IDEONELLA SAKAIENSIS – HY VỌNG CỦA CUỘC CHIẾN RÁC THẢI NHỰA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Khoa Kỹ Thuật Hóa Học  BÁO CÁO MƠN CƠ SỞ HĨA SINH VÀ VI SINH ĐỀ TÀI: IDEONELLA SAKAIENSIS – HY VỌNG CỦA CUỘC CHIẾN RÁC THẢI NHỰA NGÀY NỘP: 08/09/2021 Giảng viên hướng dẫn: PSG TS Nguyễn Thúy Hương Sinh viên thực hiện: Hoàng Phước Khải – 2013472 Phan Thị Quế Minh – 2013781 Thành phố Hồ Chí Minh – 2021 MỤC LỤC I Sơ lược PET vấn đề môi trường Sơ lược PET Vấn đề môi trường *TIA HY VỌNG MỚI II Tổng quan vi khuẩn Ideonella sakaiensis Tổng quan chung Đặc điểm sinh học III Cách Ideonella sakaiensis phân hủy PET chế hoạt động enzymes IV Ưu điểm, hạn chế, bước tiến giả thuyết đáng quan ngại Ưu điểm Hạn chế Bước tiến Giả thuyết đáng quan ngại 10 V Lời kết 10 VI Tài liệu tham khảo 11 I Sơ lược PET vấn đề môi trường Sơ lược PET - PET (polyethylene terephthalate) polymer tổng hợp ethylene glycol acid terephthalic phương pháp trùng ngưng PET phát triển vào đầu năm 1940 bắt đầu sử dụng quy mơ cơng nghiệp vào năm 1970 Hình 1.1 Trùng ngưng PET - Đặc tính: nhẹ, suốt, có độ bên học cao, độ bền nhiệt thấp, có nhiều lỗ rỗng, xốp nên khó làm - Chiếm 20% tổng lượng nhựa mà người sử dụng, đồ nhựa dùng lần vật đựng đồ uống, chai nước khống, ép phun để tạo hình bao bì đóng gói, khay nhựa đựng thực phẩm, sử dụng việc sản xuất sợi thủ công in 3D, ngành cơng nghiệp dệt may, túi xách Hình 1.2 Một số sản phẩm nhựa PET - PET gọi nhựa “take away”, sử dụng sản phẩm lần Sử dụng lại nhiều lần dẫn để ngộ antimony, chai, cốc nhựa PET để lâu khơng khí mơi trường thích hợp cho vi khuẩn đặc biệt vi khuẩn có hại phát triển Vấn đề mơi trường - Ngày nay, nhựa thường xử lý phương pháp chôn cất, đốt hay tái chế Tuy nhiên, khoảng 9% lượng nhựa toàn TĐ tái chế Lý để tái chế lại số nhựa sử dụng tốn nhiều so với việc sản xuất thành phẩm nhựa - Số lượng nhựa ngày nhiều gây đe dọa đến tồn nhiều sinh vật sống, có người - Chai nhựa sản phẩm nhựa PET cần 800 năm để tự phân hủy sinh học tự nhiên Trong có đến 4.8-12.7 triệu nhựa thải đại dương năm - Các nhà khoa học dự đoán vào năm 2050, khối lượng nhựa đại dương lớn khối lượng cá sinh vật biển Hình 1.3 Ơ nhiễm nhựa đại dương - Trước đây, nghiên cứu tìm số lồi nấm phân hủy nhựa Pestalotiopsis microspore, Aspergillus tubingensis, Pleurotus ostreatus…, vi khuẩn chưa *TIA HY VỌNG MỚI Vào năm 2016, nhóm nhà nghiên cứu đại học Keio Học viện Công nghệ Kyoto từ mẫu rác thu thập địa điểm tái chế chai nhựa PET Nhật Bản, phương pháp sàng lọc quần xã vi sinh vật tự nhiên tiếp xúc với PET, họ phân lập loài vi khuẩn sử dụng PET làm nguồn lượng nguồn carbon Hình 1.4 Hình ảnh hiển vi phóng đại 3000 lần cho thấy nhựa PET (màu xanh lam) bị phân hủy loại enzyme phá vỡ Bản thân enzyme nhỏ để nhìn thấy độ phóng đại II Tổng quan vi khuẩn Ideonella sakaiensis Tổng quan chung - Thuộc giới Bacteria, ngành Proteobacteria, lớp Betaproteobacteria, Burkholderiales, chi Ideonella - Tên đầy đủ: Ideonella sakaiensis 201-F6 Đặc điểm sinh học Hình 2.1 Hình ảnh tế bào vi khuẩn Ideonella sakaiensis quét kính hiển vi điện tử, dấu mũi tên điểm bám lên phim nhựa Hình 2.2 Hình ảnh chụp tế bào vi khuẩn I.sakaiensis kính hiển vi điện tử - Kích