HỢP CHẤT HYDROCARBON THƠM ĐA NHÂN (PAHs) VÀ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY SINH HỌC BỞI VI KHUẨN

Tạp chí Công nghệ Sinh học 8(1): 1-11, 2010 BÀI TỔNG QUAN HỢP CHẤT HYDROCARBON THƠM ðA NHÂN (PAHs) VÀ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY SINH HỌC BỞI VI KHUẨN Nghiêm Ngọc Minh, Cung Thị Ngọc Mai Viện Công nghệ sinh học TÓM TẮT Trên giới Việt Nam nay, với phát triển nhanh chóng xã hội, nhu cầu nguồn nguyên, nhiên liệu người ngày tăng kéo theo mở rộng ngành công nghiệp khai thác, chế biến công nghiệp dầu mỏ, sản xuất sơn, sản xuất giấy, công nghiệp dệt nhuộm hay sản xuất hóa chất tẩy rửa, Hoạt ñộng ngành công nghiệp hàng năm ñã thải lượng lớn chất ñộc gây ô nhiễm môi trường có ảnh hưởng ñến sức khỏe người Ngoài số cố, nguyên nhân ô nhiễm môi trường chất thải không ñược xử lý triệt ñể hay chưa ñược xử lý hàng ngày thải môi trường, phá vỡ cân sinh thái gây ảnh hưởng nghiêm trọng ñối với sức khỏe người Trong số phải kể ñến hợp chất hydrocacbon thơm (PAHs) chất thường gây ung thư ñột biến người Chúng có nước, chất thải công nghiệp dầu mỏ Sự phân hủy hoàn toàn hợp chất PAHs ñòi hỏi tham gia tập ñoàn vi sinh vật Khi PAHs ñược hấp thụ vi sinh vật, chúng phân hủy theo ñường hiếu khí cách gắn thêm nguyên tử oxy nhờ vi khuẩn ñể tạo hợp chất cis-dihydrodiol hay hợp chất phenol PAHs hoạt ñộng hệ enzyme P450 nhiều nấm vi khuẩn ñể tạo arene oxide Sự hoạt hóa ñược thực nhờ enzyme phân hủy lignin tạo quinine Tuy nhiên tập trung vào khả phân hủy PAHs vi khuẩn Từ khóa: PAHs, phân hủy PAHs, phân hủy PAHs vi khuẩn, hợp chất cis-dihydrodiol, hợp chất phenols MỘT SỐ ðẶC ðIỂM CỦA PAHs PAHs gì? PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) ñược sử dụng ñể số chất hữu gồm hai hay nhiều vòng hydrocarbon thơm liên kết với nhau, ñược hình thành trình ñốt cháy than ñá, dầu, gỗ, rác thải hay hợp chất hữu thuốc thịt cháy thành than PAHs thường tồn dạng hỗn hợp (1 phần sản phẩm ñốt cháy ví dụ bồ hóng) Một vài PAHs ñược sử dụng làm thuốc tạo màu, nhựa thuốc trừ sâu, số khác chứa nhựa ñường Chúng ñược tìm thấy bề mặt dầu thô, than ñá, nhựa than ñá, dầu nhựa carton PAHs ñược tìm thấy môi trường không khí, nước ñất Chúng xuất không khí, ñồng thời công liên kết vào phần tử bụi cát sau ñó tích tụ ñất trầm tích Cấu trúc hóa học số ñặc tính PAHs Tại nhiệt ñộ thường (từ 15 - 35°C), PAHs tinh khiết tồn thể rắn, không màu có màu trắng hay màu vàng chanh Tùy thuộc vào khối lượng phân tử mà PAHs có tính chất vật lý, hóa học khác Nhìn chung, chúng có nhiệt ñộ nóng chảy nhiệt ñộ sôi cao, áp suất bay thấp tan nước tan tốt chất béo Một số ñặc tính PAH ñược mô tả bảng (Lan Sander, Stephen Wis, 1997) Hệ số Kpd cao, PAH có xu hướng tăng khả hấp phụ lên bề mặt vật liệu rắn, tương ứng với giảm khả phân hủy sinh học ðộ hòa tan nước PAH tỷ lệ nghịch với số Kp PAH chất kỵ nước Khả gây ô nhiễm môi trường tùy thuộc khả hòa tan chúng môi trường nước (Carl Cerniglia, 1992; Sims et al., 1983) ðặc ñiểm khả hòa tan áp suất PAH nhân tố ảnh hưởng ñến khả phân tán chúng khí quyển, thủy sinh Số lượng vòng benzen cấu trúc hóa học PAH ñịnh khả hòa tan PAH nước PAH giảm khả hòa tan nước hay tăng tính kỵ nước số lượng vòng benzen tăng (Wilson, Jones, 1993) Khả hòa tan PAH biến ñộng, từ chất khó hòa tan benzo(b)perylene có số hòa tan Nghiêm Ngọc Minh & Cung Thị Ngọc Mai 0,003 mg/l cho ñến chất dễ hòa tan naphthalene có số hòa tan tới 31 mg/l Nếu khả hòa tan nước PAH thấp, hay hệ số hấp phụ cao, số Kp cao dẫn ñến PAH có xu hướng bị hấp phụ cặn bùn, ñất