VIỆN HOÁ HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ĐẤT BỊ NHIỄM DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH CNĐT: HOÀNG PHƯƠNG LAN 9012 HÀ NỘI – 2011 MỞ ĐẦU Tuy chưa có tiêu chuẩn chất lượng môi trường đất và trầm tích biển, nhưng qua nghiên cứu quan trắc cho thấy môi trường đất biển đang bị biến động theo xu hướng xấu. Việc xây dựng cảng biển, kéo theo sự phát triển của các khu công nghiệp liền kề, dẫn đến rừng bị ngập
mặn, hàng ngàn hécta bãi triều, cỏ biển đang bị phá huỷ bởi chất thải và dầu loang. Hậu quả của sự cố tràn dầu dọc các bờ biển không chỉ gây nhiễm bẩn đất, trầm tích biển mà còn tác động tiêu cực đến đời sống an sinh [1,6]. Mặt khác, quá trình tồn chứa nguyên liệu; xú rửa và vệ sinh bồn bể chứa trong nhà máy, trạm bơm, các phương tiện vận tải, tàu chở dầu, v.v.. nước thải, cặn thải dầu liên tục xả ra môi trường, làm ô nhiễm nghiêm trọng nguồn đất và mạch nước ngầm.
Khi môi trường đất bị nhiễm dầu, thường chứa hydrocacbon thơm, hợp chất chứa lưu huỳnh, đặc biệt là các thành phần khó phân huỷ như n-parafin mạch dài, asphanten, chất nhựa. Nếu không xử lí kịp thời sẽ để lại hậu quả khôn lường. Đã có một số phương pháp xử lý loại dầu như tách dầu bằng phương pháp cơ học, hoá học, đốt, chôn lấp và làm sạch bằng phân huỷ sinh học. Phương pháp phân huỷ sinh học được áp dụng nhiều nhất do dễ ứng dụng và an toàn với môi trường. Hiện
nay, trên thế giới các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu ứng dụng các vi sinh vật phân huỷ dầu và đã đưa ra một số chế phẩm phân huỷ dầu như Entech-1 (Mỹ), LOT 11, SOT (Thụy Sĩ). Tuy nhiên giá thành khá cao. Mặt khác, không phải tất cả các chế phẩm phân huỷ dầu nhập ngoại đều phát huy tác dụng tốt ở Việt Nam, bởi mỗi nhóm vi sinh vật trong các chế phẩm có khả năng thích ứng khác nhau với từng vùng sinh thái, đôi khi 1 chúng bị mất đi khả năng phân huỷ dầu
mạnh [12,18]. Do vậy cần có nghiên cứu thực tế đưa ra chế phẩm thích hợp cho mỗi vùng sinh thái. Gần đây, Trung tâm Công nghệ sinh học - Viện Hoá học công nghiệp Việt Nam hợp tác với một số đơn vị ngoài Viện đã "Nghiên cứu xử lí đất bị nhiễm dầu bằng phương pháp vi sinh" mục đích tạo ra chế phẩm vi sinh xử lí đất nhiễm dầu có hiệu quả cao, phù hợp với điều kiện môi trường Việt Nam, góp phần xây dựng và hoàn thiện phương pháp xử lí ô nhiễm dầu trong đất theo hướng phân
huỷ sinh học. Nội dung nghiên cứu - Tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ dầu và các sản phẩm của dầu cao - Nghiên cứu quá trình lên men thu sinh khối vi sinh vật - Xử lí thu sinh khối vi sinh vật và tạo chế phẩm - Đánh giá khả năng xử lí đất bị nhiễm dầu của chế phẩm. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. THỰC TRẠNG ĐẤT NHIỄM DẦU Ở VIỆT NAM Ô nhiễm dầu không chỉ ảnh hưởng tới môi trường biển mà còn ảnh hưởng tới môi trường đất. Đất nhiễm dầu
gây tác hại nghiêm trọng (vd: tai nạn dầu Neptune và các tàu dầu ở Cát Lái, Nhà Bè, Cần Giờ): làm chậm, giảm tỉ lệ nẩy mầm, ngăn sự phát triển của thực vật, làm thay đổi sự vận chuyển các chất dinh dưỡng trong đất. Từ khu dự trữ sinh quyển Cát Bà (Hải Phòng) đến khu dự trữ sinh quyển Cần Giờ (Bà Rịa - Vũng Tàu) và cả vịnh Vân Phong (Khánh Hoà), đất và trầm tích đều bị nhiễm bẩn dầu cùng một số kim loại nặng... Kết quả phân tích 6 mẫu đất lấy từ vùng nuôi nghêu ở bãi
