Phát hiện vi khuẩn có khả năng tạo ra nhựa sinh học phân lập từ rễ cây họ Đậu tại Bình Dương

 MỞ ĐẦU

Hiện trạng ô nhiễm do tích tụ lượng lớn rác thải từ nhựa tổng hợp là một vấn đề nghiêm trọng ở Việt Nam do thời gian phân hủy của chúng lên đến hàng trăm năm. Việc xử lý và tái sử dụng nguồn nhựa này gây ra các vấn đề liên quan đến môi trường và sức khỏe cộng đồng, đồng thời cần chi phí xử lý tốn kém. Hiện nay trên thế giới nhựa sinh học được quan tâm và nghiên cứu sản xuất nhằm thay thế dần nhựa tổng hợp do chúng có khả năng phân hủy trong thời gian ngắn, do đó các nghiên cứu về phân lập các giống vi khuẩn có khả năng tạo nhựa sinh học tại Việt Nam là cần thiết. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phân lập và tuyển chọn được một số chủng vi khuẩn tạo nhựa PHB từ nốt sần các cây họ đậu tại Bình Dương, trong đó lần đầu ghi nhận chủng Rhizobium gallicum ,góp phần dữ liệu vào các nghiên cứu về hệ vi sinh vật có khả năng tạo nhựa sinh học tại Việt Nam. Hiệu suất nhựa PHB tạo ra từ chủng Rhizobium gallicum đạt 39.84% cho thấy tính khả thi trong việc mở rộng các nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện tạo nhựa của vi khuẩn.

Phát triển kinh tế theo định hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa đến nay Bình Dương hiện có 28 khu công nghiệp, trong đó 24 khu công nghiệp đã đi vào hoạt động, tốc độ gia tăng dân số bình quân 10%/năm nên lượng rác thải công nghiệp và sinh hoạt là rất lớn gây ô nhiễm môi trường [65]. Trong đó, số lượng bao bì nylon chiếm tỉ lệ cao nhưng thời gian để phân hủy khi chôn lấp là rất lâu. Để đảm bảo sự phát triển một thành phố công nghiệp bền vững tỉnh Bình Dương cần có một tầm nhìn về công nghiệp xanh, bảo vệ môi trường sinh thái. Vì vậy cần tìm phương pháp tối ưu hơn để giảm bớt lượng rác thải khó phân hủy ra môi trường.

Polymer tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ rất khó bị phân hủy trong một thời gian dài. Các nhà khoa học đã chứng minh, các túi ni lông có thể mất từ 500 – 1000 năm mới có thể tự phân hủy nếu không bị tác động của ánh sáng mặt trời. Chưa kể nếu có phân hủy thì nhựa PVC còn sinh ra các chất làm đất bị trơ, không giữ được độ ẩm và dinh dưỡng cho cây trồng. Vì vậy vấn đề cấp thiết đặt ra là cần tìm ra một vật liệu mới có thể thay thế nhựa tổng hợp truyền thống và có khả năng phân hủy sinh học để giảm ô nhiễm môi trường. Loại vật liệu thay thế đó chính là nhựa sinh học.

Nhựa sinh học (bioplastic) là thuật ngữ xuất hiện từ những năm 1950 nhưng chỉ thật sự được chú trọng trong những năm gần đây. Nhựa sinh học đã có được những bước tiến vững chắc ở khu vực châu Âu và châu Mỹ. Hiện tại ở nước ta nhựa sinh học còn là một loại vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng cao nhưng vẫn chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Nhựa sinh học có rất nhiều loại như: Nhựa nhiệt dẻo từ tinh bột, Nhựa acid polylactic (PLA), Nhựa Poly-β-hydroxybutyrate (PHB), Polyamide 11 (PA 11), Nhựa Polyethylene xuất xứ sinh học

Đặc biệt Poly-β–hydroxybutyrate được sản xuất từ vi sinh vật được quan tâm nghiên cứu vì nó có khả năng chịu nhiệt (nhiệt độ nóng chảy lên tới hơn 1700C), độ bền với nước và độ ẩm cao, thấm oxy tốt, không gây độc. Tính chất tương tự với nhựa làm từ hoá dầu, giải quyết được vấn đề lương thực, chìm trong nước dễ phân hủy kị khí, có thể phân huỷ sinh học thành CO2 và H2O không sinh ra cặn bã. Nhựa PHB tồn tại trong tế bào chất dưới dạng hạt tinh thể và có thể được chiết rút nhờ dung môi. PHB đã được xác định ở hơn 20 chi vi khuẩn khác nhau [2].

