1
MỞ ĐẦU
Chất diệt cỏ chứa dioxin (chất diệt cỏ/dioxin) là một trong số các chất hữu cơ
chứa clo độc hại không chỉ với môi trường, con người mà còn khó bị phân hủy bởi
vi sinh vật (VSV). Xử lý ô nhiễm các chất hữu cơ chứa clo nói chung và chất diệt
cỏ/dioxin nói riêng bằng biện pháp phân hủy sinh học (bioremediation) đã và đang
được nghiên cứu do chi phí thấp và thân thiện đối với môi trường. Các nghiên cứu
về quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ chứa clo đã chứng minh có 4
con đường phân hủy, chuyển hóa bởi VSV. Trong số đó có 3 con đường xảy ra với
sự có mặt của oxy bao gồm oxy hóa cắt vòng thơm, loại clo ở sản phẩm cắt vòng và
phân hủy nhờ cơ chế xúc tác bởi enzyme ngoại bào hay các chất tương tự trao đổi
chất hoạt động như enzyme. Quá trình thứ tư là loại khử clo xảy ra ở điều kiện
không có oxy hay thiếu oxy được gọi chung là hô hấp loại khử clo.
Công nghệ phân hủy sinh học đã được áp dụng thành công với quy mô 0,5 m
3

đến 100 m
3
tại Đà Nẵng và quy mô 3.384 m
3
tại Biên Hòa. Hiệu quả xử lý tại Đà
Nẵng đạt 50 – 70% sau gần 2 năm xử lý (Đặng Thị Cẩm Hà, 2005) và tại Biên Hòa
đạt hơn 99% sau 27 tháng xử lý (Đặng Thị Cẩm Hà, 2012). Để đạt được hiệu quả
xử lý nêu trên có rất nhiều yếu tố liên quan trong đó có vai trò của VSV, các điều
kiện mini sinh thái của mỗi lô xử lý, các nhóm VSV tham gia vào quá trình chuyển
hóa, phân hủy và khoáng hóa các hợp chất là thành phần chất diệt cỏ/dioxin. Đặc
biệt, sự đa dạng và mức độ hoạt động của quần xã vi khuẩn kỵ khí (VK KK) hô hấp
loại khử clo tham gia vào quá trình chuyển hóa, phân hủy sinh học các chất độc như
thế nào vẫn đang là những câu hỏi cần được giải đáp bằng các nghiên cứu cơ bản
với sự hỗ trợ của các kỹ thuật hiện hành.
Hiện nay, các nghiên cứu về VK hô hấp loại khử clo trên thế giới đã công bố

