XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY

Bài 2 giáo trình công nghệ sinh học môi trường trường đại học Lạc Hồng

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

MÔI TRƯỜNG

THS: VƯU NGỌC DUNG

3 CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM

4 CÁC KHÍA CẠNH TỔNG QUÁT CỦA CÁC QUÁ

TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ

5 CÁC PHẢN ỨNG “CHỦ ĐẠO” CỦA SỰ PHÂN HỦY

KỴ KHÍ CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ NHẤT ĐỊNH

1 GIỚI THIỆU

• Bước tấn công đầu tiên vào chất ô nhiễm hữu cơ xảy ra bên trong tế bào là quá trình oxy hoá; sự hoạt hoá và gắn oxy vào phân tử chất ô nhiễm là những quá trình enzyme, ở đây các enzyme chìa khoá là oxygenase và peroxidase

• Con đường phân huỷ diễn ra từng bước một chuyển chất ô nhiễm hữu cơ thành những hợp chất trung gian tiến tới vòng trao đổi chất trung tâm, có nghĩa là vòng tricarboxylic acid

• Sinh khối tế bào được tổng hợp từ chính những nền tảng là chất chuyển hoá trung gian, giả sử như CoA, suscinate,

pyruvate Chất đường cần thiết cho nhiều quá trình sinh tổng hợp và sinh trưởng được tổng hợp qua quá trình

gluconeogenesis

• Phân hủy bao gồm hai quá trình cơ sở: sinh trưởng và đồng traođổi chất.

- Trong quá trình sinh trưởng, một chất hữu cơ được sử dụng làmnguồn carbon và nguồn năng lượng duy nhất, kết quả phân huỷhoàn toàn (khoáng hoá) chất hữu cơ

- Qúa trình đồng trao đổi chất được định nghĩa là quá trình traođổi chất của một chất hữu cơ trong khi có mặt của một cơ chấtsinh trưởng là nguồn carbon và năng lượng chính

2 CÁC NGUYÊN TẮC CỦA QUÁ TRÌNH

PHÂN HỦY BỞI VI KHUẨN

2.1 CÁC VI KHUẨN PHÂN HỦY HIẾU KHÍ

ĐIỂN HÌNH

• Phần lớn những vi khuẩn phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơtrong môi trường ô nhiễm giàu oxy là những loài vi khuẩnhóa dưỡng hữu cơ

• Chúng có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ tự nhiên hay nhântạo làm nguồn cacbon duy nhất và nguồn cho điện tử để tạonăng lượng

• Mặc dù nhiều loài vi khuẩn có khả năng chuyển hóa nhiềuchất ô nhiễm hữu cơ, nhưng không có một loài nào lại có thể

có phân hủy tất cả hay phần lớn các hợp chất hữu cơ

• Hỗn hợp các vi khuẩn có khả năng phân hủy cao nhất

• Khả năng di truyền và những yếu tố môi trường nhất định:nhiệt độ, pH, nguồn nitơ và phospho xác định tốc độ vàthời gian của quá trình phân hủy

• Loài vi khuẩn Pseudomonads có khả năng lên men, có khả

năng phân hủy cao nhất (P putida và P fluorescens) và có

khả năng sử dụng hơn trăm hợp chất hữu cơ làm nguồncarbon

• Khả năng to lớn của Pseudomonads không chỉ phụ thuộc vàocác enzym dị hóa mà còn ở khả năng điều hòa chuyển hóa

• Nhóm thứ hai là cầu khuẩn Gram dương (Rhodococci) vàphẩy khuẩn (Coryne)

• Những vi khuẩn này tạo ra axít mycolic trên bề mặt tế bào vàcác axít béo bị ester hóa thành peptidoglycan – thành phầncủa thành tế bào

• Các loài vi khuẩn này có khả năng sinh tổng hợp các hợp chấthoạt động bề mặt sinh học

2.2 SỰ PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT BÉO CÓ

LIÊN QUAN ĐẾN TĂNG TRƯỞNG

• Vi khuẩn hiếu khí ban đầu tấn công các hợp chất hydrocarbonbéo và vòng béo đều đòi hỏi có oxy phân tử

