Nghiên cứu phát triển mô hình hệ thống sinh điện hóa nhằm xử lý ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VŨ THỊ THÙY LINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA NHẰM XỬ LÝ Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VŨ THỊ THÙY LINH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA NHẰM XỬ LÝ Ô NHIỄM HỮU CƠ

TRONG AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội, 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Thế Hải

Hà Nội, 2016

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS Phạm Thế Hải – Giảng viên Khoa Sinh học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội, người đã định hướng, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này Đồng thời tôi xin được chân thành cảm ơn Ths Nguyễn Thị Thu Thủy, Phòng

Vi Sinh Vật môi trường, KTV Đỗ Minh Phương, phòng thí nghiệm bộ môn Vi Sinh Vật Học đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian thực hiện đề tài này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các cán bộ Phòng Thí Nghiệm Sinh Học thực nghiệm của Viện Ứng dụng Công nghệ Nacentech đã hướng dẫn và giúp

đỡ tôi nhiệt tình trong quá trình thực hiện đề tài

Thêm vào đó, tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến toàn thể các Thầy,

Cô trong Khoa Sinh học đã tạo điều kiện học tập và truyền đạt cho tôi những tri thức khoa học hết sức bổ ích giúp tôi hoàn thiện đề tài cũng như hình thành thế giới quan khoa học của mình

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và trân trọng đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã sát cánh bên tôi, luôn ủng hộ, tin tưởng và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Nghiên cứu trình bày trong luận văn này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 106-NN.04- 2015.23

Hà nội, tháng 12 năm 2016

Vũ Thị Thùy Linh

MỤC LỤC

Danh mục các từ viết tắt

Danh mục hình vẽ

Danh mục bảng

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Thực trạng và nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ ở Việt Nam 3

1.1.1 Thực trạng ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ ở nước ta hiện nay 3

1.1.2 Nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản ở Việt Nam hiện nay 5

1.2 Một số chỉ số cơ bản để đánh giá ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản 6

1.2.1 Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và và nhu cầu oxy hóa học (COD) 6

1.2.2 Nitơ tổng số (TN) và ammonium (NH 4 + ) 7

1.3 Các giải pháp xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ 10

1.3.1 Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) 10

1.3.2 Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands) 11

1.3.3 Sử dụng ô - zôn (O 3 ) 13

1.3.4 Hệ thống sục khí nhân tạo trong ao nuôi 13

1.3.5 Ứng dụng mô hình sinh điện hóa 14

1.3.6 Tình hình nghiên cứu các giải pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản ở Việt Nam 15

1.4 Các mô hình sinh điện hóa 15

1.4.1 Giới thiệu tổng quát về các mô hình sinh điện hóa 15

1.4.2 Mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment bioelectrochemical system) 18

1.4.3 Vi sinh vật ở điện cực đáy: Tính đa dạng và sự biến đổi của quần xã 19

1.5 Ứng dụng mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (SBES) trong xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản 23

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng SBES 23

1.5.2 Tiềm năng sử dụng SBES để xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản nước lợ 25

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Vật liệu nghiên cứu 26

2.1.1 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 26

2.1.2 Nguồn vi sinh vật sử dụng cho nghiên cứu 28

2.2 Phương pháp nghiên cứu 28

2.2.1 Thiết kế, xây dựng và vận hành SBES 28

2.2.2 Phương pháp truyền thống để phân lập và nuôi cấy vi khuẩn 34

2.2.3 Phương pháp nhuộm Gram và quan sát kính hiển vi 35

2.2.4 Phương pháp tách DNA tổng số 35

2.2.5 Phương pháp DGGE 36

2.2.6 Phương pháp giải và phân tích trình tự gen 16S rARN 39

2.2.7 Phương pháp đo COD với mẫu nước có hàm lượng clo cao và mẫu bùn 40 2.2.8 Phương pháp đo TN và amoni 42

2.2.9 Phương pháp tính toán và xử lí số liệu 44

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Xây dựng mô hình ao nuôi thủy sản nước lợ có lồng ghép SBES 45

3.2 Kết quả làm giàu vi khuẩn điện hóa 45

3.2.1 Dòng điện phát sinh trong giai đoạn làm giàu vi khuẩn điện hóa 45

3.2.2 Các kết quả phân tích quần xã VSV ở điện cực đáy - anode 47

3.3 Sơ bộ các kết quả đánh giá hoạt động xử lí ô nhiễm hữu cơ của hệ SBES 58

3.3.1 Kết quả xử lí COD 58

3.3.2 Kết quả xử lí ammonium (NH 4 + ) 60

3.3.3 Kết quả xử lí N tổng (TN) 61

3.3.4 Tóm lược các kết quả xử lí ô nhiễm của hệ 62

KẾT LUẬN 64

KIẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC

Danh mục các từ viết tắt

systems

Hệ thống sinh điện hóa

electrophoresis

Điện di gradient gel biến tính

bacteria

Vi khuẩn có hoạt tính điện hóa

system

Hệ thống sinh điện hóa với điện

cực ở đáy

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 : Diện tích nuôi trồng thủy sản của các tỉnh ĐBSCL 4

Hình 1.2: Chu trình Nitơ trong ao cá 7

Hình1.3: Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) 11

Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm 12

Hình 1.5: Một số hệ thống sục khí cho ao nuôi tôm 14

Hình 1.6: Ví dụ minh họa về BESs (i) MFCs tạo ra điện năng và (ii)MECs tiêu thụ điện năng tạo ra Hiđro 16

Hình1.7: Nguyên lý hoạt động của một MFC 17

Hình1.8: Sơ đồ các phản ứng ở điện cực của MFC (A) và SBES (B) 18

Hình1.9: Mô hình vận hành của một hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy 19

Hình 1.10: Tổng quan các ứng dụng của SMFC 24

Hình 2.1:Các vật liệu cấu tạo điện cực 26

Hình 2.2: Mô hình đề xuất của hệ thống sinh điện hóa ứng dụng để xứ lý nước và đáy ao nuôi nước lợ 29

Hình 2.3 : Mô hình thiết kế bể thí nghiệm với điện cực ở đáy 31

Hình 2.4: Tỉ lệ chuyển đổi thức ăn trong ao nuôi tôm 33

Hình 3.1: Mô hình các bể kính làm thí nghiệm 45

Hình 3.2: Dòng điện của SBES sau 30 ngày làm giàu 46

Hình 3.3: Dòng điện của các quần xã bùn TN và ĐC trong SBES ống nghiệm 47

Hình 3.4: Ảnh các khuẩn lạc thu được trên LB 1,5% NaCl ở nồng độ pha loãng 10-3 48

Hình 3.5: Các chủng phân lập từ 3 quần xã vi khuẩn 50

Hình 3.6: Khuẩn lạc và hình thái tế bào của các chủng cần quan tâm 51

Hình 3.7: Tương quan giữa các quần xã nghiên cứu 52

Hình 3.8: Kết quả khuếch đại trình tự gen16S rRNA của các đơn chủng với cặp mồi P63F và P1378R từ sản phẩm tách DNA tổng số 53

Hình 3.9: Kết quả khuếch đại trình tự gen 16S rRNA của các mẫu với cặp mồi P63F và P1378R từ sản phẩm tách DNA tổng số 56

Hình 3.10: Kết quả PCR khuếch đại trình tự gen16S rRNA dùng cho phân tích DGGE bằng cặp mồi (P338F & P518R) 56

Hình 3.11: Kết quả điện di DGGE quần xã anode của SBES và các đơn chủng chiếm ưu thế 57

Hình 3.12: Kết quả so sánh tốc độ phân giải COD của hệ SBES khi vận hành ở các chế độ cho ăn khác nhau 58