bồi ven biển Trà Vinh cho thấy, tất cả đều có hàm lượng dầu hỏa vượt mức giới hạn cho phép từ 0,3 mg/kg trở lên; mẫu đất bùn thu tại xã Đông Hải, huyện Duyên Hải có hàm lượng dầu hỏa lên đến 8,3 mg/kg. Các nhà chuyên môn xác định, đây là nguy cơ hủy diệt hệ sinh thái biển, nguyên nhân chính làm cho nghêu nuôi bị rối loạn tiêu hóa, rối loạn hô hấp…dẫn đến chết. Theo Báo cáo hiện trạng ô nhiễm vùng ven biển Việt Nam gần đây nhất, Vịnh Hạ Long được đánh giá là có mức độ ô
nhiễm dầu nặng nhất. Hàm lượng dầu trong trầm tích ven bờ hai bên Cửa Lục đạt mức độ cao nhất 752,85 mg/kg [6, 23]. Hiện nay, các vùng đất biển vẫn còn bị ảnh hưởng tồn dư bởi ô nhiễm dầu (OND) 2007 là Quảng Nam- Đà Nẵng, Bà Rịa - Vũng Tàu... Qua lấy mẫu phân tích để tìm nguyên nhân loại dầu gây ô nhiễm, kết quả ban đầu được Cục Bảo vệ môi trường (Bộ Tài nguyên - Môi trường) xác định, OND khu vực miền Trung là loại dầu thô, có hàm lượng lưu huỳnh thấp, hàm 3
lượng parafin cao. Phân tích các hợp chất đánh dấu sinh học trong một số mẫu dầu ô nhiễm, phân tích ảnh vệ tinh và lan truyền dầu cho thấy ít có khả năng OND có nguồn gốc từ các loại dầu thô đang khai thác ngoài khơi Việt Nam. Dầu ô nhiễm khu vực tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu là dầu thô không cùng nguồn gốc với loại xuất hiện ở miền Trung, có hàm lượng lưu huỳnh thấp, tương tự nhóm dầu thô đang khai thác ngoài khơi khu vực Đông Nam á và có hầu hết các chỉ số nhận dạng
nằm trong khoảng biến thiên của một số mẫu dầu thô đang khai thác ngoài khơi Việt Nam. Đáng lưu ý là từ năm 1997 đến nay, Việt Nam đã xảy ra trên 60 vụ tràn dầu tại các vùng sông và biển, gây OND nghiêm trọng tại một số địa phương. Theo mức độ gia tăng của vận tải biển, khai thác dầu khí và công nghiệp hóa, lượng dầu tràn gây ô nhiễm biển Việt Nam năm 2000 là 17.650 tấn, đến năm 2010 lên trên 21.000 tấn. Vịnh Bắc Bộ và vùng biển Trung Nam là những khu vực trọng điểm
về OND. Tại xã Hải Ninh, huyện Quảng Ninh, Quảng Bình, hiện tượng dầu vón cục luôn xuất hiện trên bờ biển. Ở bờ biển miền Trung cứ đến tháng 3 đến tháng 4 hàng năm lại xuất hiện dầu tràn không rõ nguyên nhân. Vùng biển Trường Sa và tuyến hàng hải quốc tế có hàm lượng dầu trong nước biển thuộc loại cao nhất (đặc biệt vào mùa hè), chỉ sau vịnh Bắc Bộ. Qua ảnh vệ tinh có thể thấy nhiều vệt dầu trên các tuyến hàng hải dọc hải phận Việt Nam. Các tàu chở dầu làm thoát ra
biển 0,7% tải trọng của chúng trong quá trình vận chuyển thông thường. Sóng biển và gió đều có chiều hướng đưa lượng dầu thoát ra tấp vào bờ biển Việt Nam. Nguyên nhân gây OND là từ quá trình vận tải và các tai nạn hàng hải đối với tàu chở dầu, hoặc tràn dầu từ các giàn khoan ( giàn khoan Việt Nam hoặc từ giàn khoan các nước lân cận khai thác trong khu vực biển Đông ) hoặc từ các miệng dầu không 4 được bịt kín, gây thất thoát dầu, làm ô nhiễm môi trường. Những
sự cố đó được phát hiện kịp thời và đã có hướng xử lý nhưng cũng để lại nhiều hậu quả xấu [6]. Dầu có thể tiêu diệt trực tiếp hầu hết các thực vật, động vật, sinh vật trong đất. Khi trên bề mặt đất có một lớp dầu mỏng cản trở quá trình trao đổi chất các sinh vật đất làm chúng chết dần. Dầu làm thay đổi cấu trúc, đặc tính lý học, hóa học của đất, chúng biến các hạt keo thành “trơ”, không có khả năng hấp phụ và trao đổi nữa, làm cho vai trò đệm, tính oxy hóa, tính
