(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu khả năng khí hóa than của hệ vi sinh vật từ bể than Sông Hồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hồng Lan NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ HÓA THAN CỦA HỆ VI SINH VẬT TỪ BỂ THAN SÔNG HỒNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Lan NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ HĨA THAN CỦA HỆ VI SINH VẬT TỪ BỂ THAN SƠNG HỒNG Ngành: Cơng nghệ sinh học Mã số: 9420201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Lan Hương Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi, số liệu, kết quả, hình ảnh nêu Luận án trung thực chưa công bố cơng trình tác giả khác Giáo viên hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Hoàng Lan i LỜI CÁM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Lan Hương, Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tận tình hướng dẫn giúp đỡ suốt thời gian nghiên cứu để tơi hồn thiện Luận án Để hồn thành Luận án này, vô cảm ơn PGS.TS Tô Kim Anh, khơng người thầy mà cịn người truyền cảm hứng để tơi hồn thành luận văn cịn xa lạ với tơi phần lớn cán làm sinh học Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô, đồng nghiệp Viện công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm Viện tiên tiến Khoa học Công nghệ giúp đỡ, động viên tơi q trình nghiên cứu Luận án sống hàng ngày Xin trân trọng cảm ơn Tổng cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam, Liên đoàn Vật lý địa chất, Liên đoàn INTERGEO chuyên gia lĩnh vực địa chất tạo điều kiện để tập thể cán Viện Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm Viện tiên tiến Khoa học Công nghệ tham gia thực chuyên đề nghiên cứu khoa học khó, đa ngành thành cơng đóng góp sản phẩm khoa học quan trọng việc bảo vệ khai thác nguồn lượng Việt Nam Nhân dịp muốn gửi lời cám ơn đến TS Phùng Thị Thủy, khơng có chị nhiều tơi muốn bỏ Nhưng tất chị đồng hành động viên để tơi hồn thành cơng việc đến ngày hôm Cám ơn TS Nguyễn Đức Dũng, bạn khơng thể có ảnh khơng đẹp mà thể phần nghiên cứu quan trọng đề án Khí hóa sinh học than ngầm Cám ơn TS Phạm Thị Mai Phương, kết phân tích em đóng góp khơng nhỏ vào thành công chung nghiên cứu Cám ơn TS Lê Quang Hòa, người gác lại nhiều bận rộn để dành thời gian đọc đưa góp ý sâu sắc cho nghiên cứu Luận án Xin chân thành cảm ơn thầy cô Hội đồng cấp Bộ môn Hội đồng cấp Cơ sở cho tơi góp ý vơ quý báu để hoàn thiện luận án Để hồn thiện Luận án tơi khơng thể khơng nói lời cảm ơn chân thành đến bạn bè tôi, người động viên, chia sẻ khích lệ tơi Xin dành lời cám ơn đặc biệt cho người bạn thân tôi, TS Trần Ngọc Hân, người khơng bạn, đồng nghiệp mà cịn người dẫn dắt khoa học Trong sâu thẳm trái tim, tơi xin dành tất lịng biết ơn tình u đến gia đình tơi, chỗ dựa niềm tin vững để tơi kiên trì theo đuổi ước mơ mình, nơi sẻ chia niềm vui nỗi buồn, lo lắng trăn trở, thất bại thành công ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH KHÍ HĨA THAN BẰNG VI SINH VẬT 1.1 Hiện trạng khai thác, sử dụng than truyền thống giải pháp thay tình hình 1.2 Tình hình nghiên cứu triển khai ứng dụng giải pháp khí hóa than ngầm vi sinh vật giới 1.2.1 Lịch sử đời 1.2.2 Tình hình nghiên cứu triển khai giải pháp khí hóa than ngầm vi sinh vật giới 1.2.2.1 Tăng cường sinh học trình chuyển hóa sinh học than thành khí methane 10 1.2.2.2 Kích thích sinh học q trình chuyển hóa sinh học than thành khí methane 10 1.2.3 