Hình 3.13: Kết quả NH4+ của các mẫu nước ở các chế độ cho ăn khác nhau 60

Hình 3.14: Kết quả NH4+ của các mẫu bùn ở các chế độ cho ăn khác nhau 60

Hình 3.15: Kết quả TN của các mẫu nước ở các chế độ cho ăn khác nhau 61

Hình 3.16: Kết quả TN của các mẫu bùn ở các chế độ cho ăn khác nhau 62

Danh mục bảng

Bảng 1.1: Giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 theo giá so sánh 2010 3Bảng 1.2: Hàm lượng cho phép của một số chỉ số cần quan tâm trong ao nuôi tôm 8Bảng 1.3: Các vi khuẩn được sử dụng trong MFC 20 Bảng 2.1: Diện tích và thể tích của mô hình thí nghiệm tương đương ao nuôi thực tế 32Bảng 2.2: Môi trường LB 1.5% NaCl 35Bảng 2.3: Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR khuếch đại đoạn

1400 bp gen 16S rRNA 37Bảng 2.4: Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR khuếch đại đoạn 200bp gen 16S rRNA 38Bảng 2.5: Thành phần dung dịch chất biến tính 0% và 60% 39Bảng 2.6: Thành phần “Working solutions” 39Bảng 3.1: Số lượng các vi khuẩn thu được sau phân lập bằng LB agar 1.5%NaCl 48 Bảng 3.2: Kết quả phân tích các trình tự gen 16S rRNA của các đơn chủng quan tâm 54

MỞ ĐẦU

Hiện nay, nuôi trồng thủy sản nước lợ là một lĩnh vực quan trọng đem lại nhiều lợi ích cho con người: cung cấp thực phẩm, đem lại lợi nhuận không nhỏ cho nền kinh tế quốc dân, góp phần tăng tích lũy vốn, xuất khẩu thu về ngoại tệ cho nhà nước, cung cấp nguyên liệu cho các ngành công nghiệp và ngành y, dược, tạo điều kiện việc làm cho hàng triệu lao động [11]

Vì vậy, vấn đề nâng cao sản lượng và chất lượng trong nuôi trồng thủy sản nước lợ đang được rất nhiều nhà khoa học và người nuôi trồng thủy sản quan tâm Một trong những biện pháp để giải quyết vấn đề này là cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi thủy sản Tình trạng ô nhiễm môi trường đang xảy ra nghiêm trọng trong quá trình nuôi trồng do phần lớn các chất hữu cơ dư thừa thức ăn, phân

và các rác thải khác đọng lại dưới đáy ao nuôi Ngoài ra, các hóa chất, kháng sinh được sử dụng trong quá trình nuôi trồng cũng dư đọng lại mà không được xử lí Việc hình thành lớp bùn đáy tích tụ lâu ngày của các chất hữu cơ, cặn bã là nơi sinh sống của các vi sinh vật gây mùi khó chịu, các vi sinh vật gây bệnh như: các

vi khuẩn Vibrio, Aeromonas, E.coli, Pseudomonas, Proteus, Staphylococus … cùng nhiều loại nấm và nguyên sinh động vật [1]

Trên thực tế có rất nhiều phương pháp để khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi, xử lí các nguồn bệnh trong môi trường: chọn và kiểm soát giống nuôi tốt, giống sạch bệnh, quản lí thức ăn tốt, thường xuyên thay nước và sục khí, xử lý nước bằng các hệ thống riêng biệt, sử dụng hóa chất kết hợp với chế phẩm sinh học …[106] Tuy nhiên, các phương pháp trên ít nhiều còn có những hạn chế nhất định nên chưa cho phép đưa ra những giải pháp toàn diện, hiệu quả, bền vững để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi thủy sản

Việc sử dụng hệ thống sinh điện hóa (bioelectrochemical systems) để xử lí ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ là một hướng tiếp cận hoàn toàn mới Nguyên lí hoạt động của một mô hình sinh điện hóa là tạo ra dòng điện từ sự chênh lệch điện thế giữa bề mặt nước có nhiều ôxi hòa tan và phần bùn đáy thiếu oxi, nhằm xử lí tại chỗ COD (nhu cầu oxi hóa học) của ao nuôi thủy sản nước lợ Theo

đó, anode của hệ thống sẽ được tích hợp vào bùn đáy ao nuôi và cathode sẽ được đặt trên bề mặt nước Tại anode, các vi sinh vật sẽ phân giải các chất hữu cơ trong bùn đáy và nước, tạo ra electron và proton Electron sẽ được chuyển từ anode sang cathode thông qua một mạch ngoài và proton sẽ chuyển từ bùn đáy tới cathode và kết hợp với oxi trên cathode để tạo ra nước [87] Nhờ tác dụng kích thích rất lớn của sự chênh lệch thế ôxi hóa khử giữa anode và cathode, sự phân giải chất hữu cơ tại anode ở đáy sẽ diễn ra nhanh và mạnh hơn nhiều so với sự phân giải kị khí thông thường Do đó, việc ứng dụng hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy hứa hẹn là một cách tiếp cận hiệu quả để xử lý tại chỗ ô nhiễm ao nuôi thủy sản Đã có những công trình nghiên cứu khẳng định hiệu quả của cách tiếp cận này trên hệ thống ao nuôi thủy sản nước ngọt, nhưng hiện chưa có nghiên cứu tương tự nào với các hệ thống ao nuôi thủy sản nước lợ

Chính vì những lí do trên mà chúng tôi lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu phát

triển mô hình hệ thống sinh điện hóa nhằm xử lý ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ”

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thực trạng và nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ ở Việt Nam

1.1.1 Thực trạng ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ

Ở Việt Nam hiện nay, nuôi trồng thủy sản là ngành có tiềm năng rất lớn Theo Tổng cục Thống kê, ước tính giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 (tính theo giá so sánh 2010) ước đạt gần 188 nghìn tỷ đồng, tăng 6,5% so với cùng kỳ năm ngoái Trong đó, giá trị nuôi trồng thủy sản ước đạt hơn 115 nghìn tỷ đồng và giá trị khai thác thủy sản ước đạt hơn 73 nghìn tỷ đồng [8]

Bảng 1.1: Giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 theo giá so sánh 2010[8]

(tỷ VNĐ )

Năm 2014 (tỷ VNĐ)

So sánh 2014/2013

Qua các giá trị thống kê (Bảng 1.1) có thể thấy sản lượng của ngành nuôi trồng thủy sản và nhất là nuôi trồng thủy sản nước lợ (Hình 1.1) thường lớn hơn nhiều so với ngành khai thác thủy sản Chính vì vậy việc tập trung phát triển ngành này là rất có ý nghĩa với nền kinh tế Việt Nam Thêm vào đó, việc Chính phủ, Bộ Nông nghiệp và PTNT đã ban hành những văn bản định hướng đẩy mạnh phát triển thủy sản như Đề án tái cơ cấu ngành thủy sản theo hướng nâng cao giá trị gia tăng và phát triển bền vững, Nghị định 67/2014/NĐ-CP về một số chính sách phát triển thủy sản, Nghị định 36/2014/NĐ-CP về nuôi, chế biến và xuất khẩu sản phẩm cá tra…cũng là một động lực để những người nuôi trồng thủy sản đẩy mạnh sản xuất [8]

Hình 1.1 : Diện tích nuôi trồng thủy sản của các tỉnh ĐBSCL (1995-2011) [12]

