Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.5 Nghiên cứu ứng dụng màng sinh vật
1.5.1 Ứng dụng màng sinh vật trong việc xử lý nước thải
Xử lý nước thải môi trường, nhất là trong tình hình thực tiễn hiện nay là một vấn đề mang tính thời sự cấp thiết. Bởi lẽ xử lý nước thải khơng chỉ nhằm mục đích
cải thiện điều kiện vệ sinh môi trường sống của con người mà xa hơn cịn nhằm duy trì cân bằng sinh thái, tạo điều kiện phát triển bền vững lâu dài cho loài người. Hiện nay, việc xử lý nước thải nói chung theo hướng áp dụng các kỹ thuật sinh học rất được chú trọng do chúng có tính bền vững, thích nghi với nhiều điều kiện trong tự nhiên.
Trong cấu trúc màng sinh vật, 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 vật sẽ cùng hợp tác trao đổi chất giúp cho q trình loại bỏ các chất gây ơ nhiễm trong nước diễn ra dễ dàng và hiệu quả [76].
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 vật mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Một là, mật độ các chủng vi sinh vật trong màng sinh vật cao hơn nhiều, tạo điều kiện xử lý tối đa nguồn nước thải. Hai là, ngoài việc loại bỏ các chất khơng mong muốn trong nước thải thì q 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 vật 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 vật được xem là giải pháp thân thiện môi trường [50].
1.5.2 Ứng dụng màng sinh vật trong việc ức chế các vi sinh vật gây hại
Đấu tranh phòng trừ bệnh gây hại cho cây trồng đã và đang là hướng nghiên cứu rất được quan tâm ứng dụng trong ngành nông nghiệp. Và một trong những biện pháp được ưa chuộng đó là đấu tranh sinh học. Trong đó, nhiều nghiên cứu cho thấy rằng các vi sinh vật có thể hoạt động như một tác nhân đối kháng với nhiều mầm bệnh khác nhau ở thực vật bao gồm các loại sâu bọ và các mầm bệnh vi sinh vật như nấm, xạ khuẩn, vi khuẩn.
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 [69].
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 [69]. 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 và cộng sự [5] đã chứng minh rằng nhờ quá trình hình thành màng sinh vật 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 của Morikiwa [56]. 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.
1.5.3 Một số nghiên cứu ứng dụng khác
Ứng dụng của màng sinh vật 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 mịn ở gang, thép cacbon, thép khơng 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 [34]. 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 mịn điện hóa ở các bề mặt kim loại. Trong khi đó, vi khuẩn L. discophora SP-6 oxy hóa sắt, tự nó
với D. orientis và Paenibacillus polymyxa 10401 thì tốc độ ăn mòn thép nhẹ sẽ tăng lên rất lớn [28]. Nghiên cứu của Morikawa [56] cho thấy sự hình thành màng sinh vật 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.
Trong công nghiệp lên men
Trong các bồn lên men ở quy mô công nghiệp, màng sinh vật là hình thức hiệu quả để giữ lại sinh khối vi sinh vật [47].
Sau mỗi mẻ lên men, các tế bào ở dạng tự do khó có khả năng giữ lại trong các bồn lên men. Do đó, mỗi khi tiếp tục một quy trình mới lại phải bổ sung thêm một lượng sinh khối nhất định và đợi thời gian để vi sinh vật có thể sinh trưởng, phát triển tới một nồng độ nhất định mới. Quy trình này gây tốn kém ở khâu nguyên liệu đầu vào cũng như mất thời gian vận hành.
Ngược lại, khi đã được bám giữ trên bề mặt giá thể bằng mạng lưới màng sinh vật 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.
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 [67] 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.
Nghiên cứu về màng sinh vật đã và đang là lĩnh vực thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tác hại cũng như lợi ích ứng dụng của màng sinh vật trong đời sống. Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu thu nhận được từ các cơng trình khoa học nước ngoài. Tài liệu về màng sinh vật ở Việt Nam cịn tương đối ít và nghiên cứu về màng sinh vật còn chưa nhiều, chưa sâu. Đề tài nghiên cứu của chúng tôi với mục đích tạo thêm cơ sở dữ liệu khoa học về các
chủng vi sinh vật có khả năng tạo thành màng sinh vật từ mơi trường nước thải giàu nguồn cacbon ở các khu vực làng nghề và nhà máy sản xuất và đưa ra một số ứng dụng theo hướng xử lý nước thải môi trường.