Nghiên cứu tuyển chọn vi sinh vật tổng hợp chất phân tán sinh học nhằm giảm khả năng tạo mảng bám vi sinh trong sản xuất giấy

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu tuyển chọn vi sinh vật tổng hợp chất phân tán sinh học nhằm giảm khả năng tạo mảng bám, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Lê Thị Trà
• Người hướng dẫn: TS. Phan Thị Hồng Thảo
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu tuyển chọn vi sinh vật tổng hợp chất phân tán sinh học nhằm giảm khả năng tạo mảng bám vi sinh trong sản xuất giấy
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 0.1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 0.1.1. Mảng bám vi sinh
• 0.1.2. Mảng bám vi sinh và vi sinh vật sinh mảng bám
• 0.1.3. Nguyên nhân và cơ chế hình thành mảng bám
• 0.1.4. Ảnh hưởng của mảng bám vi sinh đến sản xuất giấy
• 0.1.5. Chất phân tán sinh học và vi sinh vật tổng hợp chất phân tán sinh học
• 0.1.5.1. Chất phân tán sinh học
• 0.1.5.2. Phân loại chất phân tán sinh học
• 0.1.5.3. Vi sinh vật sinh tổng hợp chất phân tán sinh học
• 0.1.5.4. Sử dụng chất phân tán sinh học nhằm xử lý mảng bám vi sinh trong công nghiệp sản xuất giấy
• 0.2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 0.2.1. Vật liệu và phạm vi nghiên cứu
• 0.2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 0.2.2.1. Phương pháp sàng lọc, tuyển chọn chủng vi sinh vật sinh tổng hợp chất phân tán sinh học
• 0.2.2.2. Phương pháp thu hồi chất phân tán sinh học thô
• 0.2.2.3. Phương pháp kiểm tra hoạt tính chất phân tán sinh học
• 0.2.2.4. Phương pháp nghiên cứu đặc điểm sinh học và phân loại vi sinh vật theo 16S rDNA
• 0.2.2.5. Phương pháp lựa chọn điều kiện môi trường lên men thích hợp
• 0.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 0.3.1. Sàng lọc và tuyển chọn vi sinh vật sinh tổng hợp chất phân tán sinh học
• 0.3.1.1. Sàng lọc chủng vi khuẩn sinh tổng hợp chất phân tán sinh học
• 0.3.1.2. Tuyển chọn chủng vi khuẩn sinh tổng hợp chất phân tán sinh học
• 0.3.2. Đặc điểm sinh học và phân loại vi sinh vật
• 0.3.2.1. Đặc điểm hình thái tế bào và sinh lý, sinh hóa của vi sinh vật
• 0.3.2.2. Tách DNA tổng số và so sánh trình tự gen 16S rDNA
• 0.3.3. Ảnh hưởng của môi trường lên men đến hoạt tính chất phân tán sinh học
• 0.3.3.1. Lựa chọn môi trường lên men
• 0.3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian lên men đến chất phân tán sinh học
• 0.3.3.3. Ảnh hưởng của nguồn cacbon đến chất phân tán sinh học
• 0.3.3.4. Ảnh hưởng của nguồn nitơ đến chất phân tán sinh học
• 0.3.3.5. Ảnh hưởng của chất cảm ứng đến hoạt tính chất phân tán sinh học
• 0.4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Mảng bám vi sinh
• 1.2. Mảng bám vi sinh và vi sinh vật sinh mảng bám
• 1.3. Nguyên nhân và cơ chế hình thành mảng bám
• 1.4. Ảnh hưởng của mảng bám vi sinh đến sản xuất giấy

Tóm tắt

I. Nghiên Cứu Vi Sinh Vật Giải Pháp Giảm Mảng Bám Giấy

Ngành sản xuất giấy đối mặt với thách thức lớn từ mảng bám vi sinh, gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và hiệu quả hoạt động. Mảng bám là tập hợp các vi sinh vật, exopolysaccharide (EPS), xơ sợi gỗ và các chất phụ gia, tạo thành lớp nhầy bám dính trên thiết bị. Các vi sinh vật như Bacillus spp. phát triển mạnh, gây ra nhiều vấn đề từ lỗi vận hành đến giảm chất lượng. Các biện pháp kiểm soát hiện tại, chủ yếu dựa vào hóa chất diệt khuẩn, đang dần bộc lộ nhược điểm về hiệu quả và tác động môi trường. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn, đặc biệt là sử dụng chất phân tán sinh học, trở nên cấp thiết. Nghiên cứu này tập trung vào việc tuyển chọn vi sinh vật có khả năng tổng hợp chất phân tán sinh học nhằm giảm thiểu mảng bám vi sinh trong quá trình sản xuất giấy, mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp giấy sạch hơn, bền vững hơn.

1.1. Tổng Quan Về Mảng Bám Vi Sinh Trong Sản Xuất Giấy

Mảng bám vi sinh trong sản xuất giấy là một vấn đề phức tạp và đa diện, bao gồm vi khuẩn, nấm và nấm men. Các vi sinh vật này tạo thành màng sinh học (biofilm) trên bề mặt thiết bị, gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng. Thành phần chính của mảng bám bao gồm vi khuẩn, exopolysaccharide (EPS), xơ sợi gỗ và các chất phụ gia từ quá trình sản xuất. EPS đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cấu trúc và bảo vệ vi sinh vật khỏi các tác động bên ngoài. Màng sinh học hoạt động như một lớp bảo vệ, giúp vi sinh vật chống lại các tác nhân gây hại và đảm bảo nguồn cung cấp carbon và năng lượng trong điều kiện thiếu hụt dinh dưỡng. Theo một nghiên cứu, 99% vi sinh vật tồn tại ở dạng màng sinh học và chỉ 1% ở dạng tế bào tự do, khẳng định vai trò quan trọng của biofilm trong môi trường tự nhiên.

