Nghiên cứu tiềm năng ứng dụng vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate ở Việt Nam

Chuyên đề nghiên cứu Tiềm năng ứng dụng vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate tại Việt Nam, cập nhật xu hướng mới, giá trị tham khảo cao cho chuyên

• Tác giả: Nguyễn Thị Tuyền
• Người hướng dẫn: TS. Đinh Thúy Hằng
• Trường học: Đại học quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vi sinh vật học
• Đề tài: Vi Khuẩn Oxy Hóa Fe(II) Và Khử Nitrate Tại Việt Nam: Tình Đa Dạng Và Tiềm Năng Ứng Dụng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Quá trình oxy hóa Fe(II) nhờ vi khuẩn
• 1.1.1. Lịch sử nghiên cứu vi khuẩn oxy hóa Fe(II) (FOM)
• 1.1.2. Khái niệm vi sinh vật liên quan đến oxy hóa sắt
• 1.1.3. Vai trò của vi khuẩn trong chu trình oxy hóa - khử sắt
• 1.2. Vi khuẩn quang hợp kỵ khí oxy hóa Fe(II)
• 1.3. Vi khuẩn kỵ khí oxy hóa Fe(II)
• 1.4. Khử nitrate nhờ vi khuẩn
• 1.5. Cơ chế phân tử của quá trình oxy hóa Fe(II) và các gen liên quan
• 1.6. Ảnh hưởng của ô nhiễm nitrate và thỏa suất trong nguồn nước sinh hoạt
• 1.7. Ý nghĩa của việc nghiên cứu tính đa dạng di truyền và tiềm năng ứng dụng của các vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate
• 1.8. Các phương pháp sinh học phân tử hiện đại được sử dụng trong nghiên cứu tính đa dạng và cấu trúc di truyền của quần xã vi khuẩn
• 1.8.1. ARDRA (Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis)
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên vật liệu
• 2.2. Đối tượng nghiên cứu
• 2.3. Thiết bị, dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Xác định số lượng vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate
• 2.4.2. Phân lập vi khuẩn kỵ khí oxy hóa Fe(II), khử nitrate
• 2.4.3. Tách DNA tổng số từ mẫu bùn và trầm tích
• 2.4.4. Phân tích đa dạng di truyền các chủng bằng phương pháp ARDRA
• 2.4.5. Phương pháp điện di biến tính DGGE
• 2.4.6. Giải trình tự gen 16S rDNA và dùng cây phân loại
• 2.4.7. Phương pháp FISH
• 2.4.8. Định lượng Fe(II), Mn(II) và nitrate
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định số lượng vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate tại các môi trường sinh thái khác nhau
• 3.2. Phân tích cấu trúc quần xã vi khuẩn bằng điện di biến tính (DGGE)
• 3.3. Đánh giá đa dạng di truyền vi khuẩn trong các môi trường nghiên cứu bằng phương pháp FISH
• 3.4. Mô tả oxy hóa Fe(II) và khử nitrate của vi khuẩn trong các mẫu nghiên cứu
• 3.5. Phân lập vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate từ các mẫu nghiên cứu
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về tiềm năng ứng dụng vi khuẩn oxy hóa Fe II

Vi khuẩn oxy hóa Fe(II) đang trở thành một trong những giải pháp tiềm năng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường tại Việt Nam. Chúng có khả năng chuyển hóa ion sắt Fe(II) thành Fe(III), đồng thời tham gia vào quá trình khử nitrate, giúp cải thiện chất lượng nước. Nghiên cứu cho thấy, vi khuẩn này không chỉ tồn tại trong môi trường tự nhiên mà còn có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải, đặc biệt là trong nông nghiệp bền vững.

1.1. Vi khuẩn oxy hóa Fe II và vai trò trong môi trường

Vi khuẩn oxy hóa Fe(II) đóng vai trò quan trọng trong chu trình sinh địa hóa. Chúng giúp chuyển hóa sắt từ dạng hòa tan sang dạng không hòa tan, từ đó giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng trong nước. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các vi khuẩn như Gallionella và Leptothrix có khả năng oxy hóa Fe(II) hiệu quả trong môi trường pH trung tính.

1.2. Tình hình nghiên cứu vi khuẩn oxy hóa Fe II tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu về vi khuẩn oxy hóa Fe(II) còn khá mới mẻ. Tuy nhiên, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vi khuẩn này có thể được tìm thấy trong các nguồn nước ô nhiễm, đặc biệt là ở các khu vực công nghiệp. Việc khai thác và ứng dụng chúng trong xử lý nước thải đang được quan tâm.

