III/ LỢI ÍCH CỦA MÀNG BIOFILM VI KHUẨN

Tuy biofilm gây những ảnh hưởng xấu lên hệ sinh thái, nhưng chúng cũng mang đến những tác động tích cực trong nông nghiệp và các ngành công nghiệp khác (Bogino và cộng sự, 2013; Berlanga và Guerrero, 2016). Đó là, chúng có thể được sử dụng để bảo vệ thực vật, xử lý sinh học, xử lý nước thải, ngăn ngừa ăn mòn và các ứng dụng hữu ích khác (Bảng 3; Morikawa, 2006; Singh và cộng sự, 2006; Edwards và Kjellerup, 2013; Naidoo và Olaniran, 2013; Singh và cộng sự, 2019). Các khía cạnh có lợi của màng sinh học đã nhận được nhiều sự quan tâm hơn.

1/ Các tác nhân bảo vệ thực vật

Sự hình thành màng sinh học tạo ra một số lợi ích như kiểm soát sinh học và cộng sinh. Ở thực vật, màng sinh học vi khuẩn có thể hình thành trên bề mặt của lá, rễ và thân (Morikawa, Năm 2006; Bogino và cộng sự, 2013; Schirawski và Perlin, 2018). Vi khuẩn rhizobacteria (vi khuẩn vùng rễ) hình thành màng sinh học có thể hoạt động như tác nhân kiểm soát sinh học nhờ vào sự xâm chiếm thành công của chúng trên bề mặt thực vật (Bais và cộng sự, Năm 2004; Vejan và cộng sự, 2016). Những vi khuẩn rhizobacteria như vậy gồm Bacillus, Pseudomonas, Streptomyces, Serratia và Stenotrophomonas (Arrebola và cộng sự, 2019). Vi khuẩn có lợi cũng có thể được sử dụng như phân bón sinh học để thúc đẩy sự phát triển của thực vật thông qua quá trình cố định nitơ, hấp thu chất dinh dưỡng khoáng, sản xuất phytohormone và ngăn chặn bệnh cũng như bảo vệ khỏi stress do sinh học và phi sinh học (Bais và cộng sự, 2004; Khan và cộng sự, 2018).

Chi Bacillus bao gồm các loài thực vật quan trọng liên quan đến các chủng được sử dụng cho cả kiểm soát sinh học và kích thích tăng trưởng thực vật (Morikawa, 2006). Ví dụ, Bacillus subtilis là một vi khuẩn rhizobacterium nổi bật được sử dụng như một chất kiểm soát sinh học và chất thúc đẩy tăng trưởng để bảo vệ thực vật khỏi vi khuẩn và nấm bệnh nhờ vào sự hình thành màng sinh học mạnh mẽ và sản xuất một số chất chuyển hóa đối kháng (Bais và cộng sự, 2004; Morikawa, 2006). Các chất chuyển hóa này chủ yếu bao gồm lipopeptide (chẳng hạn như Suractin, iturin, và Fengycins), bacteriocin và siderophores (Meena và Kanwar, 2015; Fira và cộng sự, 2018). Sự xâm chiếm của B. subtilis trong rễ cây có liên quan đến sản xuất bề mặt và hình thành màng sinh học, và lớp màng bảo vệ thực vật khỏi mầm bệnh Pseudomonas syringae (Bais và cộng sự, 2004; Stein, 2005).

