Nghiên cứu sản xuất biosurfactant từ vi khuẩn Pseudomonas sử dụng dầu thô làm nguồn carbon

• Tác giả: Le Viet Hung
• Người hướng dẫn: Dr. Kieu Thi Quynh Hoa
• Trường học: Vietnam National University of Agriculture
• Chuyên ngành: Biotechnology
• Đề tài: Nghiên Cứu Sản Xuất Biosurfactant Từ Vi Khuẩn Pseudomonas Sử Dụng Dầu Thô Làm Nguồn Carbon
• Loại tài liệu: Graduation Thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• COMMITMENT
• ACKNOWLEDGMENTS
• INDEX
• 1. PART III: MATERIALS AND METHODS
• 1.1. Machines and equipments
• 1.2. Isolation of bacteria using petroleum hydrocarbon as sole carbon source
• 1.3. Selection of a bacterial strain capable of biosurfactant production with high emulsification activity on petroleum hydrocarbon substrate (crude oil)
• 1.4. Identification of the selected bacterial strain
• 1.5. Effect of environmental and culture conditions on biosurfactant production of the selected bacterial strain
• 1.6. Determination of total oil content by gravimetric method
• 2. PART IV: RESULTS
• 2.1. Screening of petroleum hydrocarbon (crude oil) utilizing and bio-surfactant producing bacterial strains
• 2.2. Identification of the selected petroleum hydrocarbon utilizing and biosurfactant producing bacterial strain
• 2.3. Morphological characteristics of the DSVK2 strain
• 2.4. Classification of the DSVK2 strain by 16S rRNA gene sequence analysis
• 2.5. The biosurfactants producing ability on crude oil of the selected bacterial strain
• 2.6. Effect of environmental and culture conditions on biosurfactant production efficiency of DSVK2 strain
• 2.7. Effect of crude oil concentration on biosurfactant production efficiency of DSVK2 strain
• 2.8. Effect of nitrogen sources on biosurfactant production efficiency of DSVK2 strain
• 2.9. Effect of different concentrations of NH4NO3 on biosurfactant production efficiency of DSVK2 strain
• 2.10. Effect of pH value on biosurfactant production efficiency of DSVK2 strain
• 2.11. Effect of temperature on biosurfactant production efficiency of DSVK2 strain
• 2.12. Effect of concentrations of NaCl on biosurfactant production efficiency of DSVK2 strain
• 2.13. Effect of bacterial concentrations on biosurfactant production efficiency of DSVK2 strain
• 2.14. Biodegradation of crude oil of Pseudomonas sp.
• 3. PART VI: CONCLUSIONS
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• ABSTRACT
• Preface

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Sản Xuất Biosurfactant Từ Pseudomonas

Nghiên cứu về biosurfactant đang ngày càng được quan tâm do ưu điểm vượt trội so với chất hoạt động bề mặt hóa học. Biosurfactant có độc tính thấp, thân thiện với môi trường và hiệu quả ở điều kiện khắc nghiệt. Nghiên cứu này tập trung vào khả năng sản xuất biosurfactant của vi khuẩn Pseudomonas, sử dụng dầu thô làm nguồn carbon duy nhất. Mục tiêu là tìm kiếm chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy dầu thô và sản xuất biosurfactant hiệu quả, ứng dụng trong xử lý ô nhiễm dầu mỏ. Theo nghiên cứu của Le Viet Hung (2022), Pseudomonas sp. có tiềm năng lớn trong việc cải tạo môi trường ô nhiễm dầu thô. Biosurfactant giúp giảm sức căng bề mặt, nhũ hóa dầu, tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc và phân hủy dầu thô dễ dàng hơn. Đây là hướng đi đầy hứa hẹn trong công nghệ sinh học môi trường, hướng tới sự phát triển bền vững và kinh tế tuần hoàn.

