Vai trò của công nghệ sinh học trong bảo vệ môi trường

một đoạn DNA có độ dài từ vài chục đến vài chục nghìn nucleotide, thông thường đến 3000. Vì lẫn tạp nhiều thành phần khác tham gia phản ứng PCR, nên sau khi được sản phẩm PCR, trước hết cần kiểm tra độ dài của đoạn DNA trong sản phẩm có đúng với đoạn ước định cần có không bằng phương pháp điện di khuếch tán trên thạch (agarose gel electrophoresis). Sau đó, cần thiết phải được tinh khiết trước khi sử dụng làm vật liệu DNA cho kỹ thuật tái tổ hợp gen. - Phương pháp điện di: Sau quá trình tách chiết, các nucleic acid có thể được tinh sạch nhờ một số kỹ thuật như siêu ly tâm, sắc ký, hay điện di. Phương pháp điện di được sử dụng cả trong phân tích định tính và thu nhận mẫu nucleic acid. Nguyên tắc của phương pháp điện di là dựa vào đặc tính cấu trúc của các nucleic acid. Đó là các đại phân tử tích điện âm đồng đều trên khắp bề mặt, nên khi chịu tác động của điện trường, chúng sẽ di chuyển về cực dương của điện trường. Tính linh động của phân tử trong bản thạch (gel) dưới tác động của điện trường được tính theo công thức: Log u = Log uo- KrC Trong đó: Log uo là tính linh động của phân tử trong môi trường lỏng, Kr là hằng số làm chậm do cấu trúc gel đồng thời cũng phụ thuộc vào khối lượng của phân tử nucleic acid, C là nồng độ của gel. Vì vậy, tính linh động của phân tử phụ thuộc vào hai yếu tố: khối lượng phân tử tức là số lượng nucleotide hay cặp nucleotide (DNA mạch đôi) và nồng độ các chất cấu thành gel. Hai loại gel được sử dụng trong nghiên cứu nucleic acid là gel polyacrylamide và gel agarose. Việc chọn loại gel cũng như nồng độ các chất tạo thành gel tuỳ thuộc kích thước trung bình của các đoạn nucleic acid cần phân tách. Bảng 1. Tương quan giữa nồng độ gel và kích thước các đoạn cần phân tách % acrylamide 4 5 8 11 Kích thước các đoạn cần phân tách (cặp nucleotide) 200-800 80-200 40-100 10-50 % agarose 0.6-0.8 0.9-1.2 1.2-1.5 Kích thước các đoạn cần phân tách (kb) 1-20 0.5-7 0.2-5 § Gel agarose: Là loại gel thông dụng nhất bởi thao tác đơn giản, thường dùng để phân tách những đoạn có kích thước 0.5-20 kb. Gel được đổ trên một giá thể nằm ngang và điện di được thực hiện thep phương nằm ngang. Sau điện di, các nucleic acid trong gel agarose sẽ hiện hình ở dạng những vạch màu đỏ cam dưới tia tử ngoại (UV có λ=300 nm) nhờ sự có mặt của ethidium bromide (được cho vào gel trước khi đổ)-có khả năng gắn xen vào giữa các base của nucleic acid và dưới tác dụng của tia tử ngoại sẽ phát huỳnh quang. Bên cạnh đó, để ước lượng kích thước của các trình tự nucleic acid trong gel agarose, thường dùng một yếu tố đánh dấu trọng lượng phân tử (molecular weight marker). Đây là một tập hợp nhiều trình tự DNA có kích thước đã biết trước được gọi là thang DNA (DNA ladder), thông thường sử dụng thang DNA là thực khuẩn thể λ được thuỷ giải bởi enzyme giới hạn Hind III. § Gel acrylamide: Được dùng để tách các đoạn kích thước nhỏ (dưới 1000 cặp base. Thao tác với gel polyacrylamide phức tạp hơn với gel agarose, nên chỉ được sử dụng cho những mục đích đặc hiệu