• Hai dạng enzyme tham gia vào quá trình phản ứng làmonooxygense hay dioxygenase tùy thuộc vào bản chất của

cơ chất và loại enzyme tạo ra bởi vi sinh vật

• Sản phẩm phân hủy liên quan đến tăng trưởng là CO2, nước

và sinh khối

• Sinh khối có thể tiếp tục bị khoáng hóa sau khi kết thúc quátrình phân hủy chất ô nhiễm ngoài môi trường

• Các hợp chất n-alkans dễ dàng bị phân hủy ngay, nhữnghydrocarbon mạch ngắn (< C9) gây độc cho hầu hết các vsv lại

dễ dàng bay hơi từ vị trí bị ô nhiễm

• Cơ chế oxy hóa các hợp chất alkan được chia làm 2 kiểu: Mộtđầu carbon (Monoterminal) hoặc Hai đầu carbon (Diterminal)

• Một đầu là cơ chế chủ đạo: tạo nên các hợp chất rượu aldehyde axít béo  acetyl-CoA

• Các hydrocarbon có số carbon lẻ: propionyl-CoA  CoA

succinyl-• Các axít béo có chuỗi carbon sinh lý có thể được bổ sung trựctiếp cho cấu trúc lipid màng tế bào

• Oxy hóa kiểu áp cuối (Subterminal) thường xảy ra ở hydrocarbon

có C3-C6 hoặc dài hơn tạo thành rượu bậc 2 rồi chuyển sangdạng keton

• Các alkan mạch vòng khó bị phân hủy sinh học, một vài vsv sửdụng cyclohexan làm nguồn carbon chính và phân hủy theo cơchế đồng chuyển hóa (co-metabolism).

• Các hydrocarbon béo có mạch càng dài càng kém tan trongnước 2 cơ chế vsv tiếp nhận các hợp chất béo: vsv bám vào hạtdầu và tạo các chất hoạt động bề mặt sinh học (biosurfactant)

• Biosurfactant: là những hợp chất có cấu trúc gồm 2 phần là ưanước và kị nước, có khả năng tạo nhũ và làm giảm sức căng bềmặt của chất béo và tạo nên các cấu trúc hình cầu li ti (micelle)

• Sản phẩm của quá trình là tạo cơ chất của quá trình chuyển hóanăng lượng và sinh tổng hợp sinh khối tế bào:

- Tổng hợp amino axít và protein cần nguồn nitơ và lưu huỳnh

- Nucleotides hay nuclelic axít cần nguồn phospho

- Thành tế bào cần chất đường

2.3 Đa dạng của các hợp chất vòng thơm - Các

quá trình dị hóa đồng nhất

• Những hợp chất thơm như: benzen, toluen, ethylbenzen vàxylen (các hơp chất BTEX) và naphtalen thuộc về một nhómchất hóa dầu có thể tích lớn, được sử dụng rộng rãi làm nhiênliệu và dung môi công nghiệp

• Các hợp chất phenol và chlorophenol thải ra môi trường dướidạng sản phẩm hay chất thải công nghiệp

• Các cơ thể sinh học cũng tạo ra một lượng lớn các hợp chấtvòng thơm (các amino axít dạng vòng, các phenol,hydroquinone/ quinone…), vsv có thể phân hủy các cấu trúc hóahọc tương tự hợp chất tự nhiên

• Cometabolism là dạng chuyển hóa một chất không có giá trị dinh dưỡng khi có mặt cơ chất sinh trưởng là dạng khá phổ biến trong vi sinh vật.

• Là cơ sở chuyển hoá sinh học (bioconversion) để chuyển một chất thành chất có cấu trúc hóa học khác.

• Một vi sinh vật sinh trưởng trong một nguồn cơ chất nào đó có khả năng oxi hóa một cơ chất thứ hai (co-substrate) Cơ chất thứ hai này không bị đồng hóa nhưng sản phẩm của nó có thể là cơ chất cho loài vi sinh vật khác có trong hỗn hợp vi sinh.

