1.3.2.1. Phân hủy hiếu khí các chất diệt cỏ chlorophenoxy
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về phân hủy hiếu khí các hợp chất chứa clo nói chung, các chất là thành phần chính của chất diệt cỏ như 2,4-D, 2,4,5-T nói riêng. Các nhân tố ảnh hưởng đến phân hủy sinh học 2,4-D, 2,4,5-T bao gồm nồng độ, cấu trúc hóa học, mức độ đa dạng VSV, độ ẩm, nhiệt độ, pH, nồng độ oxy và các điều kiện địa hóa thổ nhưỡng khác (Picton, 2004).
Chuyển hóa 2,4-D bởi dioxygenase phụ thuộc -ketoglutarate do gene tfdA mã hóa đã được nghiên cứu ở chủng Cupriavidus necator JMP134 (Fukumori, 1993). Các VSV phân hủy 2,4-D đã được tìm thấy trong một số loại đất, bùn, vùng nước hiếu khí gần bề mặt, phân ủ, bùn hoạt tính, hồ và sông. 2,4-D được chuyển hóa thành 2,4-DCP và sau đó được oxy hóa đến 3,5-dichlorocatechol. Quá trình phân hủy 2,4-D được thực hiện bởi các VK Arthrobacter, Pseudomonas, Cupriavidus (tên cũ Alcaligenes hoặc
Ralstonia), Flavobacterium, Burkholderia (tên cũ Pseudomonas), Halomonas và
Variovorax thuộc lớpß và γ-Proteobacteria (Itoh, 2004).
Một số nghiên cứu về phân hủy 2,4-D và 2,4-DCP bởi nấm sợi đã được ghi nhận. Ryan và Rumbus (1989) nghiên cứu về quá trình khoáng hóa 2,4,5-T bởi nấm đảm P. chrysosporium BKM-F-1767 trong điều kiện nuôi cấy lỏng và trong đất. Vroumsia và đtg (2005) đã nghiên cứu chi tiết về khả năng phân hủy 2,4-D và 2,4- DCP bởi các loài nấm Aspergillus penicilloides, Mortierella isabellina, Chrysosporium pannorum và Mucor geneevensis.
2,4,5-T khó bị phân hủy hơn và các nghiên cứu về phân hủy sinh học hợp chất này ít hơn so với 2,4-D. Chủng VK sử dụng 2,4,5-T được nghiên cứu đầy đủ nhất là
2002). Một số chủng VK khác sử dụng 2,4,5-T như Nocardioides simplex 3E,
Stenotrophomonas maltophilia (Mai, 2001), Burkholderia sp. JR7B3 (Rice, 2005),
Raoultella planticola (Zharikova, 2006).
Tại Việt Nam, một số nhà khoa học đã quan tâm nghiên cứu các chủng hay quần xã VSV có khả năng sinh trưởng và sử dụng 2,4-D, 2,4,5-T là nguồn carbon theo cơ chế đồng trao đổi chất (Kiều Hữu Ảnh, 2003; Hoàng Thị Mỹ Hạnh, 2004; Đặng Thị Cẩm Hà, 2005; La Thanh Phương, 2005; Lê Văn Nhương, 2005). Các kết quả nghiên cứu sẽ được trình bày chi tiết ở phần cuối của chương này nhằm làm sáng tỏ mục tiêu và các đóng góp của luận án.
