Ứng dụng vi sinh vật biến đổi gen trong xử lý môi trường
Ứng dụng vi sinh vật biến đổi gen trong xử lý môi trường
I. Giới thiệu chung
Xã hội ngày càng phát triển, cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ là tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa đến chóng mặt. Điều này đem lại chất lượng cuộc sống tốt hơn cho con người nhưng cũng đi kèm theo một vấn đề lớn đó là ô nhiễm môi trường.
Ô nhiễm môi trường phát sinh từ các chất thải của các nhà máy, khu công nghiệp; từ rác thải sinh hoạt đô thị hay cả các phế phụ phẩm trong quá trình sản xuất chăn nuôi của người nông dân.
Để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường rất cần ý thức tự giác của con người nhưng cũng không thể không nhắc đến sự có mặt của khoa học công nghệ trong đó có công nghệ sinh học môi trường.
Công nghệ sinh học môi trường là một ứng dụng của ngành công nghệ sinh học, tuy nó đi sau các ngành nông nghiệp, chế biến thực phẩm… nhưng trong những năm gần đây nó đã đạt được những thành tự đáng kể và nói đến công nghệ sinh học môi trường ta không thể không nói đến ứng dụng của vi sinh vật nói chung và vi sinh vật biến đổi gen nói riêng đến xử lý ô nhiễm môi trường.
II. Vai trò của vi sinh vật trong xử lý môi trường
Vào những năm giữa thế kỷ XX, các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới đã chứng minh được vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên đối với các quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ. Quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ tự nhiên bởi quần thể vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh…) dưới tác động của độ ẩm, nhiệt độ, không khí tạo nên các sản phẩm cuối cùng là chất mùn và chất dinh dưỡng mà cây trồng có thể hấp thụ được. Quá trình phân huỷ sinh học các hợp chất hữu cơ xảy ra do những nhóm vi sinh vật dị dưỡng như vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn và động vật nguyên sinh, trong đó vai trò của hệ vi sinh vật phân giải cellulose, lignin, protein, lipit… là rất quan trọng. Khi phân huỷ các chất hữu cơ với sự có mặt của oxy, thì quá trình được gọi là hiếu khí. Vi sinh vật yếm khí phân huỷ các hợp chất không có oxy tham gia nhóm đặc biệt đầu tiên là nhóm vi khuẩn sinh acid và nhóm vi khuẩn chuyển hoá trực tiếp thành metan, amoniac, CO2, H2… Ngoài một số ít gây bệnh cho người và động thực vật, hầu hết vi sinh vật đều tham gia và đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hoá vật chất và nhờ có sự tham gia của chúng vào quá trình phân giải các chất mà chuỗi thức ăn và lưới năng lượng luôn được duy trì ở trạng thái cân bằng. Vi sinh vật không trực tiếp phân huỷ các hợp chất hữu cơ mà chúng chỉ tham gia chuyển hóa hợp chất hữu cơ thành những chất đơn giản như đường, amino acid, mỡ... nhờ các enzym ngoại bào.
Vi sinh vật có kích thước nhỏ bé mắt con người khó thấy được rõ những vi sinh vật nhỏ hơn 1mm. Vậy mà các vi sinh vật thường được đo bằng micromet (µm). Vi sinh vật tuy có kích thước nhỏ bé nhưng khả năng hấp thu và chuyển hóa của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao. Ví dụ như vi khuẩn lactic trong 1 giờ có thể phân giải một lượng đường lactozo nặng hơn 1000-10000 lần khối lượng của chúng. Năng lực chuyển hóa mạnh mẽ của vi sinh vật dẫn đến những tác dụng hết sức lớn lao của chúng trong thiên nhiên cũng như hoạt động sống của con người.
- Sinh trưởng, phát triển mạnh: So với các vi sinh vật khác thì vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và sinh sôi nảy nở cực kỳ lớn (vi khuẩn E. coli trong các điều kiện thích hợp thì cứ khoảng 12-20 phút lại phân cắt một lần, thời gian thế hệ của nấm men Saccharomyces cerevisiae là 120 phút).
- Năng lực thích ứng mạnh mẽ và dễ phát sinh biến dị: Năng lực thích ứng của vi sinh vật vượt rất xa so với động vật và thực vật. Trong quá trình tiến hóa lâu dài, vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hòa trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống bất lợi. Sự thích ứng của vi sinh vật nhiều khi vượt quá sức tưởng tưởng của con người (phần lớn vi sinh vật có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-196oC), một số vi sinh vật thậm chí có thể sống được ở 300oC…
Vi sinh vật rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống. Tần số biến dị ở vi sinh vật thường là 10-5 – 10-10. Hình thức biến dị thường gặp là đột biến gen (genemutation) và dẫn đến những thay đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, sản phẩm trao đổi chất, tính kháng nguyên, tính đề kháng ...
