Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm

Việc kiểm tra chất lượng vi sinh vật học và xử lý để loại bỏ vi sinhvật trong nước để uống sẽ được đề cập ở chương 16 và không thuộc về các khái niệmsinh học ở mục 12.3.2 và phục hồi sin

Một số khái niệm căn bản về

xử lý sinh học môi trường ô

nhiễm

Bởi:

Ngô Tự Thành

Môi trường

Môi trường (enviroment), theo định nghĩa khái quát nhất, là tổng thể của các yếu tố tự

nhiên và nhân tạo xung quanh một cá thể (người, động vật, thực vật, vi sinh vật), hoặcxung quanh các cá thể nào đó của một loài Các yếu tố ấy có quan hệ mật thiết với nhau

và có ảnh hưởng tới đời sống , sự tồn tại và phát triển của từng cá thể và từng loài nóitrên

Nói một cách khác, môi trường là tổng thể các yếu tố vô sinh và hữu sinh bao quanh mỗi

cá thể hoặc mỗi loài sinh vật, và có sự ảnh hưởng tới sự tồn tại và phát triển của chúng

Trong những hoàn cảnh cụ thể nào đó, ví dụ khi nói về sự ô nhiễm môi trường, người

ta thường có ý nói về môI trường bao quanh con người , hay môi trường sống của conngười Tất nhiên, như thế không có nghĩa là trong môI trường ấy không có các loài khác

Trong khuôn khổ của môn học này, chúng ta không đề cập tới những khái niệm haynhững định nghĩa rộng hơn về môi trường sống của con người trong đó bao hàm cả cácyếu tố xã hội, hay còn gọi là môi trường xã hội – tức tổng thể các mối quan hệ giữa conngười với nhau Chúng ta chỉ thảo luận về môi trường sống tự nhiên của con người, haymôi trường sống, hay môi trường gồm các yếu tố tự nhiên và nhân tạo, như ở trên đã đềcập

Cần lưu ý rằng chúng ta nêu ra khái niệm “môi trường tự nhiên” ở đây chỉ nhằm không

đề cập tới “môi trường xã hội”, chứ không nhằm đối lập nó với “ môi trường nhân tạo”bao gồm các yêu tố do con người tạo nên

Theo nghĩa khái quát nhất, khi nói tới môi trường (environment) là nói tới môi trườngcủa ai hay của cái gì?

Các yếu tố của môi trường có thể được xếp thành những nhóm nào?

Sự ô nhiễm môi trường

Theo quan niệm thông thường, ô nhiễm môi trường là sự thay đổi các tính chất tự nhiên(về sinh học, vật lý và hóa học) của môi trường, mà sự thay đổi ấy thường có hại chosức khỏe và hoạt động của con người cũng như có hại cho các loài sinh vật Sự thay đổitính chất hóa học của môi trường có thể được biểu hiện bằng sự xuất hiện hay gia tăngcủa một hay nhiều chất độc hại được gọi là chất gây ô nhiễm (pollutant) và những biểuhiện khác nữa

Vẫn theo quan niệm này, các nhà quản lý môi trường còn có ý nói thêm rằng ô nhiễmmôi trường là sự thay đổi môi trường khiến cho các chỉ số về môi trường có thể vượtquá những tiêu chuẩn môi trường được quy định bởi mỗi quốc gia

Theo quan niệm sinh thái học, môi trường gồm các kho vật chất có kích thước (lượng

vật chất) nhất định của mỗi nguyên tố hóa học; và sự ô nhiễm môi trường là sự mất khả

năng tự điều chỉnh kích thước của các kho ấy Ví dụ, nguyên tố cacbon được chứa trongrất nhiều kho như kho CO2và rất nhiều kho chất hữu cơ và vô cơ ; hiện nay kho CO2đãvượt quá rất nhiều so với kích thước vốn có của nó trong nhiều thế kỷ trước đây, và vẫngia tăng không ngừng, tức là mất đi khả năng tự điều chỉnh về mức cũ; đó chỉ là mộtbiểu hiện của sự ô nhiễm môi trường theo quan điểm sinh thái học

Riêng môi trường nước có một phần đặc biệt là các nguồn nước để uống (potable water)

Vì nước để uống có liên quan chặt chẽ với đời sống và sức khỏe của con người nênchúng ta quan tâm hơn trước hết đến sự ô nhiễm do vi sinh vật tức là đến chât lượng visinh vật học của nó Việc kiểm tra chất lượng vi sinh vật học và xử lý để loại bỏ vi sinhvật trong nước để uống sẽ được đề cập ở chương 16 và không thuộc về các khái niệmsinh học ở mục 12.3.2 và phục hồi sinh học ở mục 12.3.3

Sự ô nhiễm môi trường có thể do các nguyên nhân tự nhiên ( hoạt động của núi lửa, độngđất, bão, lụt, v v ) hoặc do các hoạt động của con người (công nghiệp, nông nghiệp,giao thông, v v ) Tuy nhiên, nguyên nhân do con người ngày càng được lưu ý, nhấnmạnh, bởi vì những hoạt động của con người dẫn đến sự ô nhiễm môi trường là điềungày càng hiển nhiên và trầm trọng khiến chúng ta không thể không hành động ngay đểcứu lấy Trái đất – môi trường sống, ngôi nhà chung của mọi chúng ta và của các thế hệmai sau Ngoài ra, về mặt ý thức, chúng ta cần nhận thức rằng sự ô nhiễm môi trường-như trên đã nói là do lỗi của con người chúng ta, do đó chúng ta cần nhấn mạnh để tìmcách hạn chế và khắc phục

Có những cách hiểu như thế nào về sự ô nhiễm môi trường

Có sự giống nhau và khác nhau nào giữa các quan niệm ấy?