 Đánh giá sự biến động số lượng VK KK sử dụng dioxin và VK KSF trong lô xử
lý 3.384 m
3
tại Biên Hòa.
3
 Nghiên cứu một số đặc điểm sinh học của quần xã VK KSF và một chủng đại
diện được làm giàu, phân lập từ các lô xử lý chất diệt cỏ/dioxin ở Việt Nam.
 Đánh giá khả năng phân hủy hay chuyển hóa các đồng phân PCDD/Fs và các hợp
chất vòng thơm từ mẫu làm giàu quần xã VK KK hô hấp loại khử clo và VK KSF.
 Sử dụng công cụ Metagenomics để nghiên cứu sự đa dạng của quần xã VK KK
cũng như các gene chức năng tham gia vào quá trình phân hủy và chuyển hóa
chất diệt cỏ/dioxin có mặt trong mẫu làm giàu từ đất của 16 vị trí ở lô xử lý khử
độc tại Biên Hòa sau 36 tháng.
Phƣơng pháp nghiên cứu
1. Phương pháp sinh học phân tử: nested-PCR, DGGE, Metagenomics được sử
dụng để đánh giá sự đa dạng VK KK hô hấp loại khử clo trong các lô xử lý đất ô
nhiễm chất diệt cỏ/dioxin và trong mẫu làm giàu.
2. Phương pháp nuôi cấy truyền thống: nuôi cấy, làm giàu VK KK trong phòng thí
nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường đến khả năng sinh
trưởng của các VK này.
3. Phương pháp hóa học: phân tích các thành phần hóa học trên máy HPLC và
GC/MS để đánh giá khả năng phân hủy hay chuyển hóa các chất là thành phần
của chất diệt cỏ như các đồng phân của dioxin, 2,4,5-T và sản phẩm phân hủy
sinh học của chúng như 2,4-DCP bởi các VK KK trong các mẫu làm giàu từ đất
của lô xử lý ở Đà Nẵng, Biên Hòa.
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
1. Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam làm giàu được quần xã VK KK hô hấp loại
khử clo từ đất chôn lấp tích cực liên quan đến xử lý chất diệt cỏ/dioxin. Các VK
KK có mặt trong mẫu làm giàu bao gồm cả ba nhóm loại khử clo là hô hấp loại
khử clo bắt buộc (Dehalococcoides, Dehalogenimonas); hô hấp loại khử clo 5
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Đặc điểm của các hợp chất hữu cơ chứa clo
1.1.1. Một số đặc điểm chung của các hợp chất hữu cơ chứa clo
Các hợp chất hữu cơ chứa clo được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như quá
trình sản xuất thuốc trừ sâu, trừ nấm, chất diệt cỏ, các quá trình tẩy rửa, luyện kim
loại, sản xuất bột giấy, dùng làm dung môi v.v., trong nông nghiệp và cả trong chiến
tranh xâm lược. Các hợp chất hữu cơ chứa clo cũng được sinh ra do sự đốt cháy
không hoàn toàn (đốt cháy các chất thải rắn), các hoạt động tự nhiên (cháy rừng, hoạt
động kiến tạo vỏ trái đất như động đất, núi lửa) (Schecter, 2006). Thời gian bán hủy
của các chất hữu cơ chứa clo trong môi trường thường kéo dài hàng tuần đến hàng
năm, thậm chí hàng chục năm như chất diệt cỏ chứa dioxin tại sân bay Đà Nẵng và
Biên Hòa. Đặc biệt, dioxin là một trong số các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm chứa
clo có thể tồn tại hàng trăm năm hay lâu hơn trong môi trường và không bị phân hủy
dưới tác dụng của axit mạnh, kiềm mạnh, các chất có tính oxy hóa.
Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo của các hợp chất hữu cơ chứa clo, các nhà khoa
học phân loại chúng thành 3 nhóm chính là chất hữu cơ chứa clo mạch thẳng, vòng
thơm và đa vòng thơm (Hình 1.1) (Tas, 2009).
(i) Các chất hữu cơ mạch thẳng chứa clo thường được sử dụng làm dung môi
hữu cơ như tetrachloroethene (PCE), trichloroethene (TCE), chloroform và chúng
được thải ra môi trường nhiều nhất (Hiraishi, 2003; Cheng, 2009).
(ii) Các chất hữu cơ vòng thơm chứa clo như hexachlorobenzene, chlorobenzene,
chlorophenol (CP) v.v. Nhóm chất này được sử dụng làm chất bảo quản gỗ, sản xuất
thuốc nhuộm, chất diệt cỏ, diệt nấm (Tas, 2009).
(iii) Các chất hữu cơ đa vòng thơm chứa clo bao gồm các hợp chất có cấu trúc
2-3 vòng thơm và chứa từ 2 đến 8 nguyên tử clo trong phân tử. Đây là các chất có

