Chương XIV Công nghệ vi sinh vật hiện đại bảo vệ môi trường & phát triển bền vững

Nội dung Công nghệ gene và bảo vệ môi trường Công nghệ tế bào và bảo vệ môi trường Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Công nghệ sản xuất sạch Vi sinh vật thân thiện với môi trường Công nghệ gene và bảo vệ môi trường Ứng dụng công nghệ chuyển gene để tạo các biosensor Biosensor Một số hợp chất được sử dụng để phát hiện sự ô nhiễm trong nguồn nước Cytochrome P450A  carbohydrate thơm và dioxin Methallothionine  kim loại Chỉ thích hợp nước thải có mức độ ô nhiễm lớn sử dụng các cảm biến sinh học Sản xuất sản phẩm mới Biosensor Sử dụng các gene mã hóa cho GFP gắn vào các promoter đáp ứng nước thải Các promoter đó bao gồm: Gene mã hóa cho protein shock nhiệt hoặc methallothionein  stress, kim loại nặng, độc tố hóa học Gene chứa các yếu tố đáp ứng với estrogen Gene chỉ thị khối u  carcinogene Sản xuất sản phẩm mới Công nghệ tế bào và bảo vệ môi trường Là công nghệ nuôi tế bào trong môi trường nhân tạo  thay đổi theo ý muốn con người nhằm mục đích tạo ra chế phẩm và thành phần sinh vật sản xuất, cải tạo giống hoặc tạo giống mới. Sử dụng công nghệ tế bào kết hợp công nghệ gene  một loạt giống cây trồng mới có sản lượng cao, chất lượng tốt, kháng bệnh, tạo các chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học. Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Gồm các nhóm enzyme Oxidoreductase, Hydrolase, Các enzyme khác Các enzyme oxidoreductase Các enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11 Các enzyme oxidase thuộc phân lớp EC 1.1 Một số enzyme phân lớp khác: polyphenol oxidase Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11 Catalase Xúc tác phản ứng phân hủy đặc hiệu H2O2 Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11 Catalase Ngoài ra, catalase còn có thể phân hủy formaldehyde, acid formic và alcohol Đây là những chất độc hại đối với môi trường được thải ra từ các nhà máy chế biến sữa, phomat hoặc các nhà máy dệt, sợi Cùng với các enzyme peroxidase, manganese peroxidase  phát hiện một số kim loại như Hg+2, Pb+2, Cd+2, Cr+6, Mn+2 Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11 HRP (Horseradish peroxidase) Có thể xúc tác phản ứng oxy hóa phổ rộng gồm: các hợp chất thơm độc: biphenol, aniline, benzidine các hợp chất thơm dị vòng như hydroxyquinoline và arylamine carcinogen như benzidine và naphthylamine Sản phẩm  polymer hóa  kết tủa  loại bỏ qua quá trình lắng đọng hoặc lọc Phù hợp với xử lý nước thải vì không bị biến tính ở phổ rộng pH và nhiệt độ Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme phân giải lignin Lignin là một polysaccharide của thành tế bào thực vật, là một polymer có rất nhiều vòng thơm  không ưa nước  rất khó phân hủy Về cấu tạo, lignin gồm các mạch phenylpropanoid phức tạp không đồng nhất  việc phân hủy sinh học lignin cần phải có hệ enzyme oxy hóa mạnh Hai enzyme có hoạt tính mạnh có khả năng phân giải lignin là Ligninase (lignin peroxidase) Manganese peroxidase Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme phân giải lignin Manganese peroxidase Thực hiện phản ứng oxy hóa nhưng phụ thuộc vào sự có mặt của Mg2+ và đệm Thực tế, MnP xúc tác phản ứng oxy hóa khử Mn(II) thành Mn(III)  phức hợp Mn(III) Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme phân giải lignin Lignin peroxidase Là một enzyme ngoại bào có ở nấm mốc Phanerochaete chrysosporium Có khả năng gây khoáng hóa một số hợp chất vòng thơm