Màng Nguyên Sinh Chất Của Vi Khuẩn

Năm 1972,Singơ(Singer) và Nicolson (Nicolson) đã đưa ra mô hình cấu tạo màng sinh chất được gọi là mô hình khảm động. Theo mô hình này, màng sinh chất có cấu tạo gồm 2 thành phần chính là phôtpholipit và prôtêin. Ngoài ra, ở các tế bào động vật và người, màng sinh chất còn có nhiều phân tử colestêron làm tăng độ ổn định của màng sinh chất. Các prôtêin của màng tế bào có tác dụng như những kênh vận chuyển các chất ra vào tế bào cũng như các thụ thể tiếp nhận các thông tin từ bên ngoài. Có thể nói, màng sinh chất như bộ mặt của tế bào và các thành phần của màng sinh chất như prôtêin, glicôlipit và glicôprôtêin làm nhiệm vụ như các giác quan (thụ thể), cửa ngõ (kênh) và những dấu chuẩn nhận biết đặc trưng cho từng loại tế bào (hình 10.2).

Vai trò và ứng dụng của sự hình thành màng sinh học

Sự hình thành màng sinh học mang lại lợi ích cho chính bản thân vi sinh vật. Trong quá trình hình thành màng sinh học, các tế bào phải trải qua một số thay đổi về hình thái, đặc tính sinh lý và một trong những thay đổi quan trọng là việc hình thành mạng lưới các chất ngoại bào bao quanh. Mạng lưới này giúp giữ lại chất hữu cơ không hòa tan từ môi trường nước xung quanh tạo điều kiện cho vi sinh vật sinh trưởng, phát triển. Đồng thời nó cũng có vai trò trong việc kiến tạo cấu trúc không gian 3 chiều đặc trưng cho màng sinh học bằng cách tạo nên một mức độ ổn định, một sự cân bằng nội môi cho các vi sinh vật.

Hình 3: Vai trò của màng sinh học

Bên cạnh đó một vai trò quan trọng của mạng lưới ngoại bào là đem lại khả năng chống lại các tác nhân kháng khuẩn cho các tế bào sinh sống trong một màng sinh học. Theo Flemming, vi khuẩn có thể có khả năng kháng đối với các tác nhân gây hại (chất kháng sinh, chất hoạt động bề mặt...) cao gấp 1000 lần khi gắn kết với nhau tạo thành màng sinh học so với tế bào sống trôi nổi. Mạng lưới các hợp chất ngoại bào cũng được ghi nhận có khả năng giúp tế bào chống lại tác động của kim loại nặng, các ion và chất độc, giúp tế bào tránh khỏi rất nhiều yếu tố gây tác động xấu tới vi sinh vật từ môi trường như tia UV, pH, sốc thẩm thấu và sự khô hạn.

Những kênh vận chuyển nước nằm xen kẽ trong cấu trúc của màng sinh học, giữa các vùng bao quanh vi khuẩn lạc được ví như là một hệ thống tuần hoàn. Chúng hoạt động hiệu quả trong quá trình trao đổi chất với môi trường xung quanh, do đó làm tăng hiệu quả trong việc sử dụng nguồn dinh dưỡng cũng như loại bỏ các sản phẩm chuyển hóa có khả năng gây độc hại. Nhờ vậy quá trình chuyển hóa các chất trong đó cũng mang những đặc trưng khác so với dạng sống tự do.

Mặt khác quá trình hình thàng màng sinh học giúp vi sinh vật tận dụng được nguồn chất hữu cơ bám dính trên bề mặt giá thể cũng như các cơ chất, chất dinh dưỡng tạo ra từ các loài vi sinh vật khác sống chung. Một màng sinh học có thể được hình thành do sự hợp tác cùng chung sống của nhiều loài vi sinh vật để tạo một cộng đồng có cấu trúc không gian phức tạp.

Các loài vi sinh vật cùng tồn tại trong biofilm thích nghi với những điều kiện về dinh dưỡng, nồng độ khác nhau tạo nên những “vi ổ sinh thái” trong biofilm. Chẳng hạn như những vi sinh vật nằm phía ngoài biofilm thích nghi với điều kiện hiếu khí cao trong khi những loài nằm phía trung tâm biofilm có xu hướng chịu được nồng độ oxy thấp (vi hiếu khí).