- Phân bố rộng, chủng loại nhiều
Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên trái, chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong đất, trong nước, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm, nước biển…
Trong đường ruột của người thường không dưới 100-400 loài sinh vật khác nhau, chúng chiếm tới 1/3 khối lượng khô của phân. Chiếm lượng cao nhất trong đường ruột của người là vi khuẩn Bacteroides fragilis, chúng đạt số lượng gấp đôi E. coli.
Ở độ sâu 10.000m của Đông Thái Bình Dương, nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo và có áp suất rất cao người ta vẫn phát hiện thấy có khoảng 1 triệu -1 tỉ vi khuẩn/ml (chủ yếu là vi khuẩn lưu huỳnh).
- Một số loại vi sinh vật được ứng dụng trong xử lý môi trường:
Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường chủ yếu là do chất thải từ sinh hoạt cũng như các hoạt động sản xuất, kinh doanh của con người. Vấn đề được quan tâm xử lý nhiều nhất hiện nay là ô nhiễm nước và rác thải. Trong các chất thải vào nước, rác thải sinh hoạt có một phần lớn là các hợp chất hữu cơ như protein, lipid, tinh bột, cellulose… ngoài ra còn có các hợp chất polyeste. Một số vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên:
- Vi sinh vật phân giải tinh bột: Candida, Saccharomyces, Endomycopsis, Bac.subtilis, Clostridium, Pseudomonas
- Vi sinh vật phân giải cellulose:
+ Vi khuẩn: Pseudomonas, Xellulomonas, Achromonobacter, Clostridium, Ruminococus
+ Nấm mốc: Aspergillus, Fusarium, Mucor, Tricoderma...
+ Xạ khuẩn: Streptomycin.
+ Nấm men: Candida, Saccharomyces
- Vi sinh vật phân giải protein:
+ Vi khuẩn: Bacillus mycoides, Bacillus subtilis, Pseudomonas fluorences, Achromobacter, Clostridium sporogenes
+ Xạ khuẩn: Steptomyces rimosus, Strep. Griseus..
+ Nấm: Aspergilus. oryza, Asp. niger, Penicilium camemberti…
- Vi sinh vật phân giải lipid: Pseudomonas, Achromobacte, Actinomyces…
Hiện nay vấn đề tràn dầu trên biển cũng đang là vấn đề đáng lo ngại bởi những hậu quả mà nó để lại thật khôn lường: nó làm thay đổi tính chất của nước, đe dọa đến các sinh vậtvà toàn bộ hệ sinh thái vùng bờ biển, tốn kém tiền bạc để làm sạch dầu bị tràn… Chính vì thế các nhà khoa học đã nghiên cứu, ứng dụng các vi sinh vật có khả năng phân giải dầu mỏ để giải quyết vấn đề này. Một số vi sinh vật có khả năng phân giải dầu mỏ như:
+ Vi khuẩn: Achromobbacter;Aeromonas; Alcaligenes; Arthrobacter; Bacillus; Beneckea; Brevebacterium; Coryneforms; Erwinia; Flavobacterium; Klebsiella; Lactobacillus; Leucothrix; Moraxella; Nocardia; Peptococcus; Pseudomonas; Sarcina; Spherotilus; Spirillum; Streptomyces; Vibrio; Xanthomyces.
+ Xạ khuẩn: Streptomyces Sp; Actinomyces Sp
+ Nấm: Allescheria; Aspergillus; Aureobasidium; Botrytis; Candida; Cephaiosporium; Cladosporium; Cunninghamella; Debaromyces; Fusarium; Gonytrichum; Hansenula; Helminthosporium; Mucor; Oidiodendrum; Paecylomyces; Phialophora; Penicillium; Rhodosporidium; Rhodotorula; Saccharomyces; Saccharomycopisis; Scopulariopsis; Sporobolomyces; Torulopsis; Trichoderma; Trichosporon.
III. Vi sinh vật biến đổi gen trong xử lý môi trường
- Vi sinh vật biến đổi gen:
Vi sinh vật biến đổi gen (Genetically Modified Microorganisms - GMMs) được định nghĩa là vi khuẩn, nấm men và nấm nhày mang thông tin di truyền được biến đổi bằng công nghệ sinh học hiện đại như biến nạp (transformation), tiếp hợp (conjugation) và tải nạp (transduction), không thông qua các cơ chế tự nhiên .
