1.3. Phân hủy DDT bởi vi sinh vật
1.3.2. Một số nhóm vi sinh vật phân giải DDT
Các nghiên cứu cho thấy, các đại diện vi khuẩn phân hủy DDT điển hình là
Alcaligenes eutrophus, nhóm vi khuẩn Bacillus, nhóm vi khuẩn Pseudomonas, một
số Sphingobacterium, hay Stenotrophomonas với hiệu quả phân giải DDT lên tới 99%
[59].
Từ những năm 1978, Pseudomonas aeruginosa 640X đã được nghiên cứu có khả năng phân hủy hoàn toàn DDT [85]. Năm 2005, Santacruz và cộng sự đã có nghiên cứu về khả năng phân hủy sinh học DDT của Pseudomonas fluorescens, chủng có thể phân giải 55-99% từ nồng độ DDT ban đầu là 150mg/L trong thời gian ngắn khi được cố định trên vật liệu rẻ tiền là tezontle theo con đường chuyển hóa hiếu khí tạo ra các chất trung gian dạng chlorophenol [78].
Năm 2007, Barragán-Huerta đã phân lập được 5 chủng vi khuẩn từ hạt cà phê, trong đó Stenotrophomonas maltophilia có khả năng xử lý hoàn toàn 15ppm DDT trong môi trường muối khoáng, tuy nhiên bị ức chế ở nồng độ 50ppm [17]. Gần đây, năm 2016, chủng Stenotrophomonas sp. DDT-1 được công bố lại có khả năng phân giải DDT theo cách khử Chlorin trước rồi sau đó hydroxyl hóa và carboxyl hóa trước khi khoáng hóa hoàn toàn, cũng đạt hiệu suất phân giải hơn 90% sau 82 ngày [68].
Đầu năm 2022, nghiên cứu thực địa quá trình xử lý sinh học bằng sử dụng chủng
Stenotrophomonas sp. DXZ9 cho thấy hiệu quả xử lý DDT là 81%, DDE là 55% [99].
Alcaligenes eutrophus (Ralstonia eutropha) A5 phân giải hơn 99% DDT trong 45
ngày, sản phẩm cuối cùng tạo ra axit 4-chlorobenzoic [61]. Năm 2019, Mansouri và cộng sự phân lập được chủng Cupriavidus metallidurans (Ralstonia metallidurans) LBJ và Pseudomonas stutzeri LBR có khả năng phân hủy lần lượt 79% và 87% lượng DDT từ nồng độ ban đầu 10mg/L trong 30 ngày. Khi thiết lập các tổ hợp với từ trường
15 sinh học, khả năng phân hủy DDT của hai chủng này đạt đến lần lượt 90% và 98%
sau 30 ngày [58].
Bên cạnh vi khuẩn, nhiều vi nấm cũng có khả năng phân giải DDT, ví dụ như nấm mục trắng và nấm mục nâu. Một số loại nấm mục trắng đã cho thấy khả năng phân giải DDT như Boletus edulis, Gomphidius viscidus, Laccaria bicolor, Leccinum
scabrum, Arbuscular mycorrhizal, và Phanerochaete chrysosporium [59].
Ở Việt Nam, tính đến nay chỉ có các công bố của Đặng Thị Cẩm Hà và công sự về chủng nấm FNA1 có khả năng xử lý hơn 92% hỗn hợp DDT, DDE từ nồng độ 200ppm sau 7 ngày nuôi cấy, chủng FNA4 phân hủy 94,48% hỗn hợp trên sau 14 ngày nuôi cấy. Các chủng nấm sợi này được phân lập từ đất ô nhiễm hỗn hợp thuốc BVTV tại Nghệ An, và đều được xếp vào chi Aspergillus [4]. Tuy nhiên, hiện vẫn
chưa có nhiều nghiên cứu về vi khuẩn phân giải DDT ở Việt Nam.