ñá trầm tích, ñó ảnh hưởng nhiều tới khả chúng bị phân hủy sinh học vi sinh vật (Ahn Y et al., 1999) Ngược lại, khả hòa tan nước PAH cao khả bị phân hủy vi sinh vật cao ðiều ñó cho thấy khả hòa tan nước PAH có ảnh hưởng ñặc biệt quan trọng trình phân hủy sinh học PAH Hệ số Kpd cao, PAH có xu hướng tăng khả hấp phụ lên bề mặt vật liệu rắn, tương ứng với giảm khả phân hủy sinh học số Kp cao có nghĩa số nguyên tử carbon, số mạch vòng phân tử PAH ñó tăng lên khó bị phân hủy tức làm giảm khả phân hủy sinh học Áp suất nhiệt ñộ sôi có vai trò quan trọng trình xử lý loại bỏ PAH khỏi ñịa ñiểm ô nhiễm, ảnh hưởng ñến khả hóa PAH, mà bay cách ñể loại bỏ PAH khỏi nguồn ô nhiễm Khi áp suất tăng, khả bay tăng Khả bay phụ thuộc vào kích thước khối lượng phân tử Từ cấu trúc phân tử PAHs HÌNH ta thấy, naphthalene có kích thước nhỏ nên có khả bay ñến 89%, ñó BaP hợp chất có kích thước lớn, có khả bay 1% Phenanthrene ñồng phân anthracene có ñộ bay thấp cấu trúc phân tử chứa vòng thơm không thẳng hàng cấu trúc anthracene Hình Cấu trúc hóa học số loại PAHs (Lane Sander, Stephen Wis, 1997) Tạp chí Công nghệ Sinh học 8(1): 1-11, 2010 Bảng 1.Tính chất vật lý số loại PAH Tên loại PAH Số vòng Nhiệt ñộ nóng (°C) chảy LogKpd Nhiệt ñộ ðộ tan sôi nước Áp suất 20°C (°C) (mg/l) (torr) Phenanthrene 101 340 1,29 4,45 6,8.10-4 Anthracene 216 340 0,07 4,46 2,0.10-4 Fluoranthene 111 250 0,26 5,33 6,0.10-6 Benzo[a]anthracene 158 400 0,24 5,61 5,0.10-9 Pyrene 149 360 0,14 5,32 6,8.10-7 Schyrene 255 488 0,02 5,61 6,3.10-7 Benzo[a]pyrene (BaP) 179 496 0,0038 6,04 5,0.10-7 Dibenzo[a] anthracene 262 524 0,0005 5,97 1,0.10-10 Benzo[g,h,i]perylene 222 0,0003 7,23 1,0.10-10 Ghi chu: * Kpd= [octanol]/ [nước] Nguồn gốc phát sinh khả tích tụ PAHs PAHs ñược hình thành chủ yếu từ trình nhiệt phân, ñặc biệt từ ñốt cháy không hoàn toàn hợp chất hữu công nghiệp hoạt ñộng khác người, ví dụ trình khai thác than ñá dầu mỏ, ñốt cháy khí thiên nhiên, ñốt cháy nhiên liệu từ; khí thải phương tiện giao thông, từ trình chế biến thức ăn, từ khói thuốc lá, khí thải lò ñốt rác (rác thải y tế rác thải ñô thị); trình công nghiệp bẻ gãy liên kết mạch dài chất hữu có dầu mỏ, công ñoạn ñúc sắt thép sản xuất nhôm, than chì Có tới hàng trăm PAHs khác nhau, ñược biết ñến nhiều benzo[a]pyrene (BaP) Ngoài ra, có số hợp chất vòng thơm khác như: carbazole, acridine hay nitro-PAHs, sinh ñốt cháy không hoàn toàn Nói cách tổng quát, PAHs ñược sinh nhiều từ hoạt ñộng công nghiệp hoạt ñộng khác người PHÂN HỦY SINH HỌC PAHs BỞI VI SINH VẬT Con ñường phân hủy sinh học PAHs vi sinh vật Những nghiên cứu gần ñây ñã vi sinh vật phân hủy PAHs trình chủ yếu có khả loại bỏ ñộc tố có trầm tích bề mặt ñất (Sims et al., 1990) Những hợp chất hỗn hợp chất bị phân hủy (khoáng hóa) hay bị chuyển hóa phần (Hình 2) tập hợp vi sinh vật hay vi sinh vật ñơn lẻ (Cerniglia, Heitkamp, 1989) Sự phân hủy sinh học ñất ô nhiễm chứa PAHs cách ñể loại bỏ ô nhiễm, chúng ñược loại bỏ nhờ thiêu ñốt Trong suốt kỷ trước, lượng lớn vi sinh vật ñã ñược phân lập có khả phân hủy PAHs khác ñường phân hủy PAHs ñã ñược Các nhà khoa học cho rằng, ñường phân hủy PAHs vi sinh vật chủ yếu theo ñường ñồng trao ñổi chất Hiện nay, xử lý chất ô nhiễm theo phương pháp vi sinh (bioremediation) hướng ñi mẻ ñầy triển vọng giải vấn ñề ô nhiễm môi trường Phương pháp phân hủy sinh học ñược ứng dụng như: bổ sung vi sinh vật có khả phân hủy chất ñộc vào vùng ô nhiễm (bioaugmentation), kích thích phát triển vi sinh vật ñịa (biostimulation) Phương pháp phân hủy sinh