1.3.2.2. Phân hủy hiếu khí các hợp chất dioxin
Theo Field (2008), trong số các nghiên cứu về VK phân hủy các hợp chất PCDD và PCDF có tới 84% kết quả nghiên cứu công bố về phân hủy hiếu khí các hợp chất dioxin chứa 1 hoặc 2 clo. Hiện nay, phân hủy sinh học các dioxin chứa ba hay bốn clo đang được quan tâm nghiên cứu. Nhìn chung, quá trình phân hủy sinh học của các hợp chất dioxin chứa clo tăng lên khi số nguyên tử clo trong phân tử giảm. Các hợp chất PCDD/F chứa 5 nguyên tử clo hoặc nhiều hơn khó bị phân hủy sinh học hiếu khí do độ độc của các hợp chất tăng cùng với số nguyên tử clo trong phân tử. Nghiên cứu của Cermiglia (1979), Klecka (1980) cho thấy, dibenzo-dioxin (DD), dibenzo-furan (DBF) và các chất tương tự chứa clo được chuyển hóa đầu tiên đến các hợp chất dạng cis-dihydroxylate bởi các VK Pseudomonas và Beijerinckia
spp. Phân hủy naphthalene và biphenyl bởi VK không triệt để và tạo ra các sản phẩm “ngõ cụt”. Phản ứng oxy hóa kép vị trí bên tạo ra DBF đã được hydroxylate hóa và sản phẩm này được chuyển hóa tiếp thông qua quá trình cắt vòng ở vị trí
meta để tạo ra chất chuyển hóa phân cực màu vàng và hấp thụ cực đại ở bước sóng khoảng 460 nm. Một số VK oxy hóa kép vị trí bên của dioxin và các hợp chất tương tự bao gồm Novosphingobium aromaticivorans IFO15084, N. stygium IFO 16085,
N. sunterraneum IFO 16086, Porphyribacter sanguineus IAM 12620T,
Sphingobacterium yanoikuyae B1, B. cepacia F297, B. cepacia ET4, Ralstonia sp. SBUG290, Pseudomonas sp. HL7b v.v. Kubota và đtg (2005) đã phân lập 7 chủng
VK Nocardioides aromaticivorans sử dụng DBF. Các chủng VK này tạo ra các chất chuyển hóa màu vàng không hòa tan, hấp thụ cực đại ở bước sóng từ 400 đến 507 nm và phụ thuộc pH.
Chủng Sphingomonas wittichii RW1 có khả năng chuyển hóa một số đồng phân của dibenzo-p-dioxin và dibenzo-p-furans thành các hợp chất không độc. Chủng này cũng có thể bẻ gãy khung carbon của dioxin và sử dụng chúng như nguồn carbon và năng lượng duy nhất. Chủng này cũng đã được chứng minh là mang enzyme dioxin dioxygenase (Hartmann, 2013, Sowers, 2013).
Chủng nấm Cerrena sp. F0607 có khả năng phân hủy 2,4,8-trichlorodibenzo-p- furan ở nồng độ 10 mg/l trong đó phát hiện được cả 3 loại enzyme ngoại bào phân hủy lignin (Hidayat, 2013). Nấm Pleurotus ostreatus có khả năng phân hủy penta-, hexa-chlorobiphenyl. Trong môi trường nuôi cấy phát hiện được phức hệ enzyme tham gia vào quá trình phân hủy các hợp chất vòng thơm như enzyme ngoại bào (ligninolytic enzyme) và enzyme nội bào (cytochrome P450 monooxygenase, arylalcohol dehydrogenase, arylaldehyde dehydrogenase) (Cvančarová, 2013).
Một số VK khác có cả hai quá trình oxy hóa kép ở vị trí bên và vị trí góc của các dioxin như VK biển Cycloclasticus pugetti, Comamonas sp. KD7, Rhodococcus
sp. NCIMB 12038, Rhodococcus opacus SAO 101 (Chang, 2008) và Rhodococcus
sp. HA01 (Aly, 2008).
Theo Habe, chủng Rhodococcus opacus SAO101 có khả năng sử dụng 1- MCDD, 2,3-DCDD, 2,7-DCDD; chủng Terrabacter sp. DBF63 có khả năng sử dụng 2-MCDD, 2,3-DCDD (Habe, 2001). Theo Aly, chủng Rhodococcus sp. HA01 có thể sử dụng DD là nguồn carbon duy nhất nhưng các tế bào sinh trưởng trên DBF có thể chuyển hóa DD, 2-CDBF và 3-CDBF (Aly, 2008). Chủng P. veronii PH03 phân hủy được 90,7% DD, 79,7% DBF, 88,3% 1-MCDD và 78,6% 2-MCDD sau 60 giờ nuôi cấy với nồng độ ban đầu của các chất là 1 mM (Hong, 2004).
Ở Việt Nam, một số chủng VSV phân lập từ đất hoặc bùn ô nhiễm chất diệt cỏ chứa dioxin có khả năng sử dụng DBF và sinh trưởng trên môi trường chứa DD, 2-
MCDD như nguồn carbon đồng trao đổi chất. Tuy nhiên, các kết quả chi tiết sẽ được trình bày ở phần cuối của chương này.