PCDD
PCDF
2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-
dioxin (2,3,7,8-TCDD)
Hình 1.1. Một số hợp chất hữu cơ chứa clo điển hình
2,4-D, 2,4,5-T thuộc họ chất diệt cỏ phenoxy có tác dụng làm rụng lá, tồn tại ở
dạng axit, muối (chủ yếu là amin), ester. Ở nồng độ thấp, 2,4-D kích thích quá trình
tổng hợp RNA, DNA và protein, trong khi đó ở nồng độ cao, 2,4-D có thể ức chế sự
phân chia và sinh trưởng của tế bào thực vật. 2,4,5-T được tổng hợp từ 2,4,5-
trichlorophenol (2,4,5-TCP). 2,4,5-T được sử dụng làm tác nhân gây rụng lá trong
nông nghiệp và lâm nghiệp.
2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (2,3,7,8-TCDD) là sản phẩm phụ của quá
trình sản xuất chất diệt cỏ 2,4,5-T. Đây là chất có độ độc cao nhất với tổng độ độc
tương đương là 1 (Schecter, 2006). Dioxin còn bao gồm nhóm các polychlorinated
biphenyl (PCB) là các chất tương tự dioxin, bao gồm 419 đồng phân trong đó có 29
chất đặc biệt nguy hiểm (Schecter, 2006; Đặng Thị Cẩm Hà, 2005). PCB được sản
7
xuất rất nhiều trong những năm 1930-1970 ở phía Bắc Bán cầu và được sử dụng trong
máy biến áp, chất lỏng thủy lực, chất dẻo và trong một số ngành công nghiệp khác
(Angelo, 2010).
Nhìn chung, các hợp chất hữu cơ chứa clo thường kỵ nước (do hệ số octan –
nước cao) nên chúng bị lắng đọng trong bùn và trầm tích. Đây là các hợp chất độc,
tồn tại lâu dài trong môi trường, tích lũy trong các chuỗi thức ăn và gây bệnh cho
người và động vật (Smidt, 2000; Schecter, 2006; Tas, 2009; Wagner, 2009).
1.1.2. Ảnh hưởng của các hợp chất hữu cơ chứa clo tới con người và môi trường
Các hợp chất hữu cơ chứa clo đều là các chất có độ độc cao không những đối
với người, động thực vật mà còn với cả VSV. Hầu hết các chất hữu cơ chứa clo có

có thể gây các bệnh về da, nội tiết, thần kinh, tim mạch, tiêu hóa cho con người.
Chúng có thể di truyền cho nhiều thế hệ sau qua sinh sản, thậm chí gây tử vong và là
nguyên nhân gây một số bệnh ung thư. Trong môi trường, chúng tồn tại bền vững qua
nhiều năm, gây ô nhiễm đất, nước ngầm, trầm tích, được tích lũy qua các mắt xích
của chuỗi thức ăn vào các động thực vật khác và cuối cùng là vào con người.
1.2. Tình hình ô nhiễm các hợp chất hữu cơ chứa clo
1.2.1. Tình hình ô nhiễm các hợp chất hữu cơ chứa clo trên thế giới
Trên thế giới đã có nhiều biện pháp để kiểm soát tốc độ thải ra môi trường của
các chất hữu cơ chứa clo nhưng các chất độc này vẫn được thải ra môi trường rất
nhiều, gây ô nhiễm đất và bùn trầm trọng (Fennell, 2004). Tính đến năm 2003,
trong môi trường có khoảng 3.500 chất hữu cơ chứa clo có nguồn gốc tự nhiên và từ
các hoạt động sống của con người (Smidt, 2004). Theo EPA, chỉ tính riêng năm
2001 đã có 150 kg dioxin và các hợp chất tương tự dioxin, 1,13 triệu kg PCB và
16.000 kg hexachlorobenzene (HCB) giải phóng vào môi trường do các hoạt động
công nghiệp (EPA, 2006). Tổng số PCB thải vào môi trường trên toàn thế giới tính
đến năm 2003 là 900-1800 triệu kg (Fennell, 2004). Theo Wagner và đtg (Wagner,
2009), tổng số PCDD/Fs trong khí quyển trên toàn thế giới hàng năm vào khoảng
13.000 kg/yard. Lượng các chất PCB và PCDD gây ô nhiễm các thủy vực ở Mỹ
khoảng 1,2 tỷ m
3
(Fennell, 2004). Theo Tas và đtg (Tas, 2009), các hợp chất hữu cơ
9
chứa clo là các chất gây ô nhiễm môi trường với phạm vi rộng nhất. Từ những năm
1980, hàng nghìn tấn HCB được sử dụng làm chất diệt cỏ, diệt nấm, chất bảo quản
gỗ và sản xuất thuốc nhuộm. Do HCB có độ độc rất cao nên nó đã bị cấm sử dụng
trên toàn thế giới. Tuy nhiên, HCB vẫn bị thải vào môi trường hàng năm do các quá
trình hóa học xảy ra không kiểm soát được như quá trình đốt cháy không hoàn toàn.
HCB gây ô nhiễm sông, hồ, biển gần các khu vực có công nghiệp phát triển. Nồng
độ HCB trong đất cao nhất là ở Châu Âu (Tas, 2009). Hàng năm, có khoảng 3,9.10
5