1.2. Thành Phần Chính Của Mảng Bám Vi Sinh Vật Gây Hại

Thành phần sinh học của mảng bám trong nhà máy giấy chủ yếu là các vi sinh vật đơn bào. Vi khuẩn, nấm men và nấm thường được tìm thấy với số lượng lớn. Vi khuẩn như Aerobacter aerogenes, Escherichia coli, Pseudomonas, Arthrobacter và Proteus đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển mảng bám. Vi khuẩn Aerobacter aerogenes có khả năng thích nghi với môi trường oxy khác nhau, kết hợp với sợi giấy tạo thành mảng bám mềm và sền sệt. Nấm mốc như Cladosporium, Geotrichum, Mucor, Aspergillus, Penicillium và Cephalosporium cũng tham gia vào quá trình này, sử dụng cellulose, tinh bột và đường làm nguồn dinh dưỡng. Nhiệt độ cao trong hệ thống nước tuần hoàn của nhà máy giấy cũng tạo điều kiện cho nấm chịu nhiệt phát triển, làm tăng thêm sự phức tạp của vấn đề.

II. Vì Sao Mảng Bám Vi Sinh Là Thách Thức Lớn Cho Ngành Giấy

Sự hình thành mảng bám vi sinh trong hệ thống sản xuất giấy là một quá trình phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Các nhà máy giấy sử dụng sợi tái chế thường có điều kiện tối ưu cho sự phát triển của vi sinh vật do hàm lượng chất dinh dưỡng cao, nhiệt độ và độ pH phù hợp. Nước trắng trong nhà máy cũng chứa nhiều chất dinh dưỡng, đặc biệt khi nhiệt độ dao động trong khoảng 30°C. Nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ và loại bột giấy sử dụng cũng ảnh hưởng đến thành phần và tính chất của mảng bám. Sự phát triển của vi khuẩn hiếu khí thúc đẩy hình thành mảng bám, trong khi vi khuẩn kỵ khí tăng trưởng khi nồng độ oxy giảm. Bột giấy tái chế thường chứa mật độ vi sinh vật cao hơn nhiều so với bột giấy nguyên chất, làm tăng nguy cơ ô nhiễm.

2.1. Cơ Chế Hình Thành Mảng Bám Vi Sinh Quá Trình Phân Lớp

Sự hình thành mảng bám diễn ra theo một quy trình phân lớp. Đầu tiên, các tế bào vi sinh vật bám vào bề mặt nhờ lực tương tác tĩnh điện, liên kết hydro và lực phân tán London. Các vi khuẩn xâm chiếm ban đầu tạo ra polyme ngoại bào (EPS), chủ yếu là polysaccharide. Sự bám dính của vi khuẩn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc điểm bề mặt (kết cấu, độ nhám, tính kỵ nước), điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH, thời gian tiếp xúc) và đặc tính hóa lý của vi khuẩn (tính kỵ nước, điện tích bề mặt, sản xuất polysaccharit). Sau khi bề mặt bị xâm chiếm, các tế bào phát triển và tạo ra EPS, góp phần vào sự phát triển của màng sinh học đa loài. EPS kết dính các bề mặt, tạo mạng lưới cho các tế bào, duy trì cấu trúc ba chiều và bảo vệ tế bào khỏi các điều kiện bất lợi.

2.2. Ảnh Hưởng Tiêu Cực Của Mảng Bám Đến Sản Xuất Giấy

Mảng bám trong hệ thống sản xuất giấy gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng, từ lỗi giấy đến đứt giấy. Các chất chuyển hóa từ quá trình trao đổi chất của vi khuẩn trong màng sinh học là các axit hữu cơ và vô cơ, tạo ra nồng độ oxy khác nhau và gây ra các mảng trên giấy do tính ăn mòn. Vi khuẩn khử sunfat tạo ra mùi khó chịu, đặc biệt trong các nhà máy có chu trình nước khép kín, dẫn đến sự gia tăng nồng độ axit hữu cơ. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng giấy mà còn làm tăng chi phí bảo trì và sản xuất. Việc sử dụng các biện pháp kiểm soát mảng bám hiệu quả là vô cùng quan trọng để duy trì hoạt động ổn định và chất lượng sản phẩm.

III. Phương Pháp Tuyển Chọn Vi Sinh Vật Phân Tán Sinh Học Hiệu Quả

Nghiên cứu này tập trung vào việc tuyển chọn các vi sinh vật có khả năng tổng hợp chất phân tán sinh học (PTSH) hiệu quả, một giải pháp sinh thái để kiểm soát mảng bám vi sinh trong ngành sản xuất giấy. Phương pháp tuyển chọn bao gồm các bước: thu thập mẫu từ các môi trường khác nhau, sàng lọc các chủng vi sinh vật có khả năng sản xuất PTSH, đánh giá hoạt tính phân tán, và định danh các chủng có tiềm năng nhất. Mục tiêu là tìm ra các chủng vi sinh vật bản địa có khả năng thích nghi tốt với điều kiện sản xuất giấy và có khả năng sản xuất PTSH với hiệu quả cao, từ đó giảm thiểu sự phụ thuộc vào hóa chất diệt khuẩn và bảo vệ môi trường.