Tình hình triển khai ứng dụng giải pháp khí hóa than ngầm vi sinh vật giới – ví dụ tiêu biểu 12 1.2.3.1 Triển khai ứng dụng công ty Luca Technologies, Inc 12 1.2.3.2 Triển khai ứng dụng công ty Next Fuel, Inc 13 1.2.3.3 Triển khai ứng dụng công ty Ciris Energy, Inc 13 1.2.3.4 Triển khai ứng dụng công ty Artech 14 1.3 Q trình hình thành khí than tự nhiên 14 1.3.1 Quá trình hình thành chất sinh học than 14 1.3.1.1 Quá trình hình thành than 14 1.3.1.2 Bản chất sinh học dạng vật chất hữu than 18 1.3.2 Sự thay đổi điều kiện mơi trường q trình hình thành than 22 1.3.3 Q trình hình thành khí methane bể than 24 1.3.3.1 Cơ chế hình thành tích tụ khí q trình bùn hóa 24 1.3.3.2 Cơ chế hình thành tích tụ khí q trình than hóa 26 1.3.4 Hệ vi sinh vật đường chuyển hóa than thành khí 27 1.3.4.1 Đa dạng sinh học metagenomics 27 1.3.4.2 Hệ vi sinh vật đường chuyển hóa than thành khí 28 1.3.4.1 Mối quan hệ hợp dưỡng quần xã vi sinh vật chuyển hóa than thành khí methane 31 1.3.4.2 Hệ vi sinh vật tham gia chuyển hóa than thành khí methane số bể than lớn giới 33 1.4 Bể than Sông Hồng vùng nghiên cứu 35 Chương NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Đối tượng nghiên cứu 2.2 Hóa chất thiết bị sử dụng 2.2.1 Hóa chất 2.2.2 Thiết bị sử dụng 2.3 Thiết kế thí nghiệm phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp lấy mẫu chuẩn bị mẫu than nước 2.3.1.1 Lấy mẫu chuẩn bị mẫu nước ngầm để phân tích vi sinh phân tích hóa lý 2.3.1.2 Lấy mẫu chuẩn bị mẫu than để phân tích vi sinh 2.3.2 Phương pháp xác định đặc tính hóa lý than nước 2.3.3 Phương pháp phân tích cấu trúc than 2.3.4 Phương pháp phân tích hình ảnh 40 40 40 40 42 42 42 42 43 43 43 46 iii 2.3.5 Phương pháp tách chiết khuếch đại DNA 2.3.5.1 Phương pháp tách chiết DNA mẫu than nước nguyên trạng 2.3.5.2 Phương pháp tách chiết DNA mẫu than nước sau q trình ni cấy 2.3.5.3 Phương pháp khuếch đại DNA 2.3.6 Phương pháp phân tích trình tự gen phát sinh lồi 2.3.7 Phương pháp phân tích đa dạng sinh học alpha 2.3.8 Phương pháp ni cấy đánh giá hiệu suất sinh khí quần xã vi sinh vật kị khí 2.3.9 Phương pháp sắc kí khí 2.3.10 Phương pháp phân tích thống kê 2.4 Sơ đồ triển khai nghiên cứu khí hóa sinh học than ngầm quy mơ phịng thí nghiệm Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 46 46 47 47 47 49 51 52 55 56 3.1 Nghiên cứu tính khả dụng sinh học nguồn chất than Sông Hồng 56 3.1.1 Đặc tính thành phần than 56 3.1.1.1 Đặc tính hóa học 56 3.1.1.2 Đặc tính thạch học 57 3.1.2 Đặc tính thành phần hóa nước 60 3.1.3 Đặc điểm cấu trúc than 62 3.1.3.1 Đặc điểm phân bố kích thước hình dạng lỗ rỗng hấp phụ 63 3.1.3.2 Đặc điểm phân bố kích thước tính liên thông lỗ rỗng thấm 65 3.1.3.3 Đặc điểm nguồn gốc hình thành lỗ rỗng 69 3.2 Đánh giá tiềm chuyển hóa than thành khí quần xã vi sinh vật địa theo chiều sâu bể than 71 3.3 Nghiên cứu cấu trúc quần xã vi sinh vật địa 77 3.3.1 Tính đa dạng alpha quần xã vi sinh vật địa 77 3.3.1.1 Tính đa dạng alpha mẫu nước nguyên trạng 77 3.3.1.2 Tính đa dạng alpha mẫu than nguyên trạng 77 3.3.2 Cấu trúc quần xã vi sinh vật địa nước nguyên trạng 79 3.3.2.1 Sự đa dạng nhóm vi sinh vật mẫu nước (FW) phân chia theo ngành lớp 79 3.3.2.2 Sự đa dạng nhóm vi sinh vật mẫu nước (FW) phân chia theo chi 81 3.3.3 Cấu trúc quần xã vi sinh vật địa than nguyên trạng 87 3.3.3.1 Sự đa dạng nhóm vi sinh vật mẫu than phân chia theo ngành lớp 87 3.3.3.2 Sự đa dạng nhóm vi sinh vật mẫu