Ứng Dụng Của Vi Khuẩn Tía Quang Hợp Để Phân Hủy Hydrocarbon Dầu Mỏ

Các PNSB khi sinh trưởng với butyrate (chất ở trạng thái khử hơn so với vật liệu tế bào) cũng đòi hỏi phải bổ sung CO2 làm chất nhận điện tử. Do đó quá trình đồng hóa butyrate ngoài sáng xảy ra đồng thời với quá trình cố định CO2.

+ Đường đơn

Đa số PNSB có khả năng sinh trưởng trên một hay nhiều nguồn đường thông thường, riêng khả năng sinh trưởng trên fructose mang tính đặc trưng cho loài [24].

Như vậy, các hợp chất 1C như methanol, formaldehid, formate, CO bị oxy hóa để tạo thành CO2. CO2 tạo ra này sau đó được đồng hóa theo chu trình Calvin.

Trong điều kiện có oxy, tối, PNSB tiến hành trao đổi chất theo kiểu hô hấp hiếu khí. Khi đó, pyruvate sẽ được phân hủy hiếu khí hoàn toàn thành CO2 và H2O qua chu trình TCA (Krebs hoặc axit citric). CO2 tạo ra này có thể quay trở lại chu trình Calvin để cố định CO2. Các hợp chất 3, 4 carbon cũng có thể bị oxy hóa để tạo thành acetyl Co-A và đi vào chu trình TCA.

Trong điều kiện kỵ khí, tối, VKTQH tiến hành trao đổi chất theo kiểu lên men. Sản phẩm của lên men gồm các axit hữu cơ, CO2 và H2.

+ Hợp chất thơm

Khả năng chuyển hóa benzoate ở Rps. palustris; Rhodospirillum (Rsp.) fulvum; Rhodocyclus (Rcy.) purpureus [2, 6, 25] là đặc tính đặc trưng để phân biệt chúng với các loài khác trong cùng một chi.

PNSB có khả năng sử dụng những hợp chất thơm mang chuỗi bên mạch dài, chứa nhóm hydroxyl, nhóm methoxyl, nhóm methyl và nhóm carbonyl. Một số lượng lớn hợp chất thơm chứa nhân benzene có thể được nhóm vi khuẩn này phân hủy khi chúng sinh trưởng quang dị dưỡng (kỵ khí ngoài sáng) hoặc hóa dị dưỡng (hiếu khí trong tối) hoặc trong cả hai điều kiện này [25, 26].

1.2. Ứng dụng của vi khuẩn tía quang hợp để phân hủy hydrocarbon dầu mỏ

1.2.1. Tính độc của hydrocarbon dầu mỏ

Dầu mỏ hay dầu thô là một chất lỏng sánh đặc màu nâu hoặc ngả lục. Thành phần cơ bản của dầu mỏ là các hợp chất hydrocarbon với số nguyên tử carbon có trong mạch từ 1 đến 60 hoặc lớn hơn. Trong dầu thô các hợp chất này có thể chiếm

tới 90% trọng lượng của dầu, còn trong khí thiên nhiên chúng có thể chiếm tới 98 - 99%. Các hợp chất hydrocarbon trong dầu mỏ được chia thành các nhóm: hydrocarbon mạch thẳng, hydrocarbon vòng no và hydrocarbon thơm [27, 28].

Hydrocarbon no mạch thẳng (CnH2n+2)

Hydrocarbon no mạch thẳng (hay còn gọi là alkane) là hợp chất phổ biến trong dầu mỏ với số nguyên tử carbon từ C1 đến C45 [27, 28]. Về cấu trúc alkane gồm hai loại: hydrocarbon no mạch thẳng (n-alkane hoặc n-paraffin) và hydrocarbon no mạch nhánh (iso- alkane hoặc iso-paraffin). Hàm lượng của n- alkane trong dầu mỏ thường chiếm từ 25 - 30% thể tích. Hàm lượng này thay đổi tùy thuộc vào thời gian hình thành dầu mỏ.

Hydrocarbon vòng no (CnH2n)

Hydrocarbon vòng no (cyclo-paraffin hoặc cyclo-alkane) cũng là một trong số hydrocarbon phổ biến trong dầu mỏ. Hàm lượng của chúng có thể thay đổi từ 30

- 60% trọng lượng của dầu. Chúng thường tồn tại ở 3 dạng chính: dạng vòng 5 cạnh, vòng 6 cạnh và dạng ngưng tụ 2 hoặc 3 vòng [27].

