PHÂN LẬP VÀ KIỂM TRA HOẠT TÍNH VI SINH VẬT PHÂN HỦY DẦU

Nhằm góp phần nghiên cứu giải pháp xử lý ô nhiễm dầu, không gây tác dụng phụ cho môi trường, tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: "Phân lập và kiểm tra hoạt tính vi sinh vật phân hủy dầu".

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

PHÂN LẬP VÀ KIỂM TRA HOẠT TÍNH VI SINH VẬT

PHÂN HỦY DẦU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

PHÂN LẬP VÀ KIỂM TRA HOẠT TÍNH VI SINH VẬT

PHÂN HỦY DẦU

TS LÊ QUỐC TUẤN NGUYỄN THỊ THANH NGA

Tháng 7/2010

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm Khoa Công Nghệ Sinh Học, cùng tất cả quý thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn:

9 TS Lê Quốc Tuấn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm đề tài tốt nghiệp

9 Các thầy cô cùng các anh chị nhân viên Viện Công Nghệ Sinh Học và Môi Trường, Trường Đại Học Nông Lâm đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian làm đề tài tốt nghiệp

9 Các bạn bè lớp DH06SH thân yêu đã chia sẻ giúp đỡ tôi những khó khăn, vui buồn trong suốt thời gian học tập và làm đề tài

9 Và con xin cảm ơn ba mẹ người đã nuôi dưỡng con khôn lớn cho con có được ngày hôm nay, cảm ơn tất cả mọi người trong gia đình đã luôn động viên tạo điều kiện cho con trong suốt quá trình học tập

Xin cảm ơn tất cả mọi người

Nguyễn Thị Thanh Nga

TÓM TẮT

Trước sự ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, ô nhiễm dầu gây ảnh hưởng nhiều đến môi trường sinh thái và hoạt động sống của sinh vật vì vậy các nghiên cứu về chất thải nhiễm dầu và cách xử lý nguồn chất thải này đã được thực hiện Và đề tài nghiên cứu “ Phân lập và kiểm tra hoạt tính vi sinh vật phân hủy dầu ” được thực hiện tại Viện Công Nghệ Sinh Học Và Môi Trường, Trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh thời gian từ tháng 3/2010 đến tháng 6/2010 Thí nghiệm được thực hiện theo ba giai đoạn và đạt một số kết quả

Giai đoạn 1: Tiến hành phân lập vi sinh vật có khả năng phân hủy dầu từ mẫu bùn nhiễm dầu được lấy từ Cảng Xăng Dầu Cát Lái Và tôi đã phân lập thành công một số vi khuẩn

Giai đoạn 2: Từ kết quả phân lập tiến hành tăng sinh nhân nhanh vi khuẩn, kiểm tra tốc độ tăng sinh của từng loại vi khuẩn, khả năng sử dụng dầu làm nguồn dinh dưỡng của các vi khuẩn này Trong thời gian 48 giờ khả năng tăng sinh của vi khuẩn trong môi trường tăng sinh có dầu nhiều hơn trong môi trường không có dầu Nhiều nhất là gấp 1,78 lần và thấp nhất là 1,1 lần

Giai đoạn 3: Tiến hành thử nghiệm khả năng xử lý dầu của các vi khuẩn được chọn ra từ quá trình tăng sinh và có Gram dương Thử nghiệm ở 3 nồng độ dầu 1%, 2%, 3%, và đã thu được 1 số kết quả sau 72 giờ: ở nồng độ dầu 1% đạt được hiệu suất cao nhất 62,76% (khuẩn lạc 11), ở nồng độ 3% thì hiệu suất thấp nhất 32,21 ( khuẩn lạc 3)

The environmental pollution are becoming more serious, causing oil pollution affect ecological environment and activities of living organisms Therefore studies on oil waste and oil contaminated waste treatment were conducted The title “Isolation and testing the activity of the bacterium decomposing oil” was carried out at Institute

of Bitechnology and Environment, Nông Lâm University from March 2010 to June

2010 The experiment is conducted in 3 stages Finally, there are some following results:

The first stage: Isolating bacterium which decomposing from oil contamination sludge in Cat Lai Petroleum Port and successfully isolated some bacterium

The second stage: From the result of isolation, growing bacterium, checking the growth rate of each type of isolated bacteria and the ability of using oil as a source of nutrients Within 48 hours, the ability of growth of bacterium in the oil environment is more than that of without oil The most rate is 1.78 times and 1.1 times for the the lowest growth

The third stage: Testing the ability of oil treatment by the bacteria selected from the growing processes with 3 differrent concentration of oil 1%, 2%, 3% After 72 hours, the efficiency of oil treatment by bacteria are 62,76% at a concentration of 1% oil (forming colony 11), and 32,21% at a concentration of 3% oil ( forming colony 3)

