Luận văn: Nghiên cứu đặc điểm sinh học vi sinh vật phân hủy hợp chất clo

Luận văn thạc sĩ trình bày quá trình phân lập và nghiên cứu đặc điểm sinh học của các chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy hợp chất chứa clo.

• Tác giả: Nguyễn Thị Nhật Ánh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quang Huy
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm
• Đề tài: Phân lập và nghiên cứu đặc điểm sinh học của một số chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy hợp chất chứa clo tại Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân lập vi sinh vật phân hủy hợp chất clo tại Việt Nam

Phân lập vi sinh vật phân hủy hợp chất clo là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong sinh học thực nghiệm tại Việt Nam. Các hợp chất clo hữu cơ được sử dụng rộng rãi trong thuốc bảo vệ thực vật và các ngành công nghiệp, nhưng chúng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc tìm kiếm và phân lập các chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy những hợp chất này là giải pháp sinh học hiệu quả. Theo luận văn thạc sĩ của Nguyễn Thị Nhật Ánh từ Đại học Quốc gia Hà Nội, nghiên cứu này tập trung vào việc cô lập và nghiên cứu đặc điểm sinh học của các chủng vi sinh vật từ các mẫu đất và nước tại Việt Nam. Kết quả cho thấy khả năng phân hủy hợp chất clo của những chủng vi khuẩn được phân lập, mở ra hướng đi mới cho xử lý ô nhiễm môi trường bằng công nghệ sinh học.

1.1. Ý nghĩa của việc phân lập vi sinh vật phân hủy hợp chất clo

Việc phân lập vi sinh vật phân hủy hợp chất clo có ý nghĩa y tế, môi trường và kinh tế to lớn. Hợp chất clo tích tụ trong chuỗi thực phẩm, gây ung thư, rối loạn nội tiết và bệnh thần kinh ở con người. Sử dụng vi sinh vật để phân hủy những hợp chất này là phương pháp xử lý ô nhiễm sinh học an toàn, hiệu quả và bền vững, giúp bảo vệ hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng.

1.2. Tình hình sử dụng hợp chất clo hữu cơ ở Việt Nam

Tại Việt Nam, hợp chất clo hữu cơ như 1,2-Dichloroethane (1,2-DCE), 2,2-Dichloropropionate Sodium (2,2-DCPS) và 3,4-Dichloroaniline (3,4-DCA) được sử dụng rộng rãi trong thuốc bảo vệ thực vật. Lượng lớn các hợp chất này được bơm vào đất và nước, gây ô nhiễm môi trường đáng kể, đặc biệt ở các vùng nông nghiệp phát triển.

II. Phương pháp phân lập và nghiên cứu đặc điểm sinh học

Để phân lập vi sinh vật phân hủy hợp chất clo, các nhà nghiên cứu áp dụng nhiều phương pháp khoa học tiên tiến. Quá trình phân lập bắt đầu từ việc thu mẫu đất và nước từ các điểm ô nhiễm hợp chất clo. Các mẫu này được nuôi cấy trên môi trường MGB chứa hợp chất clo làm nguồn carbon duy nhất, giúp tuyển chọn các vi sinh vật có khả năng sử dụng hợp chất này. Đặc điểm sinh lý sinh hóa được xác định bằng kit thử API, trong khi phân loại vi sinh vật sử dụng giải trình tự gen 16S ARNr. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian nuôi cấy và nồng độ cơ chất giúp xác định điều kiện tối ưu cho sự sinh trưởng và khả năng phân hủy.

2.1. Phương pháp thu mẫu và nuôi cấy

Thu mẫu được thực hiện tại các khu vực ô nhiễm hợp chất clo như ruộng nông nghiệp, nhà máy hóa chất. Mẫu đất và nước được nuôi cấy trên môi trường MGB tối thiểu, hợp chất clo là nguồn carbon duy nhất. Qua nhiều lần chuyển cấy, chỉ những vi sinh vật có khả năng phân hủy hợp chất clo mới tồn tại được, từ đó tuyển chọn các chủng cần thiết.

