L ời cam đoan
2.9. Vi khuẩn đông tụ trong các hệ thống sinh học xử lý nước thải
Theo Chen (2007), đông tụ là sự kết dính giữa các tế bào vi khuẩn với nhau
(cell to cell) và dính với các hạt vô cơ, hữu cơ, các màu, vi khuẩn khác lơ lửng trong môi trường. Các vật chất lơ lửng được tế bào vi khuẩn đông tụ kết dính, bên ngoài là khối nhầy gồm nhiều tế bào vi khuẩn, bên trong là các vật chất lơ lửng. Các hạt lơ
lửng cũng là nguồn dinh dưỡng giúp cho vi khuẩn phát triển và tăng sinh khối, cuối
cùng khối nhầy lớn dần và lắng xuống đáy. Kết quả nước sáng màu, các huyền phù lắng xuống, giảm lượng ô nhiễm và nước được làm sạch.
Theo Taniguchi et al. (2005) bề mặt tế bào vi khuẩn còn có các vùng kỵ nước
và các phân tử ưa nước như lipids hoặc proteins, các vùng kỵ nước chúng có khuynh hướng kết dính nhau tạo thành khối kết tụ bên ngoài là lớp chất nhầy, các phân tử kỵ nước càng lớn có vai trò rất quan trọng cho quá trình kết tụ. Chủng
Bacillus subtilis F-2-01 phân lập từ đất có khả năng sinh một lượng lớn chất nhầy
là poly--glutamic acid (PGA), chất này có hoạt tính kết tụ cao và đã được dùng
để xử lý nước ô nhiễm bởi các chất vô cơ, vi sinh vật và các hợp chất hóa học. Phương thức hoạt động của PGA được cho là dựa trên sự tương tác tĩnh điện giữa
chất kết tụ và bề mặt của các chất gây ô nhiễm.
Theo Rickard et al., (2002), sự đông tụ là sự nhận biết và kết dính của các tế
bào vi khuẩn với nhau. Khác với sự kết tụ là sự đông tụ chỉ xảy ra ở các tế bào vi khuẩn nhất định. Sự đông tụ được phân biệt thành sự tự đông tụ (autoaggregation)
và sự đồng đông tụ (coaggregation). Lần đầu tiên được Gibbons và Nygaard (1970) phát hiện ở vi khuẩn gây ra mảng bám trên răng. Kể từ đó, nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng, sự đồng đông tụ xảy ra giữa các loài vi khuẩn cụ thể
trong những môi trường khác nhau: diều của gà, đường tiết niệu ở phụ nữ, ruột người, trong nước ngọt, nước thải….Theo Kolenbrander và Anderson, (1989) sự tự đông tụ là sự nhận biết và kết dính của các tế bào vi khuẩn giống nhau về mặt di
truyền; đồng đông tụ là sự nhận biết và kết dính của các tế bào vi khuẩn khác nhau
về mặt di truyền (Hình 2.4)
Hình 2.4: Sự đông tụ của vi khuẩn nhờ cơ chế kết dính tế bào vi khuẩn
Cơ chế quá trình đông tụ chủ yếu phụ thuộc vào tính kỵ nước của bề mặt tế
bào và các thành phần cấu tạo, tham gia vào các liên kết giữa các tế bào vi khuẩn
với nhau. Cơ chế sựđồng đông tụ được thành lập từ màng sinh học trong bùn hoạt
tính nhờ các phân tử trên bề mặt của các tế bào vi khuẩn kết dính hỗn hợp với
nhau, được hình thành màng sinh học (Kolenbrander, 1988). Đồng đông tụ là một
sự tương tác rất cụ thể, trong đó có một số tế bào vi khuẩn đóng vai trò chính trong quá trình hoạt động (Rickard et al., 2002). Quá trình này ít bị ảnh hưởng bởi pH
của môi trường (Cisar et al., 1979; Kolenbrander, 1988; Kolenbrander, 2004). Quá trình hình thành màng sinh học bằng cơ chế đồng đông tụ của vi khuẩn có thể được đưa ra giả thuyết rằng: màng sinh học được hình thành và phát triển chính là sự
phát triển, tích luỹ sinh khối vi khuẩn, thông qua sự kết hợp của các tế bào vi khuẩn với nhau, cùng với sự kết dính của các vật chất lơ lửng trong môi trường
nhờ vào tính kỵ nước của bề mặt tế bào vi khuẩn (Kolenbrander et al., 1985). Bên cạnh đó, một nghiên cứu của Chen (2007) cho thấy sự hình thành các chiên mao − một loại protein ngoại bào ở tế bào vi khuẩn, cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình kết dính, đông tụ của hai chủng vi khuẩn (Hình 2.5).