Mặc dù tiềm năng của ngành nuôi trồng thủy sản là rất lớn, như đã trình bày

ở trên, hiện nay ngành nuôi trồng thủy sản vẫn gặp phải một số những khó khăn nhất định Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, hằng năm, diện tích tôm nuôi bị thiệt hại là rất lớn, lên đến hàng nghìn ha Cụ thể, tổng diện tích nuôi tôm

bị thiệt hại năm 2014 là 59.585 ha (trong đó thiệt hại do dịch bệnh là 31.514 ha); năm 2015 là 53.928 (dịch bệnh là 16.278 ha); trong 8 tháng đầu năm 2016 là 53.523

ha (dịch bệnh là 7.438 ha) Như vậy, mặc dù tổng diện tích do dịch bệnh gây ra có giảm nhiều, nhưng tổng diện tích bị thiệt hại (chủ yếu do môi trường và thời tiết) tăng cao qua các năm [2]

Sự suy giảm của ngành nuôi tôm xuất phát từ nhiều nguyên nhân: sự xuất hiện và gia tăng một số bệnh, dịch lây lan trong môi trường, môi trường bị xuống cấp, suy thoái, chất lượng nguồn nước kém, do quản lí lỏng lẻo của các cơ quan chức năng … Theo khảo sát của trung tâm nghiên cứu nông nghiệp Australia (ACIAR) tại tỉnh Cà Mau thuộc đồng bằng sông Cửu Long, bệnh tôm là nguyên nhân chủ yếu gây thiệt hại cho các hộ nuôi tôm ở vùng [74] Và vấn đề về bệnh tôm lại chủ yếu xuất phát từ sự ô nhiễm môi trường trong các ao nuôi [72]

1.1.2 Nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản ở Việt Nam hiện nay

Trong quá trình nuôi trồng thủy sản, môi trường nước và bùn đáy là những yếu tố không thể bỏ qua Thông thường các yếu tố môi trường nước có ảnh hưởng đến nuôi trồng thủy sản là: các yếu tố thủy lý hóa như nhiệt độ nước, độ sâu, độ trong, độ mặn, độ kiềm, pH, DO, CO2, NH3, NO2 và H2S … Sự thay đổi bất thường của các yếu tố này vì bất kì một nguyên nhân nào đều gây hại đến thủy sản hoặc tạo điều kiện cho mầm bệnh phát triển, ngoài ra một số trường hợp ngộ độc do kim loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm trong nuôi trồng thủy sản Mặt khác, các yếu tố thủy sinh như sinh vật phù du cũng là nguyên nhân làm biến đổi mầu nước, hàm lượng DO, độ pH của nước … Môi trường bùn đáy như: pH, thế oxi hóa – khử, thành phần cơ giới đất, cacbon hữu cơ, nitơ, photpho, các kim loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật tồn đọng cũng là các yếu tố ảnh hưởng đến nuôi trồng thủy sản [1, 20, 86]

Theo các nghiên cứu trong và ngoài nước, quá trình ô nhiễm môi trường nuôi trồng thủy sản xảy ra chủ yếu do một lượng lớn các chất dinh dưỡng trong thức ăn tôm, cá không được hấp thụ vào cơ thể chúng để tạo sinh khối mà bị thải ra ngoài môi trường xung quanh dưới dạng thức ăn dư thừa, phân và chất thải Các kết quả nghiên cứu cho thấy 48,0 – 87,3 % Ni-tơ (N) và 75,0 – 94,0 % Phốt pho (P) đầu vào trong các ao nuôi tôm không được hấp thụ và chuyển hóa thành sinh khối tôm

mà bị thải ra ngoài môi trường thông qua thay nước, xả thải khi thu hoạch, lắng đọng trong bùn đáy ao nuôi ….[20, 86, 99] Sự lắng đọng của các chất trong ao nuôi dẫn đến sự gia tăng hàm lượng Ni-tơ và hàm lượng chất hữu cơ (được đánh giá bằng các chỉ số BOD, COD, N tổng số và NH4+ ) ở lớp bùn đáy, khiến cho vi sinh vật có thể phát triển mạnh trong môi trường nuôi và trở thành nguồn gây bệnh cũng như gây độc cho thủy sản [88]

Ngoài ra, các chất dinh dưỡng dư thừa này làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái tự nhiên của thủy vực như: gây ra hiện tượng phát triển quá mức của thực vật phù du hay còn gọi là hiện tượng tảo “nở hoa” và làm thay đổi các mắt xích trong chuỗi

thức ăn của thủy vực; hoặc tích tụ ở nền đáy, phân hủy làm tiêu tốn nguồn ôxy trong thủy vực, khiến cho quá trình phân giải yếm khí diễn ra mạnh tạo ra các khí độc làm ảnh hưởng đến khu hệ động vật đáy trong thủy vực [93]

Vì vậy, việc tìm ra một giải pháp để hạn chế được vấn đề ô nhiễm (đặc biệt

là ô nhiễm bùn đáy) trong ao nuôi thủy sản sẽ góp phần rất quan trọng trong việc nâng cao sản lượng và chất lượng thủy sản

1.2 Một số chỉ số cơ bản để đánh giá ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản

Chính vì những ảnh hưởng tiêu cực của ô nhiễm môi trường ao nuôi đến chất lượng và sản lượng thủy sản nên việc xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao sản lượng và chất lượng của thủy sản Để đánh giá mức độ ô nhiễm của thủy vực người ta thường quan tâm đến các chỉ số quan trắc: oxi sinh hóa BOD5, oxi hóa học (COD), tổng lượng chất rắn lơ lửng (TSS), nitơ tổng (TN), tổng ammonia (TAN), H2S, NH3, phospho tổng … Trong

đó, các chỉ số quan trọng nhất chỉ thị mức độ ô nhiễm hữu cơ và nguy cơ với động vật thủy sản là COD, BOD, nitơ tổng (TN), và nitơ-NH4+

1.2.1 Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và và nhu cầu oxy hóa học (COD)

Tỉ lệ oxy tiêu thụ bởi phiêu sinh vật và vi khuẩn trong mẫu nước ao được đo

để xác định nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD) Ao nuôi thủy sản điển hình có giá trị BOD từ 5 -20 mg/l, BOD càng cao khi mức độ giàu vật chất hữu cơ càng lớn Mặc dù BOD thường được đo trong nước ao nhưng khoảng thích hợp thì không xác định rõ Oxy giảm đến mức nguy hiểm trong ao không sục khí khi BOD quá 20 mg/l [18]

Nhu cầu oxy hóa học (COD) được hiểu là lượng oxy cần thiết để oxy hóa hoàn toàn các chất hóa học trong nước Theo Boyd, giá trị COD trong ao nuôi có thể biến động từ 10 – 200 mg/l, thông thường là từ 40-80 mg/l [27, 28]

BOD và COD được dùng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm của thủy vực Chính vì vậy khảo sát thông số BOD và COD sẽ giúp chúng tôi đánh giá được hiệu quả hoạt động của điện cực trong mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy

1.2.2 Nitơ tổng số (TN) và ammonium (NH 4 + )

Trong môi trường nước, nitơ có thể tồn tại dưới dạng N2, hay dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ, hòa tan hay không hòa tan Các hợp chất vô cơ hòa tan quan trọng của nitơ là NO2-, NO3-, NH4+, NH3 [27]

Dạng N2 có được chủ yếu là do khuếch tán từ không khí vào hay do quá trình phản nitrat hóa trong thủy vực gây ra Các dạng hợp chất nitơ hòa tan có được là

do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, nitơ lắng đọng dưới dạng albumine, dưới tác động của vi sinh vật, albumine sẽ được chuyển hóa thành dạng ammonia (NH3)

và ammonia sẽ hòa vào nước và hình thành nên ammonium (NH4+) (Hình 1.2)

NH3 và muối của nó sẽ được chuyển hóa thành nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hóa Thực vật thủy sinh và

vi sinh vật có thể hấp thu cả 4 dạng hợp chất nitơ nói trên nhưng hấp thu NO3

-và NH4+ là tốt nhất Tuy nhiên một số vi khuẩn và tảo cũng có khả năng đồng hóa nitơ phân tử [3]