1.3.3. Con đường phân hủy sinh học DDT bởi vi sinh vật
Phân hủy sinh học dựa trên việc sử dụng nhóm vi sinh vật như vi khuẩn, nấm để phân giải chất ô nhiễm tạo ra các sản phẩm cuối cùng thân thiện với môi trường trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí. Việc loại bỏ nguyên tử chlorine ra khỏi cấu trúc phân tử là một bước quan trọng trong phân giải DDT, việc này có thể xảy ra tự phát do cấu trúc phân tử không bền hoặc diễn ra nhờ sự xúc tác bởi các enzyme đặc trưng [59]. Các con đường phân giải DDT được thể hiện trong Hình 1.4.
Phân hủy sinh học hiếu khí là sự phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm bởi vi sinh vật trong điều kiện có oxy. Vi sinh vật sử dụng oxy làm chất nhận điện tử để tạo ra năng lượng. Cụ thể, oxy được sử dụng để oxy hóa cac-bon trong chất ô nhiễm một phần hoặc hoàn toàn. R. eutropha A5 được Nadeau chứng minh rằng có khả năng phân hủy DDT trong điều kiện hiếu khí [61]. Bước đầu tiên trong con đường này là oxy hóa DDT ở vị trí ortho và meta tạo chất trung gian 2,3-dihydrodiol-DDT. Sản phẩm này sau đó sẽ được tiếp tục phân giải thành 2,3- dihydoxy-DDT bởi một enzyme dehydrogenase. 2,3-dihydroxy-DDT trải qua phản ứng cắt mở vòng meta và cuối cùng sẽ được dị hóa thành 4-chlorobenzoate (4-CBA), sản phẩm cuối cùng trong con
16 đường phân giải của R. eutropha A5. Một nghiên cứu khác cho thấy, một chủng
Pseudomonas sp. cũng có khả năng phân hủy DDT thành 4-CBA thông qua con
đường tương tự [51].
Hình 1.4. Tổng hợp các con đường phân giải DDT bởi vi sinh vật đã biết [59].
DDT 1,1,1-dichlorodiphenyl trichloroethane; DDE 1,1-dichloro-2,2-bis(p- chlorophenyl) ethylene; DDD 1,1-dichloro 2,2-bis(p-chlorophenyl) ethane; DDMU
1-chloro-2-2-bis-(4′-chlorophenyl) ethylene; DDMS 1-chloro-2,2-bis(4′- chlorophenyl) ethane; DDNU 1,1-bis(4-chlorophenyl) ethylene; DDOH 2,2-bis (4′- chlorophenyl) ethanol; DDA 2,2-bis(p-chlorophenyl) acetate; DBP 4,4′-
dichlorobenzophenone; DDM bis(4′-chlorophenyl) methane. 1 Proteus vulgaris, 2 Klebsiella pneumoniae, 3 Ralstonia eutropha A5, 4 Pseudomonas acidovorans M3GY, 5 Aeromonas hydrophila, 6 Pseudomonas putida, 7 Bacillus sp., 8 Chryseobacterium sp. PYR2.
Phân hủy sinh học kị khí là sự phân hủy các hợp chất hữu cơ ô nhiễm bởi vi sinh vật trong điều kiện không có oxy. Vi sinh vật sử dụng một chất khác ngoài oxy làm chất nhận điện tử; trong một số trường hợp, bản thân chất ô nhiễm có thể đóng
17 vai trò chất nhận điện tử [92]. Khả năng phân hủy DDT trong điều kiện kị khí được biết đến chủ yếu là quá trình khử loại chloride. Phản ứng diễn ra bởi sự khử gốc chlorin mạch thẳng và thay bằng nguyên tử hydro. Con đường phân giải DDT trong điều kiện kị khí có thể được hiểu rõ hơn qua nghiên cứu về khả năng phân giải DDT ở Aeromonas hydrophila HS01. Sau khi hình thành DDD, sản phẩm này sẽ được tiếp tục bị loại chloride theo kiểu khử để tạo nên DDMS; tương tự, DDMS sẽ được chuyển thành DDNS. DDMS và DDNS sau đó trải qua các phản ứng oxy hóa để tạo nên DDOH và DBP. DDOH và DBP không được quan sát thấy biến đổi tiếp trong điều kiện kị khí [27]. Tuy nhiên, con đường trao đổi hiếu khí và kị khí phân hủy DDT của vi sinh vật có những sản phẩm trùng lặp với nhau, điều này cho thấy hai con đường phân giải này có mối liên hệ thống nhất.
