Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong xử lý ô nhiễm dầu .... Một trong các phương pháp xử lý sinh học đem lại hiệu quả cao là sử dụng các chất hoạt hóa bề mặt do vi sinh vật t
Trang 1KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Giáo viên hướng dẫn : TS KIỀU THỊ QUỲNH HOA Sinh viên thực hiện : HOÀNG THỊ YẾN
Lớp : 11-02
HÀ NỘI – 2015
Trang 2Hoàng Thị Yến
Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS Kiều Thị Quỳnh Hoa, trưởng phòng Vi sinh vật dầu mỏ, Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, người đã cho em định hướng nghiên cứu, tận tình chỉ bảo để em thực hiện khóa luận
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới Thạc sĩ Nguyễn Thị Yên cùng các cán bộ phòng
Vi sinh vật Dầu mỏ, những người đã giúp đỡ em trong thời gian thực tập tại phòng
Vi sinh vật dầu mỏ
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Công nghệ sinh học, Viện Đại học
Mở Hà Nội đã dạy dỗ, tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường
Cuối cùng, Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đã động viên, giúp
đỡ để em có thể hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp
Em xin chân thành cảm ơn về tất cả những sự giúp đỡ quý báu trên!
Sinh viên
Hoàng Thị Yến
Trang 3Hoàng Thị Yến
BẢNG CHỮ VIẾT TẮT 6
DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ 1
LỜI MỞ ĐẦU 1
PHẦN I : TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2
1.1 Ô nhiễm dầu trên thế giới 2
1.2 Ô nhiễm dầu ở Việt Nam 3
1.3 Nguyên nhân ô nhiễm dầu ở Việt Nam 3
1.3.1 Ô nhiễm dầu từ các khu công nghiệp và khu dân cư đô thị 3
1.3.2 Ô nhiễm dầu do hoạt động hàng hải 3
1.3.3 Ô nhiễm dầu từ sự cố tràn dầu Việt Nam 4
1.3.4 Ô nhiễm dầu do khí quyển xâm nhập xuống 5
1.3.5 Ô nhiễm dầu do quá trình khai thác dầu trên biển 5
1.4 Tác động của ô nhiễm dầu đến môi trường và con người 5
1.4.1 Tác động của ô nhiễm dầu đến môi trường 5
1.4.2 Tác động của ô nhiễm dầu đối với con người 7
1.5 Một số phương pháp xử lý ô nhiễm dầu 8
1.5.1 Phương pháp hóa học 8
a Chất phân tán 8
b Chất hấp thụ dầu 8
1.5.2 Phương pháp cơ học 9
1.5.3 Phương pháp sinh học 9
1.6 Chất hoạt hóa bề mặt sinh học 11
1.6.1 Khái niệm chất hoạt hóa bề mặt sinh học 11
1.6.2 Phân loại chất hoạt hóa bề mặt sinh học 11
a Glycolipid 11
b Lipopeptid và lipoprotein 12
c Phospholipid và acid béo 12
c CHHBM trùng hợp và CHHBM dạng hạt 13
1.6.3 Tính chất của chất hoạt hóa bề mặt sinh học 14
a Tính chất hóa lý 14
b Khả năng phân hủy sinh học tốt và độc tính thấp 14
d Khả năng chịu nhiệt, pH và chịu lực ion 15
1.6.4 Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong đời sống 15
1.6.5 Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong xử lý ô nhiễm dầu 16
1.7 Vi khuẩn có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học 17
1.7.1 Vi khuẩn có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học 17
Trang 4Hoàng Thị Yến
a Ảnh hưởng của nguồn carbon 18
b Ảnh hưởng của ni tơ 19
c Ảnh hưởng của pH 20
d Ảnh hưởng của nhiệt độ 21
PHẦN II: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22
2.1 Vật liệu 22
2.1.1 Chủng vi khuẩn 22
2.1.2 Môi trường, hóa chất và điều kiện nuôi cấy vi khuẩn 22
2.1.3 Máy móc thiết bị 22
2.2 Phương pháp nghiên cứu 23
2.2.1 Phân lập 23
2.2.2 Xác định hình thái vi khuẩn 23
2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn carbon tới khả năng sinh trưởng và tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học của các chủng vi khuẩn lựa chọn 24
2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn ni tơ tới khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng vi khuẩn lựa chọn 24
2.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng vi khuẩn lựa chọn 24
2.2.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng vi khuẩn lựa chọn 24
2.3 Phân loại theo kit chuẩn sinh hóa API của BioMerieux: 25
PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26
3.1 Lựa chọn chủng vi khuẩn có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học 26
3.2 Đặc điểm hình thái và gram của chủng vi khuẩn lựa chọn 27
3.3 Ảnh hưởng của nguồn carbon tới khả năng tạo CHHBMSH của chủng G917 28
