Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận án + Mục đích: Chọn lọc các chủng vi sinh vật tạo có khả năng phân hủy mạnh các thành phần hydrocarbon có trong nước thải nhiễm dầu và tìm được vật liệu mang phù hợp để gắn các chủng đó nhằm đánh giá được hiệu quả phân hủy một số thành phần hydrocarbon có trong nước thải nhiễm dầu. + Đối tượng nghiên cứu: Vi sinh vật phân hủy dầu, mẫu nước thải nhiễm dầu, một số thành phần hợp chất hydrocarbon có trong dầu mỏ, một số loại vật liệu mang vi sinh. 2. Các phương pháp nghiên cứu đã sử dụng 2.1. Các phương pháp phân tích vi sinh vật Đánh giá khả năng tạo màng sinh học (biofilm) của vi sinh vật; Kiểm tra tính đối kháng của các chủng vi sinh vật; Đánh giá mật độ tế bào vi sinh vật; Phân loại và định tên nấm men bằng phương pháp so sánh trình tự đoạn ITS1 với các chủng nấm men khác trên ngân hàng gene (NCBI). 2.2. Nhóm phương pháp phân tích hóa học Lượng dầu tổng số trong nước thải được xác định bằng phương pháp phân tích khối lượng theo tiêu chuẩn TCVN 5070:1995; Xác định hàm lượng các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu bằng sắc ký khí (GC), sắc ký khí kết hợp khối phổ (GCMS) và sắc ký lỏng hiệu năng (HPLC); Nghiên cứu con đường chuyển hóa sec-hexylbenzene của chủng B1 bằng phương pháp phân tích các sản phẩm tạo thành sắc ký khí kết hợp khối phổ (GCMS) và sắc ký lỏng hiệu năng (HPLC). 3. Các kết quả chính và kết luận Từ 9 chủng vi sinh vật được phân lập từ các mẫu nước và đất ô nhiễm dầu tại Việt Nam, chúng tôi đã tuyển chọn được 6 chủng vi sinh vật bao gồm QN1, B8, BN5, DX3, QNN1 và QN5 có khả năng tạo biofilm tốt và không có tính đối kháng lẫn nhau. Hỗn hợp các chủng này cho thấy khả năng hình thành biofilm tốt nhất trên vật liệu mang xơ dừa với mật độ vi sinh đạt 3,9*1012 CFU/cm3, trên các vật liệu sỏi nhẹ, cellulose và mút xốp mật độ vi sinh lần lượt đạt 2,1*1012, 4,25*109 và 1,65*1010 CFU/cm3 sau 36h. Khi tiến hành thử nghiệm khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu, biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang xơ dừa có hiệu quả phân hủy tốt nhất so với các vật liệu sỏi nhẹ, cellulose và mút xốp, đạt 99,8% lượng dầu tổng số, 85,56% phenol và trên 96% các thành phần PAH sau 7 ngày ở mô hình 50 lít. Từ kết quả trên chúng tôi lựa chọn vật liệu mang xơ dừa để tiếp tục đánh giá hiệu quả xử lý của biofim vi sinh vật ở quy mô thử nghiệm 300 lít và 20m3/mẻ. Trên hệ thống xử lý 300 lít, biofilm vi sinh vật cho hiệu quả xử lý tốt các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu và ở hệ thống xử lý 20 m3/mẻ, biofilm vi sinh vật cho hiệu quả xử lý đạt 99,94% hàm lượng dầu tổng số, 99,97% phenol và trên 94% các thành phần PAH, kết quả nước thải đầu ra đạt QCVN 40:2011/BTNMT tiêu chuẩn B. Chúng tôi cũng đã xác định được con đường giả định về sự phân hủy sec-hexylbenzene của chủng nấm men Trichosporon asahii B1 thông qua các sản phẩm trung gian bao gồm benzoic acid, 2-phenylpropionic acid, 3-phenylbutyric acid, 5-phenylhexanoic acid, ß-methylcinnamic acid, acephenone và 2,3-dihydroxybenzoic. Đây là những công bố đầu tiên tại Việt Nam về khả năng tạo biofilm của các chủng vi sinh vật phân hủy dầu trên các vật liệu mang và ứng dụng trong xử lý nước thải nhiễm dầu, cũng như đề xuất được con đường giải định về sự phân hủy sec-hexylbenzene của chủng nấm men Trichosporon asahii B1 phân lập tại Việt Nam.