II. Thách thức trong việc ứng dụng vi khuẩn khử nitrate tại Việt Nam

Khử nitrate bằng vi khuẩn là một trong những thách thức lớn trong việc xử lý ô nhiễm nước tại Việt Nam. Nitrate thường xuất hiện trong nước thải nông nghiệp và công nghiệp, gây ra nhiều vấn đề về sức khỏe và môi trường. Việc tìm kiếm các phương pháp hiệu quả để khử nitrate là rất cần thiết.

2.1. Nguồn gốc và tác động của nitrate trong nước

Nitrate chủ yếu xuất phát từ phân bón nông nghiệp và nước thải công nghiệp. Sự tích tụ của nitrate trong nguồn nước có thể gây ra hiện tượng ô nhiễm, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Nghiên cứu cho thấy, nồng độ nitrate cao có thể dẫn đến các bệnh về thần kinh và ung thư.

2.2. Thách thức trong việc khử nitrate bằng vi khuẩn

Việc khử nitrate bằng vi khuẩn gặp nhiều khó khăn do điều kiện môi trường không ổn định. Nhiều loại vi khuẩn khử nitrate cần điều kiện yếm khí, trong khi đó, nhiều nguồn nước lại có nồng độ oxy cao. Điều này làm giảm hiệu quả của quá trình khử nitrate.

III. Phương pháp nghiên cứu vi khuẩn oxy hóa Fe II và khử nitrate

Các phương pháp nghiên cứu hiện đại như PCR-DGGE và FISH đã được áp dụng để phân tích sự đa dạng di truyền của vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate. Những phương pháp này cho phép xác định chính xác các chủng vi khuẩn có khả năng hoạt động trong các điều kiện môi trường khác nhau.

3.1. Phương pháp PCR DGGE trong nghiên cứu vi khuẩn

Phương pháp PCR-DGGE cho phép phân tích sự đa dạng di truyền của vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, phương pháp này giúp phát hiện các chủng vi khuẩn mới có khả năng hoạt động trong môi trường ô nhiễm.

3.2. Phương pháp FISH trong phân tích vi khuẩn

Phương pháp FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) được sử dụng để xác định vị trí và số lượng vi khuẩn trong mẫu nước. Phương pháp này giúp cung cấp thông tin chi tiết về sự phân bố của vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate trong môi trường.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vi khuẩn oxy hóa Fe II và khử nitrate

Vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong xử lý nước thải và cải tạo môi trường. Việc sử dụng vi khuẩn trong xử lý nước thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tiết kiệm chi phí cho các công trình xử lý.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Vi khuẩn oxy hóa Fe(II) có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải để loại bỏ ion sắt và nitrate. Nghiên cứu cho thấy, việc ứng dụng vi khuẩn này giúp cải thiện chất lượng nước và giảm thiểu ô nhiễm.

4.2. Ứng dụng trong nông nghiệp bền vững

Vi khuẩn khử nitrate có thể được ứng dụng trong nông nghiệp bền vững để cải thiện chất lượng đất và nước. Việc sử dụng vi khuẩn trong canh tác giúp giảm thiểu việc sử dụng phân bón hóa học, từ đó bảo vệ môi trường.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu vi khuẩn tại Việt Nam

Nghiên cứu về vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate tại Việt Nam đang mở ra nhiều cơ hội mới trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về khả năng ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

5.1. Tương lai của nghiên cứu vi khuẩn tại Việt Nam

Tương lai của nghiên cứu vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate tại Việt Nam rất hứa hẹn. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp ứng dụng hiệu quả hơn trong xử lý nước thải và cải tạo môi trường.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần khuyến khích các nghiên cứu liên ngành để phát triển các giải pháp bền vững trong xử lý ô nhiễm. Việc hợp tác giữa các nhà khoa học, chính phủ và doanh nghiệp sẽ giúp thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng vi khuẩn trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate đóng vai trò quan trọng trong chu trình sinh địa hóa sắt và nitơ, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Tại Việt Nam, tình trạng ô nhiễm kim loại nặng như sắt và các hợp chất nitơ trong nguồn nước sinh hoạt và nước thải đang là vấn đề cấp bách. Theo ước tính, hàm lượng nitrate trong vùng nước châu thổ sông Cửu Long có thể lên đến 80 mg/L, vượt xa tiêu chuẩn cho phép là 45 mg/L theo quy chuẩn Việt Nam. Đồng thời, hàm lượng sắt trong một số nguồn nước sinh hoạt có thể lên tới 50 mg/L, trong khi tiêu chuẩn cho phép chỉ từ 1-5 mg/L. Nhiễm nitrate và thừa sắt không chỉ ảnh hưởng đến môi trường mà còn gây ra các bệnh lý nghiêm trọng như methemoglobinemia, ung thư dạ dày, ung thư bàng quang và các bệnh thần kinh.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá tính đa dạng di truyền và tiềm năng ứng dụng sinh học của các vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate tại các môi trường sinh thái khác nhau ở Việt Nam, nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc xử lý ô nhiễm nguồn nước chứa ion sắt và nitrate. Nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu bùn đáy ao nước ngọt, bùn chân ruộng ngập nước và trầm tích ven biển nước lợ, thu thập tại các địa phương đại diện cho các môi trường sinh thái khác nhau. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về vai trò sinh học của nhóm vi khuẩn này trong chu trình oxy hóa - khử sắt và nitrate, đồng thời mở ra hướng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng và nitrate trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về vi sinh vật oxy hóa Fe(II) và khử nitrate trong môi trường tự nhiên:

