ỨNG DỤNG CỦA ENZYME TRONG XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
- ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, tốc độ ô nhiễm môi trường đang gia tăng do đó cần thực hiện nghiêm ngặt các tiêu chuẩn đối với việc thải các chất thải vào môi trường.Các phương pháp hóa học và sinh học thông thường ngày càng khó đạt được mức độ cần thết để loai bỏ các chất ô nhiễm này. Do đó, cần triển khai những phương pháp xử lí nhanh hơn, rẻ hơn, đáng tin cậy hơn và với những công cụ đơn giản hơn so với những hệ thống xử lí hiện hành.Nhiều nghiên cứa đã chứng minh được Enzym có nhiều khả năng và triển vọng giải quyết vấn đề nêu trên trong giám định và xử lí ô nhiễm môi trường. Hầu hết các quy trình xử lí rác thải đều sử dụng một trong hai phương pháp hóa lý hay sinh học hay kết hợp.Phương pháp xử lí bằng Enzym là trung gian giữa hai phương pháp truyền thống , nó bao gồm các phương trình hóa học trên cơ sở hoạt động của các chất xúc tác cơ bản là chất sinh học. Enzym có thể hoạt động trên các chất ô nhiễm đặc biệt khó xử lí để loại chúng băng cách kết tủa hay chuyển chúng thành dạng khác.Ngoài ra chúng có thể làm thay đổi các đặc tính của chất thải đưa chúng về dạng rễ xử lí hay chuyển thành các sản phẩm có giá trị hơn.
Phương pháp xử lí bằng Enzym so với các phương pháp thông thường có những ưu điểm sau :được áp dụng với những chất sinh học khó xử lí, tác dụng cả ở vùng nồng độ chất ô nhiễm môi trường cao, một số Enzym riêng biệt có tác dụng trên phạm vi rộng PH, nhiệt độ và độ mặn, không gây ra những biến đổi bất thường, không gây ra các cản trở phá vỡ cân bằng sinh thái.
Cho tới nay, người ta đã biết được khoảng 3000 Enzym , tất cả đều được gọi tên và xếp vào hệ thống phân loại gồm 6 lớp trong đó còn các lớp phụ, nhóm.Các chất độc hại trong môi trường thường là các chaatsb hữu cơ có vòng thơm như các hợp chất phenol, amin vòng hay các hợp chất phospho.Để đạt được mục đích xử lí môi trường cần phá hủy hay loai bỏ các chất độc nêu trên.Các Enzyme phẩn ứng oxi hóa khử thuộc lớp 1(oxidoreductase) và các Enzyme xúc tác phản ứng thủy phân thuộc lớp 3(hidrolase) có vai trò tích cực trong việc này.
Với mục đích tìm hiểu rõ hơn về ứng dụng công nghệ Enzyme trong xử lý môi trường chúng em thực hiện bài thảo luận : “Ứng dụng công nghệ enzyme vào xử lý ô nhiễm môi trường”
II TỔNG QUAN
Khái niệm ô nhiễm môi trường
Ô nhiễm môi trường là tình trạng môi trường bị ô nhiễm bởi các chất hóa học, sinh học… gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người, các cơ thể sống khác.
Ô nhiễm môi trường là vấn đề cấp thiết và thu hút sự quan tâm của rất nhiều cá nhân, tổ chức cũng như nhiều quốc gia trên thế giới. Các công nghệ xử lý rác thải được sử dụng hiện nay đều vấp phải các vấn đề môi trường về lâu dài. Trong khi đó xử lý ô nhiễm môi trường bằng biện pháp sinh học, đặc biệt là việc ứng dụng công nghệ Enzyme trong xử lý rác thải đang là một công nghệ đem lại hiệu quả cao, ít tốn kém và bền vững.
2. Thực trạng ô nhiễm môi trường tại việt nam
+ ô nhiễm không khí: Việc xả khói chứa bụi và các chất hóa học vào bầu không khí. Ví dụ về các khí độc là carbon monoxide, sulfur dioxide, các chất chlorofluorocarbon (CFCs), và nitrogen oxide là chất thải của công nghiệp và xe cộ. Ozone quang hóa và khói lẫn sương (smog) được tạo ra khi các ôxít nitơ phản ứng với ánh sáng mặt trời.
+ô nhiễm đất: Xảy ra khi đất bị nhiễm các chất hóa học độc hại (hàm lượng vượt quá giới hạn thông thường)do các hoạt động chủ động của con người như khai thác khoáng sản, sản xuất công nghiệp, sử dụng phân bón hóa học hay thuốc trừ sâu quá nhiều,…. Phổ biến nhất trong các loại chất ô nhiễm đất là hydrocarbon, kim loại nặng, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu, và chlorinated hydrocarbon
+Ô nhiễm nước: xảy ra khi nước bề mặt chảy qua rác thải sinh hoạt, nước rác công nghiệp, các chất ô nhiễm trên mặt đất, rồi thấm xuống nước ngầm.