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Tóm tắt ii

Summary iii

Mục lục iv

Danh sách các bảng vii

Danh sách các hình viii

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Yêu cầu 2

1.3 Nội dung thực hiện 2

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Dầu mỏ 3

2.2 Sự ô nhiễm dầu mỏ 4

2.3 Xử lý ô nhiễm dầu trong môi trường nước 7

2.4 Xử lý ô nhiễm dầu trong môi trường đất 8

2.5 Vi sinh vật xử lý dầu 10

2.6 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 12

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 14

3.2 Vật liệu 14

3.3 Phương pháp nghiên cứu 15

3.3.1.Các bước thực hiện đề tài nghiên cứu 15

3.3.2 Phương pháp tiến hành 15

3.3.2.1 Phương pháp lấy mẫu bùn 15

3.3.2.2 Phương pháp pha loãng mẫu 15

3.3.3.1 Nguyên tắc 16

3.3.3.2 Vật liệu, dụng cụ 17

3.3.3.3 Hóa chất 17

3.3.3.4 Thao tác thực hiện 17

3.3.4 Nhuộm Gram cho vi khuẩn phân lập được 19

3.3.4.1 Nguyên tắc 19

3.3.4.2 Vật liệu và dụng cụ 19

3.3.4.3 Hóa chất 19

3.3.5 Tăng sinh mẫu 20

3.3.5.1 Nguyên tắc 20

3.5.1.2 Vật liệu và dụng cụ 20

3.3.5.3 Hóa chất 20

3.3.5.4 Thao tác thực hiện 20

3.3.6 Kiểm tra sự tăng sinh của vi khuẩn trong môi trường có và không có dầu 21

3.3.6.1 Vật liệu và dụng cụ 21

3.3.6.2 Hóa chất 21

3.3.6.3 Thao tác thực hiện 21

3.3.7 Thử nghiệm khả năng xử lý dầu của vi khuẩn phân lập được 22

3.3.7.1 Vật liệu và dụng cụ 22

3.3.7.2 Thao tác thực hiện 22

3.3.7.2 Phương pháp xác định hiệu quả xử lý dầu 22

3.3.7.2.1 Nguyên tắc 22

3.3.7.2.2 Thao tác thực hiện 22

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24

4.1 Kết quả 24

4.1.1 Kết quả phân lập 24

4.1.2 Kết quả nhuộm Gram 26

4.1.3 Kết quả tăng sinh 26

4.1.4 Hiệu suất xử lý dầu của vi khuẩn phân lập 28

4.2 Thảo luận 30

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 35

5.1 Kết luận 35

5.2 Đề nghị 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các vi sinh vật có khả năng phân hủy dầu 11 Bảng 4.1 Số lượng vi khuẩn cho vào khi tăng sinh 27 Bảng 4.1 Số lượng vi khuẩn cho vào khi tăng sinh 27

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Ô nhiễm dầu trên đất 5

Hình 2.2 Ô nhiễm dầu trên biển 5

Hình 2.3 Các sự cố tràn dầu 5

Hình 2.4 Hậu quả của ô nhiễm dầu trên biển 6

Hình 3.1 Sơ đồ các bước tiến hành đề tài nghiên cứu 15

Hình 3.2 Lọc thu sinh khối 23

Hình 3.3 Sinh khối lọc được 23

Hình 4 1Vi sinh vật có trong mẫu bùn 24

Hình 4.2 Khuẩn lạc 1 24

Hình 4.3 Khuẩn lạc 2 25

Hình 4.4 Khuẩn lạc 3 25

Hình 4.5 Khuẩn lạc 4 25

Hình 4.6 Khuẩn lạc 5 25

Hình 4.7 Khuẩn lạc 6 25

Hình 4.8 Khuẩn lạc 7 25

Hình 4.9 Khuẩn lạc 8 26

Hình 4.10 Khuẩn lạc 9 26

Hình 4.11 Khuẩn lạc 10 26

Hình 4.12 Khuẩn lạc 11 26

Hình 4.13 Vi khuẩn Gram dương 26 

Hình 4.14 Vi khuẩn Gram âm 26 

Hình 4.15 Trước tăng sinh 27 

Hình 4.16 Tăng sinh sau 48 giờ 27 

Hình 4.17 Biểu đồ thể hiên khả năng tăng sinh của vi khuẩn 28 

Hình 4.18 Chưa cho dịch khuẩn 28 

Hình 4.19 Đã cho vi khuẩn 28 

Hình 4.20 Sau khi lắc ở 120 vòng/ phút trong 72 giờ 29 

Hình 4.21 Sau ly tâm tách dầu 29 

Hình 4.22 Khả năng xử lý dầu 30 

Hình 4.23 So sánh khuẩn lạc 3 với khuẩn lạc loài Klebsiella peneumonia 30

Hình 4.24 So sánh khuẩn lạc 6 với khuẩn lạc loài Pseudomonas aeruginosa 31

Hình 4.25 So sánh khuẩn lạc 7 với khuẩn lạc loài Micrococcus luteus và Flavobacterium 32