2.2. Phân loại và đặc trưng vi sinh vật

Phân loại vi sinh vật sử dụng kit thử API xác định các đặc tính sinh hóa như khả năng lên men carbohydrate, sản xuất indole. Giải trình tự gen 16S ARNr cho phép xác định chính xác thể loại vi sinh vật. Hình ảnh hiển vi điện tử quét tiết lộ hình thái tế bào, giúp hiểu rõ cấu trúc của vi khuẩn phân hủy hợp chất clo.

III. Các hợp chất clo được nghiên cứu phân hủy

Các hợp chất clo hữu cơ được chọn để nghiên cứu trong luận văn này bao gồm ba hợp chất đại diện cho các loại ô nhiễm clo phổ biến tại Việt Nam. 1,2-Dichloroethane (1,2-DCE) là một dung môi clo phổ biến trong công nghiệp, có tính độc cao. 2,2-Dichloropropionate Sodium (2,2-DCPS) là một thuốc diệt cỏ được sử dụng trong nông nghiệp, gây tích tụ trong đất. 3,4-Dichloroaniline (3,4-DCA) là phân hủy sản phẩm của các thuốc diệt côn trùng, gây độc cho các sinh vật sống. Việc phân lập vi sinh vật có khả năng phân hủy từng hợp chất này giúp phát triển công nghệ xử lý ô nhiễm hiệu quả, an toàn cho từng loại ô nhiễm clo cụ thể.

3.1. 1 2 Dichloroethane 1 2 DCE và khả năng phân hủy

1,2-DCE là một dung môi clo phổ biến với tính độc cao. Chủng vi sinh vật DE1 được phân lập có khả năng sử dụng 1,2-DCE làm nguồn carbon. Nghiên cứu cho thấy vi khuẩn này có thể phân hủy 1,2-DCE hiệu quả trong điều kiện môi trường thích hợp, mở ra khả năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm tại các nhà máy hóa chất.

3.2. 2 2 Dichloropropionate Sodium 2 2 DCPS và chủng NP2

2,2-DCPS là một thuốc diệt cỏ phổ biến tại Việt Nam. Chủng NP2 được tuyển chọn có khả năng phân hủy 2,2-DCPS ở nồng độ cao. Qua nghiên cứu động học phân hủy, chủng này thể hiện tốc độ phân hủy hợp chất clo ổn định, phù hợp cho ứng dụng xử lý ô nhiễm nông nghiệp dài hạn.

IV. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng phát triển

Kết quả phân lập và nghiên cứu vi sinh vật phân hủy hợp chất clo tại Việt Nam mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng. Công nghệ xử lý ô nhiễm sinh học sử dụng các chủng vi sinh vật được phân lập có thể áp dụng trong xử lý nước thải từ nhà máy hóa chất, phục hồi đất ô nhiễm tại các khu vực nông nghiệp. So với phương pháp vật lý và phương pháp hóa học truyền thống, phương pháp sinh học này có chi phí thấp hơn, ít gây tác động phụ, bền vững về môi trường. Việc phân lập các chủng vi sinh vật bản địa từ Việt Nam đảm bảo hiệu quả cao trong điều kiện khí hậu và đất đai của nước ta. Trong tương lai, công nghệ này có thể được quy mô hóa để xử lý ô nhiễm clo trên diện rộng, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải và phục hồi đất

Vi sinh vật phân hủy hợp chất clo có thể được ứng dụng trong hệ thống xử lý nước thải sinh học tại các nhà máy. Công nghệ sinh học này cũng phục hồi đất ô nhiễm thông qua quá trình phân hủy in situ hoặc bioaugmentation. Chi phí xử lý thấp, hiệu quả cao, không tạo chất thải độc hại làm phương pháp này trở thành giải pháp lý tưởng cho quản lý ô nhiễm hợp chất clo tại Việt Nam.