lượng và chủng loại, trong đó có một số loại thuộc danh mục cấm sử dụng, hạn chế
sử dụng và hết hạn sử dụng.
Các chất hữu cơ ô nhiễm khó phân huỷ sử dụng trong nông nghiệp chủ yếu là
DDT và HCB hiện còn ở các địa phương chờ được xử lý, còn trong công nghiệp
phần lớn là PCB. Các hợp chất này đều có tính bền vững và nguy hại đối với môi
trường và con người nên đã bị cấm sử dụng (Bộ TN-MT, 2006).
Trong những năm 1961-1971, quân đội Mỹ đã rải xuống miền Trung và miền
Nam Việt Nam hàng trăm triệu lít chất diệt cỏ có chứa dioxin. Mặc dù chất diệt cỏ
được tồn chứa và phân phối cho các vụ phun rải đã trải qua hơn 40 năm nhưng hàm
lượng của chúng ở ba sân bay quân sự cũ là Biên Hòa, Đà Nẵng và Phù Cát vẫn ở
mức cao và rất cao. Mức độ ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin sẽ được trình bày chi tiết
dưới đây.
1.2.2.2. Ô nhiễm chất diệt cỏ chứa dioxin ở sân bay Biên Hòa
Sân bay Biên Hòa được chia làm 3 khu vực có mức độ ô nhiễm khác nhau.
* Khu vực Nam sân bay: nhiều vị trí có nồng độ dioxin lớn hơn 1.000 ppt trong
đó TCDD chiếm từ 75% đến 99% tổng độ độc (Hatfield, 2011).
* Khu vực phía Tây Nam đường băng: ở các hồ, ao và rãnh thoát nước đều có
nồng độ dioxin trong các mẫu trầm tích lớn hơn giá trị cho phép của Việt Nam và quốc
tế (1000 ppt đối với đất phi nông nghiệp) và cao nhất là 5.970 ppt. Vị trí ô nhiễm cao
nhất có nồng độ dioxin là 22.300 ppt trong đó TCDD chiếm hơn 90% tổng độ độc
(Hatfield, 2011).
* Khu vực Z1: Kết quả phân tích cho thấy nồng độ TCDD tăng dần theo độ sâu:
ở độ sâu 0-30 cm nồng độ TCDD là 36.800 ppt, độ sâu 30 – 60 cm nồng độ là
11
144.000 ppt, độ sâu 60 – 90 cm nồng độ là 259.000 ppt, độ sâu 150 – 180 cm nồng
độ là 184.000 ppt. Hàm lượng TCDD chiếm tới 99% tổng độ độc trong tất cả các
mẫu lấy tại khu vực này (Hatfield, 2011). Đây là khu vực có các lô xử lý bằng biện
pháp phân hủy sinh học của Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam. Trong lô xử lý 3.384 m
3