+Ô nhiễm phóng xạ :
+Ô nhiễm tiếng ồn:
Cơ sở của việc ứng dụng công nghệ Enzyme
Công nghệ enzym protein gắn liền với việc nghiên cứu cấu trúc và chức năng của protein, enzym. Hiểu biết về cấu trúc tính chất và chức năng của enzym protein sẽ là cơ sở cho việc ứng dụng của chúng trong nghiên cứu và ứng dụng .
Phát triển các phương pháp phân tích định tính, định lượng protein, enzym cũng như các sản phẩm của quá trình chuyển hóa enzym sẽ làm cơ sở cho việc sản xuất các chế phẩm.
III. Ứng dụng của các Enzyme trong xử lí môi trường
1. Các enzyme thủy phân amylose
Các Amylase là các enzyme đường hoá, có khả năng phân huỷ amylose và amylopectin, glycogen và các polysaccharit tương tự giải phóng glucose.
* Mỗi enzyme có một chức năng phân biệt:
– α-amylase, β-amylase tác động liên kết α(1-4) amylose của tinh bột
– α-amylase cắt tinh bột thành dextrin
– β-amylase cắt tinh bột hay dextrin thành maltose.
– Maltase cắt liên kết α(1- 4) của maltose tạo thành glucose.
– α(1-6)-gluosidase cắt liên kết phân nhánh α(1-6) của amylopectin để tạo thành các đoạn amylase
Các enzyme này có ý nghĩa quan trọng trong việc phân hủy phế thải chứa các nguồn tinh bột từ các làng nghề làm bún, bánh đa, chế biến nông sản ngô khoai, sắn …
* Từ các phế thải lương thực này, nhờ các amylase có thể dùng để sản xuất alcohol.
* Cũng nhờ các enzyme đường hoá α-amylase và glucoamylase, từ các phế thải lương thực chứa tinh bột của các dây chuyền quy trình chế biến thức ăn có thể sản xuất màng bao gói có tính chất phân huỷ quang học và sinh học
2. Các enzyme phân huỷ cellulose
Có khả năng thủy phân chất thải chứa cellulose, chuyển hoá các hợp chất kiểu lignocellulose và cellulose trong rác thải tạo nguồn năng lượng thông qua các sản phẩm đường, ethanol, khí sinh học hay các các sản phẩm giầu năng lượng khác.
VD: từ các chất thải nhà máy giấy như các sản phẩm từ bột giấy và giấy có thể thu nguồn năng lượng như ethanol.
Trong cấu trúc của cellulose chủ yếu là liên kết β-(1-4) glucosit. Để phá huỷ hoàn toàn cấu trúc của polysaccharide cần có các Cellulase với những tác động đặc trưng và riêng biệt.
- Các enzyme thủy phân pectin
Pectin là heterosaccharide của thành tế bào thực vật, có cấu tạo mạch dài tạo bởi các đơn vị monosaccharide, gồm các liên kết (1,4)-α-D-galacturonic acid và các methyl ester.Pectin tồn tại trong rác thải, khó phân huỷ
Phải tìm được các chủng vi sinh thích hợp để giải quyết vấn đề này.
Trên cơ sở lựa chọn 100.000 gen khác nhau của nấm Aspergillus japonicus, người ta đã tách được các enzyme phân giải pectin như Pectinase, Pectinesterase.
* Gần đây, nhiều nấm khác cũng được khảo nghiệm khả năng phân huỷ tốt pectin như: Euglena gracilis, Ceriporiopsis subvermispora, A. fumigatus, Sitophilus oryzae, A. niger, Clostridium thermosulfurogenes, C. thermosaccharolyticum Sitophilus oryzae.
Aspergillus fumigatus
Euglena gracilis
4. Các enzyme thuỷ phân protein
Protease thuộc nhóm enzyme thủy phân protein được sử dụng rộng rãi.
Protease thủy phân các protein không tan thông qua nhiều bước: ban đầu chúng được hấp thụ lên các chất rắn, cắt các chuỗi polypeptit tạo thành các liên kết lỏng trên bề mặt. Sau đó, quá trình hoà tan những phần rắn xảy ra với tốc độ chậm hơn phụ thuộc vào sự khuếch tán enzyme lên bề mặt cơ chất và tạo ra những phần nhỏ.