1.1. Giới thiệu chung về biosurfactant và ứng dụng

Biosurfactant là các chất hoạt động bề mặt sinh học được sản xuất bởi vi sinh vật, bao gồm vi khuẩn, nấm men và nấm mốc. Chúng có cấu trúc phân tử đặc biệt, vừa ưa nước vừa kỵ nước, giúp giảm sức căng bề mặt giữa các pha lỏng, khí hoặc rắn. Ứng dụng biosurfactant rất đa dạng, từ xử lý ô nhiễm môi trường, tăng cường thu hồi dầu mỏ, đến sản xuất mỹ phẩm và dược phẩm. Biosurfactant có khả năng phân hủy sinh học cao, ít độc hại và có thể được sản xuất từ các nguồn carbon tái tạo, như phụ phẩm nông nghiệp và phụ phẩm công nghiệp.

1.2. Vai trò của vi khuẩn Pseudomonas trong sản xuất biosurfactant

Vi khuẩn Pseudomonas là một trong những chi vi khuẩn được nghiên cứu nhiều nhất về khả năng sản xuất biosurfactant. Nhiều chủng Pseudomonas sp. có khả năng sử dụng dầu thô và các hydrocacbon khác làm nguồn carbon để sinh trưởng và sản xuất biosurfactant. Biosurfactant do Pseudomonas sản xuất thường là các glycolipid hoặc lipopeptide, có hoạt tính bề mặt cao và khả năng nhũ hóa tốt. Nghiên cứu của Lai Thuy Hien và Vuong Thi Nga (2013) đã chứng minh khả năng của Pseudomonas trong việc phân hủy hydrocacbon dầu mỏ.

II. Thách Thức Ô Nhiễm Dầu Thô và Giải Pháp Biosurfactant

Ô nhiễm dầu thô là một vấn đề môi trường nghiêm trọng, gây ảnh hưởng lớn đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Các sự cố tràn dầu có thể gây ra thiệt hại kinh tế lớn, ảnh hưởng đến ngành du lịch, đánh bắt cá và các hoạt động kinh tế khác. Các phương pháp xử lý ô nhiễm dầu truyền thống, như sử dụng hóa chất phân tán, có thể gây ra tác động tiêu cực đến môi trường. Biosurfactant nổi lên như một giải pháp thay thế tiềm năng, thân thiện với môi trường và hiệu quả trong việc xử lý ô nhiễm dầu. Ứng dụng biosurfactant giúp tăng cường khả năng phân hủy sinh học của dầu thô, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

2.1. Tác động của ô nhiễm dầu thô đến môi trường và con người

Ô nhiễm dầu thô gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, bao gồm ô nhiễm nước, ô nhiễm đất và ô nhiễm không khí. Dầu thô có thể gây độc cho các sinh vật biển, ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn và gây suy giảm đa dạng sinh học. Con người có thể bị phơi nhiễm với dầu thô thông qua tiếp xúc trực tiếp, ăn hải sản bị ô nhiễm hoặc hít phải hơi dầu. Phơi nhiễm với dầu thô có thể gây ra các vấn đề sức khỏe, như kích ứng da, các bệnh về hô hấp và ung thư. Theo Barron et al. (2020), ô nhiễm dầu làm giảm khả năng phục hồi của các hệ sinh thái.

2.2. Ưu điểm của biosurfactant so với các phương pháp xử lý truyền thống

Biosurfactant có nhiều ưu điểm so với các phương pháp xử lý ô nhiễm dầu truyền thống. Chúng có khả năng phân hủy sinh học cao, ít độc hại và có thể được sản xuất từ các nguồn carbon tái tạo. Biosurfactant có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện khắc nghiệt, như nhiệt độ cao, độ pH cao và độ mặn cao. Chúng cũng có khả năng nhũ hóa dầu tốt hơn so với các chất hoạt động bề mặt hóa học, giúp tăng cường khả năng phân hủy sinh học của dầu thô. So với phương pháp vật lý, biosurfactant có chi phí thấp hơn và không gây ô nhiễm thứ cấp.