Kho vật chất của mỗi nguyên tố hóa học là gì?

Nguyên nhân của sự ô nhiễm môi trường?

Chất gây ô nhiễm là gì?

Phân hủy sinh học, xử lý sinh học, và phục hồi sinh học

Phân hủy sinh học

Có nhiều cách hiểu về sự phân hủy sinh học (biodegradation):

• Đó là sự chuyển hóa một chất hữu cơ, chủ yếu bởi vi sinh vật, thành các sảnphẩm cuối cùng ở dạng vô cơ

• Đó là sự phân hủy hóa học đối với một chất hữu cơ, chủ yếu bởi vì sinh vậthoặc các enzym của chúng

Trong tự nhiên, sự phân hủy sinh học gần như là một trong hai phần đối lập nhau của sựtuần hoàn vật chất, phần kia là sự tổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô cơ (Xem mục1.4 và chương 7)

Đối với đời sống và sản xuất của con người, tùy theo quá trình phân hủy sinh học cụ thểnào mà nó có thể là có lợi (phân hủy các phân tử phức tạp thành các sản phẩm của côngnghiệp lên men như rượu, axit hữu cơ v.v.), hay có hại (phân hủy nguyên vật liệu nhưgiấy, vải, sơn v.v.)

Mọi cơ thể sống đều cần phải và có khả năng sử dụng tức là chuyển hóa các chất dinhdưỡng mà chúng hấp thu thành vật chất (sinh khối) và năng lượng của mình Tuy nhiên,

kỳ lạ thay, chỉ một số vi sinh vật có khả năng sử dụng cả những nguồn dinh dưỡng vànăng lượng là các chất hữu cơ tổng hợp vốn xa lạ với sự sống theo nghĩa sinh học (cácxenobiotic), và thường rất độc hại với mọi sinh vật, cũng như sử dụng được cả nhữnghydrocacbon của dầu mỏ không có chút giá trị dinh dưỡng nào đối với con người Chínhnhững vi sinh vật kỳ diệu như vậy đang là cứu cánh của con người để xử lý môi trường

ô nhiễm bởi các chất độc hại (xem chuyên mục bạn có biết? Bạn nghĩ gì? )

Tuy nhiên, đừng quên rằng các chất hữu cơ tự nhiên (thông thường, không độc hại) nhưcellulose, đường, protein v.v., nếu vượt quá ngưỡng nồng độ nào đó trong môi trường thìcũng gây ô nhiễm theo nghĩa làm biến đổi tính chất của môi trường theo hướng khôngmong muốn Những chất như vậy thì được phân hủy, “xử lý” bởi rất nhiều loài vi sinhvật thông thường

Bởi vậy, trong lĩnh vực xử lý môi trường ô nhiễm, người ta muốn vi sinh vật thực hiệnphân hủy sinh học để phân hủy các chất gây ô nhiễm độc hại trong môi trường thành

những chất không độc ại hoặc ít độc hại hơn, hoặc giảm nồng độ của chúng xuống tớimức an toàn Tuy vậy, kết quả không phải bao giờ cũng như ý muốn: sự phân hủy sinhhọc có thể chuyển hóa một chất không độc thành chất độc, hoặc một chất độc thành chấtđộc hơn.

“Bạn có biết? Bạn nghĩ gì?CÓ CẦN NHỚ ĐẾN CÁC SINH VẬT TỪ NGOÀI HÀNHTINH?” “Theo các tiểu thuyết hư cấu về khoa học, những sinh vật đến từ ngoài hànhtinh có cấu trúc hóa học hoàn toàn khác chúng ta, và chúng có thể ăn, uống, hít thởnhững chất mà chúng ta không thể hấp thụ ” “Như vậy, những cơ thể xa lạ này là vô giánếu chúng giúp chúng ta làm sạch (loại trừ) những chất gây ô nhiễm hành tinh này nhưdầu thô, xăng, thủy ngân…, tất cả đều độc hại đối với cây cối, động vật và con người.”

“May thay, chúng ta không cần chờ đợi sự viếng thăm của những cơ thể chỉ có trongtrí tưởng tượng ấy, mà vẫn có thể giải quyết được vấn đề của mình, nhờ những cơ thểsống có thực ngay quanh ta: mặc dù nhiều vi sinh vật có nhu cầu dinh dưỡng giống nhưcon người (nên chúng mới “ăn vụng” và làm hỏng thực phẩm của chúng ta!), nhưng cónhững vi sinh vật khác lại chuyển hóa được những chất mà chỉ có thể là các “món ăn”của các cơ thể giả tưởng! Trên đây, như các kim loại nặng, lưu huỳnh, nitơ dạng khí,dầu thô, thậm chí cả polyclorinat biphenyls (PCBs) và thủy ngân Bằng chứng rất thuyếtphục về sự “giúp đỡ con người” của những vi sinh vật kỳ diệu ấy là việc xử lý thànhcông môi trường rộng lớn bị ô nhiễm bởi vụ tràn dầu Exxon Valdez (xem chuyên mụcBạn có biết? Bạn nghĩ gì? Trang…)”

