Hiệu Suất Phân Huỷ Pah Bởi Các Loại Màng Sinh Học Khác Nhau

Enteromorpha và bột tảo bẹ đã khử trùng và chưa khử trùng để so sánh sự khác biệt giữa hai thí nghiệm. Tỷ lệ phân hủy dầu được xác định bằng phương pháp GCMS. Kết quả cho thấy tỷ lệ phân hủy dầu của chúng cao hơn 65% sau 21 ngày phân hủy sinh học. Phân tích GCMS cho thấy vi khuẩn cố định trên bột tảo Enteromorpha và bột tảo bẹ phân huỷ cao hơn 70% tổng số alkane và tổng số PAH, trong khi vi khuẩn tự do phân huỷ 63% tổng số alkane và 66% tổng số PAH và vi khuẩn cố định với chất giá thể phân hủy nhiều HMW-alkane và HMW-PAH hơn vi khuẩn tự do. Vi khuẩn bị cố định bằng bột tảo bẹ chưa khử trùng cho thấy tốc độ phân hủy cao hơn đáng kể so với việc sử dụng bột tảo bẹ đã khử trùng [159]. Mục đích của nghiên cứu của Ławniczak và cộng sự là đánh giá sự cố định của tế bào vi khuẩn bằng phương pháp tạo màng sinh học ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả phân hủy dầu diesel thấp (hiệu suất phân hủy <40%) và phenol cao (hiệu suất phân hủy > 90%). Các thử nghiệm phân hủy được thực hiện trên bốn giá thể khác nhau (sỏi nhẹ, hạt nhựa, vòng nhựa và giấy bìa). Các kết quả thu được cho thấy màng sinh học có thể làm tăng đáng kể hiệu suất của các chất phân huỷ thấp. Hiệu suất phân hủy dầu diesel tốt nhất (80%) đạt được khi giấy bìa được sử dụng làm giá thể [160]. Chen và cộng sự (2016) đã chỉ ra rằng các tế bào Acinetobacter venetianus bám dính trên than tre biến tính giúp tăng hiệu quả vượt trội trong việc phân hủy dầu diesel (94%) so với nuôi cấy tế bào phù du (82%) trong khoảng thời gian 3 ngày (nồng độ ban đầu 200 ppm) [154]. Tương tự, trong nghiên cứu của Lin và cộng sự (2015) đã sử dụng bã mía làm giá thể cho chủng A. venetianus để phân hủy n-alkane. Sự phân hủy alkane dựa trên cả sự hấp phụ và phân hủy sinh học bởi A. venetianus cố định trên giá thể bã mía đã được thử nghiệm, trong đó 93,3%, 77,7% và 24,0% tetradecane (400 mg L-1) được phân huỷ lần lượt bởi các tế bào cố định, tế bào tự do và bã mía sau 36 giờ nuôi cấy. Ngoài ra, alkane (C10 – C25) trong dầu diesel bị phân hủy hiệu quả bởi các tế bào cố định, trong đó 800 mg L-1 alkane bị phân hủy hoàn toàn sau 60 giờ. Hơn nữa, kết quả cho thấy sự cố định tế bào đạt đến hiệu quả cao nhất với tỷ lệ tế bào trên bã mía là 0,5 mgcell g-1bagasse. Tế bào cố định mạnh trên bã mía giữ được tỷ lệ phân hủy cao 77,6% sau khi lắc ở tốc độ 1500 vòng / phút. Bã mía bảo vệ các tế bào khỏi áp lực ô nhiễm bao gồm cadmium (Cd (II)) và phenanthrene. Sau 8 chu kỳ tái sử dụng, các tế bào cố định trở nên ổn định và hiệu quả hơn [150]. Hou và cộng sự (2013) đã chứng minh rằng chủng vi khuẩn biển có