Phân hủy trichloroethylen (TCE) theo

cơ chế đồng chuyển hóa bởi hệ enzym

metan monooxygenase trong vi khuẩn

hóa dưỡng metan

Phân hủy các chất ô nhiễm bền bằng sự phối hợp giữa vi

khuẩn hiếu khí và kỵ khí

• Về mặt nguyên tắc, tính bền vững của các hợp chất ô nhiễm hữu

cơ tăng lên cùng với mức độ halogen hóa

• Thay thế halogen, nitơ hay lưu huỳnh trong vòng thơm đi kèmvới tăng ái lực điện tử Những các hợp chất này kháng lại ái lựccủa enzym oxygenase của vi khuẩn hiếu khí

• Những chất tồn tại bền vững trong điều kiện hiếu khí bao gồmPCBs (Polychlorinated biphenyls), dioxins (đa vòng chứa clo)một vài loại thuốc bảo vệ thực vật như DDT và Lindan

• Vi khuẩn kị khí đóng vai trò quan trọng trong việc khử các hợpchất xenobiotic chứa clo Khử halogen là bước đầu tiên củaphân huỷ các hợp chất bền chứa nhiều halogen bởi vi khuẩn kịkhí Sau quá trình khử làm giảm bậc halogen, trở nên dễ dàngđược vô cơ hóa bởi các vi khuẩn hiếu khí

3 CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA

NẤM

3.1 Sự chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ

bởi vi nấm

• Nhóm vi nấm gồm cả nấm men và nấm mốc Về mặt phân loại chúng thuộc các nhánh ascomycetous, deuteromycetous

và zygomycetous

• Nấm men thường thường mọc thành từng tế bào đơn hoặc dạng tiền sợi, trong khi đó nấm mốc mọc đặc trưng ở dạng sợi có vách ngăn thực

• Vi nấm bám trụ và sinh trưởng ở nhiều nơi khác nhau, một vài loài là dạng đặc trưng của vi sinh vật đất (Aspergillus, Penicillium, Trichodema, Candida, Trichosporon)

Các hydrocarbon béo

• Nấm men có khả năng phân huỷ sinh học các hợp chất béo như dầu thô và các sản phẩm dầu mỏ, C10-C20 là thích hợp với hầu hết vi nấm

• Nấm men phân huỷ n-alkan có Candida lipolytica, Candida

tropicalis, Rhodotorula rubra và Aureobasidion (Trichosporon) pullulans…Nấm mốc có Cuninghamella blakesleeana,

Aspergillus niger và Penicillium frequentans

• Hydrocarbon mạch ngắn (n.C5-C9) có độ độc cao, độc tính cóthể mất đi khi thêm vào hydrocarbon mạch dài:

- Candida có thể sinh trưởng trên n-octan nếu có mặt 10%

pristane

- Penicillium frequentans có thể sử dụng hợp chất n-alkan chứa 1

halogen và loại bỏ halogen hoàn toàn

• Hydrocarbon béo không tan trong nước, nấm tiết ra các chất hoạt động bề mặt để làm nhũ hoá hydrocarbon

• Vi nấm không thể sử dụng alkan mạch nhánh hay mạch vòng no như là nguồn carbon và năng lượng

• Sản phẩm cuối là oxit carbon (CO2) trong chu trình chuyển hoá tricarbocylic axit (Krebs)

Các hợp chất vòng thơm

• Nấm mốc và nấm men có khả năng sử dụng các hợp chất hydrocarbon thơm làm cơ chất để sinh trưởng

• Khả năng chuyển hoá những hợp chất vòng thơm theo kiểu Đồng chuyển hoá (co-metabolic)

3.2 Hệ thống enzyme phân hủy lignin

• Cellulose và lignin là dạng hợp chất carbon vòng thơm phổ biến nhất

• Lignin là chất keo gắn chặt mạch cellulose và hermicellulose, ngăn cản vi sinh phân huỷ gỗ và bảo vệ hợp chất đường dễ bị phân hủy

