1.3.1. Cơ chế tạo mầm và phát triển tinh thể
Cả hai quá trình sinh dưỡng của vi sinh vật là tự dưỡng và dị dưỡng nhằm tạo ra môi trường kiềm đều diễn ra rất phức tạp. Các điều kiện của quá trình dị dưỡng thay đổi theo các hệ vi sinh vật hiếu khí và kị khí. Một trong các quá trình được xét đến là quá trình dị dưỡng của vi khuẩn. Vi khuẩn dị dưỡng làm giàu môi trường hữu cơ luôn kèm theo sự hình thành các ion CO32- [21].
Quá trình dị dưỡng thứ nhất diễn ra theo chu trình sulphur. Trong quá trình này, vi khuẩn sulphate dưới điều kiện kị khí làm giảm sulphate dị hóa cục bộ [21].
Quá trình dị dưỡng thứ hai diễn ra theo chu trình nitơ, gồm [21]:
Sự khử amin của các amino acid trong điều kiện có không khí.
Sự giảm tác dụng dị hóa của nitrate trong điều kiện có không khí.
Sự phân hủy urea hoặc axit uric trong điều kiện có không khí.
Việc sử dụng các axit hữu cơ cũng làm tăng đồng thời cả pH lẫn nồng độ carbon vô cơ hòa tan (DIC) là [22]. Cần lưu ý rằng, CO32- vẫn có thể được tạo ra bởi quá trình trao đổi ion qua màng tế bào [1,3].
Vi khuẩn tác động đến sự tổng hợp CaCO3 thông qua quá trình tạo mầm tinh thể và các quá trình sinh hóa trong môi trường giàu calcium [24]. Sự tồn tại của các nhóm điện tích âm trên thành tế bào vi khuẩn là yếu tố quan trọng cho sự tạo thành tinh thể. Ở pH trung tính, các ion kim loại mang điện tích dương có thể bám vào bề mặt ngoài của thành tế bào vi khuẩn [1,2]. Sau đó, các cation trong đó có Ca2+ phản ứng với các anion và các muối kim loại trên bề mặt tế bào vi khuẩn, khơi mào cho quá trình tổng hợp khoáng. Quá trình này tương ứng với giai đoạn tạo mầm (tạo tâm kết tinh) của các tinh thể calcite. Anion CO32- trong phản ứng này có thể là một sản phẩm của quá trình trao đổi chất của vi khuẩn hoặc có nguồn gốc từ các chất vô cơ thêm vào từ bên ngoài.
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh một số vi khuẩn đặc biệt có thành tế bào với cấu tạo gồm exopoly saccharide và amino axit sẽ đóng vai trò quan trọng đối với hình thái và
Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh
khả năng tổng hợp khoáng của vi khuẩn, trong đó có khả năng tổng hợp khoáng calcite [2,7]. Một số nhà khoa học cho rằng tổng hợp khoáng là một quá trình không mong muốn và các khoáng này là sản phẩm ngẫu nhiên của quá trình trao đổi chất [28]. Một số khác lại cho rằng đây là một quá trình đặc biệt, quá trình này đi kèm với các lợi ích sinh thái mang lại cho chính bản thân vi sinh vật tạo khoáng [2,3].
Vi khuẩn gram dương như Bacillus subtilis và một số chủng vi khuẩn gram âm làm tăng sự hình thành CaCO3 trong dung dịch Ca2+ [30]. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các thành phần của tế bào vi khuẩn khi chết đi như các protein, polysaccharide có thể trở thành các tâm tạo mầm cho sự tổng hợp tinh thể CaCO3 [30].
Vi khuẩn gram dương có thành tế bào dày từ 20-80nm và một lớp màng nội bào.
Thành tế bào chứa hơn 50% peptidolycan [31]. Vi khuẩn gram âm có thành tế bào mỏng khoảng 10nm, kẹp giữa một lớp màng nội bào và một lớp màng ngoài. Thành tế bào chứa 10-20% peptidolycan [32]. Bên trong thành tế bào và màng nội bào là tế bào chất, bao gồm các protein, DNA, polysacharide.