Pseudomonas spp. có thể liên kết với rễ, bỏ dấu chấm chỗ chữ rễ đem qua chữ spp. Chúng có thể tạo ra nhiều loại hợp chất đối kháng, bao gồm lypopeptide mạch vòng, pyrrolnitrin và phenazine, để ngăn chặn sự phát triển của mầm bệnh thực vật (Arrebola và cộng sự, 2019). Ví dụ, hạt có Pseudomonas chlororaphis sản sinh phenazine có thể cung cấp sự bảo vệ cho lúa mạch và yến mạch chống lại các bệnh lây truyền qua hạt (Chin-A-Woeng và cộng sự, 2003); Pseudomonas putida 06909 gắn và cư ngụ tại hyphae (sợi nấm) trên cây có múi nhiễm nấm Phytophthora parasitica bằng cách ăn dịch tiết của nó và sau đó phát triển một màng sinh học xung quanh rễ cây có múi, ngăn chặn sự phát triển thêm của nấm (Steddom và cộng sự, năm 2002; Pandin và cộng sự, 2017); và sự hình thành màng sinh học trên thân rễ đậu phộng bởi Paenibacillus polymyxa, cung cấp sự bảo vệ cho cây lạc chống bệnh lở cổ rễ do Aspergillus niger (Haggag và Timmusk, 2008). Sự xâm chiếm Rhizhosphere của các màng sinh học có lợi thường thúc đẩy tăng trưởng cho thực vật và bảo vệ, chống lại phytopathogens (Das và cộng sự, 2017).

Bảng 2: Một số loài vi khuẩn trong thực phẩm có thể hình thành màng sinh học.

Bảng 3. Những ví dụ về các ứng dụng của biofilm vi khuẩn.

2/ Bioremediation – Xử lý sinh học

Bioremediation là một quá trình sử dụng các sinh vật sống hoặc các dẫn xuất của chúng để xử lý các chất độc hại từ môi trường (đất, nước và không khí) thành các hợp chất vô hại (van Dillewijn và cộng sự, 2009). Nó là được cho là một lựa chọn tốt hơn so với các biện pháp khắc phục bằng vật lý và hóa chất thông thường về mặt chi phí và an toàn môi trường (Singh và cộng sự, 2006).

Hơn nữa, các phương pháp xử lý dựa trên biofilm đem đến hiệu quả cao hơn trong việc chuyển hóa chất thải độc hại vì tính sinh khả dụng của các chất ô nhiễm đối với các sinh vật phân hủy và tăng cường khả năng thích ứng của chúng với các hợp chất độc hại khác nhau (Upadhyayula và Gadhamshetty, 2010). Các quá trình này thường xảy ra như một phần của quá trình trao đổi chất của vi sinh vật và dựa vào sự chuyển hóa chất bằng enzym của vi sinh vật để chuyển đổi chất ô nhiễm môi trường thành các sản phẩm vô hại (Karigar và Rao, 2011). Nhiều vi sinh vật có khả năng biến đổi các loại chất ô nhiễm môi trường thành dạng không độc hại (van Dillewijn và cộng sự, 2009). Xử lý sinh học bằng vi sinh có thể tại vị trí nhiễm (tại chỗ) hoặc ngoài vị trí nhiễm (ex situ; Kapley và Purohit, 2009). Nó có thể đạt được thông qua việc kết hợp các chất dinh dưỡng giới hạn và các điện tích (kích thích sinh học) hoặc bằng cách bổ sung các vi khuẩn ở các vị trí nhiễm (phân hủy sinh học) để thúc đẩy quá trình biến đổi (Mangwani và cộng sự, 2016).

So sánh với các sinh vật sống tự do, những sinh vật sống trong màng biofilm có khả năng chống chịu tốt hơn với chất gây ô nhiễm, cơ hội sống sót và thích nghi cao hơn như khả năng mạnh hơn để phân hủy các chất ô nhiễm khác nhau thông qua con đường dị hóa (van Dillewijn và cộng sự, 2009). Việc hình thành biofilm vi khuẩn có thể được sử dụng một cách hiệu quả trong quá trình xử lý khi các tế bào được bao bọc bên trong hệ EPS, cung cấp sự bảo vệ chống lại một số hiểm họa môi trường (Mangwani và cộng sự, 2016). Ngoài ra, biofilm cung cấp một môi trường sống cần thiết khuyến khích chuyển gen bên trong tế bào, giao tiếp tế bào với QS, sự gắn kết và sự khuếch tán chất chuyển hóa cũng như đặc tính hóa học của vi khuẩn (Santos và cộng sự, 2018).

