Phân hủy sinh học naphthalene, BTEX và aliphatic hydrocarbons bởi Paraburkholderia aromaticivorans BN5 phân lập từ đất nhiễm dầu mỏ

Department of Life Science, Chung-Ang University, Seoul, 06974, Republic of Korea. Correspondence and requests for materials should be addressed to C.O.J. (email: cojeon@cau.ac.kr)
Received: 23 April 2018
Accepted: 16 November 2018
Published online: 29 January 2019 
Scientific reports, https://doi.org/10.1038/s41598-018-36165-x

Để phân lập vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy sinh học naphthalene, BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and o-, m-, and p-xylene) và aliphatic hydrocarbon trong đất bị ô nhiễm dầu mỏ, ba môi trường làm giàu đã được thiết lập sử dụng dung dịch chiết đất như là môi trường bổ sung thêm naphthalene, BTEX, hoặc n-hexadecane. Các phân tích quần thể vi sinh vật cho thấy các loài Paraburkholderia chiếm ưu thế trong môi trường chứa naphathalene và BTEX, nhưng chiếm tỷ lệ tương đối nhỏ trong môi trường chứa n-hexadecane. Paraburkholderia aromaticivorans BN5 có thể làm suy thoái/làm giảm naphthalene và tất cả các hợp chất BTEX, nhưng không làm suy giảm n-hexadecane. Bộ gene của chủng BN5 chứa các gene mã hóa cho 29 monooxygenases bao gồm 2 alkane 1-monooxygenases and 54 dioxygenases, điều đó chỉ ra rằng chủng BN5 có khả năng trao đổi chất linh hoạt, đối với các hợp chất hữu cơ đa dạng: Chủng BN5 có khả năng làm suy giảm chuỗi ngắn aliphatic hydrocarbons, đã được kiểm chứng qua thực nghiệm. Con đường phân hủy naphthalene và các hợp chất BTEX đã được dự đoán về mặt sinh học và đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm thông qua phân tích các hợp chất trung gian trao đổi chất của chúng. Một số tính năng bộ gene bao gồm các gene mã hóa cho sự phân hủy sinh học trên một plasmid và các tương đồng trình tự thấp của các gene liên quan đến phân hủy sinh học cho thấy rằng tiềm năng phân hủy sinh học của chủng BN5 có thể thu được thông qua chuyển gene ngang và/hoặc sao chép gene, dẫn đến sự thích nghi với hệ sinh thái bằng cách cho phép chủng BN5 phân hủy được tất cả các hợp chất bao gồm naphthalene, BTEX, và các aliphatic hydrocarbon ngắn trong đất ô nhiễm.

Trong vài thập kỷ qua, các chất ô nhiễm hữu cơ đa dạng gồm nhiêu liệu dầu mỏ, thuốc trừ sâu, dung môi, dược phẩm và các chất hóa học hữu cơ khác được sản xuất công nghiệp và giải phóng một cách cố ý hoặc vô tình trong suốt quá trình vận chuyển hoặc lưu trữ chúng. Các chất ô nhiễm hữu cơ đó nói chung có độ bền cao, khả năng phân hủy thấp, và có thể mắc kẹt khoảng thời gian dài trong các thành phần khoáng của đất tại vị trí ô nhiễm, và sau đó được tích lũy sinh học, thông qua đặc tính ổn định hóa học và kỵ nước cao của chúng. Bởi vì chúng có khả năng gây hại cho sức khỏe con người và nhiều môi trường (môi trường nước, môi trường trên cạn và môi trường khí quyển), sự ô nhiễm của các chất ô nhiễm hữu cơ này gây ra mối quan tấm lớn về môi trường, do vậy điều cần thiết phải khôi phục lại các vùng bị ô nhiễm.

Xử lý sinh học, một kỹ thuật sử dụng vi sinh vật để loại bỏ các ô nhiễm hữu cơ, đã được chứng minh là bền vững, thân thiện với môi trường, và hiệu quả về kinh tế trong các phương pháp xử lý môi trường cho vùng ô nhiễm. Nhiều vi sinh vật có khả năng phân hủy tốt các chất gây ô nhiễm đã được phân lập trước đây thông qua quá trình làm giầu bằng cách sử dụng môi trường Basal tổng hợp, dẫn đến nhiều nghiên cứu về chuyển hóa/trao đổi chất và các nghiên cứu về hệ gene trong phân hủy sinh học các chất gây ô nhiễm một các rộng rãi. Tuy nhiên, xử lý sinh học các vị trí ô nhiễm thường dẫn đến sự thất bại do các yếu tố sinh học và vô sinh học bất lợi bao gồm khả năng phân hủy thấp, khả năng sống sót thấp, cạn kiệt chất dinh dưỡng và độ pH, nồng độ ôxy, nhiệt độ và độ ẩm bất lợi tại vị trí ô nhiễm. Do đó, người ta cho rằng việc sử dụng vi sinh vật chịu trách nhiệm chính trong phân hủy sinh học các chất gây ô nhiễm tại những địa điểm ô nhiễm là điều cần thiết cho xử lý sinh học thành công các vùng ô nhiễm. Do đó, việc xác định và mô tả các nhân tố chịu trách nhiệm chính cho sự phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ tại các vùng ô nhiễm là cần thiết, và việc nuôi cấy làm giàu bắt trước các môi trường bị ô nhiễm là một cách tiếp cận tốt để xác định và phân lập các vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ tại những vùng bị ô nhiễm.