Có thể thấy, chính thành tế bào dày của vi khuẩn gram dương sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ vi khuẩn khỏi môi trường khắc nghiệt của bê-tông với pH cao, ứng suất cơ học cũng như nhiệt thủy hóa các khoáng xi-măng.
Tế bào vi khuẩn gram dương có lipopolysaccharide (LPS) và peptidolican, là những thành phần có điện tích âm. Do đó, bản thân tế bào vi khuẩn tự nhiên sẽ có xu hướng mang điện âm trong hầu hết các môi trường dung dịch. Giá trị pKa của các nhóm carboxyl và phosphoryl của màng tế bào vi khuẩn đạt giá trị từ 4-7 [33]. Ở các điều kiện bình thường, các cation kim loại hóa trị hai như Ca2+, Mg2+ tập trung vào thành tế bào vi khuẩn. Các phản ứng giữa các ion tại thành tế bào vi khuẩn là giai đoạn khởi đầu cho quá trình kết tinh.
Sự tạo thành các nửa hợp phần CaCO3- trên bề mặt tế bào vi khuẩn dẫn đến sự hình thành các nửa hợp phần này trên bề mặt tinh thể CaCO3 [34]. Từ đó, các tâm tạo mầm dị thể từ tế bào vi khuẩn hình thành.
Quá trình hình thành các tâm kết tinh không chỉ diễn ra trên bề mặt tế bào vi khuẩn và còn xuất hiện xung quanh lân cận tế bào vi khuẩn [35]. Với giá trị Reynold’s rất thấp, cơ chế sinh học này luôn diễn ra xung quanh vi khuẩn qua một lớp (nước) mỏng. Về mặt
Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh
vật lý, điều này tạo ra một môi trường trung gian vi mô [26,28]. Lớp mỏng này tạo một bề mặt trung gian giữa tế bào vi khuẩn và môi trường. Tại bề mặt này, nồng độ các chất hóa học khác biệt so với môi trường ngoài. Kết quả là tạo ra các ảnh hưởng cục bộ lên trạng thái bão hòa của dung dịch, các cấu tử chính sẽ có ưu thế hơn để vượt qua hàng rào năng lượng hoạt hóa trong quá trình tạo mầm.
Quá trình tạo mầm từ tế bào vi khuẩn như đã trình bày, ngoài tác dụng chính là tổng hợp các tinh thể khoáng calcite, còn mang đến nhiều thuận lợi cho quá trình phát triển các tinh thể khoáng C-S-H trong quá trình thủy hóa xi-măng [36]. Các nghiên cứu đã chỉ ra, CaCO3 khi được thêm trực tiếp vào hồ xi-măng sẽ trở thành các tâm tạo mầm cho sự kết tinh các tinh thể khoáng C-S-H trong quá trình thủy hóa xi-măng [12,13]. Thành tế bào vi khuẩn thông qua các điện tích âm, sẽ trực tiếp trở thành nơi tập trung các tâm tạo mầm cho quá trình hình thành các tinh thể khoáng [39].
Như vậy quá trình tạo các khoáng thủy hóa trong bê-tông xi-măng được tăng cường với sự có mặt của vi khuẩn mà không cần thêm trực tiếp CaCO3 vào. Đây là một giả thuyết quan trọng để đưa vi khuẩn vào vật liệu bê-tông xi-măng mà không làm suy giảm cường độ, thậm chí cải thiện độ bền chịu nén, chịu uốn của bê-tông [40].
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng quá trình tổng hợp tinh thể calcite (bio-mineralization) Các yếu tố tác động đến sự tổng hợp các tinh thể calcite bao gồm [41]:
Nồng độ Ca2+.
Nồng độ carbon vô cơ hòa tan (DIC).
pH của môi trường.
Khả năng tạo mầm tinh thể.
Carbon vô cơ hòa tan được hiểu là các dạng khác nhau của CO2 hòa tan trong nước (dung dịch). Quá trình CO2 từ không khí hòa tan vào trong nước phụ thuộc nhiều yếu tố môi trường. Quá trình này có thể được tóm tắt theo sơ đồ phản ứng sau đây.