3.4 Ảnh hưởng của nguồn ni tơ tới sự sinh trưởng và khả năng tạo CHHBMSH của chủng G917 30
3.5 Ảnh hưởng của pH tới sự sinh trưởng và khả năng tạo CHHBMSH của chủng G917 33
3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng tạo CHHBMSH của chủng G917 34
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO 37
Trang 6Hoàng Thị Yến
Bảng 1 Những vụ tràn dầu nghiêm trọng trong lịch sử 2
Bảng 2 Đặc điểm khuẩn lạc, tế bào, gram của chủng vi khuẩn G917 24
Hình 1 Khả năng nhũ hóa với xylen của các chủng vi khuẩn 23
Hình 2 Hình thái khuẩn lạc chủng G917 trên môi trường HKTS 2% 24
Hình 4 Ảnh hưởng của nguồn carbon đến sự sinh trưởng và tạo CHHBMSH chủng G917 25
Hình 5 Ảnh hưởng của nồng độ carbon đến sự sinh trưởng và tạo CHHBMSH chủng G917 26
Hình 6 Khả năng tạo CHHBMSH của chủng G917 với nguồn cơ chất DO ở các ngày khác nhau 26
Hình 7 Khả năng nhũ hóa với xylen trên các nguồn ni tơ khác nhau của chủng G917 27
Hình 9 Khả năng nhũ hóa với xylen của chủng G917 ở các nồng độ Ni tơ khác nhau 29
Hình 10 Khả năng tạo CHHBMSH của chủng G917 ở các nguồn ni tơ khác nhau ở các ngày khác nhau 29
Hình 11 Khả năng nhũ hóa với xylen ở các pH khác nhau của chủng G 917 sau 6 ngày nuôi cấy 30
Hình 12 Khả năng tạo CHHBMSH của chủng vi khuẩn G917 sau các ngày nuôi cấy ở các pH khác nhau 30
Hình 13 Khả năng nhũ hóa với xylen của chủng G917 ở các nhiệt độ khác nhau 31
Hình 14 Khả năng tạo CHHBMSH của chủng G917 ở các nhiệt độ khác nhau 31
Trang 7Hoàng Thị Yến 1
LỜI MỞ ĐẦU
Từ khi được phát hiện và khai thác cho đến nay, dầu và các sản phẩm từ dầu đã trở thành một nguồn nguyên liệu thiết yếu không thể thiếu đối với cuộc sống Theo những nghiên cứu được thực hiện trong thời gian gần đây đã cho thấy rằng 2/3 năng lượng mà thế giới đang sử dụng hiện nay là từ dầu Tuy nhiên, những hoạt động liên quan đến dầu như khai thác dầu, vận chuyển dầu trên biển, sự rò rỉ dầu từ các phương tiện lưu thông trên biển, từ dầu thải của các công trình ven biển hay các sự
cố đâm va tàu trên biển, các sự cố tràn dầu đã thải ra môi trường một lượng dầu lớn dẫn đến ô nhiễm môi trường, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái
và cuộc sống của con người Chính vì vậy, vấn đề xử lý ô nhiễm dầu là vô cùng cần thiết
Hiện nay, có nhiều phương pháp để xử lý ô nhiễm dầu như phương pháp hóa học, phương pháp cơ học hay phương pháp sinh học Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng phương pháp sinh học có ưu điểm vượt trội như an toàn với môi trường và có thể xử
lý triệt để vùng ô nhiễm, giá thành rẻ Một trong các phương pháp xử lý sinh học đem lại hiệu quả cao là sử dụng các chất hoạt hóa bề mặt do vi sinh vật tạo ra Chất hoạt hóa bề mặt sinh học (CHHBMSH) là một hợp chất lưỡng cực có khả năng nhũ hóa mạnh, cho phép hòa tan các chất không tan vào trong nước, chúng dễ bị phân hủy sinh học lại không gây độc Đặc biệt, chất hoạt hóa bề mặt sinh học có thể được
vi sinh vật tạo ra từ các nguồn cơ chất là phế thải của một số ngành công nghiệp khác Chính vì hiện trạng ô nhiễm và những ưu điểm của phương pháp sinh học,
chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Lựa chọn chủng vi khuẩn có khả năng tạo
chất hoạt hóa bề mặt sinh học cao nhằm ứng dụng xử lý ô nhiễm dầu”
Mục tiêu của đề tài là tìm chủng vi khuẩn có khả năng tạo CHHBMSH cao, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo CHHBMSH để tìm ta điều kiện phù hợp nhất cho quá trình tạo CHHBMSH của chủng vi khuẩn lựa chọn nhằm ứng dụng xử
lý ô nhiễm dầu
Trang 8Hoàng Thị Yến 2
PHẦN I : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Ô nhiễm dầu trên thế giới
Dầu mỏ và các sản phẩm của dầu mỏ đang gây ô nhiễm nghiêm trọng trên biển
và đại dương Theo thống kê của chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP), ước tính mỗi năm có khoảng 2,4 triệu tấn dầu đổ ra biển