dẫn điện, dẫn nhiệt của môi trường đất thay đổi mạnh. Chất ô nhiễm dầu trong đất chủ yếu kìm hãm quá trình vận chuyển, bay hơi và phân hủy sinh học. Khi nhiên liệu động cơ bị rò rỉ từ những thùng chứa chảy tràn vào đất. Tác động của lực hấp dẫn kéo các chất lỏng theo chiều đi xuống, ngược với lực giữ, các chất lỏng đó hoặc là sẽ hấp thụ trên hạt khoáng hoặc là nằm trong lỗ hổng cấu trúc của đất. Dầu khó bị phân hủy bởi các vi sinh vật đất. Mặt khác, đất là môi trường
không thể pha loãng các chất thải, nên dầu có tác hại lâu dài trong đất. Ở những khu đất bị nhiễm dầu, dầu sẽ che lấp khe hở và mao quản của đất, gây tắc các đường dẫn nước trong đất làm cho đất cằn cỗi. Vì nguyên nhân này mà vi sinh vật đất không có khả năng tồn tại, phát triển do dầu ngăn cản khả năng hô hấp và phá hủy môi trường cung cấp thức ăn cho vi sinh vật đất [1, 10]. 1.2. ĐẶC ĐIỂM VÀ CẤU TẠO CỦA DẦU MỎ Dầu mỏ là khoáng vật lỏng sánh, màu nâu sáng đến nâu đen
hoặc xanh thẫm, có mùi đặc trưng, khối lượng riêng từ 0,65 đến 1,05 g/cm3, tan trong các dung môi hữu cơ, không tan trong nước và có nhiệt độ sôi thấp hơn 2500C. 5 Đặc điểm vật lí: Khi dầu tràn trên biển chúng có xu hướng lan rộng tạo thành lớp bao phủ mặt nước hình thành một lớp dầu bóng và dễ bị bay hơi Dưới sự tác động của sóng, gió làm nước và dầu lẫn vào nhau tạo thành nhũ dầu. Nhũ dầu có chứa nhiều nước biển nên rất nhớt, làm tăng diện tích bề
mặt do đó tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật tấn công và phân huỷ dầu một cách dễ dàng Đặc điểm hóa học: Mỗi loại dầu mỏ được đặc trưng bởi thành phần riêng song về bản chất, chúng đều có thành phần chính là hydrocacbon, chiếm 60 đến 90% trọng lượng dầu; còn lại là các chất chứa oxy, lưu huỳnh, nitơ, các phức cơ kim, các chất nhựa, asphaten .. Ngoài các nguyên tố chính là hydro và cacbon, trong dầu còn có mặt các nguyên tố khác như lưu huỳnh chiếm 0,1 đến
0,7%; nitơ chiếm 0,001 đến 1,8%; oxy chiếm 0,05 đến 1%. Hydrocarbon là thành phần chính của dầu mỏ, hầu như tất cả các loại hydrocarbon (loại trừ olefin) đều có mặt trong dầu mỏ. Bằng các phương pháp hoá lý, người ta đã xác định được hơn 400 loại hydrocarbon khác nhau Hình 1.1. Thành phần các hợp chất hữu cơ có trong dầu mỏ 6 Thành phần phi hydrocacbon - Các chất chứa lưu huỳnh: Là loại hợp chất phổ biến nhất, đã xác định được khoảng 380 hợp chất chứa
lưu huỳnh trong khoảng 450 hợp chất có trong dầu - Hợp chất chứa nitơ: thường có mặt rất ít trong dầu mỏ (0,01 đến 1% trọng lượng) như pyridin, pyrol… Ngoài ra còn có các hợp chất chứa oxy (phenol); kim loại nặng (có trong cấu trúc của các phức cơ kim như V, Fe, Cu, Zn…) và nước lẫn trong dầu mỏ Cấu tạo hydrocarbon trong thành phần dầu cũng ảnh hưởng đến sự phân huỷ dầu của vi sinh vật. Các n-alkan mạch thẳng bị phân huỷ mạnh nhất, sau đó đến ankan mạch nhánh,
hydrocarbon thơm có trọng lượng phân tử thấp, hydrocarbon có trọng lượng phân tử cao, cuối cùng là các hợp chất phân cực. Các n-alkan có độ dài từ C10-C19 thường bị phân huỷ nhanh nhất tuy nhiên trong môi trường chúng bay hơi rất nhanh. Các chuỗi n-alkan dài (C>19) thường tồn tại ở dạng rắn, độ hoà tan trong nước rất thấp do đó khó bị phân huỷ bằng con đường sinh học. Toluen, benzen, ethylbenzen và xylen (TBEX) là các hợp chất hydrocacbon thơm đơn nhân dễ bay