• Chu trình oxy hóa Fe(II) và khử nitrate: Quá trình oxy hóa Fe(II) thành Fe(III) kết tủa và khử nitrate thành khí nitơ (N2) diễn ra nhờ hoạt động của các vi khuẩn chuyên biệt trong điều kiện yếm khí hoặc kỵ khí. Phản ứng tổng quát:
  $$ 10 \mathrm{Fe}^{2+} + 2 \mathrm{NO}_3^- + 24 \mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightarrow 10 \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_3 \downarrow + \mathrm{N}_2 \uparrow + 9 \mathrm{H}_2 \uparrow $$

• Đa dạng di truyền vi khuẩn: Sử dụng các kỹ thuật phân tử như PCR-DGGE, ARDRA, và FISH để đánh giá đa dạng di truyền và cấu trúc quần thể vi khuẩn trong các mẫu môi trường.

• Khái niệm chính:

  • Vi khuẩn oxy hóa Fe(II) (FOM)
  • Vi khuẩn khử nitrate
  • Đa dạng di truyền vi sinh vật
  • Chu trình sinh địa hóa sắt và nitơ
  • Ứng dụng sinh học trong xử lý ô nhiễm

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu bùn đáy ao nước ngọt, bùn chân ruộng ngập nước và trầm tích ven biển nước lợ được thu thập tại các địa phương đại diện ở Việt Nam. Mỗi mẫu được bảo quản nghiêm ngặt ở 4°C và xử lý trong điều kiện kỵ khí.

• Phương pháp phân tích:

  • Xác định số lượng vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate bằng phương pháp MPN (Most Probable Number) với môi trường chứa FeSO4 (10 mM) và NaNO3 (5 mM).
  • Phân lập vi khuẩn kỵ khí oxy hóa Fe(II), khử nitrate trên môi trường thạch bán lỏng.
  • Tách chiết DNA từ mẫu và vi khuẩn phân lập theo phương pháp chuẩn.
  • Đánh giá đa dạng di truyền bằng ARDRA (phân tích cắt gen 16S rDNA bằng enzyme giới hạn), PCR-DGGE (điện di biến tính gen 16S rDNA vùng V3-V5), và giải trình tự gen 16S rDNA.
  • Xác định cấu trúc quần thể vi khuẩn bằng kỹ thuật FISH sử dụng đầu dò đặc hiệu cho các nhóm α-, β-, γ-Proteobacteria.
  • Định lượng Fe(II), Mn(II) và nitrate trong mẫu bằng các phương pháp quang phổ đặc hiệu (phenanthroline, acid disulfofemic, formaldoxime).

• Timeline nghiên cứu: Thu thập mẫu và phân tích sơ bộ trong 3 tháng đầu; phân lập và xác định vi khuẩn trong 6 tháng tiếp theo; phân tích đa dạng di truyền và cấu trúc quần thể trong 6 tháng cuối; tổng hợp và báo cáo kết quả trong 3 tháng cuối cùng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Số lượng vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate:

   • Mẫu bùn đáy ao nước ngọt có số lượng vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate đạt khoảng 10^6 tế bào/g mẫu.
   • Mẫu trầm tích ven biển nước lợ có số lượng vi khuẩn thấp hơn, khoảng 10^4 tế bào/g mẫu.
   • Mẫu bùn chân ruộng ngập nước có số lượng trung bình khoảng 10^5 tế bào/g mẫu.

2. Đa dạng di truyền vi khuẩn:

   • Phân tích ARDRA cho thấy có ít nhất 5 nhóm gen khác nhau trong quần thể vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate.
   • Kết quả PCR-DGGE cho thấy sự đa dạng cao hơn ở mẫu bùn đáy ao nước ngọt so với mẫu trầm tích ven biển, với số lượng băng đặc trưng lần lượt là 15 và 8.
   • Giải trình tự gen 16S rDNA xác định các chi vi khuẩn chủ yếu thuộc nhóm Proteobacteria, bao gồm α-, β- và γ-Proteobacteria.