III. Nghiên Cứu Chủng Pseudomonas Sản Xuất Biosurfactant Hiệu Quả

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân lập và xác định các chủng Pseudomonas có khả năng sản xuất biosurfactant hiệu quả từ dầu thô. Các chủng vi khuẩn được phân lập từ các mẫu đất và nước bị ô nhiễm dầu, sau đó được sàng lọc dựa trên khả năng sử dụng dầu thô làm nguồn carbon và sản xuất biosurfactant. Chủng Pseudomonas có khả năng sản xuất biosurfactant cao nhất được xác định bằng phương pháp phân tích trình tự gen 16S rRNA. Các điều kiện tối ưu cho quá trình sản xuất biosurfactant cũng được nghiên cứu, bao gồm nhiệt độ, pH, nồng độ dầu thô và nguồn nitơ.

3.1. Phân lập và sàng lọc chủng Pseudomonas sản xuất biosurfactant

Quá trình phân lập và sàng lọc chủng Pseudomonas được thực hiện theo các bước sau: (1) Thu thập mẫu đất và nước bị ô nhiễm dầu. (2) Cấy mẫu vào môi trường chọn lọc chứa dầu thô làm nguồn carbon duy nhất. (3) Phân lập các khuẩn lạc phát triển trên môi trường chọn lọc. (4) Sàng lọc các chủng phân lập dựa trên khả năng tạo vòng halo trên đĩa thạch chứa dầu thô hoặc khả năng nhũ hóa dầu. (5) Lựa chọn các chủng có khả năng sản xuất biosurfactant cao nhất để nghiên cứu tiếp.

3.2. Xác định chủng Pseudomonas bằng phương pháp phân tích 16S rRNA

Để xác định chủng Pseudomonas có khả năng sản xuất biosurfactant cao nhất, phương pháp phân tích trình tự gen 16S rRNA được sử dụng. DNA của chủng vi khuẩn được chiết xuất, sau đó vùng gen 16S rRNA được khuếch đại bằng kỹ thuật PCR. Trình tự nucleotide của vùng gen 16S rRNA được xác định và so sánh với các trình tự đã biết trong cơ sở dữ liệu gen. Kết quả so sánh cho phép xác định chủng vi khuẩn đến mức loài. Nghiên cứu của Le Viet Hung (2022) đã xác định chủng DSVK2 tương đồng 99.5% với Pseudomonas stutzeri.

IV. Tối Ưu Hóa Quá Trình Sản Xuất Biosurfactant Từ Pseudomonas

Để nâng cao hiệu suất sản xuất biosurfactant, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men được nghiên cứu và tối ưu hóa. Các yếu tố này bao gồm nhiệt độ, pH, nồng độ dầu thô, nguồn nitơ và nồng độ muối. Ảnh hưởng của từng yếu tố được đánh giá bằng phương pháp thí nghiệm có kiểm soát. Kết quả nghiên cứu cho phép xác định các điều kiện tối ưu cho quá trình sản xuất biosurfactant từ chủng Pseudomonas đã chọn. Việc tối ưu hóa quá trình lên men giúp giảm chi phí sản xuất và tăng tính khả thi của việc ứng dụng biosurfactant trong thực tế.

4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến hiệu suất sản xuất biosurfactant

Nhiệt độ và pH là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme và sự sinh trưởng của vi sinh vật. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến hiệu suất sản xuất biosurfactant bằng cách nuôi cấy chủng Pseudomonas ở các nhiệt độ và pH khác nhau. Kết quả cho thấy nhiệt độ và pH tối ưu cho quá trình sản xuất biosurfactant là 30°C và pH 8.0, tương ứng. Ở điều kiện tối ưu, hiệu suất sản xuất biosurfactant đạt cao nhất.

4.2. Ảnh hưởng của nguồn carbon và nguồn nitơ đến sản xuất biosurfactant

Nguồn carbon và nguồn nitơ là hai thành phần dinh dưỡng quan trọng cho sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của các nguồn carbon và nguồn nitơ khác nhau đến hiệu suất sản xuất biosurfactant. Kết quả cho thấy dầu thô là nguồn carbon thích hợp cho chủng Pseudomonas đã chọn. NH4NO3 là nguồn nitơ tốt nhất, với nồng độ tối ưu là 0.4% (w/v). Việc lựa chọn nguồn carbon và nguồn nitơ phù hợp giúp tăng hiệu suất sản xuất biosurfactant.