khả năng phân hủy dầu Acinetobacter sp. F9 tạo màng sinh học được cố định trên giá thể với số lượng tế bào khoảng 5 x 109 CFU/g có khả năng phân hủy được 90% hàm lượng dầu diesel ngay trong ngày thí nghiệm thứ 2. Trong khi đó, tế bào chủng F9 tự do không thể phân hủy được 90% hàm lượng dầu sau 7 ngày nuôi cấy với cùng một điều kiện là nồng độ dầu ban đầu 1% và nuôi trong bình Erlenmeyer có dung tích 150 ml. Giá thể này được làm bằng cách phủ một lớp màng calcium alginate (CA)-chitosan lên bông kê nguyên hạt [122]. Nunal và cộng sự (2014) phân tích tính hiệu quả của việc sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp là bột xơ dừa và bột vỏ trấu làm giá thể sinh học cho quần xã các vi khuẩn phân hủy dầu. Trong quá trình phân hủy sinh học dầu bởi một tổ hợp vi khuẩn cố định trên bột xơ dừa, Nunal và cộng sự thấy rằng giá thể bột xơ dừa có bề mặt xốp và có lỗ, là nơi tốt để tạo ra một màng sinh học ổn định. Hơn nữa, họ quan sát thấy rằng vi khuẩn cố định sau 60 ngày nuôi cấy đã phân hủy 86,6% lượng dầu, trong khi các tế bào tự do chỉ phân hủy 51,2% lượng dầu đó. Sau 90 ngày, vi khuẩn cố định trên bột xơ dừa có tỷ lệ sống sót cao hơn so với vi khuẩn được bao bọc trong natri alginat [161].Trong nghiên cứu của Xue và cộng sự (2017), công nghệ cố định vi khuẩn trên các giá thể hữu cơ tự nhiên (ví dụ: dăm gỗ và rơm ngô). Diện tích bề mặt của dăm gỗ cao hơn dẫn đến mật độ sinh khối lớn hơn (0,0242 gVSS / g) so với rơm ngô 0,0097 gVSS /

g. So với hiệu suất phân hủy sinh học của vi khuẩn tự do (44,79%), vi khuẩn cố định trên dăm gỗ và rơm ngô lần lượt đạt 73,39% và 52,28% [162]. Wang và cộng sự (2015) đã sử dụng ba chủng vi khuẩn phân hủy dầu diesel bao gồm Pseudomonas sp. ODB-1, Brevundimonas sp. ODB-2 và Brevundimonas sp. ODB- 3 với mục đích loại bỏ dầu diesel. Các chủng vi khuẩn đã được cố định trên bề mặt bột than chì, bột đá và than tre. Kết quả nghiên cứu cho thấy cố định vi khuẩn trên bột than chì là phương pháp phân hủy dầu diesel hiệu quả gần như 100% (nồng độ ban đầu 1614 mg/L) [153].

Như nhiều tác giả đã công bố, VKTQH có khả năng phân huỷ và chuyển hoá các thành phần hydrocarbon thơm trong cả hai điều kiện hiếu khí và kị khí [73, 163]. Chúng có thể phân hủy các hợp chất thơm đa dạng như các nhóm acid có chứa gốc phenol, OH, CH3 cũng như là chứa các nhóm aldehyde và các nhóm acid của các hydrocarbon thơm khác khi có và không có oxy. Trong quá trình chuyển

hoá trong điều kiện hiếu khí, VKTQH thường tấn công vào các vị trí trên vòng benzene tuân theo các mô hình phổ biến ở VK Pseudomonas hiếu khí, còn trong điều kiện kị khí hoàn toàn khác, sự tấn công giảm thiểu vào các vị trí trên vòng. R. palustris được sử dụng làm mô hình để nghiên cứu về cơ chế chuyển hoá của benzoate trong điều kiện kị khí [73]. O'Toole và cộng sự (2000) cho rằng nồng độ oxy trong màng sinh học thấp [107]. Với khả năng sử dụng linh hoạt các nguồn hydrocarbon trong điều kiện kị khí hoặc hiếu khí, VKTQH được xem là tiềm năng ứng dụng xử lý hydrocarbon trong điều kiện tạo màng sinh học.

