Mở đầu
Cadimi (Cadmium - Cd) là kim loại nặng độc hại, đe dọa nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) xếp Cd vào nhóm chất gây ung thư Nhóm 1, liên quan đến ung thư tuyến tiền liệt, thận, phổi và các vấn đề nhiễm sắc thể. Cd tích tụ trong đất và xâm nhập vào chuỗi thức ăn qua thực vật, đòi hỏi các biện pháp xử lý hiệu quả. Các vấn đề môi trường đất do Cd gây ra ngày càng sâu sắc, thu hút sự chú ý đáng kể trên toàn thế giới. Do đó, việc phục hồi đất bị ô nhiễm Cd là cấp bách. Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng có thể được phân loại thành kỹ thuật xử lý vật lý, hóa học và vi sinh vật.
Trong đó, phương pháp xử lý sinh học bằng vi khuẩn bản địa được ưa chuộng do chi phí thấp, thân thiện môi trường. Người ta đã phát hiện ra rằng các vi sinh vật kháng kim loại nặng có thể làm giảm sinh khả dụng của Cd thông qua quá trình hấp phụ, kết tủa và cố định liên kết để giảm bớt ô nhiễm Cd. Chúng cũng có thể thúc đẩy sự hấp thu Cd2+ của các thực vật siêu tích lũy thông qua việc hòa tan và kích hoạt các quá trình loại bỏ Cd khỏi đất. Chi Bacillus nổi tiếng với khả năng thích ứng với các điều kiện khắc nghiệt và khả năng chống lại và giải độc kim loại nặng. Các loài như Bacillus cereus nổi bật với tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm kim loại nặng. Các cơ chế như sản xuất màng sinh học, siderophores và enzyme ngoại bào giúp vi khuẩn này có khả năng hấp phụ và kháng kim loại hiệu quả.
Do vậy, nghiên cứu này tập trung phân lập và đánh giá hai chủng Bacillus cereus (C9 và C27) từ đất ô nhiễm Cd, nhằm ứng dụng trong cải tạo đất nhiễm kim loại nặng. Các chủng vi khuẩn được phân lập và xác định, sau đó đánh giá khả năng hấp phụ và loại bỏ Cd trong các điều kiện môi trường khác nhau. Nghiên cứu cũng khảo sát khả năng chống lại các kim loại nặng khác (Zn, Tl) và các đặc điểm sinh lý, sinh hóa của vi khuẩn, bao gồm khả năng dung nạp muối, thủy phân tinh bột, sử dụng citrate, sản xuất amoniac và siderophore. Với mục tiêu là xác định các chủng vi khuẩn có tiềm năng ứng dụng trong xử lý sinh học để giải quyết vấn đề ô nhiễm Cd.
Kết quả
Nghiên cứu này đã phân lập được 36 khuẩn lạc kháng Cd từ đất ô nhiễm, trong đó 11 chủng có khả năng kháng Cd vượt trội. Hai chủng C9 và C27 được chọn để nghiên cứu sâu hơn. Kết quả cho thấy C9 và C27 có khả năng kháng Cd cao hơn đáng kể so với chủng vi khuẩn mô hình 3.610. Và hai chủng đều là vi khuẩn Gram dương, dạng trực khuẩn. Kết quả phân tích trình tự gen 16S rDNA cho thấy các chủng C9 và C27 có sự tương đồng 99,85% với Bacillus cereus CCM 2010 và Bacillus cereus NBRC 15305. Phương pháp Neighbor-Joining được sử dụng để xây dựng cây phát sinh loài đã củng cố kết luận này.
Các nghiên cứu về khả năng kháng kim loại nặng của các chủng vi khuẩn C9, C27 và chủng 3.610 mô hình cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong khả năng phát triển và hấp phụ các ion kim loại. Chủng mô hình 3.610 chỉ thể hiện sự phát triển tối thiểu khi nồng độ Cd²⁺ đạt 80 mg/L, trong khi hai chủng C9 và C27 vẫn phát triển bình thường, chứng tỏ chúng có khả năng kháng Cd²⁺ cao hơn đáng kể. Cả hai chủng này đều có khả năng hấp phụ Cd²⁺ tối ưu ở nồng độ 70 μM, với pH từ 4 đến 4,5 là điều kiện tốt nhất. Thời gian hấp phụ tối ưu cho chủng C9 là 36 giờ và 48 giờ đối với chủng C27.
Ngoài ra, các chủng C9 và C27 cũng thể hiện khả năng sinh trưởng tốt trong môi trường có nồng độ cao các kim loại như Cd, Zn và Tl, với thứ tự kháng là Zn > Cd > Tl.