Biến nạp (transformation) là hiện tượng chuyển vật chất di truyền trực tiếp từ tế bào thể cho (Donor) sang thế bào thể nhận (Reception), không cần sự tiếp xúc giữa hai tế bào hoặc có nhân tố trung gian là phage hoặc virus.
Tải nạp (Transduction) là hiện tượng chuyển vật chất di truyền từ thể cho (Donor) sang tế bào thể nhận (Reception) qua nhân tố trung gian là virus gồm hai loại tải nạp là tải nạp chung và tải nạp đặc hiệu: tải nạp chung là hiện tượng virus hoặc phage có thể chuyển một gen bất kì từ tế bào thể cho sang tế bào thể nhận; tải nạp đặc hiệu là hiện tượng virus hoặc phage chỉ chuyển một số gen nhất định từ tế bào thể cho sang tế bào thể nhận.
Một trong những ứng dụng quan trọng của công nghệ sinh học trong môi trường đó là sử dụng vi sinh vật biến đối gen có khả năng phân hủy sinh học để làm giảm sự ô nhiễm môi trường. chúng ta đã thành công trong tăng cường khả năng sinh trưởng, phát triển và hoạt động của vi sinh vật ban đầu để xử lý môi trường thêm vào đó là khả năng làm giảm các vi sinh vật hoặc tạo ra các vi sinh vật mới có khả năng phân hủy các chất độc hóa học hoặc các chất làm ô nhiễm khác thành các sản phẩm cuối cùng không độc hại. Hiện nay đã có sản phẩm từ một chủng đơn lẻ hay tổ hợp gồm nhiều chủng có khả năng phân hủy các chất gây ô nhiễm.
Một sự kiện đáng chú ý tạo nên bước ngoặt quan trọng đó là việc Ananda Chakrabarty đã thiết kế chủng Pseudomonas sp. tổng hợp được tập hợp khả năng phân hủy các hợp chất hydrocacbon từ một vài chủng Pseudomonas, đặc biệt là khả năng phân hủy dầu mỏ, từ điều này, hiện nay người ta đang tiến hành tạo ra chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy các học chất hữu cơ bền vững như thuốc trừ sâu bằng clo, PCB’s, lignin và các hợp chất khác.
Ứng dụng của công nghệ sinh học trong phục hồi các chất khoáng và kim loại nặng trong khai thác mỏ cũng đang được nghiên cứu. Hiện nay, các chủng vi sinh vật được sử dụng hầu hết có khả năng lọc, nhờ đó mà kim loại ở nồng độ thấp được hấp thụ bởi vi khuẩn có khả năng sản sinh acid hoặc chất ô xi hóa sắt ví dụ như : Thiobacillus and Sulfolobus spp.
Các quá trình sử dụng vi sinh vật để làm sạch ô nhiễm đã được chứng minh qua thử nghiệm sau vụ tràn dầu ở bãi biển Exxon Valdez vào năm 1989. Các vi khuẩn có thể phá vỡ cấu trúc dầu mỏ một cách tự nhiên, và bằng cách tối ưu các điều kiện sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật có thể giúp biến đổi dầu khí thành các sản phẩm không độc hại. Thêm vào đó, một số chủng vi sinh vật có thể làm giảm các chất độc hại khác, bao gồm cả các kim loại nặng như thủy ngân.
Vi khuẩn loại bỏ các chất gây ô nhiễm ở cấp độ phân tử từ đất, nước và cát bằng cách chuyển đổi chúng thành các sản phẩm phụ không gây độc hại hoặc đôi khi có lợi. Đây là một sự cải tiến so với phương pháp truyền thống liên quan đến lọc, rửa hay thu thập các chất độc và xử lý ở nơi khác.
Kỹ thuật di truyền và các biến đổi khác được thực hiện với vi khuẩn nhằm giúp tăng khả năng làm sạch của vi khuẩn. Thông thường, các biến đổi này là bổ sung hoặc làm tăng enzyme cần thiết để phá vỡ các độc tố hoặc cung cấp cho chúng các điều kiện dinh dưỡng tối ưu để làm tăng hiệu quả làm sạch.
Với kỹ thuật gene, vi sinh vật còn được sử dụng như chất cảm biến ô nhiễm thường là thể hiện bằng cách thay đổi màu sắc hoặc thậm chí là phát sáng trong bóng tôi khi thấy sự có mặt của một loại độc tố nào đó.
Ngoài khả năng xử lý ô nhiễm môi trường, vi sinh vật biến đổi gen còn có khả năng làm tái sinh năng lượng.
