Bài giảng Nguyên lý quản trị học - Chương 14: Công nghệ vi sinh vật hiện đại bảo vệ môi trường và phát triển bền vững

p nước thải có mức độ ô nhiễm lớn sử dụng các cảm biến sinh họcSản xuất sản phẩm mớiBiosensorSử dụng các gene mã hóa cho GFP gắn vào các promoter đáp ứng nước thảiCác promoter đó bao gồm:Gene mã hóa cho protein shock nhiệt hoặc methallothionein  stress, kim loại nặng, độc tố hóa họcGene chứa các yếu tố đáp ứng với estrogenGene chỉ thị khối u  carcinogeneSản xuất sản phẩm mớiCông nghệ tế bào và bảo vệ môi trườngLà 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 trườngGồm các nhóm enzymeOxidoreductase,Hydrolase, Các enzyme khác Các enzyme oxidoreductaseCác enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11Các enzyme oxidase thuộc phân lớp EC 1.1Một số enzyme phân lớp khác: polyphenol oxidaseCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngCác enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11CatalaseXúc tác phản ứng phân hủy đặc hiệu H2O2Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngH2O2 + H O 2H2O + O2 H OCơ chất Chất cho Cơ chất Chất cho bị khử bị oxy hóaCác enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11CatalaseNgoài ra, catalase còn có thể phân hủy formaldehyde, acid formic và alcoholĐây 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, sợiCùng với các enzyme peroxidase, manganese peroxidase  phát hiện một số kim loại như Hg+2, Pb+2, Cd+2, Cr+6, Mn+2Công nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngCác enzyme peroxidase phân lớp EC 1.11HRP (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 naphthylamineSản phẩm  polymer hóa  kết tủa  loại bỏ qua quá trình lắng đọng hoặc lọcPhù hợp với xử lý nước thải vì không bị biến tính ở phổ rộng pH và nhiệt độCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngCác enzyme phân giải ligninLignin là một polysaccharide của thành tế bào thực vật, là một polymer có rất nhiều vòng thơm  không ưa nước  rất khó phân hủyVề 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 mạnhHai enzyme có hoạt tính mạnh có khả năng phân giải lignin làLigninase (lignin peroxidase)Manganese peroxidaseCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngCác enzyme phân giải ligninManganese peroxidaseThực hiện phản ứng oxy hóa nhưng phụ thuộc vào sự có mặt của Mg2+ và đệmThực 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 trườngCác enzyme phân giải ligninLignin peroxidaseLà một enzyme ngoại bào có ở nấm mốc Phanerochaete chrysosporiumCó 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 vòngỨng dụng để xử lý rác thải nguy hiểm, khó phân hủyCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngCác enzyme oxidaseL – galactonolactone oxidaseLà enzyme xúc tác phản ứng đặc hiệu là phản ứng oxy hóa L-galactono-1,4-lactone thành L-ascorbateL-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 trườngMột số enzyme phân lớp khácTyrosinaseCòn 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-diphenolphản 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 bỏCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngMột số enzyme phân lớp khácTyrosinaseĐược 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 trườngMột số enzyme phân lớp khácLaccaseLà một enzyme kim loại xúc tác cho phản ứng oxy hóa hydroquinone thành benzoquinoneTrung tâm hoạt động của enzyme này có ion Cu2+ tham giaDùng laccase cố định trên chất mang  xử lý thuốc nhuộm anthraquinonic  làm giảm 80% độ độcCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngCác enzyme hydrolaseCác enzyme thủy phân amyloseCác enzyme thủy phân celluloseCác enzyme thủy phân pectinCác enzyme thủy phân proteinCác enzyme phá hủy hợp chất chứa halogenCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngCác enzyme thủy phân amyloseNhờ vào hệ enzyme amylase gồm 4 enzyme là  - amylase,  - amylase, amylose 1,6 – glucosidse, glucoamylaseCó 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 trườngCác enzyme thủy phân celluloseĐược phân giải nhờ vào hệ enzyme cellulase gồm có 4 enzyme: Enzyme C1 (cellobiose dehydrolase), endoglucanase, exoglucanase và  - glucosidaseỨng dụng để xử lý chất thải từ các nhà máy giấy  thu được ethanolCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngCác enzyme thủy phân pectinPectin 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 esterLà 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 pectinCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngCác enzyme phá hủy hợp chất chứa halogenChia làm 2 loại: haloalkane dehalogenase và haloacid dehalogenaseAtrazine 