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Đỗ Văn Tuân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY MỘT SÔ THÀNH PHẦN HYDROCARBON CÓ TRONG NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU CỦA MÀNG SINH HỌC TỪ VI SINH VẬT ĐƯỢC GẮN TRÊN VẬT LIỆU MANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC Hà Nội – Năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Đỗ Văn Tuân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY MỘT SÔ THÀNH PHẦN HYDROCARBON CÓ TRONG NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU CỦA MÀNG SINH HỌC TỪ VI SINH VẬT ĐƯỢC GẮN TRÊN VẬT LIỆU MANG Chuyên ngành: Vi sinh vật học Mã sỗ: 9420107 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Lê Thị Nhi Công PGS.TS Đồng Văn Quyền Hà Nội – Năm 2022 i Lời cảm ơn Để hoàn thành luận án này, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Lê Thị Nhi Cơng, Trưởng phịng Cơng nghệ sinh học môi trường - Viện Công nghệ sinh học PGS.TS Đờng Văn Qùn, Phó Viện trưởng Viện Cơng nghệ sinh học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu trình học tập thực nghiên cứu đề tài Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo Học viện Khoa học & Công nghệ, Viện Cơng nghệ sinh học, đờng chí lãnh đạo cán phòng Đào tạo - Học viện Khoa học & Công nghệ tạo mọi điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu Tôi chân thành cảm ơn ThS Bùi Thị Hải Hà, phụ trách đào tạo Viện Công nghệ sinh học giúp đỡ tơi hồn thành thủ tục cần thiết suốt trình học tập, nghiên cứu đề tài bảo vệ luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm Chương trình KH&CN trọng điểm cấp Nhà nước “Nghiên cứu tạo màng sinh học (biofilm) từ vi sinh vật dùng xử lý ô nhiễm dầu mỏ” cấp kinh phí cho đề tài mã số KC.04.21/11-15 cho nhóm nghiên cứu Bên cạnh đó, xin gửi lời cảm ơn tới đơn vị: phịng Thí nghiệm trọng điểm gen - Viện Cơng nghệ sinh học – Viện Hàn lâm Khoa học & Cơng nghệ Việt Nam; phịng Vi sinh vật học - Học viện Qn y 103; phịng Thí nghiệm siêu cấu trúc - Viện Vệ sinh dịch tễ trung ương; phòng Sinh thái vi sinh vậtViện Vi sinh vật Công nghệ sinh học – Đại học Quốc gia Hà Nội; phịng Hóa học phân tích - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam phối hợp thực số kết luận án Trong thời gian qua, nhận hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi từ đờng chí lãnh đạo, cán phịng Cơng nghệ sinh học môi trường - Viện Công nghệ sinh học, Ban Giám hiệu phòng chức thuộc trường Cao đẳng Sơn La, với giúp đỡ nhiệt tình đồng nghiệp, nhân dịp xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thân gia ii đình, người bạn thân thiết ln bên cạnh động viên khích lệ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn! Nghiên cứu sinh Đỗ Văn Tuân iii Lời cam đoan Tôi xin cam đoan: Đây cơng trình nghiên cứu tơi số kết cộng tác với cộng khác; Các số liệu kết trình bày luận án trung thực, phần cơng bố tạp chí khoa học chun ngành với đồng ý cho phép đồng tác giả; Phần cịn lại chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Đỡ Văn Tuân iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… CHƯƠNG TỔNG QUAN……………………………………………… 1.1 Tổng quan nước thải nhiễm dầu……………………………… 1.1.1 Nguồn phát sinh nước thải nhiễm dầu………………………… 1.1.2 Đặc tính nước thải nhiễm dầu…………………………………… 1.1.3 Tác hại nước thải nhiễm dầu…………………………………… 1.2 Một số công nghệ ứng dụng xử lý nước thải nhiễm dầu… 1.2.1 Tuyển nổi…………………………………………………………… 1.2.2 Công nghệ lọc màng………………………………………………… 1.2.3 Công nghệ oxy hóa nâng