS - Extracellular Polymeric Substances) là hỗn hợp của các polymer ngoại bào được sinh tổng hợp bởi VSV. EPS có có mặt ở cả bên ngoài tế bào VSV và bên trong cấu trúc của bông bùn sinh học.
EPS là một thuật ngữ chung để nói về các hợp chất có khối lượng phân tử lớn được sinh tổng hợp bởi VSV như polysaccharide, protein, axit nucleic và các hợp chất polymer khác có mặt bên trong cấu trúc của bông bùn sinh học [80]. Ngoài ra, EPS còn có thể chứa một số chất hữu cơ có mặt trong môi trường như humic acids, lipids, v. do chúng được hấp phụ vào EPS [44, 79]. EPS có thể được chia thành 2 dạng EPS liên kết (bound EPS) và EPS hòa tan (soluble EPS) [37, 79].
EPS liên kết có liên kết chặt chẽ với các tế bào và chỉ có thể tách ra bằng các yếu tố hóa học hoặc trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc tốc độ ly tâm lớn, trong khi đó, EPS hòa tan liên kết yếu với tế bào hoặc hòa tan trong dung dịch và có thể dễ dàng tách ra bằng lực ly tâm. EPS được cho là liên kết với tế bào VSV thông qua cầu nối cation hóa trị II (Ca2+ và Mg2+) [49]. Đặc điểm thành phần của polymer ngoại bào EPS có thành phần hóa học rất phức tạp do thành phần của EPS phụ thuộc nhiều vào quần thể VSV, pha sinh trưởng, nguồn dinh dưỡng, điều kiện môi trường, loại thiết bị phản ứng, công cụ và cả phương pháp phân tích [30]. Các số liệu tổng hợp trong Bảng 1.1 cho thấy, polysaccharide và protein là hai thành phần chính của EPS [54], trong đó, polysaccharide chiếm từ 40 – 95% khối lượng của EPS, protein chiếm từ 1 – 60%).
Ngoài ra, EPS còn có thể chứa một số hợp chất khác như nucleic axit (chiếm 1 – 10%), lipit (chiếm 1 – 10%), humic axit, uronic axit và các hợp chất khác [25, 26, 29, 30, 73]. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Thành phần hóa học của EPS Thành phần (mg/g VSS) Tài liệu Nước thải Humic Uronic tham Polysaccharide Protein DNA axit axit khảo 1,1 – 96,0 7,0 - 757 0,4 – 18,7 - - [13] Đô thị 0,8 6,5 - - - [43] 7,7 7,9 0,06 6,4 0,5 [41] Nhà máy 24,5 82,8 - - - [35] bia Sản xuất acetate và 1,7 – 19,7 1,5 – 37,1 - - - [56] peptone Cao thịt và 0,7 8,6 4,0 - - [13] peptone Bột giấy 157 - 421 - - - - [62] 1. Tính chất của hợp chất polymer ngoại bào a) Tính hấp phụ Các công trình nghiên cứu cho thấy, EPS có khả năng hấp phụ tốt một số kim loại và kim loại nặng như Pb (0,13 mmol/mg EPS) [24], Cu (22 ng/mg EPS) [24].
Khả năng hấp phụ kim loại của EPS là do trong cấu trúc của EPS có mặt của nhiều nhóm chức mang điện tích âm có khả năng liên kết và tạo phức với kim loại, ví dụ như các nhóm chức carboxyl, phosphoryl, sulfhydryl, phenolic và nhóm hydroxyl [22, 23, 31]. Trong đó các nhóm chức carboxyl và hydroxyl trong cấu trúc của EPS được cho là có khả năng liên kết cao với kim loại nặng, quá trình hấp phụ thường 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tuân theo phương trình Langmuir hoặc Freundlinch [11]. Trong các dạng EPS thì EPS hòa tan có khả năng hấp phụ kim loại nặng cao hơn so với EPS dạng liên kết [17]. Ngoài ra, EPS cũng có thể hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ, ví dụ như phenanthrene [40], benzen [71], axit humic [20], và thuốc nhuộm [58].