thước từ 1.2-1.5 µm với đường kính 0.6-0.8 µm - Hình dạng: hình que cong - Vi khuẩn Gram âm - I.sakaiensis vi khuẩn sống cạn - Hiếu khí - Sinh sản hình thức trực phân - Khơng tạo bào tử - Có thể di chuyển nhờ vào tiên mao - Có enzyme catalase oxidase - Điều kiện pH: 5.5-9.0 (tối ưu 7-7.5) - Điều kiện nhiệt độ: 15-42°C (tối ưu 30-37°C) - Hàm lượng G+C gen DNA 70.4% - Không tăng trưởng mơi trường có nồng độ NaCl 3% 45°C * Đặc điểm khuẩn lạc: - Hình trịn, mịn - Trong mờ, bơng kem khơng có màu - Tổng rìa đường kính 0.5-1.0 mm nuôi cấy môi trường thạch NBRC no.802 ngày nhiệt độ 30°C Hình 2.3 I.sakaiensis nuôi cấy tinh khiết (30 °C; 72 h) môi trường thạch PETase Rất rõ ràng để nhìn thấy tập đoàn riêng lẻ III Cách Ideonella sakaiensis phân hủy PET chế hoạt động enzymes Ideonella sakaiensis phân giải gần hồn toàn film nhựa PET mỏng sau tuần nhiệt độ 30 ̊C Quá trình phân hủy PET enzyme cần nước, chúng cắt chuỗi polymer nhựa PET thành terephthalic acid ethylene glycol - Đầu tiên vi khuẩn bám vào bề mặt PET sau tiết enzyme PETase PET hydrolase - Enzyme PETase thực phần khó nhất, phá vỡ cấu trúc tinh thể thủy phân liên kết ester PET thành mono-2-hydroxyethyl terephthalate (MHET), bis(2-hydroxyethyl) terephthalate (BMET) terephthalalic acid (TPA) mà chủ yếu MHET Hình 3.1 Mũi tên màu đỏ biểu thị vị trí phân cắt tiềm PET Hình 3.2 PETase (màu xanh) với chuỗi PET (màu vàng) bám vào trung tâm hoạt tính nơi mà bị phân hủy - Tiếp theo, enzyme MHETase thủy phân mono-2-hydroxyethyl terephthalate (MHTE) thành terephthalic acid ethylene glycol + MHETase nằm màng tế bào, lớn đáng kể so với PETase chí cịn phức tạp hợp Một phân tử MHETase bao gồm 600 amino acid, khoảng 4000 nguyên tử + Bề mặt MHETase lớn gấp lần bề mặt PETase có tiềm lớn việc sửa đổi bề mặt để tối ưu hóa phân hủy PET Hình 3.3 MHETase có phần chóp (màu xanh) để bảo vệ trung tâm miền protein thủy phân (màu cam) hoạt động để phân tách MHET - Sau đó, phân tử axit terephthalic bị oxy hóa enzyme axit terephthalic-1,2dioxygenase 1,2-dihydroxy-3,5-cyclohexadiene-1,4-dicarboxylate dehydrogenase tạo thành chất trung gian catechol Sau đó, vịng catechol bị enzyme PCA 3,4-dioxygenase phân cắt trước hợp chất tích hợp vào đường trao đổi chất khác - Kết cuối hai phân tử có nguồn gốc từ PET tế bào sử dụng để sản xuất lượng xây dựng phân tử sinh học cần thiết Cuối cùng, carbon đồng hóa khống hóa thành carbon dioxide thải vào khí Hình 3.4 Tóm tắt chế phân hủy PET vi khuẩn I.sakaiensis IV Ưu điểm, hạn chế, bước tiến giả thuyết đáng quan ngại Ưu điểm Nếu phát triển thuận lợi vi khuẩn giảm kể chi phí tái chế PET biện pháp hóa học Chúng ta sản xuất PET phân hủy, sau ta lại tiếp tục sử dụng sản phẩm để tái chế lại PET Điều có nghĩa khơng cần phải khai thác thêm nhiều dầu, sản phẩm cuối trình phân hủy PET I.sakaiensis nguồn dinh dưỡng cho nhiều vi sinh vật khác Và quan trọng cả, điều hoàn tồn vơ hại với mơi trường Hạn chế - Việc tìm vi khuẩn Ideonella sakaiensis hy vọng cách giải vấn đề môi trường, mà vấn đề xử lý nhựa Tuy nhiên, I.sakaiensis phân hủy PET tiêu tốn nhiều thời gian cho việc - Việc phân hủy PET vi khuẩn thực phịng thí nghiệm với quy mơ nhỏ kiểm sốt chưa đưa vào quy mơ lớn - Ideonella sakaiensis lồi sống cạn nên vấn đề lớn để ta tìm cách phân hủy PET nguồn nước Bước tiến Năm 2020, nhà khoa học đại học Portsmouth (Anh) thử nghiệm thành công siêu enzyme tạo liên kết PETase MHETase Siêu enzyme phân hủy PET nhanh gấp lần phiên cũ công bố năm 2018 (siêu enzyme năm 2018 tạo dựa enzyme nhanh gấp lần so với PETase MHETase hoạt động đọc lập) Tuy nhiên, siêu enzyme thử nghiệm thành cơng nhiệt độ phịng Hình Siêu enzyme bao gồm enzyme MHETase PETase (tương ứng màu đỏ xanh lam) Giả thuyết đáng quan ngại Theo trang The Conversation (website nghiên cứu viết nhà nghiên cứu) I.sakaiensis xuất gần đây, tức thiên nhiên bước đầu tự chống lại ô nhiễm nhựa cách tiến hóa lồi vi khuẩn để thích nghi Trong tương lai, chúng tiến hóa có mang đến mối nguy ngành cơng nghiệp nhựa vi khuẩn có khả ăn nhựa phát triển tự do, thuận lợi mơi trường khơng khí Chúng phá hủy cấu trúc sản phẩm nhựa cần thiết khác sống V Lời kết Ideonella sakaiensis enzyme có ích việc định hướng nhà nghiên cứu nên tập trung nhiều vào phương pháp phân hủy tái chế nhựa nhờ vào vi sinh vật Chúng ta đưa nhựa PET trở lại với thành phần ban đầu chúng tái chế thành PET trở lại Điều có nghĩa giảm lượng dầu khai thác năm lượng nhựa thải lại vào môi trường Tuy vậy, nên biết việc ứng ứng dụng vi sinh vật enzyme chúng không hướng đến phân hủy toàn rác thải nhựa, mà mục tiêu biết loại nhựa nên tiếp tục sử dụng phát triển, loại nhựa nên bị hạn chế loại bỏ để đảm bảo sống tốt 10 VI Tài liệu tham khảo Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty – Vi sinh vật học tập 1,2 – NXB KHKT, Hà Nội, 2015 Nguyễn Đức Lượng – Công nghệ vi sinh vật tập 1, – ĐHBK 2006 International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (2016) ), 66, 2813–2818 Methods in Enzymology- Vol 468 Enzymatic Plastic Degradation Một số trang web Internet : Ideonella sakaiensis - Wikipedia PETase - Wikipedia MHETase - Wikipedia Ideonella sakaiensis- Plastic eating bacteria | Bacteriology | The Biology Notes https://youtu.be/US65qTsjpFI https://youtu.be/INI8IXF_8yM https://www.youtube.com/watch?v=oNkk3JPYd6s https://www.youtube.com/watch?v=DDhPuyrSq3E Plastic waste pollution: The race to save the planet from plastic - Vox https://www.konline.com/en/News/%E2%80%9CMolecular_Scissors%E2%80%9 D_for_Plastic_Waste How plastic-eating bacteria (theconversation.com) actually work – a chemist explains https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/febs.14612 Các nhà khoa học tổng hợp loại "siêu enzym" có khả phân hủy nhựa gấp lần (genk.vn) https://homevic.com.vn/nghien-cuu-tang-cuong-enzyme-lam-thoai-hoa-nhuan27.html 11 ... trường *TIA HY VỌNG MỚI II Tổng quan vi khuẩn Ideonella sakaiensis Tổng quan chung Đặc điểm sinh học III Cách Ideonella sakaiensis phân hủy PET... Tổng quan vi khuẩn Ideonella sakaiensis Tổng quan chung - Thuộc giới Bacteria, ngành Proteobacteria, lớp Betaproteobacteria, Burkholderiales, chi Ideonella - Tên đầy đủ: Ideonella sakaiensis 201-F6... 2.3 I .sakaiensis ni cấy tinh khiết (30 °C; 72 h) môi trường thạch PETase Rất rõ ràng để nhìn thấy tập đồn riêng lẻ III Cách Ideonella sakaiensis phân hủy PET chế hoạt động enzymes Ideonella sakaiensis