cao……………………………………… .9 1.3 Màng sinh học và ứng dụng xử lý ô nhiễm dầu…………… 10 1.3.1 Sự hình thành cấu trúc biofilm 11 1.3.2 Vai trò biofilm vi sinh vật 13 1.3.3 Ứng dụng biofilm xử lý ô nhiễm dầu…………………… 14 CHƯƠNG VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 Vật liệu nghiên cứu………………………………………………… 24 2.1.1 Ngun liệu………………………………………………………… 24 2.1.2 Hóa chất, mơi trường ni cấy……………………………………… 25 2.1.3 Vật liệu mang vi sinh……………………………………………… 26 2.1.4 Thiết bị nghiên cứu………………………………………………… 27 2.2 Phương pháp nghiên cứu………………………………………… 28 2.2.1 Nhóm phương pháp nghiên cứu vi sinh vật………………………… 28 2.2.2 Nhóm phương pháp phân tích hóa học……………………………… 31 2.2.3 Đánh giá khả hình thành biofilm vi sinh vật vật liệu mang………………………………………………………………… 33 2.2.4 Đánh giá khả phân hủy dầu DO hydrocarbon thơm biofilm vi sinh vật vật liệu mang……………………………… 35 2.2.5 Đánh giá khả phân hủy thành phần hydrocarbon nước thải nhiễm dầu biofilm vi sinh vật vật liệu mang quy mơ 50 lít…………………………………………… ……………… 2.2.6 Đánh giá khả phân hủy thành phần hydrocarbon nước thải nhiễm dầu biofilm hỗn hợp chủng vi sinh vật vật 35 v liệu mang quy mơ 300 lít………………………………………… 2.2.7 Đánh giá khả phân hủy thành phần hydrocarbon 36 nước thải nhiễm dầu biofilm hỗn hợp chủng vi sinh vật vật liệu mang quy mô 20m …………………………………………… 40 2.2.8 Phương pháp xử lý số liệu………………………………………… CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU………………………………… 42 43 3.1 Khả tạo biofilm chủng vi sinh vật………………… 43 3.2 Tính đối kháng chủng vi sinh vật………………………… 44 3.3 Khả tạo biofilm chủng vi sinh vật vật liệu mang………………………………………………………………… 3.4 45 Khả phân hủy dầu DO và hydrocarbon thơm biofilm vi sinh vật vật liệu mang……………………… 49 3.4.1 Khả phân hủy dầu DO hydrocarbon thơm biofilm vi sinh vật vật liệu mang mút xốp………………………………… 49 3.4.2 Khả phân hủy dầu DO hydrocarbon thơm biofilm vi sinh vật vật liệu mang cellulose………………………………… 50 3.4.3 Khả phân hủy dầu DO hydrocarbon thơm biofilm vi sinh vật vật liệu mang xơ dừa………………………………… 51 3.4.4 Khả phân hủy dầu DO hydrocarbon thơm biofilm vi sinh vật vật liệu mang sỏi nhẹ………………………………… 3.5 52 Khả phân hủy thành phần hydrocarbon nước thải nhiễm dầu biofilm vi sinh vật vật liệu mang………………… 3.5.1 Chất lượng nước thải nhiễm dầu…………………………………… 53 53 3.5.2 Khả phân hủy thành phần hydrocarbon nước thải nhiễm dầu biofilm vi sinh vật vật liệu mang quy mơ 50 lít…………………………………………………………………… 55 3.5.3 Khả phân hủy thành phần hydrocarbon nước thải nhiễm dầu biofilm vi sinh vật vật liệu mang hệ thống 300 lít…………………………………………………………………… 62 3.5.4 Khả phân hủy thành phần hydrocarbon nước thải nhiễm dầu biofilm vi sinh vật vật liệu mang hệ thống 20m …………………………………………………… 68 3.6 Định tên và đường chuyển hoá sec-hexylbenzene Trichosporon sp B1………………………………………………… 72 vi 3.6.1 Khả hình thành biofilm chủng B1…………………………… 72 3.6.2 Kết định danh chủng B1…………………………………………… 73 3.6.3 Sự phân hủy sec-hexylbenzene chủng Trichosporon asahii B1 74 3.6.4 Con đường phân hủy sec-hexylbenzene chủng Trichosporon asahii B1 78 CHƯƠNG BÀN LUẬN KẾT QUẢ…………………………………… 4.1 Khả tạo biofilm chủng vi sinh vật vật liệu mang………………………………………………………………… 4.2 82 82 Khả phân hủy thành phần hydrocarbon nước thải nhiễm dầu biofilm vi sinh vật vật liệu mang………………………………………………………………… 4.3 84 Con đường chuyển hoá sec-hexylbenzene Trichosporon asahii B1…………………………………………………………… 88 KẾT ḶN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………… 