Khu vực nhiễm độc và hướng lan tỏa trong sân bay Phù Cát có nồng độ ô
nhiễm giảm dần theo độ sâu và được chia thành các khu sau:
* Khu nhiễm độc cao: khu chứa chất độc hóa học và nạp chất độc lên phương tiện
phun rải. Khu vực này có độ ô nhiễm cao nhất với nồng độ khoảng 11.400 – 49.500 ppt.
* Khu rửa phương tiện (sau khi phun rải chất phát quang): khu vực này có độ ô
nhiễm thấp nhất, chỉ 18 - 270 ppt.
* Khu vùng đệm: vùng đệm nằm trên vùng đất từ khu chứa, nạp rửa đến cửa
cống qua đường liên khu chảy vào hồ A và có nồng độ ô nhiễm 210 – 2450 ppt.
1.3. Phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ chứa clo
Nhiều nghiên cứu về quá trình phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ
chứa clo đã được công bố. Trong phần này sẽ đề cập chi tiết về cơ chế phân hủy và
chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa clo bởi VSV, các nghiên cứu về phân hủy
chất diệt cỏ, dioxin bởi các VSV hiếu khí và kỵ khí.
1.3.1. Cơ chế phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa clo
Có 4 con đường phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa clo bởi các
VSV hiếu khí và kỵ khí (Reineke, 2001; Fennell, 2004; Yoshida, 2005) như sau:
(i) Oxy hóa cắt vòng thơm bởi các enzyme hydrocarbon dioxygenase vòng
thơm của các VSV hiếu khí.
(ii) Loại clo của các sản phẩm cắt vòng bởi các VSV hiếu khí (Hình 1.2).
(iii) Phân hủy nhờ xúc tác bởi các enzyme ngoại bào như laccase, mangan
peroxidase (MnP), lignin peroxidase (LiP) chủ yếu do nấm và xạ khuẩn sinh ra
(Hình 1.3).
(iiii) Loại khử clo bởi các VK KK (Hình 1.4).
Dưới đây là các cơ chế chuyển hóa bởi một số đại diện của một số nhóm VSV
khác nhau đã được chứng minh.
13

Hình 1.2. Quá trình loại clo sản phẩm cắt vòng của lindane và pentachlorophenol ở
điều kiện hiếu khí (Reineke, 2001)
Quá trình loại clo ở VSV hiếu khí đối với các hợp chất hữu cơ vòng thơm

trí meta-, rồi đến vị trí para- và cuối cùng là vị trí ortho- nhưng quá trình loại khử
clo của các hợp chất chứa nhiều clo lại ưu tiên ở vị trí para- hay nguyên tử clo nằm
giữa hai nguyên tử clo khác trong phân tử (Reineke, 2001).
Các VK KK tham gia vào quá trình loại khử clo cũng khá đa dạng, bao gồm
nhóm VK KSF (Desulfovibrio, Desulfitobacterium, Desulfomonile) và một số VK
khác (Dehalobacter, Dehalococcoides, Dehalogenimonas). Quá trình loại khử clo của
một số hợp chất đa vòng thơm ở D. mccartyi CBDB1 được trình bày ở Hình 1.4.

Hình 1.5. Sơ đồ khoáng hóa các hợp chất chứa clo vòng thơm với hợp chất trung gian là
chlorocatechol (Reineke, 2001)
16
Các cơ chế phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa clo đã trình bày
(Hình 1.2 – 1.5) cho ta thấy tiềm năng và sự loại bỏ clo ở những hợp chất này bởi
những VSV khác nhau trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí. Ở mỗi con đường đều có
sự tham gia của các đại diện thuộc rất nhiều chi VSV khác nhau. Cho đến nay, các
nhà khoa học cần rất nhiều nghiên cứu sâu sắc bằng các công nghệ cao, hiện đại mới
có thể làm rõ hiệu quả phân hủy và cơ chế phân hủy các hợp chất clo. Quá trình phân
hủy sinh học có thể triệt để chỉ khi trong công nghệ xử lý có sự kết hợp nhiều cơ chế
khác nhau. Quá trình phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa clo thường
tạo ra hợp chất trung gian là chlorocatechol như ở Hình 1.5. Quá trình chuyển hóa
hoàn toàn các hợp chất hữu cơ chứa nhiều clo có thể được tóm tắt trên Hình 1.6.
Qua một số cơ chế phân hủy và chuyển hóa các hợp chất chứa clo ở trên, một
lần nữa khẳng định vai trò của việc kết hợp nhiều nhóm VSV hiếu khí và kỵ khí
trong quá trình chuyển hóa hay khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ chứa clo,
trong đó không thể không có sự tham gia của các VK KK hô hấp loại khử clo.

