Mycelium cố định là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Mycelium và vai trò sinh học

Mycelium là phần sinh dưỡng của nấm, tồn tại dưới dạng mạng lưới sợi mảnh gọi là hyphae. Những sợi hyphae này phát triển lan rộng trong đất, gỗ, hoặc bất kỳ môi trường giàu chất hữu cơ nào mà nấm có thể khai thác để sinh trưởng. Về mặt hình thái, mycelium không dễ nhận biết bằng mắt thường như quả thể (thường thấy là tai nấm), nhưng nó chính là phần quan trọng nhất, giúp nấm thực hiện quá trình phân hủy và hấp thụ dinh dưỡng từ môi trường xung quanh.

Trong hệ sinh thái tự nhiên, mycelium đóng vai trò không thể thay thế trong việc phân giải vật liệu hữu cơ như lá cây mục, gỗ chết, xác động vật. Quá trình này giúp chuyển đổi các chất hữu cơ phức tạp thành dạng dinh dưỡng dễ hấp thụ, duy trì chu trình tuần hoàn chất trong tự nhiên. Ngoài ra, mycelium cũng có khả năng tiết enzyme ngoại bào để phá vỡ cấu trúc cellulose, lignin và protein trong vật liệu sinh học.

Không chỉ giới hạn ở việc phân hủy, nhiều loài nấm còn thiết lập mối quan hệ cộng sinh với rễ cây gọi là nấm rễ (mycorrhiza). Mycelium trong mối quan hệ này hoạt động như một mạng lưới kết nối cây với môi trường, giúp cây hấp thụ nước và khoáng chất như phosphat, nitrat hiệu quả hơn. Đổi lại, cây cung cấp đường và carbon cho nấm. Mạng lưới cộng sinh này được mô tả như một “internet ngầm” trong rừng.

Xem thêm tại NCBI - The fungal mycelium as a complex adaptive system.

Định nghĩa Mycelium cố định

Mycelium cố định (immobilized mycelium) là cấu trúc sợi nấm được giữ ổn định về mặt vị trí và không gian trong một môi trường cụ thể, thường là nhờ vào giá thể rắn hoặc lớp màng gel. Khác với mycelium tự do trong dung dịch, mycelium cố định không di chuyển hoặc phát triển tự do, mà bị giới hạn trong một hệ thống thiết kế sẵn, phục vụ các mục đích nghiên cứu, công nghiệp hoặc môi trường.

Việc cố định giúp kiểm soát chặt chẽ các điều kiện xung quanh như pH, nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, và mức độ tiếp xúc với cơ chất. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng sinh học cần độ chính xác cao như sản xuất enzyme, xử lý chất thải, hoặc phát triển vật liệu sinh học. Hơn nữa, mycelium cố định có khả năng tái sử dụng và kéo dài thời gian hoạt động sinh học hơn so với dạng tự do.

Một số lợi ích chính của việc cố định mycelium bao gồm:

• Tăng độ ổn định cấu trúc và khả năng chịu lực
• Giảm nguy cơ nhiễm khuẩn trong hệ thống nuôi cấy
• Dễ dàng thu hồi sau quá trình xử lý
• Khả năng hoạt động liên tục trong hệ thống dòng chảy (bioreactor)

Các phương pháp cố định Mycelium

Có nhiều kỹ thuật khác nhau để cố định mycelium, tùy thuộc vào mục đích sử dụng và đặc điểm sinh học của loài nấm. Các phương pháp thường dùng được phân thành ba nhóm chính: cố định vật lý, cố định hóa học và cố định sinh học. Mỗi nhóm lại bao gồm nhiều kỹ thuật cụ thể.

Các kỹ thuật vật lý thường áp dụng bao gồm:

• Đóng gói trong gel alginate: Sử dụng alginate từ tảo nâu để tạo viên gel chứa mycelium, thường phối hợp với ion Ca²⁺ để làm đông đặc.
• Cố định trên giá thể rắn: Dùng vật liệu như polyurethane, than hoạt tính, hoặc sợi thủy tinh để làm giá thể cho mycelium phát triển bám dính.
• Vi nang hóa: Bao phủ mycelium bằng lớp vỏ polymer bán thấm như chitosan, giúp bảo vệ và kiểm soát trao đổi chất với môi trường.