Hình 4.26 So sánh khuẩn lạc 8 với khuẩn lạc loàiLactobacillus plantarum 32

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay với sự phát triển của xã hội theo hướng công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ô nhiễm môi trường ngày càng tăng Môi trường ô nhiễm ảnh hưởng đến sức khỏe con người, là nguyên nhân của nhiều căn bệnh nguy hiểm, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái Vì vậy vấn đề đặt ra là bằng cách nào để giảm thiểu ô nhiễm môi trường một cách tốt nhất Đây là vấn đề quan trọng và là mối quan tâm hàng đầu ở các nước trên thế giới trong đó có Việt Nam

Dầu là nguồn tài nguyên thiên nhiên đem lại lợi nhuận rất cao, là nguồn năng lượng cần thiết phục vụ cho đời sống con người Tuy nhiên, trước rất nhiều lợi ích của dầu mỏ thì cần phải nghĩ đến những nguy cơ từ chất thải của nguồn tài nguyên này

Ô nhiễm dầu là hiểm họa rất lớn đối với môi trường sinh thái bởi tính chất phức

tạp và khả năng chứa nhiều chất khó phân hủy Sự ô nhiễm dầu có thể xảy ra ở tất cả

các khâu từ thăm dò, khai thác, vận chuyển, chế biến lưu trữ cho đến khâu tiêu thụ sản phẩm Ô nhiễm do sự tràn dầu trong lúc vận chuyển, nước thải trong quá trình sản

xuất, thường gây nên những tác động xấu cho môi trường sinh thái

Cùng với sự phát triển của xã hội này càng hiện đại thì nhu cầu năng lượng ngày càng nhiều Vì vậy mà hệ thống khai thác và lọc dầu, các cơ sở cung cấp xăng dầu, kho dự trữ xăng dầu đã ra đời để đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Điều này nghĩa là lượng chất thải tạo ra tăng lên kèm theo đó là sự ô nhiễm môi trường

Để xử lý loại chất thải này nhanh, hiệu quả thì cần phải có một số nghiên cứu cụ thể Trong đó giải pháp công nghệ sinh học là mối quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam Trong giải pháp này thì vi sinh vật và chế phẩm

vi sinh được sử dụng và bước đầu đã mang lại hiệu quả trong xử lý dầu

Nhằm góp phần nghiên cứu giải pháp xử lý ô nhiễm dầu, không gây tác dụng phụ cho môi trường, tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: "Phân lập và kiểm tra hoạt tính vi sinh vật phân hủy dầu"

1.2 Yêu cầu

- Phân lập được và thuần khiết dòng vi khuẩn phân hủy dầu từ mẫu bùn nhiễm

dầu

- Kiểm tra khả năng tăng sinh của dòng vi khuẩn trong môi trường tăng sinh có

dầu và không dầu

- Kiểm tra khả năng xử lý dầu của dòng vi khuẩn phân lập được

1.3 Nội dung thực hiện

- Tiến hành phân lập dòng vi khuẩn phân hủy dầu có trong mẫu bùn nhiễm dầu, làm thuần dòng vi khuẩn phân lập được

- Nuôi tăng sinh dòng vi khuẩn trong môi trường dinh dưỡng lỏng có cho dầu và không có dầu Kiểm tra vi khuẩn có sử dụng dầu làm chất dinh dưỡng hay không

- Kiểm tra hiệu quả phân hủy dầu của các dòng vi khuẩn có sử dụng dầu làm chất dinh dưỡng

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Dầu mỏ

Dầu mỏ là hỗn hợp các chất hữu cơ cực kỳ phức tạp và rất dễ thay đổi về thành phần, chất lỏng sánh, thường có mùi đặc trưng, nhẹ hơn nước và không tan trong nước Phần lớn các hợp chất có trong dầu mỏ là các hydrocarbon, gồm các chất có khối lượng phân tử nhỏ như CH4 và các chất có khối lượng lớn như hắc ín, nhựa rải đường, bitum…Các hidrocarbon này có nhiều kiểu cấu trúc phân tử riêng biệt như mạch thẳng, mạch nhánh, mạch vòng (có thể có một hoặc nhiều vòng), vòng thơm Các hydrocarbon thơm chia làm hai nhóm: hydrocarbon thơm đơn nhân như benzene, toluene, ethylbenzen, xylene gọi chung là BTEX, và nhóm hydrocarbon thơm đa nhân

có tên gọi là PAHs như : naphthalene, anthracene, phenanthrene(Alan Scragg, 1998)