3.1. Quy Trình Sàng Lọc Vi Sinh Vật Tổng Hợp Chất Phân Tán

Quá trình sàng lọc vi sinh vật tổng hợp chất phân tán sinh học (PTSH) bắt đầu bằng việc thu thập mẫu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nước thải, bùn thải và các bề mặt bị nhiễm mảng bám trong nhà máy giấy. Các mẫu này được nuôi cấy trên môi trường chọn lọc để khuyến khích sự phát triển của các vi sinh vật có khả năng sản xuất PTSH. Các chủng vi sinh vật được phân lập và đánh giá hoạt tính phân tán bằng các phương pháp như thử nghiệm lan truyền dầu và thử nghiệm nhũ tương. Các chủng có hoạt tính phân tán cao được chọn lọc và tiếp tục nghiên cứu để xác định khả năng sinh tổng hợp PTSH trong điều kiện khác nhau.

3.2. Nghiên Cứu Đặc Điểm Sinh Học Và Phân Loại Vi Sinh Vật

Sau khi tuyển chọn, các chủng vi sinh vật tiềm năng được nghiên cứu về đặc điểm sinh học và phân loại. Điều này bao gồm việc quan sát hình thái tế bào, thử nghiệm sinh lý sinh hóa và phân tích trình tự gen 16S rDNA. Thông tin này giúp xác định chính xác loài vi sinh vật và hiểu rõ hơn về cơ chế sản xuất PTSH. Việc phân loại vi sinh vật cũng rất quan trọng để đánh giá tính an toàn và khả năng ứng dụng của chúng trong sản xuất giấy. Kết quả phân loại cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các chế phẩm PTSH hiệu quả và bền vững.

IV. Tối Ưu Hóa Môi Trường Lên Men Vi Sinh Vật Bí Quyết Thành Công

Để tối đa hóa hiệu quả sản xuất chất phân tán sinh học (PTSH) từ vi sinh vật, việc tối ưu hóa môi trường lên men là rất quan trọng. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khác nhau, như nguồn carbon, nguồn nitrogen, chất cảm ứng và thời gian lên men, đến khả năng sinh tổng hợp PTSH của các chủng vi sinh vật được tuyển chọn. Mục tiêu là xác định các điều kiện lên men tối ưu để đạt được năng suất PTSH cao nhất và giảm chi phí sản xuất.

4.1. Ảnh Hưởng Của Nguồn Carbon Đến Khả Năng Tổng Hợp PTSH

Nguồn carbon đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp chất phân tán sinh học (PTSH) của vi sinh vật. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của các nguồn carbon khác nhau, như glucose, sucrose, lactose và tinh bột, đến khả năng sản xuất PTSH của các chủng vi sinh vật được tuyển chọn. Kết quả cho thấy mỗi chủng vi sinh vật có khả năng sử dụng các nguồn carbon khác nhau để sản xuất PTSH, và việc lựa chọn nguồn carbon phù hợp có thể làm tăng đáng kể năng suất PTSH.

4.2. Vai Trò Của Nguồn Nitrogen Trong Sản Xuất Chất Phân Tán Sinh Học

Nguồn nitrogen cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp chất phân tán sinh học (PTSH). Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của các nguồn nitrogen khác nhau, như ammonium sulfate, ammonium nitrate, urea và peptone, đến khả năng sản xuất PTSH của các chủng vi sinh vật được tuyển chọn. Kết quả cho thấy việc lựa chọn nguồn nitrogen phù hợp có thể cải thiện đáng kể năng suất PTSH và ảnh hưởng đến thành phần của PTSH.

V. Ứng Dụng Chất Phân Tán Sinh Học Giải Pháp Xanh Cho Ngành Giấy

Việc ứng dụng chất phân tán sinh học (PTSH) từ vi sinh vật mang lại nhiều lợi ích cho ngành sản xuất giấy, không chỉ giúp giảm mảng bám vi sinh mà còn góp phần bảo vệ môi trường. PTSH có khả năng phân tán các chất kết bám tạo thành mảng bám, ngăn ngừa sự tái tạo của mảng bám và làm tăng hiệu quả của các chất diệt khuẩn khác. Ngoài ra, PTSH thường không độc hại, không màu, không tạo bọt và không chứa dung môi hữu cơ, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.

5.1. Hiệu Quả Của Chất Phân Tán Sinh Học Trong Giảm Mảng Bám

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của chất phân tán sinh học (PTSH) trong việc giảm mảng bám vi sinh trong điều kiện phòng thí nghiệm và trong thực tế sản xuất giấy. Kết quả cho thấy PTSH có khả năng làm giảm đáng kể lượng mảng bám trên các bề mặt thiết bị, cải thiện chất lượng giấy và giảm nguy cơ đứt giấy. Đặc biệt, PTSH có hiệu quả cao trong việc phân tán các polysaccharide ngoại bào (EPS), thành phần chính của mảng bám.