học không ñòi hỏi ñiều kiện phức tạp nhiệt ñộ cao, áp suất, trình xúc tác….; không gây ô nhiễm thứ cấp, thân thiện với môi trường, chi phí thấp ñó phù hợp với ñiều kiện nước ta Hạn chế phương pháp thời gian xử lý Quá trình phân hủy sinh học hợp chất hydrocarbon ñược thực nhiều vi sinh vật (Al-Turki, 2009), ñó vai trò vi khuẩn ñã ñược nhà khoa học nghiên cứu từ lâu Trong bảng ñã có 60 giống vi khuẩn có chứa loài khác có khả phân hủy hydrocarbon Nghiêm Ngọc Minh & Cung Thị Ngọc Mai PAH Bay Quá trình phân hủy ñầu tiên Quang hóa Lắng ñọng Tích tụ sinh học CO2 Quá trình [O] hóa học Bị loại bỏ Khoáng hóa hoàn toàn Hình Một số ñường chuyển hóa PAH (Carl Cerniglia, 1992) Bảng Các chi vi khuẩn có khả phân hủy PAHs (Al-Turki, 2009) 10 11 12 13 14 15 Achromobacter Acidovorax Acinetobacter Actinomyces Aerobacter Aeromonas Agmenellum Agrobacterium Alcaligenes Alteromonas Anabaena Aphanocapsa Arthrobacter Aureobacterium Azosporillurn 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Azotobacter Bacillus Beijerinckia Beneckea Brevibacterium Clavibacter Clostridium Coccochloris Comanonas Corynebacterium Curtobacterium Cyclolasticus Cytophaga Enterobacter Erwinia Khả phân hủy sinh học số loại PAHs vi khuẩn Một số nghiên cứu giới Naphthalene Khả phân hủy naphthalene ñược nghiên cứu nhiều số PAH có cấu trúc 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 Escheriachia Flavobacterium Gordona Klebsiella Lactobacillus Leucothrix Marinobacter Micrococcus Microcoleus Moaxella Mycobacterium Nocardia Nostoc Oscillatoria Peptococcus 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 Phorm Proteus Pseudomonas Rhodococcus Sarcina Serratia Spherotilus Sphingomonas Spirillum Streptomyces Thermoleophilum Vibrio Xanthomonas ñơn giản nhất, hòa tan dễ vi sinh vật có khả phân hủy naphthalene dễ dàng ñược phân lập Có nhiều vi khuẩn ñược phân lập sử dụng naphthalene nguồn carbon lượng ñược công bố: Alcaligenes, Burkholderia, Mycobacterium, Polaromonas, Pseudomonas, Ralstonia, Rhodococcus, Spingomonas Streptomyces (Jong-Su Seo, 2009) Tạp chí Công nghệ Sinh học 8(1): 1-11, 2010 Sự phân hủy naphthalene ñược bắt ñầu loạt enzyme, naphthalene dioxygenase công vào vòng thơm hình thành cis-(1R, 2S)-dihydroxy1,2-dihydronapthalene (cis-naphthalene dihydrodiol) Cis-naphthalene dihydrodiol ñã ñược tạo thành sau ñó loại hydro tạo 1,2dihydroxynaphthalene enzyme cis-dihydrodiol dehydrogenase Tiếp ñó, 1,2-dihydroxynaphthalene bị chuyển hóa thành salicylate thông qua 2-hydroxy- 2H-chromene-2-carboxylic acid, cis-o-hydroxybenzalpyruvate 2-hydroxy-benzaldehyde Bước tiếp theo, 1,2-dihydroxynaphthalene bị oxy hóa thành napthaquinone Salicylate thường bị loại bớt carbon ñể tạo thành catechol bị chuyển hóa cắt vòng vị trí meta- ortho- Fuenmayor ñồng tác giả ñã salicylate bị chuyển hóa thành gentisate enzyme salicylate-5-hydroxylase (JongSu Seo, 2009) Hình Con ñường oxy hóa naphthalene vi khuẩn (Goyal et al., 1997; Auger et al., 1995; Baboshin et al., 2008; Denome et al., 1993; Kiyohara et al.,1994) Phenanthrene Phenanthrene có chứa vùng “bay” vùng “k” có khả hình thành epoxide, chất có khả gây ung thư Phenanthrene PAH ñơn giản có chứa vùng Chính vậy, phenanthrene ñược sử dụng chất chuẩn ñể nghiên cứu chế chuyển hóa vùng bay- vùng K- PAHs gây ung thư benz[a]pyrene, benzo[a]anthracene chrysene Nghiêm Ngọc Minh & Cung Thị Ngọc Mai Vùng bay- phenanthrene vùng nguyên tử carbon số và vùng K- vùng liên kết số số 10 Một số lượng lớn vi khuẩn thuộc chi: Acidovorax, Arthrobacter, Brevibacterium, Burkholderia, Comamonas, Mycobacteria, Pseudomonas Sphingomonas ñã ñược phân lập chúng có khả sử dụng phenanthrene nguồn carbon lượng (Jong-Su Seo, 2009) Hình Con ñường phân hủy phenanthrene vi khuẩn (Baboshin et al., 2008; Boldrin et al., 1993; Casellas et al., 1997; Grifoll et al., 1995; Wattiau et al., 2001; Monna et al., 1993) Phenanthrene; cis-1,2-dihydroxy-1,2-dihydrophenanthrene; 1,2-dihydroxyphenanthrene; 3-hydroxy-3H-benzo[f]chromene-3-carboxylic acid; 4-(2-hydroxy-naphthalene-1-yl)-2oxo-but-3-enoic acid; 2-hydroxy-naphthalene-1-carbaldehyde; 2-hydroxy-1-naphthoic acid; 5,6-benzocoumarin; cis-9,10-dihydrophenanthrene; 10 9,10-dihydroxyphenanthrene; 11 2,2’-diphenic acid; 12 cis-3,4-dihydroxy-3,4dihydrophenanthrene; 13 3,4-dihydroxyphenanthrene; 14 2-hydroxy-2H-benzo[h]chromene-2-carboxylic acid; 15 4-(1hydroxynaphthalene-2-yl)-2-oxo-but-3-enoic acid; 16 1-hydroxy-naphthalene-2-carbaldehyde; 17 1-hydroxy-2-naphthoic acid; 18 7,8-benzocoumarin; 19 1-(2-carboxy-vinyl)-naphthalene-2-carboxylic acid; 20 2-(2-carboxy-vinyl(-naphthalene-1carboxylic acid ; 21 naphthalene-1,2-dicarboxylic acid; 22 naphthalene-1,2-diol; 23 2-hydroxybenzalpyruvic acid; 24 salicylic aldehyde; 25 salicylic acid; 26 gentisic acid; 27 coumarin; 28 2-carboxycinnamic acid; 29 2-formylbenzoic acid; 30 phthalic acid; 31 3,4-dihydroxyphthlic acid; 32 protocatechuic acid; 33 trans-2,3-dioxo-5-(2’-hydroxyphenyl)-pent-4enoic acid Tạp chí Công nghệ Sinh học 8(1): 1-11, 2010 Hình Con ñường phân hủy pyrene vi khuẩn (Carl Cernigna et al., 1992) pyrene; pyrene-cis-1,2-dihydrodiol; pyrene-1,2-diol; 2-hydroxy-3-(perinaphthenone-9-yl)-propenic acid; 2-hydroxy-2H-1-oxa-pyrene-2-carboxylic acid; 4hydroxyperinaphthenone; 1,2-dimethoxypyrene; pyrene-trans-4,5-dihydrodiol; pyrenen-cis-4,5-dihydrodiol; 10 pyrene-4,5-diol; 11 phenanthrene-4,5-dicarboxylic acid; 12 4-carboxyphenanthrene-5-ol; 13 4-carboxy-5-hydroxyphenanthrene-9,10-dihydrodiol; 14 4-carboxyphenanthrene-5,9,10-triol; 15 2,6,6’-tricarboxy-2’-hydroxybiphenyl; 16 2,2’dicarboxy-6,6’-dihydroxybiphenyl; 17 phthalic acid; 18 4-phenantroic acid; 19 3,4-dihydroxy-3,4-dihydro-phenanthrene-4carboxylic acid; 20 phenanthrene-3,4-diol; 21 4-phenanthroic acid methyl ester; 22 4-hydroxyphenanthrene; 23 7,8benzocoumarin; 24 2-hydroxy-2-(phenanthrene-5-one-4-enyl)-acetic acid; 25 5-hydroxy-5H-4-oxa-pyren-5-carboxylic acid; 26 pyrene-4,5-dione; 27 4-oxa-pyrene-5-one Gần ñây, Seo ñồng tác giả (2006) ñã giải thích ñược sản phẩm cắt vòng vị trí ortho- 2-(2-carboxy-vinyl)-naphthalene-1-carboxylic acid, bị phân hủy thành naphthalene-1,2-diol thông qua naphthalene-1,2-dicarboxylic acid 1-hydroxy-2naphthoic acid Pagnout ñồng tác giả (2007) ñã công bố nhóm gen tham gia vào trình phân hủy phenanthrene qua ñường oxy hóa vị trí C3,4 phenanthrene cắt vòng vị trí meta- Quá trình xảy oxy hóa vị trí C1,2 phenanthrene ñể hình thành cis-1,2dihydroxy-1,2-dihydrophenanthrene thông qua Nghiêm Ngọc Minh & Cung Thị Ngọc Mai trình loại hydro tạo 1,2-dihydroxyphenanthrene Diol sau ñó ñược xúc tác tạo naphthalene-1,2-diol vị trí meta- ortho- Thông thường, phenanthren-1,2 3,4-diol chủ yếu trải qua trình cắt vòng vị trí meta- ñể tạo 5,6- 7,8benzocoumarin Naphthalene-1,2-diol ñược tạo từ 1-hydroxy-2-naphthic acid 2-hydroxy-1- naphthoic acid ñược phân hủy tiếp ñể tạo phathalic acid vị trí ortho- ñường salicylic vị trí meta- Mallick ñồng tác giả ñã có báo cáo cắt vòng vị trí meta- 2-hydroxy-1-naphthoic acid thành dạng