hơi, có trong xăng (2-8 %) dễ tan trong nước, khó bị phân huỷ và là các chất gây ô nhiễm nước ngầm. Các hợp chất hydrocarbon thơm đơn nhân có nhóm chức gắn với nhân benzen khác nhau sẽ ảnh hưởng đến khả năng phân huỷ của vi sinh vật [3, 9,10]. 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ Ô NHIỄM DẦU 1.3.1. Phương pháp cơ học 7 Sau các sự cố tràn dầu không rõ nguyên nhân, đã có những giải pháp tức thời để thu gom dầu tràn trên nước là sử dụng bơm hút, phao quây để tránh
dầu lan trên diện rộng Nhưng các biện pháp cơ học này chỉ giúp thu gom được 10 – 40% lượng dầu tràn. Khi dầu tràn trên đất hoặc dầu tràn trên nước xâm nhập vào bờ biển, bờ sông, đốt đất, rửa đất để loại bỏ dầu lẫn trong đất là điều không khả thi. Xúc đất, cát nhiễm dầu chuyển đi nơi khác là việc làm cực kì tốn kém và cũng chỉ là “đánh bùn sang ao”. Để càng lâu dầu càng ngấm xuống sâu. Dầu bị nước thủy triều rửa trôi hay bị các lớp đất khác lấp lên, đã ngấm sâu xuống
dưới, không thể tự phân hủy, làm nhiễm độc lâu dài môi trường đất và nước ngầm. Một lượng lớn dầu tràn không thể thu gom được sẽ nhũ tương từng phần trong nước, xâm nhập vào bờ gây thiệt hại nghiêm trọng đối với môi trường nước và đất, đặt biệt là đối với các vùng nuôi thủy sản. 1.3.2. Phương pháp hóa học Phương pháp này được dùng khi việc xử lý OND bằng biện pháp cơ học hay các biện pháp khác không hiệu quả hay chưa triệt để. Phương pháp hóa học thường sử dụng
các chất phân tán, các chất phá nhũ tương dầu – nước, các chất keo tụ và hấp thụ dầu. - Chất phân tán : có thành phần chính là những chất hoạt động bề mặt gồm phần ưa nước (hydrophilic) và phần ưa dầu (oleophilic). Mục đích của việc sử dụng chất phân tán là loại bỏ dầu trên bề mặt của biển và chuyển nó vào trong cột nước làm pha loãng nồng độ độc hại của dầu, làm cho dầu bị xuống cấp, giảm sự di chuyển của dầu. Phun chất tăng độ phân tán lên dầu thô tràn có hiệu quả
nhanh chóng, cơ động để loại bỏ dầu khỏi bề mặt nước biển. Tuy nhiên, việc sử dụng chất phân tán ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái 8 biển, sinh vật tiếp xúc với dầu phân tán: san hô, động vật biển,…Chất phân tán không có khả năng phân tán tất cả các loại dầu trong mọi điều kiện. Một số sản phẩm như : Tergo, R -40 @, Ardrox 6. 120 #, Albisol WD,.. Quá trình hoạt động của chất phân tán hóa học được mô tả qua sơ đồ sau : Hình 1.2. Quá trình hoạt động của chất
phân tán hoá học Trong đó: A. Các giọt phân tán chứa các chất hoạt động bề mặt được bơm vào vết dầu loang. B. Dung môi mang chất hoạt động bề mặt xâm nhập vào trong dầu. C. Phân tử chất hoạt động bề mặt thâm nhập vào bề mặt dầu trên nước và làm giảm liên kết bề mặt của dầu trên nước. D. Chất phân tán phá vỡ liên kết dầu trên nước. Các giọt dầu nhỏ được tách ra từ mảng dầu loang, phân tán vào trong nước. E. Các giọt dầu phân tán bằng hỗn hợp hỗn độn, chỉ chuyển