như: - Tinh sạch các oligonucleotide tổng hợp - Xác định trình tự DNA - Tách các đoạn DNA nhỏ có chiều dài dưới 500 cặp base. Gel được đổ giữa 2 tấm thuỷ tinh và phương của điện di là phương thẳng đứng. Nguyên tắc của loại điện di này là dựa vào sự thay đổi hướng điện trường trong quá trình điện di. Mỗi lần hướng điện trường thay đổi thì phân tử DNA phải tự định hướng lại. Phân tử có kích thước càng lớn thì thời gian tự đinh hướng càng lớn khiến cho nó di chuyển chậm hơn một phân tử kích thước nhỏ. Một DNA đơn giản có thể tạo ra chỉ một ít băng. Nếu DNA ban đầu là rất lớn và phức tạp, việc nhuộm gel sẽ cho thấy một băng đại diện cho sự biến thiên hầu như là liên tục về kích thước của đoạn. Băng hay là phần chứa đoạn mong muốn sẽ được định vị với kỹ thuật Southern blotting và được chuyển ra. Bởi vì một một băng có thể đại diện cho một hỗn hợp vài đoạn, nó được điện di trên một gel với một nồng độ khác nhau để tách các đoạn có kích thước tương tự. - Thu nhận acid nucleic: Điện di trên gel agarose còn được sử dụng để thu nhận mẫu. Sau khi điện di, các vạch tương ứng với DNA cần tinh sạch được phát hiện và thu nhận lại theo một trong các phương pháp sau:
 Phương pháp 1: phần agarose chứa các vạch đó được cắt ra và DNA được thu nhận sau khi đã khuếch tán từ gel agarose vào một dung dịch đệm thích hợp.
 Phương pháp 2: Một giếng nhỏ được khoét trong agarose ngay trước vạch DNA. Giếng này được bơm dầy dung dịch đệm và điện trường được tái lập. DNA di chuyển vào giếng chứa đầy dung dịch đệm và được thu nhận lại.
 Phương pháp 3: Điện di được thực hiện trong một gel agarose đặc biệt có điểm nóng chảy rất thấp (65oC). Sau điện di, vạch DNA được cắt ra, ủ ở trong một dung dịch đệm ở nhiệt độ 65oC. Khi agarose đã hoàn toàn tan chảy, DNA được thu nhận lại sau nhiều công đoạn tách chiết và tủa. b) Các enzyme thông dụng trong kỹ thuật di truyền
 Các enzyme giới hạn (Restriction enzyme-RE) Các thực khuẩn thể (phage) xâm nhiễm vào tế bào vi khuẩn và sinh sôi nhờ bộ máy sinh tổng hợp của vi khuẩn. Khi số luợng phage tăng lên đến hàng triệu bản sao, chúng sẽ phá vỡ tế bào vi khuẩn. Tuy nhiên trong một số trường hợp, tế bào vi khuẩn vẫn nguyên vẹn mà phage cũng không sinh sôi. Hiên tượng này có thể là do DNA của phage bị một hệ thống bảo vệ của vi khuẩn tiêu diệt khi vừa mới xâm nhập. Hệ thống bảo vệ này là các RE. DNA vi khuẩn không bị chính các RE của chúng cắt là nhờ cơ chế gắn nhóm methyl vào A hay C ở các vị trí cắt của các RE bởi enzyme methylase . Khi đó RE không còn nhận biết được các vị trí cắt. Đây chính là hiện tượng giới hạn và các RE hợp thành hệ thống bảo vệ ở tế bào procaryote. Các RE là các endonuclease có khả năng nhận biết và cắt DNA mạch đôi một cách lặp lại ở những vị trí (trình tự) xác định, và được ứng dụng chủ yếu trong phương pháp tạo dòng. •....... Ví dụ về RE: EcoRI là enzyme đầu tiên được tìm thấy ở E.coli ↓ EcoRI 5’G A ATT C3’ 3’C TTA A G5’ ↑ (Dấu mũi tên thẳng đứng chỉ vị trí cắt)