5.2. So Sánh Chất Phân Tán Sinh Học Với Hóa Chất Truyền Thống

Chất phân tán sinh học (PTSH) có nhiều ưu điểm so với các hóa chất diệt khuẩn truyền thống. PTSH thường có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với môi trường và ít gây độc hại cho con người và động vật. Trong khi đó, các hóa chất diệt khuẩn có thể gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe của công nhân. PTSH cũng có khả năng phân tán các chất kết bám, ngăn ngừa sự tái tạo của mảng bám, trong khi các hóa chất diệt khuẩn chỉ tiêu diệt vi sinh vật mà không giải quyết được vấn đề gốc rễ.

VI. Tương Lai Của Nghiên Cứu Vi Sinh Vật Trong Sản Xuất Giấy Bền Vững

Nghiên cứu về tuyển chọn vi sinh vật tổng hợp chất phân tán sinh học (PTSH) mở ra nhiều hướng đi mới cho ngành sản xuất giấy bền vững. Việc phát triển các quy trình sản xuất PTSH hiệu quả và tiết kiệm chi phí có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào hóa chất diệt khuẩn và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình lên men, cải thiện hiệu quả của PTSH và đánh giá tác động dài hạn của PTSH đến môi trường và sức khỏe con người.

6.1. Phát Triển Quy Trình Sản Xuất Chất Phân Tán Sinh Học Quy Mô Lớn

Để ứng dụng rộng rãi chất phân tán sinh học (PTSH) trong ngành sản xuất giấy, cần phát triển các quy trình sản xuất PTSH quy mô lớn, hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Điều này đòi hỏi sự kết hợp giữa các nghiên cứu về vi sinh vật, kỹ thuật lên men và công nghệ chiết xuất. Quy trình sản xuất PTSH cần được tối ưu hóa để đảm bảo năng suất cao, chất lượng ổn định và giá thành cạnh tranh.

6.2. Đánh Giá Tác Động Môi Trường Và Kinh Tế Của PTSH

Việc đánh giá tác động môi trường và kinh tế của chất phân tán sinh học (PTSH) là rất quan trọng để chứng minh tính bền vững của giải pháp này. Nghiên cứu cần tập trung vào việc đánh giá tác động của PTSH đến hệ sinh thái, sức khỏe con người và chi phí sản xuất giấy. Kết quả đánh giá sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc đưa ra các quyết định chính sách và đầu tư liên quan đến việc sử dụng PTSH trong ngành sản xuất giấy.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mảng bám vi sinh là một trong những nguyên nhân chính gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong ngành công nghiệp sản xuất giấy, đặc biệt là trong các nhà máy giấy sử dụng quy trình khép kín và bột giấy tái chế. Ước tính khoảng 10–20% thời gian ngừng hoạt động của máy giấy là do mảng bám vi sinh gây ra, dẫn đến thiệt hại kinh tế đáng kể từ vài nghìn đến hàng chục nghìn USD mỗi sự cố. Mảng bám vi sinh hình thành từ các vi khuẩn như Bacillus subtilis, Aerobacter aerogenes, Pseudomonas spp., cùng với các polysaccharide ngoại bào (EPS) tạo thành lớp màng sinh học bám dính trên thiết bị, gây tắc nghẽn, ăn mòn và giảm chất lượng sản phẩm giấy.

Mục tiêu nghiên cứu là tuyển chọn và định danh ít nhất một chủng vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp chất phân tán sinh học nhằm giảm thiểu khả năng tạo mảng bám vi sinh trong sản xuất giấy. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các chủng vi khuẩn phân lập từ cây dương xỉ tại mỏ Núi Pháo, Thái Nguyên và mảng bám tại nhà máy giấy Mục Sơn, Thanh Hóa trong năm 2023. Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc phát triển công nghệ xanh, thân thiện môi trường, thay thế dần các chất diệt khuẩn hóa học truyền thống, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường trong ngành công nghiệp giấy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về màng sinh học (biofilm) và chất hoạt động bề mặt sinh học (biosurfactants). Màng sinh học là cấu trúc phức tạp gồm vi sinh vật và EPS, có khả năng bảo vệ vi sinh vật khỏi tác nhân bên ngoài và tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển mảng bám. EPS gồm polysaccharide, protein, axit nucleic và lipid, đóng vai trò kết dính và duy trì cấu trúc ba chiều của màng sinh học.

Chất phân tán sinh học là các hợp chất hoạt động bề mặt do vi sinh vật tổng hợp, có khả năng làm giảm sức căng bề mặt, hòa tan và phân tán các chất kết dính trong mảng bám, từ đó ngăn ngừa sự tái tạo màng sinh học. Các nhóm chất hoạt động bề mặt sinh học chính gồm glycolipid, lipopeptide, axit béo, polymer và dạng hạt. Vi sinh vật như Bacillus subtilis, Pseudomonas aeruginosa là những nguồn sản xuất chất phân tán sinh học hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm 31 chủng vi khuẩn phân lập từ cây dương xỉ tại mỏ Núi Pháo, Thái Nguyên và mẫu mảng bám tại nhà máy giấy Mục Sơn, Thanh Hóa. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên từ các môi trường tự nhiên và công nghiệp có liên quan.