Ô nhiễm dầu đến từ các nguồn: từ lục địa, rò rỉ tự nhiên, hoạt động của tàu thuyền, tai nạn tàu bè trên biển, khí quyển xâm nhập xuống hay các quá trình khai thác dầu trên biển Trong đó, nguồn lớn nhất là từ lục địa (42% tổng số) chủ yếu là chất thải từ các ngành công nghiệp, các khu đô thị, khu dân cư … Dầu được vận chuyển trên biển bị rò rỉ chiếm 23% Các tàu chở dầu gặp nạn dẫn đến hiện tượng tràn dầu được đánh giá là 13%, từ khí quyển xâm nhập xuống là 9% Dầu từ quá trình khai thác dầu gây ô nhiễm ước tính chỉ khoảng 2%, trong khi rò rỉ tự nhiên từ các đứt gãy của trái đất lại chiếm tới 11% [36] Trên thế giới từ trước đến nay đã xảy ra một số vụ tràn dầu lớn gây ô nhiễm dầu nghiêm trọng như nêu ra ở bảng 1
Bảng 1 Những vụ tràn dầu nghiêm trọng trong lịch sử
(Nguồn: Trung tâm nghiên cứu an toàn Dầu khí [38])
9 1988 700 hải lý ngoài khơi bờ biển Nova
Scotia, Canada
43
1.2 Ô nhiễm dầu ở Việt Nam
Chỉ tính riêng trữ lượng dầu khí ngoài khơi miền nam Việt Nam đã chiếm khoảng 25% trữ lượng dầu dưới đáy biển Đông Với trữ lượng này, chúng ta có thể khai thác khoảng 20 triệu tấn/năm, đây là nguồn năng lượng đảm bảo cho nhu cầu
Trang 9Hoàng Thị Yến 3
sử dụng dầu ở nước ta Tuy nhiên, cùng với quá trình khai thác dầu và sử dụng dầu làm năng lượng chất lượng môi trường biển và vùng ven bờ Việt Nam đang bị suy giảm do ô nhiễm dầu
Theo số liệu thống kê, nguồn ô nhiễm dầu lớn nhất xuất phát từ các cơ sở công nghiệp và dân cư đô thị, với khoảng 960.000 tấn dầu chiếm 30%, đứng thứ hai phải
kể đến ô nhiễm do hoạt động của các tàu chở dầu với 22%, sau đó là các vụ tai nạn tàu chở dầu 13%, trong khi các hoạt động khai thác dầu khí trên biển chiếm một tỷ
lệ khiêm tốn khoảng 2% Đáng ngạc nhiên là ô nhiễm dầu tự nhiên từ các đứt gãy của vỏ trái đất chiếm tới 8%, gấp 4 lần ô nhiễm từ các hoạt động khai thác dầu khí trên biển Còn lại 25% là do nhiều nguyên nhân khác [34]
1.3 Nguyên nhân ô nhiễm dầu ở Việt Nam
1.3.1 Ô nhiễm dầu từ các khu công nghiệp và khu dân cư đô thị
Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đang cho thấy những mặt tích cực như kinh tế được thúc đẩy phát triển, giao lưu văn hóa kèm theo hội nhập đang ngày càng diễn ra mạnh mẽ Tuy nhiên, nó cũng kéo theo những hệ lụy như gây ra ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng
Trong quá trình sản xuất công nghiệp, khối lượng dầu mỏ được thải ra khá lớn Chất thải từ các nhà máy chưa qua xử lý được xả thẳng ra biển và đại dương một lượng lớn các chất bồi lắng, kim loại, nhựa, cặn dầu Số lượng dầu mỏ thấm qua đất
và lan truyền ra biển ước tính khoảng hơn 1 triệu tấn mỗi năm [34]
1.3.2 Ô nhiễm dầu do hoạt động hàng hải
Các hoạt động hàng hải và công nghiệp đóng tàu là nguyên nhân quan trọng gây
ô nhiễm dầu, bởi trên 60% tổng sản lượng dầu khai thác trên thế giới được vận chuyển bằng đường biển Theo tài liệu của Viện nguồn lợi thế giới, trong giai đoạn
từ 1986 đến nay đã xảy ra trên 524 tại nạn trong tổng số 62341 tàu chở dầu và làm tràn 3,5 triệu tấn dầu ra biển [39]
Theo số liệu ước tính của cục Đăng kiểm Việt Nam năm 2010 thì hoạt động hàng hải đã gây ô nhiễm dầu ở vùng biển nước ta bởi nhiều nguyên nhân khác nhau Trong đó, súc rửa hầm hàng gây ô nhiễm nghiêm trọng nhất với 46%, tiếp theo là tràn dầu chiếm 24% và xả thải nước lacanh, balat chiếm 22% Ngoài ra, nước dằn,
Trang 101.3.3 Ô nhiễm dầu từ sự cố tràn dầu Việt Nam
Sự cố tràn dầu xảy ra ngày càng nhiều và tác động của chúng ngày càng lớn, không chỉ ở các quốc gia có hoạt động khai thác dầu mà các quốc gia khác cũng có khả năng gặp sự cố Tràn dầu thường xảy ra trong các hoạt động tìm kiếm, thăm dò, khai thác, vận chuyển, chế biến, phân phối và tàng trữ dầu và các sản phẩm của chúng Theo đánh giá của Viện Khoa học và Tài nguyên Môi trường biển - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam: từ năm 1989 đến nay, vùng biển Việt Nam có khoảng 100 vụ tràn dầu do tai nạn tàu, các vụ tai nạn này đều đổ ra biển từ vài chục đến hàng trăm tấn dầu Những vụ tràn dầu với lượng từ 7-700 tấn thường do tàu mắc cạn, còn với lượng tràn hơn 700 tấn chủ yếu là do quá trình vận chuyển và va chạm tàu trên biển [41]
Theo nghiên cứu, trong dầu có chứa 6% hợp chất hidrocacbon thơm Tuy có tỷ lệ