than phân chia theo chi 88 3.3.4 Sự khác biệt quần xã vi sinh vật địa tồn mẫu nước mẫu than nguyên trạng 90 3.4 Nghiên cứu đánh giá đáp ứng thay đổi quần xã vi sinh vật địa q trình sinh khí 93 3.4.1 Tính đa dạng alpha quần xã vi sinh vật đáp ứng 94 3.4.1.1 Tính đa dạng alpha pha rắn CR 94 3.4.1.2 Tính đa dạng alpha pha lỏng AS 95 3.4.2 Cấu trúc quần xã vi sinh vật đáp ứng pha rắn 95 3.4.2.1 Phân ngành phân lớp vi sinh vật đáp ứng pha rắn CR 95 3.4.2.2 Phân chi vi sinh vật đáp ứng pha rắn CR 97 3.4.3 Cấu trúc quần xã vi sinh vật đáp ứng pha lỏng 98 3.4.3.1 Phân ngành phân lớp vi sinh vật đáp ứng pha rắn AS 98 3.4.3.2 Phân chi vi sinh vật đáp ứng pha lỏng AS 99 3.4.4 Sự thay đổi đáp ứng quần xã vi sinh vật địa trình bổ sung dinh dưỡng theo chiều sâu tập vỉa than 101 3.4.5 Phân tích tương quan đáp ứng quần xã vi sinh vật địa theo chiều sâu vỉa than 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kiến nghị 113 113 114 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AS ASTM bp Adapted Consortium Pha lỏng sau bổ sung dinh dưỡng American Society for Testing and Materials Hiệp hội Thí nghiệm Vật liệu Hoa Kỳ Base pair Cặp bazơ BET Brunauer-Emmett-Teller BJH Barret-Joyner-Halenda BTEX Benzene, Toluene, Ethylbenzene Xylene C CBM CCA CR CS DNA FID FW GC GCMS GDP IEA ISO IUPAC Coal Mẫu than Coal Bed Methane Khí methane than Canonical Correspondence analysis Phương pháp phân tích tương quan Coal Residual Pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng Coal Seam Vỉa than Deoxyribonucleic Acid Axit deoxyribonucleic Flame Ionizing Detector Đầu dị ion hóa lửa Formation water Mẫu nước liên kết bể than Gas Chromatography Sắc kí khí Gas Chromatography Mass Spectrometry Sắc kí khối phổ Gross Domestic Product Tổng sản phẩm quốc nội International Energy Agency Cơ quan lượng quốc tế International Organization for Standardization Tổ chức quốc tế tiêu chuẩn hóa International Union of Pure and Applied Chemistry Liên minh Quốc tế Hóa học Hóa học ứng dụng v LTNA MECoM MIP NMDS OECD OTU PAH PCR PD PV R0 RNA rRNA SEM TCVN TOC TPH TV Low Temperature Nitrogen Adsorption Hấp phụ Nitơ nhiệt độ thấp Microbial Enhanced Coalbed Methane Tăng cường chuyển hóa sinh học than thành khí methane Mercury Intrusion Porosimetry Bơm ép thủy ngân Non-metric Multidimensional Scaling Analysis Phân tích tiêu độ đa chiều phi biến Organization for Economic Co-operation and Development Tổ chức Hợp tác Phát triển Kinh tế Operational Taxonomic Unit Đơn vị phân loại Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Hydrocacbon thơm đa vòng Polymerase Chain Reaction Phản ứng tổng hợp chuỗi ADN Pore Diameter Đường kính lỗ rỗng Pore Volume Thể tích lỗ rỗng Vitrinite reflectance Hệ số phản xạ vitrinite Ribonucleic Acid Axit ribonucleic Ribosomal RNA RNA riboxom Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét Tiêu Chuẩn Việt Nam Total Organic Carbon Tổng hàm lượng cacbon hữu Total Petroleum Hydrocarbon Tổng hydrocacbon dầu mỏ Tập Vỉa vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Con đường hình thành than từ thực vật [4] 15 Hình 1.2 Cấu trúc số nhãn than [45] 16 Hình 1.3 Cấu trúc phần kerogen với vị trí cơng phân cắt tiềm 19 Hình 1.4 Thành phần nhóm hữu phần bitumen [59] 19 Hình 1.5 Mơ hình cấu trúc than- hệ thống hai cấu tử [4] 22 Hình 1.6 Các giai đoạn trình than hóa với hình thành khí than (Tham khảo điều chình theo [46,89]) 23 Hình 1.7 Quá trình hình