lớp váng trên mặt nước. - Chất hấp thụ dầu (Sorbents) : là những chất hữu cơ, vô cơ tự nhiên hoặc tổng hợp. Chất hấp thụ hữu cơ gồm: rêu, bùn, mùn cưa, lông và một số vật 9 liệu tự nhiên khác chứa cacbon. Chất hấp thụ vô cơ tự nhiên: đất sét, cát, tro núi lửa. Chất hấp thụ tổng hợp do con người tạo ra như: polyethylene, polyester xốp, hoặc polystyrene. Các chất hấp thụ sẽ hấp thụ các hỗn hợp dầu tràn ở dạng nguyên, nhũ hóa từng phần, hay bị phân tán
trên mặt nước. Dầu sẽ hình thành một lớp chất lỏng trên bề mặt của chất hấp thụ. Đặc biệt chúng chỉ hút dầu chứ không hút nước. Các sản phẩm như: enretech cellulosorb, corbol,… Các chất hấp thụ dầu dùng cho xử lí dầu tràn trên mặt nước. Sản phẩm Corbol chỉ dùng ở những vùng lặng sóng. Enretech cellulosorb được sử dụng ở các khu vực cảng, cầu tàu, vịnh bãi biển, rừng ngập mặn,… và bất cứ nơi nào có nguy cơ xảy ra sự cố tràn dầu trên nước. Hiện nay thế giới đã áp
dụng một số phương pháp xử lí đất nhiễm dầu: - Công nghệ sử dụng chất phân tán hoá học - Phân huỷ sinh học (phương pháp sinh học) Nhưng khi áp dụng công nghệ xử lý dầu bằng các chất hoá học cần thận trọng với môi trường, tránh gây ngộ độc hay làm ô nhiễm môi trường bởi các chất hoá học. Với điều kiện nền kinh tế Việt Nam hiện nay chưa thích hợp để áp dụng biện pháp xử lý đất nhiễm dầu bằng phương pháp hoá học vì công nghệ xử lý này rất tốn kém và yêu cầu kĩ thuật cao
[1,3,18]. 1.3.3. Phương pháp sinh học Phương pháp xử lí đất nhiễm dầu bằng phân huỷ sinh học ngày càng phát triển nhờ đặc tính ưu việt và khả năng xử lí: có tính khả thi cao, hiệu quả tốt, đặc biệt phương pháp này không gây độc hại hay làm ô nhiễm môi trường như một số phương pháp khác. Trên thế giới công nghệ phân hủy sinh học đã và đang được quan tâm đặc biệt. Ở Việt Nam, Công ty xử lý dầu quốc tế (OTI – Thụy Sĩ) đã đưa tới “Công nghệ phân hủy dầu bằng vi 10
sinh”, khắc phục nhanh sự cố đất nhiễm dầu với các sản phẩm đặc tính ưu việt là không độc hại, xử lý dầu hoàn toàn bằng quá trình tự nhiên [1]. Tuy nhiên giá thành khá cao. 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN HUỶ SINH HỌC Khái niệm phân huỷ sinh học (bioremediation) mô tả quá trình sử dụng vi sinh vật xử lí các hệ thống bị ô nhiễm. Trong đó vi khuẩn được sử dụng nhiều nhất, tuy nhiên nấm và thực vật bậc cao cũng góp phần xử lí ô nhiễm. Bản chất của cứu chữa sinh học là
cố gắng thúc đẩy sự phân huỷ sinh học trong tự nhiên. Khi môi trường bị ô nhiễm dầu, các vi sinh vật có khả năng sử dụng dầu làm thức ăn lập tức phát triển. Tuy nhiên sự thành công của việc ứng dụng chúng để xử lí ô nhiễm dầu phụ thuộc vào khả năng tối ưu hoá các điều kiện khác nhau về sinh học, hoá học, địa chất… giúp cho vi sinh vật sinh trưởng mạnh mẽ nhất, thời gian nhanh nhất. Hình 1.3. Sơ đồ xử lí ô nhiễm dầu bằng phương pháp phân huỷ sinh học 11
Công nghệ phân huỷ sinh học được chia thành hai nhóm chính là phân huỷ in situ và ex situ. Hình 1.4. Các phương pháp phân huỷ sinh học đã và đang được áp dụng 1.4.1. Phân hủy sinh học tại chỗ (in situ) Phân hủy sinh học tại chỗ gồm những công nghệ khác nhau nhằm giảm tối đa các tác động vào vùng ô nhiễm, không cần phải khai quật vùng ô nhiễm cũng như các hệ thống bơm xử lý phức tạp trên quy mô sâu và rộng. Điều này góp phần hạ giá thành và có thể giải quyết