3. Cấu trúc quần thể vi khuẩn theo FISH:

   • Nhóm β-Proteobacteria chiếm tỷ lệ cao nhất trong các mẫu, khoảng 45-50%.
   • Nhóm α-Proteobacteria chiếm khoảng 30%, còn lại là γ-Proteobacteria và các nhóm khác.
   • Sự phân bố này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate trong môi trường nước ngọt và nước lợ.

4. Khả năng oxy hóa Fe(II) và khử nitrate:

   • Vi khuẩn phân lập có khả năng oxy hóa Fe(II) với hiệu suất chuyển đổi Fe(II) lên đến 85% trong 48 giờ.
   • Khả năng khử nitrate đạt 70% trong cùng điều kiện nuôi cấy.
   • Môi trường nước ngọt cho hiệu quả oxy hóa và khử cao hơn so với môi trường nước lợ, có thể do sự khác biệt về pH và hàm lượng ion kim loại.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy quần thể vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate tại Việt Nam có đa dạng di truyền phong phú, tương đồng với các nghiên cứu trên thế giới nhưng có sự khác biệt về thành phần nhóm vi khuẩn do điều kiện môi trường đặc thù. Số lượng vi khuẩn cao nhất được ghi nhận ở môi trường nước ngọt, phù hợp với điều kiện pH trung tính và nguồn dinh dưỡng phong phú. Sự phân bố tỷ lệ các nhóm Proteobacteria phản ánh vai trò sinh học đa dạng của nhóm vi khuẩn này trong chu trình oxy hóa sắt và khử nitrate.

Hiệu suất oxy hóa Fe(II) và khử nitrate cao cho thấy tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nguồn nước chứa ion sắt và nitrate. Các kết quả này cũng phù hợp với báo cáo của ngành về vai trò của vi khuẩn oxy hóa Fe(II) trong việc giảm nồng độ sắt và nitrate trong môi trường nước. Biểu đồ DGGE và bảng phân bố tỷ lệ nhóm vi khuẩn theo FISH có thể minh họa rõ nét sự đa dạng và cấu trúc quần thể vi khuẩn trong các mẫu môi trường khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển công nghệ sinh học xử lý nước thải: Áp dụng các chủng vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate phân lập được để xây dựng hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp có chứa sắt và nitrate, nhằm giảm nồng độ kim loại nặng và hợp chất nitơ xuống dưới ngưỡng an toàn trong vòng 12-18 tháng.

2. Mở rộng khảo sát đa dạng vi sinh vật: Tiến hành khảo sát đa dạng vi sinh vật oxy hóa Fe(II), khử nitrate tại nhiều vùng sinh thái khác nhau trên cả nước để xây dựng bản đồ phân bố và tiềm năng sinh học, phục vụ cho việc quản lý môi trường nước trong 2 năm tới.

3. Nâng cao nhận thức cộng đồng và quản lý nguồn nước: Tổ chức các chương trình đào tạo, tuyên truyền về tác hại của ô nhiễm sắt và nitrate, đồng thời khuyến khích sử dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước, nhằm giảm thiểu tác động đến sức khỏe cộng đồng trong vòng 1 năm.

4. Hợp tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ: Khuyến khích hợp tác giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp để phát triển và ứng dụng các công nghệ sinh học dựa trên vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate, thúc đẩy chuyển giao công nghệ hiệu quả trong 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vi sinh vật học, môi trường: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu đa dạng di truyền và phương pháp phân tích hiện đại, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan đến vi sinh vật xử lý ô nhiễm.

2. Chuyên gia quản lý môi trường và kỹ sư xử lý nước: Tham khảo các giải pháp sinh học mới trong xử lý ô nhiễm sắt và nitrate, từ đó thiết kế và vận hành các hệ thống xử lý hiệu quả.

3. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý và giám sát chất lượng nguồn nước, đặc biệt là các vùng có nguy cơ ô nhiễm cao.

4. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và xử lý nước thải: Áp dụng các chủng vi khuẩn có khả năng oxy hóa Fe(II), khử nitrate để phát triển sản phẩm và công nghệ xử lý nước thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi khuẩn oxy hóa Fe(II) và khử nitrate có vai trò gì trong môi trường?
   Chúng tham gia vào chu trình sinh địa hóa sắt và nitơ, giúp chuyển đổi Fe(II) thành Fe(III) kết tủa và nitrate thành khí nitơ, góp phần làm sạch nguồn nước và duy trì cân bằng sinh thái.

2. Phương pháp MPN được sử dụng như thế nào để xác định số lượng vi khuẩn?
   MPN dựa trên pha loãng mẫu và quan sát sự phát triển vi khuẩn trong các môi trường đặc hiệu, từ đó ước tính số lượng vi khuẩn có khả năng oxy hóa Fe(II) và khử nitrate trong mẫu.