Bảng dưới đây tóm tắt một số phương pháp cố định phổ biến:

Phương pháp	Nguyên liệu	Ưu điểm	Nhược điểm
Gel alginate	Alginate, CaCl2	Dễ thực hiện, thân thiện sinh học	Khó kiểm soát hình dạng gel
Giá thể rắn	Sợi thủy tinh, polyurethane	Ổn định cơ học cao	Khó vô trùng
Vi nang hóa	Chitosan, alginate	Bảo vệ tốt, điều tiết trao đổi	Chi phí cao

Ứng dụng trong xử lý sinh học (Bioremediation)

Trong lĩnh vực xử lý môi trường, mycelium cố định được sử dụng để phân giải các chất ô nhiễm như hydrocarbon (dầu mỏ, polycyclic aromatic hydrocarbons), kim loại nặng (cadmium, lead), thuốc trừ sâu, và thuốc kháng sinh tồn dư. Nhờ khả năng tiết enzyme phân giải cao và chịu đựng môi trường khắc nghiệt, mycelium cố định có thể hoạt động hiệu quả trong các hệ thống xử lý sinh học quy mô lớn.

Ví dụ, các enzyme như peroxidase và laccase từ nấm trắng mục gỗ (white-rot fungi) có thể oxy hóa và phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải. Khi được cố định trong vật liệu bền như polyurethane hoặc alginate, khả năng hoạt động và tái sử dụng của mycelium được cải thiện rõ rệt, giảm chi phí vận hành.

Một số mô hình xử lý sử dụng mycelium cố định:

• Bể lọc sinh học tầng cố định
• Cột phản ứng dòng chảy liên tục
• Thiết bị lọc biochar – mycelium kết hợp

So với vi khuẩn hoặc vi tảo, mycelium có lợi thế trong việc phân hủy các hợp chất bền vững, đặc biệt là những hợp chất vòng thơm có liên kết mạnh. Cố định mycelium giúp duy trì hoạt tính enzyme ở mức cao, ngay cả trong điều kiện thiếu dinh dưỡng hoặc độc tính cao.

Xem thêm nghiên cứu: ScienceDirect - Immobilized fungal systems for environmental remediation.

Sản xuất enzyme và hợp chất sinh học

Mycelium cố định là một hệ thống sinh học hiệu quả để sản xuất enzyme ngoại bào với độ tinh sạch và năng suất cao. Trong môi trường cố định, sợi nấm không bị phân rã nhanh chóng như trong môi trường lỏng tự do, từ đó kéo dài chu kỳ sản xuất enzyme và giảm nguy cơ nhiễm vi sinh vật không mong muốn.

Các loại enzyme được sản xuất phổ biến thông qua mycelium cố định bao gồm:

• Laccase: phân giải lignin và các hợp chất phenolic, ứng dụng trong xử lý thuốc nhuộm, khử độc rượu và công nghiệp giấy.
• Cellulase: thủy phân cellulose thành glucose, quan trọng trong công nghệ sinh khối và sản xuất bioethanol.
• Protease: phân giải protein, được dùng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và da thuộc.

Việc sử dụng các vật liệu cố định như chitosan, alginate, hoặc sợi nano polymer không chỉ bảo vệ mycelium khỏi stress môi trường mà còn cho phép dòng cơ chất khuếch tán hiệu quả, tối ưu hóa năng suất enzyme. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng mycelium cố định có thể giữ được 70–90% hoạt tính enzyme sau nhiều chu kỳ sản xuất liên tiếp.

Ví dụ cụ thể: trong một nghiên cứu sử dụng Trametes versicolor cố định bằng gel alginate để sản xuất laccase, hàm lượng enzyme thu được cao gấp 3 lần so với dạng tự do, đồng thời enzyme giữ được 85% hoạt tính sau 5 chu kỳ tái sử dụng.

Mycelium cố định trong vật liệu sinh học

Beyond enzyme production, fixed mycelium is increasingly used as a sustainable biological material. Khi được nuôi cấy trong khuôn cố định và kết hợp với chất nền như mùn cưa, bã cà phê hoặc bã nông sản, sợi nấm phát triển thành các khối vật liệu bền, nhẹ, có tính cách nhiệt, cách âm và phân hủy sinh học.

Mycelium trở thành thành phần quan trọng trong phát triển vật liệu mới thay thế nhựa hoặc bọt xốp. Sau đây là một số ứng dụng nổi bật:

• Vật liệu đóng gói thay thế polystyrene (sản phẩm của Ecovative Design)
• Panel cách âm và cách nhiệt trong xây dựng
• Da sinh học (mycelium leather) cho ngành thời trang
• Nền tảng composite sinh học cho thiết bị điện tử

Một ví dụ điển hình là quy trình tạo “da nấm”: mycelium được cố định trong môi trường giàu lignocellulose, được kiểm soát độ ẩm, pH và CO₂, sau 7–10 ngày hình thành một lớp màng dày và dai, có thể xử lý thêm bằng tannin và dầu thực vật để tạo độ bền và dẻo.