 Các enzyme thông dụng khác: - Các polymerase: gồm 2 nhóm: Các DNA polymerase xúc tác cho sự tổng hợp DNA theo chiều 5’-3’. Phần lớn các DNA polymerase dùng DNA làm khuôn mẫu cho sự tổng hợp DNA (DNA polymerase I, T4 DNA polymerase, Taq polymerase). Một DNA polymerase đặc biệt là enzyme phiên mã ngược (Reverse transcriptase) laị sử dụng khuôn là RNA để tổng hợp DNA. Cuối cùng là Terminal transferase)- một DNA polymerase không tổng hợp mạch mới từ khuôn mà chỉ thêm các nucleotide vào đầu của một phân tử DNA đã có sẵn. Các DNA polymerase, để hoạt động, phải cần một mồi (primer). Mồi là một đoạn oligonucleotide bắt cặp bổ sung với phần đầu của khuôn, để từ đó các polymerase mới nối dài tạo cặp bổ sung. Các RNA polymerase tham gia tổng hợp RNA, thông dụng nhất là SP6, T7 và T3 RNA polymerase. Cả hai nhóm này được sử dụng khi cần tạo một số lượng lớn bản sao của nucleic acid (tạo mẫu dò, xác định trình tự nucleotide,...). - Các ligase Đây là các enzyme xúc tác sự hình thành liên kết nối hai đoạn DNA (DNA ligase) hay RNA (RNA ligase) và thường được sử dụng trong lĩnh vực tạo dòng. - Các nuclease Đây là nhóm các enzyme phân cắt DNA (DNase) và RNA (RNase)n một cách không chuyên biệt. Trong khi các RE đã được đề cập ở phần trên cũng là những nuclease nhưng mang tính chuyên biệt trình tự cao hơn. c) Plasmid vector: Plasmid là một thực thể vi sinh đơn giản nhất, có cấu trúc DNA khép kín tạo thành vòng tròn, độ dài của plasmid có thể thay đổi từ vài nghìn nucleotide đến vài trăm nghìn nucleotide, nằm ngoài hệ gen của một vi khuẩn hay VSV, nhưng có liên hệ chặt chẽ với tế bào vật chủ theo lối cộng sinh, nhân lên cùng với sự nhân lên của NST. Plasmid được sử dụng để làm vector (vật có khả năng tải và truyền những sản phẩm sinh học từ cá thể này sang cá thể khác) trong kỹ thuật tái tổ hợp gen nhờ trong cấu trúc của chúng có một vùng đặc biệt gọi là vùng ori. Vùng này là một chuỗi ngắn nucleotide, nằm ở một nơi nào đó trong vòng tròn DNA của plasmid, có chức năng quan trọng trong quá trình tự nhân lên tạo nhiều plasmid mới. Đây là nơi mà DNA polymerase và các loại protein bám vào, mở đầu cho chu kỳ nhân lên. Ngoài ra, nhờ vào đặc tính của một số plasmid mang gen kháng kháng sinh (antibiotics) quy định khả năng sản xuất enzyme kháng kháng sinh. Đó cũng là nguyên lý chọn lọc dựa trên khả năng kháng kháng sinh trong kỹ thuật tái tổ hợp gen. Để tạo được một plasmid vừa có khả năng dẫn truyền (cloning plasmid vector), từ plasmid tổ tiên, trước tiên người ta tiếp tục đưa vào những vùng mới, đặc biệt là vùng chứa tổ hợp gen chỉ thị nào đó (chẳng hạn gen chỉ thị là gen kháng tetracyclin hay tổ hợp gen sản xuất các loại protein nhất định), mà thông thường trong gen đó lại có một dãy các vị trí cắt của RE (dãy này được gọi là polylinker hay multiple cutting site-MCS). Đó là nơi để thực hiện các thao tác cắt, nối, ghép DNA, hay còn gọi là tái tổ hợp DNA. Nguyên lý chọn lọc được dòng tế bào chủ tiếp nhận plasmid tái tổ hợp được dựa trên nguyên lý kháng kháng sinh hay đặc tính hình thành màu khuẩn lạc do không có sự tổng hợp loại protein chỉ thị trên... d) Tế bào chủ thích ứng cho plasmid (host cell) Trong kỹ thuật tái tổ hợp gen, tế bào chủ phải là loại có khả năng thu nhận plasmid dễ dàng, lưu giữ bền vững và tạo điều kiện cho plasmid nhân lên nhiều và sản xuất tốt các sản phẩm tái tổ hợp. Hiện nay có nhiều dòng tế bào E. coli như JM 101, JM 102, JM 109...