ít nhưng hidrocacbon thơm rất độc, là thành phần chính gây nên nhiều bệnh ung thư Ngoài ra, một tấn dầu tràn ra biển có thể loang phủ 12km² mặt nước, tạo thành lớp váng dầu ngăn cách nước và không khí, làm thay đổi tính chất của môi trường biển, cản trở việc trao đổi khí oxi và cacbonic với khí quyển
1.3.4 Ô nhiễm dầu do khí quyển xâm nhập xuống
Là ô nhiễm do lượng tiêu thụ dầu trong các phương tiện giao thông và công nghiệp Thông thường, chúng tìm đường vào đại dương qua các lớp bụi phóng xa
trong khí quyển
1.3.5 Ô nhiễm dầu do quá trình khai thác dầu trên biển
Trang 11Hoàng Thị Yến 5
Trong quá trình khai thác dầu đã thải ra một lượng lớn nước thải có chứa dầu Khoảng 200 triệu tấn dầu được vận chuyển hàng năm qua các vùng biển ngoài khơi Việt Nam từ Trung Đông tới Nhật Bản và Triều Tiên Các hoạt động thăm dò, khai thác dầu ngoài khơi Việt Nam đang tăng lên hàng năm Biển Đông đã trở thành một
trong các địa điểm thăm dò và khai thác dầu khí nhộn nhịp nhất
Ngoài ra, trong quá trình khai thác dầu còn có các sự cố gây tràn dầu như: sự cố gây vỡ ống dẫn dầu, sự cố va chạm tàu chở dầu vào các giàn khoan trên biển Đặc biệt là sự cố dầu phun lên cao từ các giếng dầu do các thiết bị van bảo hiểm của giàn khoan bị hỏng, dẫn đến một lượng lớn dầu tràn ra biển làm cho một vùng biển rộng lớn bị ô nhiễm nghiêm trọng Người ta ước tính có khoảng hơn 1 triệu tấn dầu
mỏ tràn ra mặt biển do những sự cố giàn khoan đó
1.4 Tác động của ô nhiễm dầu đến môi trường và con người
1.4.1 Tác động của ô nhiễm dầu đến môi trường
Dầu gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với môi trường biển, ảnh hưởng đến nguồn nước bề mặt và một loạt các loài động, thực vật, sinh vật trong lưới thức ăn phức tạp bao gồm cả thức ăn cho con người Ô nhiễm dầu tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên các hệ sinh thái biển ở các khía cạnh sau:
- Làm biến đổi cân bằng oxy của hệ sinh thái: dầu có tỷ trọng nhỏ hơn nước, khi chảy loang trên mặt nước tạo thành váng, các váng dầu làm giảm khả năng trao đổi oxy giữa không khí với nước, giảm hàm lượng oxy của hệ sinh thái, do vậy cán cân điều hòa oxy trong hệ bị đảo lộn
- Làm nhiễu loạn các hoạt động sống trong hệ sinh thái: dầu bám vào cơ thể sinh vật sẽ ngăn cản quá trình hô hấp, trao đổi chất và sự di chuyển của sinh vật trong môi trường nước Dầu bao phủ màng tế bào sẽ làm mất khả năng điều tiết áp suất trong cơ thể sinh vật Theo các chuyên gia, nồng độ dầu trong nước chỉ 0,1mg/l có thể gây chết cho các loài sinh vật phù du, điều này làm nhiễu loạn các hoạt động sống trong hệ sinh thái
- Gây độc tính tiềm tàng trong hệ sinh thái: ô nhiễm dầu sẽ ngăn cản quá trình trao đổi oxy giữa nước và không khí, làm tích tụ các khí độc hại như H2S, CH4 làm tăng pH trong môi trường sinh thái Dưới tác động của hoạt động sinh – địa hóa,
Trang 12Ngoài ra, ảnh hưởng của ô nhiễm dầu đến động, thực vật là vô cùng nghiêm trọng Cụ thể:
Đối với chim biển:
Dầu phá hủy cấu trúc lớp bảo vệ của lông và khả năng giữ nhiệt giảm các loài chim sẽ đóng băng đến chết Chim sẽ không thể bay nếu lông dính quá nhiều dầu và điều này có thể làm nó chết đuối
Chim sẽ bị ngộ độc khi cố rỉa bộ lông dính dầu Thường chúng chết sau vài giờ Dầu cũng làm ảnh hưởng đến khả năng sinh sản của chim [33]
Đối với các loài hải sinh vật có vú và cá
Dầu dính vào bộ lông của loài có vú như cá voi, cá heo, rái cá, làm mất đặc tính cách nhiệt, hay làm nghẹt đường khí quản khi thân nhiệt bị mất, con thú sẽ chết [37]
Cá có thể bị nhiễm một lượng lớn dầu qua mang Cá đã tiếp xúc với dầu có thể bị thay đổi nhịp thở, gan to, giảm tăng trưởng, mòn vây và một loạt các triệu chứng ở mức độ sinh hóa và tế bào Dầu còn ảnh hưởng đến khả năng sinh sản do dầu phá hủy trứng cá hoặc làm cho cá bị biến dạng
Ngoài ra, ảnh hưởng của các chất phân giải hóa học khi làm sạch khu vực ô nhiễm dầu cũng có tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đối với các loài động, thưc vật trong vùng bị ô nhiễm dầu
1.4.2 Tác động của ô nhiễm dầu đối với con người
Ô nhiễm dầu không chỉ gây hại lớn cho môi trường, mà nó còn ảnh hưởng trực tiếp đến con người
Trang 13Hoàng Thị Yến 7