Bên cạnh đó, chủng C9 và C27 cũng có khả năng sinh tổng hợp siderophores. Cả hai chủng đều có khả năng sinh tổng hợp IAA với hàm lượng khác nhau dao động từ 44,37 đến 65,77 mg/L, và khả năng hình thành màng sinh học trên môi trường lỏng và rắn. C9 và C27 còn cho thấy khả năng chịu muối tốt trong môi trường có NaCl từ 5% đến 13%. Đặc biệt, C9 và C27 chứng tỏ khả năng thích nghi cao trong điều kiện mặn (chịu được nồng độ NaCl lên đến 13%) và thủy phân tinh bột hiệu quả thông qua sự xuất hiện vòng trong suốt quanh khuẩn lạc, mở ra tiềm năng ứng dụng trong cải tạo đất mặn. Ngoài ra, cả hai chủng đều sử dụng citrate làm nguồn carbon, trong đó C9 thể hiện tốc độ sử dụng vượt trội, gợi ý khả năng chelat hóa kim loại nặng. Đáng chú ý, C9 còn cho thấy tiềm năng cố định đạm cao. Kết hợp các kết quả, khả năng kháng Cd của C9 và C27 có thể liên quan đến đặc tính sinh hóa đa dạng (sử dụng citrate, chịu mặn, thủy phân chất hữu cơ) thay vì phụ thuộc vào IAA hay màng sinh học. Những phát hiện này nhấn mạnh tiềm năng ứng dụng của hai chủng trong xử lý sinh học đất ô nhiễm kim loại nặng nhờ khả năng thích nghi linh hoạt và hoạt tính sinh học đa hướng.
Kết luận
Các chủng C9 và C27, thuộc loài Bacillus cereus được xác định thông qua đặc điểm hình thái và phân tích trình tự 16S rDNA, thể hiện khả năng kháng cadmium (Cd) vượt trội. Ở nồng độ Cd²⁺ 70 μM, hiệu suất loại bỏ Cd²⁺ của C9 và C27 lần lượt đạt 26,75% và 32,27%, với nồng độ ban đầu tối ưu cho quá trình hấp phụ là 70 μM (C9) và 90 μM (C27). Thời gian hấp phụ tối ưu được xác định là 36 giờ đối với C9 và 48 giờ đối với C27 dựa trên đường cong tăng trưởng theo thời gian.
Ngoài Cd, cả hai chủng còn thể hiện khả năng chịu đựng các kim loại nặng khác như kẽm (Zn) và thallium (Tl) trên môi trường rắn, với thứ tự ưu tiên kháng kim loại: Zn > Cd > Tl. Đáng chú ý, C9 và C27 sở hữu nhiều đặc tính sinh lý nổi bật như chịu mặn cao (lên đến 13% NaCl), có khả năng thủy phân tinh bột, sử dụng citrate, cố định amoniac, sinh tổng hợp IAA (Indole-3-acetic acid), hình thành màng sinh học và sinh tổng hợp siderophore. Dựa trên kết quả này, các nhà nghiên cứu đặt giả thuyết rằng sản xuất siderophore có thể là cơ chế chính giúp hai chủng này tăng cường khả năng dung nạp Cd, thông qua việc chelat hóa kim loại nặng và giảm độc tính của chúng trong môi trường.
Tiềm năng nghiên cứu
Tại Việt Nam, việc xuất khẩu các mặt hàng nông sản đến các thị trường trên thế giới ví dụ như liên minh châu Âu, Trung Quốc, Mỹ, Nhật Bản đều cần xét nghiệm hàm lượng cadimi. Các vùng trồng chứa hàm lượng cadimi cao trong đất hoặc bổ sung gián tiếp thông qua các loại phân bón chứa cadimi hoàn toàn ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm kiểm định. Đặc biệt trong thời gian gần đây, mặt hàng sầu riêng thường xuyên nhận cảnh báo về việc hàm lượng cadimi vượt mức. Do đó cần có các nghiên cứu nhằn phân lập và đánh giá hiểu quả phân giải và hấp thụ Cd trong đất nhằm đem tới một giải pháp xử lý ô nhiễm hiệu quả và thân thiện với môi trường.
Người dịch: Nguyễn Thị Thu Trà, Nguyễn Duy Tài, Trần Thị Thảo – K67CNSHA
Biên tập: Phạm Gia Bảo – K65CNSHE
Theo Liang, B., Feng, Y., Ji, X., Li, C., Li, Q., Zeng, Z., & Wang, Y. (2025). Isolation and characterization of cadmium-resistant Bacillus cereus strains from Cd-contaminated mining areas for potential bioremediation applications. Frontiers in Microbiology, 16. https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1550830