Về mặt hóa học, sự phân hủy sinh học có thể diễn ra ở một, hai, hay cả ba mức độ sauđây, tùy theo bản chất của chất bị phân hủy, tùy theo điều kiện môi trường và vi sinh vậtthực hiện:

• Một sự thay đổi rất nhỏ trong phân tử hữu cơ, qua đó cấu trúc chủ yếu của phân

tử ấy không thay đổi

• Một sự phân hủy triệt để hơn phân tử hữu cơ phức hợp sao cho những phần nhỏhơn được tạo ra lại có thể kết hợp với nhau để tái tạo cấu trúc ban đầu

• Một sự vô cơ hóa hoàn toàn các phân tử hữu cơ, nghĩa là tạo thành các phân tử

vô cơ

Nếu xét một chất hữu cơ cụ thể thì nó có thể thuộc về một trong ba nhóm sau đây:

• Có khả năng bị phân hủy sinh học (biodegradable), nghĩa là chịu sự chuyển

hóa sinh học

• Bền vững (persistent), nghĩa là không bị phân hủy sinh học trong một số môi

trường nào đó

• Rất bền vững (recalcitrant), nếu chất ấy không bị phân hủy sinh học trong rất

nhiều môi trường khác nhau

Ở một góc độ khác nữa, bản chất các thuật ngữ có khả năng bị phân hủy sinh học(biodegradabbe) và sự phân hủy sinh học (biodegradation) không hàm ý chỉ bất kỳ mộtmức độ phân hủy nào Sự chuyển hóa có thể bao gồm một hay nhiều phản ứng, vàhiệu ứng của sự chuyển hóa ấy có thể là nhỏ hay lớn Do vậy chúng ta có một kháiniệm nữa, chỉ bất kỳ mức độ nào của sự phân hủy sinh học: sự chuyển hóa sinh học(biotransformation) - là một quá trình do vi sinh vật thực hiện, trong đó hợp chất banđầu được chuyển thành các sản phẩm thứ cấp hoặc trung gian Cùng đó sự phân hủysinh học có thể xảy ra ở nhiều mức độ khác nhau nên chúng ta còn có thể phân biệt:

• Sự phân hủy sinh học sơ bộ (primary biodegradation) thường được hiểu là sựthay đổi do một phản ứng riêng lẻ gây ra, trong khi đó

• Sự phân hủy sinh học một phần (partial biodegradation) chỉ một sự thay đổinhiều hơn về hóa học

Tuy nhiên, theo cách nói thông thường, khi nói rằng một chất có khả năng bị phân

hủy sinh học thì người ta muốn nói rằng nó có thể bị vô cơ hóa Sự vô cơ hóa (mineralization) là sự phân hủy triệt để (hoàn toàn) thành các sản phẩm cuối cùng như

CO2, H2O và các chất vô cơ khác Nói chung các chất này là vô hại, bởi vậy phân hủysinh học được con người khai thác, tận dụng và tăng cường để dùng cho các quá trình

xử lý sinh học và phục hồi sinh học Nói cách khác, phân hủy sinh học là tiên đề, là cơ

sở của xử lý sinh học và phục hồi sinh học

Hiểu thế nào là sự phân hủy sinh học (biodegration), theo nghĩa rộng nhất và theo nghĩathông thường?

Có nghĩa nào của thuật ngữ đó riêng cho lĩnh vự xử lý môi trường ô nhiễm không?

Dưới góc độ về sự phân hủy sinh học thì hiểu thế nào là các nguồn vật chất (hoặc dinhdưỡng) và năng lượng “thông thường” và “không thông thường”? Kể ra một vài ví dụcho mỗi nhóm ấy

Vì sao có thể sử dụng một số vi sinh vật để xử lý môi trường ô nhiễm các chất rất độchại?

Có thể nói gì về hóa học của sự phân hủy sinh học?

Có thể nói gì về khả năng bị phân hủy sinh học của một chất nói chung?

Vì sao sự phân hủy sinh học là tiền đề, là cơ sở của xử lý sinh học và phục hồi sinh học?

Xử lý sinh học

Trước hết, hãy bàn về khái niệm xử lý (treatment) trong khuôn khổ môn học này Chúng

ta thường nói tới việc xử lý môi trường (thực ra là xử lý môi trường ô nhiễm), mà ít diễn

đạt đúng mức rằng thực ra đó là việc xử lý đối với chất gây ô nhiễm trong môi trường

đó Việc xử lý chất gây ô nhiễm ấy có thể là một xử lý không sinh học (non-biological treatment) như thiêu đốt, hấp phụ (adsorption),v.v đối với vậy liệu chứa chất gây ô

nhiễm hay chính chất gây ô nhiễm; hoặc đó có thể là một xử lý sinh học (biological

treatment) Trong khuôn khổ của giáo trình này thì chúng ta chủ yếu đề cập đến xử lý

sinh học

Bây giờ, chúng ta cần nhận thức rằng xử lý sinh học phải dựa trên cơ sở của sự phân

hủy sinh học: sự phân hủy sinh học vẫn thường xảy ra trong tự nhiên, ở mọi lúc nào và

mọi nơi nào có đủ điều kiện cho nó xảy ra, nhưng rất chậm Còn trong các quá trình xử

lý sinh học, người ta tăng cường sự phân hủy sinh học bằng cách tạo điều kiện thuậnlợi nhất đến mức có thể cho vi sinh vật, để chúng sinh trưởng và phân hủy chất gây ônhiễm