Hydrocarbon thơm (CnH2n-6)

Thành phần hydrocarbon thơm trong dầu mỏ bao gồm các hợp chất thơm vòng đơn (benzene, toluene, xylene...) và các hợp chất hydrocarbon thơm đa vòng - PAH (naphthalene, anthracene, phenanthrene, pyrene…) có từ 2 vòng thơm trở lên [27].

Hiện nay, ô nhiễm môi trường do dầu mỏ trên toàn thế giới đang ở mức báo động. Ô nhiễm dầu mỏ được ghi nhận chủ yếu trên môi trường biển ở những nước có nền công nghiệp dầu khí phát triển. Nguyên nhân do sự rò rỉ dầu từ các hoạt động thăm dò, khai thác, chế biến, vận chuyển, bảo quản và đặc biệt là do sự cố tràn dầu trên biển [29, 30]. Các sự cố tràn dầu không những gây suy giảm nghiêm trọng đa dạng sinh học và hệ sinh thái mà còn gây nên những ảnh hưởng tới sức khỏe con người bởi ô nhiễm môi trường biển và lượng chất độc hại tích lũy trong các sản phẩm thủy sản [31, 32].

Dầu mỏ gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường, thể hiện ở những điểm chính như sau:

(i) Thứ nhất, ô nhiễm dầu dẫn đến làm giảm khả năng tự làm sạch của nguồn nước do ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của các sinh vật phù du và sinh vật tầng đáy [33, 34].

(ii) Thứ hai, dầu nổi trên mặt nước làm ánh sáng giảm khi xuyên vào trong nước, ngăn cản việc xâm nhập của oxy vào nguồn nước, do đó, hạn chế sự quang hợp của các sinh vật quang tự dưỡng, ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn và là nguyên nhân dẫn đến mất cân bằng trong hệ sinh thái [35, 36].

(iii) Ngoài những thiệt hại trực tiếp về tài sản còn có ảnh hưởng mang tính chất lâu dài như các vùng nuôi trồng đánh bắt thủy hải sản, cảnh quan môi trường nhất là các khu du lịch biển, gây trở ngại cho vận tải đường biển. Dầu có ảnh hưởng trực tiếp đến con người thông qua tiếp xúc hoặc hít thở hơi dầu gây buồn nôn, nhức đầu, các vấn đề về da, gây ra một số bệnh như ung thư, bệnh phổi, ảnh hưởng đến chức năng hành vi thần kinh [37, 38, 39, 40, 41].

Dầu mỏ chứa nhiều hợp chất độc hại khó phân huỷ trong tự nhiên, gây độc và có thể gây những hệ luỵ nghiêm trọng cho môi trường sinh thái đặc biệt là các hợp chất thơm có độ hoà tan trong nước khá cao, độc hại đối với nhiều loài sinh vật và con người. Quá trình vận chuyển dầu mỏ, lưu trữ dầu tại các kho chứa, trung chuyển dầu và hiện tượng rò rỉ, rơi rớt xăng dầu trong quá trình xúc rửa các bể chứa dầu đã làm phát tán một lượng đáng kể phenol, toluene và hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) ra môi trường [42, 43, 44].

Việc thải phenol mà không được xử lý có thể dẫn đến các nguy cơ sức khỏenghiêm trọng đối với con người, động vật và sinh vật thủy sinh. Liều gây độc cho người khi uống phải là từ 200 mg đến 300 mg và liều gây chết là 3 g đến 30 g. Phenol sau khi thấm vào tế bào, trải qua quá trình chuyển hóa chủ yếu với sự tham gia của các oxidase trong hệ thống Cytochrome P450. Quá trình chuyển hóa làm tăng độc tính do sự trao đổi điện tích dẫn tới việc chúng có thể liên kết và phá hủy các phân tử DNA hoặc các enzyme khác của cơ thể làm thay đổi cấu trúc của mô, gây đột biến và ung thư. Ngoài ra, phenol còn là một chất gây kích ứng mắt, màng nhầy và da, gây co giật, suy gan, thận và một số cơ quan khác [45,46,47].