Thông tin chi tiết: Nature - Fungal mycelium-based composites.

Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến mycelium cố định

Hiệu suất của hệ thống mycelium cố định phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường. Trong môi trường vi mô được tạo bởi lớp gel hoặc vật liệu cố định, các chỉ số như nồng độ oxy hòa tan, độ pH và gradient dinh dưỡng có thể thay đổi đáng kể so với môi trường xung quanh.

Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động:

Yếu tố	Ảnh hưởng
Nhiệt độ	Quá thấp gây giảm tăng trưởng, quá cao làm biến tính enzyme
pH	Ảnh hưởng đến cấu trúc enzyme và tính thấm của màng
Hàm lượng oxy	Thiếu oxy làm giảm hô hấp và sản xuất enzyme
Dòng cơ chất	Ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán và sinh trưởng

Việc mô hình hóa quá trình tăng trưởng và sản xuất enzyme thường sử dụng phương trình Monod hoặc mô hình Michaelis-Menten. Ví dụ:

$\mu = \mu_{max} \cdot \frac{S}{K_s + S}$

Trong đó, $\mu$ là tốc độ tăng trưởng, $S$ là nồng độ cơ chất, $\mu_{max}$ là tốc độ tối đa và $K_s$ là hằng số bán bão hòa.

So sánh với mycelium tự do

Mycelium tự do (free-floating) có khả năng phát triển nhanh và dễ thích nghi với môi trường lỏng, tuy nhiên dễ bị rửa trôi hoặc nhiễm khuẩn khi vận hành hệ thống sinh học quy mô lớn. Ngược lại, mycelium cố định ổn định hơn về mặt cấu trúc và dễ kiểm soát.

So sánh nhanh giữa hai dạng:

Tiêu chí	Mycelium tự do	Mycelium cố định
Khả năng tăng trưởng	Cao	Trung bình – phụ thuộc vật liệu cố định
Độ ổn định	Thấp	Cao
Dễ thu hồi	Khó	Dễ
Khả năng tái sử dụng	Thấp	Cao

Tuy nhiên, một số giới hạn của hệ thống cố định cần được lưu ý như: giới hạn không gian phát triển, nguy cơ bít tắc, khó xử lý sinh khối sau khi suy thoái.

Tiềm năng nghiên cứu và phát triển

Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc nâng cao hiệu quả cố định bằng cách sử dụng vật liệu nano, composite sinh học, hoặc kỹ thuật in sinh học 3D để tạo cấu trúc mycelium theo thiết kế mong muốn. Đồng thời, việc kết hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy vào mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình nuôi cấy mycelium đang mở ra nhiều triển vọng mới.

Hướng phát triển đang được quan tâm bao gồm:

1. Thiết kế phản ứng sinh học vi mô cho mycelium cố định
2. Phối hợp enzyme nấm – vi khuẩn cố định để xử lý đồng thời nhiều loại chất thải
3. Ứng dụng trong y sinh như scaffold mô mềm, vật liệu tái tạo mô
4. Phát triển vật liệu mycelium điện dẫn (conductive bio-materials)

Mycelium cố định không chỉ là một công cụ sinh học mà còn là một nền tảng đa chức năng cho các ngành công nghiệp tương lai, kết hợp giữa công nghệ sinh học, vật liệu và tự động hóa.

Tài liệu tham khảo

1. Leitão, A.L., et al. (2019). "Fungal Bioremediation – Fundamentals and Applications." Critical Reviews in Environmental Science and Technology. DOI link
2. Jones, M. et al. (2020). "Mycelium composites: A review of engineering characteristics and growth kinetics." Materials & Design. DOI link
3. Zhou, M. et al. (2019). "Immobilized Fungal Enzymes for Industrial Applications." Biotechnology Advances. DOI link
4. Akhtar, N., & Mannan, M.A. (2020). "Fungal Biofilms in Bioremediation: Recent Advances and Future Prospects." Journal of Hazardous Materials. DOI link
5. Attias, N., et al. (2020). "Biological performance of mycelium-based composites for biomedical applications." Scientific Reports. Nature link