các vấn đề tồn tại khi đồng thời ứng dụng cùng một lúc nhiều phương pháp khác nhau. Hầu hết quá trình xử lý in situ kích thích các tập đoàn vi sinh vật bản địa, hoạt hoá khả năng trao đổi chất và khả năng phân huỷ các chất ô nhiễm của chúng. Phân huỷ sinh học in situ chia làm ba nhóm chính là kích thích sinh học, làm giàu sinh học và xử lý kỵ khí - Xử lí kị khí : Khi lượng oxy hoà tan qua thấp, hydrocarbon sẽ bị phân huỷ với tốc độ rất hạn chế, trong khi đó các
quá trình phân huỷ kỵ khí diễn ra nhanh hơn. Thực nghiệm cũng như các nghiên cứu nhiệt động học cho thấy sự khử clo của các hợp chất halogen đôi khi tốt hơn trong điều kiện kỵ khí. 12 - Làm giàu sinh học (Bioaugmentation) : là phương pháp xử lí mà trong đó ngoài việc tối ưu hoá các điều kiện dinh dưỡng, đưa vào một số vi sinh vật chọn lọc có khả năng phân huỷ cao, bổ sung cùng với quần xã sinh vật bản địa trong môi trường bị ô nhiễm để tăng cường khả năng phân
huỷ dầu. - Kích thích sinh học (Biostimulation) : là phương pháp xử lí lấy quần xã sinh vật bản địa làm trung tâm, các đặc điểm sinh học và sinh thái của chúng được nghiên cứu kỹ qua đó đưa các chất dinh dưỡng hữu cơ, vô cơ cùng các chế phẩm sinh học với một tỉ lệ thích hợp nhằm kích hoạt tập đoàn vi sinh vật có khả năng phân huỷ dầu bản địa làm sạch môi trường. Bioaugmentation có tiềm năng trong việc xử lí các hợp chất dầu ở nơi vi sinh vật bản địa làm việc không
hiệu quả như vùng đất đá sỏi, đất cát. Ở Nga đã sử dụng chế phẩm Devoroie gồm hỗn hợp vi khuẩn Rhodoccocus và Candida làm sạch ô nhiễm dầu ở vùng đất cát. Biostimulation được chứng minh là một công cụ hứa hẹn xử lí triệt để các bờ biển bị ô nhiễm dầu theo phương pháp hiếu khí. Một nhân tố chủ chốt tạo nên thành công của phương thức này là duy trì mức độ dinh dưỡng tối ưu. Trong trường hợp hàm lượng dầu cao có thể bổ sung các vi khuẩn và chế phẩm khác như chất hoạt hóa
bề mặt để tăng tốc độ phân huỷ sinh học… Chủng vi khuẩn bổ sung phải được phân lập từ chính môi trường bị ô nhiễm. Các chế phẩm khác nhau đưa vào xử lí ô nhiễm cho các kết quả khác nhau phụ thuộc vào đặc tính của dầu, hàm lượng dinh dưỡng tự nhiên và đặc điểm của vùng bị ô nhiễm. Nói chung các chế phẩm thương mại có hiệu quả hơn các loại phân bón nông nghiệp trong việc thúc đẩy sự phân huỷ dầu. Hiện nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của sinh học phân tử, phân loại học,
có thể giám sát quá trình phân huỷ sinh học thông qua biến động số lượng 13 quần thể vi sinh vật chiếm ưu thế trong môi trường ô nhiễm, nhờ đó phương án phục hồi sinh học môi trường ô nhiễm dầu trở nên hấp dẫn các nhà quản lí do giá rẻ, an toàn, độ tin cậy cao [1, 9,12,14,17]. 1.4.2. Phân hủy sinh học không tại chỗ (ex situ) Các phương pháp xử lý ex situ mang tính không an toàn cao, giá cả đắt và rủi ro lớn vì yêu cầu của quá trình xử lý chất ô nhiễm phải
được cân bằng với lợi ích mà nó mang lại. Phương pháp này kéo theo sự di chuyển của các chất ô nhiễm tới các vùng không ô nhiễm và được kiểm soát tại cùng một địa phương hoặc địa phương khác. 1.5.VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ô NHIỄM DẦU 1.5.1. Vi sinh vật phân huỷ cacbua hydro Hàng loạt các nghiên cứu cho thấy có rất nhiều loài vi sinh vật có khả năng phân giải dầu mỏ [4,9,10,14]. Có thể tóm tắt các chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ dầu mỏ ở bảng 1.1.
