Luận văn: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY 2,4,5-T VÀ ĐẶC ĐIỂM PHÂN LOẠI CỦA CHỦNG VI KHUẨN PHÂN LẬP TỪ CÁC BIOREACTOR XỬ LÝ ĐẤT NHIỄM CHẤT DIỆT CỎ/DIOXIN potx

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM /// Phạm Ngọc Long NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY 2,4,5-T VÀ ĐẶC ĐIỂM PHÂN LOẠI CỦA CHỦNG VI KHUẨN PHÂN LẬP TỪ CÁC BIOREACTOR XỬ LÝ ĐẤT NHIỄM CHẤT DIỆT CỎ/DIOXIN LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Thái Nguyên - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM /// Phạm Ngọc Long NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY 2,4,5-T VÀ ĐẶC ĐIỂM PHÂN LOẠI CỦA CHỦNG VI KHUẨN PHÂN LẬP TỪ CÁC BIOREACTOR XỬ LÝ ĐẤT NHIỄM CHẤT DIỆT CỎ/DIOXIN Chuyên ngành : Sinh học thực nghiệm Mã số : 60.42.30 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nghiêm Ngọc Minh Thái Nguyên - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cảm ơn Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS Nghiêm Ngọc Minh. Trưởng Phòng Công nghệ sinh học Môi trường – Viện Công Nghệ sinh Học đã tận tình hướng dẫn và dìu dắt tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Trong quá trình nghiên cứu vửa qua, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Đặng Thị Cẩm Hà và các anh chị Phòng Công nghệ sinh học Môi trường, đặc biệt là Ths. Nguyên Bá Hữu, CN. Nguyễn Văn Bắc, KS. Cung Thị Ngọc Mai, những người đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án của mình. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Khoa sau đại học, khoa Sinh-Kỹ thuật nông nghiệp – Trường đại học Sư phạm – Đại Học Thái Nguyên và lãnh đạo Viện Công nghệ sinh học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành khóa luận này. Bên cạnh đó, tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện động viên giúp đỡ tôi cả về vật chất và tinh thần để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 1 tháng 10 năm 2009 Phạm Ngọc Long BẢNG CHỮ VIẾT TẮT 1,2,3,7,8-PeCDD 1,2,3,7,8-Pentaclorodibenzo-p-dioxin 2,3,7,8-TCDD 2,3,7,8-Tetraclorodibenzo-p-dioxin 2,4,5-T 2,4,5-trichlorophenoxyacetic acid 2,4-D 2,4,- dichlorophenoxyacetic acid bp Base pair DNA Deoxyribonucleic acid LB Luria - Bertani PAH Polycyclic aromatic hydrocarbon PCDDs Polychlorinated dibenzo-p-dioxins PCDFs Polychlorinated dibenzofurans PCR Polymerase Chain Reaction RNA Ribonucleic acid rRNA Ribosomal ribonucleic acid X-gal 5-bromo-4-chloro-3-indodyl- β galactosidase Luận văn thạc sỹ sinh học Phạm Ngọc Long Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 PHẦN 1 TỔNG QUAN 3 1. Sự ô nhiễm của 2,4,5-T và 2,4-D 3 2. Đặc điểm và tính chất của 2,4,5-T và 2,4-D 5 2.1 Chất diệt cỏ 2,4,5-T 5 2.2 Chất diệt cỏ 2,4-D 7 3. Ảnh hƣởng của 2,4,5-T, 2,4-D đến môi trƣờng và con ngƣời 8 3.1 Ảnh hưởng của 2,4,5-T và 2,4-D tới môi trường 8 3.2 Ảnh hưởng của 2,4,5-T, 2,4-D đến con người 9 4. Một số phƣơng pháp xử lý chất độc hóa học trong đó có 2,4,5-T và 2,4-D 9 4.1 Phương pháp xử lý chất độc hóa