Tiếp theo, cần phân biệt hai khái niệm rất gần nhau và do đó rất hay được dung lẫn chonhau, nhưng thực ra vẫn có sự khác nhau: xử lý sinh hoc và phục hồi sinh học Sự phânbiệt này sẽ được đề cấp ở mục 12.3.3 ngay dưới đây

Thực chất của xử lý môi trường là gì xử lý môi trường là xử lý cái gì trong môi trườngấy?

Hãy tự tìm hiểu hoặc suy luận để biết sơ qua nguyên lý của các xử lý không sinh học,

và từ đó trình bày vắn tắt sự khác nhau về nguyên lý giữa các xử lý không sinh học với

Có một số cách hiểu về phục hồi sinh học:

• Trong phạm vi môn học này thì: Phục hồi sinh học (bioremediation) là quátrình tạo điều kiện cho vi sinh vật chúng phân hủy nhanh các chất gây ô nhiễmhữu cơ độc hại trong môi trường để trả môi trường ô nhiễm ấy về trạng thái antoàn.

• Theo một cách hiểu rộng rãi hơn thì: Phục hồi sinh học là một quá trình tự pháthoặc có điều khiển, trong đó xảy ra sự phân hủy sinh học (nhất là vi sinh vậthọc) đối với các chất gây ô nhiễm và do đó làm giảm bớt hoặc loại bỏ sự ônhiễm môi trường Sự tự làm sạch của các dòng sông hay suối bị ô nhiễm nhẹ

là những ví dụ về sự phục hồi sinh học tự phát; tuy nhiên đó không phải là chủ

đề chính của phần III Chủ đề chính ở đây là các quá trình phục hồi sinh học cókiểm soát

• Gần đây khái niệm phục hồi sinh học được mở rộng, bao gồm cả các quá trìnhsinh học kể cả của thực vật, làm kết tủa hoặc cố định các chất gây ô nhiễm vô

cơ, ví dụ các kim loại nặng Cách hiểu mở rộng này không thuộc khái niệm đãnêu trên đây, nhưng sẽ được đề cập vắn tắt trong một phần về sau

Sự phân hủy các chất gây ô nhiễm hữu cơ nhờ vi sinh vật là một quá trình xảy ra trong

tự nhiên và bị giới hạn bởi các điều kiện vật lý, hóa học và môi trường Những ví dụ vềcác điều kiện giới hạn ấy là: cấu trúc phân tử của chất gây ô nhiễm và tính đề kháng của

nó đối với sự phân hủy sinh học, thiếu sự tiếp xúc giữa các chất gây ô nhiễm với chủng

vi sinh vật phân hủy, sự có mặt của chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy chất gây

ô nhiễm, và những điều kiện môi trường thích hợp cho vi sinh vật Trong các hệ thốngphục hồi sinh học, những điều kiện giới hạn sự phân hủy sinh học được cải biến đi, vàhoạt động phân hủy của vi sinh vật được nâng cao, chẳng hạn như bằng việc hiệu chỉnhmột vài nhân tố môi trường vốn giới hạn hoạt tính sinh học

Việc tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật (cũng gọi là kích thích chúng) bao gồm sự

bổ sung hoặc cung cấp các chất dinh dưỡng, các chất cho điện tử, và chất nhân điện tửcuối cùng, hoặc kết hợp các việc ấy, cũng như tạo các điều kiện thuận lợi khác (về pH,nhiệt độ v.v.) để tăng cường sinh trưởng, tăng cường sự phân hủy sinh học và sự chuyểnhóa sinh học

Mục đích cuối cùng của phục hồi sinh học là vô cơ hóa chất gây ô nhiễm, nghĩa làchuyển hóa một hóa chất có hại thành các hợp chất không có hại, như cacbon dioxithoặc một số khí khác, hoặc các chất vô cơ, nước, và vật chất tế bào của vi sinh vật phân

hủy Hầu hết vi sinh vật dùng oxy để oxy hóa và phân hủy sinh học chất hữu cơ (sự phân hủy sinh học hiếu khí); những vi sinh vật khác thì dùng nitrat, sulfat, metan, hoặc các

chất nhận điện tử khác (sự phân hủy sinh học kỵ khí) Trước kia, hầu hết các quá trình

phục hồi sinh học đều dựa vào sự phân hủy sinh học hiếu khí Nguyên nhân là vì nhiềuchất gây ô nhiễm dễ bị phân hủy trong điều kiện hiếu khí, vì phân hủy kỵ khí thườngdiễn ra với tốc độ chậm hơn, và vì việc duy trì các điều kiện kỵ khí trong một quá trìnhphục hồi sinh học có điều khiển là khó hơn so với duy trì điều kiện hiếu khí Các quátrình kỵ kí được dành cho một số nhóm các chất gây ô nhiễm nào dễ bị phân hủy kỵ khí,

ví dụ như các chất clo hóa ở mức độ cao Trong giáo trình này chủ yếu đề cập đến sựphân hủy sinh học hiếu khí vì nó được áp dụng rộng rãi hơn Sự phân hủy sinh học kỵkhí được đề cập ở mức độ hạn chế hơn.