thành tích tụ khí giai đoạn bùn hóa [10] 25 Hình 1.8 Mơ hình q trình hình thành khí sinh học thứ cấp bể than San Juan [11] 27 Hình 1.9 Giản đồ q trình chuyển hóa sinh học than thành khí methane 30 Hình 1.10 Cây phân loại cổ khuẩn methanogen dựa trình tự gen 16S rRNA đường chuyển hóa dựa nguồn chất khác [46,53] 31 Hình 1.11 Thành phần vi khuẩn (A) cổ khuẩn (B) số bể than lớn giới Biểu diễn mức ngành vi khuẩn trừ ngành Proteobacteria biểu diễn đến mức lớp biểu diễn đến mức cổ khuẩn [27-29,33,35,36,39,49,114] 34 Hình 1.12 Vị trí bể than Sông Hồng khu vực nghiên cứu 36 Hình 1.13 Cột địa tầng khu vực nghiên cứu [121,122] 37 Hình 1.14 Mặt cắt địa chất bình đồ khu vực nghiên cứu 39 Hình 2.1 Các dạng lỗ rỗng than 45 Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm ni cấy vi sinh vật kị khí (dung dịch vitamin mơi trường Tanner bổ sung sau giai đoạn trùng 121 °C /15 phút) 50 Hình 2.3 Mơ hình phương pháp đo lượng khí methane sinh q trình ni cấy 51 Hình 2.4 Sơ đồ triển khai nghiên cứu khí hóa sinh học than ngầm quy mơ phịng thí nghiệm 55 Hình 3.1 Phân bố thành phần hữu (maceral) mẫu than 58 Hình 3.2 Đặc tính thạch học chất hữu phân tán mẫu than Sông Hồng qua kính hiển vi quang học 59 Hình 3.3 Biểu đồ so sánh đặc tính cấu trúc mẫu than 63 Hình 3.4 Kết hấp phụ/nhả hấp phụ N2 nhiệt độ thấp (77 K) mẫu than 65 Hình 3.5 Kết phân tích MIP mẫu than 68 Hình 3.6 Hình ảnh chụp SEM hình dạng lỗ rỗng mẫu than Sơng Hồng 70 Hình 3.7 Hiệu suất sinh khí methane nhóm thí nghiệm sau 21 ngày ni cấy 72 Hình 3.8 Sự thay đổi hiệu suất sinh khí methane tích lũy theo thời gian nuôi cấy mẫu than Sông Hồng 74 Hình 3.9 Đường cong rarefaction mẫu than (C) nước nguyên trạng (FW) 78 Hình 3.10 Đa dạng 16S rRNA mức ngành mẫu nước FW 79 Hình 3.11 Đa dạng 16S rRNA mức lớp mẫu nước FW 80 Hình 3.12 Hình ảnh chụp SEM phân tích EDS bề mặt than Sơng Hồng 82 Hình 3.13 (A) Đa dạng 16S rRNA mức ngành, từ ngoài: C1-C5; (B) Đa dạng 16S rRNA mức lớp, từ ngoài: C1 ̶ C5 mẫu than nguyên trạng 88 Hình 3.14 So sánh tương đồng mơt số chi vi khuẩn cổ khuẩn phổ biến mẫu nước FW bể than Sông Hồng số bể than khác giới Mỹ [261], Trung Quốc [36,37], Nhật Bản [27], Úc [28,98] 91 Hình 3.15 Hình ảnh chụp SEM bám dính vi sinh vật lên bề mặt than độ phóng đại khác x5000; x9000; x10000 x50000 lần 92 Hình 3.16 Đường cong rarefaction pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng CR1 đến CR5 94 Hình 3.17 Đường cong rarefaction pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng AS1 đến AS5 95 Hình 3.18 Đa dạng 16S rRNA mức ngành mẫu pha rắn sau làm giàu CR 96 Hình 3.19 Đa dạng 16S rRNA mức ngành mẫu pha lỏng AS 99 Hình 3.20 Sơ đồ giả định trình chuyển hóa vật chất hữu phức tạp than thành khí methane bể than Sơng Hồng Màu cam chi vi sinh vật phát triển trình bổ sung dinh dưỡng 101 Hình 3.21 Phân tích NMDS khác cấu trúc quần xã VSV mẫu nguyên trạng (C FW) đáp ứng (pha rắn CR pha lỏng AS) Giá trị nhiễu = 0,039 102 Hình 3.22 Đa dạng 16S rRNA mức ngành mẫu nguyên trạng than/nước mẫu đáp ứng sau trình bổ sung dinh dưỡng pha rắn CR/pha lỏng AS 103 Hình 3.23 Phân tích phả hệ hiển thị đồ nhiệt mối quan hệ phân bố theo ngành vi sinh vật/ 16 mẫu phân tích 105 vii Hình 3.24 Phân tích phả hệ hiển thị đồ nhiệt mối quan hệ phân bố theo 30 chi vi sinh vật phổ biến có tần suất OTUs>1%/ 16 mẫu phân tích 106 Hình 3.25 Phân tích tương quan Pearson đặc tính than hiệu suất sinh khí methane * tương ứng với p