90 NHỮNG CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BÔ LIÊN QUAN LUẬN ÁN…………………………………………………………………… 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 93 PHỤ LỤC vii BẢNG CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng Anh ASEAN Assocciation of Southeast Asian Nations Tên tiếng Việt Hiệp hội quốc gia Đông Nam Á BAF Biological aerated filter Cơng nghệ lọc hiếu khí CFU Colony forming unit Đơn vị hình thành khuẩn lạc MPN Most probable number Số lượng DAF Dissolved air flotation Tuyển áp lực DO Diesel oil Dầu diesel EPS Extracellular polymeric substance Mạng lưới chất ngoại bào GC Gas chromatography Sắc ký khí Gas chromatography Mass spectrometry Sắc ký khí ghép nối khối phổ Hour Giờ GCMS h HKTS Hiếu khí tổng số HPLC High performance liquid chromatography Sắc ký lỏng hiệu cao ITOPF The international Tanker Owners Pllution Federation Limited Hiệp hội tàu chở dầu Quốc tế MBBR Moving bed biofilm rector Công nghệ biofilm chuyển động Membrane bioreactors Màng lọc sinh học National Oceanic and Atmospheric Cơ quan quản lý khí đại dương Mỹ Polycyclic aromatic hydrocarbon Hydrocacbon vòng thơm MBR NOAA PAH QCVN RBC UASB Quy chuẩn Việt Nam Rotating biological contactor Hệ thống đĩa quay sinh học Upflow anaerobic sludge blanket Công nghệ bùn kỵ khí ngược dịng viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Bảng 2.1 Nồng độ dầu số loại nước thải…………………… Các chủng vi sinh vật phần hủy dầu sử dụng………………… 24 Bảng 2.2 Thành phần môi trường sử dụng nghiên cứu…………… 25 Bảng 2.3 Các loại vật liệu mang………………………………………… 26 Bảng 2.4 Các thiết bị sử dụng luận án 27 Bảng 3.1 Khả tạo biofilm hỗn hợp chủng vi sinh vật vật liệu mang……………………………………………………… Bảng 3.2 Cấu trúc vật liệu mang trước sau tạo biofilm kính hiển vi điện tử quét……………………………………… Bảng 3.3 58 Khả phân hủy phenol PAH nước thải nhiễm dầu biofilm vật liệu mang xơ dừa………………………… Bảng 3.9 57 Khả phân hủy phenol PAH nước thải nhiễm dầu biofilm vật liệu mang cellulose……………………… Bảng 3.8 56 Biến động mật độ vi sinh vật liệu mang cellulose trình xử lý………………………………………………… Bảng 3.7 56 Khả phân hủy phenol PAH nước thải nhiễm dầu biofilm vật liệu mang mút xốp……………………… Bảng 3.6 54 Biến động mật độ vi sinh vật liệu mang xốp mút trình xử lý………………………………………………… Bảng 3.5 46 Kết phân tích tiêu thử nghiệm nước thải kho xăng dầu Đỗ Xá- Thường Tín- Hà Nội……………………… Bảng 3.4 45 59 Biến động mật độ vi sinh vật liệu mang xơ dừa trình xử lý…………………………………………………… 59 Bảng 3.10 Biến động mật độ vi sinh vật liệu mang sỏi nhẹ trình xử lý…………………………………………………… Bảng 3.11 60 Khả phân hủy phenol PAH nước thải nhiễm dầu biofilm vật liệu mang sỏi nhẹ……………………… 60 Bảng 3.12 Khả phân hủy phenol PAH nước thải nhiễm dầu biofilm vật liệu xơ dừa hệ thống 300 lít/mẻ……… 63 Bảng 3.13 Chất lượng nước thải nhiễm dầu kho xăng dầu Đỗ Xá…… 68 ... màng sinh học từ vi sinh vật gắn vật liệu mang? ?? nhằm chọn lọc chủng vi sinh vật có khả phân hủy mạnh thành phần hydrocarbon có nước thải nhiễm dầu đánh giá khả xử lý chúng gắn vật liệu mang phù... chủng vi sinh vật tạo có khả phân hủy mạnh thành phần hydrocarbon có nước thải nhiễm dầu tìm vật liệu mang phù hợp để gắn chủng nhằm đánh giá hiệu phân hủy số thành phần hydrocarbon có nước thải. .. 3.4.4 Khả phân hủy dầu DO hydrocarbon thơm biofilm vi sinh vật vật liệu mang sỏi nhẹ………………………………… 3.5 52 Khả phân hủy thành phần hydrocarbon nước thải nhiễm dầu biofilm vi sinh vật vật liệu mang? ??………………