trans-2,3-dioxo-5-(2’hydroxyphenyl)-pent-4-enoic acid nhờ Staphylococcus sp PN/Y Hình Con ñường chuyển hóa BaP vi khuẩn (Schneider et al., 1996; Moody et al., 2004; Rentz et al., 2008) Benzo[a]pyrene; benzo[a]pyrene-11,12-epoxide; benzo[a]pyrenetrans-11,12-dihydrodiol; benzo[a]pyrene cis-11,12dihydrodiol; 11,12-dihydroxybenzo[a]pyrene; hydroxymethoxybenzo[a]pyrene; dimethoxybenzo[a]pyrene; benzo[a]pyrene cis-4,5-dihydrodiol; 4,5-dihydroxybenzo[a]pyrene; 10 4-formylchrysene-5-carboxylic acid; 11 4,5chrysene-dicarboxylic acid; 12 chrysene-4 5-carboxylic acid; 13 benzo[a]pyrene cis-7,8-dihydrodiol; 14 7,8dihydroxybenzo[a]pyrene; 15 cis-4-(7-hydroxypyrene-8-y)-2-oxobut-3-enoic acid; 16 pyrene-7-hydroxy-8-carboxylic acid; 17 7,8-dihydro-pyrene-8-carboxylic acid; 18 benzo[a]pyrene cis-9,10-dihydrodiol; 19 9,10-dihydroxybenzo[a]pyrene; 20 cis-4-(8-hydroxypyrene-7-yl)-2-oxobut-3-enoic acid; 21 pyrene-8-hydroxy-7-carboxylic acid; 22 7,8-dihydro-pyrene-7carboxylic acid; 23 10-oxabenzo[def]chrysene-9-one Pyrene Các nghiên cứu giới ñã rằng, ñất ñã tìm ñược vi sinh vật khoáng hóa pyrene Có nhiều vi khuẩn ñược phân lập có khả phân hủy pyrene ñã ñược nghiên cứu Mycobacterium vi khuẩn Gram (+) ñược nghiên cứu rộng rãi khả sử dụng pyrene nguồn carbon lượng Heitkamp ñồng tác giả (1988) ñã tìm thấy sản phẩm trình Tạp chí Công nghệ Sinh học 8(1): 1-11, 2010 oxy hóa vòng pyrene-cis-4,5-dihydrodiol, pyrenetrans-4,5-dihydrodiol pyrenol sản phẩm cắt vòng 4-hydroxyperinaphthenone, 4-phenanthroic acid, phthalic acid cinnamic acid nhờ sử dụng phương pháp UV, sắc ký khối phổ, NMR GC Sự hình thành pyrene-cis-4,5-dihydrodiol enzyme dioxygenase pyrene-trans-4,5-dihydrodiol monooxygenase ñã chứng minh loạt khả oxy hóa công vào pyrene Pyrene-1,2-diol thu ñược vị trị 1,2-C ñã ñược khoáng hóa thành 4hydroxyperinaphtenone theo ñường tạo cis-2hydroxy-3-(perinaphtenone-9-yl)-propenic acid 2hydroxy-2H-1-oxa-pyrene-2-carboxylic acid Kim Freeman (2005) ñã tìm 1,2-dimethoxypyrene sản phẩm phụ pyrene-1,2-diol Pyrene-4,5-diol ñã bị phân hủy vị trí ortho- tạo phenanthrene-4,5dicarboxylic acid, bị khoáng hóa tiếp thông qua ñường tạo phenanthrene-3,4-diol 6,6’-dihydroxy2,2’-biphenyl-dicarboxylic acid Cắt vòng vị trí meta- pyrene-4,5-diol dẫn tới 5-hydroxy-5H-4oxa-pyrene-5-carboxylic acid thông qua 2-hydroxy2-(phenanthrene-5-one-4-enyl)-acetic acid Sản phẩm chuyển hóa 6,6’-dihydroxy-2,2’biphenyl-dicarboxylic acid ñã ñược xác ñịnh từ phân hủy pyrene Mycobacterium sp AP1 Liang ñồng tác giả ñã hình thành pyrene4,5-dione hầu hết enzyme cần thiết suốt bước ñầu tiên trình phân hủy pyrene Mycobacterium sp KMS Kim ñồng tác giả (2005) ñã tìm 27 enzyme cần thiết ñường phân hủy hoàn toàn pyrene nhờ hiểu biết gene protein Benzo[a]pyren (BaP) Schneider ñồng tác giả (1996) ñã xuất báo miêu tả phát sản phẩm cắt vòng thơm BaP, Mycobacterium sp RJGII-135 phát triển môi trường chứa cao men, peptone tinh bột tan có khả chuyển hóa sinh học 20 µg BaP 50 ml môi trường Cơ chế trình phân hủy sinh học BaP ñã ñược phát (Hình 5) phương pháp sắc ký khối phổ với ñộ phân giải cao tạo cis-7,8-benzo[a]pyrenedihydrodiol, 4,5-chrysenedicarboxylic acid, cis-4-(8-hydroxypyren-7-yl)-2-oxobut-3-enoic acid [hoặc cis-4-(7hydroxypren-8-yl)-2-oxobut-3-enoic acid], 7,8dihydropyrene-7-carboxylic acid (hoặc 7,8dihydropyrene-8-carboxylic acid) Tác giả chưa phân biệt ñược sản phẩm cắt vị trí meta- thông qua liên kết 7,8 liên kết 9, 10 BaP, ñó trình cắt vòng có khả tạo sản phẩm theo chế ñó MỘT SỐ NGHIÊN CỨU Ở VIỆT NAM Tại Việt Nam, bên cạnh