Ta xét hai trạng thái của hệ, là hệ kín và hệ hở.
2
2( g ) 2( aq ) 2 ( aq ) 2 3( aq ) 3( aq ) 3( aq )
CO CO H O H CO HCO HCO H
Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh
Trong hệ kín, coi như không có sự trao đổi khí CO2 với không khí bên ngoài. Do đó, tổng nồng độ carbon của hệ là không đổi. Tổng này bao gồm:
Dựa trên các phản ứng tạo thành của từng thành phần trong phương trình trên, nếu pH của hệ tăng, nồng độ CO32- tăng theo. Nếu nồng độ DIC tăng trong hệ, nồng độ CO32-
cũng tăng.
Trong hệ hở, có sự trao đổi CO2 trong dung dịch và môi trường không khí. Khi đó, cần xét đến yếu tố áp suất riêng phần của CO2.
Trong đó:
Có thể thấy, DIC của hệ gần như chỉ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của CO2. Áp suất riêng phần CO2 càng lớn, nồng độ CO32- càng cao. Điều này có được khi càng nhiều nước có bề mặt tiếp xúc với không khí, CO2 càng dễ trao đổi và tan vào trong, làm tăng pH dung dịch [42].
Để tạo thành CaCO3, cần có đủ lượng ion Ca2+ và CO32-. Điều này dẫn đến tích số hoạt tính ion (IAP) phải vượt quá độ hòa tan (KSO). So sánh IAP và KSO, ta rút ra được rằng, khi hệ ở trạng thái quá bão hòa (Ω > 1), sẽ xảy ra quá trình tạo thành CaCO3 [43].
Trạng thái bão hòa của hệ:
Hệ số bão hòa của hệ:
2
T 2( aq ) 2 3 3 3
C CO H CO HCO CO
2( g ) 2( aq )
CO CO
2( aq ) ,
H H
2( g )
K CO log K 1,468 CO
2
*
2( aq ) 2 3 H CO
CO H CO K .p
*
2 3 2( aq ) 2 3
H CO CO H CO
T H CO2
0
C 1 K .p
2 2
3 3
Ca CO CaCO
2 2
Ca CO3
SO SO
a a IAP
K K
Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh
Ở 25oC, Độ tan của calcite [44]
Nồng độ CO32- phụ thuộc vào nồng độ carbon vô cơ hòa tan và pH của hệ. Nồng độ carbon vô cơ hòa tan lại phụ thuộc các yếu tố môi trường như nhiệt độ và áp suất riêng phần của CO2. Tuy nhiên, yếu tố chính quyết định nồng độ CO32- là khả năng tạo môi trường kiềm, nói cách khác là làm cho giá trị pH tăng.
Tác động của áp suất riêng phần CO2 đến nồng độ carbon vô cơ hòa tan đã được đề cập ở trên, bây giờ ta sẽ làm rõ tác động của áp suất riêng phần CO2 đến nồng độ carbon hữu cơ hòa tan (DOC).
Các cấu tử hữu cơ hòa tan và một số ion như PO43- là những chất có tác dụng ức chế quá trình tạo calcite thông qua việc ngăn các tâm kết tinh phát triển. Ở điều kiện hệ số bão hòa nằm trong khoảng giá trị trị từ 8-9, nồng độ carbon hữu cơ hòa tan bằng 0,15mM thì hằng số tốc độ tổng hợp khoáng giảm dần về 0 [45]. Nồng độ CO2 trong lõi vật liệu bê- tông cao hơn từ 10-500 lần so với trong không khí. Tác động của nồng độ carbon hữu cơ hòa tan đến sự tạo mầm dị thể và phát triển tinh thể calcite với các giá trị áp suất CO2 khác nhau.