Vi sinh vật tham gia phục hồi sinh học thường là các vi sinh vật bản địa (indigenousmicroorganisms) Tuy nhiên nếu quần thể này không có khả năng phân hủy chất đíchhoặc bị ức chế bởi một yếu tố nào đó trong môi trường thì cần đưa vào đó những vi sinhvật có khả năng trao đổi chất đặc hiệu đối với chất gây ô nhiễm Đó có thể là những visinh vật đã được tuyển lựa hoặc được cải biến di truyền Biện pháp vừa nêu được gọi là

sự tăng cường sinh học(bioaugmentation).

Trong quá trình phục hồi sinh học, các vi sinh vật tham gia có thể thu nhận được cả vậtchất (cacbon) và năng lượng nhờ sự phân hủy các chất gây ô nhiễm hữu cơ Đôi khi sự

phân hủy ấy diễn ra thông qua sự đồng trao đổi chất (cometabolisms, xem mục…) hoặc

nhờ sự nhận điện tử cuối cùng

Phục hồi sinh học có thể diễn ra theo kiểu in situ hoặc ex situ (xem mục 12.7)

Các đối tượng của phục hồi sinh học, hay là các môi trường cần được phục hồi, có thể

là những thực thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí (như đất hoặc rác, nước ngầm hoặc nướcthải, không khí, theo thứ tự) Các công nghệ phục hồi sinh học có rất nhiều kỹ thuậtphương pháp khác nhau để phù hợp với mỗi thực thể môi trường đó, ví dụ: làm đất(landfarming), ủ đống (composting), lọc sinh học (biofiltration) v.v Tất cả các kỹ thuật

đó được chia thành hai nhóm, tùy theo việc vật liệu ô nhiễm không bị rời khỏi vùng ônhiễm để xử lý (xử lý in situ) hay có bị dời đi để xử lý (xử lý ex situ) (xem mục 12.7)

Phục hồi sinh học rất thường được sử dụng để khắc phục sự cố tràn dầu trên biển Một

ví dụ điển hình là việc khắc phục sự cố tràn dầu Exxon Valdez năm 1989

“Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? VI SINH VẬT THAM GIA KHẮC PHỤC ” “SỰ CỐ TRÀNDẦU EXXON VALDEZ” “ Tháng 3 năm 1989, tàu chở dầu Valdez của tập đoàn dầu

mỏ hàng đầu thế giới Exxon bị mắc cạn ở vùng biển Alaska, làm tràn vào nước biển41,5 triệu lít dầu thô Đó là vụ tràn dầu tồi tệ nhất trong lịch sử Hoa Kỳ, gây tác hại đếnhàng trăm kilomet bờ biển, làm chết vô số động vật hoang dã tại đó.” “ Việc khắc phục

sự cố này đã tiêu tốn 2 tỷ đôla Mỹ, đòi hỏi sự phối hợp giữa Cơ quan Bảo về Môi trườngcủa Mỹ (EPA) với Chính quyền bang Alaska và tập đoàn Exxon, đòi hỏi sự tham giatrực tiếp của 10.000 công nhân và rất nhiều không tính xuể …vi sinh vật.” “ Các vi sinhvật bản địa của vùng ô nhiễm, trong đó có Pseudomonas, chuyển hóa dầu thành các sảnphẩm cuối cùng không độc như CO2 và nước Để tăng cường hoạt động của những visinh vật này, người ta bổ sung các chất dinh dưỡng chứa nitơ, photpho, và các nguyên

tố vi lượng vào vùng bờ biển ô nhiễm Việc bổ sung dinh dưỡng này không chỉ tăngcường sinh trưởng của vi sinh vật mà còn tăng cường tốc độ phân hủy dầu và làm sạch

bờ biển.” “ Tác hại lâu dài của vụ tràn dầu này tới vùng biển nơi xảy ra sự cố vẫn còn là

vấn đề gây tranh cãi Thậm chí hơn 10 năm sau đó, một số quần thể động vật và thực vậtvẫn chưa phục hồi hoàn toàn Tuy nhiên, cũng có những dấu hiệu về sự phục hồi đángngạc nhiên của hệ sinh thái ở đây Phần lớn vùng này bây giờ trông giống như trước khixảy ra sự cố, một phần nhờ sự phục hồi sinh học do các vi sinh vật “ăn dầu mỏ” thựchiện.”

Phân tích môi quan hệ giữa ba khái niệm phục hồi sinh học, xử lý sinh học và phân hủysinh học

Phân tích ý kiến cho rằng “phục hồi sinh học” và “xử lý sinh học” chẳng qua chỉ là haicách gọi khác nhau của cùng một quá trình

Phục hồi sinh học có xảy ra trong tự nhiên hay không, vì sao, dẫn chứng ?

Phân tích sự giống và khác nhau giữa ba cách hiểu về phục hồi sinh học đã nêu ở mục12.3.3

Trình bày cụ thể đến mức có thể, con người muốn thực hành phục hồi sinh học thì cầnphải làm những công việc gì ?