- Ô nhiễm dầu sẽ làm cho hàm lượng hydrocacbon trong môi trường không khí cao hơn gấp nhiều lần so với mức giới hạn Hơi dầu tác động đến môi trường không khí xung quanh ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng
- Chất lượng môi trường biển thay đổi dẫn đến nơi cư trú tự nhiên của các loài
bị phá hủy, dầu có thể trực tiếp làm tổn hại các tàu thuyền, ghe lưới đánh cá và dụng
cụ nuôi trồng thủy sản hay gián tiếp làm giảm năng suất đánh bắt và nuôi trồng do
lo lắng không tiêu thụ được những sản phẩm sản xuất trong khu vực bị ô nhiễm Điều này gây thiệt hại nặng cho nền kinh tế
- Dầu làm nhiễm bẩn các khu biển giải trí sẽ làm cản trở hoạt động nghỉ ngơi như tắm biển, bơi thuyền, lặn, du lịch Tất cả những dịch vụ từ biển sẽ bị giảm thu nhập đáng kể
- Đối với các nhà máy sử dụng nước biển làm lạnh cũng có thể bị dầu làm ảnh hưởng, gây tắc nghẽn, làm giảm năng suất máy
1.5 Một số phương pháp xử lý ô nhiễm dầu
1.5.1 Phương pháp hóa học
Phương pháp hóa học được dùng khi có hoặc không có sự làm sạch cơ học trong một thời gian dài Phương pháp này sử dụng các chất phân tán, các chất phá nhũ tương dầu, các chất keo tụ và hấp thụ dầu
a Chất phân tán
Một trong các phương pháp hóa học xử lý ô nhiễm dầu là sử dụng các chất phân tán phun thành bụi vào vết dầu nổi, các chất keo tụ và hấp thu dầu Đó là các chế phẩm hóa học chỉ được sử dụng với những điều kiện khống chế nghiêm ngặt
Về cơ bản, chất phân tán là chất xúc tác bề mặt có cấu trúc phân cực, gồm một đầu hấp thụ dầu (gốc oleophil) và một đầu hấp thụ nước (gốc hydrophil) Khi được phun vào váng dầu, chất phân tán sẽ làm giảm sức căng bề mặt tiếp xúc dầu – nước, làm cho dầu bị phân tán thành các giọt nhỏ khoảng 0,2 mm Kết quả làm tăng tổng diện tích tiếp xúc bề mặt của vệt dầu ban đầu với môi trường xung quanh Các giọt dầu này sẽ phân hủy nhanh (dầu nhẹ) hay lắng chìm dần (dầu nặng) Hóa chất thông
Trang 14b Chất hấp thụ dầu
Dầu sẽ hình thành một lớp chất lỏng trên bề mặt của chất hấp thụ Chất hấp thụ này hấp thụ các hỗn hợp dầu tràn ở mọi dạng nguyên, nhũ hóa từng phần hay bị phân tán trên mặt nước Đặc biệt chúng chỉ hút dầu chứ không hút nước Chất hấp thụ có thể là những chất hữu cơ tự nhiên, vô cơ tự nhiên hoặc tổng hợp Hiện nay có một số sản phẩm như: enretech cellusorb, corbol…
Phương pháp này không những mang lại hiệu quả cao trong xử lý dầu tràn mà còn giảm thiểu một cách tối đa các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường Tuy nhiên,
nó cũng có điểm hạn chế là hiệu quả xử lý phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, sóng, gió, cấu trúc vật liệu chế tạo và chi phí cho phương pháp này tương đối cao
1.5.2 Phương pháp cơ học
Đối với biện pháp cơ học, thực hiện quây gom, dồn dầu vào một vị trí nhất định
để tránh dầu lan trên diện rộng Sử dụng phao ngăn dầu để quây khu vực dầu tràn sau đó, thu gom xử lý Sau khi dầu được quây lại dùng máy hớt váng hoặc hút dầu
đã thu gom
Ưu điểm của biện pháp này là ngăn chặn, khống chế và thu gom nhanh chóng lượng dầu tràn tại hiện trường Nhược điểm là không xử lý được triệt để các váng dầu loang trên mặt nước
1.5.3 Phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học xử lý ô nhiễm dầu là dựa vào quá trình phân hủy dầu theo con đường sinh học Khái niệm phân hủy sinh học đưa ra để mô tả quá trình sử dụng các vi sinh vật sống xử lý các hệ thống bị ô nhiễm Trong các vi sinh vật thì vi khuẩn được sử dụng nhiều nhất Tuy nhiên, nấm và các thực vật bậc cao cũng góp phần vào quá trình xử lý ô nhiễm Khi trong môi trường bị ô nhiễm dầu, sẽ xuất
Trang 15Hoàng Thị Yến 9
hiện các vi sinh vật có khả năng sử dụng dầu làm thức ăn hoặc các vi sinh vật tạo ra các chất (CHHBMSH) giúp phân hủy dầu ô nhiễm thành các chất dễ tiêu thụ Tuy nhiên sự thành công của việc ứng dụng chúng để xử lý ô nhiễm dầu còn phụ thuộc vào khả năng tối ưu hóa các điều kiện khác nhau về sinh học, hóa học, địa chất … giúp cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển mạnh mẽ nhất có thể với thời gian nhanh nhất
Có hai phương thức xử lý ô nhiễm dầu theo phương pháp sinh học:
Bioaugmentation: là phương thức xử lý mà trong đó ngoài việc tối ưu hóa các