1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân hủy DDT của vi sinh vật
Sự phân hủy DDT của vi sinh vật liên quan mật thiết đến đặc điểm của từng loài, các yếu tố môi trường, các yếu tố tự nhiên có ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật cũng như khả năng sinh enzyme phân giải DDT. Vì vậy, việc xác định các loài có khả năng phân hủy DDT, cũng như các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH, nồng độ DDT ảnh hưởng trực tiếp, đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý DDT và các chất chuyển hóa của nó.
Định danh các chủng vi sinh vật
Trên thế giới, nhiều nghiên cứu về các loài vi sinh vật phân giải DDT đã được công bố [59]. Vì vậy, việc xác định các chủng thuộc các loài có khả năng phân hủy DDT là một yếu tố quan trọng. Cho đến nay, việc định danh các chủng vi khuẩn trong sinh học chủ yếu dựa trên trình tự gen 16S rRNA, tuy nhiên khả năng xác định bị giới hạn đến cấp độ chi [42]. Do đó, việc kết hợp phân tích gen đặc trưng có thể được sử dụng để xác định chính xác vi khuẩn ở cấp độ loài [42]. Theo công bố của Girard và cộng sự năm 2020, việc định danh các loài thuộc chi Pseudomonas chủ yếu dựa vào gen rpoD với giá trị ngưỡng giới hạn (cut-off value) trên 98% [42]. Đối với chi Stenotrophomonas, nghiên cứu của Svensson-Stadler và cộng sự năm 2021 đã công
18 bố các loài thuộc chi này được định danh chủ yếu dựa vào phân tích gen gyrB với
ngưỡng giới hạn khoảng 93% [89]. Ryan và cộng sự năm 2011 đã nghiên cứu và phát hiện gen hisKA chỉ có ở Cupriavidus metallicidurans và thậm chí không được phát hiện trong số 148 chủng có liên quan chặt chẽ thuộc Cupriavidus campinensis, Cupriavidus eutrophus, Cupriavidus respiraculi, Ralstonia insidiosa, Ralstonia
pickettii, Ralstonia solanacearum… [75]. Tương tự với việc định danh các chủng vi
khuẩn, gen 16S rRNA thường chỉ định danh xạ khuẩn ở cấp độ chi [80]. Theo Sharma và cộng sự năm 2014, cách tiếp cận cổ điển để phân loại xạ khuẩn đến loài dựa trên việc kết hợp phân tích gen 16S rRNA và phân tích các đặc điểm hình thái khuẩn lạc, chuỗi bào tử và các đặc điểm sinh lý, sinh hóa của chủng xạ khuẩn [80].
Nhiệt độ
Nhiệt độ có ảnh hưởng quan trọng đến sự sống sót của vi sinh vật. Nhiệt độ thấp có thể ức chế hoạt động trao đổi chất và enzyme của vi sinh vật, trong khi nhiệt độ cao có thể gây bất hoạt protein ở vi sinh vật. Nghiên cứu của Pan và cộng sự năm 2016 cho thấy, Stenotrophomonas sp. DDT-1 có tốc độ phân giải DDT tốt nhất ở
35oC, đây là ngưỡng tối ưu cho hoạt động phân giải DDT của chủng vi khuẩn này [68]. Trong nghiên cứu gần đây, năm 2023, Wang và cộng sự đã khảo sát khả năng phân hủy DDT của chủng Arthrobacter globiformis DC-1, kết quả cho thấy chủng này có ngưỡng phân hủy sinh học DDT tốt trong khoảng 25 đến 35oC, tốt nhất ở
30oC, giảm mạnh ở 20oC và 40oC [95]. Các kết quả này cho thấy, 25oC-35oC là ngưỡng nhiệt độ phù hợp để vi khuẩn sinh trưởng tốt và phân giải DDT hiệu quả.