Tại sao có trường hợp phục hồi sinh học trong đó người ta đưa các vi sinh vật khôngphải của môi trường cần phục hồi vào môi trường ấy? Đó có thể là những loại vi sinhvật nào ?

Vi sinh vật tham gia phục hồi sinh học là nhằm mục đích gì cho chúng ?

Nếu trong một quá trình phục hồi sinh hoc, vi sinh vật không thể phân hủy một chất đíchthì người ta khắc phục bằng cách nào ?

Thế nào là phục hồi sinh học in situ và ex situ ?

Hãy nói về hoạt động của con người đối với vi sinh vật, trong việc khắc phục sự cố tràndầu Exxon Valdez

Xử lý in situ và ex situ

Trong xử lý in situ đối với một địa điểm ô nhiễm, môi trường ô nhiễm không được đào

bới để mang đến một trạm xử lý, nhằm tránh làm xáo trộn các hoạt động kinh tế, xã hội

… tại nơi đó; đồng thời cũng giảm đáng kể chi phí đào bới và vận chuyển vật liệu bị ônhiễm, chủ yếu là đất Điều đó có nghĩa là người ta sẽ phải cung cấp chất dinh dưỡng(cũng có thể đồng thời là chất cho điện tử) và chất nhận điện tử cuối cùng ( thường làoxy ) vào sâu trong môi trường ô nhiễm (ví dụ đất hoặc nước ngầm), để cho vi sinh vậttại đó có thể sinh trưởng và phân hủy chất gây ô nhiễm

Như vậy, khó khăn lớn nhất về mặt kỹ thuật của xử lý in situ là việc cung cấp oxy vàchất dinh dưỡng vào nơi bị ô nhiễm, thông thường là vào các lớp sâu của đất và vàonước ngầm Mô tả kỹ thuật chi tiết của việc cung cấp này sẽ được đề cập cụ thể ở cácchương sau, trong từng phương pháp cụ thể.

Trái lại, trong xử lý ex situ, vật liệu bị ô nhiễm cần phải được đào bới để mang đến trạm

xử lý Việc làm này đòi hỏi chi phí đáng kể Bù lại, tại trạm xử lý, quá trình xử lý sinhhọc được diễn ra một cách chủ động, có kiểm soát, trong những điều kiện được coi là tối

ưu Bởi thế, xử lý ex situ thường có hiệu quả cao hơn rất nhiều và đòi hỏi thời gian ngắnhơn so với in situ Các phương pháp xử lý ex situ cũng sẽ được mô tả cụ thể ở nhữngchương sau

Xử lý in situ nói chung là phương pháp được ưa dùng nhất để phục hồi cả nước ngầm

ô nhiễm và đất ô nhiễm vì nó không đòi hỏi phải đào bới và vứt bỏ vật liệu bị ô nhiễm.Trong hầu hết các trường hợp, tổng chi phí của quá trình phục hồi là thấp hơn đáng kể

so với nếu phải đào bới xử lý Trong những trường hợp nào đó thì chi phí của in situ có

thể không khác nhiều so với các phương pháp khác, nhưng trong quá trình lựa chọn mộtphương pháp còn phải cân nhắc đến những nhân tố ngoài như chi phí, như …

Tuy nhiên xử lý in situ cũng có những nhược điểm so với phương pháp đào bới và xử

lý trên bề mặt hoặc xử lý bên ngoài và vứt bỏ, đó là khó khăn trong việc cung cấp oxy

và chất dinh dưỡng vào vị trí phản ứng, khó xác định phạm vi vùng xử lý, tốc độ xử lýtương đối chậm, và xu thế lan rộng của vùng ô nhiễm

Xử lý in situ đối với các thủy vực ô nhiễm được tiến hành khác với xử lý đất ở vùng ô

nhiễm không bão hòa, vì ở thủy vực nồng độ oxy và sự vận chuyển oxy là khác Độ hòatan của oxy trong nước là thấp và phụ thuộc vào sự cân bằng với nồng độ oxy cân bằngdưới 8mg/l và hầu hết các túi nước ngầm nông có nồng độ oxy hòa tan từ 4 đến 7mg/l.Phân hủy sinh học hiếu khi là phương pháp chủ yếu để thực hiện phục hồi sinh học, vìnhững nồng độ oxy thấp trong các thủy vực sẽ cản trở nhiều tốc độ và phạm vi của quátrình xử lý, trừ khi oxy hoặc một chất nhận điện tử khác được đưa vào liên tục

Còn về các chất dinh dưỡng, chúng thường có mặt ít hơn so với những nồng độ tỷ lượngđòi hỏi, cả trong các thủy vực cũng như trong các đất ở vùng không bão hòa Trong sốcác chất dinh dưỡng thì nitơ có ảnh hưởng nhiều đến sinh trưởng của vi sinh vật và khảnăng phân hủy chất hữu cơ của chúng Tuy nhiên, độ hòa tan của nitơ, NH4+và NO3-,trong nước là cao, và người ta có thể đưa những chất này vào nước với nồng độ khácao mà không gây ức chế sinh trưởng và hô hấp của vi sinh vật Ngoài ra, nitrat có thểđược đưa vào để vi sinh vật dùng nó như một chất nhận điện tử cũng như dùng làm chấtdinh dưỡng Vì không phải mọi vi sinh vật đất đều có khả năng hô hấp bằng nitrat nênphổ các chất gây ô nhiễm có thể bị phân hủy nhờ sự hô hấp nitrat hẹp hơn nhiều so vớitrường hợp của oxy Hơn nữa, một số phản ứng (ví dụ sự phân hủy các chất thơm đượcxúc tác từ enzym oxygenaza) không thể xảy ra nếu không có oxy phân tử