được sử dụng làm tế bào chủ trong kỹ thuật tái tổ hợp gen (còn gọi là tế bào thuần dưỡng-competent cell). Quá trình xâm nhập vào tế bào E. coli thuần dưỡng được gọi là quá trình biến nạp (transformation). Nếu sản xuất theo lối công nghệ vi sinh, plasmid trong vi khuẩn sẽ tổng hợp ra một hay nhiều sản phẩm được mong muốn. Lai phân tử- Lai trên pha rắn 1. Nguyên tắc Hai trình tự bổ sung (thường là trình tự đích- trình tự cần tìm) được cố định trên một giá thể rắn. 2. Các yếu tố kỹ thuật Giá thể rắn dùng để cố định nucleic acid là các màng lai. Có hai loại màng lai: - Màng lai bằng nỉtro-cellulose: là loại giá thể được sử dụng đầu tiên- hiện nay không còn thông dụng do hai nhược điểm là độ bền cơ học kém nên thao thác khó khăn, không thể tách rời các phân tử lai trên màng lai để lai trở lại với một mẫu dò (probe) khác. - Màng lai bằng nylon, có độ bền cơ học cao và cho phép lai nhiều lần với nhiều mẫu dò khác nhau (cần loại bỏ mẫu dò cũ trước khi lai với mẫu dò mới) 3. Phương pháp Southern blot Phương pháp này được sử dụng để định vị những trình tự đặc biệt trên DNA bộ gen, hay những DNA kích thước nhỏ như DNA plasmid... Cơ sở của phương pháp là kỹ thuật chuyển (transfer) DNA từ gel lên màng lai do Southern mô tả năm 1975. - Các đoạn DNA được phân tách và được làm biến tính (biến thành hai mạch đơn ) ngay trên gel rồi được chuyển lên màng lai và theo các bước sau: Từ bồn chứa, dung dịch đệm được hút bởi giấy thấm dày, di chuyển theo lực mao dẫn lên phía trên. Khi đi qua gel, dung dịch đệm sẽ kéo theo các acid nucleic và chuyển chúng lên màng lai. Ngoài kỹ thuật chuyển nhờ lực mao dẫn, hiện nay người ta còn sử dụng kỹ thuật chuyển nhờ dòng điện và chuyển trong chân không cho hiệu quả cao hơn tuy đòi hỏi một số điều kiện kỹ thuật đặc biệt. - DNA được cố định trên màng lai được đem lai với mẫu dò có đánh dấu phóng xạ. Vật nặng đặt trên cùng giúp nén sát các thành phần tham gia vào quá trình này. Sau quá trình lai, người ta rửa màng lai để loại bỏ các mẫu dò không bắt cặp chuyên biệt với DNA cố định trên màng. - Cuối cùng, dùng kỹ thuật phóng xạ tự ghi (autoradiography) hay sử dụng một film nhạy cảm với tia xạ áp sát màng lai để định vị các phân tử lai (DNA bộ gen: mẫu dò) Sanger Dideoxy Sequencing Sản phẩm kéo dài được phát triển bởi sự hình thành một cầu nối phosphodiester giữa nhóm 3´-hydroxyl tại đầu cuối đang kéo dài của primer và nhóm 5´- phosphate của deoxynucleotide sắp gắn. Sự kéo dài được tiến hành theo hướng 5´-3´. Điều đáng lưu ý là DNA polymerases cũng có thể gắn những chất tương tự với các nucleotide bases. Phương pháp dideoxy trong sequencing DNA đã được phát hiện bởi Sanger (1977) đã lợi dụng khả năng này bằng việc sử dụng 2´,3´-dideoxynucleotides như là cơ chất. Khi một dideoxynucleotide được gắn vào vị trí 3´ tận cùng của chuỗi đang kéo