Hình 1.6. Con đường phân hủy hoàn toàn PCDD/Fs bởi các quần xã VK trong quá trình
phân hủy sinh học (Hiraishi, 2003)
Trong quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ chứa clo, quá trình loại khử
clo là bước mở đầu, bước khử độc ở điều kiện kỵ khí tạo điều kiện cho sự khoáng hóa

DCP bởi các loài nấm Aspergillus penicilloides, Mortierella isabellina,
Chrysosporium pannorum và Mucor geneevensis.
2,4,5-T khó bị phân hủy hơn và các nghiên cứu về phân hủy sinh học hợp chất này ít
hơn so với 2,4-D. Chủng VK sử dụng 2,4,5-T được nghiên cứu đầy đủ nhất là
Burkholderia phenoliruptrix AC1100 (tên cũ Pseudomonas cepacia AC1100) (Kitagawa,
18
2002). Một số chủng VK khác sử dụng 2,4,5-T như Nocardioides simplex 3E,
Stenotrophomonas maltophilia (Mai, 2001), Burkholderia sp. JR7B3 (Rice, 2005),
Raoultella planticola (Zharikova, 2006).
Tại Việt Nam, một số nhà khoa học đã quan tâm nghiên cứu các chủng hay
quần xã VSV có khả năng sinh trưởng và sử dụng 2,4-D, 2,4,5-T là nguồn carbon
theo cơ chế đồng trao đổi chất (Kiều Hữu Ảnh, 2003; Hoàng Thị Mỹ Hạnh, 2004;
Đặng Thị Cẩm Hà, 2005; La Thanh Phương, 2005; Lê Văn Nhương, 2005). Các kết
quả nghiên cứu sẽ được trình bày chi tiết ở phần cuối của chương này nhằm làm
sáng tỏ mục tiêu và các đóng góp của luận án.
1.3.2.2. Phân hủy hiếu khí các hợp chất dioxin
Theo Field (2008), trong số các nghiên cứu về VK phân hủy các hợp chất
PCDD và PCDF có tới 84% kết quả nghiên cứu công bố về phân hủy hiếu khí các
hợp chất dioxin chứa 1 hoặc 2 clo. Hiện nay, phân hủy sinh học các dioxin chứa ba
hay bốn clo đang được quan tâm nghiên cứu. Nhìn chung, quá trình phân hủy sinh
học của các hợp chất dioxin chứa clo tăng lên khi số nguyên tử clo trong phân tử
giảm. Các hợp chất PCDD/F chứa 5 nguyên tử clo hoặc nhiều hơn khó bị phân hủy
sinh học hiếu khí do độ độc của các hợp chất tăng cùng với số nguyên tử clo trong
phân tử. Nghiên cứu của Cermiglia (1979), Klecka (1980) cho thấy, dibenzo-dioxin
(DD), dibenzo-furan (DBF) và các chất tương tự chứa clo được chuyển hóa đầu tiên
đến các hợp chất dạng cis-dihydroxylate bởi các VK Pseudomonas và Beijerinckia
spp. Phân hủy naphthalene và biphenyl bởi VK không triệt để và tạo ra các sản
phẩm “ngõ cụt”. Phản ứng oxy hóa kép vị trí bên tạo ra DBF đã được hydroxylate
hóa và sản phẩm này được chuyển hóa tiếp thông qua quá trình cắt vòng ở vị trí
meta để tạo ra chất chuyển hóa phân cực màu vàng và hấp thụ cực đại ở bước sóng