Hình 1.2: Chu trình Nitơ trong ao cá [27]

 Ammonia (NH 3 ) và ammonium (NH 4 + )

Tổng hàm lượng ammonia (NH3) và ammonium (NH4+) được gọi là tổng đạm amôn (TAN) Ammonia trong các thủy vực được hình thành từ việc phân hủy bình thường các protein, xác bã động thực vật phù du, sản phẩm bài tiết của động vật hay từ phân bón vô cơ, hữu cơ, trong đó nguồn NH3 chủ yếu từ sự bài tiết trực tiếp của động vật thủy sinh [24]

NH3 là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng lớn đến tỉ lệ sống và sinh trưởng với thủy sinh vật Theo Boyd (1900), tác dụng độc của NH3 với thủy sinh vật là do hàm lượng chất này cao làm thủy sinh vật khó bài tiết NH3 từ máu ra môi trường ngoài NH3 trong máu và các mô tăng làm pH máu tăng dẫn đến rối loạn những phản ứng xúc tác bởi enzym và độ bền của màng tế bào, làm thay đổi áp suất thẩm thấu của tế bào, sinh vật chết vì không điều khiển được quá trình trao đổi muối với môi trường ngoài NH3 cao cũng làm tăng tiêu hao oxi của mô, giảm vận chuyển oxy của máu [18] Quá trình hình thành NH3 nhiều hay ít còn phụ thuộc vào pH và nhiệt độ của môi trường ao nuôi Vì vậy quản lý pH ao nuôi tốt là gián tiếp hạn chế được lượng NH3 gây độc cho tôm [27]

Bảng 1.2: Hàm lượng cho phép của một số chỉ số cần quan tâm trong ao

nuôi tôm Chỉ số Đơn vị Hàm lượng

nên được ổn định ở mức từ 0,1 – 0,3 mg/L là tốt nhất (Bảng 1.2)

Ammonium (NH4+) không độc và là nguồn thức ăn quan trọng cho các thủy sinh vật Tuy nhiên, nếu hàm lượng NH4+ lớn hơn 2,0 mg/L ao sẽ giàu dinh dưỡng

và tảo trong ao sẽ phát triển rất mạnh, không có lợi cho thủy sinh vật (do thiếu oxy,

pH dao động …)

Theo Boyd (1998) và Chanratchakool (2003) thì hàm lượng NH4+ thích hợp hợp cho ao nuôi tôm dao động trong khoảng 0,2 – 2,0 mg/L[20, 22] Môi trường nước không ô nhiễm thường có hàm lượng NH4+ nhỏ hơn 0,1 mg/L và trong nước mặt tự nhiên NH4+ thường hiện diện ở mức <0,2 mg/L [23]

Hàm lượng NO2- được hình thành chủ yếu bởi quá trình nitrite hoá từ TAN

Do đó khi hàm lượng NH4+ trong ao thấp thì hàm lượng NO2- sẽ thấp Theo

Timmons et al (2002) và Boyd et al (2000) đã chỉ ra rằng hàm lượng NO2- trong

ao nuôi thuỷ sản phải nhỏ hơn 1,0 mg/L (Bảng 1.2)

 Nitrat (NO3-)

Nitrat trong thủy vực là sản phẩm của quả trình nitrat hóa nhờ hoạt động của

vi khuẩn hóa tự dưỡng như Nitrobacter (nước ngọt) hay Nitrospina, Nitrosococus

triển quá mức Theo nhận định của ông thì hàm lượng NO3- thích hợp trong ao nuôi thuỷ sản từ 0,2 - 3,0 mg/L (Bảng 1.2)

Như vậy, trong ao nuôi một lượng lớn nitơ đi vào ao qua thức ăn và một lượng lớn ammonia đi vào nước từ sinh vật nuôi và từ quá trình phân hủy thức ăn thừa và phân (động vật) [27] Vì vậy mối quan tâm lớn trong các ao nuôi chính là hàm lượng ammonia dư thừa Một số nghiên cứu cũng đã báo cáo loại bỏ nitơ hiệu quả trong SMFC khi xử lý nước thải [44, 87, 88, 94] Vì những lí do trên, TN và Ammonium là hai chỉ số quan trọng để đánh giá chính xác chất lượng nước và bùn đáy trong các mô hình thí nghiệm

1.3 Các giải pháp xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ

Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu về các giải pháp xử lí ô nhiễm môi trường ao nuôi thủy sản tuy nhiên đối với các ao nuôi thủy sản nước lợ thì các công trình nghiên cứu còn hạn chế [33] Các giải pháp hóa lí, cơ học và sinh học được sử dụng trong xử lí nước thải thông thường cũng được áp dụng trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản [13] Về cơ bản, các giải pháp có thể được chia thành hai nhóm: (i) xử lý nước ao nuôi ở một hệ thống riêng biệt (ví dụ bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược, bể xử lý nước thải thông thường với chi phí cao hoặc đầm lầy kiến tạo …); (ii) xử lý tại chỗ nước ao nuôi (ví dụ sử dụng ô-zôn hoặc sục khí nhân tạo …)

1.3.1 Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB)

Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) là một trong những công nghệ xử lý nước thải phổ biến nhất theo kiểu kị khí (Hình 1.3) Theo công nghệ này, nước thải được đưa từ ao nuôi sang bể xử lý Khi đi vào bể xử lý, nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí, tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật kị khí Hệ thống tách pha phía trên bể làm nhiệm vụ tách các pha rắn - lỏng - khí, các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn

sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ được đưa ra ngoài Một trong những lợi thế của công nghệ này đó là đơn giản và chi phí vận hành thấp [5]

Hình 1.3: Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) [105]

Nghiên cứu của Mirzoyan và các cộng sự năm 2010 về việc xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản nước lợ với bể UASB cho kết quả khả quan, cụ thể là hiệu quả loại bỏ các chất dễ bay hơi là hơn 92%, đối với COD là 99% và TSS là 81% [61]

Dù vậy, công nghệ này cũng còn nhiều hạn chế như khó khăn để duy trì các điều kiện thủy lực thích hợp (dòng chảy ngược và tỉ lệ lắp ráp phải cân bằng), thời gian khởi động dài, khả năng xử lí có thế không ổn định với sự biến đổi thủy lực và tải trọng hữu cơ, cần duy trì nguồn điện liên tục, các vật liệu cấu tạo thường không sẵn có và đặc biệt là luôn cần có chuyên gia giám sát thiết kế và thi công [97] Với những hạn chế như vậy, công nghệ bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) sẽ rất khó để áp dụng với các hộ nuôi trồng thủy sản qui mô vừa

và nhỏ phổ biến ở Việt Nam

1.3.2 Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands)

Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands) do Lin và cộng sự

đề xuất tỏ ra là một hệ thống đơn giản hơn với chi phí khá hợp lý [46]

Vùng đất ngập nước là hệ thống xử lý tự nhiên dựa trên sự cộng sinh giữa vi sinh vật và thực vật, xử lý nước thải qua các quá trình phân hủy hiếu khí, kỵ khí

của vi sinh vật, quang hợp của thực vật dưới nước Phương pháp sử dụng hệ thống này có nhiều cải tiến trong khoảng 20 năm gần đây và thu được nhiều kết quả tốt

Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy: loại chảy

tự do trên mặt đất (free surface slow) và loại chạy ngầm trong đất (subsurface slow) Loại chảy tự do thì ít tốn kém và tạo sự điều hòa nhiệt độ khu vực cao hơn loại chảy ngầm, nhưng hiệu quả xử lý kém hơn, tốn diện tích đất nhiều hơn và có thể phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát triển [6] Loại chảy ngầm phân ra làm hai loại: chảy ngang (Hình 1.4 A) và chảy đứng (Hình 1.4 B)

Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm

Ghi chú: A Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang (theo Vymaza 1997); B Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều

đứng (theo Cooper, 1996)

A

B

Về cơ bản hệ thống này cũng sẽ không phù hợp với các hộ nuôi trồng vừa và nhỏ do không kinh tế vì luôn cần chi phí cho năng lượng để bơm nước từ ao vào

hệ thống và chi phí vận hành hệ thống [88]

1.3.3 Sử dụng ô - zôn (O 3 )

Phương pháp sử dụng khí ô-zôn để lọc nước và nước thải đã được áp dụng

từ cách đây hơn 100 năm (lần đầu tiên là vào năm 1893 ở Oudshoorn, Hà Lan) Trong nuôi trồng thủy sản, ô-zôn là chất oxy hóa cực mạnh, được đưa trực tiếp vào

ao nuôi để làm sạch nước, oxy hóa nitrit và các hợp chất hữu cơ hòa tan khó phân hủy, cũng như loại bỏ các chất rắn Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu không đánh giá cao việc áp dụng ô-zôn để xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản nước lợ, mặn, vì khi

ở trong môi trường này, ô-zôn sẽ sinh ra các hợp chất độc hại, gây rủi ro đối với các giống nuôi [5]

1.3.4 Hệ thống sục khí nhân tạo trong ao nuôi

Từ những năm 1980, các hệ thống sục khí nhân tạo đã được đề xuất để tăng hiệu suất loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và nitơ trong các ao nuôi thủy sản thâm canh [20] Thông thường, ôxy nhanh chóng bị cạn kiệt gần đáy ao (nơi các vi khuẩn đang sử dụng ôxy để phân hủy các chất hữu cơ) Do đó, hệ thống sục khí không chỉ đơn giản là bổ sung Oxi hòa tan cho mọi hoạt động của tôm trong ao, mọi hoạt động của các sinh vật khác trong thủy vực (vi khuẩn, tảo, …) mà còn xáo trộn các tầng nước, đồng nhất chất lượng nước nhằm ổn định sức khỏe và nâng cao năng suất – hiệu quả nuôi trồng thủy sản

Các hệ thống sục khí này so với các hệ thống UASB, đất ngập nước và xử lí ozon có ưu điểm là: không chỉ xử lí tại chỗ nước ao nuôi mà còn xử lí được cả phần bùn đáy ao, làm thúc đẩy quá trình phân giải các chất hữu cơ tồn đọng bên dưới đáy ao Theo các kết quả nghiên cứu, việc sục khí có thể làm tăng sản lượng thủy sản, tuy nhiên lại đòi hỏi sự tiêu tốn thêm năng lượng (để quay các cánh sục, hình 1.5), vốn đầu tư và chi phí bảo trì [13]

Hình 1.5: Một số hệ thống sục khí cho ao nuôi tôm (Nguồn: Internet)

A: quạt nước, B: máy thổi khí, C: đĩa phân phối khí, D: Máy sục khí, E: đĩa

quay sinh học, F: màng lọc sinh học

1.3.5 Ứng dụng mô hình sinh điện hóa

Hệ thống sinh điện hóa (bioelectrochemical systems - BESs) là những hệ thống có đặc tính độc đáo là chuyển đổi hóa năng của các hợp chất hữu cơ trong nước thải hoặc trầm tích thành điện năng hay sản xuất các sản phấm sinh học hoặc sản phẩm khác ( khí hyđro …) nhờ hoạt động của vi sinh vật ở anode của hệ [92] Gần đây, với việc các hệ thống sinh điện hóa được tập trung nghiên cứu sâu, một công nghệ mới tiềm năng để cải tạo tại chỗ chất lượng nước ao nuôi thủy sản đã được

đề xuất dựa trên sự sử dụng hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment bioelectrochemical system (SBES) hoặc benthic bioelectrochemical system)

Sajana và cs (2013) đã xây dựng một hệ thống SBES thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và khảo sát kỹ lưỡng hiệu quả xử lý ô nhiễm nước ao nuôi thủy sản nước ngọt của hệ thống [88] Công nghệ này cho phép cải tạo tại chỗ chất lượng nước ao nuôi và việc vận hành hệ thống cũng hết sức đơn giản với chi phí thấp Rất nhiều cơ sở nuôi trồng thủy sản trên thế giới và đặc biệt ở Việt Nam lại đang vận hành các ao nuôi nước lợ Điều kiện môi trường có độ mặn cao sẽ rất khác và đỏi hỏi việc làm giàu thành công ở điện cực đáy ao các vi khuẩn điện hóa (tác nhân

xúc tác chính trong các hệ thống sinh điện hóa) hoạt động được ở nồng độ muối cao Hiện nay, chưa có nghiên cứu nào ứng dụng công nghệ sinh điện hóa để cải tạo nước ao nuôi thủy sản nước lợ được công bố

1.3.6 Tình hình nghiên cứu các giải pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản ở Việt Nam

Ở nước ta, các nghiên cứu nhằm xử lý nước và đáy ao nuôi thủy sản còn chưa nhiều Đã có những nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc Đại học Bách khoa TP

Hồ Chí Minh về việc ứng dụng công nghệ “đất ngập nước kiến tạo” (như trình bày

ở trên) để xử lý nước ao nuôi có mức độ ô nhiễm cao và dư lượng kháng sinh lớn [5] Công nghệ này cũng được triển khai thực nghiệm và thực địa khá thành công

ở Cần Thơ [10] Một số nghiên cứu khác đã thử nghiệm việc áp dụng các công nghệ khác như bể lọc sinh học hiếu khí có lớp đệm ngập nước [6] v.v… Như vậy, nhìn chung, số lượng nghiên cứu về chủ đề này còn khá ít Xét về vấn đề xử lý đáy

ao, hiện nay trên thị trường có hàng trăm chế phẩm vi sinh vật khác nhau với nguồn gốc, chất lượng không rõ ràng

Với tình hình nghiên cứu trong nước như trên, có thể thấy cũng chưa có nghiên cứu nào theo hướng ứng dụng một công nghệ mới như công nghệ sinh điện hóa trong xử lý nước và bùn đáy ao nuôi thủy sản nước lợ

1.4 Các mô hình sinh điện hóa

1.4.1 Giới thiệu tổng quát về các mô hình sinh điện hóa

Các mô hình sinh điện hóa (bioelectrochemical systems - BESs ) sử dụng vi sinh vật để điều khiển các phản ứng oxi hóa – khử ở các điện cực Trong một BES,

vi sinh vật hoạt động như một chất xúc tác cho các phản ứng oxi hóa – khử ở các điện cực rắn, chúng chuyển đổi hóa năng trong các hợp chất hữu cơ có trong nước thải thành điện năng Ngoài ứng dụng dùng để sản xuất điện, thì BES còn được sử dụng cho quá trình khử nitơ, tạo các sản phẩm từ năng lượng điện hoặc sử dụng làm cảm biến sinh học [65]

BES thông thường được phân loại thành pin nhiên liệu vi sinh vật (microbial fuel cells - MFCs) dùng để sản xuất điện năng hoặc tế bào điện phân vi sinh (microbial electrolysis cells - MECs) – tiêu thụ điện năng để cung cấp hidro hoặc methane từ chất thải hữu cơ (Hình 1.6) [84, 89] hoặc các phiên bản khác của MFC với những cải biến trong thiết kế và mục đích như MRCS hoặc MSC Thông tin về cơ chế hoạt động của các dạng BES cũng đã được mô tả chi tiết bởi Logan

và cs., 2006; Rabaey và cs., 2007; Rozendal và cs., 2008b; Hamelers và cs., 2009; Lefebvre và cs.,(2011); Pant và cs., 2012 [ 34, 43, 66, 76, 84]