Thành phần cơ bản của dầu mỏ gồm: hidrocarbon mạch thẳng 30 – 35%, hidrocarbon mạch vòng: 25 – 75%, hidrocarbon thơm 10 – 20% Ngoài ra còn chứa 0,05 – 3% các hợp chất dị vòng chứa oxi (axit, xeton, rượu…), chứa nitơ (furol, indol, carbazol), chứa lưu huỳnh (hắc ín, nhựa đường, bitum), và một vài kim loại nặng

Tỷ lệ mỗi chất có trong dầu mỏ sẽ có nhiều thay đổi phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu mỏ Và sự thay đổi về thành phần này làm ảnh hưởng đến tính chất của dầu, dầu với thành phần là các chất có khối lượng phân tử nhỏ chiếm tỷ lệ cao thì được gọi

là dầu nhẹ dễ chảy, và ngược lại gọi là dầu nặng (Alan Scragg, 1998)

Dầu mỏ ở các vùng khác nhau có thành phần hóa học khác nhau Phân loại chúng dựa trên cơ sở thành phần parafin, hidrocarbon thơm và hidrocarbua phân cực Dầu thô Việt Nam thuộc loại dầu trung bình nặng nhiều parafin (20 – 30%) và ít lưu huỳnh Trong dầu thô còn phát hiện thấy khá nhiều đồng phân của hidrocarbon từ C6 đến C9 Nhưng cuối cùng, người ta coi dầu mỏ là hỗn hợp 3 loại hợp chất của hidrocarbon: hợp chất mạch thẳng - alphalic, hợp chất mạch vòng thơm- aromatic, và hợp chất nhựa

đường- asphatic (Trần Công Phát, 2004).

Khả năng phân giải hydrocarbon dầu thô phụ thuộc vào cấu trúc khối lượng phân tử của chúng Các alkan mạch ngắn là chất độc đối với nhiều loại vi sinh vật và

chúng rất khó bị phân hủy Các n-alkan có độ dài trung bình (C10 – C24 ) dễ bị phân giải nhất Các alkan có mạch càng dài thì khả năng phân giải sinh học càng giảm Khi

độ dài tăng và khối lượng phân tử đạt đến 500 thì chúng không còn là nguồn carbon cho vi sinh vật được nữa

Khả năng phân giải các hydrocarbon dầu mỏ có thể sắp xếp theo thứ tự giảm dần sau đây: n-alkan > alkan mạch thẳng phân nhánh > alken phân nhánh > n-alkyl chứa vòng thơm phân tử lượng thấp > hợp chất một vòng thơm > alkan vòng > hợp chất thơm đa nhân > asphalten (Phạm Văn Ty, Vũ Nguyên Thành, 2007)

2.2 Sự ô nhiễm dầu mỏ

Dầu mỏ đóng vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế của mọi quốc gia nên việc thăm dò, khai thác, vận chuyển dầu mỏ luôn diễn ra sôi động và điều này dẫn đến nguy cơ ô nhiễm dầu

Dầu mỏ được tích tụ dưới lòng đất là kết quả của sự phân hủy kỵ khí của các vi sinh vật trong một thời gian dài Dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, các hợp chất hữu cơ được biến đổi thành ga tự nhiên, dầu thô lỏng, đá phiến dầu, nhựa đường Với nhiệt độ dưới lòng đất thì đá phiến dầu và nhựa đường không thể chảy ra, nhưng dầu thô là một chất lỏng thì nó sẽ thoát ra bề mặt

Dầu thô và các sản phẩm của dầu như BTEX và PAHs thoát ra ngoài môi trường

từ những thùng chứa bị rò rỉ, tràn dầu và các tai nạn xảy ra trong quá trình vận chuyển làm ô nhiễm môi trường và có mặt trong danh sách các chất thải nguy hại (Alan Scragg, 1998)

Hàng năm thất thoát dầu ra môi trường là rất lớn Một vài ví dụ điển hình như :

- Năm 1979, một vụ nổ giếng dầu ở Mexico làm cho mỗi ngày tràn 10 – 30 ngàn thùng dầu ra vịnh trong nhiều tháng

- Năm 1989, tàu Exon Valdez đã làm tràn 41 triệu m3 dầu ra vịnh Alaska làm ảnh hưởng đến đời sống của nhiều loại động vật như chim, cá voi, cá hồi, đại bàng đầu trọc,…trong một thời gian dài