Nguyên nhân có thể là do sự có mặt của các vùng kị nước trong EPS [23]. Các báo cáo cho thấy rằng có hơn 60% benzen, toluene và m-xylen được hấp phụ bởi EPS, chỉ có một phần nhỏ của các chất trên được hấp phụ bởi tế bào [71]. EPS thường mang điện tích âm do đó, EPS có khả năng liên kết với các chất ô nhiễm hữu cơ mang điện tích dương thông qua tương tác tĩnh điện. Ngoài ra, protein có khả năng liên kết mạnh với chất mùn, protein chủ yếu nằm trong EPS hòa tan, do đó, dạng EPS này đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ các hợp chất mùn.
b) Khả năng phân hủy sinh học Do thành phần chính của EPS là carbohydrate và protein nên EPS có khả năng phân hủy sinh học tốt [86]. Trong điều kiện thiếu dinh dưỡng, các VSV có thể sử dụng các phân tử nhỏ được sinh ra từ quá trình phân hủy EPS của mình làm nguồn cơ chất cho sự tăng trưởng của tế bào. Tuy nhiên, chỉ có một phần EPS có khả năng phân hủy sinh học [37]. Wang (2007) cũng cho rằng chỉ có phần EPS nằm bên trong bông bùn sinh học mới có khả năng phân hủy bởi các VSV, còn phần EPS ở bên ngoài bông bùn sinh học không bị phân hủy sinh học.
Quá trình phân hủy của EPS làm giảm khả năng tạo bông của VSV. Phần EPS không bị phân hủy cùng với nước thải đi ra ngoài vì thế mà làm giảm chất lượng của nước thải sau xử lý [68]. Khả năng phân hủy sinh học của EPS còn phụ thuộc vào phương pháp tách chiết [60] ví dụ, EPS chiết bằng nhựa trao đổi ion (CER - Cation Exchange Rasin) có khả năng phân hủy bằng phương pháp hiếu khí, trong khi EPS tách chiết bằng phương pháp Sunfit lại có khả năng phân hủy bằng phương pháp kị khí. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com c) Tính ưa nước/ Tính kị nước Kị nước là tính chất rất quan trọng của EPS.
EPS có tính kị nước thường có khả năng tương tác tĩnh điện hay thiết lập liên kết hydro với nước. Theo Tian (2008) đây là nguyên nhân làm cho các khối EPS dính kết lại với nhau và tách rời ra khỏi nước. Trong quần thể vi khuẩn, EPS có nhiều các nhóm chức mang điện tích (ví dụ như nhóm carboxyl, phosphoric, sulfhydryl, phenolic, và các nhóm hydroxyl) và các nhóm phân cực (ví dụ như chất thơm, aliphatics trong protein, và các vùng kị nước trong carbonhydrates ) [23]. Việc hình thành các vùng kị nước trong cấu trúc của EPS tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ các chất hữu cơ [71].
Sự hiện diện của các nhóm ưu nước và kị nước trong phân tử EPS chứng minh rằng EPS là chất lưỡng tính. Tỷ lệ tương đối của hai nhóm này bị ảnh hưởng bởi thành phần của EPS. Nghiên cứu về các phần ưu nước và kị nước trong EPS bằng nhựa trao đổi ion XDA cho thấy nhóm kị nước chiếm khoảng 7%, trong đó chủ yếu là protein, trong khi phần ưa nước chiếm khoảng 93% với chủ yếu là carbohydrate. Khi phân tích monosaccharide và hàm lượng axit amin trong EPS sau khi thủy phân cho kết quả khoảng 25% các axit amin được tích điện âm và phần kị nước lên đến 24% [19].