số sở nghiên cứu khác, Viện Công nghệ sinh học ñã tiến hành số nghiên cứu khả phân hủy PAHs phân bố tập ñoàn vi sinh vật vùng sinh thái khác Các nghiên cứu xử lý nước thải nhà máy giấy (có chứa chất PAHs) theo hướng phân hủy sinh học quy mô phòng thí nghiệm pilot ñã ñược thử nghiệm Kết cho thấy, hoàn toàn áp dụng công nghệ trường ðã có số công bố tác giả nước khả phân huỷ PAH chủng vi sinh vật ñược phân lập từ nguồn khác Năm 2000, Nguyễn Bá Hữu ñồng tác giả ñã phân lập ñược chủng vi khuẩn từ mẫu bùn cát Khe Chè, Quảng Ninh ñó chủng vi khuẩn KCP8 có khả chuyển hoá loại PAH sau ngày nuôi cấy Chủng vi khuẩn Sphingomanas yanoikuyae MXL-9 phân lập từ cặn dầu thô mỏ Bạch Hổ phân hủy 64,5% phenanthrene 61,4% anthracene sau ngày nuôi cấy nồng ñộ thấp (La Thị Thanh Phương et al., 2003) Chủng KCP8 Nguyễn Bá Hữu ñồng tác giả phân lập Khe Chè có khả phân huỷ hỗn hợp PAH: phenanthrene, anthracene fluoranthene sau ngày nuôi lắc môi trường muối khoáng 76,12%, ñó khả phân hủy phenanthrene hỗn hợp 79,96%, anthracene 71,09% fluoranthene 41,01% Năm 2008, Lê Tiến Mạnh ñồng tác giả ñã phân lập ñược chủng BQN31 từ mẫu nước nhiễm dầu thu thập bể thu gom xí nghiệp khai thác mỏ Quảng Ninh có khả sử dụng 69,38% naphthalene, 60,24% phenanthrene, 18,52% fluorene, 25,9% anthracene 18,75% pyrene Cũng năm 2008, Phan Thị Hoàng Hảo ñồng tác giả ñã phân lập ñược chủng BDNR1 từ ñất bioreactor kỵ khí không bắt buộc xử lý ñất nhiễm chất diệt cỏ chứa dioxin có khả phân hủy 86,2% pyrene, 50% anthracene, naphthalene phenanthrene, 44,4% fluoranthrene 20% fluorene; chủng BDNR4 phân hủy 61,5% pyrene, 50% anthracene naphthalene, 65,3% fluoranthrene, 47% fluorene 23,1% naphthalene Ngoài ra, số công trình tác giả nước ñã công bố khả phân hủy PAH chủng vi sinh vật Việt Nam Trong vài năm trở lại ñây, phòng Công nghệ sinh học môi trường thuộc Viện Công nghệ sinh học ñã thành công việc thử nghiệm công nghệ phân hủy sinh học xử lý nước thải nhiễm dầu Công ty Xăng dầu B12, Cục Xăng dầu quân ñội, Nghiêm Ngọc Minh & Cung Thị Ngọc Mai tham gia xử lý chất ñộc hóa học/dioxin ðà Nẵng Biên Hòa, thử nghiệm xử lý thuốc bảo vệ thực vật DDT, 666, thuốc nổ TNT, xử lý nước thải nhà máy giấy Hải Dương, Thanh Hóa ñó thành phần PAHs có nước thải ñất bị ô nhiễm ñã ñược loại bỏ ñáng kể Sự gia tăng hiểu biết tập ñoàn vi sinh vật phân hủy PAHs chế phân hủy sinh học PAHs giúp cho việc tìm hiểu thêm phân hủy PAH tương lai Tóm lại, hiểu biết phân hủy sinh học PAHs vi khuẩn ñã ñược xác ñịnh từ thập kỷ trước Một số chủng vi sinh vật phân hủy PAH ñã ñược phân lập xác ñịnh ñặc tính Cũng thời gian ñó, nghiên cứu sâu ñã ñược tiến hành số vùng nghiên cứu khả phân hủy sinh học PAH Trong trình phân hủy sinh học, PAH ñã kết hợp với hydrocarbon khác hỗn hợp bị vi sinh vật phân hủy TÀI LIỆU THAM KHẢO Ahn Y, Sanseverino J, Sayler GS (1999) Analyses of polycyclic aromatic hydrocarbon-degrading bacteria isolated from contaminated soil Biodegradation 10: 149157 Al-Turki AI (2009) Microbial Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Degradation in Soil Res J Environ Toxicol 3(1): 1-8 Mrozik A, Piotrowska-sege Z, Labuzek S (2003) Bacterial Degradation and Bioremediation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Pol J Environ Stud 12(1): 15-25 Metabolism of dibenzothiophene and naphthalene in Pseudomonas strains: Complete DNA sequence of an upper naphthalene catabolic pathway J Bacteriol 175(21): 6890-6901 Goyal AK, Zylstra GJ (1997) Genetics of naphthalene and phenanthrene degradation by Comamonas