- Chiến tranh Vùng Vịnh năm 1991 đã làm cho 0,82 triệu tấn dầu thải ra môi trường

- Năm 1994, tàu chở dầu của Malaysia gặp sự cố làm tràn 1890 tấn dầu diezen

và 100 tấn mazut làm cho hàng chục km2 ruộng lúa và diện tích nuôi trồng thủy sản ở Cần Giờ và Nhà Bè – Thành Phố Hồ Chí Minh bị ô nhiễm nặng

- Năm 2002, tàu Prestige của Hy Lạp bị gãy làm đôi, làm tràn ra mỗi ngày 125 tấn dầu và dải dầu kéo dài đến 250km dọc bờ biển Tây Ban Nha

- Việt Nam là nước sản xuất dầu không lớn nhưng tình trạng ô nhiễm dầu cũng khá nghiêm trọng Mỗi năm có khoảng 5 – 6 vụ tai nạn tràn dầu

Năm 2005, tại Cảng Cát Lái cũng xảy ra sự cố làm tràn hơn 100 tấn dầu

(Phạm Văn Ty, Vũ Nguyên Thành, 2007)

Sự ô nhiễm dầu mỏ tương đối phức tạp và khá độc hại, gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sống của chúng ta

Hình 2.1 Ô nhiễm dầu trên đất

( http://postconflict.unep.ch)

Hình 2.2 Ô nhiễm dầu trên biển

(http://schemaroot.org/technology/e nergy/petroleum/spills/)

Có các nguồn gây ô nhiễm dầu mỏ đặc trưng là: khoan và khai thác dầu, vận chuyển, nhà máy lọc dầu, các kho xăng dầu

Hình 2.3 Các sự cố dầu tràn trên biển

(www.conservationinstitute.org/oc tion.htm http://www.taringa.net/posts/imagenes/2904171/Barcos-hundidos.html)

Khoan và khai thác dầu: nước sản xuất và cặn bùn khoan là nguồn gây ô nhiễm,

ở ngoài thềm lục địa, giàn khoan và nước thải ít gây ảnh hưởng xấu so với trên đất liền

Vận chuyển dầu thô và các sản phẩm đã chế biến từ dầu: do dầu tràn, rớt ra khỏi tàu hoặc nước dưới hầm tàu xả ra bến cảng, hoặc tàu gặp sự cố trên đường vận chuyển Các nhà máy lọc dầu: nước thải từ các công đoạn tiến hành lọc dầu đặc biệt là công đoạn cracking Trong nước thải của nhà máy này có nhiều xút, nhiều hóa chất khác, S2-, R-SH, phenol…

Các kho xăng dầu: nước từ các kho, bồn rò rĩ, nước từ quá trình súc rửa tàu, bồn…nước thải chủ yếu là các hydrocarbon, dầu nặng

Công nghiệp hóa dầu: sản xuất khí tổng hợp, liên hợp olefin, liên hợp chất thơm Nước thải từ các nhà máy này ô nhiễm từ nguồn nguyên liệu thô, các dung môi, chất xúc tác trong quá lọc dầu…

Nhìn chung nước nhiễm dầu hay ô nhiễm dầu mỏ được tóm tắt như sau:

Nước thải dầu mỏ chứa nhiều chất hữu cơ có khả năng bị phân hủy bởi vi sinh vật, chứa nhiều chất không tan trong nước chúng thường ở trạng thái nhũ tương, trạng thái lơ lửng, trạng thái khí hòa tan Nước thải này chứa ít hoặc không chứa hai chất cơ bản cho sự phát triển của vi sinh vật là các hợp chất chứa nitơ và các hợp chất chứa photpho Và chứa ít hoặc không chứa các chất khoáng cần thiết cho sự phát triển vi sinh vật Do đó trong công nghệ xử lý chất thải cần phải cung cấp thêm những chất này ở mức độ cân đối cần thiết để vi sinh vật có thể phát triển được trong đó và tham gia vào quá trình phân giải tốt hơn (Trần Công Phát, 2004)

Sự ô nhiễm bởi dầu mỏ đã để lại những hậu quả cho môi trường sinh thái, môi trường sống của các sinh vật

Hình 2.4 Hậu quả của ô nhiễm dầu trên biển

(http://www.dogonews.com; http://www.pacificariptide.com)

Hình 2.4 Hậu quả của ô nhiễm dầu trên biển

( http://www.treehugger.com; http://www.pacificspirit.org.)