dài, sự kéo dài chuỗi được kết thúc một cách chọn lọc tại A, C, G, hay T bởi chuỗi thiếu một nhóm 3´-OH tận cùng của chuỗi đang kéo dài. Fluorescent Sequencing Các nhãn được gắn vào các sản phẩm DNA kéo dài bằng cách sử dụng dideoxynucleotide triphosphates được dán nhãn thuốc nhuộm ở đầu 3´. Applied Biosystems DNA sequencers phát hiện các hùynh quang từ 4 loại thuốc nhuộm khác nhau mà được sử dụng để xác định các phản ứng kéo dài A, C, G, and T. Mỗi thuốc nhuộm sẽ phát sáng tại một bước sóng khác nhau khi chiếu bởi một argon ion laser. Vì vậy, tất cả 4 màu và 4 bases có thể được phát hiện và phân biệt. trong một bản gel đơn hay được truyền mao dẫn. 2.1. PHỤC HỒI SINH HỌC (BIOREMEDIATION) Bioremediation được sử dụng cho các hệ thống sinh học để làm giảm ô nhiễm từ không khí hay từ nước hay các hệ thống đất đai. Các vi sinh vật và thực vật là các hệ thống sinh học mà thường được sử dụng. Sự phân huỷ sinh học bởi các vi sinh vật xuất hiện thường xuyên nhất trong bioremediation. Vi sinh vật có thể phân giải hầu hết các hợp chất để sử dụng cho sinh trưởng, phát triển và/hoặc nhu cầu năng lượng của chúng. Các quá trình phân huỷ sinh học này có thể cần hay không cần không khí. Trong một số trường hợp, các con đường đồng hoá mà các cơ thể thường sử dụng cho sự sinh trưởng, phát triển và nguồn năng lượng cũng có thể được sử dụng để phân giải các phân tử gây ô nhiễm. Trong các trường hợp này mà được biết như là đồng-đồng hoá (co- metabolism), vi sinh vật không đem lại lợi ích trực tiếp. Các nhà nghiên cứu tận dụng hiện tượng này và sử dụng nó cho các mục đích phục hồi sinh học. Một quá trình phân huỷ sinh học hoàn toàn sẽ đưa đến việc khử độc tố bởi việc khoáng hoá các chất gây ô nhiễm thành CO2, nước và các muối vô cơ vô hại. Quá trình phân huỷ không hoàn toàn sẽ tạo ra các sản phẩm bị phân giải mà có thể (hay không thể) là ít độc hại hơn so với chất ô nhiễm ban đầu. Ví dụ, quá trình phân huỷ không hoàn toàn tri- hay tetrachloroethylene có thể tạo ra vinylchloride mà là độc và có tính năng gây ung thư cao hơn so với các hợp chất ban đầu. Phân huỷ sinh học có thể xuất hiện một cách tự phát mà trong trường hợp ấy các thành ngữ “phục hồi sinh học cố hữu- intrinsic bioremediation” hay “phân giải tự nhiên- natural attenuation” thường được sử dụng. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp các hoàn cảnh tự nhiên là không đủ thuận lợi cho điều này xảy ra do sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng, oxygen hay vi khuẩn thích hợp. Tình trạng như vậy có thể được cải thiện bằng cách bổ sung một hay nhiều hơn các điều kiện tiên quyết này. Ví dụ, các chất thêm vào đã được sử dụng để đẩy nhanh tốc độ phân giải dầu bị tràn trên 1000 miles đường bờ biển Alaska vào 1989. Xu hướng tương lai trong phục hồi sinh học là nhìn vào tốc độ phân huỷ sinh học không được hỗ trợ trước tiên và chỉ thực hiện nếu có hoạt động không thích hợp cho việc loại bỏ chất gây ô nhiễm một cách nhanh chóng đủ để ngăn chặn bất kỳ nguy cơ được lường trước nào của chất gây ô nhiễm. Các kỹ thuật phục hồi sinh học có thể