testosteroni J Ind Microbiol Biotechnol 19: 401-407 Grifoll M, Selifonov SA, Gatlin CV, Chapman PJ (1995) Actions of a versatile fluorene-degrading bacterial isolate on polycyclic aromatic hydrocarbons Appl Environ Microbiol 61(10): 3711-3723 Heitkamp MA, Freeman JP, Miller DW, Cerniglia CE (1988) Pyrene degradation by a Mycobacterium sp.: Identification of ring oxidation and ring fission products Appl Environ Microbiol 54: 2556-2565 Hoàng Thị Mỹ Hạnh, Nguyễn ðương Nhã, ðặng Thị Cẩm Hà (2003) Nấm sợi phân hủy hydrocacbon thơm ña nhân phân lập từ cặn dầu thô giếng khai thác dầu, Vũng Tàu Tạp chí Công nghệ Sinh học 1(2): 255-264 Jong-Su Seo, Young-Soo Keum, Qing X Li (2009) Bacterial degradation of aromatic compounds A review Int J Environ Public Health 6(1): 278-309 Kim YH, Freeman JP (2005) Effects of pH on the degradation of phenanthrene and pyrene by Mycobacterium vanbaalenii PYR-1 Appl Microbiol Biotechnol 67: 275-285 Kiyohara H, Torigoe S, Kaida N, Asaki T, Iida T, Hayashi H, Takizawa N (1994) Cloning and characterization of a chromosomal gene cluster, PAH, that encodes the upper pathway for phenanthrene and naphthalene utilization by Pseudomonas putida OUS82 J Bacteriol 176: 2439-2443 Auger RL, Jacobson AM, Domach MM (1995) Effect of nonionic surfactant addition on bacterial metabolism of naphthalene: Assessment of toxicity and overflow metabolism potential J Hazard Mater 43: 263-272 La Thị Thanh Phương, Nguyễn Bá Hữu, ðặng Thị Cẩm Hà (2003) Phân hủy sinh học hydrocacbon thơm ña nhân (PAH) chủng vi khuẩn MLX-9 phân lập từ cặn dầu thô mỏ Bạch Hổ, Vũng Tàu Tạp chí Công nghệ Sinh học 1(1): 109-117 Baboshin M, Akimov V, Baskunov B, Born T.L, Khan S.U, Golovleva L (2008) Conversion of polycyclic aromatic hydrocarbons by Sphingomonas sp VKM B2434 Biodegradation 2008(19): 567-576 Lane C Sander, Stephen A Wis (1997) Polycyclic Aromatic Hydrocarbons structure index National Institute of Standards and Technology (NIST) Special Publication 922 Boldrin B, Tiehm A, Fritzsche C (1993) Degradation of phenanthrene, fluorene, fluoranthene, and pyrene by a Mycobacterium sp Appl Environ Microbiol 59: 19271930 Lê Tiến Mạnh (2008) Phân lập, tuyển chọn nghiên cứu khả phân huỷ sinh học hydrocacbon thơm vài chủng vi khuẩn ñược phân lập từ nước ô nhiễm dầu Quảng Ninh Luận văn Thạc sỹ sinh học ðại học Sư phạm, ðại học Thái Nguyên Carl E Cerniglia (1992) Biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons Biodegradation 3: 351-368 Casellas M, Grifoll M, Bayona JM, Solanas AM (1997) New metabolites in the degradation of fluorene by Arthrobacter sp strain F101 Appl Environ Microbiol 63: 819-826 Denome SA, Stanley DC, Olson ES, Young KD (1993) 10 Monna L, Omori T, Kodama T (1993) Microbial degradation of dibenzofuran, fluorene, and dibenzo-pdioxin by Staphylococcus auriculans DBF63 Appl Environ Microbiol 59: 285-289 Moody JD, Freeman JP, Fu PP, Cerniglia CE (2004) Degradation of benzo[a]pyrene by Mycobacterium Tạp chí Công nghệ Sinh học 8(1): 1-11, 2010 vanbaalenii PYR-1 Appl Environ 70: 340-345 Nghiêm Ngọc Minh, Nguyễn Thành ðức (2004) Phân loại chủng vi khuẩn HDG1 phân lập từ mẫu nước thải nhà máy giấy Hải Dương Tạp chí Công nghệ Sinh học 2(2): 245252 Nguyễn Bá Hữu (2002) Nghiên cứu nhóm vi sinh vật khả phân hủy hydrocacbon thơm ña nhân số chủng vi khuẩn trình xử lý ô nhiễm dầu Khe Chè, Quảng Ninh Luận văn Thạc sỹ sinh học Viện Sinh thái Tài nguyên sinh vật Pagnout C, Frache G, Poupin P, Maunit B, Muller JF, Férard JF (2007) Isolation and