Khả năng thích nghi với nhiều điều kiện dinh dưỡng khác nhau giúp các loài vi sinh vật tận dụng được nguồn dinh dưỡng từ môi trường đồng thời hỗ trợ lẫn nhau theo hướng cùng có lợi trong quá trình chuyển hóa vật chất. Mối quan hệ hợp tác giữa các loài trong biofilm cũng có ảnh hưởng lớn đến chu trình tuần hoàn của các nguyên tố trong tự nhiên. Hầu hết các quá trình trong tự nhiên đòi hỏi sự phối hợp của nhiều nhóm vi khuẩn có cơ chế trao đổi chất khác nhau để cùng phân giải một hợp chất hữu cơ và việc các vi sinh vật thuộc nhiều nhóm khác nhau cùng cư trú trong biofilm sẽ góp phần thúc đẩy các quá trình này diễn ra nhanh hơn.

Quá trình truyền gen ngang đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự tiến hóa của các cộng đồng vi sinh vật. Trong đó cơ chế truyền gen phổ biến ở vi sinh vật là truyền gen thông qua plasmid và cầu tiếp hợp. Tuy nhiên từ những hiểu biết rằng hầu hết các vi khuẩn trong tự nhiên định cư dưới dạng biofilm, liên kết với nhau bởi mạng lưới các chất ngoại bào thì việc tiếp hợp giống như là cơ chế mà nhờ đó vi khuẩn trong biofilm có thể truyền gen từ tế bào này sang tế bào khác.

Màng sinh học tác động đến rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống hàng ngày. Do vậy nhiều nghiên cứu hiện nay về màng sinh học có ý nghĩa thực tiễn quan trong và ngày càng thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Một số ứng dụng cụ thể của màng sinh học nói riêng và các chủng vi sinh vật tạo màng sinh học nói chung là xử lý ô nhiễm.

Trong công nghiệp lên men tại các bể lên men là nơi giữ lại sinh khối vi sinh vật. Thông thường các tế bào ở dạng tự do khó có khả năng được giữ lại trong các bồn lên men sau mỗi mẻ xử lý. Khi đó để tiếp tục một qui 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. Qui trình này gây tốn kém ở khâu nguyên liệu đầu vào cũng như mất thời gian vận hành.

Hình 4: Ứng dụng của màng sinh học trong XLNT

-> Xem thêm: Giá thể vi sinh biochip (mutag biochip)

Ngược lại khi đã được bám giữ trên bề mặt giá thể bằng mạng lưới biofilm sinh khối vi sinh vật có thể được giữ lại một cách có hiệu quả sau mỗi mẻ xử lý. Những giá thể chất mang có sẵn mạng lưới biofilm có thể được tái sử dụng ở những lần xử lý tiếp theo mà không phải bổ sung thêm vi sinh vật cũng như đợi thời gian phát triển.

Dầu thô và các sản phẩm từ dầu được loại bỏ bởi các vi khuẩn phân hủy hydrocarbon. Các vi khuẩn được sử dụng có thể được thả trực tiếp xuống vùng dầu tràn hoặc có thể thả ở vùng ven bờ mà dầu tràn bị sóng đánh vào. Lý do chính ở đây là biofilm giúp tăng hiệu quả lọc nước và làm tăng độ kết dính của vi sinh vật với bề mặt giá thể nơi có dầu tràn. Trong nghiên cứu của Radwan và cộng sự, khi sử dụng các vi khuẩn thuộc chi Acinetobacter và dùng một lớp phủ làm giá thể cho vi khuẩn là tảo, kết quả đã làm giảm được 64-98% n-octadecane và khoảng 38-56% phenanthrene từ môi trường có chứa 0,03% của hydrocarbon sau 2 tuần.

Trong nghiên cứu của Lê Thị Nhi Công cùng cộng sự, đã phân lập từ biển nhóm vi khuẩn tạo biofilm và có hoạt tính chuyển hóa các chất hydrocacbon thơm đa vòng như napthalene, anthracene, pyren.

Một trong những ứng dụng của màng sinh học đang được quan tâm liên quan đến việc làm sạch nguồn nước thải, nguồn nước ngầm bằng công nghệ sinh học. Ứng dụng này bắt nguồn từ thực tế là bản thân vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường tự nhiên thành các chất vô cơ đơn giản, ít độc.

Đã có nhiều phương pháp xử lý nước thải bao gồm những giai đoạn xử lý mà trong đó nước thải được lọc qua các biofilm nhằm mục đích tách và đồng hóa các hợp chất hữu cơ có hại. Một lượng sinh khối lớn các vi sinh vật trong mạng lưới biofilm làm tăng sự hợp tác trong quá trình trao đổi chất, giúp cho quá trình loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong nước diễn ra hiệu quả hơn so với dạng sống tự do.

