Có 4 con đường phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa clo bởi các VSV hiếu khí và kỵ khí (Reineke, 2001; Fennell, 2004; Yoshida, 2005) như sau:
(i) Oxy hóa cắt vòng thơm bởi các enzyme hydrocarbon dioxygenase vòng thơm của các VSV hiếu khí.
(ii) Loại clo của các sản phẩm cắt vòng bởi các VSV hiếu khí (Hình 1.2). (iii) Phân hủy nhờ xúc tác bởi các enzyme ngoại bào như laccase, mangan peroxidase (MnP), lignin peroxidase (LiP) chủ yếu do nấm và xạ khuẩn sinh ra (Hình 1.3).
(iiii) Loại khử clo bởi các VK KK (Hình 1.4).
Dưới đây là các cơ chế chuyển hóa bởi một số đại diện của một số nhóm VSV khác nhau đã được chứng minh.
Hình 1.2. Quá trình loại clo sản phẩm cắt vòng của lindane và pentachlorophenol ở điều kiện hiếu khí (Reineke, 2001)
Quá trình loại clo ở VSV hiếu khí đối với các hợp chất hữu cơ vòng thơm chứa nhiều clo xảy ra theo hai cơ chế là cơ chế loại clo sớm và cơ chế loại clo muộn. Ở cơ chế loại clo sớm, các hợp chất hữu cơ vòng thơm chứa nhiều clo được tạo thành các hợp chất vòng thơm không chứa hoặc chứa rất ít clo, sau đó các hợp chất này bị phân hủy theo con đường ortho hay meta và cuối cùng đi vào chu trình Krebs. Cơ chế loại clo muộn sẽ tạo ra các hợp chất đã bị cắt vòng vẫn chứa clo như chlorocatechol, chloroprotocatechuate hay chlorohydroquinone. Sau đó, các hợp chất này bị phân hủy theo con đường ortho biến đổi (Reineke, 2001) (Hình1.5).
Khác với vi khuẩn, nấm không sử dụng các hợp chất hữu cơ vòng thơm chứa clo làm nguồn carbon và năng lượng mà quá trình phân hủy các hợp chất này xảy ra nhờ một hệ thống enzyme ngoại bào được tiết ra môi trường bao gồm phenol oxidase, LiP, MnP và laccase ở các nấm phân hủy gỗ. Các enzyme này có phổ đặc hiệu cơ chất rộng, chúng có thể xúc tác quá trình phân hủy các hợp chất như chloroaniline, chlorobenzene, chlorophenol, chlorobiphenyl hay dibenzo-p-dioxin. Các chủng nấm có khả năng sinh enzyme ngoại bào phân hủy các hợp chất này bao gồm chi Phenarochaete, Pleurotus, Trametes, Sphingomonas, Cordyceps, Pennicilium. v.v. (Reineke, 2001, Cvančarová, 2013).
Hình 1.3. Con đường phân hủy 2,4-DCP bởi nấm Phanerochaete chrysosporium
(Reineke, 2001). LiP/MnP: sự tham gia của 1 hay cả 2 enzyme LiP và MnP
Hình 1.4. Các con đường loại khử clo của 1,2,3,4-TCDD (A) và 1,2,3,7,8-PeCDD (B) ở chủng D.mccartyi CBDB1 (Hiraishi, 2003)
Ở điều kiện kỵ khí, quá trình loại khử clo là quá trình phân hủy hay chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa clo xảy ra nhờ các enzyme nội bào trong điều kiện thiếu oxy và hoàn toàn không có oxy. Quá trình này xảy ra với các chất chứa nhiều
clo nhanh hơn các hợp chất chứa ít clo và có tính chọn lọc với các hợp chất, chi và loài vi khuẩn. Vị trí các nguyên tử clo trong phân tử cũng ảnh hưởng đến quá trình loại khử clo. Ví dụ, quá trình loại khử clo của monochlorobenzoate sẽ ưu tiên ở vị trí meta-, rồi đến vị trí para- và cuối cùng là vị trí ortho- nhưng quá trình loại khử clo của các hợp chất chứa nhiều clo lại ưu tiên ở vị trí para- hay nguyên tử clo nằm giữa hai nguyên tử clo khác trong phân tử (Reineke, 2001).
Các VK KK tham gia vào quá trình loại khử clo cũng khá đa dạng, bao gồm nhóm VK KSF (Desulfovibrio, Desulfitobacterium, Desulfomonile) và một số VK khác (Dehalobacter, Dehalococcoides, Dehalogenimonas). Quá trình loại khử clo của một số hợp chất đa vòng thơm ở D. mccartyi CBDB1 được trình bày ở Hình 1.4.
Hình 1.5. Sơ đồ khoáng hóa các hợp chất chứa clo vòng thơm với hợp chất trung gian là chlorocatechol (Reineke, 2001)
Các cơ chế phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa clo đã trình bày (Hình 1.2 – 1.5) cho ta thấy tiềm năng và sự loại bỏ clo ở những hợp chất này bởi những VSV khác nhau trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí. Ở mỗi con đường đều có sự tham gia của các đại diện thuộc rất nhiều chi VSV khác nhau. Cho đến nay, các nhà khoa học cần rất nhiều nghiên cứu sâu sắc bằng các công nghệ cao, hiện đại mới có thể làm rõ hiệu quả phân hủy và cơ chế phân hủy các hợp chất clo. Quá trình phân hủy sinh học có thể triệt để chỉ khi trong công nghệ xử lý có sự kết hợp nhiều cơ chế khác nhau. Quá trình phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa clo thường tạo ra hợp chất trung gian là chlorocatechol như ở Hình 1.5. Quá trình chuyển hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ chứa nhiều clo có thể được tóm tắt trên Hình 1.6.
Qua một số cơ chế phân hủy và chuyển hóa các hợp chất chứa clo ở trên, một lần nữa khẳng định vai trò của việc kết hợp nhiều nhóm VSV hiếu khí và kỵ khí trong quá trình chuyển hóa hay khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ chứa clo, trong đó không thể không có sự tham gia của các VK KK hô hấp loại khử clo.
Hình 1.6. Con đường phân hủy hoàn toàn PCDD/Fs bởi các quần xã VK trong quá trình phân hủy sinh học (Hiraishi, 2003)
Trong quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ chứa clo, quá trình loại khử clo là bước mở đầu, bước khử độc ở điều kiện kỵ khí tạo điều kiện cho sự khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất này ở điều kiện hiếu khí. Tuy nhiên, một số VSV vẫn có khả
năng chuyển hóa hay phân hủy các hợp chất như 2,4-D, 2,4,5-T trong điều kiện hiếu khí. Để có bức tranh tổng thể về quá trình phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa clo nói chung và các hợp chất dioxin nói riêng, sự đa dạng các VSV tham gia vào quá trình chuyển hóa, phân hủy chất diệt cỏ/dioxin ở điều kiện hiếu khí và vai trò của các VK KK trong quá trình loại khử clo sẽ được đề cập.