Nghiên cứu khả năng loại màu thuốc nhuộm và phân hủy dioxin bằng enzyme laccase từ vi sinh vật

LỜI CAM ĐOAN

Lời cảm ơn

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Laccase, laccase-like và vi sinh vật sinh tổng hợp laccase, laccase-like

1.1.1. Giới thiệu chung về laccase

1.1.2. Cấu trúc phân tử của laccase

1.1.3. Cơ chế xúc tác của laccase

1.1.4. Một số đặc tính sinh hóa của laccase

1.1.5. Vi sinh vật sinh tổng hợp laccase

1.1.6. Khả năng của laccase trong phân hủy các hợp chất hữu cơ

1.1.7. Khả năng của laccase trong phân hủy các hợp chất hữu cơ có clo

1.1.8. Giới thiệu về laccase-like

1.2. Đặc điểm ô nhiễm nước thải dệt nhuộm và công nghệ xử lý

1.2.1. Đặc điểm chung của thuốc nhuộm và nước thải dệt nhuộm

1.2.2. Đặc điểm chung của thuốc nhuộm

1.2.3. Đặc điểm chủng của nước thải dệt nhuộm

1.2.4. Các phương pháp xử lý màu thuốc nhuộm

1.2.4.1. Phương pháp hóa lý

1.2.4.2. Phương pháp oxy hóa nâng cao

1.2.4.3. Phương pháp sinh học

1.3. Hiện trạng ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin ở Việt Nam và các công nghệ xử lý

1.3.1. Hiện trạng ô nhiễm

1.3.2. Công nghệ xử lý dioxin và các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm

1.3.3. Phương pháp phân hủy sinh học xử lý dioxin và các hợp chất hữu cơ

1.3.4. Phân hủy 2,4-D, 2,4,5-T, dioxin và các hợp chất tương tự bởi laccase

1.3.5. Phân hủy 2,4-D, 2,4,5-T, dioxin và các hợp chất tương tự bởi nấm sinh tổng hợp enzym ngoại bào

2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng nghiên cứu

2.2. Vật liệu để phân lập vi sinh vật và các chủng nấm kế thừa

2.3. Đối tượng nghiên cứu xử lý

2.4. Môi trường sử dụng trong nghiên cứu

2.5. Thiết bị chính sử dụng trong nghiên cứu

2.6. Phương pháp nghiên cứu

2.7. Phân lập, nuôi cấy vi sinh vật

2.7.1. Phân lập chủng nấm

2.7.2. Phân lập xạ khuẩn

2.7.3. Lựa chọn môi trường nuôi cấy để chủng nấm sinh tổng hợp laccase cao

2.7.4. Nuôi cấy xạ khuẩn sinh tổng hợp laccase-like trên các nguồn chất hữu cơ vòng thơm khác nhau

2.8. Phân loại vi sinh vật

2.8.1. Phân loại VSV theo hình thái khuẩn lạc

2.8.2. Phân loại VSV theo phương pháp sinh học phân tử

2.9. Phương pháp hóa - sinh

2.10. Xác định hoạt tính laccase, laccase-like sử dụng ABTS

2.11. Tinh sạch, nhận diện protein của laccase, laccase-like

2.12. Xác định đặc tính protein của laccase, laccase-like tinh sạch

2.13. Xác định khả năng loại màu thuốc nhuộm

2.13.1. Xác định khả năng loại màu thuốc nhuộm bởi laccase, laccase-like

2.13.2. Xác định khả năng loại màu thuốc nhuộm bởi chủng nấm

2.14. Xác định khả năng phân hủy chất diệt cỏ/dioxin

2.14.1. Thực nghiệm phân hủy chất diệt cỏ/dioxin bằng laccase thô

2.14.2. Thực nghiệm phân hủy chất diệt cỏ/dioxin bằng chủng nấm sinh tổng hợp laccase

2.15. Phương pháp phân tích để xác định khả năng phân hủy chất diệt cỏ/dioxin

2.16. Phương pháp xử lý số liệu

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BIỆN LUẬN

3.1. Phân lập, tuyển chọn và định tên chủng nấm và xạ khuẩn có khả năng sinh tổng hợp laccase, laccase-like

3.2. Phân lập và lựa chọn để phân loại nấm đảm có hoạt tính laccase cao

3.3. Phân lập và phân loại xạ khuẩn có khả năng sinh trưởng trên môi trường chứa chất diệt cỏ/dioxin và sinh tổng hợp laccase-like