Để có thể thu được hàm lượng PHB cao phụ thuộc nhiều vào chủng vi sinh vật có khả năng tổng hợp nhựa PHB ( Poly-β-hydroxybutyrate). Kết quả của nhóm nghiên cứu từ mẫu thu tại Bình Dương cho thấy ở 10 mẫu nốt sần cây họ đậu như rễ cây đậu phộng, đậu bắp, cây cỏ đậu đã phân lập và làm thuần 5 chủng vi khuẩn có khả năng tạo ra nhựa sinh học. Chủng có khả năng sản xuất nhựa cao nhất được xác định có tên Rhizobium gallicum

Giai đoạn 48h nuôi cấy Rhizobium gallicum có năng suất tạo nhựa đạt 39.84% ở điều kiện chưa tối ưu hóa. Kết quả nay rất khả quan và cho thấy chủng mới có khả năng tạo hạt nhựa sinh học. Một số nghiên cứu khác như vi khuẩn Methylobacterium radiotolerans 50,55% ( Kiều Phương Nam và cộng sự.,2010), Methylobacterium sp. 20-25% (Lê Lý Thùy Trâm), vi khuẩn Alcaligenes Latus VN1 đột biến đạt 55,6% trong khi đó chủng dại là 39,3% (Phạm Thanh Hà và cộng sự., 2008). Đối với nghiên cứu về Rhizobium spp. 2426 đạt 40% và sau khi tối ưu hóa môi trường nuôi cấy có thể đạt 70% (R.Sita Lakshmi, et al).

Từ những so sánh trên chủng CR2 Rhizobium gallicum R602 là chủng dại được phân lập từ nốt sần cây cỏ đậu có năng suất tạo hạt nhựa đạt 39,84% rất có tiềm năng và cần được nghiên cứu nhiều hơn nằm tăng khả năng sinh tổng hợp nhựa.

THẢO LUẬN

Qua kết quả thu nhận được, nghiên cứu mở ra triển vọng ứng dụng các chủng Rhizobium gallicum (CR2) sinh nhựa Poly- β –hydroxybutyrate (PHB) vào sản xuất công nghiệp. Theo nghiên cứu của N.Mercan et al .(2002), các chủng vi khuẩn thuộc họ Rhizobium sp. Có khả năng sinh tổng hợp nhựa PHB với hàm lượng cao và có tính ứng dụng tốt để đưa vào sản xuất. Vi khuẩn dại Rhizobium gallicum được phân lập từ cây cỏ đậu có hàm lượng PHB tích trữ đạt 39.84%. do đó cần nghiên cứu chuyên sâu về môi trường và điều kiện nuôi cấy cũng như về gen tổng hợp nhựa để có nhưng giải pháp đột biến gen hoặc tăng hoạt động của gen nhằm tăng hiệu xuất tao nhựa. Việc tìm ra chủng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens cũng mở ra một hướng nghiên cứu mới về chuyển gen tổng hợp nhựa PHB vào thực vật. Bên cạnh đó phương pháp thu nhận nhựa PHB cũng cần được tối ưu và khảo sát nhằm giảm hao hụt sản phẩm và thu hồi lại dung môi bay hơi để giảm hao phí.

Nhựa PHB sẽ là tiềm năng phát triển cho một nền công nghiệp xanh hiện đại, những nghiên cứu chuyên sâu về phương pháp sản xuất nhựa PHB ở quy mô công nghiệp sẽ là tiền để để giảm giá thành và đưa sản phẩm nhựa phân hủy sinh học PHB đến với người tiêu dùng ở Việt Nam.