Các nghiên cứu trên động vật đã cho thấy sự giảm trọng lượng cơ thể củathai nhi, chậm lớn và phát triển bất thường ở con cái. Khi động vật hít lâu phenol ở

nồng độ trong khoảng 30 đến 60 ppm có thể gây tổn thương phổi, giảm cân và tê liệt. Tiếp xúc cấp tính với phenol có thể gây suy tim, suy thận. Phenol gây cháy da, làm trắng và ăn mòn da. Bệnh tăng nhãn áp đã được thử nghiệm trên thỏ bằng cách tiêm 5% phenol cho thấy khi mắt thỏ tiếp xúc với phenol dạng tinh thể hoặc dung dịch sẽ gây trắng giác mạc, sau 8 giờ giác mạc bị tê liệt. Những con chuột khi uống phải nước pha 2.500 ppm phenol trong 103 tuần sẽ có hiện tượng gia tăng bệnh bạch cầu và các u lympho, mặc dù vậy cho đến nay, phenol không được coi là chất gây ung thư. Bên cạnh đó, khi tiếp xúc với phenol trong thời gian dài có thể dẫn đến chán ăn, da phát ban, câm điếc, rối loạn tiêu hóa, nôn mửa, giảm cân, đau cơ, đau gan và rối loạn thần kinh. Phenol và các dẫn xuất của nó đã được đưa ra trong danhsách các chất ô nhiễm được chú trọng bởi USEPA [48,49].

Theo quy chuẩn của phenol trong quy định của Việt Nam hàm lượng phenol có trong nước dao động từ 0,005 – 0,02 mg/l [50]. Những ảnh hưởng của phenol lên sức khỏe con người và động vật được chỉ ra ở Bảng 1.2.

Bảng 1.2. Những ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động vật [50]

Nồng độ trong nước

(ppm)

Thời gian nguy hiểm (ngày)	Ảnh hưởng
Những ảnh hưởng đến con người
5000	1	Tử vong
100	-	Mức độ rủi do thấp
Những ảnh hưởng đến động vật
20.000	1	Cơ bắp run, tử vong
24.000	9	Giảm trọng lượng cơ thể thai nhi
28.000	9	Dị tật bẩm sinh

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 144 trang tài liệu này.

Khả năng gây ô nhiễm môi trường của hydrocarbon thơm còn tùy thuộc vào khả năng hòa tan của chúng trong môi trường nước. Khả năng hòa tan của các hydrocacbon thơm rất biến động, từ những chất khó hòa tan nhất là benzo [g, h, i] perylene có chỉ số hòa tan là 0,0003 mg/l cho đến chất dễ hòa tan nhất là phenol có chỉ số hòa tan ở 20oC tới 83 g/l. Khi phát tán trong môi trường, các hợp chất thơm cùng với tính độc của nó gây ra những ảnh hưởng vô cùng nghiêm trọng đến đời sống sinh vật.

Theo từng bước nghiên cứu về các hợp chất hydrocarbon thơm, người ta lại càng có thể khẳng định tính độc của nó đến sinh vật, thậm chí nhiều hợp chất trong số này có thể gây đột biến, gây quái thai và gây ung thư. Ở người, tiếp xúc với naphthalene trong thời gian dài với nồng độ lớn hơn 10 ppm sẽ dẫn tới các bệnh kinh niên, gây ung thư da phổi và có thể làm giảm khả năng thụ thai ở phụ nữ và có thể làm nguy hiểm tới sự phát triển của thai nhi. Anthracene có thể gây dị ứng, viêm, sung tấy da khi tiếp xúc trong thời gian ngắn. Phenanthrene được biết đến như chất cảm quang với da người, chất gây dị ứng với động vật, đột biến tới hệ thống vi khuẩn trong các điều kiện đặc biệt. Cục bảo vệ môi trường Mỹ (USEPA) đã đưa ra mức nồng độ an toàn của PAH trong quá trình tiếp xúc để tránh gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người, theo đó không nên tiếp xúc với một số PAH có nồng độ cao hơn các mức sau: 0,3 mg anthracene/kg cơ thể người; 0,06 mg acenaphthene/kg cơ thể người; 0,04 mg fluoranthene/kg cơ thể người; 0,03 mg pyrene/kg cơ thể người [49, 50, 51].

PAH thường tồn tại ở dạng hỗn hợp, ít thấy ở dạng đơn lẻ do vậy khi bị nhiễm PAH, con người sẽ bị nhiễm hỗn hợp các PAH, chính điều này càng làm cho độc tính của chúng được tăng cường [51].

Những dữ liệu trên cho thấy, việc nghiên cứu, lựa chọn các biện pháp xử lý ô nhiễm dầu an toàn và hiệu quả là vấn đề mang tính cấp thiết hiện nay.