Phân tích được thực hiện qua các bước: sàng lọc chủng vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp chất phân tán sinh học bằng các xét nghiệm lan truyền dầu, tan huyết, thạch CTAB, tan dầu và nhũ tương; định danh vi sinh vật bằng phân tích gen 16S rDNA; đánh giá đặc điểm sinh học, sinh lý và sinh hóa; xác định điều kiện lên men tối ưu (môi trường, thời gian, nguồn cacbon, nitơ và chất cảm ứng).

Cỡ mẫu 31 chủng được nuôi cấy trong môi trường muối khoáng bổ sung dầu oliu 1% ở 30ºC trong 7 ngày, dịch nuôi cấy được ly tâm và lọc để thu nhận chất phân tán sinh học thô. Phân tích gen 16S rDNA được thực hiện bằng PCR với cặp mồi 27F và 1492R, sản phẩm được giải trình tự và so sánh trên cơ sở dữ liệu GenBank. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Sàng lọc chủng vi sinh vật sinh tổng hợp chất phân tán sinh học: Trong 31 chủng khảo sát, 23 chủng (74%) thể hiện hoạt tính lan truyền dầu, trong đó 4 chủng có vòng lan truyền dầu trên 50 mm, gồm R323, R3113, R123 và S343. Hai chủng R123 và S343 có khả năng tan huyết, thể hiện hoạt tính ly giải hồng cầu.

2. Tuyển chọn chủng tiềm năng: Ba chủng R123, R3113 và S343 được chọn để nghiên cứu sâu hơn. Chủng S343 có hàm lượng chất phân tán sinh học thô cao nhất (9,78 g/L), chỉ số nhũ hóa 6,67% và khả năng ức chế hình thành biofilm lên đến 33,33%.

3. Đặc điểm sinh học và phân loại: Chủng S343 có hình thái tế bào que dài, Gram dương, sinh trưởng tốt ở pH 5-9 (tối ưu pH 7), nhiệt độ 20-45ºC, chịu được muối đến 12%. Chủng sử dụng đa dạng nguồn cacbon như glucose, xylose, manitol, maltose, fructose và sucrose. Chủng có khả năng sinh enzyme ngoại bào gồm amylase, protease, CMCase và cellulase.

4. Phân tích gen 16S rDNA: Chủng S343 có độ tương đồng 99,91% với Bacillus subtilis, được xác định là Bacillus subtilis S343. Cây phát sinh loài cho thấy khoảng cách di truyền gần với các chủng Bacillus subtilis đã biết.

Thảo luận kết quả

Kết quả sàng lọc cho thấy tỷ lệ cao các chủng vi khuẩn có khả năng sinh tổng hợp chất phân tán sinh học, phù hợp với báo cáo của các nghiên cứu trước đây về tiềm năng của Bacillus subtilis trong sản xuất biosurfactants. Hoạt tính lan truyền dầu và khả năng ức chế biofilm của chủng S343 cho thấy hiệu quả trong việc giảm mảng bám vi sinh trong sản xuất giấy.

Khả năng sinh trưởng rộng về pH, nhiệt độ và muối của chủng S343 phù hợp với điều kiện khắc nghiệt trong nhà máy giấy, đặc biệt là trong các hệ thống nước tái chế và quy trình khép kín. Việc chủng này sinh tổng hợp nhiều enzyme ngoại bào cũng góp phần vào khả năng phân hủy các thành phần hữu cơ trong mảng bám.

Phân tích gen 16S rDNA khẳng định chủng S343 thuộc loài Bacillus subtilis, một loài vi khuẩn đã được biết đến với khả năng sản xuất surfactin và các chất hoạt động bề mặt sinh học khác có hiệu quả cao trong công nghiệp. Các dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hoạt tính lan truyền dầu, chỉ số nhũ hóa và khả năng ức chế biofilm giữa các chủng, cũng như bảng đặc điểm sinh học và sinh hóa của chủng S343.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình lên men tối ưu: Áp dụng môi trường lên men giàu glucose và pepton, duy trì pH 7 và nhiệt độ 37ºC trong 5-7 ngày để tối đa hóa sản lượng chất phân tán sinh học từ Bacillus subtilis S343. Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu công nghệ sinh học, timeline 6 tháng.

2. Ứng dụng chất phân tán sinh học trong nhà máy giấy: Bổ sung chất phân tán sinh học thu nhận từ chủng S343 vào hệ thống nước tuần hoàn nhà máy giấy Mục Sơn nhằm giảm thiểu mảng bám vi sinh, giảm thời gian ngừng máy và chi phí bảo trì. Chủ thể thực hiện: nhà máy giấy, timeline 12 tháng.

3. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và công nhân về lợi ích và cách sử dụng chất phân tán sinh học trong kiểm soát mảng bám, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả sản xuất. Chủ thể thực hiện: trường đại học và nhà máy giấy, timeline 3 tháng.

4. Nghiên cứu mở rộng và cải tiến: Tiếp tục nghiên cứu các chủng vi sinh vật khác có khả năng sinh tổng hợp chất phân tán sinh học, kết hợp với công nghệ enzyme và thể thực khuẩn để tạo ra giải pháp kiểm soát mảng bám toàn diện. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu, timeline 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Môi trường, Công nghệ Sinh học: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp sàng lọc vi sinh vật sinh chất phân tán sinh học, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan.

2. Chuyên gia và kỹ sư trong ngành công nghiệp giấy: Tham khảo giải pháp sinh học thay thế hóa chất diệt khuẩn truyền thống, giúp cải thiện hiệu quả kiểm soát mảng bám và giảm thiểu tác động môi trường.