Trong khoảng giá trị hệ số bão hòa từ 2-20, tốc độ tạo calcite tăng theo sự gia tăng áp suất CO2 [46]. Vi khuẩn và các ion trở thành các tâm hoạt động cho quá trình tạo mầm dị thể calcite. Nồng độ carbon hữu cơ hòa tan tác động đến cả hai quá trình tạo mầm dị thể và phát triển tinh thể calcite.
Với áp suất CO2 bằng 0,035; 5 và 10kPa, hệ số bão hòa từ 2,5-20 thì tốc độ tổng hợp khoáng giảm, nồng độ DOC tăng. Tuy nhiên, khi áp suất CO2 tăng, nồng độ DOC cao hơn, dẫn đến quá trình tổng hợp khoáng giảm tương ứng. Khi DOC ≥ 0,05mM, tốc độ kết tinh của các tinh thể calcite về cơ bản phụ thuộc vào diện tích bề mặt tinh thể và nồng độ DOC.
Khi hệ số bão hòa đạt giá trị không đổi, nồng độ DOC cần đạt giá trị đủ lớn để khóa các
2 2
Ca CO3
SO SO
a a SI log log IAP log
K K
o
9 SO( calcite ,25 C )
K 4,8 10
2 2
3
2 2 8
SO 3
Ca CO
SI 1 log 1 a a 10K Ca CO 4,8 10
Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh
tâm hoạt động của các tinh thể calcite lại, ứng với áp suất CO2 tăng. Quá trình này có thể là do sự kết hợp của các nguyên nhân sau đây.
Các điện tích âm trên bề mặt các tinh thể calcite gia tăng khi áp suất riêng phần CO2 tăng [25,26].
Khả năng liên kết của axit fulvic và pH dung dịch giảm [49].
Thể tích riêng của DOC giảm do sự gia tăng cường độ ion của dung dịch [50].
Điện tích âm bề mặt tăng cộng với hoạt tính Ca2+ trong dung dịch tăng giúp giải thích sự tăng quá trình tổng hợp khoáng calcite, kèm với quá trình tăng áp suất CO2.
Bây giờ ta sẽ xét đến các biến đổi bên trong và bên ngoài thành tế bào vi khuẩn trong quá trình thủy phân urea. Hầu hết các vi sinh vật tạo ra adenosine triphosphate (ATP) thông qua quá trình phân hủy urea (hai quá trình này có thể đồng thời xảy ra) [11]. ATP là phân tử mang năng lượng, có chức năng vận chuyển năng lượng đến các nơi cần thiết cho tế bào sử dụng. Chỉ có thông qua ATP, tế bào mới sử dụng được thế năng hóa học ẩn trong cấu trúc phân tử hữu cơ. Từ đó, dẫn đến quá trình tổng hợp khoáng sau này [51].
Hình 1.8. Sơ đồ quá trình phân hủy urea và tạo ATP qua tế bào vi khuẩn [11]
Hình 1.3 trình bày các quá trình diễn ra giữa môi trường ngoài và tế bào chất của vi khuẩn, bao gồm các quá trình chuyển chất từ trong ra ngoài, từ ngoài vào trong.
Thế điện hóa kiểm soát sự tạo thành ATP được xác định như sau [11]:
p pH
Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh
Trong đó:
: gradient pH (sự chênh lệch pH trong và ngoài tế bào) : gradient điện tích (điện thế màng)
Quá trình tạo ATP có thể tóm tắt như sau:
Urea khuếch tán vào trong tế bào vi khuẩn nhờ gradient nồng độ.
Sự thủy phân urea dẫn đến tăng kiềm tính của tế bào chất (NH3/NH4+), từ đó dẫn đến giảm sự chênh lệch pH trong và ngoài tế bào.
Amonium khuếch tán từ trong tế bào ra ngoài môi trường nhờ gradient nồng độ, dẫn đến tăng điện thế màng.
Điện thế màng tăng dẫn đến các proton đi ngược lại gradient nồng độ.
Quá trình tạo ATP phụ thuộc gradient nồng độ proton. Đối với vi sinh vật trung tính, tế bào thải ra ngoài các proton từ chuỗi các electron vận chuyển. Điều này dẫn đến tăng nồng độ proton (trong thấp/ngoài cao). Các proton sau đó đi ngược vào trong tế bào theo gradient nồng độ của ATP-synthase tạo ra từ ATP.