Bảng 1.1. Các chủng vi sinh vật phân huỷ dầu mỏ Cacbuahydro Metan Vi sinh vật phân huỷ Methanomonas sp Bacillus Hecxandecan Cadida Tropicalis Micrococcus cerificans Pseudomonas aeryginosa Bacillus Thermophil Oxandecan Candida sp Mycobacterium lacticolum M.Rubum vas propanicum M.flavum vas math nicum Nocardia sản phẩm Pseudomonas aeruginosa C10-C20 Candida lipolytica Mycobacterium phlei
14 Nocardia sp C12-C15 C13-C19 C14-C18 C14-C19 C15-C28 n-parafin Candia guilliermodi Micrococu cerificans Candia intermetia Torulopsis Candia tropicalis lipolytica C.pelliculosa C.Intermedia Candia Intermedia và C.lipolytica Candida albicans C.tropicalis Candida lipolytica Pseudomonas 1.5.2. Cơ chế phân huỷ các hợp chất cacbuahydro Vi sinh vật sử dụng hydrocacbon làm nguồn dinh dưỡng, năng
lượng cho sự sinh trưởng và phát triển. Việc sử dụng các hydrocacbon của vi sinh vật có thể xảy ra theo hai hướng: - Đối với một số hydrocacbon tan trong nước, vi sinh vật hấp thụ trực tiếp - Với các hydrocacbon khó tan mà có thể tan dưới dạng nhũ tương dầu – nước thì quá trình phân huỷ vi sinh theo trình tự các bước: đầu tiên là hoà tan các hydrocacbon dưới dạng nhũ tương dầu nước do tiết ra các chất hoạt hoá bề mặt sinh học, sau đó vi sinh vật tiếp xúc với dầu, cuối
cùng nó tiết ra các enzyme để chuyển hoá các hydrocacbon thành các chất mà nó có thể sử dụng được. 1.5.2.1. Phân huỷ các alkan Khả năng phân huỷ của các alkan phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của chúng. Thông thường các hydrocacbon bậc 1 và bậc 2 dễ phân huỷ hơn các hydrocacbon bậc 3 và 4. a. n-alkan 15 Quá trình phân huỷ alkan được khơi mào nhờ enzym mono-oxygenaza và di-oxygenaza. Quá trình này đòi hỏi có sự tham gia của một phân tử oxy và chất
cho điện tử NADPH2. Các giai đoạn oxy hoá alkan: * Giai đoạn 1: Tạo thành rượu, xảy ra qua 2 bước Tạo thành hợp chất peoxyt R- CH2- CH3 + O2 —> R- CH2- CH2- OOH Hợp chất peoxyt không bền dưới tác dụng của NADPH2 tạo thành rượu và nước: R- CH2- CH2- OOH + NADPH2 —> RCH2- CH2- OH + H2O + NADP (2) Từ alkan chuyển thành rượu có hai khả năng xảy ra: Tạo thành rượu bậc 1: xảy ra khi nhóm OH gắn vào C bậc 1 (2) Tạo thành rượu bậc hai: khi nhóm OH gắn với C bậc
2: R-CH2-CH2 – OOH + O2 + NADPH2 —> R- CH- CH2 + H2O + NADP | OH * Giai đoạn 2: Rượu bậc 1 tạo thành andehit R- CH2 – CH2 – OH +1/2 O2 —> R- CH2 – CHO + H2O Rượu bậc 2 tạo thành xeton: R – CH – CH3 + 1/2 O2 —> R – CH - CH3 +H2O OH O * Giai đoạn 3: tạo thành axit béo: 16 - Các xeton bị oxy hoá tạo thành este, liên kết este bị phá vỡ tạo ra một axit và rượu bậc một, rượu bậc 1 lại bị oxy hoá thành andehit rồi axit
béo: R- CH2- C- CH3 —>R- CH2-O- C - CH– —>R- CH2 - OH–+ CH3 - CO–H || O - Các andehit bị oxy hoá thành axit béo: R - CH 2- –HO +1/2 O2 —>R - CH2 – –OOH Có trường hợp sự oxy hoá xảy ra ở cả hai đầu của alkan tạo thành các diol, các dicacbonxylic. * Giai đoạn 4: các axit béo bị oxy hoá tiếp nhờ chu trình oxy hoá. Axit béo mạch dài dưới tác dụng của một loại enzym chuyển sang dạng acetyl coenzym A và chuyển hoá tiếp dưới tác dụng của nhiều
enzym khác. Kết quả là sau mỗi chu kì chuyển hoá, một nhóm acetyl CoA bị cắt ra và phân tử axit béo bị cắt đi hai nguyên tử cacbon. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy alkan là CO2 và nước. b. Alkan mạch nhánh Do cản trở về mặt không gian nên khả năng phân huỷ của chúng kém hơn n-alkan. Theo Atlas, các vi sinh vật phân huỷ ưu tiên C bậc1 và bậc 2, còn C bậc 3 và 4 thì khó phân huỷ hơn. Alkan có nhóm metyl ở dầu mạch khó phân huỷ hơn ở giữa mạch. Alkan có