được 90,7% DD, 79,7% DBF, 88,3% 1-MCDD và 78,6% 2-MCDD sau 60 giờ nuôi
cấy với nồng độ ban đầu của các chất là 1 mM (Hong, 2004).
Ở Việt Nam, một số chủng VSV phân lập từ đất hoặc bùn ô nhiễm chất diệt cỏ
chứa dioxin có khả năng sử dụng DBF và sinh trưởng trên môi trường chứa DD, 2-
20
MCDD như nguồn carbon đồng trao đổi chất. Tuy nhiên, các kết quả chi tiết sẽ
được trình bày ở phần cuối của chương này.
1.3.3. Phân hủy kỵ khí chất diệt cỏ/dioxin
Trong nhiều thập niên qua, quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ
chứa clo đã và đang được quan tâm nghiên cứu. Nhiều VK KK sử dụng các chất ô
nhiễm chứa clo là các chất nhận điện tử trong quá trình hô hấp và được gọi là VK
KK hô hấp loại clo hoặc hô hấp clo (Hiraishi, 2008). Tuy nhiên, số lượng các
nghiên cứu loại khử clo vẫn ít hơn nhiều so với nghiên cứu phân hủy sinh học
dioxin, các chất tương tự dioxin và các sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy
theo cơ chế oxy hóa.
1.3.3.1. Phân hủy sinh học kỵ khí các chất diệt cỏ chlorophenoxy
Các VSV tham gia vào quá trình loại khử clo rất đa dạng, chủ yếu thuộc ba
ngành chính là Chloroflexi, Firmicute và Proteobacteria (Hiraishi, 2008; Maphosa,
2010). Nghiên cứu đầu tiên về loại khử clo là quá trình chuyển hóa 2,4,5-T thành
2,5-D bởi quần xã VSV chuyển hóa 3-chlorobenzoate (Suflita, 1984). Theo Bryant
(Bryant, 1992), phân hủy 2,4,5-T được bắt đầu bởi sự loại một nguyên tử clo thành
2,5-D trong mẫu bùn và trầm tích. Tuy nhiên, trong các quần xã VSV, quá trình
loại khử clo thường xảy ra ở các vị trí bên và 2,4,5-TCP được phát hiện là sản phẩm
đầu tiên của quá trình chuyển hóa kỵ khí 2,4,5-T (Mitsevich, 2000, Nguyen, 2007).
Phân hủy 2,4-D chủ yếu bắt đầu bởi sự loại bỏ nguyên tử clo ở vị trí bên (Boyle,
1999a). Quá trình chuyển hóa 2,4-D đến 4-chlorophenoxyacetate cũng đã được
phát hiện (Warner, 2002). Quá trình phân hủy 2,4-DCP ở điều kiện kỵ khí trong các
mẫu trầm tích nước ngọt cũng đã được công bố (Zhang,1990). Trong các quần xã
VK, loại khử clo của các chlorophenol tạo thành từ các chlorophenoxyacetate
thường được bắt đầu bởi phản ứng loại một clo ở vị trí ortho, kết quả là làm tăng

trọng trong quá trình chuyển hóa và loại độc tố của các hợp chất hữu cơ chứa clo như
chloroethene, chlorobenzene, chlorophenol, PCB, PCDD/Fs. Theo công bố của một số
tác giả thì các VK tham gia loại khử clo thuộc 3 ngành chính là Firmicutes (VK Gram
22
dương có tỷ lệ G + C thấp), Proteobacteria (bao gồm