học bằng hóa học, lý học, cơ học 9 4.2 Phương pháp phân hủy sinh học 10 5. Khả năng phân hủy 2,4,5-T và 2,4-D của một số vi sinh vật 15 6. Phân loại vi sinh vật 21 6.1. Phân loại theo phương pháp cổ điển 21 6.2 Phương pháp phân loại bằng sinh học phân tử 22 PHẦN 2 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 25 1. Vật liệu, hóa chất, các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 25 1.1 Vật liệu 25 1.2 Hóa chất 25 1.3 Thiết bị, máy móc 25 2. Phƣơng pháp nghiên cứu 26 2.1 Môi trường nuôi cấy 26 Luận văn thạc sỹ sinh học Phạm Ngọc Long Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 2.1.1 Môi trường SH1 dịch (g/l) 26 2.1.2 Môi trường SH1 thạch 26 2.1.3 Môi trường muối khoáng 26 2.1.4 Môi trường LB dịch 27 2.1.5 Môi trường LB thạch 27 2.1.6 Nước muối sinh lý 27 2.2 Phương pháp nuôi cấy và phân lập vi khuẩn từ mẫu đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin trong bioreactor hiếu khí 27 2.2.1 Nuôi cấy làm giàu vi sinh vật 27 2.2.2 Phương pháp phân lập vi khuẩn 27 2.3 Nghiên cứu hình thái tế bào của chủng vi khuẩn 28 2.3.1 Nhuộm Gram 28 2.3.2 Quan sát hình thái tế bào dưới kính hiển vi điện tử quét 28 2.4 Phương pháp phân tích khả năng phân hủy 2,4,5-T 29 2.5 Phân loại vi khuẩn dựa trên so sánh trình tự gen mã hóa 16S rRNA 29 2.5.1 Phương pháp tách DNA tổng số từ vi sinh vật 29 2.5.2 Nhân đoạn gen 16S rRNA bằng phương pháp PCR 30 2.5.3 Điện di kiểm tra trên gel agarose 31 2.5.4 Tách dòng đoạn gen mã hóa 16S rRNA 31 2.5.5 Biến nạp DNA tái tổ hợp vào tế bào E.coli 31 2.5.6 PCR trực tiếp từ khuẩn lạc (colony–PCR) 32 2.5.7 Tách DNA plasmid theo Kit của hãng Fermentas 33 2.5.8 Xác định trình tự đoạn gen mã hóa 16S rRNA 34 2.5.9 Xây dựng cây phát sinh chủng loại 34 Luận văn thạc sỹ sinh học Phạm Ngọc Long Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 PHẦN 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 1. Nuôi cấy, phân lập chủng vi sinh vật từ mẫu đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin trong bioreactor hiểu khí 35 1.1 Nuôi cấy, làm giàu tập đoàn vi sinh vật 35 1.2 Phân lập chủng vi khuẩn 37 2. Đặc điểm phân loại của chủng HR5.1 38 2.1 Hình thái tế bào 38 2.2 Phân loại dựa trên trình tự gen mã hóa 16S rRNA 39 2.2.1 Tách chiết DNA tổng số 39 2.2.2 Nhân đoạn gen 16S rRNA của chủng HR5.1 bằng kỹ thuật PCR 40 2.2.3 Tách dòng gen 16S rRNA trong vector pBT 41 2.2.4 Xác định trình tự gen 16S rRNA của chủng HR5.1 43 3 Nghiên cứu một số đặc điểm của chủng HR5.1 47 3.1 Khả năng phát triển của chủng HR5.1 trên PAH 47 3.2 Khả năng phân hủy 2,4,5-T của chủng HR5.1 49 3.2.1 Ảnh hưởng của môi trường nuôi cấy có chứa 2,4,5-T lên sự phát triển của chủng HR5.1 49 3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ 2,4,5-T lên sự phát triển của chủng HR5.1 50 3.2.3 Khả năng phân hủy 2,4,5-T của chủng vi khuẩn HR5.1 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 Luận văn thạc sỹ sinh học Phạm Ngọc Long Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 MỞ ĐẦU Trong cuộc chiến tranh xâm lược của Mỹ tiến hành ở Việt Nam, hơn 100 triệu lít chất diệt cỏ chứa 2,4,5-T, 2,4-D và 2,3,7,8 TCDD đã được rải xuống hơn 20% diện tích của miền Nam. Theo công bố của Stellman và cộng sự trên tạp chí Nature năm 2003 thì 20 chất diệt cỏ khác nhau đã được sử dụng. Chu kỳ bán hủy của dioxin và các chất tương tự dioxin rất dài, có khi đến vài chục năm hoặc hàng trăm năm [15],[42]. Qua các điều tra nghiên cứu của nhiều cơ quan khoa học và công nghệ ở Việt Nam và quốc tế cho thấy, đất của sân bay Đà Nẵng và Biên Hòa độ tồn lưu của PCDD, PCDF, 2,4,5-T và 2,4-D vẫn còn cao. 2,4,5-T, 2,4-D có hàm lượng lên tới hàng vài trăm nghìn đến vài triệu µg/kg đất. Ngoài ra một lượng không nhỏ các chất DCP, TCP và PAH cũng đã được xác định trong các mẫu đất tại khu vực bị nhiễm độc. Nghiên cứu áp dụng phương pháp sinh học để khử độc tại “điểm nóng” ở Đà Nẵng thu được kết quả rất khả quan. Tuy nhiên để xử lý các điểm ô nhiễm cục bộ chất diệt cỏ/dioxin với thời gian ngắn cần có các công nghệ phân hủy sinh học phù hợp. Hiện nay, phòng Công nghệ sinh học môi trường, Viện Công nghệ sinh học đang tiến hành xử lý đất ô nhiễm chất diệt cỏ chứa dioxin bằng công nghệ tăng cường sinh học trong các bioreactor hiếu khí và kỵ khí. Trong quá trình xử lý, ngoài sự điều khiển về điều kiện môi trường như độ ẩm, nhiệt độ thì vai trò của các vi sinh vật có trong bioreactor là rất quan trọng. Để tăng hiệu quả và hoàn thiện công nghệ cần tăng thêm hiểu biết về đặc điểm vi sinh vật có trong bioreactor, cũng như vai trò của các vi sinh vật phân hủy chất độc được bổ sung vào bioreactor. Nhằm đáp ứng yêu cầu của thực tiễn đó, đề tài “Nghiên cứu khả năng phân hủy 2,4,5-T và đặc điểm phân loại của chủng vi khuẩn phân lập từ các bioreactor xử lý đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin“ đã được thực hiện. Luận văn thạc sỹ sinh học Phạm Ngọc Long Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 Luận án đã thực hiện đƣợc các nội dung nghiên cứu sau đây  Làm giầu vi sinh vật từ các mẫu đất trong bioreactor xử lý đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin.  Phân lập các chủng vi khuẩn có khả năng phát triển trên 2,4,5-T và 2,4-D.  Nghiên cứu một số đặc điểm của chủng vi khuẩn phân lập được.  Phân loại định tên chủng vi khuẩn được chọn lựa.  Xác định khả năng sử dụng 2,4,5-T của chủng vi khuẩn nghiên cứu. Luận án này được thực hiện tại phòng Công nghệ sinh học môi trường, Viện Công nghệ sinh học và là một phần đề cấp Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam: “Nghiên cứu xử lý tẩy độc một số hợp chất hữu cơ chứa clo bằng các phương pháp hóa học và sinh học tiên tiến“ do PGS.TS. Đặng Thị Cẩm Hà chủ trì. Luận văn thạc sỹ sinh học Phạm Ngọc Long Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 PHẦN 1 TỔNG QUAN 1. Sự ô nhiễm của 2,4,5-T và 2,4-D Từ năm 1961 đến năm 1971 quân đội Mỹ đã rải hơn 100 triệu lít chất diệt cỏ xuống nhiều vùng ở miền Trung và Nam Việt Nam [42]. Các chất diệt