3. PCR-DGGE và ARDRA khác nhau như thế nào?
   PCR-DGGE phân tích sự đa dạng di truyền dựa trên điện di biến tính của đoạn gen 16S rDNA, trong khi ARDRA dựa trên cắt gen 16S rDNA bằng enzyme giới hạn để phân nhóm vi khuẩn.

4. Tại sao cần sử dụng kỹ thuật FISH trong nghiên cứu này?
   FISH cho phép xác định trực tiếp cấu trúc quần thể vi khuẩn trong mẫu môi trường mà không cần nuôi cấy, giúp đánh giá chính xác tỷ lệ các nhóm vi khuẩn khác nhau.

5. Vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate có thể ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nước như thế nào?
   Chúng có thể được sử dụng trong các hệ thống sinh học để loại bỏ ion sắt và nitrate khỏi nước thải, giảm thiểu ô nhiễm và nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Kết luận

• Đã xác định được số lượng vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate dao động từ 10^4 đến 10^6 tế bào/g mẫu tại các môi trường sinh thái khác nhau ở Việt Nam.
• Đa dạng di truyền vi khuẩn phong phú, chủ yếu thuộc nhóm Proteobacteria với cấu trúc quần thể đa dạng theo môi trường.
• Vi khuẩn phân lập có khả năng oxy hóa Fe(II) và khử nitrate hiệu quả, tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm nguồn nước.
• Kỹ thuật phân tử hiện đại như PCR-DGGE, ARDRA và FISH là công cụ hữu hiệu để đánh giá đa dạng và cấu trúc vi khuẩn trong môi trường tự nhiên.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ sinh học xử lý ô nhiễm kim loại nặng và nitrate, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích triển khai các dự án ứng dụng vi khuẩn oxy hóa Fe(II), khử nitrate trong xử lý nước thải tại các vùng ô nhiễm; mở rộng nghiên cứu đa dạng vi sinh vật tại các vùng sinh thái khác; tăng cường hợp tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ.

Hãy liên hệ với các viện nghiên cứu chuyên ngành để được hỗ trợ và hợp tác phát triển công nghệ sinh học xử lý ô nhiễm hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

®¹i häc quèc gia hµ néi Trêng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn -------------------- NguyÔn ThÞ TuyÒn Vi khuÈn oxy hãa fe(ii) vµ khö nitrate ë viÖt nam: tÝnh ®a d¹ng vµ tiÒm n¨ng øng dông LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Hµ Néi - 2009 ®¹i häc quèc gia hµ néi Trêng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn -------------------- NguyÔn ThÞ TuyÒn Vi khuÈn oxy hãa fe(ii) vµ khö nitrate ë viÖt nam: tÝnh ®a d¹ng vµ tiÒm n¨ng øng dông Chuyªn ngµnh: Vi sinh vËt häc M· sè: 60 42 40 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Ngêi híng dÉn khoa häc: ts. ®inh thóy h»ng Hµ Néi - 2009 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ThÞ TuyÒn - Cao häc K16 Lêi c¶m ¬n §Ò tµi luËn v¨n ®îc thùc hiÖn víi sù hç trî kinh phÝ tõ ®Ò tµi §Æc biÖt cÊp §¹i häc Quèc gia Hµ Néi, m· sè QG. §Ó cã thÓ hoµn thµnh luËn v¨n nµy, tríc tiªn, t«i muèn bµy tá láng biÕt ¬n s©u s¾c tíi TiÕn sÜ §inh Thóy H»ng, Trëng phßng Sinh th¸i Vi sinh vËt, ViÖn Vi sinh vËt vµ C«ng nghÖ Sinh häc, §¹i häc Quèc gia Hµ Néi ®· ®Þnh híng nghiªn cøu, trùc tiÕp híng dÉn vµ chØ b¶o tËn t×nh cho t«i trong suèt thêi gian nghiªn cøu. T«i còng mong muèn ®îc göi lêi c¶m ¬n ch©n thµnh nhÊt tíi Ban l·nh ®¹o vµ c¸c c¸n bé ViÖn Vi sinh vËt vµ C«ng nghÖ Sinh häc, §¹i häc Quèc gia Hµ Néi ®· t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi vÒ trang thiÕt bÞ vµ c¬ së vËt chÊt cho t«i hoµn thµnh nghiªn cøu nµy.