3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các chính sách khuyến khích ứng dụng công nghệ xanh trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt trong ngành giấy.

4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp chế phẩm sinh học: Tài liệu giúp phát triển sản phẩm chất phân tán sinh học mới, mở rộng thị trường ứng dụng trong công nghiệp và xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Chất phân tán sinh học là gì và có vai trò gì trong sản xuất giấy?
   Chất phân tán sinh học là hợp chất hoạt động bề mặt do vi sinh vật tổng hợp, giúp hòa tan và phân tán các chất kết dính trong mảng bám vi sinh, ngăn ngừa sự hình thành và tái tạo màng sinh học, từ đó giảm thiểu mảng bám trong dây chuyền sản xuất giấy.

2. Tại sao Bacillus subtilis S343 được chọn làm chủng nghiên cứu chính?
   Chủng S343 có hàm lượng chất phân tán sinh học thô cao nhất (9,78 g/L), chỉ số nhũ hóa 6,67% và khả năng ức chế hình thành biofilm lên đến 33,33%, đồng thời có đặc điểm sinh học phù hợp với điều kiện nhà máy giấy.

3. Phương pháp nào được sử dụng để định danh vi sinh vật trong nghiên cứu?
   Phân tích gen 16S rDNA bằng kỹ thuật PCR và giải trình tự, so sánh với cơ sở dữ liệu GenBank, giúp xác định chính xác loài vi sinh vật với độ tương đồng lên đến 99,91%.

4. Chất phân tán sinh học có thể thay thế hoàn toàn chất diệt khuẩn hóa học không?
   Chất phân tán sinh học không diệt khuẩn trực tiếp mà hỗ trợ làm bong tróc màng sinh học, giúp chất diệt khuẩn thâm nhập hiệu quả hơn, do đó có thể giảm lượng hóa chất sử dụng nhưng không hoàn toàn thay thế.

5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế nhà máy giấy?
   Có thể bổ sung chất phân tán sinh học thu nhận từ Bacillus subtilis S343 vào hệ thống nước tuần hoàn nhà máy giấy, kết hợp với các biện pháp kiểm soát khác để giảm mảng bám, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí bảo trì.

Kết luận

• Đã tuyển chọn thành công chủng Bacillus subtilis S343 có khả năng sinh tổng hợp chất phân tán sinh học với hiệu quả ức chế mảng bám vi sinh lên đến 33,33%.
• Chủng S343 có đặc điểm sinh học phù hợp với điều kiện môi trường trong nhà máy giấy, có khả năng sử dụng đa dạng nguồn cacbon và sinh tổng hợp enzyme ngoại bào.
• Phương pháp sàng lọc và định danh vi sinh vật bằng xét nghiệm hoạt tính và phân tích gen 16S rDNA được áp dụng hiệu quả.
• Chất phân tán sinh học từ Bacillus subtilis S343 là giải pháp sinh thái, thân thiện môi trường, có tiềm năng ứng dụng trong kiểm soát mảng bám trong sản xuất giấy.
• Đề xuất phát triển quy trình lên men tối ưu và ứng dụng thực tế tại nhà máy giấy trong vòng 12 tháng tới nhằm giảm thiểu thiệt hại do mảng bám gây ra.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm ứng dụng quy mô pilot tại nhà máy giấy Mục Sơn và mở rộng nghiên cứu các chủng vi sinh vật khác để hoàn thiện giải pháp kiểm soát mảng bám sinh học hiệu quả, bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Mảng bám vi sinh 1. Mảng bám vi sinh và vi sinh vật sinh mảng bám Mảng bám (slime) là tên gọi chung của chất cặn có nguồn gốc vi sinh vật trong nhà máy giấy.

Vi khuẩn bám vào bề mặt và bắt đầu hình thành màng sinh học (biofilm). Bề mặt mà vi khuẩn bám vào để tạo thành màng sinh học rất quan trọng và phụ thuộc vào tính ưa nước và kỵ nước của bề mặt. Ví dụ: khả năng bám dính của polyme Glycocalyx trước hết liên quan đến việc gắn glycoprotein với bề mặt tiếp xúc, sau khi gắn kết, tập hợp của vi khuẩn được hình thành và cuối cùng là sự hình thành màng sinh học bằng cách tiết ra EPS. EPS thường bao gồm các polysaccharit, cũng có thể chứa protein, axit nucleic và các hợp chất béo (lipophilic polyme) [61].

EPS được coi là thành phần cấu trúc chính của màng sinh học hỗ trợ tương tác bề mặt của các vi khuẩn với nhau [28, 56]. Màng sinh học hoạt động như một lớp bảo vệ chống lại các tác nhân gây hại cũng như là nguồn dự trữ carbon và năng lượng cho vi sinh vật trong các thời điểm thiếu hụt chất dinh dưỡng. Màng sinh học có khả năng chống lại tia UV và tăng tỷ lệ trao đổi gen giữa các vi sinh vật. Các chất cặn hữu cơ của màng sinh học đóng vai trò là môi trường sống cho vi sinh vật và giúp liên kết các màng sinh học lại với nhau để chúng tồn tại lâu dài.