Hình 1.6: Ví dụ minh họa về BESs (i) MFCs tạo ra điện năng và (ii) MECs

tiêu thụ điện năng tạo ra Hiđro

Ghi chú: E’ đại điện cho tiềm năng khử của phản ứng ở pH = 7 và chất hữu

cơ sử dụng là acetat Về lí thuyết, điện áp tối đa của MFCs tạo ra là 1.09 V và

điện áp tối thiểu MECs tiêu thụ là 0.13V [65]

Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) được xem như là một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực tái tạo năng lượng và xử lí chất thải MC Potter là người đầu tiên thực hiện những nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực này, ông đã có ý tưởng sản

xuất điện từ vi khuẩn E.coli nhưng không nhận được nhiều sự chú ý trong lĩnh vực

khoa học[52] Sau năm 1931, Barnet Cohen đã tạo ra một loạt các pin nhiên liệu

vi sinh vật có dòng điện 2 miliampe bằng cách sử dụng vi sinh vật hoặc enzym để oxy hóa cơ chất [75]

Tiếp theo đó, những nghiên cứu về MFC tiếp tục được phát triển bởi các nhà khoa học Kim và cs (1999), Gorby và cs (2006) cho thấy khả năng truyền điện

tử trực tiếp cho điện cực của vi khuẩn Shewanella oneidensis [15, 103] Nhóm

nghiên cứu ở Đại học Ghent (Bỉ) thì phát hiện ra rằng một số vi khuẩn trong cực

âm (anode), ví dụ như các Pseudomonas, có khả năng tự sản sinh các chất truyền

điện tử trung gian để thực hiện phản ứng truyền điện tử tới điện cực [41] … Hiện nay các nhà nghiên cứu vẫn đang trong quá trình tìm hiểu và hoàn thiện cấu trúc của MFC, cũng như việc làm thế nào để phát huy tiềm năng thực sự của nó Thông thường, một hệ thống sinh điện hóa sẽ hoạt động theo nguyên lí của một Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) như sau:

Một MFC điển hình bao gồm hai điện cực: 1 Anode : diễn ra quá trình oxi hóa cơ chất tạo e và H+ và 2 Cathode: diễn ra quá trình khử oxi, và chúng thường được ngăn cách bởi một màng bán thấm - chỉ cho phép ion H+ đi qua

mà ngăn không cho điện tử và ion âm đi qua Trong điều kiện kị khí, các vi khuẩn oxi hóa chất hữu cơ tạo thành electron và proton Sau đó electron và proton khuếch tán theo một mạch ngoài lên cathode và phản ứng với O2 để tạo thành nước (Hình 1.7) [79]

Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của một MFC (Rabaey & Verstraete 2005) [79]

Ghi chú: Bacterium: vi khuẩn; Anode: cực âm; Cathode: cực dương;

MED: chất truyền điện tử trung gian; e-: điện tử

1.4.2 Mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment

bioelectrochemical system)

Mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment bioelectrochemical system (SBES) hoặc benthic bioelectrochemical system, được đề xuất bởi Reimers

và cs (2001) và Sajana và cs (2013)[80, 88], thực chất là một dạng ứng dụng của MFC được triển khai trong một hệ thống tự nhiên hoặc hệ thống “vùng đất ngập nước kiến tạo” [46] Không giống như MFC, có một màng bán thấm hoặc tấm ngăn cách giữa Anode và Cathode (Hình 1.8A), SBES dựa vào một thế oxi hóa tự nhiên

để ngăn cách Anode và Cathode (Hình 1.8B)

Hình 1.8: Sơ đồ các phản ứng ở điện cực của MFC (A) và SBES (B)[16]

Ghi chú: Anode: cực âm; Cathode: cực dương; Water: nước; sediment: bùn đáy

Trong mô hình SBES, các vi khuẩn điện hóa được làm giàu ở anode (điện cực đáy) Tại anode các vi khuẩn sẽ phân giải các chất hữu cơ trong bùn đáy và nước, tạo ra electron và proton Electron sẽ được chuyển từ anode sang cathode thông qua một mạch ngoài và proton sẽ chuyển từ bùn đáy tới cathode và kết hợp với oxi trên cathode để tạo ra nước [51] Một hệ thống sinh điện hóa như vậy cho phép các chất hữu cơ ở đáy bị ôxi hóa, nhờ sự xúc tác của vi khuẩn điện

hóa, theo một chênh lệch thế ôxi hóa khử lớn với chất nhận điện tử cuối cùng

là ôxi, mà không cần phải đưa ôxi xuống đáy (Hình 1.9)

Hình 1.9: Mô hình vận hành của một hệ thống sinh điện hóa với điện cực

ở đáy [51]

Ghi chú: Water: nước; sediment: bùn đáy; organic matter: chất hữu cơ;

fermentation: lên men; reaction: phản ứng

1.4.3 Vi sinh vật ở điện cực đáy: Tính đa dạng và sự biến đổi của quần xã

Hoạt động của một SBES dựa trên nguyên tắc là quá trình trao đổi chất của

vi sinh vật nên quần xã vi sinh vật của anode là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của SBES Hiện nay, nhiều vi sinh vật có khả năng truyền điện tử tới anode thông qua sự chuyển hóa chất hữu cơ và vô cơ trong trầm tích biển, đất, nước thải, bùn nước ngọt và bùn hoạt tính [63] Một số những nghiên cứu gần đây cũng đã thảo luận về việc sàng lọc, định danh những vi sinh vật trong SBES có khả năng tạo dòng điện dựa trên việc làm giảm các chất hữu cơ [50] Mối quan hệ giữa các thành phần của quần xã trong khoang anode và hiệu quả của nó cũng đã được nghiên cứu [70, 71]

Các vi khuẩn có hoạt tính điện hóa (EBA) hoạt động ở điện cực là tác nhân chuyển đổi năng lượng hóa học có trong các hợp chất hữu cơ thành năng lượng điện [73] Bảng 1.3 dưới đây thống kê một số vi khuẩn phổ biến ở anode qua các nghiên cứu trước đó

Bảng 1.3: Các vi khuẩn được sử dụng trong MFC [104]

chất truyền trung gian cho chu trình

điện tử trung gian [26]

Pseudomonas

aeruginosa

Glucose Pyocyanin và phenazine-1- carboxamide đóng

vai trò làm chất truyền điện tử trung [77]

đóng vai trò làm chất truyền điện tử

trung gian [81]

Shewanella

putrefaciens

Lactate, pyruvate,

acetate, glucose

MFC không có chất truyền điện tử trung gian nhưng kết hợp một chất truyền điện tử trung gian như Mn (IV) hoặc

NR trong anode để tăng cường sản

xuất điện [68]

Streptococcus

lactis

chất truyền điện tử trung gian [100] Như vậy, việc nghiên cứu thành phần và hoạt động của quần xã vi khuẩn dưới điện cực đáy của SBES sẽ giúp có cái nhìn chính xác hơn về hiệu quả hoạt động của hệ thống (khả năng sinh điện, khả năng phân hủy chất hữu cơ, xử lí COD,

TN hay TAN …) đồng thời là cơ sở để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống

Để nghiên cứu các quần xã vi sinh vật, các phương pháp nghiên cứu truyền

thống hoặc các phương pháp sinh học phân tử có thể được sử dụng

 Các phương pháp truyền thống

Các phương pháp truyền thống để nghiên cứu một hệ vi sinh vật như lấy mẫu, phân lập, nuôi cấy làm giàu, đếm trực tiếp (qua kính hiển vi), đếm khuẩn lạc (phương pháp CFU), đếm bằng phương pháp giá trị xác suất cực đại (phương pháp MPN) … Khi tính số lượng vi sinh vật còn phải chú ý đến số lượng các vi sinh vật không nuôi cấy được, mà đa số vi sinh vật trong thiên nhiên hiện nay thực ra vẫn chưa có thể nuôi cấy được trong phòng thí nghiệm (Pace, 1996) Số lượng các vi sinh vật nuôi cấy được chưa tới 1% tổng số vi sinh vật [60] Đối với việc phân bố

và tính đa dạng của các vi sinh vật không nuôi cấy được cần sử dụng những phương pháp khác, bao gồm các phương pháp sinh học phân tử: phương pháp phân tích đa hình ADN sử dụng PCR và các enzyme giới hạn, phương pháp điện

di gel gradient biến tính (DGGE), phương pháp lai huỳnh quang tại chỗ (FISH), Trong số các kỹ thuật này, phương pháp DGGE là phương pháp được sử dụng phổ biến hơn cả vì không quá phức tạp và cho phép phân tích thành phần các quần xã vi sinh vật tương đối hiệu quả

 Phương pháp DGGE

Kỹ thuật điện di biến tính gradient trên gel (denaturing gradient gel electrophoresis, DGGE) một dạng kỹ thuật ”dấu vân tay” (fingerprinting) phân

tử cho phép phân biệt các trình tự DNA khác nhau dựa trên sự khác nhau về tỷ

lệ (G+C)/(A+T) giữa các trình tự, được Myuzer sử dụng tiên phong trong nghiên cứu sinh thái học vi sinh vật Ưu điểm của phương pháp này là có thể xác định được sự có mặt của các nhóm, loài vi sinh vật không thể nuôi cấy được trong mẫu cần phân tích [59]

Khi được điện di trên một gel có gradient chất biến tính, tùy theo thành phần nucleotit mà một phân tử DNA sẽ dừng lại ở một vị trí nhất định đặc trưng: trong phân tử càng nhiều G và C thì phân tử càng lâu bị biến tính và do đó càng lâu dừng lại trên gel điện di Vì vậy, vị trí khác nhau trên điện di đồ DGGE phản ánh sự khác nhau về trình tự của các đoạn DNA được phân tích Trong từng trường hợp cụ thể, mỗi vị trí có thể đặc trưng cho một trình tự DNA và phản ánh sự có mặt của một loài hay cá thể trong quần xã được phân tích DGGE

tỏ ra đặc biệt hiệu quả khi sử dụng để phân tích so sánh trình tự gen 16S rRNA của vi khuẩn [53] Những đặc điểm của đoạn gen này giúp nó thường được lựa chọn trong DGGE là: có mặt ở tất cả các loài vi khuẩn, có tính bảo thủ cao, không có sự trao đổi giữa các loài và mang tính đặc trưng cho loài

1.5 Ứng dụng mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (SBES) trong

xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng SBES

Phần lớn các nghiên cứu trước đây tập trung vào việc chứng minh rằng MFC

có thể dùng để sản xuất điện sinh học từ chất thải hữu cơ như nước thải [48, 56, 57,58, 101] Mặt khác, MFC cũng đã được sử dụng như một cảm biến để đo BOD

và phát hiện các hợp chất độc hại (kim loại nặng hoặc hóa chất) trong nước ngọt

và nước thải [21, 42]

Trong đó, mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment bioelectrochemical system (SBES) đã được ứng dụng để sản xuất năng lượng dưới dạng điện ( Hình 1.10 A) [30, 80, 95] hoặc xây dựng một MFC đặt bên trong lớp trầm tích để kích thích và tăng tốc các quá trình oxi hóa trầm tích ( Hình 1.10 B) [31] hoặc triển khai trong một hệ thống tự nhiên hoặc một hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” ( Hình 1.10 C) [46]

Hình 1.10: Tổng quan các ứng dụng của SMFC [45]

Ghi chú: MOD: Vi khuẩn oxi hóa Mangan; MRB: Vi khuẩn khử mangan,

Các hình thoi màu trắng: đại diện cho các vi khuẩn

A Một SMFC với một anode nằm trong lớp trầm tích và một cathode nổi trên bề mặt hoặc đặt nằm trong nước

B SMFC cho quá trình oxi hóa chất hữu cơ trong trầm tích với chu trình Mangan được tích hợp trong hệ thống Các quá trình oxy hóa của mangan được thực hiện bởi các vi khuẩn MOB trong điều kiện hiếu khí - thực hiện đồng thời với quá trình oxy hóa các chất hữu cơ - thực hiện bởi vi khuẩn (MRB) trong một điều kiện kị khí

C Ứng dụng của hệ thống SMFC trong một vùng đất ngập nước (nhân tạo), điện cực anode được định vị ở vùng rễ của thực vật, cacthode nằm phía trên mặt nước Nếu cathode được đặt chìm trong nước và oxi được sử dụng như chất nhận điện tử trực tiếp thì cần phải có các giải pháp sục khí cho cathode trong quá trình làm thí nghiệm[ 25]

1.5.2 Tiềm năng sử dụng SBES để xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản nước lợ

Gần đây nhất, Sajana và cộng sự đã xây dựng một hệ thống SBES thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm khảo sát hiệu quả xử lý ô nhiễm nước ao nuôi thủy sản nước ngọt Kết quả nghiên cứu của nhóm cho thấy hệ thống thử nghiệm có thể loại bỏ tới khoảng 80% COD và hơn 90% Ni-tơ tổng số trong nước

ao nuôi ba loại cá chép đặc hữu của Ấn Độ [88]

Sajana và cộng sự cũng đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của

hệ thống như pH của nước, khoảng cách giữa anode (ở đáy) và cathode (ở bề mặt nước) [87] Nhóm nghiên cứu này cũng khám phá ra rằng, việc loại bỏ COD tỉ lệ thuận với sự gia tăng khoảng cách giữa các điện cực và tỉ lệ nghịch với sự gia tăng

pH cũng như điện trở ngoài Tuy nhiên, việc loại bỏ nitơ tổng số (TN) lại tỉ lệ thuận với cả sự gia tăng pH và khoảng cách giữa các điện cực, trong khi tỉ lệ nghịch với

sự gia tăng điện trở ngoài [101]

Như vậy, việc sử dụng công nghệ SBES cho phép cải tạo tại chỗ chất lượng nước ao nuôi và việc vận hành hệ thống cũng hết sức đơn giản với chi phí thấp Nghiên cứu của Sajana và cộng sự thực hiện trên mô hình ao nuôi nước ngọt, trong khi phần lớn các ao nuôi thủy sản ở Việt Nam cũng như trên thế giới là nước mặn

và nước lợ với nồng độ muối cao Trong nghiên cứu này, chúng tôi thử nghiệm xây dựng mô hình SBES trong ao nuôi thủy sản nước lợ ở quy mô phòng thí nghiệm Các kết quả của Sanaja và cộng sự là cơ sở cho thấy tiềm năng của SBES trong việc xử lí nước và bùn đáy của ao nuôi thủy sản khi vận hành với điều kiện nước lợ

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu

2.1.1 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

Nghiên cứu này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm bộ môn Vi sinh vật học

- Khoa Sinh học, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên và Trung tâm Sinh học thực nghiệm – Viện ứng dụng công nghệ NACENTECH

 Vật liệu sử dụng cho việc thiết kế, lắp đặt, vận hành hệ thống gồm có:

- Bể nuôi mô phỏng bằng vật liệu thủy tinh (Việt Nam)

- Thanh than chì Ø4 và Ø 6 (Trung Quốc)

- Vải than chì (Nhật Bản )