1.2.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm dầu mỏ

1.2.2.1. Phương pháp tự nhiên

Phương pháp này là các hoạt động suy giảm tự nhiên thông thường không cần đến sự can thiệp của con người. Đối với các địa điểm bị ô nhiễm ở quá xa không thể tiếp cận được, hơn nữa tốc độ suy giảm tự nhiên lại quá nhanh; hoặc ô nhiễm tại các vị trí nhạy cảm không chịu được những tác động của các phương pháp can thiệp, đây thực sự là một phương pháp mang lại hiệu quả không những về kinh tế mà còn có ý nghĩa sinh thái hơn hẳn khi có những biện pháp can thiệp không cần thiết.

Phương pháp tự nhiên bao gồm:

 Bay hơi: là quá trình làm sạch tự nhiên trong giai đoạn đầu của ô nhiễm dầu, giúp loại bỏ thành phần dầu có khối lượng thấp.

 Quang oxy hóa: diễn ra khi oxy dưới năng lượng ánh sáng mặt trời phản ứng với các thành phần dầu. Quang oxy hóa giúp phân hủy các hợp chất phức tạp thành các hợp chất đơn giản hơn theo xu hướng giảm khối lượng phân tử và dễ tan hơn trong nước.

 Phân hủy sinh học: có rất nhiều loại VSV có khả năng oxy hóa hydrocarbon dầu tồn trong tự nhiên. Phân hủy sinh học tự nhiên được coi là một cơ chế quan trọng đối với việc loại bỏ các thành phần dầu không thể bay hơi khỏi môi trường. Tuy nhiên, quá trình này diễn ra rất chậm, có thể kéo dài từ vài tháng đến vài năm để phân hủy một phần đáng kể lượng dầu có trong môi trường [52]

Trong thực tế, để xử lý một cách triệt để ô nhiễm dầu thì cần thiết phải có sự kết hợp các phương pháp một cách khoa học chứ không sử dụng đơn lẻ một biện pháp. Tuy nhiên, khi có sự cố ô nhiễm dầu xảy ra, điều cấp bách là thu hồi lại dầu một cách nhanh nhất. Để thực hiện được mục tiêu này, trong giai đoạn ban đầu người ta sẽ sử dụng các phương pháp vật lý và hóa học để xử lý [52].

1.2.2.2. Phương pháp vật lý

Các phương pháp vật lý thường được sử dụng bao gồm:

 Lập hàng rào nổi và hớt váng: sử dụng hàng rào nổi để giới hạn và kiểm soát sự di chuyển của dầu loang, sử dụng dụng cụ hớt để thu hồi chúng.

 Lau bằng vật liệu hấp thụ: sử dụng các vật liệu kỵ nước để lau dầu từ bề mặt nhiễm bẩn.

 Loại bỏ cơ khí: thu thập và loại bỏ trầm tích nhiễm dầu bằng các dụng cụ cơ khí.

 Tẩy rửa dầu bám dính dọc bờ biển

 Định vị lại trầm tích và làm đất: chuyển trầm tích ô nhiễm dầu từ một nơi này sang nơi khác của bờ biển hoặc làm đất và phối trộn các trầm tích nhiễm bẩn để tăng cường quá trình làm sạch thông qua việc phân tán dầu vào trong khối nước và thúc đẩy sự tương tác giữa dầu và các hạt khoáng. Làm đất cũng có thể gây nên sự thâm nhập sâu của dầu vào trầm tích.

 Đốt cháy in-situ: dầu trên bờ biển thường được đốt cháy khi nó lẫn với các cơ chất cháy được như thực vật, gỗ, hay các tàn tích khác [52].

1.3.2.3. Phương pháp hóa học

Các phương pháp hóa học, đặc biệt là việc sử dụng các chất phân tán, được sử dụng thường xuyên ở nhiều quốc gia như một lựa chọn hàng đầu cho xử lý ô nhiễm dầu. Các nhân tố hóa học chính hiện có bao gồm:

 Chất phân tán: là các nhân tố phân tán, bao gồm chất hoạt động bề mặt, được sử dụng để loại bỏ dầu loang từ bề mặt nước để phân tán chúng vào khối nước trước khi dầu lan ra và nhiễm bẩn tới bờ biển. Phương pháp này được thực hiện để giảm bớt tác động gây độc bằng cách pha loãng tới nồng độ cho phép và đẩy mạnh tốc độ phân hủy sinh học bằng cách tăng bề mặt tiếp xúc giữa VSV với các giọt dầu, tăng hiệu quả phân hủy dâu của VSV.

 Chất nhũ hóa: được sử dụng để phá vỡ nhũ tương dầu pha nước và để tăng cường sự phân tán tự nhiên.