- và δ

- Proteobacteria) và
Chloroflexi (Hình 1.7) (Smidt, 2000, 2004; Hiraishi, 2008; Richardson, 2013).
(i) Các đại diện của ngành Firmicutes bao gồm các chi Desulfitobacterium,
Dehalobacter, Clostridium, Acetobacterium có khả năng loại khử clo của các hợp
chất hữu cơ mạch thẳng, vòng thơm hay cả hai.
(ii) Các đại diện của ngành Proteobacteria bao gồm các chi Desulfuromonas,
Desulfomonile, Desulfovibrio, Dehalospirillum và một số chi khác như
Sulfurospirillum, Anaeromyxobacter, Geobacter, Pseudomonas, Shewanella v.v.
(Suyama, 2001; Rowe, 2008; Richardson, 2013; Kranzioch, 2013).
(iii) Các đại diện của ngành Chloroflexi bao gồm các chi Dehalococcoides,
Dehalobium và Dehalogenimonas. Đây là các chi VK có khả năng loại clo của rất
nhiều hợp chất chứa clo vòng thơm, đa vòng thơm và mạch thẳng (Hiraishi, 2008;
Richardson, 2013; Kranzioch, 2013). Ngoài ra, rất nhiều VK thuộc ngành Chloroflexi
không nuôi cấy được cũng có mặt trong các khu vực ô nhiễm các hợp chất hữu cơ chứa
clo (Nguyễn Bá Hữu, 2009; Đào Thị Ngọc Ánh, 2013).
Dựa vào đặc tính sinh lý về khả năng loại khử clo, các VK có khả năng hô hấp
loại khử clo được chia thành ba nhóm là nhóm hô hấp loại khử clo bắt buộc, nhóm hô
hấp loại khử clo không bắt buộc và nhóm loại khử clo đồng trao đổi chất (Hiraishi,
2008).
(a) VK hô hấp loại khử clo không bắt buộc là nhóm có khả năng loại khử
clo của các hợp chất chứa clo để sinh năng lượng trong quá trình hô hấp (Hiraishi,
2008). Tuy nhiên, các VK nhóm này vẫn có thể tổng hợp năng lượng khi được nuôi

Shewanella, Desulfobacterium, Acetobacterium, Clostridium (Hiraishi, 2008). Đây
là các VK kỵ khí bắt buộc hay không bắt buộc nhưng chúng có thể sống trong điều
kiện hoàn toàn không có oxy. Đặc biệt là VK Pseudomonas là VK hiếu khí nhưng
cũng sống được trong điều kiện có rất ít hay hoàn toàn không có oxy.
24

Hình 1.7.Cây phát sinh chủng loại của các VK loại khử clo dựa trên trình tự đoạn
gene 16S rRNA. Con số trong ngoặc đơn là mã số trên GenBank (Hiraishi, 2008)
O: Các VK loại khử clo bắt buộc F: các VK loại khử clo không bắt buộc
+: Các VK có khả năng loại khử clo đồng trao đổi chất
Khi nghiên cứu quần xã VK KK loại clo từ vị trí ô nhiễm các dung môi hữu
cơ ở West Louisiana Hoa Kỳ cho thấy có 42 dòng VK trong đó Dehalobacter chiếm
25 dòng, Clostridium chiếm 5 dòng, Dehalococcoides chiếm 4 dòng, các chi khác
chiếm ít hơn 3 dòng (Grostern, 2006). Ngoài ra, một số VK sinh metan như
Methanosarcina và acetogene như Acetobacterium, Spomusaovate có thể loại clo
theo cơ chế đồng trao đổi chất (EPA, 2006; Hiraishi, 2008). Trong các mẫu làm
giàu từ sông Dương Tử (Trung Quốc) trên PCE, các VK Dehalobacter,
Dehalococcoides, Desulfomonile và Desulfitobacterium có mặt và quá trình loại clo
25
của PCE xảy ra hoàn toàn tới ethene. Tuy nhiên, nếu không có mặt Dehalococcoides
thì quá trình loại khử clo chỉ dừng lại ở 1,2-cis-DCE (Kranzioch, 2013).
Ngoài ra, có nhiều VSV hiếu khí khác cũng tham gia loại khử clo của DDT
thành DDD như Proteus vulgaris, E.coli, Enterobacter, Bacillus, Flavobacterium,
Cyanobacteria. Một số VK hiếu khí khác lại phân hủy DDT theo con đường kỵ khí
như Hydrogenomonas, Enterobacter aerogenes, Bacillus, E.coli (Gohil, 2011).
Trong số các VK KK có khả năng hô hấp loại khử clo, VK KSF,
Dehalococcoides và Pseudomonas được nghiên cứu nhiều do đặc tính riêng của
chúng. Cho đến nay, Dehalococcoides được xem là các “thợ khử” clo, thuộc nhóm
hô hấp loại khử clo bắt buộc còn VK KSF thuộc nhóm loại khử clo không bắt buộc,
dễ nuôi cấy. VK Pseudomonas có thể sống trong cả điều kiện hiếu khí hay kỵ khí