characterization of a gene cluster involved in PAH degradation in Mycobacterium sp strain SNP11: expression in Mycobacterium smegmatis mc(2)155 Res Microbiol 158(2): 175-186 Phan Thị Hoàng Hảo (2008) Nghiên cứu phân hủy sinh học chất diệt cỏ chứa dioxin số chủng vi khuẩn từ ñất nhiễm chất ñộc hóa học Luận văn Tốt nghiệp ðại học Viện ðại học Mở Hà Nội Rentz JA, Alvarez PJJ, Schnoor JL (2008) Benzo[a]pyrene degradation by Sphingomonas yanoikuyae JAR02 Environ Pollut 151(3): 669-677 Robert A Kanaly, Shigeaki Harayama (2000) Biodegradation of High-Molecular-Weight Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Bacteria J Bacteriol 182(8): 2059-2067 Schneider J, Grosser R, Jayasimhulu K, Xue W, Warshawsky D (1996) Degradation of pyrene, benzo[a]anthracene, and benzo[a]pyrene by Mycobacterium sp Strain RJGII-135, isolated from a former coal gasification site Appl Environ Microbiol 62: 13-19 Seo JS, Keum YS, Hu Y, Lee SE, Li QX (2006) Phenanthrene degradation in Arthrobacter sp P1-1: Initial 1,2-, 3,4- and 9,10-dioxygenation, and meta- and orthocleavages of naphthalene-1,2-diol after its formation from naphthalene-1,2-dicarboxylic acid and hydroxyl naphthoic acids Chemosphere 65(11): 2388-2394 Sims RC, Overcash MR (1983) Fate of polynuclear aromaticcompounds (PNAs) in soil - plant systems Residue Reviews 88: 1-68 Srogy K (2007) Monitoring of environmental exposure to Polycyclic aromatic hydrocarbons: a review Environ Chem Lett 5: 169-195 Wattiau P, Bastiaens L, van Herwijnen R, Daal L, Parsons J.R, Renard M.E, Springael D, Cornelis G.R (2001) Fluorene degradation by Sphingomonas sp LB126 proceeds through protocatechuic acid: a genetic analysis Res Microbiol 152: 861-872 Wilson SC, Jones KC (1993) Bioremediation of soils contami-nated with polynuclear aromatic hydrocarbons (PAHs): a review Environ Pollut 88: 229-249 POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBON (PAHs) AND THEIR BIODEGRADATION BY BACTERIA Nghiem Ngoc Minh*, Cung Thi Ngoc Mai Institute of Biotechnology SUMMARY Around the world and in Vietnam, with the development of society, the request for raw materials and fuel increases that bring about widenning exploiting, processing industries such as: petroleum industry, paint producing, wood producing, textile and dye industry or toxic detergent and chemicals processing, etc The industrial activities release a large mount of toxic waste, which pollute environment and influence human health Beside some breakdown, the main reason of pollution is the waste that doesn’t strict treat or doesn’t treat and they discard the environment, to break though balance of ecology and cause serious effect to human health Among them there are several PAHs that cause cancer and mutation, they alway exist in water, industrial wastes and petroleum The complete degradation of PAHs from various sources requires a community of microrganisms When PAHs are taken by microorganisms, they will be activated in aerobic metabolism by insertion of two oxygen atoms by bacteria and greenalgae to produce either cis-dihydrodiols or phenols PAHs may also be activated by cytochrome P450 of many fungi and bacteria to produce arene oxides This activation may also be performed by lignin degrading enzymes to produce quinies In this review, we only focus on bacteria that degradate PAHs Keywords: Bacterial degradation of PAHs, cis-dihydrodiol, degradation PAHs, phenols, PAHs * Author for correspondence: Tel: 84-4-39947243; E-mail: nghiemminh@ibt.ac.vn 11