3.3.1. Phân lập xạ khuẩn

3.3.2. Phân loại chủng xạ khuẩn XKBHN1 và XKBiR929

3.4. Môi trường để chủng nấm, chủng xạ khuẩn sinh tổng hợp laccase, laccase-like

3.5. Môi trường thích hợp để chủng nấm FBV40 sinh tổng hợp laccase

3.6. Khả năng sinh tổng hợp laccase-like của XKBHN1 và XKBiR929 trên môi trường chứa các chất hữu cơ clo khác nhau

3.7. Đặc điểm hóa-lý của laccase, laccase-like tinh sạch

3.7.1. Tinh sạch laccase của nấm đảm Rigidoporus sp. Tinh sạch laccase-like của xạ khuẩn Streptomycese sp. Đặc tính hóa-lý của laccase và laccase-like tinh sạch

3.7.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến laccase tinh sạch

3.7.3. Đặc điểm động học của laccase tinh sạch

3.7.4. Đặc tính hóa-lý của laccase thô

3.7.5. Đặc tính hóa - lý của laccase-like tinh sạch

3.8. Loại màu thuốc nhuộm và phân hủy chất diệt cỏ chứa dioxin

3.8.1. Loại màu thuốc nhuộm bởi laccase, laccase-like

3.8.2. Loại màu thuốc nhuộm tổng hợp bởi laccase thô của chủng nấm FBV40

3.8.3. Loại màu hoạt tính sử dụng trong quân đội bởi laccase thô

3.8.4. Loại màu thuốc nhuộm hoạt tính MN.FBN bởi Lac1 tinh sạch

3.8.5. Loại màu thuốc nhuộm hoạt tính MN.FBN bởi laccase-like tinh sạch của chủng xạ khuẩn XKBiR929

3.8.6. Loại màu thuốc nhuộm hoạt tính bởi Rigidoporus sp. Khả năng loại màu một số thuốc nhuộm hoạt tính sử dụng để nhuộm vải may quân trang

3.8.7. Loại màu thuốc nhuộm MN.FBN ở các nồng độ khác nhau

3.8.8. Loại màu thuốc nhuộm MN.FBN khi có mặt D-glucose

3.8.9. Loại màu thuốc nhuộm MN.FBN khi có mặt các loại đường khác nhau

3.8.10. Loại màu thuốc nhuộm MN.FBN khi có mặt các nguồn nitơ khác nhau

3.9. Phân hủy chất diệt cỏ/dioxin bởi laccase và nấm sinh tổng hợp laccase

3.9.1. Phân huỷ chất diệt cỏ/dioxin bởi laccase thô

3.9.2. Phân huỷ chất diệt cỏ/dioxin bởi nấm sinh tổng hợp laccase

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

I. Giới thiệu về enzyme laccase

Enzyme laccase là một loại enzyme thuộc nhóm oxidoreductase, có khả năng oxy hóa nhiều hợp chất hữu cơ, đặc biệt là các hợp chất phenolic và các hợp chất hữu cơ vòng thơm. Cấu trúc phân tử của laccase bao gồm nhiều đồng vị đồng, cho phép enzyme này hoạt động hiệu quả trong điều kiện môi trường khác nhau. Cơ chế xúc tác của laccase diễn ra thông qua quá trình oxy hóa, trong đó enzyme này sử dụng oxy phân tử để oxy hóa các cơ chất, tạo ra các sản phẩm không độc hại hơn. Nghiên cứu cho thấy, enzyme này có thể được chiết xuất từ nhiều nguồn vi sinh vật khác nhau, bao gồm nấm và vi khuẩn. Việc ứng dụng laccase trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là trong việc loại bỏ thuốc nhuộm độc hại và phân hủy các chất ô nhiễm như dioxin, đã mở ra nhiều triển vọng trong lĩnh vực biodegradation và environmental remediation. Theo một nghiên cứu, enzyme này có thể loại bỏ đến 90% màu sắc của thuốc nhuộm trong thời gian ngắn, cho thấy tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải công nghiệp.