Lớp màng hữu cơ còn bảo vệ tế bào vi sinh vật khỏi những thay đổi lý hóa trong hệ thống [61]. Trong tự nhiên, khoảng 99% vi sinh vật tồn tại ở dạng màng sinh học (biofilm) và chỉ có 1% tồn tại ở dạng tế bào tự do. Màng sinh học (biofilm) được định nghĩa là tập hợp quần xã vi sinh vật bám trên một bề mặt của vật thể rắn hoặc bề mặt chất lỏng, sau khi gắn trên 1 bề mặt, chúng sẽ bắt đầu sản xuất lớp polyme ngoại bào (EPS - extracellular polymeric substance) bao phủ bề mặt đó. Các EPS này được cấu thành bởi các polyme có tính kết dính cao (như: alginate, pel, psl.), sẽ kéo theo việc bám dính của nhiều chất hữu cơ, dầu mỡ hay các chất rắn lơ lửng trong các đường ống thoát nước sinh hoạt.

Đây là nguyên chính gây ra mùi hôi và gây tắc các đường ống thoát nước [2]. 3 Màng sinh học (biofilm) là một cấu trúc phức tạp, được tạo ra bởi các vi sinh vật sinh trưởng và bám dính trên bề mặt vật liệu, chúng có thể được tạo ra từ các nhóm vi sinh vật khác nhau bao gồm vi khuẩn, nấm mốc, nấm men… nhưng phổ biến nhất vẫn là vi khuẩn. Các nghiên cứu đã xác định hầu hết các loài vi khuẩn đều có khả năng tạo màng sinh học. Vi khuẩn có thể hình thành màng sinh học trên các loại bề mặt môi trường rắn, lỏng hoặc trên bề mặt môi trường bán lỏng [1] Thành phần sinh học của mảng bám nhà máy giấy đều là các vi sinh vật đơn bào.

Vi khuẩn, nấm men và nấm thường được tìm thấy nhiều nhất trong mảng bám (Hình 1. Các vi sinh vật hình thành mảng bám trong môi trường nhà máy [61] Vi khuẩn thường thấy nhất trong mảng bám là Aerobacter aerogenes hình que không sinh bào tử, có khả năng thích nghi tùy theo lượng oxy sẵn có trong môi trường xung quanh. Chúng kết hợp với sợi giấy tạo thành mảng bám mềm và sền sệt. Vi khuẩn này có khả năng di động và di chuyển ở một mức độ nhất định để chọn những vị trí thuận lợi nhất trong máy giấy để xâm chiếm.

Escherichia coli, Pseudomonas, Arthrobacter, Proteus, v. là những loài vi khuẩn khác chịu trách nhiệm trong việc hình thành mảng bám. Những loài này chịu trách nhiệm cho sự phát triển về độ dày 4 và cuối cùng tách mảng bám ra khỏi bề mặt vật liệu. Pseudomonas chủ yếu được tìm thấy trong các nhà máy sử dụng nước xử lý không tái chế.

Mảng bám có thể cung cấp vùng kỵ khí cho sự phát triển của vi khuẩn khử sunfat. Ví dụ, Desulphovibrio desulphuricans khử sunfat thành hydro sunfua và cũng khử sunfit, thiosulphat và hyposulphit. Đây là một trong nhiều loại vi khuẩn thúc đẩy sự ăn mòn và đổi màu bề mặt sơn, bột giấy và các thiết bị khác nhau [61]. Nấm mốc hoặc nấm sợi: Mảng bám được hình thành rất khác nhau với nhóm nấm, từ sự phát triển dạng keo nặng đến mảng bám dạng da hoặc mờ.

Nấm mốc có khả năng sử dụng nhiều loại cơ chất như cellulose, tinh bột hoặc đường. Một số loài nấm mốc hình thành khuẩn lạc kết hợp với các loài vi khuẩn như: Cladosporium, Geotrichum, Mucor và các loài nấm khác. Các chi nấm Aspergillus, Penicillium và Cephalosporium chịu trách nhiệm trong việc hình thành mảng bám [61]. Nấm chịu nhiệt thường hiện diện trong hệ thống nước với quy trình khép kín trong nhà máy giấy có nhiệt độ dao động trên 30°C [26].

Những loại nấm này tạo ra EPS hình thành mảng bám từ vật liệu dự trữ và các sản phẩm bài tiết của chúng. Cấu trúc giống như xơ sợi do nấm Basidiomycetes và các loài Penicillium tạo ra giúp tích tụ mảng bám dẫn đến tạo ra các mảng màu trong bột giấy, làm hỏng bột giấy ướt xếp chồng lên nhau và các sản phẩm giấy thành phẩm [61]. Nguyên nhân và cơ chế hình thành mảng bám Sự hình thành mảng bám là một quá trình rất phức tạp do có nhiều yếu tố liên quan đến quá trình phát triển của chúng. Sự hình thành mảng bám xảy ra một cách tự nhiên do sự phát triển của các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm và nấm men khi có chất dinh dưỡng, độ ẩm và nhiệt độ thích hợp.