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 trườngCác lớp enzyme khácEnzyme tham gia vào quá trình khử kim loại nặng – AsEnzyme tham gia xử lý các chất có hoạt tính bề mặtEnzyne xử lý chất thải cyanur, cyanid hydrataseCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngEnzyme khử kim loại nặng – ArsenCon 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 cơCác dạng arsen hữu cơ như arsenocholin, arsenobetain tương đối không độc còn các dạng arsen vô cơ lại rất độcCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngEnzyme khử kim loại nặng – ArsenNguyên 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 cơEnzyme 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 arseniteCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngEnzyme xử lý các chất có hoạt tính bề mặtLà các chất hữu cơ có tính phân cực mạnh và là thành phần cơ bản của chất tẩy rửaAlkylsulfatase 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 trườngEnzyme xử lý cyanur - cyanide hydrataseCyanur là sản phẩm trung gian của các quá trình tổng hợp tơ sợi, cao su, dược liệu, quặng mỏ, mạ kimMột số loài thực vật, VSV có khả năng sinh ra cyanurCyanur ức chế quá trình trao đổi chất  gây chết người và sinh vật khácCyanide 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 ứngCyanide hydratase được phân lập từ một vài loại nấm và được tạo ra từ nấm khi nồng độ cyanur thấpCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngMột 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 thấpHoạt 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 8.3Enzyme xử lý cyanur - cyanide hydrataseCông nghệ enzyme và bảo vệ môi trườngCông nghệ lên men và bảo vệ môi trườngCông nghệ lên men đã có lịch sử lâu đời và thu được nhiều thành tựu đáng kểCông nghệ lên men được ứng dụng để sản xuất các chế phẩm vi sinh ứng dụng trong xử lý môi trườngBao gồm các công nghệ như lên men chìm, lên men bán rắn Công nghệ sản xuất sạchSản 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 thảiCông nghệ sản xuất sạch là một chuyển biến của kỹ thuật sản xuất khống chế ô nhiễm công nghiệpCông 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 trườngChất ngưng kết vi sinh vậtPhân bón vi sinhThuốc trừ sâu sinh họcChất ngưng kết vi sinh vậtLà 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 caoChất 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 trườngChất ngưng kết vi sinh vậtĐặc trưng của chất ngưng kết vi sinh vậtTính năng phân giải nhanhKhông độc, không có hạiKhông gây hiện tượng ô nhiễm lần sauỨng dụng rộng rãi trong thực tếLàm mất màu nhanhGiá thành thấpVi sinh vật thân thiện với môi trườngPhân bón vi sinhLà 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 dưỡngPhân vi sinh gồm nhiều loại như vi khuẩn cố định đạm, vi khuẩn nốt sần cây họ ĐậuPhân 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 trườngThuốc trừ sâu sinh họcThuốc trừ sâu vi khuẩnThuốc trừ sâu virusThuốc trừ sâu bằng nấmThuốc diệt cỏ vi sinh vậtChất hoạt tính bề mặt vi sinh vậtVi sinh vật thân thiện với môi trườngThuốc trừ sâu sinh họcThuốc trừ sâu vi khuẩnChế 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 họcVi sinh vật thân thiện với môi trườngThuốc trừ sâu sinh họcThuốc trừ sâu virusHai 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 bàoHiện nay vấn đề chủ yếu là giá thành sản xuất và tính ổn định trên đồng ruộngVi sinh vật thân thiện với môi trườngThuốc trừ sâu sinh họcThuốc trừ sâu bằng nấmLà thuốc trừ sâu có sản lượng nhiều sau vi khuẩnSo với vi khuẩn, chúng có 2 ưu điểm:Phạm vi vật chủ rộng, có thể lây nhiễm nhiều loại côn trùngCó thể giết chết nhiều loại chích hút như ve, rệp sápNhược điểm:Lượng dùng lớn, giá thành caoThời gian bảo quản sản phẩm thấpVi sinh vật thân thiện với môi trườngThuốc trừ sâu sinh họcThuốc diệt cỏ vi sinh vậtChế phẩm VSV gây bệnh cho cỏ dại  không theo kịp thuốc hóa họcStreptomyces có thể ức chế cỏ dại, không ảnh hưởng đến vườn cây  có thể được ứng dụngVi sinh vật thân thiện với môi trườngThuốc trừ sâu sinh họcChất hoạt tính bề mặt vi sinh vậtLà chất làm giảm sức căng bề mặt. Chúng có 1 đầu ưa nước và 1 đầu kỵ nước và có thể làm chất dinh dưỡngChất hoạt tính bề mặt VSV không tan trong nước  không ảnh hưởng đến môi trườngĐược ứng dụng rộng rãi trong khai thác dầu mỏ, phân giải các chất hữu cơ trong đất và mỏ dầu khíCó thể làm thuốc chữa bệnh như Rhodococus erythropolis, Pseudomonas có thể được sử dụng để chữa bệnh do virusVi sinh vật thân thiện với môi trườngKiểm traAnh (chị) cho biết vai trò và ứng dụng của vi sinh vật trong bảo vệ môi trường và xử lý môi trường