Carbonhydrate và protein là những thành phần chính trong EPS, ngoài ra các thành phần như lipid, acid nucleic, acid uronic và một số hợp chất hữu cơ khác cũng được tìm thấy trong EPS [49]. Các hợp chất này thay đổi theo không gian và thời gian
tồn tại của biofilm. Về cơ bản biofilm càng dày và thời gian tồn tại càng lâu thì có hàm lượng EPS càng nhiều, thông thường một EPS có độ dày từ 0,2 đến 1 μm, ở một số loài vi khuẩn độ dày của lớp EPS không vượt quá 10 đến 30 μm. Mật độ tế bào tập trung cao nhất ở lớp đỉnh của biofilm và giảm dần theo độ sâu nhưng thành phần EPS lại phong phú hơn ở vùng phía trong biofilm. Thành phần EPS trong hầu hết các biofilm cũng khác biệt so với các vi sinh vật ở dạng sống tự do. Mỗi thành phần trong EPS đều có chức năng riêng biệt giúp duy trì các hoạt động trong cấu trúc biofilm [50].
Các tế bào trong biofilm tồn tại dưới dạng các vi khuẩn lạc (colonization), các vi khuẩn lạc này cũng chính là đơn vị cấu trúc nên biofilm. Các vi khuẩn lạc đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành biofilm, đảm nhận chức năng tiết các polymer ngoại bào và sử dụng các yếu tố phụ trợ để giúp các tế bào khác bám dính vào. Thành phần này cũng tạo nên những đặc tính riêng biệt về biofilm của mỗi loài vi sinh vật [51].
Những nghiên cứu trước đây cho rằng, cấu trúc của biofilm bao gồm nhiều lớp mỏng được tạo thành từ ma trận các tế bào liên kết với nhau trên đó tạo thành. Bằng việc sử dụng kính hiển vi điện tử quét laser (Confocal Scanning Laser Microscopy) và các công cụ phân tích hình ảnh đã cho thấy cấu trúc biofilm có tổ chức, đặc thù và phản ánh các chức năng nhất định của biofilm [52]. Trong biofilm có các kênh vận chuyển có chức năng cung cấp nước, các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật tồn tại trong chúng và đem chất thải đi. Giữa các tế bào vi sinh vật diễn ra sự trao đổi thông tin liên tục đảm bảo cho biofilm được hình thành một cách chính xác, trao đổi thông tin liên tục giữa các tế bào. Biofilm có cấu trúc không đồng nhất, bao gồm nhiều lớp vi sinh vật hiếu khí bên trên và nhiều lớp vi sinh vật kỵ khí bên trong. Do các luồng nước chảy qua khuấy động nên các vi sinh vật kỵ khí và hiếu khí song song tồn tại trong các hốc nhỏ phân bố khắp trong biofilm. Chiều dày của biofilm thay đổi từ một vài μm thậm chí đến vài cm tùy thuộc vào loài vi sinh vật, tuổi biofilm, lượng dinh dưỡng và áp lực dòng chảy [45].
1.3.2. Vai trò của biofilm đối với vi sinh vật
1.3.2.1. Bảo vệ khỏi các tác nhân từ môi trường
Mạng lưới EPS của biofilm tạo nên một nơi trú ẩn và một khu vực ổn định về các điều kiện môi trường thuận lợi cho vi sinh vật tồn tại trong đó. Mạng lưới EPS thể hiện những vai trò khác nhau trong cấu trúc và chức năng của các biofilm
khác nhau. EPS như một lớp bảo vệ có khả năng ngăn chặn sự xâm nhập của các tác nhân kháng vi sinh vật thông qua hoạt động của các kênh trao đổi anion, các kênh trao đổi anion có vai trò hạn chế sự khuếch tán các chất ở môi trường xung quanh vào trong biofilm đặc biệt đối với các tác nhân kỵ nước và tích điện dương như các aminoglycoside [53]. Các nghiên cứu cũng đã chứng minh mạng lưới EPS của biofilm có khả năng ngăn cản sự thâm nhập quá mức của các ion kim loại, cation và các độc chất, bảo vệ vi sinh vật khỏi các tác nhân stress của môi trường như pH, tia UV, áp suất thẩm thấu và sự mất nước [54, 55].
1.3.2.2. Tăng khả năng sử dụng nguồn dinh dưỡng
Hệ thống kênh vận chuyển nước trong biofilm có vai trò vận chuyển một lượng lớn dinh dưỡng và các sản phẩm quá trình trao đổi chất giữa biofilm với môi trường. Hệ thống này giúp tăng khả năng cung cấp dinh dưỡng cho các tế bào trong biofilm cũng như đào thải các chất độc trong quá trình chuyển hóa dinh dưỡng [56]. Trong biofilm đa chủng có sự cộng sinh lẫn nhau xảy ra giữa các chủng vi sinh vật, các chủng vi sinh vật sẽ hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình chuyển hóa các vật chất dinh dưỡng giúp tăng cường hiệu quả sử dụng nguồn dinh dưỡng trong môi trường. Nghiên cứu của Decho [56] và Flemming [57] đã chứng minh trong cấu trúc biofilm đa chủng vi sinh vật thì mỗi chủng đóng vai trò khác nhau trong chuỗi thức ăn. Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ hỗn hợp để tạo thành methane và carbon dioxide trong điều kiện kỵ khí cần ít nhất 3 chủng vi khuẩn khác nhau; trong đó các chủng vi khuẩn lên men để tạo thành các acid và rượu, đây lại là cơ chất cho các vi khuẩn lên men tạo acetate. Acetate từ đó được các chủng vi khuẩn khác sử dụng để phân hủy tạo thành methane và carbon dioxide.