4.2. Triển vọng nghiên cứu và phát triển công nghệ tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào cải tiến khả năng phân hủy và tốc độ phân hủy hợp chất clo. Kỹ thuật tạo dòng và kỹ thuật gen có thể tạo ra những chủng vi sinh vật hiệu quả hơn. Ứng dụng công nghệ nano để hỗ trợ phân hủy hợp chất clo cũng là hướng đi đầu tiên. Mục tiêu cuối cùng là phát triển công nghệ xử lý ô nhiễm toàn diện, bền vững cho Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hợp chất nhóm halogen là những hợp chất được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, y học… Bên cạnh những lợi ích mang lại thì việc sử dụng tràn lan và thải ra môi trường mà không có phương pháp xử lý triệt để đã và đang gây ra những hậu quả nghiêm trọng đến môi trường, hệ sinh thái và sức khỏe con người. Việc áp dụng các phương pháp vật lý, hóa học để giải quyết tình trạng ô nhiễm gây ra bởi các hợp chất halogen cho hiệu quả cao song chi phí đắt cũng như đòi hỏi công nghệ hiện đại. Phương pháp sinh học sử dụng khả năng phân giải của vi sinh vật tự nhiên được đánh giá là tiềm năng cao không chỉ cho hiệu quả nhanh chóng mà còn mang tính bền vững, ít tốn kém, thân thiện với môi trường. Trong tự nhiên tồn tại các nhóm vi sinh vật có khả năng sử dụng hợp chất halogen để thực hiện các quá trình trao đổi chất, duy trì các hoạt động sống của cơ thể, chuyển hóa các hợp chất halogen từ dạng độc hại trở nên ít độc hơn hoặc không còn độc với môi trường sinh thái và con người.

Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp với khí hậu nhiệt đới nóng và ẩm thuận lợi cho sự phát triển của cây trồng song cũng thuận lợi cho sự phát sinh, phát triển của sâu bệnh, cỏ dại gây hại mùa màng, do vậy hàng năm Việt Nam sử dụng một lượng lớn hóa chất bảo vệ thực vật mà chủ yếu là các hợp chất nguồn gốc clo hữu cơ. Việc sử dụng tràn lan các hợp chất này dẫn đến tồn dư các loại hợp chất này lớn đã gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Ở Việt Nam hiện chưa có nhiều nghiên cứu cơ bản về việc ứng dụng vi sinh vật có hoạt tính phân giải hợp chất halogen để giải quyết ô nhiễm môi trường, đồng thời nhận thấy tiềm năng của phương pháp sinh học do đó chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài “PHÂN LẬP VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CỦA MỘT SỐ CHỦNG VI SINH VẬT CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY HỢP CHẤT CHỨA CLO TẠI VIỆT NAM” với mục tiêu phân lập, xác định các đặc điểm sinh học các chủng có hoạt tính sử dụng hợp chất chứa clo tại Việt Nam. Nguyễn Thị Nhật Khóa 2011- 2 Luận văn thạc Chuyên ngành Sinh học thực Chƣơng 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.

Hợp chất halogen và hợp chất clo hữu cơ Các hợp chất halogen hữu cơ là một lớp lớn các chất hóa học tự nhiên và tổng hợp, có chứa một hoặc nhiều gốc halogen gồm Flo, Clo, Brom, Iot kết hợp với cacbon và các yếu tố khác. Hợp chất hữu cơ halogen được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng của đời sống như công nghiệp, nông nghiệp, y học,… Ngày nay cùng với sự phát triển của nền nông nghiệp hiện đại là thực trạng sử dụng nhiều các hóa chất bảo vệ thực vật có thành phần chính là hợp chất halogen mà chủ yếu là hợp chất có chứa clo. Bên cạnh lợi ích to lớn như diệt trừ sâu bệnh, tăng năng suất… thì việc sử dụng các thuốc bảo vệ thực vật này lại ảnh hưởng xấu đến môi trường, phá hủy sự bền vững của hệ sinh thái do tính độc hại, khó bị phân hủy, tích tụ trong đất, nước, động vật, thực vật, nghiêm trọng hơn còn gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Sự phổ biến của hợp chất halogen trong tự nhiên Số lượng các hợp chất halogen tự nhiên đã được phát hiện tăng từ 30 loại năm 1968 lên gần 3.900 loại trong đầu những năm 2000.

Chúng được tổng hợp từ các sinh vật biển, vi khuẩn, nấm, thực vật, côn trùng và một số động vật có vú. Ví dụ tảo, nấm, một số cây, thực vật phù du sản xuất ra chloromethane, mối sản xuất ra chloroform. Một số loại rau sản xuất bromomethane. Trong rong biển người ta tìm thấy hơn một trăm loại hợp chất hữu cơ halogen [34].

