PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.10. Ứng dụng có lợi của màng sinh học
2.10.1. Ứng dụng màng sinh học trong việc xử lý nước thải
Trong cấu trúc màng sinh học, các vi sinh vật liên kết với nhau chặt chẽ, tạo ra một cấu trúc bền vững, hoạt động có hiệu quả hơn trong việc xử lý nước thải. Đồng thời, các vi sinh vật trong mạng lưới màng sinh học sẽ cùng hợp tác trao đổi chất giúp cho quá trình loại bỏ các chất gây ơ nhiễm trong nước diễn ra dễ dàng và hiệu quả (Steyn, 2005).
So sánh với việc sử dụng các chủng vi sinh vật trơi nổi để xử lý nước thải thì cơng nghệ xử lý sinh học nước thải bằng màng sinh học mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Một là, mật độ các chủng vi sinh vật trong màng sinh học cao hơn nhiều, tạo điều kiện xử lý tối đa nguồn nước thải. Hai là, ngoài việc loại bỏ các chất không mong muốn trong nước thải thì quá trình tiếp theo là loại bỏ các vi sinh vật này khỏi môi trường. Đối với các tế bào trôi nổi, việc khử trùng nguồn nước sẽ tốn một chi phí lớn, do vậy việc áp dụng màng sinh học trên các giá thể cố định thể hiện ưu thế lớn. Với những ưu điểm này, các nhà khoa học đã đề xuất công nghệ xử lý nước thải ứng dụng màng sinh học được xem là giải pháp thân thiện môi trường (Lazarova, 2000).
Ở Việt Nam, đã phân lập được một số vi sinh vật có khả năng sản sinh biofilm như Rhodoccus B2, Rhodoccus B15, Rhodoccus B16, Bacillus, Candida viswanathii TH1, Candida tropicalis TH4 ứng dụng trong xử lý nước bị ô nhiễm dầu; hoặc Bacillus licheniformis ứng dụng trong xử lý nước thải có hợp chất photpho.
Trên thế giới, người ta đã chế tạo được các chất mang như (Kaldnes carrier K1, K3, K5 hoặc BiofilmChip) cho phép vi sinh vật có khả năng hình thành biofilm phát triển, được ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải đô thị, với tên gọi Moving Bed Biofilm Reactor. Trong công nghệ này, hệ vi sinh vật được hình thành và phát triển trên vật mang gồm Gammaproteobacteria, Deltaproteobacteria, Clostridiales, Epsilonproteobacteria, Euryarchaeota và Crenarchaeota.
2.10.2. Ứng dụng màng sinh học trong việc ức chế các vi sinh vật gây hại
Các vi sinh vật có thể tồn tại tự do trong đất hoặc bám dính với bề mặt mơ thực vật thành từng cụm tế bào. Mối quan hệ này phần lớn mang lại lợi ích cho cả hai bên: thực vật là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng và nơi khu trú lâu dài cho các quần thể vi sinh vật. Mặt khác, các vi sinh vật trong mối tương tác này có thể làm thay đổi mơi trường sống xung quanh theo hướng có lợi cho sự phát triển của thực vật (Ramey, 2004).
Một trong những cơ chế giúp các vi sinh vật ức chế mầm bệnh gây hại ở cây trồng đó là thơng qua chất kháng sinh. Ví dụ, chủng Bacillus cereus UW85 có
khả năng tổng hợp cả zwittermycin và kanosamine (Ramey, 2004). Khả năng tổng hợp chất kháng sinh giúp làm tăng tính cạnh tranh giữa các nhóm vi sinh vật; đồng thời cũng là cơ sở để tạo ra các chế phẩm vi sinh vật có khả năng phịng trừ bệnh gây hại ở thực vật chủ yếu dưới dạng phân bón vi sinh bổ sung vào nguồn đất trồng.
(Bais 2004), đã chứng minh rằng nhờ quá trình hình thành màng sinh học trên rễ cây Arabidopsis, chủng vi khuẩn Bacillus subtilis 6051 đã tạo ra surfactin ức chế sự xâm nhiễm của chủng P. syringae gây hại cây trồng.
