Nghiên cứu khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ của một số chủng vi khuẩn tía quang hợp tạo màng sinh học phân lập tại việt nam

Giới thiệu chung về vi khuẩn tía quang hợp

VKTQH là nhóm vi khuẩn thủy sinh có khả năng sinh trưởng trong điều kiện kỵ khí thông qua quang hợp mà không thải oxy, vì chúng nhận điện tử từ các chất như hydro, acid hữu cơ đơn giản, lưu huỳnh, hydro sulfide, đường đơn giản và rượu Chúng thường có màu hồng đến đỏ tía, với sắc tố quang hợp chứa bacteriochlorophyll (Bchl) và carotenoid Nhờ vào khả năng trao đổi chất linh hoạt tùy thuộc vào điều kiện môi trường, VKTQH phân bố rộng rãi trong tự nhiên.

Theo khoá phân loại của Bergey, VKTQH được chia thành 2 nhóm:

- VKTQH lưu huỳnh (PSB): có khả năng tích luỹ giọt lưu huỳnh bên trong tế bào.

- VKTQH không lưu huỳnh (PNSB): không có khả năng tích luỹ giọt lưu huỳnh bên trong tế bào [2].

1.1.2 Sinh thái học vi khuẩn tía quang hợp

Hiện tượng "nở hoa" của PSB thường xảy ra trong các hệ sinh thái thủy sinh chứa sulfide Nhiều loài trong nhóm này có khả năng sinh trưởng trong môi trường sulfide và oxy hóa sulfide thành các dạng lưu huỳnh không độc hại như S0, S4O62- hoặc SO42-.

Trong ao nuôi trồng thủy sản ven biển, hàm lượng sulfate cao dẫn đến sự hoạt động mạnh mẽ của nhóm vi khuẩn khử sulfate, tạo ra sulfide ở đáy Sulfide này khuếch tán lên bề mặt nước nhờ chênh lệch nồng độ, kích thích sự phát triển của vi khuẩn quang hợp (PSB) trong vùng có ánh sáng và hàm lượng sulfide tối ưu Ở các độ sâu khác nhau, có thể thu nhận được các loài vi khuẩn khác nhau Khi sinh khối của PSB phát triển mạnh, hiện tượng "nở hoa" xảy ra, khiến ao, hồ chuyển sang màu đỏ tía hoặc đỏ nâu Trong quá trình "nở hoa", có thể nhận diện các hình thái tế bào đặc trưng của các chi vi khuẩn quang hợp dưới kính hiển vi, và có thể thấy hỗn hợp nhiều loài hoặc chỉ một loài PSB xuất hiện trong ao, hồ.

Hiện tượng "nở hoa" của PNSB thường xảy ra trong môi trường có nồng độ sulfide thấp hoặc không có, chủ yếu tại các ao hồ tù đọng và nguồn nước thải Các hồ xử lý nước thải được coi là nơi lý tưởng cho sự phát triển của PNSB, với nhiều loài như Rodobacter capsulatus, Rhodopseudomonas sphaeroides, Rhodopseudomonas faecalis, Rhodopseudomonas palustris, Rhodospirillum photometricum, Blastochloris viridis, và Rubrivivax gelatinosus đã được phát hiện trong các hệ thống này.

Nghiên cứu của tác giả Okubo và cộng sự (2006) đã phát hiện nhóm vi khuẩn PNSB trong kênh nước thải chăn nuôi, tạo nên một tấm thảm màu đỏ Các loài vi khuẩn được ghi nhận bao gồm Rba sphaeroides, Rba capsulatus và nhiều loài khác thuộc chi này.

Rhodopseudomonas, đặc biệt là Rps palustris [9].

VKTQH có thể tồn tại trong những môi trường khắc nghiệt như suối nước nóng, suối lưu huỳnh, thủy vực kiềm hóa, và các vùng biển có độ mặn cao, thậm chí cả hồ băng Quá trình quang hợp của VKTQH diễn ra ở nhiệt độ từ 0 oC đến 57 oC, với dải pH từ 3 đến 11, và có thể chịu được độ mặn lên đến 32% NaCl.

1.1.3 Đa dạng của vi khuẩn tía quang hợp

1.1.3.1 Đa dạng về hình thái

VKTQH là các tế bào Gram âm, đơn bào, có hình dạng đa dạng như cầu, phẩy, xoắn và gậy, và có thể xuất hiện ở trạng thái chuỗi trong điều kiện môi trường đặc biệt Kích thước tế bào thường dao động từ 0,3 đến 0,6 micromet Hầu hết các loài VKTQH sinh sản bằng cách nhân đôi, trong khi một số loài với tế bào dinh dưỡng dạng phân cực thường sinh sản bằng cách nảy chồi, đặc trưng cho chi Rhodopseudomonas.