Protease ngoại bào được tiết ra từ Bacillus polymyxa, B. megaterium, Pseudomonas marinoglutinosa và Aeromonas hydrophila có thể cố định trong canxi alginat để thực hiện các phản ứng liên tục thu được sản lượng cao trong các phản ứng thủy phân thịt cá
Bacillus
polymyxa
Aeromonas hydrophila
5. Các enzyme phá huỷ hợp chất chứa halogen
Có 2 loại haloalkane dehalogenase và haloacid dehalogenase.
Rất nhiều enzyme có vai trò trong việc khử chlo như:
4-chlorobenzoate dehalogenase
4-chlorobenzoyl-CoA dehalogenase
atrazine chlorohydrolase
2-haloacid dehalogenase
2-haloacid dehalogenase
VD: Atrazine là một chất độc diệt cỏ (herbicid) hầu như hoàn toàn không tan trong nước (33mg/lít), nồng độ cho phép trong nước là 0,2 mg/lít.
Một số chủng vi sinh như Pseudomonas sp. strain ADP có khả năng chuyển hoá atrazine, tiết ra Atrazine chlorohydrolase xúc tác phản ứng chuyển hoá atrazine.
Pseudomonas sp.
Bằng phản ứng Atrazine chlorohydrolase, atrazine độc, không tan có thể chuyển hoá các sản phẩm tan được và không độc
- Các lớp enzyme khác
6.1. Enzyme tham gia vào quá trình khử độc các kim loại nặng.
Khử ô nhiễm arsenTrong cuộc sống, con người tiếp xúc với arsen qua không khí, nước uống và thức ăn.
Lượng arsen đi vào cơ thể hàng ngày cỡ 20-300mg với khoảng 25% là arsen vô cơ (rất độc), phần còn lại là arsen hữu cơ.
Trên thế giới, nguồn nước ngầm có chứa arsen trên 50mg/L được phát hiện ở nhiều nước như Achentina, Mehicô, Myanmar, Việt Nam, v.v…
Việc xử lý nhiễm độc arsen bằng phương pháp hoá học rất khó khăn. Phương pháp enzyme có thể khắc phục được những khó khăn
6.2. Enzyme tham gia vào xử lý các chất có hoạt tính bề mặt
Các tác nhân có hoạt tính bề mặt hay hoạt động bề mặt là các chất hữu cơ, đó là các phân tử có tính phân cực mạnh và là thành phần cơ bản của chất tẩy.
Các chất có hoạt tính bề mặt có thể gây ra sự ô nhiễm nghiêm trọng khi ở nồng độ cao.
Alkylsulfatase từ Pseudomonas C12B, P. putida hay từ P. aeruginosa có thể làm giảm hiệu suất các chất có hoạt tính bề mặt xuống tới nồng độ 750 mg dm-3
Enzyme này đặc hiệu với các gốc alkyl sulfate, và có thể phá huỷ hoàn toàn gốc alkyl sulfate, alkyl ethoxy sulfate hay aryl sulfonate trong các chất có hoạt tính bề mặt.
Tuy nhiên, trên thực tế, enzyme này không thể tấn công các alkane sulfonate.
3.3. Enzyme xử lý chất thải xyanua
Mỗi năm có khoảng 3 triệu tấn xyanua được sử dụng trên toàn thế giới vào các mục đích công nghiệp khác nhau như các sản phẩm hoá học trung gian, tổng hợp tơ sợi, cao su và dược liệu cũng như các mỏ quặng và mạ kim
Ngoài ra, nhiều loài thực vật, vi sinh vật và côn trùng cũng có khả năng thải ra HCN cùng với các enzyme thủy phân.
Xyanua sẽ ức chế quá trình trao đổi chất, có thể gây chết người và các sinh vật khác.
Loại bỏ chúng trước khi thải ra môi trường.
Cyanide hydratase hay 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 ứng.
Cyanide hydratase được phân lập từ một vài loại nấm như Gloeocercospora sprrghi, Stemphylium loti.
Một số vi khuẩn Gram (-) như Alcaligenes denitrificans cũng tiết ra cyanidase có ái lực độ bền cao và có khả năng loại xyanua ở nồng độ rất thấp.
Alcaligenes denitrificans
Stemphylium loti
Hoạt tính của cyanidase không bị ảnh hưởng bởi các ion thông thường có mặt trong nước thải (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 8.3
Một số thông tin mới
* Chế phẩm enzyme pectinase được sản xuất từ chủng nấm mốc Aspergillus niger trên môi trường có chứa chất cảm ứng bột cà rốt sau 48 giờ đạt hoạt độ cao nhất 30,01(UI/g). Phân tích chế phẩm enzyme bằng phương pháp lọc gel sử dụng cột Bio Gel P 30 thu được một peak có hoạt độ pectinase và với tốc độ chảy qua cột 15ml/giờ có khả năng phân tách tạp chất tốt hơn ở tốc độ 30 ml/giờ.