Trong tự nhiên các biofilm đa chủng rất phổ biến cũng chính nhờ sự cộng sinh giữa các chủng vi sinh vật tồn tại trong đó tạo nên một chuỗi thức ăn liên tục, mỗi chủng vi sinh vật có khả năng sử dụng các nguồn cơ chất khác nhau từ đó tạo cho biofilm có tiềm năng sử dụng nhiều nguồn cơ chất khác nhau cũng như khả năng sử dụng một cách triệt để nguồn dinh dưỡng.
1.3.3. Ứng dụng của biofilm trong xử lý ô nhiễm dầu
1.3.3.1. Ứng dụng của biofilm trong xử lý ô nhiễm dầu trên thế giới
Hiện nay, vấn đề phòng chống ô nhiễm môi trường do dầu gây ra đang là mối quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia, nhất là những nước có nền công nghiệp
dầu khí phát triển. Hàng năm các hoạt động khai thác, vận chuyển, sử dụng và các sự cố rò rỉ, tràn dầu đã làm cho hàng trăm triệu tấn dầu rơi vãi gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước. Đã có nhiều nghiên cứu và thực tế ứng dụng chứng minh phương pháp sinh học là phương pháp xử lý nước nhiễm dầu hiệu quả, với chi phí thấp và đảm bảo cân bằng sinh thái. Trong nhóm phương pháp xử lý sinh học thì phương pháp sử dụng màng sinh học (biofilm) đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm nghiên cứu, ứng dụng và thu được nhiều kết quả khả quan.
Những phát hiện đầu tiên về biofilm trong phân hủy sinh học các thành phần dầu phải kể đến đó là Teh & Lee [58] đã sử dụng 2 chủng vi khuẩn tạo màng sinh học phân lập trong các kho xăng ở Australia và chứng minh chúng có khả năng phân hủy tốt các thành phần n-alkane từ C13-C18. Cafone và cộng sự cũng nghiên cứu 2 chủng vi khuẩn phân lập từ kho xăng và cũng thấy rằng chúng có khả năng sinh trưởng tối ưu với nguồn carbon là C11. Một số, chủng nấm mốc phân lập cũng từ kho xăng cũng cho thấy khả năng phân hủy tốt các hợp chất hydrocarbon từ C12-C24. Đặc biệt, các chủng thuộc loài Hormoconis resinae và Aspergillus fumigatus phân lập từ các mẫu ô nhiễm dầu diesel cũng chứng minh khả năng sinh trưởng tốt trên nguồn cơ chất này. Nghiên cứu của Prince & Morton [59] cho rằng, tại lớp bề mặt tương tác giữa dầu và nước sẽ tạo ra lớp màng sinh học của các vi sinh vật. Lớp màng này có khả năng phân cắt dầu thành các hạt nhỏ hơn, nhờ đó chúng có thể dễ dàng phân hủy và chuyển hóa các thành phần dầu mỏ. Các nhóm vi sinh vật này thường là Hormoconis resinae,
Cladosporium vesinae, Amorphotheca resinae, … Các chủng này có khả năng sử
dụng các loại nhiên liệu như xăng máy bay, dầu diesel,… rất tốt. Do đó, chúng đã được ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm dầu. Tiếp đó càng ngày càng có nhiều nghiên cứu, công nghệ, hệ thống ứng dụng hiệu quả biofilm trong xử lý ô nhiễm dầu mỏ.
Trong xử lý nước thải nhiễm dầu, biofilm được ứng dụng dựa trên hai kỹ thuật cơ bản đó là: biofilm tầng tĩnh (Fixed bed biofilm reactor) và biofilm chuyển động (Moving bed biofilm reactor-MBBR).
Kỹ thuật biofilm tầng tĩnh sử dụng các tấm bùn được cố định trong bể phản ứng, thành phần chính của tấm bùn là hệ thống các biofilm được cố định trên vật liệu mang. Khi nước thải được bơm vào bể phản ứng, nước thải sẽ đi qua và tiếp xúc các tấm bùn, tại đây các chất hữu cơ sẽ được vi sinh vật phân giải. Các công nghệ được phát triển
trên kỹ thuật này bao gồm như: hệ thống lọc ngang (Horizontal flow filter), hệ thống lọc ngược dòng (Upflow filter), hệ thống lọc xuôi dòng (Downflow filter) và hệ thống xử lý đĩa quay sinh học (Rotating biological Contactors- RBCs). Các công nghệ này chỉ khác nhau về cách đưa dòng chảy tiếp xúc với tấm bùn.