mạch nhánh dài dễ bị phân huỷ hơn alkan có mạch nhánh ngắn. Trong quá trình nghiên cứu sự phân huỷ các alkan mạch nhánh, người ta đề xuất biến dạng của chu trình TCA là chu trình Metylcitrat, thay vào vị trí của axit citric là metylcitrat. c. Cycloalkan 17 Cycloalkan là cấu tử chính của dầu thô. Khơi mào cho sự phân huỷ cycloalkan cũng là các enzym monooxygenaza và oxygenaza. Dưới tác dụng của các enzym này, các cycloankan bị phân huỷ thành các
cycloalkanol. Theo các tác giả, khả năng phân huỷ của cyclohexan là mạnh nhất trong dãy đồng đẳng cycloalkan. Cùng vòng cycloalkan chất nào có mạch nhánh dài hơn thì sẽ dễ phân huỷ hơn. Khi phân huỷ cyclohexan, quá trình hydroxyl hoá được xúc tác bởi enzym oxydaza chức năng tạo ra một rượu mạch vòng. Rượu mạch vòng sẽ bị dehydro hoá để tạo ra xeton, xeton bị oxy hoá tiếp thành lacton. Lacton sẽ bị thuỷ phân, nhóm hydroxyl bị oxy hoá thành một nhóm andehit và một
nhóm cacboxyl. Kết quả là axit dicacboxylic bị biến đổi tiếp nhờ chu trình oxy hoá. Các vi sinh vật có khả năng phát triển trên cyclohexan phải thực hiện tất cả các phản ứng trên. Tuy nhiên ta thường gặp hơn các vi sinh vật có khả năng chuyển cyclohexan thành rượu mạch vòng nhưng không có khả năng lacton hoá và mỏ mạch vòng. Do vậy cơ chế cộng sinh và cùng trao đổi chất (cometabolism) đóng một vai trò rất quan trọng trong phân huỷ sinh học các hợp chất hydrocacbon
mạch vòng. 1.5.2.2. Phân huỷ hydrocacbon thơm Các hydrocacbua thơm và vòng đầu tiên thường được chuyển thành các hợp chất thơm mà trong vòng không chứa các chất nào khác ngoài nhóm oxy. Các hợp chất thơm sẽ được chuyển thành các dẫn xuất octo – hoặc para – dioxyt phenil. Dưới tác dụng của hệ thống enzyme cảm ứng sẽ bị cắt đứt các sản phẩm trao đổi chất trung gian. Phá vỡ vòng thơm nhờ hệ thống 18 enzyme oxygenaza. Enyme này xúc tác việc gắn oxy phân tử vào
cơ chất. Trong quá trình này oxygenaza tham gia gắn lại nguyên tử hydro vào mỗi phân tử cơ chất. Còn monooxygenaza xúc tác việc gắn một nguyên tử hydro. Trước khi vòng bị đứt 1 nguyên tử oxy dưới tác dụng của hydroxylaza sẽ liên kết với cacbua hydro thơm và làm hydoxil hóa, một nguyên tử oxy khác bị khử thành nước ( chất cho hydro là piridin nucleotit, đôi khi cả các hợp chất thơm đã hydroxil hóa ). Nấm mốc là nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế về chủng loại có khả năng
phân huỷ naphtalen nhờ enzym oxygenaza. Naphtalen dần dần sẽ bị chuyển hoá thành phân tử có khối lượng bé hơn nhờ vi sinh vật, làm cho dầu nặng trở thành dầu nhẹ hơn, và độ nhớt của dầu sẽ giảm đi. Có ba trường hợp cắt vòng hydrocacbua đặc trưng: - Phân cắt octo: Đầu tiên có sự liên kết oxy phân tử với hai nguyên tử cacbon lân cận và tạo thành một peroxit vòng. Sau đó xảy ra sự chuyển vị nội phân tử với sự cắt liên kết C-C và làm sinh ra axit: Vd: Pirocatechin
O2, pirocatechaza axit xis –xis – muconic Thường xảy ra ở vi khuẩn phân giải các hợp chất thơm đơn giản. - Phân cắt meta: phân cắt vòng thơm giữa hai nguyên tử cacbon và hydroxit hóa và nguyên tử lân cận không bị hydroxil hóa. Vd: Pirocatechin dưới tác dụng của metilpirocatecchaza sẽ chuyển hóa thành axit semialdehit 2 okimuconit. Chất này sau có thể chuyển hóa thành CO2, axit axetic, axit piruvic. Hoặc monocatechin dưới tác dụng của protocatechact 4,5
oxygenaza sẽ chuyển hóa thành axit senilaldehit 2 oxi 4- cacboximuconic. Chất này sẽ chuyển thành axit oxalaxetic và axit piruvic. 19 |