- Bột than chì (Trung Quốc)

- Vụn than chì (Trung Quốc)

- Keo Epoxy (Trung Quốc)

Hình 2.1: Các vật liệu cấu tạo điện cực

Ghi chú: (A) vải than chì (Nhật Bản); (B) thanh than chì (Trung Quốc ); (C) vụn than chì (Trung Quốc); (D) bột than chì (Trung Quốc); (F) keo Epoxy (Trung Quốc); (E) Các vật liệu khác: điện trở (10Ω), dây dẫn, kẹp (Trung Quốc)

 Hệ thống đo điện

- Đồng hồ vạn năng Extech (Hoa Kỳ)

- Máy đo điện tự động KEITHLEY 2700 (Hoa Kỳ)

- Máy tính và phần mềm Excel phục vụ cho ghi chép, lưu trữ và xử lý số liệu

từ máy đo tự động

 Các máy móc, thiết bị chuyên môn đạt tiêu chuẩn dùng trong nghiên cứu

vi sinh vật học, Sinh học phân tử:

- Máy PCR 9700 (Applied Biosystems, Mỹ)

- Máy ly tâm 5417R (Eppendorf, Đức)

- Máy điện di ngang (BioRad, Mỹ)

- Máy DGGE K-2401 (C.B.S Scientific, Mỹ)

- Bàn soi gel LMW-20 UVP (UK)

- Kính hiển vi quang học (Zeiss, Đức)

 Các máy móc, thiết bị chuyên môn đạt tiêu chuẩn dùng trong đo COD

- Thức ăn nuôi tôm làm giàu tập đoàn vi khuẩn trong nền đáy các ao nuôi trồng thủy sản: Gamma 6 (Công ty Tomboy, Việt Nam)

 Hóa chất sử dụng trong phân lập, nuôi cấy vi khuẩn:

Các muối NaCl, pepton xuất xứ Trung Quốc (Xilong), agar (Việt Nam), cao

nấm men (Sigma, Hoa Kỳ)

 Hoá chất sử dụng trong phương pháp điện di gel biến tính DGGE:

Acrylamide, Bis-AA, 50x TAE buffer, Formamide, TEMED (tetramethyl ethylenediamine), APS (Ammonium persulfate) do hãng Affymetric (USB, Mỹ) cung cấp

 Hoá chất sử dụng trong các thí nghiệm Sinh học phân tử:

Bộ hóa chất sử dụng tách ADN (Glycogen 20 mg/ml, Ethanol 100 %, Ammonium acetate) , phản ứng PCR (USB Taq PCR Master Mix 2x), điện di kiểm tra sản phẩm PCR (HydraGreen Safe ADN Stain 20 000x, Loading Dye 6x, GeneRuler 1kb ADN Ladder), tinh sạch sản phẩm PCR (ExoSAP-IT PCR Product Cleanup) Tất cả đều được cung cấp bởi Affymetric USB, Merck và Fermentas (Mỹ)

 Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu khả năng xử lí COD của hệ SBES :

Axit sunfuric đậm đặc (H2SO4), Thủy ngân II sunfat (HgSO4), Bạc sunfat (Ag2SO4) (xuất xứ Trung Quốc);

Kali dicromat, Muối Morh - (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O, Kali hidro phtalat (K1C8H5O4) (xuất xứ Pháp)

2.1.2 Nguồn vi sinh vật sử dụng cho nghiên cứu

Chúng tôi tiến hành lựa chọn các nguồn vi sinh vật phục vụ cho việc vận hành hệ thống SBES từ nguồn bùn đáy của ba ao nuôi tôm nước lợ ở phường Bàng La - Ấp Bắc và doanh nghiệp nuôi trồng thủy sản Đồ Sơn, phường Ngọc Xuyên, quận Đồ Sơn, thành phố Hải Phòng

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Thiết kế, xây dựng và vận hành SBES

2.2.1.1 Lựa chọn thiết kế

SBES của chúng tôi được xây dựng dựa trên mô hình sinh điện hóa với điện

cực ở đáy của Lovley Hình 1.3 và những nghiên cứu trước đó của Reimers và

Sajana [51, 80, 88]

Ý tưởng về mô hình hệ thống của chúng tôi được thể hiện ở Hình 2.2 như sau:

Hình 2.2: Mô hình đề xuất của hệ thống sinh điện hóa ứng dụng để xứ lý

nước và đáy ao nuôi nước lợ

 Điện cực

Loại vật liệu có thể được sử dụng để làm điện cực phải thỏa mãn tất cả những yêu cầu như sau: tính dẫn điện tốt; khá trơ, không bị ăn mòn; diện tích bề mặt lớn;

độ xốp cao; không bị tắc do vi khuẩn; không gây độc cho vi khuẩn; giá thành rẻ;

dễ dàng sử dụng Trong đó, tính dẫn điện là chỉ tiêu quan trọng nhất thường được đánh giá bằng cách đo điện trở của vật liệu dựa trên khoảng cách Vì những lí do như trên mà chúng tôi lựa chọn vải than chì (graphite felt) làm điện cực Vật liệu này có tính dẫn điện tương đối tốt và trơ với hầu hết các loại phản ứng sinh hóa, bên cạnh đó còn không hề gây độc cho vi sinh vật, đồng thời có diện tích tiếp xúc lớn và dễ dàng thao tác, điều chỉnh [49]

Ngoài ra, chúng tôi còn lựa chọn hạt than chì cho điện cực anode, nhằm tăng diện tích tiếp xúc tối đa với các vi sinh vật trong mô hình SBES Các hạt này có kích thước khá tương đồng, đều khoảng từ 1,5 – 5 mm với diện tích bề mặt khoảng

từ 820 – 2700 m2/ m3 Điện trở của chúng vào khoảng 0,5 – 1 Ω/ hạt, và có một yêu cầu rất quan trọng khi sử dụng vật liệu này, đó là luôn phải đảm bảo các hạt than chì tiếp xúc với nhau [49, 78]

 Vật liệu cấu tạo khung

Chúng tôi đã lựa chọn thủy tinh làm vật liệu cấu tạo khung mô hình SBES

mô phỏng diện tích và thể tích của một ao nuôi tôm thực tế Thủy tinh, mặc dù gây khó khăn khi chế tác nhưng lại có nhiều ưu điểm đối với các nghiên cứu về MFC: không độc với hệ vi sinh vật trong khoang, không phản ứng hay bị ăn mòn bởi các phản ứng điện hóa và các hóa chất, có thể khử trùng được và thường được sử dụng

để thiết kế MFC [49]

 Dây dẫn

Dây đồng thường được sử dụng để làm dây dẫn nối với điện cực nhưng chúng

có thể bị ăn mòn trong môi trường ở MFC theo thời gian và qua đó tạo ra các ion đồng tan vào trong dung dịch (đồng chính là kim loại nặng gây độc với vi sinh vật) Thép không rỉ và dây titan tốt hơn dây đồng trong trường hợp này Tuy nhiên, thép không rỉ có thể làm giảm công suất của dòng điện do tính chất dẫn điện kém của chúng, còn dây titanium thì có giá thành khá cao Thanh than chì cũng đã từng được sử dụng trong một số nghiên cứu trước đó, chúng có độ dẫn điện tương đối tốt (chỉ 0,2 Ω/ cm) và bề mặt nhẵn Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn thanh than chì làm dây dẫn nối các điện cực với nhau [49]

2.2.1.2 Xây dựng mô hình

Một mô hình bể nuôi trong phòng thí nghiệm được thiết kế (Hình 2.3) với hình dạng và các vật liệu cấu tạo được lựa chọn như đã mô tả ở trên Các công việc thiết kế được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp vẽ kĩ thuật cơ bản [7]