điều kiện dinh dưỡng, người ta đưa vào một số vi sinh vật chọn lọc có khả năng phân hủy dầu cao, bổ sung cùng với quần xã vi sinh vật bản địa trong môi trường bị
ô nhiễm để tăng cường khả năng phân hủy dầu [10]
Biostimulation: là phương thức xử lý lấy quần xã sinh vật bản địa làm trung tâm,
các đặc điểm sinh học, sinh thái của quần xã vi sinh vật được nghiên cứu kỹ qua đó đưa các chất dinh dưỡng hữu cơ, vô cơ cùng các chế phẩm sinh học với một tỷ lệ nhất định nhằm kích hoạt tập đoàn vi sinh vật có khả năng phân hủy dầu bản địa làm sạch môi trường [10]
Trên thế giới cả hai phương pháp này đã được sử dụng nhiều Các nhà khoa học
cho rằng phương thức Bioaugmentation có tiềm năng trong việc trong việc xử lý
các hợp chất dầu ở những vùng mà vi sinh vật bản địa làm việc không hiệu quả như vùng đá sỏi, đất cát
bờ biển bị ô nhiễm dầu theo phương pháp hiếu khí vì nó có khả năng duy trì mức độ dinh dưỡng tối ưu rất tốt Các yếu tố môi trường phải được khảo sát kỹ làm cơ sở để
bổ sung hàm lượng dinh dưỡng phù hợp cho sự phát triển của tập đoàn vi sinh vật bản địa Trong trường hợp hàm lượng dầu cao thì có thể bổ sung vi khuẩn và một số chế phẩm khác như chất hoạt hóa bề mặt để tăng tốc độ phân hủy sinh học Các vi khuẩn được bổ sung ở đây phải là các chủng được phân lập từ chính môi trường bị ô nhiễm được nhân giống và bổ sung dưới dạng chế phẩm
Phương pháp sinh học trong xử lý ô nhiễm dầu có những ưu điểm như giá thành
rẻ, hiệu quả xử lý cao, triệt để, không gây ô nhiễm thứ cấp, có thể áp dụng xử lý ô
Trang 16Hoàng Thị Yến 10
nhiễm dầu ở các môi trường khác nhau như môi trường nước hay trong đất Nhược điểm của phương pháp này là phụ thuộc nhiều vào khả năng phân hủy dầu của vi sinh vật bản địa
Trong tự nhiên ô nhiễm dầu được giảm đi bằng nhiều cách như sự bay hơi của các phân đoạn nhẹ hay sự tự oxy hóa và quang hóa nhưng cơ chế chủ yếu của sự phân hủy dầu là nhờ vi sinh vật Điều này là cơ sở để các nhà nghiên cứu khoa học dùng các chế phẩm sinh học để hỗ trợ các kỹ thuật làm sạch hóa lý khác [10]
Như vậy, xử lý ô nhiễm dầu có nhiều phương pháp, mỗi phương pháp có các ưu, nhược điểm nhất định Vì vậy, để xử lý ô nhiễm dầu một cách có hiệu quả, tùy từng
vị trí ô nhiễm và tình trạng ô nhiễm để chọn biện pháp xử lý phù hợp
1.6 Chất hoạt hóa bề mặt sinh học
1.6.1 Khái niệm chất hoạt hóa bề mặt sinh học
Chất hoạt hóa bề mặt sinh học (CHHBMSH) là những hợp chất có cấu trúc đa dạng về hoạt tính bề mặt được tổng hợp bởi vi sinh vật Tất cả CHHBMSH là hợp chất lưỡng cực, có cấu tạo gồm một nhóm ưa nước (thường là phân tử đường hoặc
amino acid) và một nhóm kị nước (thường là axit béo) [1]
Do cấu tạo phân cực, CHHBMSH có xu hướng co cụm tại bề mặt và mặt phân cách giữa hai chất (có thể là chất lỏng – chất lỏng, chất lỏng – chất rắn), kết quả là làm giảm sức căng bề mặt giữa hai chất (giữa chất lỏng - không khí, chất lỏng – chất lỏng, chất lỏng – chất rắn) [23, 26]
1.6.2 Phân loại chất hoạt hóa bề mặt sinh học
Không giống như chất hoạt hóa bề mặt hóa học thường phân loại theo bản chất các nhóm phân cực, CHHBMSH được phân loại dựa vào thành phần hóa học và nguồn gốc các vi sinh vật tạo ra Nhìn chung, CHHBMSH được chia làm các nhóm chính: glycolipid; lipopeptid và lipoprotein; phospholipid và acid béo; CHHBM trùng hợp và CHHBM dạng hạt [8]
a Glycolipid
Vai trò của glycolipid rất đa dạng, từ việc thúc đẩy sự bám của tế bào vào bề mặt
kị nước của cơ chất không tan trong nước, tới việc làm tăng khả năng đề kháng của
Trang 17Hoàng Thị Yến 11
vi khuẩn đối với các yếu tố lý hóa của môi trường …[15] Đây là một nhóm được
nghiên cứu, ứng dụng nhiều nhất và có hoạt tính mạnh, chúng gồm 3 loại :
• Rhamnolipid: do một hoặc hai phân tử rhamnoza liên kết với một hoặc hai
phân tử axit hydroxydecacnoic, gồm có 4 loại: 2 phân tử đường liên kết với 2 phân
tử axit, 2 phân tử rhamnose liên kết với 1 phân tử axit, 1 phân tử đường liên kết với
2 phân tử axit và 1 phân tử đường liên kết với 1 phân tử axit Vi sinh vật thường tạo
ra nhóm này là Pseudomonas aeruginosa