V. Đánh Giá Khả Năng Phân Hủy Dầu Thô Của Pseudomonas sp

Nghiên cứu đánh giá khả năng phân hủy dầu thô của chủng Pseudomonas sp. đã chọn bằng cách theo dõi sự giảm nồng độ dầu thô trong môi trường nuôi cấy theo thời gian. Nồng độ dầu thô được xác định bằng phương pháp trọng lượng. Kết quả cho thấy chủng Pseudomonas sp. có khả năng phân hủy dầu thô hiệu quả, với nồng độ dầu thô giảm đáng kể sau 20 ngày nuôi cấy. Khả năng phân hủy dầu thô của chủng Pseudomonas sp. cho thấy tiềm năng ứng dụng trong cải tạo môi trường ô nhiễm dầu.

5.1. Phương pháp xác định nồng độ dầu thô bằng phương pháp trọng lượng

Phương pháp trọng lượng được sử dụng để xác định nồng độ dầu thô trong môi trường nuôi cấy. Mẫu môi trường nuôi cấy được chiết bằng dung môi hữu cơ, sau đó dung môi được loại bỏ bằng cách bốc hơi. Phần còn lại là dầu thô, được cân để xác định khối lượng. Nồng độ dầu thô được tính bằng cách chia khối lượng dầu thô cho thể tích mẫu. Phương pháp trọng lượng là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để xác định nồng độ dầu thô.

5.2. Kết quả phân hủy dầu thô của Pseudomonas sp. sau 20 ngày

Kết quả nghiên cứu cho thấy chủng Pseudomonas sp. có khả năng phân hủy dầu thô hiệu quả. Sau 20 ngày nuôi cấy, nồng độ dầu thô giảm từ 28,950 mg/l xuống còn 10,712 mg/l. Hiệu suất phân hủy dầu thô đạt khoảng 63%. Kết quả này cho thấy chủng Pseudomonas sp. có tiềm năng lớn trong việc xử lý dầu thô.

VI. Kết Luận và Triển Vọng Ứng Dụng Biosurfactant Từ Pseudomonas

Nghiên cứu này đã thành công trong việc phân lập và xác định chủng Pseudomonas sp. có khả năng sản xuất biosurfactant hiệu quả từ dầu thô. Các điều kiện tối ưu cho quá trình sản xuất biosurfactant đã được xác định. Chủng Pseudomonas sp. cũng cho thấy khả năng phân hủy dầu thô hiệu quả. Kết quả nghiên cứu này mở ra triển vọng ứng dụng biosurfactant trong cải tạo môi trường ô nhiễm dầu, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Cần có thêm nghiên cứu để đánh giá tính chất sinh học và tính chất kháng khuẩn của biosurfactant.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu và ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của vi khuẩn Pseudomonas trong việc sản xuất biosurfactant từ dầu thô. Việc tối ưu hóa các điều kiện sản xuất đã giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí. Kết quả này có ý nghĩa khoa học quan trọng, cung cấp cơ sở cho việc phát triển các công nghệ xử lý ô nhiễm dầu hiệu quả và thân thiện với môi trường.

6.2. Triển vọng ứng dụng biosurfactant trong công nghiệp và môi trường

Biosurfactant có nhiều triển vọng ứng dụng trong công nghiệp và môi trường. Trong công nghiệp, chúng có thể được sử dụng để tăng cường thu hồi dầu mỏ, sản xuất mỹ phẩm và dược phẩm. Trong môi trường, chúng có thể được sử dụng để xử lý ô nhiễm dầu, cải tạo đất và cải tạo môi trường. Việc phát triển các công nghệ sản xuất biosurfactant hiệu quả và bền vững sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong tương lai.