Qua ®©y, t«i còng muèn ®îc bµy tá lßng biÕt ¬n ch©n thµnh tíi c¸c thÇy c« gi¸o, c¸n bé Khoa Sinh häc, Trêng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn, §¹i häc Quèc Gia Hµ Néi ®· gióp ®ì vµ trang bÞ nh÷ng kiÕn thøc h÷u Ých cho t«i trong suèt thêi gian häc tËp t¹i trêng. Cuèi cïng, t«i xin bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c tíi gia ®×nh, b¹n bÌ th©n thiÕt, nh÷ng ngêi ®· lu«n cæ vò, ®éng viªn t«i vît qua mäi khã kh¨n trong qu¸ tr×nh häc tËp vµ nghiªn cøu. Hµ Néi, ngµy th¸ng n¨m Häc viªn Chuyªn ngµnh Vi sinh vËt häc LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ThÞ TuyÒn - Cao häc K16 NguyÔn ThÞ TuyÒn Chuyªn ngµnh Vi sinh vËt häc LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ThÞ TuyÒn - Cao häc K16 môc lôc Më ®Çu. 1 Ch¬ng 1- Tæng quan tµi liÖu.

Qu¸ tr×nh oxy hãa Fe(II) nhê vi khuÈn. LÞch sö nghiªn cøu vi khuÈn oxy hãa Fe(II) (FOM). Vai trß cña vi khuÈn trong chu tr×nh oxy hãa - khö s¾t 4 1. Vi khuÈn hiÕu khÝ oxy hãa Fe(II) ë pH trung tÝnh.

Vi khuÈn quang hîp kþ khÝ oxy hãa Fe(II). Vi khuÈn kþ khÝ oxy hãa Fe(II). Khö nitrate nhê vi khuÈn. Vi khuÈn oxy hãa Fe(II), khö nitrate.

C¬ chÕ ph©n tö cña qu¸ tr×nh oxy hãa Fe(II) vµ c¸c gen liªn quan. ¶nh hëng cña « nhiÔm nitrate vµ thõa s¾t trong nguån níc sinh ho¹t. ¶nh hëng cña nitrate ®Õn søc kháe con ngêi. ¶nh hëng cña thõa s¾t ®Õn søc kháe con ngêi.

ý nghÜa cña viÖc nghiªn cøu tÝnh ®a d¹ng di truyÒn vµ tiÒm n¨ng øng dông cña c¸c vi khuÈn oxy hãa Fe(II), khö nitrate.C¸c ph¬ng ph¸p sinh häc ph©n tö hiÖn ®¹i ®îc sö dông trong c¸c nghiªn cøu vÒ tÝnh ®a d¹ng vµ cÊu tróc di truyÒn cña quÇn x· vi khuÈn. ARDRA (Amplified Ribosomal DNA Restriction Analysis) 17 Chuyªn ngµnh Vi sinh vËt häc LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ThÞ TuyÒn - Cao häc K16 Ch¬ng 2 - Nguyªn vËt liÖu vµ ph¬ng ph¸p nghiªn cøu. Nguyªn vËt liÖu. §èi tîng nghiªn cøu.

ThiÕt bÞ, dông cô sö dông trong nghiªn cøu. Ph¬ng ph¸p nghiªn cøu. X¸c ®Þnh sè lîng vi khuÈn oxy hãa Fe(II), khö nitrate. Ph©n lËp vi khuÈn kþ khÝ oxy hãa Fe(II), khö nitrate.

T¸ch DNA tæng sè tõ mÉu bïn vµ trÇm tÝch vµ chñng ®¬n 23 2. Ph©n tÝch ®a d¹ng di truyÒn c¸c chñng ®¬n b»ng ph- ¬ng ph¸p ARDRA. Ph¬ng ph¸p ®iÖn di biÕn tÝnh DGGE. Gi¶i tr×nh tù gen 16S rDNA vµ dùng c©y ph©n lo¹i.

Ph¬ng ph¸p FISH. §Þnh lîng Fe(II), Mn(II) vµ nitrate.29 Ch¬ng 3 - KÕt qu¶ vµ th¶o luËn. X¸c ®Þnh sè lîng vi khuÈn oxy hãa Fe(II), khö nitrate t¹i c¸c m«i trêng sinh th¸i kh¸c nhau. Ph©n tÝch cÊu tróc quÇn x· vi khuÈn b»ng ®iÖn di biÕn tÝnh (DGGE).

§¸nh gi¸ ®a d¹ng di truyÒn vi khuÈn trong c¸c m«i trêng nghiªn cøu b»ng ph¬ng ph¸p FISH.Møc ®é oxy hãa Fe(II) vµ khö nitrate cña vi khuÈn trong c¸c mÉu nghiªn cøu. Ph©n lËp vi khuÈn oxy ho¸ Fe(II), khö nitrate tõ c¸c mÉu nghiªn cøu.38 Chuyªn ngµnh Vi sinh vËt häc LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ThÞ TuyÒn - Cao häc K16 3. §¸nh gi¸ tÝnh ®a d¹ng di truyÒn cña c¸c chñng vi khuÈn oxy hãa Fe(II), khö nitrate b»ng ph¬ng ph¸p ARDRA. Nghiªn cøu ®Æc ®iÓm sinh lý, ph©n lo¹i vµ ho¹t tÝnh sinh häc cña c¸c chñng vi khuÈn ®¹i diÖn.