• Trehaloselipid: do 1 phân tử đường đôi trehalose liên kết ở vị trí C6 và C6’ với các phân tử axit mycolic Axit mycolic là một axit béo mạch dài có phân nhánh Các loài vi sinh vật khác nhau tạo ra các chất có mạch hydrocacbon có chiều dài và
số liên kết đôi cũng khác nhau [8]
• Sophorolipid: do 1 phân tử đường sophorose liên kết với 1 axit béo mạch dài
Phân tử đường do 2 phân tử glucose liên kết với nhau, nhóm OH ở vị trí C6 và C6’
bị acetyl hóa Chúng do nhiều chủng nấm men thuộc chi Torulopsis sản xuất: T
khả năng làm giảm sức căng bề mặt nhưng nó không phải chất nhũ hóa hiệu quả [5]
b Lipopeptid và lipoprotein
Một lượng lớn các chuỗi lipopeptides bao gồm decapeptide (gramicidins) và
lipopeptide (polymyxins) được sản xuất bởi Bacillus brevis và Bacillus polymyca tương ứng Các lipopeptide được sản xuất bởi B subtilis ATCC 21332 là một trong
những CHHBMSH mạnh nhất Nó làm giảm sức căng bề mặt của nước từ 72,0 mN/m xuống còn 27,9 mN/m ở nồng độ 0,005% [17] Hơn nữa, CHHBMSH này
còn có khả năng kháng nấm, kháng virut Bacillus Licheniformis có khả năng tạo
CHHBMSH cao ở nhiệt độ, pH thích hợp và nồng độ muối ổn định [27]
Các CHHBMSH được sản xuất bởi B lichenifomis 86 có khả năng làm giảm sức
căng bề mặt nước đến 27mN/m Phân tích cấu trúc cho thấy rằng nó là hỗn hợp của lipopeptide với thành phần chủ yếu là các phân tử có chứa từ 979 đến 1091 Da Mỗi phân tử chứa 7 axit amin và một phân lipid trong đó gồm 8-9 nhóm methylene và một hỗn hợp hydrocacbon mạch thẳng hoặc phân nhánh [17]
Trang 18(sphingolipid)
Cấu trúc đặc trưng của phospholipid bao gồm: 1 đầu ưa nước là nhóm phosphate (amoniac kiềm hoặc rượu) và 1 đuôi kỵ nước là chuỗi hydrocacbon dài Ở tế bào vi khuẩn, bề mặt ưa nước ở bên ngoài và đuôi kỵ nước ở màng bên trong Phospholipid vừa là thành phần quan trọng của màng sinh học, vừa có khả năng nhũ hóa và còn là chất hoạt động bề mặt sinh học [2]
• Acid béo
Được tạo ra do vi sinh vật oxi hóa ankan, gồm các axit béo mạch thẳng và các axit béo phức hợp chứa OH và nhóm ankyl Cân bằng dầu và nước (hydrophilic –
lipophilic balance) phụ thuộc vào chiều dài của mạch cacbon [31]
Acid béo được sử dụng trong việc sản xuất các chất nhũ hóa và các chất hoạt hóa
một trisacarit liên kết với hai axit béo, nó có khả năng nhũ hóa cao các hydrocacbon trong nước thậm chí với nồng độ rất thấp [9]
trong nước, trong cấu trúc của nó chứa 17% protein và 73% hydrocacbon, các hydrocacbon trong liposan gồm có glucose, galactose, galactosamin, axit galactorunic [10]
Trang 19Hoàng Thị Yến 13
protein
• CHHBM dạng hạt
CHHBMSH dạng hạt có hai loại: túi bào tử và tế bào vi khuẩn
kính 20-50 mm với mật độ sôi là 1,158g/cm3 Các bọt khí xuất hiện để đóng vai trò
hấp thu ankan bởi Acinetobacter sp H01-N Các túi này được cấu tạo từ protein, phospholipid và lipopolysaccharide [20] Tương tự như Acinetobacter sp.,
1.6.3 Tính chất của chất hoạt hóa bề mặt sinh học
a Tính chất hóa lý
Một số điều tra đã cho thấy rằng, khả năng hoạt động bề mặt của CHHBMSH là tốt hơn so với hoạt động của CHHBM tổng hợp Cụ thể, CHHBMSH có thể làm giảm sức căng bề mặt của nước đến 29,0mN/m, trong khi Pluronic F-68-42,8, SDS 28,6 [30] và LAS chỉ giảm đến 31mN/m [22] Mặt khác, nếu pha dầu chứa hydrocarbon chuỗi ngắn thì khả năng nhũ hóa của CHHBM tổng hợp sẽ kém ổn định hơn CHHBMSH
CHHBMSH thực sự có hiệu quả trong việc loại bỏ dầu ra khỏi đất với khả năng loại tối đa khoảng 22% trong khi CHHBM tổng hợp chỉ loại bỏ được khoảng 14% [28]
b Khả năng phân hủy sinh học tốt và độc tính thấp
Hầu hết các CHHBMSH không gây thiệt hại nghiêm trọng đến các hệ sinh thái
do chúng phân hủy dễ dàng Do đó, chúng có thể được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp mỹ phẩm, dược phẩm, thực phẩm, ngành nông nghiệp … So
sánh giữa CHHBMSH được tạo ra từ Pseudomonas aeruginosa với CHHBM tổng
hợp Marlon A-350 (được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp) cho thấy
CHHBMSH do Pseudomonas aeruginosa tạo ra không độc hại và an toàn trong khi Marlon A-350 độc và có tính gây đột biến [14]
c Sự hình thành nhũ hóa của CHHBMSH
Trang 20Hoàng Thị Yến 14