Muối clo và muối brom thường xuất hiện trong thực vật, đất, và các mỏ địa chất; cháy rừng và núi lửa cũng sinh ra hợp chất halogen. Lượng chloromethane toàn cầu tạo ra từ sinh khối là 5 triệu tấn mỗi năm, trong khi đó lượng tổng hợp chỉ có 26. Núi lửa tạo ra khí hydro clorua (3 triệu tấn / năm) và hydro florua (11 triệu tấn / năm), cả hai chất này đều có thể phản ứng với các hợp chất hữu cơ để hình thành các hợp chất nhóm halogen [34]. Nguyễn Thị Nhật Khóa 2011- 3 Luận văn thạc Chuyên ngành Sinh học thực 1.

Ứng dụng của hợp chất clo hữu cơ Hợp chất hữu cơ halogen nói chung và hợp chất clo hữu cơ nói riêng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống. Trong công nghiệp chúng có nhiều ứng dụng quan trọng sau đây. - Chất dẻo Polyvinyl clorua (PVC) được trùng hợp từ vinyl clorua (CH 2=CHCl), là loại nhựa nhiệt dẻo được sản xuất và tiêu thụ nhiều thứ 3 trên thế giới (Theo CMAI). PVC là một thành phần không thể thiếu của vật liệu xây dựng, hàng tiêu dùng, thiết bị y tế, và nhiều sản phẩm dân dụng khác thường ngày.

Hơn 2,2 tỷ kg (tương đương trị giá 5 tỷ bảng Anh) của PVC được sử dụng hàng năm cho dây điện, dây cáp, và các ứng dụng điện khác. Clo trong PVC làm cho loại nhựa này chống cháy do đó nó là nguyên liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong xây dựng và trang trí nội thất [62]. - Dung môi Dung môi clo là dung môi phổ biến nhất trong số các dẫn xuất halogen. Ứng dụng của một số hợp chất clo hữu cơ [23] Lƣợng tiêu thụ Hợp chất Ứng dụng (tấn) năm 2007 - Làm sạch kim loại (chiếm 40% sản lượng tiêu thụ) 1,1,1 tricloetan 600.000 - Ứng dụng trong sơn, chất kết dính, lớp bọc, chất dẻo, chất giặt tẩy, trong công nghiệp dệt và điện tử.

- Sản xuất thuốc diệt cỏ, thuốc nhuộm và 1,2,4- Triclobenzen 14.300 chất nhuộm màu.700 - Sản xuất cao su và điều chế dược phẩm. - Dùng làm dung môi, điều chế các hóa Clorofom 240.260 chất khác, được sử dụng trong y tế. - Sản xuất polyvinyliden (PVDC). Nguyễn Thị Nhật Khóa 2011- 4 Luận văn thạc Chuyên ngành Sinh học thực Trong sản xuất dược phẩm, 80% các dược phẩm và vitamin là liên quan đến clo, nhiều loại thuốc cần có clo để gây tác dụng.

Ceclor và Lorabid được sử dụng để điều trị nhiễm trùng tai, Toremifene là một loại thuốc chống ung thư vú, và vancomycin kháng sinh tự nhiên được sử dụng để chống lại nhiễm trùng kháng penicillin. Clorua benzyl được sử dụng để tổng hợp các loại thuốc phenobarbital, benzedrine, và demerol. Thuốc mê hô hấp bao gồm các organofluorines desflurane, sevoflurane và enflurane (CHClFCF2OCHF2 ). Các hợp chất Perfluorocacbon, chẳng hạn như perfluorotributylamine ([CF3 CFz CF2CF2]3N), được sử dụng để thay thế máu hoặc chế tạo "máu nhân tạo" và được sử dụng cho tạo hình động mạch vành [52].