Đối với các vi sinh vật ưa kiềm, pH ngoài tế bào cao, nồng độ proton thấp, dẫn đến proton có xu hướng khuếch tán từ trong tế bào theo gradient nồng độ (trong cao/ngoài thấp). Để chống lại quá trình này, vi sinh vật phát triển hai cơ chế để dẫn proton đi ngược vào trong tế bào để tạo ATP. Các cơ chế này sẽ làm tăng pH trong tế bào. Điều này dẫn đến kiềm tính của tế bào chất tăng lên (giảm sự chênh lệch pH trong màng ngoài tế bào) và tăng điện thế màng thông qua sự thải ra một cation NH4+ ứng với một ATP. Do đó, sự phân bố điện tích xuyên qua màng tế bào tăng lên, trở thành động lực proton dẫn đến việc các proton đi vào tế bào, ngược với gradient nồng độ.
Tốc độ tổng hợp sản phẩm calcite được xác định như sau:
Trong đó:
: tổng tốc độ tổng hợp khoáng calcite (mM/s) : tốc độ phát triển tinh thể (mM/s)
: tốc độ tạo mầm dị thể (mM/s)
pH
T CG HN
R R R
RT
RCG
RHN
Thực hiện: Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh
Dưới tác động của áp suất CO2 và nồng độ carbon hữu cơ hòa tan (DOC), ta có mối quan hệ sau đây [46]:
Trong đó:
: diện tích bề mặt tinh thể calcite.
: hằng số tổng hợp khoáng đối với quá trình phát triển tinh thể.
: hằng số hòa tan của calcite ở 25oC.
: hệ số diện tích bề mặt.
Trạng thái quá bão hòa là giai đoạn đầu tiên trong một loạt các quá trình của sự tạo thành tinh thể [52]. Cho dù nồng độ các ion khoáng trong dung dịch có tăng vượt quá độ tan của pha tinh thể khoáng dạng rắn, các chất không tan vẫn không thể tạo thành một cách bình thường cho đến khi hệ quá bão hòa đạt tới một nhiệt độ nhất định. Các tâm tạo mầm bền chỉ có thể tạo thành sau khi hàng rào năng lượng hoạt hóa bị vượt qua. Tâm tạo mầm hình thành ứng với trạng thái năng lượng tự do cao nhất, bao gồm tâm kết tinh tới hạn không bền trong dung dịch [53].
Các tâm kết tinh có thể là đồng thể hoặc dị thể. Trong quá trình tạo mầm đồng thể, các tâm tạo mầm tới hạn được hình thành do sự va chạm ngẫu nhiên giữa các ion hoặc các nguyên tử trong dung dịch. Ngược lại, quá trình tạo mầm dị thể bao gồm các tâm tạo mầm tới hạn trên các bề mặt của chất rắn [23,24].
Khi các tâm tạo mầm tới hạn được hình thành, số lượng các ion sau đó tăng lên sẽ đi kèm với sự giảm năng lượng tự do. Quá trình này tương ứng với giai đoạn phát triển tinh thể, quá trình vật chất tích tụ lại trên bề mặt tinh thể. Các ion hóa trị hai khác như Mg2+, Sr2+, các anion như PO43- hoặc các phân tử hữu cơ lớn có thể xen vào mạng tinh thể. Điều này cản trở quá trình phát triển tinh thể [54].
Có rất nhiều dạng khoáng carbonate khác nhau (khoảng 60 loại), trong đó có 5 dạng phổ biến gồm calcite (CaCO3), dolomite (CaMg(CO3)2), magnesite (MgCO3),
CO2 2
CO 2
3,05 0 ,793log P 1
2 2 6
T CG 3 SP CO
1,41 0 ,61log P 1 3
HN CO
R sk Ca CO k 8,57 10 P DOC k f SA log 1,5 5,9 10 P DOC
s
kCG
kSP
f SA