Vi sinh vật có tiềm năng cung cấp một loạt các nguồn nguyên liệu khác nhau. Vi khuẩn trong các bãi chôn lấp rác có thể cung cấp khí metan, khí này có thể được thu thập và chuyển thành điện năng. Một quá trình tương tự như thế cũng được sử dụng thông qua phân hủy các chất thải từ chăn nuôi.
Etanol cũng được xem là một nguồn nhiên liệu thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch. Cách trực tiếp nhất đế sản xuất etanol từ thực vật là sử dụng c ác thành phần có chứa nhiều tinh bột như ngô, lúa mỳ hoặc gạo. tuy nhiên, cũng có nhiều nhược điểm khi sử dụng nguồn lương thực này để sản xuất nhiên liệu bởi nó liên quan đến an ninh lương thực, dẫn đến sự gia tăng gia của thực phẩm và thức ăn chăn nuôi.
Ngoài ra cũng có một tiềm năng là sử dụng thực vật có chứa nhiều cellulose, nhưng hầu hết cá quá trình lên men không thể phá vỡ cellulose để tạo các sản phẩm lên men. Tuy nhiên, vi khuẩn lại có thể được thiết kế để thực hiện điều đó, chúng biến đổi cellulose thành các loại đường đơn có thể lên men được. Chính vì thế, vi sinh vật có thể cho phép sử dụng sinh khối như cỏ và các loại thực vật khác để sản xuất etanol mà không làm ảnh hưởng đến nguồn cung cấp thực phẩm.
Những tiến bộ trong kỹ thuật gen đã cho phép các nhà nghiên cứu thao tác trên cấu trúc gen của vi khuẩn để truyền các khả năng mới hoăc tăng cường những khả năng đã được biểu hiện. Khả năng sinh trưởng nhanh của vi sinh vật cung cấp một nguồn năng lượng tái tạo một cách liên tục, cũng như tăng hiệu quả làm sạch ô nhiễm. đối với một số người, cụm từ “ vi sinh vật biến đổi gen” có thể gợi ra những hình ảnh tiêu cực về các nguy hiểm tiềm ẩn, nhưng thông qua nghiên cứu nó có thể trở thành một công cụ hữu ích trong quá trình giải quyết những bức xúc về môi trường hiện nay.
IV. Kết luận
Có thể nói, vấn đề về môi trường đang là vấn đề cấp thiết đang được cả xã hội quan tâm. Những lợi ích mà vi sinh vật mang lại trong quá trình xử lý ô nhiễm môi trường là không thể chối cãi, tuy nhiên với khả năng có hạn của vi sinh vật thì hiệu quả xử lý môi trường thông qua vi sinh vật chưa đạt được mức độ như mong muốn. Chính vì thế, việc áp dụng kỹ thuật gen vào vi sinh vật xử lý ô nhiễm môi trường đã và đang đạt được khá nhiều thành công từ xử lý nước thải, rác thải, thậm chí là dầu tràn và kim loại nặng như thủy ngân…
Trên thế giới, những nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật biến đổi gen vào xử lý môi trường đã có nhiều thành tựu và đang ngày càng được phát triển, còn ở nước ta lĩnh vực này vẫn chưa thật sự đạt được nhiều thành tựu, hi vọng trong tương lai không xa, lĩnh vực này sẽ được quan tâm nhiều hơn, đạt được nhiều thành tựu hơn nữa.
Lương Hữu Thành & các cộng sự
Tài liệu tham khảo
1. King JMH, DiGrazia PM, Applegate B, Burlage R, Sanseverino J, Dunbar P, Larimer F, Sayler GS: Rapid, sensitive bioluminescence reporter technology for naphthalene exposure and biodegradation. Science 1990, 249:778-781.
2. Chatterjee J, Meighen EA: Biotechnological applications of bacterial bioluminescence (lux) genes. Photochem Photobiol 1995, 62:641-650.
3. Cha DK, Chiu PC, Kim SD, Chang JS: Treatment technologies. Water Environ Res 999, 71:870-885. A complete review of hazardous waste treatment technologies published in 1998.
4. Day SM: US environmental regulations and policies — their impact on the commercial development of bioremediation. Trends Biotechnol 1993, 11:324-328.
5. Drobnik J: Genetically modified organisms (GMO) in bioremediation and legislation. Intl Biodet Biodegrad 1999, 44:3-6.
6. Sayre P: Risk assessment for a recombinant biosensor. In Biotechnology in the Sustainable Environment. Edited by Sayler GS, Sanseverino J, Davis KL. New York: Plenum Press; 1997:269-279.
6. Davison J: Genetic exchange between bacteria in the environment. Plasmid 1999, 2:73-91.