Công thức một số thuốc là hợp chất halogen hữu cơ: (a) Lorabid- thuốc kháng sinh; (b) Toremifene- thuốc ung thư vú; (c) Mitotane- thuốc chống ung thư Hợp chất hữu cơ halgen được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp và bảo vệ cây trồng vì nó là thành phần của thuốc bảo vệ thực vật. Việt Nam là nước nông nghiệp, khí hậu nhiệt đới nóng và ẩm thuận lợi cho sự phát triển của cây trồng song cũng thuận lợi cho sự phát sinh, phát triển của sâu bệnh, cỏ dại gây hại mùa màng. Do vậy việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật (TBVTV) mà phần lớn có nguồn gốc từ các hợp chất clo để phòng trừ sâu hại, dịch bệnh bảo vệ mùa màng là phổ biến. Một số hóa chất như 2,2-Dichloropropionic acid, Trichloroacetic acid, 1,4- Dichlorobenzen.

là thành phần chính của thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu [8,55]. Nguyễn Thị Nhật Khóa 2011- 5 Luận văn thạc Chuyên ngành Sinh học thực Bảng 2. Một số loại thuốc BVTV có nguồn gốc Clo đang được sử dụng [29]. Tên thƣờng gọi và thành phần chính Công thức hóa học DDT (2,2-bis[p- clophenyl]-1,1,1-Tricloroethane) HCH (hexaclorocyclohexane) Cyclodien thế clo (chlordane, aldrin, diendrin, endrin,…) 2,4-D (2,4-Diclophenoxyacetic acid) 2,4,5-T (2,4,5-Triclorophenoxyacetic acid) 2,3,6-TBA (2,3,6-Triclorobenzoic acid) 2,2-Dicloropropionic acid HCB (hexaclorobenzene) Pentaclorophenol Nguyễn Thị Nhật Khóa 2011- 6 Luận văn thạc Chuyên ngành Sinh học thực 1.

Sự ô nhiễm môi trƣờng do các hợp chất clo hữu cơ Các dung môi clo là những chất dễ bay hơi thoát vào khí quyển trong quá trình sản xuất, vận chuyển và sử dụng gây ra ô nhiễm không khí. Nhiều hóa chất clo nông nghiệp bốc hơi một phần khuếch tán đi xa tới cả các vùng cực mà ở đây không có sản xuất nông nghiệp. Các quá trình công nghiệp như luyện kim, pha sơn, giặt khô, sản xuất giấy,… cũng là một nguồn gây ô nhiễm môi trường [16]. Các hóa chất nông nghiệp có chứa clo khi sử dụng gây ô nhiễm cho đất, nước và nông sản.

Do độ bền hóa học lớn nên các thuốc bảo vệ thực vật dễ tồn lưu trong đất đai, cây trồng, nông sản, thực phẩm. Chúng làm cho môi trường bị ô nhiễm trong một thời gian lâu dài. Thời gian phân hủy 95% hoạt chất trong điều kiện tự nhiên của DDT là 10 năm; BHC là 6,5 năm; Dieldrin là 8 năm; Chlordane là 3,5 năm. Lượng thuốc lưu tồn không những làm cho phẩm chất, hình thức của nông sản bị xấu đi mà còn gây độc cho người hay gia súc sử dụng nông sản đó, như BHC thường để lại mùi khó chịu trên nông sản như khoai tây, rau, đậu.

Tác động của hợp chất clo hữu cơ đối với môi trƣờng và con ngƣời Nhược điểm lớn nhất của các hợp chất clo hữu cơ là có tính hoá học bền, nên tồn lâu trong môi trường, gây ô nhiễm môi trường. Một số thuốc trong nhóm có khả năng tích luỹ trong cơ thể, gây trúng độc mãn tính cho người và động vật máu nóng, gây hiện tượng chống thuốc của sâu hại, ảnh hưởng xấu đến cân bằng sinh học, gây hại cho côn trùng có ích [8]. Nguyễn Thị Nhật Khóa 2011- 7 Luận văn thạc Chuyên ngành Sinh học thực Hình 2. Tác động của thuốc BVTV đến môi trường và con đường chuyển hóa [8] Trên thế giới ước tính có khoảng 39 triệu người có thể bị ngộ độc cấp tính hàng năm do ảnh hưởng của hóa chất bảo vệ thực vật.

Trong đó có khoảng 3 triệu người bị ngộ độc cấp tính nghiêm trọng và 220 nghìn người tử vong mỗi năm. Đi đôi với số lượng hóa chất bảo vệ thực vật sử dụng tăng là số người ngộ độc hóa chất BVTV cũng tăng, đặc biệt là tại các nước đang phát triển, 99% trường hợp ngộ độc xảy ra ở các nước này, cho dù lượng tiêu thụ hóa chất bảo vệ thực vật chỉ chiếm 20%.