Khả năng đối kháng của chủng Bacillus thuringiensis chống lại tác nhân gây bệnh cây trồng Erwinia carotovora đã được chứng minh qua nghiên cứu vào năm 2006 của (Morikawa, 2006a) E. carotovora sản xuất các phân tử tín hiệu cảm ứng mật độ tế bào acyl - HSL và biểu hiện gen gây độc, trong khi đó các chủng B. thuringiensis có enzyme acyl - homoserine lactonase, làm giảm mạnh acyl - HSL. Do vậy, B. thuringiensis làm giảm đáng kể khả năng nhiễm và phát triển của E. carotovora - tác nhân gây bệnh thối củ ở khoai tây.
2.10.3. Một số nghiên cứu ứng dụng khác
2.10.3.1. Ứng dụng của màng sinh học làm giảm sự ăn mòn kim loại
Vi khuẩn gây ra sự ăn mòn kim loại được biết đến là các chủng vi khuẩn khử sulfate Desulfosporosinus orientis và vi khuẩn oxy hóa sắt Leptothrix discophora SP-6. D. orientis gây ra sự ăn mòn ở gang, thép cacbon, thép không gỉ và một số hợp kim khác. Hằng năm, thiệt hại do sự ăn mòn kim loại gây ra ở Mỹ là 4 - 6 tỷ USD (Costerton, 1974). Vi khuẩn này có chứa enzyme hydrogenase sử dụng hydrogen như một chất cho điện tử để thu nhận năng lượng gây ra hiện tượng ăn mòn điện hóa ở các bề mặt kim loại. Trong khi đó, vi khuẩn L. discophora SP-6 oxy hóa sắt, tự nó khơng gây ra sự ăn mịn đáng kể thép nhẹ (thép ít cacbon), nhưng khi có sự kết hợp với D. orientis và Paenibacillus polymyxa 10401 thì tốc độ ăn mịn thép nhẹ sẽ tăng lên rất lớn (Emerson, 1992). Nghiên cứu của (Morikawa, 2006a), cho thấy sự hình thành màng sinh học ở chủng Bacillus brevis 18-3 đã tạo ra gramicidin làm giảm đáng kể tốc độ ăn mòn kim loại bằng cách ức chế cả hai chủng vi khuẩn D. orientis và L. discophora SP-6.
2.10.3.2. Trong công nghiệp lên men
Trong các bồn lên men ở quy mơ cơng nghiệp, màng sinh học là hình thức hiệu quả để giữ lại sinh khối vi sinh vật (Kubota, 2008). Khi đã được bám giữ trên bề mặt giá thể bằng mạng lưới màng sinh học, sinh khối vi sinh vật có thể được giữ lại một cách có hiệu quả sau mỗi mẻ xử lý cũng như tái sử dụng được ở những lần xử lý tiếp theo mà không cần phải bổ sung thêm vi sinh vật cũng như đợi thời gian phát triển.
2.10.3.3. Ứng dụng trong cơng nghiệp dầu khí
Nghiên cứu khả năng tổng hợp chất hoạt động bề mặt sinh học (biosurfactant) hoạt tính cao từ chủng vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa, được phân lập từ nguồn nước thải nhiễm dầu (Pornsunthorntawee, 2009), mở ra triển vọng ứng dụng trong cơng nghiệp dầu khí với các mục đích như nâng cao hệ số thu hồi dầu, xử lý môi trường, làm chất phân tán và nhũ hóa cặn dầu.
Tiểm ẩn rất nhiều hiểm nguy, nhưng màng sinh học cũng là lĩnh vực nghiên cứu thú vị và đầy thử thách, mang lại kho kiến thức hữu ích về tác động của vi khuẩn đối với vạn vật xung quanh. Những nghiên cứu về màng sinh học không chỉ ngăn ngừa tác hại của vi khuẩn mà còn ứng dụng chúng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp cho đến y tế. Bằng cách chọn lựa loại vi khuẩn đặc trưng, thay đổi tỷ lệ vi khuẩn, dung môi… các nhà khoa học có thể tạo ra màng sinh học với tính năng đa dạng.