Hình 2.5. Sự đông tụ nhờ chiên mao trên bề mặt tế bào vi khuẩn (Chen, 2007)
Nhờ chiên mao của vi khuẩn mà các phù du trong nước, những hạt có kích thước rất nhỏ, càng có cơ hội bám chặt vào các chiên mao. Nhiều thí nghiệm đã chứng minh, các hạt phù sa bám vào các chiên mao rất chắc, đến mức không rửa
trôi chúng ra khỏi chiên mao của vi khuẩn (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003).
Để làm rõ cơ chế đông tụ, một nghiên cứu của Kimchhayarasy et al. (2009)
được tiến hành gây đột biến chủng Acinetobacter johnsonii S35 có bề mặt gồ ghề
hiệu suất đông tụ 88% bằng cách cấy chuyển nhiều lần, kết quả kiểm tra hiệu suất đông tụ chỉ còn 20%, gần như mất khả năng đông tụ và đặc điểm bề mặt tế bào vi khuẩn được quan sát thấy có sự thay đổi từ bề mặt tế bào lồi lõm, gồ ghề sang bề
Nhiều kết quả nghiên cứu khác cho thấy, sự kết dính của hai tế bào thông qua sự liên kết của một dạng protein loại lectin trên tế bào này với một oligosaccharide
trên tế bào kia. Sự đông tụ ngừng lại nếu protein lectin bị biến tính do nhiệt độ
hoặc các enzyme protease; hoặc sự xuất hiện của đường (lactose, galactose, hoặc các đường đơn khác), chúng liên kết với protein lectin khóa hoạt động của protein
này (Kolenbrander và Anderson, 1989; Kinder và Holt, 1993; Shaniztki et al.,
1997). Để làm rõ vai trò liên kết protein lectin-oligosaccharide, các tế bào vi khuẩn
có khả năng đông tụ được xử lý với actinase E để phân hủy protein lectin, và xử lý
với periodate để cắt cầu nối carbon trên oligosaccharide, kết quả đã làm ngăn cản
quá trình đông tụ (Hình 2.6).
Hình 2.6: Hoạt động liên kết của protein Lectin trên bề mặt tế bào vi khuẩn
(A): Liên kết đơn protein Lectin – oligosaccharide; (B): Đồng liên kết protein Lectin – oligosaccharide; (C): Liên kết protein Lectin - oligosaccharide bi khóa lại khi có đường lactose; (D): Liên kết protein Lectin - oligosaccharide bi khóa lại khi có Protease hoặc tăng nhiệt độ cao
(Malik et al., 2003)
Tính kỵ nước của bề mặt tế bào vi khuẩn quyết định cơ chế của quá trình
đông tụ được Kimchhayarasy et al. (2009) kiểm tra thông qua hiệu suất hấp thụ
với dung môi p-xylen của vi khuẩn phân lập trong bùn hoạt tính và màng sinh học.
Các chủng vi khuẩn bề mặt tế bào có tính kỵ nước cao sẽ giữ vai trò chính, trong việc gom tụ vật chất trong môi trường nước (Hình 2.7).
Hình 2.7: Sự tự đông tụ của tế bào vi khuẩn tạo thành màng sinh học
Quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính tham gia xử lý nước thải, là phương
pháp sinh học phổ biến nhất để loại bỏ chất hữu cơ và vô cơ trong các công nghệ
xử lý nước thải. Sự đông tụ (Aggregation), kết dính (Adherence) và lắng
(Settlement) là các quá trình quan trọng và được vận hành một cách tuần hoàn trong bùn hoạt tính. Vì vậy, quá trình bùn hoạt tính hoạt động hiệu quả phải đảm
bảo các hạt bùn được lắng tốt. Sự đông tụ và lắng tốt quyết định độ sạch và trong của nước sau xử lý (Kimchhayarasy et al., 2009).
Theo Malik et al. (2003), sự đông tụ vi sinh vật trong bùn hoạt tính gồm
nhiều dạng vi khuẩn khác nhau, trong đó có cả vi khuẩn không có khả năng kết tụ.