được sử dụng để giảm thiểu hay để loại bỏ chất thải độc hại gây ô nhiễm môi trường. Chúng cũng có thể được sử dụng để xử lý các dòng chất thải trước khi chúng được thải ra khỏi nhà máy. Một số các ứng dụng của phục hồi sinh học được bàn luận sau đây. 2.1.1 Nước thải và chất thải công nghiệp: Vi sinh vật trong các nhà máy xử lý nước thải đã loại bỏ các chất gây ô nhiễm thông thường từ nước thải trước khi nó được thải vào các con sông hay biển. Sự ô nhiễm do các hoạt động công nghiệp và nông nghiệp càng ngày càng tăng dẫn đến một nhu cầu lớn hơn về các quá trình loại bỏ các chất gây ô nhiễm đặc biệt, như là các hợp chất nitrogen và phosphore, các kim loại nặng và các hợp chất chlorine. Các phương pháp mới bao gồm các quá trình hiếu khí, kị khí và hoá- lý trong các hệ thống lọc cố định (fixed-bed filters) trong các bể phản ứng sinh học (bioreactors) mà ở đó các vật liệu và các vi sinh vật được lưu giữ trong dạng dịch huyền phù. Các chi phí xử lý nước thải có thể được giảm bởi sự chuyển hoá các chất thải thành các sản phẩm hữu ích. Ví dụ, các kim loại nặng và các hợp chất sulphur có thể được loại bỏ từ các các dòng chất thải của công nghiệp mạ kền bởi các vi khuẩn đồng hoá sulphur và tái sử dụng. Một ví dụ khác là sản xuất thức ăn động vật từ sinh khối nấm mà còn lại sau khi sản xuất penicillin. Hầu hết các hệ thống xử lý nước thải kị khí sản xuất khí sinh học (biogas) có ích. 2.1.2. Nước uống: Một phương diện rất quan trọng của công nghệ sinh học là tiềm năng của nó trong việc phục hồi và tinh sạch nước thải cho sự tái sử dụng. Sự quan tâm của cộng đồng về chất lượng nước uống cũng tăng lên. Không chỉ nước cần được quay vòng trong sự phát triển của việc sử dụng bền vững các nguồn tài nguyên mà chất lượng toàn diện cũng phải được cải thiện để thoả mãn người tiêu dùng. Trong nhiều vùng nông nghiệp trên thế giới, chất thải động vật và phân bón dư thừa dẫn đến nồng độ cao của nitrate trong nước uống. Công nghệ sinh học đã cung cấp các phương pháp thành công mà trong đó các hợp chất này có thể được loại bỏ khỏi nước đã được sử dụng trước khi nó được phân phối đến người tiêu dùng. 2.1.3. Không khí và khí thải: Ban đầu, các hệ thống xử lý khí thải công nghiệp đã được dựa trên các bộ phận lọc rẻ tiền được chứa đầy phân hữu cơ (compost) mà đã loại bỏ được các mùi. Các hệ thống như thế vẫn tồn tại. Tuy nhiên, tốc độ thực hiện chậm và thời hạn sử dụng của các bộ phận lọc là ngắn đã đưa các nghiên cứu tìm ra các phương pháp tốt hơn như là bioscrubbers mà trong đó các chất gây ô nhiễm được rữa sạch bằng cách sử dụng một dịch huyền phù tế bào và các bộ lọc nhỏ giọt sinh học (biotrickling) mà trong đó chất gây ô nhiễm được phân huỷ bởi các vi sinh vật được cố định trên một giá thể cố định và được cung cấp với một lớp mỏng chất dinh dưỡng lỏng mà nhỏ giọt qua thiết bị. Sự chọn lựa vi sinh vật mà có hiệu quả hơn trong việc đồng hoá các chất gây ô nhiễm cũng đã tạo ra các bộ lọc sinh học làm sạch không khí và khí thải tốt hơn. Ví dụ là một bioscrubber dựa trên hệ thống loại bỏ đồng thời nitrogen và sulphur