* Sử dụng vi sinh vật ăn dầu: Alcanivorax Borkumensis
Alcanivorax Borkumensis là tên một loài vi khuẩn chuyên sống trong những vùng nước bị nhiễm dầu. Sinh vật biển nhỏ bé này hầu như không được tìm thấy trong các vùng nước sạch, nhưng lại có mặt ở dòng thủy triều đen nhỏ nhất. Việc trao đổi của nó dựa vào các hydrocarbon là nguồn cung cấp duy nhất carbon và năng lượng.
* Sử dụng chế phẩm NatureClean-33 trong xử lý nước thải:
– NatureClean-33: Chế phẩm gồm 58 chủng vi khuẩn khác nhau.
– NatureClean-33 với khả năng phân hủy các chất khó khăn như phenol, chất tẩy rửa, cồn, hydrocarbon, ligno-cellulose, dung môi hữu cơ, dược phẩm và mở rộng một loạt các hợp chất thơm và béo. Trong số các chủng đó của chế phẩm có các chủng có khả năng sống trong phổ PH rộng. Một số có khả năng phát triểm trong điều kiện hảo khí hay hiếu khí. Như vậy chế phẩm có khả năng xử lý nước thải trong các điều kiện khác nhau.
– Chế phẩm bao gồm các loài vi khuẩn sản xuất hiệu quả cao tại enzym thủy phân để xúc tác thủy phân dầu mỡ, dầu, chất béo, (lipases) protein (protease) tinh bột (amylases) và cellulose và ligno-cellulose (cellulase).
*Làm sạch khí than bằng enzyme trong máu
Một loại enzyme có trong máu người có thể sẽ là chìa khóa để giải quyết bài toán tách khí CO2 từ các lò than. Carbozyme một công ty có trụ sở ở New Jersey tuyên bố đang mô phỏng loại enzyme này. Nếu thành công phương pháp mới sẽ có giá thành rẻ gấp 3 các phương pháp truyền thống. Carbonic Anhydrase tên loại enzyme có trong máu người liên tục chuyển hóa khí CO2 đồng thời với quá trình hít thở của con người. Trước tiên khí CO2 sẽ được bơm vào máu và bị các enzyme chuyển hóa thành gốc HCO3 vốn dễ dàng vận chuyển hơn cho máu. Khi khối khí tới phổi vẫn loại enzyme này sẽ tái tạo lại CO2 và khí CO2 sẽ bị đẩy ra ngoài. Carbonic Anhydrase làm việc rất hiệu quả có thể chuyển hóa khoảng gần 1kg CO2 một ngày.
* Bằng việc bắt chước nguyên lí hoạt động của loại enzyme nói trên các kĩ sư từ Carbozyme đã có thể “tóm” và tách riêng CO2 từ hỗn hợp có nhiều khí khác nhau giống như khí thải từ các lò than đốt. Khí CO2 tách riêng thường được tống xuống lòng đất giữa các lớp đá ba-zan cùng các loại khí nhà kính khác và thành công của Carbozyme sẽ làm giảm đáng kể chi phí cho quá trình này. Ngoài ra việc sử dụng enzyme tổng hợp cũng tránh được các hóa chất độc hại thường gặp trong các phương pháp tách CO2 khác.
* “Những enzyme và các vi khuẩn có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa từ gỗ thành đường trong cơ thể của mối”
Quá trình được bắt đầu khi những hạt gỗ, giống như mùn cưa, được chuyển vào ruột của mối. Tại đây, mối sẽ tiết ra các xúc tác protein (Enzyme). Sau đó, gỗ sẽ được chuyển tới phần ruột cuối. Ở quá trình này, những hạt gỗ sẽ được chuyển hóa thành đường nhờ tác tác động của của một loại vi khuẩn có cấu tạo như những Enzyme do mối sinh ra.
“Những enzyme và các vi khuẩn có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa từ gỗ thành đường trong cơ thể của mối”, tiến sĩ Scharf nói. “Rõ ràng, những vi khuẩn trong ruột mối không phải là những kẻ sống ký sinh. Chúng đóng vai trò là các đối tác quan trọng trong quá trình chuyển hóa này”.
IV Kết luận
Công nghệ Enzyme là một trong các ngành công nghệ quan trọng trong bảo vệ môi trường. Áp dụng công nghệ Enzyme trong xử lý ô nhiễm môi trường không tạo ra các sản phẩm phụ ảnh hưởng đến môi trường.
Nhìn chung việc nghiên cứu và ứng công nghệ Enzyme trong công tác bảo vệ môi trường ở Việt Nam đã được hình thành và phát triển và đã góp phần cải thiện môi trường.