khó xử lý và oxy hóa một lượng lớn các hợp chất phenol và hợp chất thơm đa vòng Ứng dụng để xử lý rác thải nguy hiểm, khó phân hủy Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme oxidase L – galactonolactone oxidase Là enzyme xúc tác phản ứng đặc hiệu là phản ứng oxy hóa L-galactono-1,4-lactone thành L-ascorbate L-galactonolactone oxidase từ nấm men Candida norvegensis có thể được dùng để biến galactose từ quá trình thuỷ phân lactose trong dịch sữa chua thành axit L-ascorbic. Enzyme này đã được thử nghiệm xử lý nước thải của nhà máy chế biến sữa. Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Một số enzyme phân lớp khác Tyrosinase Còn gọi là polyphenol oxydase, phenolase hay catecholase xúc tác cho hai phản ứng liên tiếp: phản ứng thứ nhất là phản ứng thuỷ phân monophenol nhờ oxy phân tử thành các o-diphenol phản ứng thứ hai là phản ứng dehydrogen hoá các o-diphenol nhờ oxy thành các o-quinon. Các quinon thường không bền  bị polymer hóa thành các hợp chất không tan và dễ dàng bị loại bỏ Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Một số enzyme phân lớp khác Tyrosinase Được cố định trên chitosan để xử lý nước thải phenol (loại bỏ 100% phenol) Việc cố định tyrosinase có ưu điểm trong việc giữ lại được các enzyme trong bản thể phản ứng và bảo vệ chúng không bị mất hoạt tính khi thực hiện các phản ứng với quinon. Tyrosinase được cố định vẫn giữ được hoạt tính sau 10 ngày. Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Một số enzyme phân lớp khác Laccase Là một enzyme kim loại xúc tác cho phản ứng oxy hóa hydroquinone thành benzoquinone Trung tâm hoạt động của enzyme này có ion Cu2+ tham gia Dùng laccase cố định trên chất mang  xử lý thuốc nhuộm anthraquinonic  làm giảm 80% độ độc Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme hydrolase Các enzyme thủy phân amylose Các enzyme thủy phân cellulose Các enzyme thủy phân pectin Các enzyme thủy phân protein Các enzyme phá hủy hợp chất chứa halogen Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme thủy phân amylose Nhờ vào hệ enzyme amylase gồm 4 enzyme là  - amylase,  - amylase, amylose 1,6 – glucosidse, glucoamylase Có ý nghĩa quan trọng trong việc phân hủy phế thải chứa các nguồn tinh bột từ các làng nghề làm bún, bánh đa, bánh cuốn, chế biến nông sản ngô, khoai, sắn Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme thủy phân cellulose Được phân giải nhờ vào hệ enzyme cellulase gồm có 4 enzyme: Enzyme C1 (cellobiose dehydrolase), endoglucanase, exoglucanase và  - glucosidase Ứng dụng để xử lý chất thải từ các nhà máy giấy  thu được ethanol Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme thủy phân pectin Pectin là heterosaccharide của thành tế bào thực vật, có cấu tạo mạch dài tạo nên bởi các đơn vị monosaccharide, gồm các liên kết (1,4)-α-D-galacturonic acid và các methyl ester Là thành phần rất khó phân hủy. Dựa vào nấm mốc A. japonicus người ta đã tách được enzyme pectinase và pectinesterase có khả năng phân hủy pectin Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các enzyme phá hủy hợp chất chứa halogen Chia làm 2 loại: haloalkane dehalogenase và haloacid dehalogenase Atrazine là một chất độc diệt cỏ hầu như hoàn toàn không tan trong nước (33 mg/lít), nhưng nồng độ cho phép trong nước là 0,2 mg/lít. Pseudomonas sp. strain ADP có khả năng chuyển hoá atrazine do tiết ra Atrazine chlorohydrolase xúc tác phản ứng chuyển hoá atrazine biến atrazine độc, không tan thành các sản phẩm tan được và không độc. Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Các lớp enzyme khác Enzyme tham gia vào quá trình khử kim loại nặng – As Enzyme tham gia xử lý các chất có hoạt tính bề mặt Enzyne xử lý chất thải cyanur, cyanid hydratase Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Enzyme khử kim loại nặng – Arsen Con người tiếp xúc với arsen thông qua không khí, thức ăn và nước uống. Lượng arsen đi vào cơ thể hẳng ngày khoảng 20 – 300 μg với 25% là arsen vô cơ, còn lại là hữu cơ Các dạng arsen hữu cơ như arsenocholin, arsenobetain tương đối không độc còn các dạng arsen vô cơ lại rất độc Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Enzyme khử kim loại nặng – Arsen Nguyên tắc của việc xử lý: chuyển hóa arsenite (hóa trị III) thành arsenate (hóa trị V) hoặc chuyển dạng arsen vô cơ thành dạng hữu cơ Enzyme arsenate reductase (còn gọi là arsenite oxidase) từ chủng Alcaligenes faecalis, xúc tác cho phản ứng chuyển hoá Arsenite (hoá trị III) rất độc thành Arsenate (hoá trị V) ít độc hơn [36], Arsenate reductase (donor) (còn gọi là glutaredoxin), từ chủng Chrysiogenes arsenatis xúc tác phản ứng chuyển hoá arsenite Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Enzyme xử lý các chất có hoạt tính bề mặt Là các chất hữu cơ có tính phân cực mạnh và là thành phần cơ bản của chất tẩy rửa Alkylsulfatase từ Pseudomonas putida hoặc từ Pseudomonas aeruginosa có thể làm giảm hiệu suất các chất có hoạt tính bề mặt. Enzyme này đặc hiệu với các gốc alkyl sulfate, và có thể phá huỷ hoàn toàn gốc alkyl sulfate, alkyl ethoxy sulfate hoặc aryl sulfonate trong các chất có hoạt tính bề mặt. Tuy nhiên, trên thực tế, enzyme này không thể phân hủy alkane sulfonate. Nói chung, alkylsulfatase hứa hẹn một ứng dụng trong tương lai về việc xử lý một phạm vi rộng các chất có hoạt tính bề mặt có trong nước thải. Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Enzyme xử lý cyanur - cyanide hydratase Cyanur là sản phẩm trung gian của các quá trình tổng hợp tơ sợi, cao su, dược liệu, quặng mỏ, mạ kim Một số loài thực vật, VSV có khả năng sinh ra cyanur Cyanur ức chế quá trình trao đổi chất  gây chết người và sinh vật khác Cyanide hydratase hoặc formamide hydrolyase là một enzyme có khả năng chuyển hoá cyanide trong nước thải công nghiệp thành amoniac và formate thông qua một bước phản ứng Cyanide hydratase được phân lập từ một vài loại nấm và được tạo ra từ nấm khi nồng độ cyanur thấp Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Một số vi khuẩn gram âm có khả năng sản xuất ra enzyme cyanidase có ái lực, độ bền cao, có khả năng loại bỏ cyanur ở nồng độ rất thấp Hoạt tính của cyanidase không bị ảnh hưởng bởi các ion thông thường có mặt trong nước thải (ví dụ như Fe2+, Zn2+ và Ni2+), hay bởi các chất hữu cơ như acatat, formamide, acetamide và acetonitrile. pH tối ưu trong khoảng 7.8-8.3 và mất hoạt tính hoàn toàn, không phục hồi khi pH cao hơn 8.3 Enzyme xử lý cyanur - cyanide hydratase Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trường Công nghệ lên men và bảo vệ môi trường Công nghệ lên men đã có lịch sử lâu đời và thu được nhiều thành tựu đáng kể Công nghệ lên men được ứng dụng để sản xuất các chế phẩm vi sinh ứng dụng trong xử lý môi trường Bao gồm các công nghệ như lên men chìm, lên men bán rắn … Công nghệ sản xuất sạch Sản xuất sạch là công nghệ sản xuất giảm thấp tiêu hao vật liệu và năng lượng nhằm ngăn chặn có hiệu quả vật ô nhiễm và phế thải Công nghệ sản xuất sạch là