cỏ đã được sử dụng bao gồm: chất da cam, chất trắng, chất xanh lục, chất xanh lam, chất tím, chất hồng, các chất này được gọi tên theo mầu đánh dấu trên các thùng phuy chứa chúng, mỗi thùng khoảng 250l [42]. Các chất diệt cỏ thường là hỗn hợp của hai chất 2,4,5-T (2,4,5-trichlorophenoxyacetic acid) và 2,4-D (2,4-dichlorophenoxyacetic acid) với tỷ lệ 50:50 (Bảng 1). Dioxin là tạp chất được sinh ra trong quá trình sản xuất 2,4,5-T. Hàm lượng dioxin trong các chất diệt cỏ rất khác nhau, ước tính số lượng dioxin chứa trong chất diệt cỏ mà Mỹ đã dùng trong chiến tranh Việt Nam từ 170 - 1000 kg [42], [15]. Bảng 1.1. Thành phần hóa học của các chất diệt cỏ quân đội Mỹ đã sử dụng trong chiến tranh Việt Nam [42]. Tên chất Thành phần hoá chất Độ đậm đặc tƣơng đƣơng Sử dụng trong trong năm Số lƣợng ƣớc tính đã rải (lít) Chất hồng 60% - 40% n-Butyl: isobutylester của 2,4,5-T 961-1081 g/l acid tương đương 1961-1965 503.121; 413,852 Chất xanh lá cây n-Butylester của 2,4,5-T Giống như chất hồng Chưa rõ, rải cùng thời gian với chất hồng 31.026 Chất tím 50%n-Butylester 2,4,D 30% Butylester 1033 g/l acid tương đương 1962-1965 1.892.773 [...]... Ngoài ra chủng này còn có khả năng sử dụng một số PAH như anthrancen, phenanthren v.v là nguồn năng lượng và carbon duy nhất [12] Khác với số lượng ít của các vi khuẩn phân hủy 2,4,5-T, rất nhiều vi khuẩn phân hủy 2,4-D đã được phân lập từ nhiều vị trí ô nhiễm khác nhau như đất nông nghiệp, trầm tích, khu vực xử lý rác thải và đất nguyên thủy Các vi khuẩn phân hủy 2,4-D được xếp thành 3 nhóm dựa vào enzyme... đã được xử lý trong các bioreactor với quy mô 50 kg [3] Các chủng vi sinh vật có hoạt tính phân hủy tốt các chất ô nhiễm chính được phân lập tại đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin tại chính sân bay Đà Nẵng và tập đoàn vi sinh vật nuôi cấy làm giàu trên môi trường dinh dưỡng chứa các thành phần chất ô nhiễm trong phòng thí nghiệm được bổ sung trong quá trình xử lý Các chất bổ sung trong quá trình xử lý được... cao và khả thi đối với khối lượng bị ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin đến vài ha và ở độ sâu trung bình từ một đến hai mét Để đẩy nhanh tốc độ phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin, các nghiên cứu xử lý khử độc trong các bioreactor đã được nhóm nghiên cứu công nghệ xử lý POP, Vi n Công nghệ sinh học tiến hành Đây là phương pháp xử lý kiểu tăng cường sinh học (bioaugmentation) trong hệ thống có khả năng. .. cũng có khả năng chuyển hóa dioxin Vi khuẩn kị khí có vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy chứa clo trong đó có dioxin Rất nhiều nhóm vi khuẩn có khả năng khử clo của các hợp chất hữu cơ chứa clo trong môi trường hoạt động của vi khuẩn khử sắt, vi khuẩn khử sunphát, và nhóm khử halogen v.v Một số chủng vi khuẩn kị khí có khả năng khử clo đã được nghiên cứu như:... được phân lập bằng cách làm giàu với 2,4,5-T, vi khuẩn này có thể phân hủy cả hai hợp chất trên thành trihydroxylat benzen [45] Nghiên cứu khác của Mai và cộng sự cho thấy quá trình đồng trao đổi chất của vi khuẩn Stenotrophomonas maltophilia PM Vi khuẩn này cần mecoprop để đồng trao đổi chất 2,4,5-T [36] La Thị Thanh Phương và cộng sự đã công bố nghiên cứu phân lập chủng Pseudomonas sp BDN15, chủng. .. [2], [5], [8], [10], [11] Vi c định tên và xác định khả năng phân hủy chất ô nhiễm của các chủng vi sinh vật này góp phần làm sáng tỏ cơ chế và hiệu quả của sự phân hủy sinh học diễn ra trong quá trình xử lý bằng công nghệ phân hủy sinh học đã được triển khai để xử lý khử độc ở qui mô 3.000 m3 tại điểm nóng” Biên Hòa, Đồng Nai Kết quả phân tích vi sinh vật và hóa học cho thấy các chế phẩm sử dụng tại... đất nhiễm chất diệt cỏ chứa dioxin tại Đà Nẵng [2], năm 2009 nhóm nghiên cứu đã xử lý hơn 3000 m2 đất nhiêm chất độc hóa học tại sân bay Biên Hòa bằng công nghệ phân hủy sinh học Các công thức xử lý phân hủy sinh học được bổ sung các dạng chế phẩm khác nhau cung cấp chất dinh dưỡng, các chất cần thiết cho quá trình oxy hóa, khử loại bỏ clo các chất vi lượng và các chất thêm cho tập đoàn vi sinh vật... vào quá trình tẩy độc ở điều kiện kị khí và hiếu khí Số lượng các nhóm vi sinh vật trước, trong suốt quá trình xử lý đã được theo dõi Các chủng nấm, vi khuẩn hiếu khí, kị khí, xạ khuẩn đã được sử dụng để nghiên cứu khả năng phân hủy 2,3,7,8-TCDD Phương pháp nghiên cứu vi sinh vật truyền thống và kỹ thuật sinh học phân tử điểm chỉ như DGGE và các kỹ thuật sinh học phân tử khác đã được tiến hành để nghiên. .. Haugland và cộng sự, chủng Pseudomonas cepacia AC1100 có khả năng phân hủy rất mạnh 2,4,5-T, chủng này phân hủy được 960μg/ml trong 24h ở 29oC [26] Một chủng mới có nguồn gốc từ chủng Pseudomonas cepacia AC1100 được nhận thêm plasmid pJP4 quy định khả năng phân hủy 2,4-D từ chủng Alcalugenes eutrophus JMP134, chủng này được đặt tên là RHJ1 Chủng này có khả năng phân hủy 1000 μg/ml 2,4-D và 2,4,5-T μg/ml trong... Luận văn thạc sỹ sinh học Phạm Ngọc Long Ở Vi t Nam, biện pháp chôn lấp tích cực để phân hủy chất diệt cỏ/dioxin đã được nghiên cứu và áp dụng thành công trên quy mô pilot hiện trường Chôn lấp tích cực là sự kết hợp của phân hủy sinh học, cô lập, hấp phụ và chôn lấp Đặng Thị Cẩm Hà và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm phân hủy sinh học đối với các lô xử lý 0,5m3; 1,5m3; 10m3 và 100m3 đất nhiễm . Long NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY 2,4,5-T VÀ ĐẶC ĐIỂM PHÂN LOẠI CỦA CHỦNG VI KHUẨN PHÂN LẬP TỪ CÁC BIOREACTOR XỬ LÝ ĐẤT NHIỄM CHẤT DIỆT CỎ/DIOXIN LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH. Phạm Ngọc Long NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY 2,4,5-T VÀ ĐẶC ĐIỂM PHÂN LOẠI CỦA CHỦNG VI KHUẨN PHÂN LẬP TỪ CÁC BIOREACTOR XỬ LÝ ĐẤT NHIỄM CHẤT DIỆT CỎ/DIOXIN Chuyên ngành :. các vi sinh vật phân hủy chất độc được bổ sung vào bioreactor. Nhằm đáp ứng yêu cầu của thực tiễn đó, đề tài Nghiên cứu khả năng phân hủy 2,4,5-T và đặc điểm phân loại của chủng vi khuẩn phân