Biện pháp xử lý nhờ vào biofilm có thể gồm nhiều loài đa dạng của cả vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí. Chúng thường sử dụng sự phân hủy của các chất ô nhiễm như một nguồn năng lượng (Rodriguez- Martinez và cộng sự, 2006). Trong quá trình phân hủy hiếu khí, vi khuẩn có thể sử dụng oxy làm chất nhận electron cuối cùng để phân hủy các chất gây ô nhiễm độc hại thành các sản phẩm vô hại, chủ yếu là CO2 và nước (Edwards và Kjellerup, 2013; Azubuike và cộng sự, 2016). Trong điều kiện yếm khí, chất nhận điện tử như nitrat và sunfat có thể đóng vai trò của oxy để biến đổi chất gây ô nhiễm thành các chất ít độc hại hơn hoặc vô hại và sản phẩm phụ có thể phụ thuộc trên chất nhận điện tử (Rodriguez-Martinez và cộng sự, 2006).

Hiện nay, ngày càng có nhiều sự quan tâm đến việc sử dụng biofilm vi khuẩn làm trung gian cho việc khắc phục và loại bỏ các các loại chất ô nhiễm môi trường như dầu tràn, chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (chẳng hạn như hydrocacbon thơm đa vòng, polychlorinated biphenyls và polychlorinated ethenes), kim loại nặng, thuốc nhuộm, chất nổ, thuốc trừ sâu và các sản phẩm dược phẩm (Edwards và Kjellerup, 2013). Do đó, biện pháp xử lý sinh học nhờ vào biofilm được sử dụng trong ngành công nghiệp để xử lý đất và nước ngầm bị ô nhiễm (Edwards và Kjellerup, 2013). Pseudomonas, Dehalococcides, Arthrobacter, Bacillus, Alcanivorax, Cycloclasticus, Burkholderia và Rhodococcus có thể loại bỏ các chất ô nhiễm này (Dasgupta và cộng sự, 2013; Yoshikawa và cộng sự, 2017). Ngày càng nhiều biofilm vi khuẩn được áp dụng để xử lý sinh học.

3/ Xử lý nước thải

Ngày nay, việc ô nhiễm nguồn nước do quá trình công nghiệp hóa, bùng nổ dân số và đô thị hóa đã trở thành mối đe dọa lớn trên toàn cầu (Daud và cộng sự, 2017). Nước thải bao gồm một loạt các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ có nguồn gốc từ nước mưa, nước thải nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt và thương mại (Naidoo và Olaniran, 2013). Việc xử lý nước thải là cần thiết để bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe cộng đồng (Naidoo và Olaniran, 2013). Có một số quá trình hóa lý để xử lý nước thải như đông tụ, hệ thống màng lọc và xử lý điện hóa (Kobya và cộng sự, 2009; Francis và cộng sự, 2016; Favero và cộng sự, 2018). Mặc dù các biện pháp này có mang lại hiệu quả, nhưng lại có khó khăn trong việc loại bỏ các chất hữu cơ, trong đó các thành phần chính trong hệ thống xử lý nước thông thường là khử trùng và lọc (Hlihor và cộng sự, 2017). Quần thể vi khuẩn đã được sử dụng để trung hòa và phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong nước thải thông qua việc sử dụng công nghệ xử lý nước thải dựa trên biofilm. Việc loại bỏ các chất dinh dưỡng dư thừa từ nước thải cũng là điều cần thiết để tránh hiện tượng phú dưỡng thủy sinh – hiện tượng dẫn đến tình trạng thiếu oxy (Yamashita và Yamamoto-Ikemoto, 2014). Các chất dinh dưỡng có trong nước thải chủ yếu là nitơ và phốt pho (Yamashita và Yamamoto-Ikemoto, 2014). Do đó, các loài vi khuẩn được sử dụng để xử lý nước thải thường là các loài khử nitơ hoặc những loài có khả năng trung hòa phốt pho (Zielinska và cộng sự, 2016).