một chuyển biến của kỹ thuật sản xuất khống chế ô nhiễm công nghiệp Công nghệ sản xuất sạch bao gồm nhiều lĩnh vực như khai thác mỏ, luyện kim bằng vi sinh vật, khai thác dầu mỏ bằng vi sinh vật, sản xuất hóa chất bằng vi sinh vật. Vi sinh vật thân thiện với môi trường Chất ngưng kết vi sinh vật Phân bón vi sinh Thuốc trừ sâu sinh học Chất ngưng kết vi sinh vật Là một chất xử lý nước thải mới, hiệu quả cao, không độc, không gây ô nhiễm trở lại, không chỉ ngưng kết nhanh mà còn làm mất màu nước thải, đặc biệt có hiệu quả đối với chất thải có nồng độ cao Chất ngưng kết VSV là một loại quan trọng của chất ngưng kết cao phân tử sinh vật thiên nhiên do có nhiều VSV sinh trưởng nhanh, dễ sản xuất công nghiệp, Vi sinh vật thân thiện với môi trường Chất ngưng kết vi sinh vật Đặc trưng của chất ngưng kết vi sinh vật Tính năng phân giải nhanh Không độc, không có hại Không gây hiện tượng ô nhiễm lần sau Ứng dụng rộng rãi trong thực tế Làm mất màu nhanh Giá thành thấp Vi sinh vật thân thiện với môi trường Phân bón vi sinh Là chế phẩm đặc hiệu của vi sinh vật sống có hiệu quả làm phân bón. Trong quá trình sống, chúng sẽ tăng cường cung cấp dinh dưỡng Phân vi sinh gồm nhiều loại như vi khuẩn cố định đạm, vi khuẩn nốt sần cây họ Đậu Phân vi sinh vật có nhiều ưu điểm như độ phì tốt, hiệu quả lâu, không độc hại, không có tác dụng phụ, không gây ô nhiễm môi trường, giá thành thấp. Vi sinh vật thân thiện với môi trường Thuốc trừ sâu sinh học Thuốc trừ sâu vi khuẩn Thuốc trừ sâu virus Thuốc trừ sâu bằng nấm Thuốc diệt cỏ vi sinh vật Chất hoạt tính bề mặt vi sinh vật Vi sinh vật thân thiện với môi trường Thuốc trừ sâu sinh học Thuốc trừ sâu vi khuẩn Chế phẩm thuốc trừ sâu vi khuẩn được sử dụng nhiều nhất là Bt (Bacillus thuringensis) Sâu bệnh có khả năng kháng rất chậm, sau 25 lứa sẽ có 1 lứa kháng thuốc  thay thuốc hoặc tăng nồng độ Có thể sử dụng kết hợp với thuốc hóa học Vi sinh vật thân thiện với môi trường Thuốc trừ sâu sinh học Thuốc trừ sâu virus Hai loài virus được sử dụng làm chế phẩm là NPV (virus đa diện kiểu nhân) và GV (virus thể hạt) Phương pháp sản xuất là nuôi trên tế bào sống của côn trùng và mô tế bào Hiện nay vấn đề chủ yếu là giá thành sản xuất và tính ổn định trên đồng ruộng Vi sinh vật thân thiện với môi trường Thuốc trừ sâu sinh học Thuốc trừ sâu bằng nấm Là thuốc trừ sâu có sản lượng nhiều sau vi khuẩn So với vi khuẩn, chúng có 2 ưu điểm: Phạm vi vật chủ rộng, có thể lây nhiễm nhiều loại côn trùng Có thể giết chết nhiều loại chích hút như ve, rệp sáp Nhược điểm: Lượng dùng lớn, giá thành cao Thời gian bảo quản sản phẩm thấp Vi sinh vật thân thiện với môi trường Thuốc trừ sâu sinh học Thuốc diệt cỏ vi sinh vật Chế phẩm VSV gây bệnh cho cỏ dại  không theo kịp thuốc hóa học Streptomyces có thể ức chế cỏ dại, không ảnh hưởng đến vườn cây  có thể được ứng dụng Vi sinh vật thân thiện với môi trường Thuốc trừ sâu sinh học Chất hoạt tính bề mặt vi sinh vật Là chất làm giảm sức căng bề mặt. Chúng có 1 đầu ưa nước và 1 đầu kỵ nước và có thể làm chất dinh dưỡng Chất hoạt tính bề mặt VSV không tan trong nước  không ảnh hưởng đến môi trường Được ứng dụng rộng rãi trong khai thác dầu mỏ, phân giải các chất hữu cơ trong đất và mỏ dầu khí Có thể làm thuốc chữa bệnh như Rhodococus erythropolis, Pseudomonas có thể được sử dụng để chữa bệnh do virus Vi sinh vật thân thiện với môi trường Kiểm tra Anh (chị) cho biết vai trò và ứng dụng của vi sinh vật trong bảo vệ môi trường và xử lý môi trường