oxides từ khí ống khói của lò cao mà đã được phát triển như là một lựa chọn cho quá trình nung vôi truyền thống, và sự loại bỏ styrene từ khí thải của các ngành công nghiệp sản xuất polystyrene bởi một bộ lọc sinh học chứa nấm. 2.1.4. Xử lý đất và mặt đất: Cả hai phương pháp in-situ (tại chính vị trí ban đầu của nó) và ex-situ (một nơi nào khác) được khai thác một cách thương mại cho mục đích làm sạch đất và nước ngầm kết hợp. Việc xử lý tại chỗ (in-situ treatment) có thể bao gồm việc bổ sung các vi sinh vật (bioaugmentation), thông khí và/hoặc thêm các sung dịch dinh dưỡng (biostimulation). Việc xử lý khác chỗ phát hiện (ex-situ treatment) liên quan đến việc di chuyển đất và nước ngầm và xử lý nó trên mặt đất. Đất có thể được xử lý như là phân bón hữu cơ (compost), trong các đống đất hay trong các lò phản ứng bùn chuyên dụng. Nuớc ngầm được xử lý trong các lò phản ứng bùn và hoặc được bơm trở lại vào đất hay được tháo vào nước bề mặt. Phục hồi sinh học thường là rẻ hơn phương pháp lý học và các sản phẩm của nó là vô hại nếu quá trình khoáng hoá hoàn toàn xảy ra. Tuy nhiên, hoạt động của nó có thể là tiêu tốn thời gian, chiếm dụng một thời gian dài vốn đầu tư và đất đai. Phục hồi sinh học tại chỗ (in-situ bioremediation) đất nằm dưới các trạm xăng dầu giờ đây đã trở nên phổ biến, nhưng đối với các dung môi chứa clo như là tri- và tetrachloroethylene, việc phục hồi sinh học tại chỗ cũng là có thể. Khả năng ứng dụng việc phục hồi sinh học có thể sẽ phụ thuộc vào các thông số lý học của đất, chủ yếu là các đặc điểm vận chuyển của nó. Phục hồi sinh học sử dụng thực vật được gọi là phytoremediation. Kỹ thuật này hiện nay được sử dụng để loại bỏ các kim loại từ các đất và nước ngầm bị ô nhiễm và tương lai sẽ được ứng dụng cho việc xử lý các chất ô nhiễm khác. Việc sử dụng kết hợp thực vật và vi khuẩn cũng là có thể. Các vi khuẩn cộng sinh với rễ thực vật và phụ thuộc vào các chất được tiết ra bởi rễ cây. Các vi khuẩn vùng rễ (rhizobacteria) như thế, mà số lượng của chúng là lớn hơn nhiều so với số lượng của các vi khuẩn đất khác, có thể được biến đổi di truyền để phá vỡ các chất ô nhiễm. Nghiên cứu đang được tiến hành để kiểm tra giả thuyết này. 2.1.5. Chất thải rắn (Solid waste): các chất thải rắn nội địa là một vấn đề chính trong xã hội tiêu dùng của chúng ta. Việc loại bỏ chúng được theo dõi thường xuyên bởi liên quan đến ô nhiễm nước ngầm và không khí. Tuy nhiên, chúng bao gồm một phần lớn là các chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học. Vì vậy, nguồn được phân biệt là chất thải sinh học có thể được chuyển thành một nguồn tài nguyên có giá trị bởi việc ủ và phân giải kỵ khí. Trong những năm gần đây, quá trình này đã có những bước phát triển đáng ghi nhận về cả thiết kế và điều chỉnh quá trình. Cụ thể là, sự phân giải kị khí các chất thải rắn trong các bể phân giải kị khí tốc độ cao đã đạt được sự chấp nhận ngày càng tăng của công chúng bởi nó cho phép phục hồi một số lượng lớn khí sinh học có giá trị cao cùng với các cặn bã hữu cơ ổn định có chất lượng cao và điều này không làm