Sự đồng trao đổi chất

Thông thường, khi vi sinh vật chuyển hoá một chất hữu cơ thì chúng sử dụng chất đólàm nguồn cacbon hoặc nguồn năng lượng Tuy nhiên có những trường hợp vi sinh vậtchuyển hoámột số chất hữu cơ nào đó nhưng không có khả năng sử dụng chất đó làm

cơ chất cho sinh trưởng hoặc làm nguồn năng lượng Khi ấy vi sinh vật cần một cơchất khác làm nguồn cacbon vànăng lượng để sinh trưởng Kiểu trao đổi chất đặc biệt

này đối với một chất không có ích cho sinh trưởng, được gọi là sự đồng trao đổi chất

(cometabolism)

Trong phạm trù về đồng trao đổi chất thì một cơ chất không có ích cho sinh trưởng đượcđịnh nghĩa là một chất hữu cơ không thể được dùng làm nguồn năng lượng hoặc khôngphải là nguồn dinh dưỡng đáng kể cho vi sinh vật đang phân huỷ nó Như vây, trongđồng trao đổi chất, vi sinh vật sử dụng một cơ chất làm nguồn năng lượng sơ cấp, vàchuyển hóa “vô cơ” một chất khác bằng cách dùng các enzym được tổng hợp để phanhuỷ cơ chất sơ cấp

Thuật ngữ đồng trao đổi chất đã gây nhiều tranh cãi giữa các nhà khoa học Một số

người sử dụng thuật ngữ đồng oxy hoá (cooxidation), hoặc sự phân huỷ sinh học “vô

cớ” (gratuituos biodegradation),hoặc trao đổi chất phị(incidental metabolism) Một số

người khác thì dùng thuật ngữ đồng trao đổi chất để chỉ những trường hợp mà cơ chấtkhông có ích cho sinh trưởng được chuyển hoá nếu cơ chất sinh trưởng có mặt Còn nếu

sự chuyển hoá cơ chất không có ích cho sinh trưởng diễn ra không cần sự có mặt của

cơ chất sinh trưởng thì có lẽ nên gọi đó là một sự trao đổi chất ngẫu nhiên (fortuituos

metabolism) Tuy nhiên, thuật ngữ đồng trao đổi chất (cometabolism) đã được dùng phổ

biến hơn cả, kể cả khi cơ chất sinh trưởng có mặt và không có mặt, và đó cũng là cáchdùng trong sách này

Trong thực tiễn, một số chất lạ sinh học (xenobiotiz) quan trọng được chuyển hoá theo

kiểu đồng trao đổi chất, trong đó có dioxin, trichloroeten (trichloroethene,TCE), và cácbiphenyl có nhiều gốc clo hoá (pplychlorinated biphenyls, PCBs) Các hệ thống xử lýtheo kiểu đồng trao đổi chất đối với TCE ở quy mô phòng thí nghiệm đã hoạt động tốt,nhưng ở quy mô lớn thì không ổn định hoặc chưa có tính cạnh tranh so với các kiểu xử

lý khác Đói với dioxin và PCBs thì hiện chưa có các hệ thống xử lý lớn theo nguyên lýđồng trao đổi chất

Màng sinh học

Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu màng sinh học là gì và tầm quan trọng của nó

Trong tự nhiên, ít khi sinh vật sống thành khuẩn lạc thuần khiết riêng rẽ (trong đóchỉ gồm các tế bào của một loài) như chúng ta nhìn thấy trên đĩa thạch của phòng thínghiệm Trái lại, chúng thường sống thành những tập đoàn nhầy, được gọi là màng sinh

học – tại đó chúng chia sẻ chất dinh dưỡng Sự tạo thành một màng sinh học bắt đầu khimột vi khuẩn bơi tự do bám vào một bề mặt Nếu những vi khuẩn này sinh trưởng thànhmột lớp dầy thì chất dinh dưỡng không thể đi tới những vị trí sâu hơn bên trong lớp

đó và các chất trao đổi độc có thể tích lũy bên trong Màng sinh học tránh được nhữngvấn đề này nhờ cấu trúc như cột (hình 27.10-21) mà khoảng cách giữa chúng tạo thànhnhững khe hở cho nước chảy qua mang chất dinh dưỡng đi vào và mang chất thải đi ra

Hệ thống tuần hoàn thô sơ này được tạo nên để đáp ứng những tín hiệu thông tin hóahọc giữa những vi khuẩn Các vi khuẩn riêng lẻ và những tập hợp tế bào của chúng đôikhi tách khỏi một màng sinh học này, di chuyển và nhập vào một màng sinh học khác.Thông thường, một màng sinh học có một lớp bề mặt dày khoảng 10µm, với những cộtcao khoảng 200 µm bên trên nó