 Chất làm đông: là các loại chất hóa học tăng cường sự polymer hóa của dầu, được sử dụng để cố định dầu, ngăn cản sự lan tràn và tăng cường hiệu quả của các phương pháp thu hồi vật lý.

 Các chất hóa học màng phim: các nhân tố hình thành màng phim cũng được sử dụng để ngăn chặn dầu bám dính vào cơ chất ven biển và tăng cường quá trình loại bỏ dầu bám dính vào bề mặt các thiết bị tẩy rửa [52].

Rõ ràng, các phương pháp vật lý và hóa học mang lại hiệu quả nhanh chóng, rõ rệt và ngay lập tức phát huy tác dụng làm sạch dầu. Tuy nhiên, chúng thường tốn kém, có thể tạo ra ô nhiễm thứ cấp. Ngược lại, các phương pháp tự nhiên đặc biệt là phân hủy sinh học được coi là công nghệ xanh, đem lại hiệu quả cao và thân thiện với môi trường. Hạn chế duy nhất của phương pháp này là thời gian diễn ra chậm. Chính vì vậy, việc kết hợp khoa học các phương pháp cũng như việc tăng tốc độ phân hủy sinh học đang được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây [52, 53, 54, 55].

1.2.2.3. Phương pháp sinh học

Về bản chất, xử lý ô nhiễm dầu mỏ bằng phương pháp sinh học thực chất là tác động của nguyên liệu bổ sung tới môi trường ô nhiễm làm tăng tốc độ của phân hủy tự nhiên dựa trên cơ sở có nhiều loại dầu được loại bỏ hoặc phân hủy theo con đường tự nhiên. Thành công của phương pháp này phụ thuộc nhiều vào khả năng

thiết lập và duy trì các điều kiện sinh thái giúp tăng cường tốc độ phân hủy sinh học dầu mỏ tại những nơi bị ô nhiễm [52, 56, 57]. Có hai phương pháp sinh học phổ biến:

(i) Thúc đẩy sinh học (Bioaugmentation): Đây là phương pháp bổ các loại VSV có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ vào quần thể VSV đã tồn tại từ trước tại khu vực bị ô nhiễm [52, 58]. Phương pháp này có ưu điểm là sàng lọc được những chủng có hoạt tính cao để xử lý triệt để các chất gây ô nhiễm. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn có những hạn chế như sự cạnh tranh của vi sinh vật, độ độc của môi trường, sự thiếu hụt nguồn dinh dưỡng, các chất đa lượng và vi lượng cần thiết cho hoạt động phân hủy của vi sinh vật [59, 60, 61].

(ii) Kích thích sinh học (Biostimulation): là quá trình kích thích sự sinh trưởng của các sinh vật sử dụng hydrocarbon nội tại và tăng tốc độ phân hủy sinh học bằng cách điều chỉnh cân bằng dinh dưỡng (nitơ và phospho) hoặc các đồng cơ chất giới hạn sinh trưởng khác, hoặc bằng cách thay đổi các điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH) [52, 58, 62].

Phân lập và lựa chọn các vi sinh vật phân hủy hydrocarbon là những bước quan trọng trong phương pháp xử lý sinh học [57]. Trong số hơn 200 loài vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, một số loại tảo có khả năng sử dụng hydrocarbon đã được xác định, mỗi loài trong đó có ái lực riêng với một chất hoặc nhóm các hợp chất đặc hiệu có trong dầu. Điều này giải thích tại sao phương pháp hiệu quả nhất khi lựa chọn vi khuẩn để xử lý là sử dụng tổ hợp các sinh vật có khả năng phân hủy dầu, phù hợp nhất với điều kiện môi trường cũng như quá trình ô nhiễm dầu tại một vị trí cụ thể nào đó [52]. Ngoài ra, các tác động qua lại giữa VSV sử dụng hydrocarbon trong thúc đẩy sinh học trong quần thể dưới các điều kiện môi trường khác nhau xác định hiệu quả của phương pháp xử lý.

Công nghệ xử lý sinh học dựa trên khả năng của VSV sử dụng các chất độc hại (như hydrocarbon thơm đa vòng, thuốc trừ sâu, hydrocarbon dầu mỏ…) làm nguồn carbon và năng lượng. Có những VSV hoặc tập đoàn VSV có thể phân hủy chất ô nhiễm thành CO2 và H2O [63, 64, 65]. Ứng dụng VSV tạo màng sinh họcđược xem là một trong những hướng mới để xử lý các thành phần hydrocarbon có trong dầu mỏ.