Rhodomicrobium là một loại vi khuẩn quang hợp có khả năng sinh trưởng trong môi trường ánh sáng, tạo ra dịch huyền phù tế bào với màu sắc đa dạng như tím, đỏ, nâu vàng, nâu hoặc xanh Đặc điểm đa dạng hình thái tế bào của vi khuẩn quang hợp là yếu tố quan trọng trong việc phân loại chúng.

1.1.3.2 Đa dạng về di truyền

VKTQH được phân chia thành ba họ chính: (i) họ Chromatiaceae, bao gồm các vi khuẩn lưu huỳnh màu tía có khả năng hình thành hạt lưu huỳnh bên trong tế bào; (ii) họ Ectothiorhodospiraceae, gồm các vi khuẩn lưu huỳnh màu tía có khả năng hình thành hạt lưu huỳnh bên ngoài tế bào; và (iii) họ Rhodospirilaceae, bao gồm các vi khuẩn quang hợp không tích lũy hạt lưu huỳnh.

Hình 1.1 Hình ảnh chụp dưới kính hiển vi huỳnh quang của VKTQH

Tế bào của VKTQH Thermochromatium tepidum được phân lập từ suối nước nóng New Mexico, trong khi tế bào của PNSB Rhodobaca bogoriensis được lấy từ Hồ Bogoria, Kenya Phân tích phát sinh loài dựa trên trình tự gene 16S rRNA cho thấy VKTQH được xếp vào ba phân lớp, trong đó có Alphaproteobacteria, bao gồm VKTQH không lưu huỳnh.

Betaproteobacteria: cũng gồm VKTQH không lưu huỳnh và (iii)

Gammaproteobacteria: gồm VKTQH lưu huỳnh (Bảng 1.1 và 1.2) [5].

Hiện nay, 20 chi PNSB đã được công bố (Bảng 1.1) Loài Rhodobacter và

Rhodopseudomonas là những loài tiên phong trong nghiên cứu quang hợp kỵ khí, đồng thời một số loài khác cũng sở hữu đặc điểm trao đổi chất đặc biệt Các loài này đã được phân lập từ những môi trường cực trị như nóng, lạnh, mặn, kiềm và axit Tất cả PNSB đều thuộc nhóm proteobacteria, và cây phát sinh chủng loại cho thấy nhiều loài có mối quan hệ gần gũi với các loài không quang dưỡng.

Nghiên cứu về đặc điểm sắc tố và phức hệ quang hợp ở các loài PNSB cho thấy sự tương đồng, chỉ ra rằng khả năng quang dưỡng của PNSB có thể là do hiện tượng chuyển gene ngang Điều này được chứng minh qua nghiên cứu của Nagashimi và cộng sự vào năm 1997 về phức hệ quang hợp protein đơn.

Hơn 25 chi VKTQH với hình thái đa dạng đã được công bố, bao gồm cả các loài thuộc họ Chromatiaceae có khả năng hình thành hạt lưu huỳnh bên trong tế bào và các loài thuộc họ Ectothiorhodospiraceae có khả năng hình thành hạt lưu huỳnh bên ngoài tế bào.

Bảng 1.1 Các chi vi khuẩn tía quang hợp [5]

Betaproteobacteria download by : skknchat@gmail.com

Halochromatium 3 Isochromatium Lamprobacter Lamprocystis Marichromatium Rhabdochromatium

Thiocapsa Thiococcus Thiocystis Thiodictyon Thiofl avicoccus

Thiohalocapsac 3 Thiolamprovum Thiopedia Thiorhodococcus Thiorhodovibrio Thiospirillum

Ghi chú: 1 - Viết tắt theo Imhoff và Madigan (2004) [12]; 2 - Các loài thuộc họ

Họ Chromatiaceae có khả năng tích luỹ lưu huỳnh thông qua quá trình oxy hóa sulfide nội bào, trong khi các loài thuộc họ Ectothiorhodospiraceae không có khả năng này Ngoài ra, một số loài trong họ này có thể phát triển ở nhiệt độ, độ pH, hoặc độ mặn cao hơn so với môi trường biển.

Ngày nay, bên cạnh việc phân tích thông tin di truyền từ gen 16S rDNA, nhóm VKTQH đã phát hiện ra gen pufM với tính bảo thủ cao, giúp phân loại và đánh giá nhanh sự hiện diện của nhóm vi khuẩn này.

Gen pufM thuộc operon puf (photosynthetic unit forming) được tìm thấy trong nhóm vi khuẩn quang hợp không thải oxy thuộc phân lớp Alpha-, Beta- và

Ứng dụng của vi khuẩn tía quang hợp để phân hủy

Phương pháp nghiên cứu