CHHBMSH làm giảm sức căng bề mặt và giúp hình thành hệ nhũ tương giữa các chất lỏng khác nhau, chúng cũng có thể làm ổn định hoặc mất ổn định nhũ hóa Nhìn chung, các CHHBMSH có khối lượng phân tử cao thì nhũ hóa tốt hơn các
CHHBMSH có khối lượng phân tử thấp Sophorolipid từ T bombicola có khả năng
giảm sức căng bề mặt, tuy nhiên khả năng nhũ hóa lại không cao Ngược lại, liposan không làm giảm sức căng bề mặt nhưng lại có khả năng nhũ hóa dầu rất tốt Các CHHBMSH cao phân tử có nhiều lợi thế hơn bởi chúng bao phủ các giọt dầu, do đó hình thành dạng nhũ hóa tốt [28]
d Khả năng chịu nhiệt, pH và chịu lực ion
Nhiều CHHBMSH do vi sinh vật tạo ra không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH và lực ion Hầu hết các CHHBMSH đều tối ưu ở dải nhiệt
độ 25-40oC và pH rộng 5-9 Tuy nhiên, sự phát triển của các vi sinh vật tạo CHHBMSH lại chịu tác động của nhiệt độ Nhiệt độ và pH tốt nhất cho các vi sinh vật phát triển là 37oC và pH 7-8 Có những loài chịu được nhiệt độ cao hơn, ví dụ
như Bacillus lichenifomis tạo CHHBMSH ở 50oC và nồng độ NaCl là 50g/l
1.6.4 Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong đời sống
Ngày nay, CHHBMSH đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống như: công nghiệp, nông nghiệp, khai thác mỏ, thuộc da, công nghệ hóa học, mỹ phẩm, thực phẩm, dược phẩm…Điều này cho thấy sự cần thiết và tầm quan trọng của chất hoạt hóa bề mặt
a Trong công nghiệp dệt nhuộm: CHHBMSH được sử dụng cho nhiều mục
đích khác nhau như: chất trợ ngấm, chất phân tán, chất tẩy rửa, chất làm mềm trong quá trình xử lý hoàn tất vải và là chất trợ trong in hoa
b Trong công nghiệp thực phẩm: CHHBMSH được sử dụng trong thực phẩm
với mục đích làm bền nhũ tương, tạo nhũ hóa cho bánh kẹo, sữa và đồ hộp
c Trong công nghiệp mỹ phẩm: CHHBMSH được sử dụng làm chất tẩy rửa,
nhũ hóa, tạo bọt
d Trong nông nghiệp: CHHBMSH được dùng để gia công thuốc bảo vệ thực
vật, ngoài ra, CHHBMSH được cho là để giúp vi khuẩn hấp thụ giảm đáng kể sự độc hại cho đất Các CHHBMSH thuộc nhóm Rhamnolipid, chủ yếu được sản xuất
Trang 21Hoàng Thị Yến 15
bởi các chi Pseudomonas được biết là có hoạt tính kháng khuẩn mạnh Hơn nữa,
khá thân thiện với môi trường, điều này là vô cùng có ích [24]
e Trong y học: Lợi thế và các ứng dụng của CHHBMSH trong y học là việc sử
dụng các chất bề mặt như là để kích thích quá trình chuyển hóa tế bào gốc, điều hòa miễn dịch Mukhrjee và cộng sự (2009) đã chỉ ra các ứng dụng của CHHBMSH trong y học như: hoạt động kháng khuẩn, hoạt động chống ung thư, tạo các chất chống dính, sản xuất tá dược miễn dịch, hoạt tính kháng virut và chuyển gen [29]
1.6.5 Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong xử lý ô nhiễm dầu
Bởi những ưu điểm của CHHBMSH mà những nghiên cứu sử dụng CHHBMSH trong xử lý ô nhiễm dầu ngày càng được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm
Trong một cuộc điều tra thí điểm, Banat và cộng sự (1991) đã thử nghiệm khả
năng tạo CHHBMSH của một chủng vi khuẩn (Pet 1006) để làm sạch bể chứa dầu
và phục hồi hydrocacbon từ bùn đã nhũ hóa Hai tấn CHHBMSH được dùng để làm sạch 850m3 cặn dầu Khoảng 91% (774m3) cặn dầu này đã được phục hồi như dầu thô và 76m3 còn lẫn các tạp chất được tự làm sạch [7]
Các nhà khoa học ở Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã phân lập được một số chủng có khả năng tạo CHHBMSH trên môi trường bổ sung 5% dầu thô làm nguồn cacbon duy nhất Kết quả cho thấy, sau
7 ngày nuôi cấy chủng 6C1 và 6C3 có khả năng phân hủy lần lượt là 82% và 78% hàm lượng dầu tổng số so với đối chứng [40]
Tóm lại, phương pháp sử dụng các CHHBMSH do các vi sinh vật tạo ra nhằm tăng cường khả năng phân hủy dầu đang được đánh giá cao bởi các đặc tính ưu việt của nó như: xử lý triệt để, an toàn cho môi trường và giá thành thấp Hơn nữa, CHHBMSH có thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt như trong các giếng khoan khai thác dầu khí [33]
1.7 Vi khuẩn có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học và các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học
1.7.1 Vi khuẩn có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học