Độ pH
Các nghiên cứu đã cho thấy pH là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự phân hủy DDT của vi sinh vật, vi khuẩn phân hủy DDT tốt nhất trong điều kiện pH trung tính. Stenotrophomonas sp. DDT-1 có tốc độ phân giải DDT tốt ở pH5, 7, 9 [68]. Kết quả phân tích thống kê cho thấy thời gian phân hủy DDT ở pH7 nhanh hơn ở pH5, 9; điều đó cho thấy DDT-1 có khả năng phân giải DDT tốt nhất trong điều kiện pH trung tính. Kết quả này cũng khá tương đồng với nghiên cứu của
19 Wang, A. globiformis DC-1 phân hủy DDT tốt nhất ở pH7,5; chủng có khả năng
chống chịu và phân hủy DDT ở môi trường kiềm tốt hơn trong môi trường acid [95].
Nồng độ chất ô nhiễm
Nồng độ DDT cao hoặc thấp sẽ có khả năng thúc đẩy hoặc ức chế quá tình phân giải DDT của vi sinh vật. Hầu hết vi khuẩn đã được nghiên cứu có thể phân giải DDT ở nồng độ thấp và ức chế ở nồng độ DDT khoảng 30ppm. Năm 2016, Pan và công sự đã nghiên cứu về ảnh hưởng của nồng độ DDT đến Stenotrophomonas sp.
DDT-1 và công bố một số kết quả thú vị [68]. Cụ thể, sau 21 ngày, Stenotrophomonas
sp. DDT-1 có tốc độ phân hủy DDT ở ba nồng độ 0,1; 1; và 10mg/L lần lượt là 0,004;
0,038; 0,086 mg/L/ ngày. Như vậy, tốc độ phân hủy DDT tăng gần như tuyến tính khi tăng nồng độ cơ chất (r=0,94), đạt cực đại ở ngưỡng bổ sung DDT 10mg/L. Một kết quả tương tự được quan sát bởi Wang và cộng sự, A. globiformis DC-1 phân hủy DDT tăng dần đạt tối đa ở 10mg/L, tuy nhiên việc tăng nồng độ DDT lên 20, 30mg/L đã ức chế DC-1 và làm giảm tốc độ phân hủy DDT của chủng này [95].
Độ ẩm
Độ ẩm là một yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến sự sống của vi sinh vật. Mọi loại vi sinh vật đều sinh trưởng trong một giới hạn độ ẩm nhất định, từ đó ảnh hưởng đến khả năng phân giải DDT của vi sinh vật. Trong thí nghiệm của Bumpus và cộng sự, Phanerochaete chrysosporium đã được sử dụng để hỗ trợ quá trình khoáng hóa DDT. Ảnh hưởng của độ ẩm được xác định bằng cách thay đổi độ ẩm 20, 40, 50, 80 và 90%, các kết quả cho thấy rằng độ ẩm khoảng 40% là tối ưu [24]. Trong một nghiên cứu khác, Boul đã phát hiện dư lượng DDT giảm mạnh hơn trong các cánh đồng có tưới nước so với các cánh đồng không được tưới nước [22]. Sự tụt giảm DDT này có thể do sự gia tăng độ ẩm trung bình của đất, tuy nhiên, thời gian để tạo ra sự khác biệt về dư lượng DDT lên đến 30 năm [22].
Nguồn cac-bon bổ sung