Quá trình phân hủy các chất cũng tỏ ra hiệu quả hơn khi thường sản phẩm của chủng này lại là cơ chất cho một chủng khác trong mạng lưới biofilm, ví dụ trong một mạng lưới biofilm xử lý nước thải có chứa hợp chất nitơ, ion NH4+ được nhóm Nitrosomonas, Nitrobacter chuyển hóa thành ion NO3-, rồi tiếp tục được các nhóm vi khuẩn yếm khí khác sử dụng để cuối cùng tạo thành N2 đi vào khí quyển.

Một số nghiên cứu về vi khuẩn anammox có khả năng xử lý nitơ trong nước thải, đã chỉ ra rằng trong hệ thống các lớp siêu mỏng của lớp màng biofilm của chủng vi khuẩn Planctomycetes có sự phân bố oxy theo lớp. Các lớp phía trên là những lớp giàu oxy trong khi các lớp ở phía dưới cùng nằm trong trạng thái kị khí. Sự phân chia theo lớp màng sinh học sẽ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình ứng dụng xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ vì giai đoạn nitrate hóa là giai đoạn hiếu khí, giai đoạn khử nitrate là giai đoạn kị khí.

Những nghiên cứu về biofilm trong xử lý nước thải có chứa các hợp chất nitơ và photpho của Boelee và cộng sự, các nhà nghiên cứu đã sử dụng màng sinh học của vi tảo để thực hiện nghiên cứu này. Kết quả cho thấy, màng sinh học được thiết kế dựa vào các vi tảo đã xử lý được nitơ  là 1.0 g/m2/ngày và photpho là 0.13 g/m2/ngày.

Wellander và cộng sự khi sử dụng một vật liệu bám sinh khối, thả nổi trong hệ thống xử lý làm giá thể cho các vi sinh vật có khả năng nitrate hóa, đã loại bỏ được đến 90% lượng nitơ tổng số. Hoilijoki và cộng sự đã nghiên cứu khả năng nitrate hóa của vi sinh vật thuộc nhóm nitrate hóa. Kết quả cho thấy, quá trình nitrate hóa chỉ xử lý được 61% amoni khi không có vật liệu bám cho vi sinh vật, và quá trình nitrate hóa xảy ra hoàn toàn khi có vật liệu bám cho vi sinh vật trong bể phản ứng bùn hoạt tính.

Kết quả này cho thấy, quá trình xử lý nước thải sử dụng màng sinh học sẽ tăng hiệu quả xử lý khi có mặt vật liệu bám cho vi sinh vật. Bernet và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng khả năng chuyển hóa nitơ và tạo màng sinh học của vi sinh vật. Mẫu ban đầu có hàm lượng NH4+ là 250 mg/l, sau 2 ngày, hàm lượng NH4+ giảm xuống chỉ còn 5 mg/l, hiệu quả của quá trình xử lý lên đến 98%.

Kết quả nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật có khả năng tạo màng sinh học trong xử lý ô nhiễm nước thải đặc biệt là nước thải giàu nitơ và photpho hiện nay chưa nhiều. Các công trình công bố liên quan đến lĩnh vực ứng dụng nghiên cứu này chưa nhiều, còn thiếu cả về số lượng lẫn chất lượng. Tại Việt Nam tình hình ô nhiễm nước thải ngày một gia tăng do đó việc cấp thiết là tìm một phương pháp xử lý hiệu quả là cần thiết.

Vì vậy, để phù hợp với mục đích nghiên cứu và ứng dụng xử lý ô nhiễm tại Việt Nam, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài phân lập nghiên cứu các chủng vi sinh vật có khả năng tạo màng sinh học và có khả năng xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ, photpho với mục tiêu: Phân lập các chủng có hoạt tính tạo biofilm mạnh đồng thời có khả năng xử lý nitơ và photpho Bước đầu nghiên cứu tối ưu các điều kiện cho sự sinh trưởng phát triển của các chủng vi sinh vật này để có thể áp dụng trong công nghệ xử lý nước thải giàu nitơ và photpho.

Xem thêm: Thiết bị xử lý nước thải hợp khối bằng công nghệ SBR

Công ty Cổ phần Hydrotech cung cấp các giải pháp tiên tiến nhằm giải quyết các vấn đề về nước một cách hiệu quả. Chúng tôi cam kết mang đến những sản phẩm và dịch vụ tốt nhất cho khách hàng của mình. Liên hệ với chúng tôi để được tư vấn và hỗ trợ!

Địa chỉ: Số 719, Đường Phúc Diễn, Phường Xuân Phương, Quận Nam Từ Liêm, Thành phố Hà Nội