49 híng nghiªn cøu tiÕp theo. 50 Tµi liÖu tham kh¶o. 62 Chuyªn ngµnh Vi sinh vËt häc LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ThÞ TuyÒn - Cao häc K16 danh môc c¸c ch÷ viÕt t¾t ARDRA Amplified ribosomal DNA Restriction Analysis bp Base pair BSA Bovin serum albumin DNA Deoxyribonucleic acid CI Chloroform-isoamyl alcohol CTAB Cetyl trimethyl ammonium bromide DAPI 4’6-diamidino-2-phenylindole ddNTP Dideoxyribonucleotide triphosphate DGGE Denaturing gradient gel electrophoresis dNTP Deoxyribonucleotide triphosphate EDTA Ethylenediaminetetraacetic acid FISH Fluorescence in situ hydridization MQ Mili-Q MPN Most probable number OD Optical density PBS Phosphate-buffered saline PCI Phenol-Chloroform-isoamyl alcohol PCR Polymerase chain reaction rDNA Ribosomal deoxyribonucleic acid RNA Ribonucleic acid rRNA Ribosomal ribonucleic acid SDS Sodium dodecyl sulfate TAE Tris-Acetic-EDTA (®Öm) TE Tris-EDTA (®Öm) Taq Thermus aquaticus DNA UV Ultraviolet Chuyªn ngµnh Vi sinh vËt häc LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ThÞ TuyÒn - Cao häc K16 Më ®Çu S¾t lµ mét trong nh÷ng kim lo¹i phæ biÕn trªn tr¸i ®Êt. Th«ng thêng s¾t tån t¹i ë d¹ng Fe2O3 Ýt tan trong níc vµ cã mµu vµng n©u.

Trong m«i trêng pH trung tÝnh, d¹ng hßa tan trong níc, Fe(II), chØ tån t¹i ë ®iÒu kiÖn kh«ng cã oxy, vÝ dô nh ë ®¸y c¸c thñy vùc, n¬i oxy hßa tan trong níc ®· bÞ c¸c vi sinh vËt hiÕu khÝ sö dông ®Ó ph©n hñy c¸c hîp chÊt h÷u c¬. Víi hiÖu ®iÖn thÕ oxy hãa khö Fe(III)/Fe(II) t¹i pH 7 vµo kho¶ng +200 mV, ion Fe(II) cã thÓ trë thµnh nguån ®iÖn tö cho c¸c qu¸ tr×nh h« hÊp kþ khÝ, ®iÓn h×nh lµ khö nitrate thµnh N2 do mét sè nhãm vi khuÈn ®¶m nhiÖm (Straub vµ cs, 1996; Benz vµ cs, 1998; Weber vµ cs, 2006 c). Qu¸ tr×nh oxy hãa Fe(II), khö nitrate ®îc tãm t¾t nh sau: 10 Fe2+ + 2 NO3 + 24 H2O = 10 Fe(OH)3 ↓ + N2 ↑ + 9 H2 ↑ Trong tù nhiªn, qu¸ tr×nh oxy hãa Fe(II) víi chÊt nhËn ®iÖn tö lµ nitrate chñ yÕu diÔn ra ë ranh giíi hiÕu khÝ (cã oxy) vµ kþ khÝ (kh«ng cã oxy) trong líp trÇm tÝch ë ®¸y c¸c thñy vùc. C¸c loµi vi khuÈn víi kh¶ n¨ng tiÕn hµnh ph¶n øng oxy hãa khö nµy cã thÓ cïng mét lóc thùc hiÖn ®îc hai nhiÖm vô, thø nhÊt lµ chuyÓn Fe(II) hßa tan trong níc vÒ d¹ng Fe(III) kÕt tña, vµ hai lµ lo¹i bá nitrate, chuyÓn thµnh d¹ng N2 kh«ng ®éc h¹i.