Kết quả của nghiên cứu của chúng tôi cho thấy các vật liệu phế thải rẻ tiền có thể được sử dụng làm giá thể cho VKTQH phân hủy dầu và màng sinh học bám dính trên giá thể có thể tăng cường xử lý sinh học nước nhiễm dầu. Đặc biệt, màng sinh học trên giá thể xơ dừa là phương pháp phân hủy tốt nhất (loại bỏ 95% dầu diesel). Đây là nghiên cứu đầu tiên về VKTQH cố định trên giá thể giá thành rẻ và dễ tìm bao gồm sỏi nhẹ, xơ dừa và mút xốp được sử dụng để phân hủy dầu diesel.

3.4.2.4. Hiệu suất phân hủy PAH

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 144 trang tài liệu này.

PAH là các hợp chất khó phân hủy, có tính kỵ nước cao. Do vậy, chúng tôi lựa chọn bốn chất thuộc nhóm hydrocarbon thơm đa vòng là anthracene, naphthalene, phenanthrene và pyrene để tiến hành thí nghiệm đánh giá hiệu suất phân hủy.

Hiệu suất phân huỷ anthracene bởi màng sinh học đơn chủng Rhodopseudomonas sp. DD4, DQ41, FO2 và màng sinh học đa chủng sau 14 ngày nuôi cấy lần lượt là 78,3, 75,4, 74,1 và 83,2% (nồng độ PAH ban đầu là 600 ppm) (Hình 3.28). Trong khi đó, màng sinh học đa chủng được hình thành trên sỏi nhẹ, xơ dừa và mút xốp có thể phân hủy anthracene với hiệu suất tương ứng là 89,2, 95,3 và 87,2%. Tỷ lệ anthracene được hấp thụ bởi các đối chứng chỉ có giá thể là từ 12,2-15,1%. Tương tự như vậy, hiệu suất phân hủy naphthalene là 62,2, 67,4, 64,3 bởi màng sinh học đơn chủng DD4, DQ41, FO2 và 74,6, 92,3, 94,2, 88,3% bởi màng sinh học đa chủng không gắn giá thể, màng sinh học đa chủng trên sỏi nhẹ, xơ dừa và mút xốp. Độ hấp thụ naphthalene của giá thể từ 10,1-11,4%. Việc phân hủy phenanthrene và pyrene cũng xảy ra tương tự với anthracene và naphthalene. Tỷ lệ phân hủy phenanthrene và pyrene cao nhất là bởi màng sinh học đa chủng trên xơ

dừa (tương ứng khoảng 91,4 và 96,2%). Những kết quả của chúng tôi cũng tương đồng với kết quả nghiên cứu của Lamichhane và cộng sự (2016) về giá thể than hoạt tính có thể hấp phụ PAH [164].

Từ Hình 3.28, quan sát thấy anthrancene, naphthalene, phenanthrene và pyrene đã bị phân hủy đáng kể bởi màng sinh học đa chủng VKTQH trên tất cả các giá thể. Màng sinh học đơn chủng cũng có khả năng phân huỷ nhưng hiệu quả không cao bằng màng sinh học đa chủng. Màng sinh học đa chủng không có giá thể hiệu quả phân huỷ cũng không cao bằng màng sinh học hình thành trên giá thể. Hơn nữa, trong số các giá thể, xơ dừa được cho là tốt nhất để cố định ba chủng VKTQH này. Tất cả các giá thể xơ dừa, sỏi nhẹ, mút xốp được chứng minh có khả năng hấp phụ PAH, tuy nhiên, tỷ lệ hấp phụ rất thấp.