Tính ưa nước/ kị nước của EPS ảnh hưởng đáng kể tới tính kị nước của quần thể VSV cũng như sự hình thành của các bông bùn trong thiết bị phản ứng sinh học [44] và khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm hữu cơ [23]. Các phương phương pháp tách polymer ngoại bào Cho tới nay, phương pháp tách EPS được coi là lý tưởng khi đảm bảo mang lại hiệu quả tách cao, ít ảnh hưởng tới tế bào VSV và không làm phá vỡ cấu trúc của EPS [26]. Hiệu suất của phương pháp tách được định nghĩa là tổng khối lượng EPS được tách ra trên một đơn vị sinh khối VSV. Các công trình công bố cho thấy các phương pháp tách khác nhau thường cho hiệu suất tách khác nhau.
EPS liên kết với tế bào VSV thông qua các liên kết như disulfide nối cộng hóa trị nối các mạch phụ (nhóm R) lại với nhau, hay thông qua cầu nối cation hóa trị II (Mg2+, Ca2+) v. Để tách được EPS ra khỏi tế bào VSV, cần phá vỡ các 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com liên kết này bằng các tác nhân lý học, hóa học hoặc sinh học khác nhau. Có nhiều phương pháp tách khác nhau được sử dụng để tách EPS từ sinh khối của VSV. Nguyên lý, ưu nhược điểm của các phương pháp tách được tóm tắt trong Bảng 1.
Các phương pháp tách có thể được chia thành 3 nhóm chính: các phương pháp vật lý, các phương pháp hóa học và phương pháp sinh học. Ngoài ra, còn có các phương pháp kết hợp giữa nhiều tác nhân hóa lý sinh học khác nhau. Các phương pháp vật lý sử dụng chủ yếu tác dụng của ngoại lực được tạo ra bởi sóng siêu âm, lực ly tâm hay nhiệt độ nhằm kích thích EPS tách ra khỏi tế bào VSV và tan trong dung dịch. Các phương pháp hóa học dựa trên tác động hóa học là sự kết hợp giữa các hóa chất có khả năng phá vỡ liên kết của EPS với tế bào, đẩy nhanh sự phân tách giữa EPS với tế bào (ví dụ như phương pháp NaOH, phương pháp H2SO4, phương pháp Ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA), phương pháp ethanol, phương pháp trichloroacetic, phương pháp HCHO, phương pháp glutaraldehyde,…).
Các phương pháp sinh học dựa trên cơ chế phân hủy carbohydrate và protein bằng enzyme nhờ đó, phá vỡ cấu trúc bông bùn và giải phóng EPS vào môi trường. Dựa vào kết quả của nhiều báo cáo, hiệu quả tách EPS của phương pháp tổng hợp và phương pháp hóa học thường cao hơn so với phương pháp vật lí. Tuy nhiên, các phương pháp hóa học cũng gặp phải vấn đề như ô nhiễm mẫu khi thêm một số hóa chất phản ứng với EPS, hay gây ra những thay đổi trong thành phần hóa học và tính chất của EPS. Vì thế mà việc lựa chọn ra được phương pháp tách chiết EPS phù hợp với từng mục tiêu nghiên cứu/ứng dụng là rất cần thiết.
Các phương pháp tách EPS [65, 67, 68, 80] Tác nhân Tên phương pháp Cơ chế tách Ưu nhược điểm tách Phương EPS được tách ra từ Ít ảnh hưởng đến tế pháp vật Ly tâm Lực ly tâm bề mặt tế bào và hòa bào, ít gây vỡ tế lý tan vào dụng dịch bào. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dưới tác động của Chỉ tách được lượng lực ly tâm EPS bên ngoài tế bào. Dưới tác động của Tách được đáng kể nhiệt độ cao, các một lượng EPS từu Nhiệt Nhiệt phân tử của EPS tế bào dao động và hòa tan vào trong dung dịch Dưới tác dụng của Phân hủy bông bùn các dao động tạo ra và enzyme đạt hiệu bởi song siêu âm, quả cao. Sóng siêu Siêu âm liên kết của EPS với Đây là phương pháp âm sinh khối được phá phổ biến nhất để vỡ.
tách EPS từ bùn đặc.