Quy trình than hoạt tính sinh học (BAC) là một trong những công nghệ sinh học xử lý nước, sử dụng than hoạt tính dạng hạt (GAC) như một phương tiện lọc để loại bỏ tác nhân gây bệnh từ vi sinh vật, chất hữu cơ và các hợp chất hữu cơ trong nước (Shirey và cộng sự, 2012). Sau khi các hạt GAC mất dần, bề mặt thô của chúng có thể tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển và hình thành màng biofilm, làm phân hủy các hợp chất chứa phốt pho và nitơ, carbon hữu cơ cũng như các chất gây ô nhiễm khác có trong nguồn nước đầu vào (Simpson, 2008). Hiện tại, các lò phản ứng biofilm được phát triển để xử lý nước thải bao gồm lò phản ứng sinh học màng, lò phản ứng biofilm di chuyển, lò phản ứng tầng sôi và lò phản ứng quay (Huang và cộng sự, 2019).

Biofilm cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống điện hóa sinh học (BESs; Upadhyayula và Gadhamshetty, 2010). BES là lò phản ứng sinh học sử dụng vi sinh vật làm chất xúc tác để chuyển đổi năng lượng có trong chất thải hữu cơ thành năng lượng điện (Bajracharya và cộng sự, 2016). BES có thể hỗ trợ tích cực cho việc xử lý nước thải, xử lý sinh học cũng như sản xuất điện, nhiên liệu và hóa chất (Ren và cộng sự, 2019). Tái tạo bề mặt điện cực BES đã được coi là một kỹ thuật hiệu quả để cải thiện hiệu suất của BES (Ren và cộng sự, 2019). Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) là một phương pháp xử lý nước thải thuộc BES, có thể tiết kiệm chi phí (Ren và cộng sự, 2008; Mei và cộng sự, 2017). Tất cả các loại nước thải có chứa các hợp chất phân hủy bởi vi khuẩn có thể được xử lý bằng MFC, bao gồm nước thải nhà máy bia, chất gây ô nhiễm từ dầu mỏ, chất thải sinh hoạt, chất thải chế biến thực phẩm, phân lợn, nước rỉ rác, v.v. (Franks và Nevin, 2010; Gude, 2016a). MFC sử dụng vi khuẩn trong chất thải làm chất xúc tác sinh học để chuyển đổi năng lượng hóa học có trong chất thải thành năng lượng điện, bằng cách sử dụng các phản ứng oxy hóa-khử (Franks và cộng sự, 2010; Angelaalincy và cộng sự, 2018). MFC có cấu tạo gồm cực dương, cực âm, và được ngăn cách bởi màng bán thấm (Franks và cộng sự, 2010). Việc sử dụng MFC để xử lý nước thải cần có thiết kế thích hợp, cho phép nước thải đi qua các vùng trên bề mặt cực dương. Sự bám dính và xâm nhập của vi khuẩn, và sự phát triển của biofilm xảy ra trên bề mặt cực dương, sau đó vi khuẩn sẽ oxy hóa chất nền trong nước thải để tạo ra các điện tử và proton. Các electron được giải phóng trong quá trình oxy hóa đi đến cực dương thông qua một mạch điện để tạo ra dòng điện (Ali và cộng sự, 2018; Singh và cộng sự, 2019). Tại cực âm, chất nhận electron (thường là oxy) phản ứng với proton và electron để tạo ra các hợp chất khử giống như hơi nước (Cao và cộng sự, 2019). Hầu hết các MFC đều đạt được hiệu quả trong việc loại bỏ nhu cầu oxy hóa học (COD) khi xử lý nước thải (Liu và cộng sự, 2004; Min và cộng sự, 2005; Gude, 2016b). Liu và cộng sự (2004) là những người đầu tiên bắt đầu ứng dụng MFC, đạt đến 80% hiệu suất loại bỏ COD từ nước thải sinh hoạt với công suất phát điện tối đa là 26 mW/m² sử dụng MFC buồng đơn. Min và cộng sự (2005) đã chứng minh rằng việc loại bỏ COD và nitơ amoniacal (NH⁺₄-N) đạt 86% và 83%, lần lượt, với công suất tối đa là 45 mW/m² khi nước thải chăn nuôi lợn được xử lý bằng MFC buồng kép.