Cho đến nay, các nghiên cứu về phân hủy sinh học chủ yếu tập trung vào phân lập và mô tả các đặc tính của các loài vi sinh vật có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ đơn lẻ mặc dù nhìn chung môi trường thường bị ô nhiễm với hỗn hợp nhiều các chất hữu cơ khác nhau. Do đó, một loài vi sinh vật với khả năng phân hủy rộng trên các chất ô nhiễm hữu cơ hỗn hợp hoặc một nhóm các loài vi sinh với khả năng phân hủy từng thành phần của các chất ô nhiễm hỗn hợp là cần thiết để xử lý sinh học thành công các vùng ô nhiễm. Đất tại các trạm xăng thường bị nhiễm bẩn với hỗn hợp các hợp chất hữu cơ bao gồm BTEX (benzene, toluene, ethyl benzene, và o-, m-, p-xylene), các hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) và các hydrocarbon aliphatic bằng cách rò rỉ nhiên liệu xăng hoặc dầu diesel. Các hợp chất này đã được công nhận như là những chất ưu tiên gây ô nhiễm môi trường và cần được loại bỏ khỏi môi trường ô nhiễm vì chúng độc hại, gây đột biến gene hoặc ung thư cho con người. Do đó, để xử lý vùng đất nhiễm bẩn xăng và nhiên liệu diesel, các vi sinh vật có khả năng phân hủy BTEX, PAH và các aliphatic hydrocarbon là yếu tố cần thiết. Tuy nhiên, các vi sinh vật có tiềm năng phân hủy các hợp chất khác nhau như PAH, BTEX và các aliphatic hydrocarbon đã được báo cáo là rất hiếm. Các chủng Rhodococcus đã được báo cáo rằng có khả năng phân hủy rộng đối với các hợp chất khác nhau bao gồm naphthalene, BTEX, các aliphatic hydrocarbon đã được phân lập thành công nhưng các đặc điểm về di truyền và sinh hóa cho sự phân hủy sinh học của chúng không được nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, để xác định và phân lập vi khuẩn chủ yếu chịu trách nhiệm phân hủy sinh học BTEX, naphthalene, và các aliphatic hydrocarbon từ đất nhiễm xăng và nhiêu liệu diesel, chúng tôi thiết lập 3 môi trường làm giàu sử dụng dịch chiết đất, bổ sung naphthalene-, BTEX- hoặc hexadecane, như là một môi trường làm giàu để bắt chước điều kiện môi trường và phân lập một chủng vi sinh vật, Paraburkholderia aromaticivorans BN5 có khả năng phân hủy sinh học naphthalene-, BTEX- và các aliphatic hydrocarbon chuỗi ngắn. Ngoài ra, trong nghiên cứu này chúng tôi điều tra/nghiên cứu những đặc tính di truyền/bộ gen và hóa sinh của chủng BN5 cho phân hủy sinh học biodegradation of naphthalene-, BTEX- và các aliphatic hydrocarbon chuỗi ngắn.

Người dịch: Bùi Đình Lãm

Một số kết quả chính

Hình 1. Thành phần vi sinh vật trong môi trường làm giàu bổ sung naphthalene, BTEX (benzene, toluene, ethy benzene và o-, m-, p- xylene 1:1:1:1:1:1 và hexadecane. Các trình tự gen 16S rRNA của vi khuẩn được phân loại ở cấp độ chi bằng cách sử dụng phần mềm mothur dựa trên cơ sở dữ liệu tham chiếu của SILVA Gold. "Other"là đại diện cho các loài vi sinh vật phân loại <1% tổng số lần đọc trong ba mẫu.

Hình 2. Phân hủy sinh học các hợp chất naphthalene và BTEX (benzen, toluene, ethyl benzen và o-, m-, pxylene xy1: 1: 1: 1: 1) bởi chủng BN5 trong chai huyết thanh chứa naphthalene (30 mg / l) hoặc BTEX (nồng độ ban đầu của mỗi hợp chất BTEX, 30 mg / l) trong môi trường MSB

Hình 3. Phân hủy sinh học naphtalen (A), benzen (B), toluene (C), ethyl benzen (D), m-, p-xylene (E) và o-xylene (F) bởi chủng BN5 trong hệ thống bùn đất. Các biểu tượng trong các hình như sau: không được xử lý (-o-), được xử lý bằng chất dinh dưỡng (- ● -), được điều trị bằng chủng BN5 (- □ -), và được điều trị bằng chất dinh dưỡng và chủng BN5 (- ■ -). 

Bảng 1. Đặc điểm chung của nhiễm sắc thể và plasmid trong chủng P. aromaticivorans BN5

Hình 4. Phân hủy sinh học heptane, nonane và hexadecane bằng chủng BN5 trong chai huyết thanh chứa heptane, nonane hoặc hexadecane (100 mg / l) trong môi trường MSB. 

Hình 5. Biểu đồ các gen thoái hóa naphthalene nằm trên plasmid pBN2 của chủng BN5 (A) và một lộ trình sinh hóa được đề xuất của thoái hóa naphthalene (B). Các chức năng giả định của các gen phân hủy sinh học naphtalen đã được dự đoán

Hình 6. Biểu đồ các gen chuyển hóa có thể chịu trách nhiệm cho sự phân hủy benzen, toluene và xylene nằm trên plasmid pBN2 của chủng BN5 (A). Các gen chuyển hóa được chia thành hai gen các cụm có khoảng cách xấp xỉ 18,7 kb và các chức năng giả định của chúng đã được dự đoán. Dựa trên các chức năng dự đoán của các gen chuyển hóa và sự kết hợp với phân tích GC/MS của các chất chuyển hóa, các con đường sinh hóa của benzen (B), toluene (C) và xylene (D) ở chủng BN5 đã được đề xuất.