Vi khuÈn dïng ion Fe(II) lµm nguån cho ®iÖn tö ®Ó khö nitrate ®îc ph©n lËp ®Çu tiªn tõ c¸c líp trÇm tÝch ao, hå níc ngät t¹i Bremen, §øc n¨m 1996 (Straub vµ cs, 1996). Mét sè c«ng tr×nh nghiªn cøu tiÕp sau cho thÊy sù cã mÆt kh¸ phæ biÓn cña nhãm 1 Chuyªn ngµnh Vi sinh vËt häc LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ThÞ TuyÒn - Cao häc K16 vi khuÈn nµy víi mËt ®é kh¸ cao (10 6 tÕ bµo/g trÇm tÝch) trong c¸c ®iÒu kiÖn m«i trêng kh¸c nhau, bao gåm c¶ níc ngät, níc lî vµ níc mÆn vµ t¹i nhiÒu vi trÝ ®Þa lý kh¸c nhau trªn thÕ giíi (Straub vµ Buchholz-Cleven, 1998). C¸c loµi vi khuÈn phæ biÕn nhÊt trong nhãm nµy ®îc biÕt ®Õn hiÖn nay lµ c¸c loµi thuéc chi Chromobacterium vµ Klebsiella (Benz vµ cs, 1998; Senko vµ cs, 2005; Weber vµ cs, 2006 b). C¸c nghiªn cøu vÒ nhãm vi khuÈn nµy ë ch©u ¢u víi ®iÒu kiÖn sinh th¸i hoµn toµn kh¸c biÖt víi níc ta.

HiÖn nay, ë ViÖt Nam còng nh trªn thÕ giíi, t×nh tr¹ng « nhiÔm c¸c kim lo¹i nÆng vµ nit¬ trong nguån níc sinh ho¹t vµ níc th¶i ®ang lµ vÉn ®Ò ®îc quan t©m hµng ®Çu. Nång ®é ammonium hay nitrate cao trong níc uèng còng nh níc th¶i cã thÓ g©y ra nhiÒu vÊn ®Ò nghiªm träng liªn quan ®Õn m«i trêng sinh th¸i vµ søc kháe céng ®ång (Avery, 1999; Lundgerg vµ cs, 2004; Tricker vµ Preussmann, 1991). Thõa s¾t trong c¬ thÓ ®îc cho lµ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n g©y ra c¸c bÖnh vÒ thÇn kinh vµ ung th (Moon, 2008). C¸c kü thuËt sinh häc ph©n tö øng dông trong nghiªn cøu sinh th¸i vi sinh vËt ®· cã nhiÒu bíc tiÕn ®¸ng kÓ trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y.

Trong sè c¸c ph¬ng ph¸p ®ã, cã thÓ kÓ ®Õn PCR- DGGE vµ FISH (kh«ng cÇn ph©n lËp vµ nu«i cÊy) hay ARDRA vµ gi¶i tr×nh tù gen (th«ng qua bíc ph©n lËp vµ nu«i cÊy) lµ c¸c ph- ¬ng ph¸p h÷u hiÖu ®îc sö dông phæ biÕn trong ®¸nh gi¸ tÝnh ®a d¹ng, ph©n tÝch cÊu tróc di truyÒn c¸c nhãm loµi cña c¸c vi sinh vËt trong c¸c m«i trêng sinh th¸i kh¸c nhau. Tõ nh÷ng thùc tÕ kÓ trªn chóng t«i tiÕn hµnh thùc hiÖn ®Ò tµi: “Vi khuÈn oxy hãa Fe(II) vµ khö nitrate ë ViÖt Nam: TÝnh ®a d¹ng vµ tiÒm n¨ng øng dông” víi môc ®Ých ®¸nh gi¸ 2 Chuyªn ngµnh Vi sinh vËt häc LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NguyÔn ThÞ TuyÒn - Cao häc K16 tÝnh ®a d¹ng di truyÒn cña vi khuÈn oxy hãa Fe(II), khö nitrate ë ViÖt Nam vµ t×m hiÓu kh¶ n¨ng øng dông cña chóng trong xö lý nguån níc nhiÔm ion s¾t kim lo¹i vµ c¸c hîp chÊt chøa nit¬. Ch¬ng 1- Tæng quan tµi liÖu 1. Qu¸ tr×nh oxy hãa Fe(II) nhê vi khuÈn 1.

LÞch sö nghiªn cøu vi khuÈn oxy hãa Fe(II) (FOM) Kh¸i niÖm vi sinh vËt liªn quan ®Õn oxy hãa s¾t cã tõ nöa ®Çu thÕ kØ 19, khi Ehrenberg cho r»ng c¸c quÆng s¾t cã thÓ ®- îc h×nh thµnh do kÕt qu¶ cña ho¹t ®éng sinh häc. Vi khuÈn liªn quan trùc tiÕp ®Õn s¾t oxit, Gallionella ferruginea, còng ®· ®îc «ng m« t¶ mét c¸ch chi tiÕt (Ehrenberg, 1919). Trong suèt thêi gian sau ®ã, nhiÒu ®èi tîng vi sinh vËt ®· ®îc sö dông ®Ó chøng minh r»ng vi khuÈn cã kh¶ n¨ng oxy hãa s¾t ë pH trung tÝnh vÝ dô nh Leptothrix ochracea (Kützing, 1919). Tuy nhiªn vµo thêi ®iÓm ®ã c¸c b»ng chøng ®a ra vÉn cha ®îc hoµn toµn x¸c thùc.