Các chủng vi khuẩn này có khả năng gom tụ, kết dính thành các hạt lớn dần, nhờ
quá trình đông tụ (Aggregation). Theo Malik và Kakii (2003) cho thấy chủng vi khuẩn không kết tụ Acinetobacter johnsonii S35 và A. junii S33 có khả năng đông
tụ với 3 chủng vi khuẩn khác là Oligotropha carboxidovorans S23,
Microbacterium esteraromaticum S51 và Xanthomonas axonopodis S53 nhờ vào
tính kỵ nước của bề mặt tế bào vi khuẩn (Hình 2.8).
Hình 2.8: Sự đông tụ giữa các chủng vi khuẩntrong xử lý nước thải
(A) A. johnsonii S35; (B) A. junii S33; (C) A. johnsonii S35 và O. carboxidovorans S23; (D) A. junii S33 và O. carboxidovorans S23; (E) A. johnsonii S35 và M.esteraromaticum S51; (F) A.
junii S33 avà M. esteraromaticum S51; (G) A. johnsonii S35 và Xanthomonas sp. strain S53
(Malik và Kakii,2003)
Quá trình kết tụ sinh học được biết là cơ chế của sự đông tụ và kết dính trong
bùn hoạt tính. Kết quả là do các vi khuẩn kết tụ sinh học như Flavobacterium spp. và Pseudomonas spp. đã được phân lập từ các nguồn bùn hoạt tính khác nhau
(Endo et al., 1976; Kato et al., 1971; Tago và Aida, 1977; Sakka et al., 1981). Tuy nhiên vi khuẩn không kết tụ được biết hiện diện rất nhiều trong các mẫu bùn. Theo Kakii et al., (2000), trong 50 chủng vi khuẩn được phân lập trong bùn hoạt tính,
khả năng kết tụ các chủng vi khuẩn này ít được đề cập đến, có thể vì chúng được xem
là mối nguy hại do chúng không lắng và gây đục nước (Kimchhayarasy et al., 2009).
Nhưng càng về sau, nhiều nghiên cứu đã cho thấy vai trò của chúng trong quá trình
đông tụ và lắng của bùn hoạt tính nhờ vào quá trình đông tụ.
Theo Gioia et al. (2004); Hollender (2001); Khehra et al. (2005); Kim et al.,
(2005). Vi khuẩn Bacillus cereus là loài vi khuẩn Gram dương, hình que, sống trong đất, có một số loài gây hại thực phẩm, nhưng lại thường xuyên có mặt trong
bùn hoạt tính tham gia vào quá trình làm sạch nước.
Vi khuẩn Bacillus pumilus là vi khuẩn hiếu khí, Gram dương, có bào tử được
phân lập từ đất (Hua et al., 2007; Rahman et al., 2007) và ở nước biển (Malikova
et al., 2007). Trong nghiên cứu của Malik et al. (2003) chủng vi khuẩn
Acinetobacter johnsonni như cầu nối hợp tác với 2 chủng Oligotropha
carboxidovorans, 3 chủng Microbacterium esteraromaticum và 3 Xanthomonas
spp.. Acinetobacter johnsonni bề mặt tế bào có tính kỵ nước cao (85% khi kiểm tra
sinh hóa với p-xylen), được cho là yếu tố thúc đẩy quá trình đông tụ của
Acinetobacterjohnsonni với những chủng khác.
Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu thành công và phát hiện ra một số chủng vi khuẩn đặc trưng tham gia vào quá trình đông tụ trong
xử lý nước thải (Bảng 2.3).
Bảng 2.3. Một số chủng vi khuẩn có khả năng đông tụ đã được nghiên cứu
Vi khuẩn có khả năng đông tụ Tác giả
Flavobacterium spp. Sakka et al. (1981)
Pseudomonas spp. Sakka et al. (1981)
Lactobacillus Vandevoorde et al., (1992)
Acinetobacter johnsonii S35 Malik và Kakii (2003)
Acinetobacter junii S33 Malik và Kakii (2003)
Bacillus cereus Kimchhayarasy et al. (2009)
Blastomonas natatoria Kimchhayarasy et al. (2009)
Mycobacterium sp. Kimchhayarasy et al. (2009)
Thermomonas Kimchhayarasy et al. (2009)
Enterobacteriaceae Kimchhayarasy et al. (2009)
Sphingomonas natatoria 2.1gfp Min và Rickard (2009)