Bài giảng Công nghệ vi sinh: Chương 7 - Màng sinh học

Tài liệu này cung cấp một cái nhìn tổng quan về màng sinh học, một cấu trúc phức tạp được hình thành bởi các quần thể vi sinh vật bám dính vào bề mặt và được bao bọc trong một ma trận polyme ngoại bào do chính chúng sản xuất. Đây là một dạng tồn tại phổ biến và quan trọng của vi sinh vật trong nhiều môi trường tự nhiên và nhân tạo.

Tài liệu này hướng đến sinh viên, nhà nghiên cứu và các chuyên gia trong lĩnh vực vi sinh học, công nghệ môi trường, xử lý nước, công nghiệp thực phẩm và y sinh học, những người quan tâm đến cơ chế hình thành, tác động và ứng dụng của màng sinh học.

Tài liệu trình bày chi tiết về màng sinh học, định nghĩa nó là tập hợp các vi sinh vật mà tế bào của chúng chìm trong mạng lưới các hợp chất polyme ngoại bào (EPS) do chính chúng tạo ra, theo Hiệp hội Quốc tế về Hóa học Cơ bản và Ứng dụng (IUPAC 2012). Màng sinh học là một hệ thống cố định, có khả năng thích nghi cao với các điều kiện môi trường, giúp vi sinh vật tránh được các tác động bất lợi và tăng cường khả năng sống sót. Thành phần cơ bản của màng sinh học bao gồm khoảng 80% nước và 20% còn lại là polysacarit, protein và vi sinh vật.

Quá trình hình thành màng sinh học diễn ra qua nhiều giai đoạn phức tạp. Giai đoạn đầu tiên là sự hình thành lớp màng điều kiện trên bề mặt vật liệu khi tiếp xúc với nước, tạo điều kiện cho vi sinh vật bám dính. Tiếp theo là sự bám dính của các vi khuẩn tiên phong, chịu ảnh hưởng của các yếu tố hóa, lý, sinh học và môi trường như nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và dòng chảy. Sau đó, vi khuẩn tiên phong sinh trưởng, sinh sản và tổng hợp, tiết ra các chất polyme ngoại bào (EPS), đóng vai trò quan trọng trong việc neo giữ màng sinh học, tích tụ dinh dưỡng và bảo vệ vi khuẩn. Các vi khuẩn thứ cấp sau đó tham gia vào màng, làm tăng kích thước và độ phức tạp của cấu trúc. Cuối cùng, màng sinh học phát triển thành thục, tạo thành một hệ thống ba chiều phức tạp với các mối quan hệ trao đổi chất liên kết.

Màng sinh học có cả tác động tiêu cực và ứng dụng tích cực. Về mặt tiêu cực, chúng gây ra các vấn đề như tắc nghẽn và ăn mòn trong đường ống, hệ thống trao đổi nhiệt, bể chứa dầu, cũng như ô nhiễm nguồn nước uống và các vấn đề y tế như mảng bám răng và nhiễm trùng thiết bị y tế. Tuy nhiên, màng sinh học cũng có nhiều ứng dụng quan trọng, bao gồm xử lý nước thải để loại bỏ chất ô nhiễm, khai thác quặng bằng vi sinh vật để tăng cường thu hồi kim loại, và tạo rào chắn sinh học để cố định chất gây ô nhiễm nước ngầm hoặc thúc đẩy khai thác dầu. Cuối cùng, tài liệu cũng đề cập đến quá trình bong tách màng sinh học, khi các tế bào và polyme được giải phóng vào môi trường do các lực bên ngoài hoặc sự thay đổi trong cấu trúc màng.