1.1. Cấu trúc và cơ chế hoạt động của laccase

Cấu trúc của laccase bao gồm nhiều đồng vị đồng, cho phép enzyme này thực hiện quá trình oxy hóa hiệu quả. Cơ chế hoạt động của enzyme này liên quan đến việc chuyển đổi oxy thành nước trong quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, enzyme laccase có thể hoạt động ở pH và nhiệt độ khác nhau, điều này làm tăng khả năng ứng dụng của nó trong các quy trình xử lý nước thải. Đặc biệt, laccase có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ có chứa clo, điều này rất quan trọng trong việc xử lý các chất ô nhiễm như dioxin. Việc hiểu rõ về cấu trúc và cơ chế hoạt động của laccase sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng enzyme này trong thực tiễn.

II. Khả năng loại màu thuốc nhuộm

Khả năng loại màu thuốc nhuộm của laccase đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều năm qua. Các nghiên cứu cho thấy, enzyme này có thể loại bỏ màu sắc của nhiều loại thuốc nhuộm độc hại, bao gồm cả thuốc nhuộm azo và thuốc nhuộm có chứa halogen. Quá trình loại màu diễn ra thông qua cơ chế oxy hóa, trong đó laccase chuyển đổi các hợp chất hữu cơ thành các sản phẩm không độc hại hơn. Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng, enzyme này có thể loại bỏ đến 95% màu sắc của thuốc nhuộm trong vòng 24 giờ. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của laccase trong việc xử lý nước thải dệt nhuộm, một trong những nguồn ô nhiễm chính hiện nay. Việc ứng dụng laccase trong xử lý nước thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần vào việc phát triển các quy trình sustainable bioprocessing.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng loại màu

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến khả năng loại màu của laccase, bao gồm pH, nhiệt độ, nồng độ enzyme và nồng độ thuốc nhuộm. Nghiên cứu cho thấy, pH tối ưu cho hoạt động của laccase thường nằm trong khoảng từ 4 đến 6. Nhiệt độ cũng là một yếu tố quan trọng, với nhiệt độ tối ưu thường là khoảng 30-40 độ C. Nồng độ enzyme và nồng độ thuốc nhuộm cũng cần được điều chỉnh để đạt được hiệu quả tối ưu trong quá trình xử lý. Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải và nâng cao hiệu quả loại bỏ màu sắc của thuốc nhuộm độc hại.

III. Phân hủy dioxin bằng laccase

Phân hủy dioxin bằng enzyme laccase là một trong những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường. Dioxin là một trong những chất ô nhiễm khó phân hủy nhất, có khả năng tích lũy trong chuỗi thức ăn và gây ra nhiều tác hại cho sức khỏe con người. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, laccase có khả năng phân hủy dioxin thông qua quá trình oxy hóa, chuyển đổi dioxin thành các sản phẩm không độc hại hơn. Một nghiên cứu thực địa cho thấy, việc sử dụng laccase trong xử lý đất ô nhiễm dioxin đã giúp giảm đáng kể nồng độ dioxin trong đất. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của laccase trong việc xử lý các chất ô nhiễm nguy hiểm, góp phần vào việc bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

3.1. Hiệu quả của laccase trong phân hủy dioxin

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, laccase có thể phân hủy dioxin với hiệu suất cao, đạt tới 80% trong một số điều kiện nhất định. Việc sử dụng laccase trong xử lý dioxin không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các sản phẩm an toàn cho môi trường. Các nghiên cứu cũng cho thấy, việc kết hợp laccase với các phương pháp xử lý khác như sinh học có thể nâng cao hiệu quả phân hủy dioxin. Điều này mở ra nhiều triển vọng cho việc phát triển các công nghệ xử lý ô nhiễm hiệu quả và bền vững hơn trong tương lai.

Luận án tiến sĩ: Ứng dụng enzyme laccase từ vi sinh vật để loại màu thuốc nhuộm và phân hủy dioxin