Nhóm tác giả: 

1. Bùi Thị Thanh Mai, Trần Đình Mấn, Nguyễn Quốc Việt, Phạm Thanh Hà.(2010),“Phân loại chủng vi khuẩn v23-x1.1 có khả năng sinh tổng hợp poly-β-hydroxybutyrate” , Tạp chí Công nghệ Sinh học Vol 8, No 1.
2. David L.Walshaw, Adam Wilkinson, Mathius Mundy, Mary Smith and Philip S. Poole. Regulation of the TCA cycle and the general amino acid permease by overflow metabolism in Rhizobium leguminosarum. Microbiology (1 997), 143, 2209-2221.,
3. Hồ Huỳnh Thùy Dương ,(2008), “Sinh học phân tử”, NXB Giáo Dục
4. Lê Lý Thùy Trâm (2006), luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu thu nhận nhựa phân hủy sinh học poly-β-hydroxybutyrate (PHB) từ vi khuẩn Methylobacerium sp. Phân lập tại Việt Nam” , ĐH KHTN.
5. Mai Thị Hằng, Đinh Thị Kim Nhung, Vương Trọng Hào (2010) “ Thực hành vi sinh vật học” NXB ĐH SP.
6. Nazime Mercan, Belma Aslim, Z. Nur Y�Ksekdaú, Yavuz Beyatli.,(2002), Production of Poly-β-Hydroxybutyrate (PHB) by Some Rhizobium Bacteria, Pamukkale University, Gazi University, TURKEY.
7. Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Phùng Tiến, Đặng Đức Trạch, Phạm Văn Ty (1978), “Một số phương pháp nghiên cứu vi sinh vật học”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
8. Nguyễn Thị Lang, Bùi Chí Bửu (2008). “Giáo trình Tin sinh học – Bioinformatics”, Nhà xuất bản Nông nghiệp, TP. Hồ Chí Minh.
9. Nupur Roy, P. Bhattacharyya and P.K. Chakrabartty. Iron acquisition during growth in an iron- deficient medium by Rhizobium sp. isolated from Cicer arietinum,. Microbiology (1994), 140, 281 1-2820,.
10. Ostle A.G., Holt J.G. (1982). “Nile Blue A as a Fluorescent Stain for poly-β-hydroxybutyrate”. Applied and environmental Microbiology, Vol.44, p.238-241.
11. Phạm Thanh Hà, Trần Đình Mấn, Yutaka Tokiwa, (2008) .,“Tạo đột biến Nâng cao hoạt tính sinh tổng hợp poly- β- hydroxybutyrate của vi khuẩn ALCALIGENES LATUS VN1”, tạp chí công nghệ sinh học 6, 489-496.
12. R.Sita Lakshmi, Hema.T. A., Divya .T. Raj, Starin Shylaja .T., Production and Optimization of Polyhydroxybutyrate from Rhizobium sp. present in root nodules., Malankara Catholic College, Mariagiri, Kaliakkavilai, 629 153, Tamil Nadu. 2278-3008 Volume 3, Issue 2 (Sep-Oct 2012).
13. Riccardo Tombolini, Silvana Povolo, Al berto Buson, Andrea Squartini and Marco P. Nuti. Poly-β-hydroxybutyrate (PHB) biosynthetic genes in Rhizobium meliloti 41, Microbiology (1995), 141,2553-2559,.
14. Sigma-Aldrich (2003), “Sudan Black B, Staining System”, Germany 7329-970.
15. Trần Tử An ,(2007), “Hóa phân tích tập II”, NXB Y học Hà Nội
16. Wijdan TajAl-Deen, Thekra Al-Kaaby, Anwar Al-Hussaniy, Maha Jadooh. Evaluation of Poly-b-hydroxybutyrate (PHB) Production by Bacillus cereus. College of Science Babylon University.,18,2010.