Các nhà máy giấy sử dụng sợi tái chế thường sử dụng quy trình khép kín có điều kiện tối ưu cho sự phát triển của vi sinh vật do hàm lượng chất dinh dưỡng cao, nhiệt độ và độ pH tối ưu [61]. Nước trắng trong nhà máy giấy cũng chứa nhiều chất dinh dưỡng, tạo môi trường thích hợp cho vi sinh vật phát triển, đặc biệt là nước có nhiệt độ dao động trong khoảng 30°C. Trong nhà máy giấy, loại và tính chất của mảng bám tạo ra sẽ thay đổi tùy theo từng khu vực [11]. 5 Khi nồng độ oxy hòa tan tăng sẽ thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn hiếu khí chính là tác nhân hình thành mảng bám, còn khi nồng độ oxy hòa tan giảm thì vi khuẩn kỵ khí tăng trưởng.

Nhiệt độ tăng giúp cho sự tăng trưởng và phát triển của vi khuẩn ưa nhiệt đến vi khuẩn chịu nhiệt. Tái sử dụng nước trắng làm tăng vi sinh vật dạng sợi trong hệ thống nước. Ô nhiễm vi khuẩn và nấm thường xảy ra trong trường hợp sử dụng bột giấy tái chế. Mật độ vi sinh vật trong bột giấy tái chế cao hơn nhiều lần so với bột giấy nguyên chất [11].

Đôi khi, bột giấy là nguồn gây ô nhiễm chính cho nhà máy. Các khúc gỗ gần đáy đống thường bị bao phủ bởi mảng bám của vi khuẩn và nấm mốc phát triển. Đống càng thấp thì số lượng vi khuẩn càng cao. Vi khuẩn hình thành bào tử, các bào tử của Bacillus subtilis thường xuyên chịu được nhiệt độ cao, còn các vi khuẩn không tạo bào tử thường bị tiêu diệt.

Nhiễm vi khuẩn Aerobacter aerogenes do bột giấy bị tái chế nhiều lần. Nhiệt độ nghiền không thể loại bỏ được các mảng bám đã tồn tại và chúng được đưa vào hệ thống nghiền gỗ và nhà máy giấy [61]. Sự hình thành mảng bám thường được thiết lập thông qua một số bước và theo tiến trình phân lớp. Đầu tiên, các tế bào sinh vật phù du bám vào bề mặt, thông qua lực tương tác tĩnh điện, liên kết hydro và lực phân tán London [46].

Những vi khuẩn xâm chiếm ban đầu, thường là vi khuẩn đặc hiệu, có khả năng bám dính nhờ khả năng tạo ra các polyme ngoại bào, bao gồm chủ yếu là các polysaccharide không ion và anion [88]. Sự bám dính của vi khuẩn là một quá trình phức tạp bị ảnh hưởng bởi (i) một số đặc điểm của bề mặt (kết cấu, độ nhám, tính kỵ nước, hóa học bề mặt và điện tích); (ii) điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH, thời gian tiếp xúc, nồng độ vi khuẩn, xử lý hóa học hoặc sự hiện diện của thuốc kháng khuẩn và điều kiện dịch); và (iii) các đặc tính hóa lý nội tại của vi khuẩn (tính kỵ nước, điện tích bề mặt, sản xuất polysaccharit và khả năng vận động của tế bào) [73, 74]. Một khi bề mặt tiếp xúc được vi sinh vật xâm chiếm, các tế bào sẽ phát triển và tạo ra EPS, các vi khuẩn sẽ phát triển và sự kết dính và đông tụ của các tế bào vi khuẩn khác nhau sẽ góp phần phát triển màng sinh học đa loài [24]. Các đặc tính bề mặt tế bào, cụ thể là sự hiện diện của các phần phụ ngoại bào, các tương tác liên quan đến giao tiếp giữa tế bào và 6 sản xuất EPS rất quan trọng cho sự hình thành và phát triển màng sinh học.

EPS chịu trách nhiệm kết dính các bề mặt, tạo mạng lưới cho các tế bào kết dính lại với nhau, duy trì cấu trúc ba chiều của màng sinh học và bảo vệ tế bào chống lại các điều kiện bất lợi. Các thành phần của nó bao gồm các polysaccharit, axit nucleic, protein, lipid và các polyme sinh học khác. Sau khi trưởng thành, tế bào rời khỏi màng sinh học ở giai đoạn phân tán [38]. Quá trình này được minh họa trong Hình 1.

Minh họa quá trình hình thành màng sinh học và hình ảnh kính hiển vi điện tử quét tiêu biểu cho từng bước [67]. Ảnh hưởng của mảng bám vi sinh đến sản xuất giấy Sự hình thành mảng bám trong hệ thống dây chuyền sản xuất khép kín của nhà máy giấy đã gây nên những vấn đề nghiêm trọng. Các loại tổn thất khác nhau trong các quy trình hoặc sản phẩm của nhà máy giấy do mảng bám được tóm tắt trong Hình 1. Màng sinh học có thể xuất hiện ở các bề mặt tiếp xúc khác nhau như rắn-lỏng, rắn- khí, lỏng-lỏng và lỏng- khí.

Sự hình thành màng sinh học trong thiết bị thường xuyên dẫn đến lỗi giấy hoặc gây đứt giấy [61]. Các loại tổn thất khác nhau trong quy trình hoặc sản phẩm của nhà máy giấy do mảng bám [61] Các chất chuyển hóa được giải phóng bởi quá trình trao đổi chất của vi khuẩn trong màng sinh học là các axit hữu cơ và vô cơ [11]. Do đó, màng sinh học tạo ra nồng độ oxy khác nhau ở các vùng khác nhau, gây ra các mảng trên giấy do tính ăn mòn của nó.