Tóm tắt
Chất thải rắn, đặc biệt là phần vỏ gỗ của nhà máy sản xuất tinh bột sắn thường chứa một lượng lớn cellulose. Đây là hợp chất hữu cơ khó phân hủy, thời gian phân hủy khá dài và chiếm một diện tích mặt bằng đáng kể. Chính vì vậy, nghiên cứu hệ vi sinh vật phân giải cellulose trong khối ủ, cũng như đánh giá khả năng phân hủy của chúng và tìm ra chủng có hoạt tính cellulase mạnh là rất cần thiết để xử lý khối ủ, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra phân hữu cơ sinh học. Kết quả nghiên cứu cho thấy: số lượng vi sinh vật có sự biến động lớn và chênh lệch rất rõ giữa các nhóm, cao nhất là vi khuẩn [dao động trong khoảng từ 56,02x106 đến 343,23x106 CFU/g mẫu khô], tiếp đó là xạ khuẩn [từ 5,63x106 đến 96,24x106 CFU/g mẫu khô] và nấm mốc chiếm số lượng thấp nhất [từ 2,43x106 đến 34,78x106 CFU/g mẫu khô]. Phân lập được 112 chủng vi khuẩn, 92 chủng xạ khuẩn và 55 chủng nấm mốc có khả năng phân giải cellulose và chọn được các chủng PV41, PX90 và PM39 có hoạt tính mạnh nhất. Trong môi trường dịch thể với nguồn carbon là CMC, nuôi cấy lắc xạ khuẩn, nấm mốc sau 120 giờ và vi khuẩn sau 60 giờ cho hoạt tính cellulase cũng như sinh khối cao nhất.
Phát hành ngày
2014-10-03
Chuyển đổi sinh khối có chứa cellulose bằng các phương pháp của công nghệ sinh học là hướng ứng dụng bền vững để tạo ra các phân tử đường glucose cung cấp nguồn nguyên liệu tạo ra cồn sinh học và các nhiên liệu sinh học khác.
Các enzyme có thể phân hủy vật liệu chứa cellulose hiện nay được xem là chất xúc tác sinh học quan trọng trong các ứng dụng chuyển đổi công nghệ sinh học. Những enzyme này được tạo ra bởi nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân hủy các hợp chất chứa cellulose. Các phức hợp enzyme đó bao gồm endoglucanase, exoglucanase và α -glucosidases, chúng hoạt động cùng nhau để phá hủy liên kết α-1,4 glycosidic của cellolose. Hầu hết các enzyme này được tổng hợp trong tự nhiên bởi các loài nấm như Tricoderma, Aspergillus hay từ các loài vi khuẩn như Bacillus, Clostridium và Cellulomonas. Các enzyme phân hủy cellulose tạo ra bởi vi khuẩn được đánh giá có hiệu quả xúc tác cao, các chu kỳ lên men diễn ra ngắn, sử dụng nguyên liệu rẻ tiền và dễ dàng tác động để biến đổi về mặt di truyền. Tuy nhiên, ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học hoặc các quá trình xử lý phế phụ phẩm của sản xuất nông nghiệp, công nghiệp vẫn đang cần các nguồn gen vi sinh vật có khả năng phân hủy cellulose cao, dễ dàng áp dụng cho chi phí thấp.
Các nghiên cứu chỉ ra rằng vi khuẩn có khả năng tăng sinh khối nhanh hơn các loài vi sinh vật và đây là nguồn cung cấp gen tiềm năng để thu nhận các sản phẩm enzyme phân hủy cellulose. Quá trình nhân sinh khối thu nhận các sản phẩm thường được kiểm soát chặt chẽ để đạt được hiệu quả cao nhất. Sản lượng enzyme cellulase thường chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như lượng chủng giống, điều kiện nuôi cấy [pH, nhiệt độ, chất hoạt hóa, chất đệm, chế độ khuấy, thời gian sinh trưởng]. Chính vì lý do đó, nhóm tác giả đã thực hiện việc phân lập, nghiên cứu đặc điểm của chủng vi khuẩn thể hiện khả năng phân giải cellulose cao nhằm định hướng tìm ra các biện pháp xử lý phụ phẩm nông nghiệp chứa cellulose.
Tuyển chọn vi khuẩn có khả năng phân giải CMC: Từ mẫu phụ phẩm chế biến gỗ được thu tại hai tỉnh Hưng Yên và Hà Nội, bằng phương pháp nuôi cấy trên môi trường chọn lọc có chứa 1% CMC [Carboxymethyl cellulose], 23 chủng vi khuẩn có hoạt tính phân giải CMC được phân lập và trong đó, vi khuẩn C4 và C21 là hai chủng có thể hiện khả năng phân giải CMC cao. Hai chủng C4 và C21 là trực khuẩn, gram dương. Cả hai chủng đều dương tính với phản ứng MR và VP, có khả năng sinh enzyme protease, amylase và catalase ngoại bào, cũng như khả năng sử dụng nitrate là nguồn carbon cho sự sinh trưởng. Dựa trên đặc điểm hình thái khuẩn lạc, hình thái tế bào, cũng như đặc điểm hóa sinh cho thấy cả hai chủng vi khuẩn này đều thuộc chi Bacillus sp.
Ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy chủng vi khuẩn đến hoạt độ enzyme cellulase: Chủng C4 sau 48 giờ nuôi cấy cho hoạt độ enzyme cellulase tối đa đạt 0,373 U/ml và khi kéo dài thời gian nuôi cấy làm giảm hoạt độ của enzyme cellulase [Hình 1]. Ngược lại, đối với chủng C21, thời gian nuôi cấy thích hợp để chủng vi khuẩn này tổng hợp cellulase với hoạt độ cao là 72 giờ đạt 1,190 U/ml. Khi tăng thời gian nuôi cấy chủng C21 lên 96h, hoạt độ enzyme giảm mạnh.
Hình 1. Ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy đến hoạt độ enzyme cellulase của chủng tiềm năng C4 và C21
Nghiên cứu về ảnh hưởng của pH môi trường đến khả năng sinh cellulase của các chủng vi khuẩn tuyển chọn cho thấy giá trị pH có ảnh hưởng khá lớn [Hình 2]. Mỗi chủng thể hiện khả năng phân giải CMC hiệu quả ở môi trường có giá trị pH khác nhau. Cụ thể, hoạt độ cellulase của chủng C4 đạt cao nhất là 0,535 U/ml khi được nuôi trong môi trường LB với pH = 8. Chủng C21 được nuôi trong môi trường với pH = 6 có hoạt độ cellulase tương ứng là 1,713 U/ml. Có thể thấy đây là một ưu điểm khi ứng dụng các chủng vi khuẩn này trong việc xử lý các phế phụ phẩm chứa cellulose.
Hình 2. Ảnh hưởng pH môi trường nuôi cấy đến hoạt độ enzyme cellulase của chủng tiềm năng C4 và C21
Hình 3. Ảnh hưởng nhiệt độ nuôi cấy đến hoạt độ enzyme cellulase của chủng tiềm năng C4 và C21
Ghi chú: Các công thức có ký hiệu * khác nhau là sai khác nhau có ý nghĩa thống kê với p