tăng sự khó chịu cho môi trường. Hơn thế nữa, sự phân giải kỵ khí của các chất thải rắn hỗn hợp đang được tập trung phát triển bởi vì trong tương lai gần, nó có thể là một bước quan trọng trong vòng tuần hoàn của chất thải rắn và là một giải pháp được chọn lựa cho sự phân huỷ rác. 2.2. NGĂN CHẶN (PREVENTION) Càng ngày càng có nhiều nhà máy công nghiệp phát triển các quy trình với khả năng tác động đến môi trường đã được giảm thiểu đáp ứng với lời kêu gọi toàn cầu về sự phát triển của một xã hội bền vững. Có một khuynh hướng rộng khắp về các sản phẩm và các quy trình ít gây hại; cách xa việc xử lý “end- of-pipe” của các dòng thải. Công nghệ sinh học là thích hợp hơn hẳn để đóng góp vào khuynh hướng này trong nhiều trường hợp, cả việc cải thiện các quy trình đang tồn tại và phát triển các quy trình mới. 2.2.1. Cải tiến quy trình: Nhiều quy trình công nghiệp đã được thiết kế sao cho thân thiện hơn với môi trường bởi việc sử dụng các enzymes. Enzymes là những chất xúc tác sinh học mà có hiệu quả cao và có ưu điểm hơn nhiều so với các chất xúc tác không phải là sinh học. Chúng không độc và có thể được phân giải sinh học, hoạt động tốt nhất ở các nhiệt độ vừa phải và trong các điều kiện ôn hoà, và có các phản ứng phụ ít hơn so với các phương pháp truyền thống bởi vì chúng có tính đặc hiệu cao. Các phương pháp sản xuất mà ứng dụng các enzymes nói chung không chỉ là sạch hơn và an toàn hơn so với các phương pháp khác, mà hầu như cũng kinh tế hơn về năng lượng và tiêu dùng tài nguyên. Tuy nhiên, tính đặc hiệu của chúng ngụ ý là thường không dễ dàng tìm thấy enzyme thích hợp cho một ứng dụng cần thiết. Các enzymes đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhiều năm qua. Các kỹ thuật mới và các hướng tiếp cận liên quan đến thiết kế protein và mô hình phân tử đang tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu có thể phát triển các enzyme mong muốn hoạt động được tại các nhiệt độ cao, trong các dung môi không lỏng và dưới dạng các chất rắn. 2.2.2. Đổi mới sản phẩm (Product innovation): Công nghệ sinh học cũng có thể giúp cho việc sản xuất các sản phẩm mới mà ít tác động đến môi trường hơn là các tiền nhiệm của chúng. Việc sản xuất các vật liệu sinh học mới như là nhựa sinh học tránh việc sử dụng các nguồn tài nguyên không thể tái tạo được như các năng lượng hoá thạch. Khoai tây bình thường chứa 80% amylopectin nhưng cũng chứa khoảng 20% amylose mà không được mong muốn trong nhiều ứng dụng. Để phân lập amylopectin tinh khiết, một lượng lớn nước và năng lượng được tiêu thụ. Một công ty Hà Lan đã phát triển một giống khoai tây được biến đổi di truyền mà không chứa amylose và vì vậy có thể có quy trình hoạt động với ít tác động đến môi trường hơn. Việc sử dụng các giống thực vật được biến đổi gen mà có khả năng kháng côn trùng và/hoặc dịch bệnh có thể được hạn chế đáng kể việc sử dụng thuốc trừ sâu mà không chỉ ngăn chặn việc sử dụng các vật liệu thô hầu như không thể tái tạo được, năng lượng và nhu cầu lao động cho việc sản xuất chúng, mà cũng sẽ làm giảm các tác động có hại của việc