Hình 3.28. Hiệu suất phân huỷ PAH bởi các loại màng sinh học khác nhau

VKTQH bao gồm Rhodopseudomonas palustris, Rhodoferax fermentans, Rhodobacter sphaeroides, Rubrivivax gelatinosus, Rhodospirilum rubrum, … thể hiện khả năng phân hủy hydrocarbon thơm đáng kể. Những chủng này được cho là sử dụng nhiều thành phần PAH [104]. Tuy nhiên, trong các công bố về VKTQH ứng dụng trong phân huỷ/chuyển hoá PAH thường là sử dụng các chủng đơn lẻ hoặc sử dụng các sinh khối ở dạng tự do. Chưa có các công bố về việc sử dụng màng sinh học từ VKTQH để xử lý các hợp chất có trong dầu mỏ.

Trong khi đó, trong các thí nghiệm phân hủy PAH, sinh khối của các chủng Rhodopseudomonas sp. DD4, DQ41 và FO2 đã tăng lên đáng kể, giá trị ∆OD800 được nâng từ 0,31 lên 2,4 (xấp xỉ 12x108 CFU/ g giá thể). Mật độ tế bào khẳng định khả năng sinh trưởng trên nguồn cơ chất PAH bởi VKTQH. Bên cạnh đó, mật độ tế bào có trong các dạng màng sinh học của các thí nghiệm đơn chủng hoặc đa chủng, có giá thể, đều có sự ổn định và tăng nhẹ. Điều này cho thấy khả năng sinh trưởng và tồn tại của các chủng VKTQH khi ở dạng tạo màng sinh học.

Kết quả trong Hình 3.28 cho thấy, khả năng phân hủy PAH bởi màng sinh học đa chủng gắn trên giá thể tốt hơn so với màng sinh học đơn chủng và màng sinh học đa chủng không gắn giá thể hoặc chỉ bị hấp phụ bởi giá thể. Kết quả nghiên cứu này của chúng tôi phù hợp với các công bố trên thế giới về các giá thể làm tăng khả năng loại bỏ PAH như: Alessandrello và cộng sự (2017) đã công bố rằng màng sinh học được hình thành bởi P. monteilii P26 và Gordonia sp. H19 trên hạt alginat canxi, mút xốp và cát thô có thể loại bỏ PAH hiệu quả hơn so với chỉ có giá thể và màng sinh học đơn chủng không giá thể [133]. Nghiên cứu gần đây của Farber và cộng sự cho thấy màng sinh học của Pseudomonas putida và Bacillus cereus hình thành trên gỗ thải được xử lý trước bằng plasma phân hủy toluene lần lượt là 91% và 89% [165]. Trước đó, Manohar và cộng sự (2001) công bố màng sinh học được hình thành bởi chủng Pseudomonas sp. NGK1 (NCIM 5120) trên mút xốp phân hủy hoàn toàn 50 mM naphthalene sau 6 ngày nuôi cấy [166]. Tao và cộng sự (2009) đã chỉ ra rằng sử dụng phương pháp gắn chủng Sphingomonas sp. GY2 trong hạt gel

alginat canxi có thể nhanh chóng phân hủy 90 và > 99,8% phenanthrene (100 mg L-

1) sau 36 và 72 giờ [167]. Huang và cộng sự (2015) đã được phân lập được hai chủng Pseudomonas taiwanensis PYR1 và Acinetobacter baumannii INP1 từ vùng đất ngập nước cửa sông Liaohe (Trung Quốc) bị ô nhiễm PAH. Các tế bào của PYR1 và INP1 được cố định trong các hạt than để phân hủy sinh học pyrene và indno (1,2,3-cd) pyrene trong đất ngập nước. Kết quả thu được sau 30 ngày cho thấy các tế bào cố định trên hạt than phân hủy 70,7% pyrene và 80,9% indno (1,2,3- cd) pyrene, trong khi các tế bào tự do phân hủy được 58,2% pyrene và 55,3% indno (1,2,3-cd) pyrene [168]. Vi khuẩn Corynebacterium variabile HRJ4 được Zhang và cộng sự phân lập từ mỏ dầu Dagang, Trung Quốc có khả năng chịu mặn cao. Khi chủng VK này được cố định trên giá thể than sinh học sẽ có hiệu quả nhất trong việc phân hủy hỗn hợp hydrocarbon thơm đa vòng (naphthalene, pyrene). Kết quả thí nghiệm cho thấy sự cố định của C. variabile HRJ4 trên than sinh học cho hiệu suất phân hủy tổng số hydrocacbon dầu mỏ cao hơn tới 78,9% sau 7 ngày nuôi cấy so với vi khuẩn để lại tự do [169]. Deng và cộng sự (2016) đã sử dụng bột vỏ lạc để cố định chủng Mycobacterium gilvum CP13 và màng sinh học gắn trên giá thể có thể tăng cường sự phân hủy pyrene sau 7 ngày nuôi cấy với 50 mg L-1 [121].