4/ Phòng ngừa và kiểm soát sự ăn mòn

Ăn mòn hiện được xem là một vấn đề lớn trong hệ thống phân phối nước uống, y tế, hàng hải và công nghiệp chế biến thực phẩm (Perst và cộng sự, 2016; Jia và cộng sự, 2017; Guo và cộng sự, 2018). Cả hai yếu tố hóa học và sinh học đều có thể đẩy nhanh tốc độ ăn mòn (Kip và van Veen, 2015). Rõ ràng, các hoạt động của vi sinh vật trên bề mặt vật liệu kim loại có thể ức chế hoặc thúc đẩy sự ăn mòn (Zuo, 2007). Các biện pháp khác nhau như lớp phủ bảo vệ, chất diệt khuẩn, bảo vệ cực dương và chất ức chế ăn mòn, đã được phát triển để ngăn chặn sự ăn mòn (Zuo, 2007). Tuy nhiên, gần đây người ta ngày càng quan tâm nhiều hơn đến việc sử dụng biofilm từ khuẩn lợi để ngăn chặn sự ăn mòn vì tính hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường (Zuo, 2007; Guo và cộng sự, 2018). Các chiến lược tiềm năng có thể hạn chế sự ăn mòn bao gồm: (i) loại bỏ các chất ăn mòn như oxy bởi vi khuẩn hiếu khí thông qua hô hấp; (ii) bất hoạt các vi khuẩn gây ăn mòn như vi khuẩn khử sulfat bằng các hợp chất kháng khuẩn ức chế tiết ra trong biofilm; (iii) sản xuất lớp phủ bảo vệ như γ-polyglutamate bằng biofilm; và (iv) sự hình thành biofilm đóng vai trò như một rào cản khuếch tán để cản trở quá trình hòa tan kim loại (Zuo, 2007; Guo và cộng sự, 2018). Biofilm từ Bacillus brevis sản xuất ra gramicidin-S đã được báo cáo là có thể hạn chế tốc độ ăn mòn ở thép nhẹ bằng cách ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn khử sunfat Desulfosporosinus orientis và vi khuẩn oxy hóa sắt Leptothrix discophora SP-6 (Zuo và cộng sự, 2004). Ngoài ra, các hợp chất kháng khuẩn indolicidin, bactenecin và probactenecin được tạo ra bởi biofilm từ vi khuẩn B. subtilis được biến đổi gen có thể ngăn chặn sự ăn mòn kim loại bằng cách ức chế sự phát triển của D. vulgaris và D. gigas (vi khuẩn khử sulfat; Zuo, 2007). Mặc dù, cả biofilm hiếu khí và kỵ khí đều có thể làm giảm tốc độ ăn mòn trên bề mặt của các vật liệu khác nhau, nhưng biofilm hiếu khí ngăn chặn sự ăn mòn kim loại tốt hơn, điều này cho thấy rằng việc tiêu thụ oxy có thể tăng cường khả năng chống ăn mòn hơn (Kip và van Veen, 2015). Phương pháp chống ăn mòn dựa trên biofilm từ khuẩn lợi đã được báo cáo thành công ở thép không gỉ, thép cacbon, đồng và nhôm (Guo và cộng sự, 2018). Việc sử dụng biofilm từ vi khuẩn để ngăn ngừa và kiểm soát ăn mòn là một hướng đi tương đối mới và đáng được quan tâm.

Nhóm tác giả: Musa Hassan Muhammad, Aisha Lawan Idris, Xiao Fan, Yachong Guo, Yiyan Yu, Xu Jin,

Junzhi Qiu, Xiong Guan and Tianpei Huang*

Biên dịch:  Đoàn Thị Huyền Thoại – Hồ Diễm My – Công ty TNHH Bình Minh Capital.

“Tôm Giống Gia Hóa – Chìa Khóa Thành Công”

Xem thêm:

• Biofilm và các biện pháp kiểm soát chúng (Phần 1)
• Chiết Xuất Cây Mojave Yucca Là Một Chất Phụ Gia Thức Ăn Thủy Sản Phytogenic (PFAs) Có Lợi
• Chu Kỳ Sáng – Tối Tác Động Như Thế Nào Đến Quá Trình Sinh Lý Của Tôm Thẻ Chân Trắng?