2.3 Xử lý ô nhiễm dầu trong môi trường nước

Ở môi trường nước, đặc biệt là môi trường biển, việc xử lý tràn dầu rất phức tạp

thường lúc đầu dùng phương pháp vật lý để thu gom (bằng phao vây, bơm hút hoặc

tấm thấm), sau đó xử lý tiếp bằng biện pháp sinh học

Dầu thô khi thoát ra khỏi môi trường biển, không hòa tan với nước biển mà nổi

lơ lửng trên bề mặt Những hợp chất này tuy không tan trong nước nhưng có thể di

chuyển làm ô nhiễm nguồn nước ngầm

Một số thành phần thoát ra sẽ bốc hơi, một số khác nổi trên mặt nước bị phân tán theo

hoạt động của sóng biển Sự phân tán này xảy ra theo tự nhiên, phụ thuộc vào thời tiết

Sự phân hủy các hyrocarbon do vi sinh vật, xảy ra tốt ở mặt phân cách giữa dầu

và nước, diện tích lớn thì sự phân hủy cũng nhanh hơn Thành phần dầu ít hòa tan và

phức tạp, những chất có khối lượng phân tử lớn thì bị phân hủy chậm hơn so với dầu

nhẹ Giai đoạn đầu trong việc phục hồi và làm sạch dầu tràn là ngừng sự thoát ra và

ngăn cản việc tràn dầu Dầu trên bề mặt có thể được thu gom lại bằng các biện pháp

vật lý như dùng máy có muỗng vớt để thu gom lại, dùng phao để thu hẹp phạm vi dầu

loang…Quá trình phục hồi và làm sạch này phụ thuộc vào vị trí và mức độ tràn dầu,

điều kiện thời tiết và bản chất của dầu

Xử lý dầu bằng phương pháp hóa học có thể sử dụng đối với dầu nổi lơ lửng và

dầu dính vào bờ đá ,bờ cát trên biển Nhưng biện pháp này thường sử dụng các chất

tẩy rửa vì vậy có thể gây tổn hại đến môi trường

Cả hai biện pháp vật lý và hóa học đều có hiệu quả trong xử lý ô nhiễm dầu, tuy

nhiên với biện pháp vật lý thì không thể thu gom được hết tất cả lượng dầu tràn ra môi

trường, biện pháp hóa học có thể gây ra tác dụng ngược lại với môi trường Vì vậy mà biện pháp sinh học đang ngày càng được quan tâm

Dầu thô có thể bị phân hủy bởi quần thể vi sinh vật bản địa, các vi sinh vật này có khả năng sử dụng hydrocarbon làm nguồn dinh dưỡng để phát triển Tuy nhiên nguồn cung cấp nito và photpho cho vi sinh vật sử dụng là có giới hạn vì vậy để sự phân hủy dầu tốt hơn thì cần phải bổ sung nguồn nito, photpho và một số chất khoáng (Alan Scragg, 1998)

Cần phải phân tích tình trạng ô nhiễm, loại dầu, số lượng quần thể vi sinh vật, để từ đó tính toán chất dinh dưỡng cần thiết và lượng vi sinh vật cần bổ sung Ở Israel, công nghệ bón phân dạng polyme có bổ sung các chủng vi sinh vật đã được phát triển Đây là loại phân bón đặc biệt chứa nguồn nito, phospho mà chỉ có vi sinh vật bổ sung mới sử dụng được, do đó không sợ cạnh tranh dinh dưỡng với các vi sinh vật bản địa không có khả năng phân giải các hydocarbon (Phạm Văn Ty, Vũ Nguyên Thành, 2007)

2.4 Xử lý ô nhiễm dầu trong môi trường đất

Trong môi trường đất có số lượng lớn vi sinh vật, trong đó có cả những vi khuẩn

và nấm có thể sử dụng hydrocarbon làm nguồn dinh dưỡng và chiếm khoảng 1% trong tổng thể vi sinh vật, khoảng từ 104 – 106 tế bào/gam đất Thêm vào đó là vi khuẩn lam, tảo cũng được tìm thấy là có thể sử dụng phân hủy hydrocarbon Các vi sinh vật này thì được tìm thấy nhiều trong đất nhiễm hydrocarbon hơn là đất không nhiễm hydrocarbon, và đồng thời sự đa dạng của vi sinh vật cũng bị giảm đi

Các hợp chất hữu cơ trong môi trường sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, các yếu

tố này ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và trao đổi chất của vi sinh vật

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của vi sinh vật:

- Sự phân hủy sinh học của các vật liệu hữu cơ khác

- Sự có mặt của các hợp chất vô cơ có chứa nito và phospho

- Nồng độ oxy

- Nhiệt độ, pH

- Sự có mặt của nước, độ ẩm của đất

- Số lượng và loại vi sinh vật hiện diện

- Tồn tại của kim loại nặng

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân hủy các hợp chất:

- Sự tăng trưởng và trao đổi chất của vi sinh vật

- Cấu trúc hóa học của các hợp chất hữu cơ

- Khả năng hòa tan

Sự phân hủy sinh học của hydrocarbon liên quan với sự tăng trưởng và trao đổi chất của vi sinh vật Và do đó bất kỳ yếu tố nào ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của vi sinh vật thì cũng ảnh hưởng đến sự phân hủy Nếu vi sinh vật không sử dụng hydrocarbon là nguồn năng lượng duy nhất thì cần bổ sung thêm các cơ chất tăng trưởng Và các vi sinh vật cũng cần có sự bổ sung các hợp chất chứa nito và phospho

Sự phân hủy các hydrocarbon trong điều kiện hiếu khí thì nhanh hơn trong điều kiện kỵ khí Nếu quá trình phân hủy đòi hỏi nhanh chóng thì cần cung cấp nhu cầu oxy cần thiết để duy trì điều kiện hiếu khí tạo điều kiện thuận lợi cho sự phân hủy Trạng thái của đất làm ảnh hưởng đến sự vận chuyển oxy, với đất tơi xốp thì sự vận chuyển oxy thuận lợi hơn là đất bị ngập nước

Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự tăng trưởng vi sinh vật, nếu nhiệt độ quá thấp thì tốc

độ phân hủy sẽ chậm

pH của đất ảnh hưởng đến quá trình tăng trưởng vi sinh vật và tính hòa tan của các hợp chất bị phân hủy Sự hiện diện số lượng lớn vi sinh vật phân giải hydrocarbon trong đất giúp quá trình làm sạch thuận lợi hơn, nhưng tốt nhất là trong đất có nhiều vi sinh vật có thể gia tăng số lượng trong thời gian sớm nhất Ô nhiễm hydrocarbon có thể liên kết với ô nhiễm kim loại nặng ở mức cao có thể ngăn chặn sự tăng trưởng của

vi sinh vật, phụ thuộc vào nồng độ và loại kim loại

Tỷ lệ phân giải hydrocarbon sẽ phụ thuộc vào cấu trúc của hợp chất, những chất đơn giản, thơm đơn nhân thì dễ bị phân hủy, những hợp chất có cấu trúc phức tạp như PAHs thì không dễ bị phân hủy và có thể không phân hủy trong thời gian dài (Alan Scragg, 1998)

Vì vậy để xử lý ô nhiễm trong môi trường đất cần phân tích các dữ liệu về loại dầu, tổng lượng dầu, địa điểm, loại đất, độ tơi xốp, pH, nhiệt độ, độ sâu ngấm dầu để

từ đó dùng biện pháp kích thích hay tăng cường sinh học

Kích thích sinh học là khi phân giải tự nhiên diễn ra chậm thì cần phải tăng số lượng các vi sinh vật bản địa có khả năng xử lý bằng cách tạo điều kiện cho chúng sinh trưởng, như bổ sung dinh dưỡng khoáng, tạo pH, nhiệt độ, độ ẩm, độ thoáng khí thích hợp Các chất dinh dưỡng được cung cấp dưới dạng phân bón

Tăng cường sinh học là khi quần thể các vi sinh vật bản địa không có khả năng phân hủy các chất hữu cơ lạ hoặc hỗn hợp phức tạp gồm nhiều chất, hoặc do số lượng của chúng quá ít thì lúc đó người ta nghĩ đến việc bổ sung một cách thận trọng các chủng vi sinh vật có chọn lọc, có khả năng phân hủy, đặc biệt là đối với các chất khó phân hủy

Đã có một số chế phẩm vi sinh vật để xử lý ô nhiễm dầu, như chế phẩm oilzapper của Ấn Độ chứa 5 chủng vi khuẩn có thể phân hủy dầu mỏ, chế phẩm Enretech 1 và 2 của Úc vừa là chất thấm dầu vừa phân hủy sinh học dầu, Mỹ có chế phẩm EC.2100P, HTP để xử lý nhiễm dầu trên đất (Phạm Văn Ty, Vũ Nguyên Thành, 2007)

2.5 Vi sinh vật xử lý dầu

Các thành phần của dầu mỏ là các hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy, bị phân hủy

một phần hoặc phân hủy muộn Quá trình oxi hóa sinh học các hợp chất trên trước hết phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của chúng, sự có mặt các nhóm định chức trong phân

tử, độ hòa tan, đồng phân trùng hợp….Ngoài ra còn phụ thuộc vào nhóm vi sinh vật có khả năng phân hủy, có thích nghi hay chưa, có sinh ra các enzym thủy phân tương ứng hay không Thời gian thích nghi của vi sinh vật với môi trường dao động trong khoảng khá rộng: từ vài giờ đến vài trăm ngày hoặc dài hơn Người ta đã chia vi sinh vật có khả năng phân hủy thành 3 nhóm:

Nhóm phân hủy các chất mạch hở: rượu (các ancol) mạch thẳng, andehyde, xeton, axit hữu cơ

Nhóm phân hủy các cơ chất có vòng thơm: benzen, phenol, toluen, xilen…

Nhóm phân hủy hydrocarbon dãy polymetyl (hydrocarbon của dầu mỏ), hydrocarbon no mạch hở-parafin (Trần Công Phát, 2004)

Vi sinh vật phân hủy dầu được phân bố rộng rãi trong tự nhiên.Nhiều vi sinh vật thuộc vi khuẩn nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn có khả năng phân hủy nhiều chất khác nhau, nhưng cũng có loài phân hủy được một loại chất nhất định Có trường hợp một chất nào đó trong điều kiện bình thường không bị vi sinh vật phân hủy, nhưng nếu cung cấp đầy đủ oxi hòa tan và các chất dinh dưỡng thì lại bị vi sinh vật oxi hóa

Các vi sinh vật phân giải được alkan là nhờ chúng tiết enzyme monooxygenase

và dioxygenase tấn công trước tiên vào nhóm metyl ở đầu chuỗi để tạo rượu bậc một sau đó rượu này bị oxi hóa thành aldehyt rồi thành acid béo Acid béo lại bị oxi hóa tiếp nhờ chu trình β-oxi hóa: Phân tử acid béo bị mất đi hai nguyên tử carbon để tạo

thành axetyl-CoA và một phân tử acid mới Axetyl-CoA đi vào chu trình Krebs để tạo năng lượng, thải ra CO2, còn phân tử acid kia tiếp tục chu trình β-oxi hóa Đối với các hydrocarbon mạch nhánh, quá trình phân giải có thể theo sơ đồ sau:

Hydocarbon mạch nhánh→Rượu bậc 2→Xeton →Este →Rượu bậc 1 + acid béo→β-oxy hóa

Aldehyt → acid béo

Như vậy các hydrocarbon sẽ được phân giải đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và

H2O Các hợp chất vòng thơm, đặc biệt là các hydrocarbon đa nhân thường khó bị phân giải hơn so với alkan, thậm chí một số chất rất khó hoặc không thể bị phân giải Điều này có thể là do khối phân giải hydrocarbon vòng thơm đa nhân muốn hoạt động được cần có mặt chất cảm ứng là chất thơm với khối lượng phân tử thấp

Cả hydrocarbon thơm đa nhân và đơn nhân đều bị dioxygenase oxy hóa để tạo thành catechol Vòng thơm đã hydroxyl hóa bị cắt (mở vòng) và chuyển hóa thành các acid formic, pyruvic và axetaldehyt Cấu trúc vòng thơm mật độ cao cũng có thể bị dihydroxyl hóa để mở một vòng Vòng này sẽ bị phân giải thành acid pyruvic, tiếp đó

là vòng thứ hai cũng bị phân giải theo cách như vậy Một số hợp chất thơm như benzene, toluene, có thể bị phân hủy trong điều kiện kỵ khí nhưng với tốc độ chậm (Phạm Văn Ty, Vũ Nguyên Thành, 2007)

Các nhà khoa học đã tìm ra những vi sinh vật có khả năng phân hủy dầu mỏ và khí đốt

Bảng 2.1 Các vi sinh vật có khả năng phân hủy dầu

Vi khuẩn

(1)

Nấm (2)

Tảo (3)

Bảng 2.1 (tiếp theo) Các vi sinh vật có khả năng phân hủy dầu

2.6 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

Tính tới thời điểm hiện nay nước ta đã có một số nghiên cứu về việc làm sạch nước thải nhiễm dầu bằng phân hủy sinh học, nghiên cứu khả năng xử lý dầu thô của một số vi khuẩn Với sự kết hợp giữa Trường đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN, Trường đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Công nghệ sinh học và Viện Hải dương học Nha Trang, 12/2003 trên tạp chí Sinh học số 25(4): 53 - 61 đã đưa ra một số kết quả nghiên cứu việc sử dụng chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong việc phân hủy dầu thô của một số vi khuẩn và cho kết quả khả quan Cùng số ra trên tạp chí này còn có kết quả nghiên cứu của Nguyễn Bá Hữu, Vũ Hồng Nga, Đặng Thị Cẩm Hà, Viện công