• Nấm đảm có một hệ thống enzyme phân huỷ lignin hiệu quả, gọi tên là nấm trắng hoại gỗ (white rot fungi)

• Tiêu biểu là Trametes versicolor, Pleurotus ostreatus,

Nematoloma flrowardii và những loài phân huỷ rác thải

Agaricus bisporus, Agrocybepraecox và Stropharia coronilla

• Lignin phân hủy không là nguồn carbon và năng lượng để nấm sinh trưởng Nguyên lý phân hủy là đồng chuyển hóa (cơ chất sinh trưởng là hầu hết các chất đường sinh ra từ phản ứng thủy phân hemicellulose xúc tác enzym)

• Một số enzym dạng oxydoreductase (enzyme làm phân rã lignin): peroxidase và laccase Những enzym này xúc tác

và tấn công lignin theo cơ chế không đặc trưng

4 CÁC KHÍA CẠNH TỔNG QUÁT CỦA CÁC

QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỴ KHÍ

• Xảy ra quá chậm và không hiệu quả với một số dạng cơ chất khábền vững nhất định

• Trong quá trình xử lý nước thải, quá trình phân hủy kị khí kinh tếhơn so với các quá trình hiếu khí: năng lượng, khí sinh học(biogas: CH4, CO2) và ít sinh khối

• Các chất hữu cơ bị phân hủy mà không cần tới oxy

• Dùng xử lý nước thải có hàm lượng phenol cao, tránh tạo thànhcác sản phẩm thứ cấp như là trùng ngưng của polyphenols

5 CÁC PHẢN ỨNG CỦA SỰ PHÂN HỦY KỴ KHÍ

5.1 Sự phân hủy hydrocarbon

• Các hydrocarbon béo bão hòa bị tấn công sinh học một cáchchậm chạp trong môi trường không có oxy

• Chủng vi khuẩn kị khí oxy hóa alkan đặc biệt hoạt động vớihydrocarbon mạch dài (C12 - C20) hoặc mạch trung bình (C6– C16) và sử dụng sulphát hoặc nitrát làm chất nhận điện tử

• Phản ứng của carbon áp cuối tạo nên bởi phân tử fumarát vàdạng trung gian alkyl succinát

• Các hydrocarbon không bão hoà có thể bị hydrát hóa tạothành các rượu tương ứng và sau đó bị phân hủy hoàn toàn.Quá trình phân hủy không hoàn toàn rất có thể do tạo thànhcác dạng dẫn xuất mạch nhánh bão hòa

Sự phân hủy các chất hữu cơ chứa

halogen

• Khử halogen, về mặt cơ sở là thông qua phản ứng oxy hoá,thuỷ phân, hoặc khử Đối với vi khuẩn kị khí là phản ứngkhử thế halogen

• Phản ứng khử loại bỏ halogen: điện tử xuất phát từ phân tửhydrogen, formate hay một chất hữu cơ phức tạp hơn đượcchuyển đến cơ chất chứa clo để tạo thành chất hữu cơ ởdạng khử và ion Clo (Cl-)

• Một số trường hợp, phản ứng oxi hóa khử dạng này có thểhình thành năng lượng chuyển hoá thông qua chuỗi hô hấp

• Sự phân huỷ kị khí có thể áp dụng để xử lý một số chất thảihữu cơ, sản phẩm thường là CH4 và CO2, có thể được sửdụng làm năng lượng hoặc làm chất cơ sở cho các quá trìnhsinh tổng hợp.

• Quá trình phân huỷ kị khí xảy ra trong môi trường thiếu khí,

do vậy, cần phải nghiên cứu về nguy cơ của các hợp chấttổng hợp đối với sức khoẻ con người và môi trường

• Những hợp chất một nhân thơm bị phân huỷ kị khí khá hiệuquả nếu trong cấu trúc có chứa các nhóm thế: carboxyl,hydroxyl, methoxyl, amino, hoặc methyl

• Sự phân huỷ kị khí những hợp chất béo và thơm chứahalogen bị khử loại halogen hiệu quả hơn hiếu khí, đặc biệthợp chất chứa nhiều halogen

HẾT BÀI 2