Các màng sinh học Dòng nước chuyển động (theo mũi tên từ phải sang trái) giữa các cột nhày được tạo nên do sự sinh trưởng của các vi khuẩn bám trên bề mặt cứng Điều này cho phép vi khuẩn hấp thụ chất dinh dưỡng và thải bỏ chất thải một cách hiệu quả Các vi khuẩn riêng lẻ tạo nhầy hoặc các vi khuẩn trong đám nhầy tách khỏi màng sinh học và di chuyển đến nơi khác Màng sinh học gồm các vi khuẩn đang sinh trưởng bên trong các ống của một hệ thống làm lạnh

Cũng giống như ở động vật có các mô khác nhau, bên trong màng sinh học có nhữngnhóm tế bào chuyên hóa và chúng hoạt động phối hợp nhau để hoàn thành nhệm vụphức tạp Chẳng hạn, trong hệ tiêu hóa của động vật nhai lại, các vi khuẩn thường sốngthành màng sinh học với ít nhất 5 loài khác nhau để cùng phân hủy cenlulose Các màngsinh học cũng có một nhân tố quan trọng liên quan đến sức khỏe con người Chẳng hạncác vi sinh vật trong màng sinh học có tính kháng các chất diệt khuẩn cao hơn khoảng

1000 lần so với ở trạng thái tự do Các chuyên gia của CDC cho biết khoảng 65% cácnhiễm khuẩn ở người có liên quan đến màng sinh học

Các màng sinh học có thể xuất hiện ở bất kỳ nơi nào mà nước và các giá thể cứng gặpnhau, chẳng hạn như bề mặt răng, bên trong các ống thông dùng trong y tế, thủy tinhthể, bên trong các ống dẫn nước

Các nguồn gây ô nhiễm

Ba nguồn gây ô nhiễm đất chủ yếu – cung cấp những lượng lớn chất gây ô nhiễm- là:

các bồn chứa ngầm, sự thấm từ các bãi rác, và sự thấm từ các ao chứa chất thải: Tươngtác vật lý giữa các chất gây ô nhiễm và đất xảy ra, chủ yếu là sự hấp phụ và sự giải hấpphụ của các chất không phân cực Các phản ứng hóa học cũng có thể xảy ra, bao gồm cả

sự trao đổi ion

Vùng ô nhiễm hình chùm lông di chuyển chậm vào vùng không bão hòa (vadose zone),

và cuối cùng thì có thể tới tận tầng nước ngầm nếu sự rò rỉ còn tiếp tục Sự pha trộn vớinước trong tầng nước ngầm thì phụ thuộc vào tỷ khối tương đối: các vùng ô nhiễm có

tỷ khối nhẹ thì có xu thế nổi, các vùng ô nhiễm nặng, đặc thì có xu thế chìm xuống, còncác vùng ô nhiễm có tỷ khối ở mức trung gian thì được pha trộn tốt với nước ngầm Sự

rò rỉ xăng và nhiên liệu máy bay đã thường tạo nên những vũng nước chứa sản phẩm tự

do, tồn tại rải rác khắp một thủy vực Đặc điểm của sự rò rỉ và sự thấm từ các nguồn ấyđược phân tích dưới đây và được mô tả trong hình 1.1 và 1.2

Chỉ cần một lượng nhỏ các chất gây ô nhiễm có tính độc cũng có thể gây ô nhiễm mộtlượng lớn nước, như có thể thấy qua ví dụ 1.1 Những sự rò rỉ hay thấm từ các nguồn

ô nhiễm nói trên đều tạo thành những vùng ô nhiễm hay vùng thấm lọc hình chùm lông

(contaminant plume, hoặc leachate plume) Những vùng này có xu thế xâm nhập dần

xuống phía dưới; có thể tới tận tầng nước ngầm

- Sự rò rỉ các bồn chứa ngầm:

Việc đặt các bồn chứa nhiên liệu lỏng ngầm dưới đất là phổ biến, nhằm tiết kiệm diệntích và bảo đảm an toàn cho cư dân gần đó Dần dần các bồn chứa này bị ăn mòn và xuấthiện các vết rò rỉ Các vết rò rỉ cũng xuất hiện tại các chỗ nối đường ống dẫn, do sự lắpđặt và do chấn động của đất Thông thường, tốc độ rò rỉ là nhỏ và khó xác định, như cóthể thấy qua ví dụ 1.2 Những vùng ô nhiễm hình chùm lông hình thành từ sự rò rỉ các

bồn chứa ngầm có thể chứa sản phẩm tự do, điều này khác với vùng ô nhiễm do sự rò rỉ

sự theo dõi về rò rỉ vẫn đang tồn tại

Những vùng ô nhiễm hình chùm lông do sự rò rỉ từ các ao chứa chất thải thì thường hầu

như chứa nước trong đó có hỗn hợp các chất gây ô nhiễm.

- Sự thấm từ các bãi rác

Các bãi rác gây ra sự ô nhiễm đất và nước ngầm bên dưới nó là do sự thấm lọc(leaching) Các chất lỏng tích tụ ở đáy của bãi rác và di chuyển xuyên qua các lớp lót.Những vùng ô nhiễm hình chùm lông có thể là bão hòa hoặc không bão hòa, có xu thếlan xuống phía dưới và lan theo những khe hở sẵn có

Sơ đồ các vùng ô nhiễm hình thành do sự rò rỉ, sự thấm từ các bồn chứa ngầm, các ao chứa chất

thải.