Ở Việt Nam, Lê Thị Nhi Công và cộng sự cũng đã thử nghiệm sử dụng cellulose làm giá thể để tạo màng sinh học bởi tập hợp các chủng vi sinh vật hiếu khí như Bacillus sp. C2, Microbacterium sp. B15, Rhodococcus sp. BN5, …. để loại bỏ các thành phần hydrocarbon thơm. Kết quả là vi sinh vật đã bám dính thành công trên vật liệu cellulose ở mô đun 50 lít với mật độ tế bào 4,3x108 CFU / ml sau 7 ngày nuôi cấy. Màng sinh học đa chủng VSV bám dính trên giá thể cellulose ở mô đun 50 lít có khả năng phân hủy lần lượt là 80,1, 78,3, 60,0, 98,5 và 91,2% anthracene, fluorene, naphthalene, phenol và pyrene sau 7 ngày nuôi cấy [170].

Tất cả các giá thể đều có khả năng hấp phụ cơ chất. Zhang và cộng sự (2015) giải thích rằng ở màng sinh học, các tế bào ở mật độ cao và sự biểu hiện gen của các enzyme liên quan đến con đường phân hủy PAH có thể được ưu tiên. Sự hấp phụ

của giá thể hỗ trợ vi khuẩn hình thành màng sinh học trên bề mặt dễ dàng tương tác với cơ chất và tận dụng chúng để phát triển. Nghiên cứu của chúng tôi là nghiên cứu đầu tiên mà VKTQH cố định trên sỏi nhẹ, xơ dừa và mút xốp được xác định và màng sinh học đa chủng bám dính trên giá thể có thể tăng cường hiệu quả phân hủy PAH [110].

3.4.2.5. Hiệu suất phân hủy dầu thô của màng sinh học

Cả ba chủng VKTQH đều có thể phát triển tốt trong môi trường DSMZ 27 có bổ sung 20g dầu thô, các thí nghiệm song song được tiến hành để tính tốc độ phân huỷ và sự thay đổi các thành phần của dầu thô trong 100 ml. Kết quả cho thấy sự tăng sinh khối VKTQH từ ∆OD800 từ 0,3 đến 2,9 (xấp xỉ 5x109 CFU/g giá thể).

Để khẳng định khả năng phân huỷ dầu thô bởi màng sinh học VKTQH, chúng tôi tiến hành phân tích hàm lượng dầu thô tổng số cũng như các thành phần hydrocarbon trong dầu tại thời điểm ban đầu và sau 14 ngày xử lý với nồng độ 20 g/l dầu thô (Hình 3.29, Hình 3.30, Hình 3.31, Hình 3.32, Phụ lục 4, Phụ lục 5). Qua đó, xác định được hiệu quả xử lý ô nhiễm dầu trong mỗi mô hình thử nghiệm.

Khoảng 61.3, 63.7 và 62.9% (p <0,05) dầu thô bị phân hủy bởi màng sinh học đơn chủng DD4, DQ41, FO2 (Hình 3.29).

DQ41

Tín hiệu ditector

FO2

Tín hiệu ditector

Thời gian (s)