Nghiên cứu khả năng khí hóa than của hệ vi sinh vật từ bể than sông hồng

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO TRƯỜNGĐẠIHỌCBÁCHKHOAHÀNỘI HồngLan NGHIÊNCỨUKHẢNĂNGKHÍHĨATHANCỦAHỆVISINHVẬTTỪ BỂTHANSƠNGHỒNG Ngành:C n g nghệsinhhọcMã số:9 2 TĨMTẮTLUẬNÁNTIẾNSĨCƠNGNGHỆSINHHỌC HàNội–2022 Cơngtrìnhđượchồnthànhtại: TrườngĐạihọcBáchkhoaHàNội Ngườih n g dẫ n k h o a h ọc : P G S T S N gu y ễ n L a n H ương Phảnbiện1: Phảnbiện2: Phảnbiện3: LuậnánđượcbảovệtrướcHộiđồngđánhgiáluậnántiếnsĩcấpTrườnghọptạiT rườngĐạihọcBáchkhoaHàNội Vàohồi…… giờ,ngày… tháng… năm……… Cóthểtìmhiểuluậnántạithưviện: ThưviệnTạQuangBửu-TrườngĐHBKHàNội ThưviệnQuốcgiaViệtNam MỞĐẦU Tínhcấpthiết Q trình gia tăng dân số kèm với với việc phát triển khôngngừng ngành công nghiệp, phương tiện giao thông nhưtiêu chuẩn sống dẫn đến trình gia tăng nhu cầu lượngtoàn cầu Theo đánh giá IEA, Việt Nam nằm 10nước đứng đầu vể tổng số nhà máy sản xuất điện từ than với mứcphát thải khí nhà kính lớn Trong vịng hai thập kỷ vừa qua, ViệtNam nhanh chóng chuyển từ nước xuất than sang nước nhậpkhẩuthanvớitrữlượng dựkiếnlà~50%vàonăm2025.Hiệntrạngnày đưa Việt Nam tương lai gặp nhiều vấn đề an ninhnăngl ợ n g c ũ n g n h ô n h i ễ m m ô i t r n g n ế u k h n g c ó c c h t i ế p cậnmới vàphùhợp vớinguồnthan có Bể than Sơng Hồng, nằm phía Đơng Bắc Việt Nam, bể thanlớn nước ta có tài nguyên dự báo hàng trăm tỷ Mới đâynhất theo đề án: “Điều tra, đánh giá tổng thể tài nguyên than phần đấtliền bể Sông Hồng”, Tổng cục Địa chất Khống sản Việt Namthựchiệntừnăm2012– 2020,đãtiếnhànhđiềutra,đánhgiátổngthểtàingunthanphầnđấtliềnbểSơng Hồngtrêndiệntích2.765km2 Kết tính tổng tài nguyên than phần đất liền bể SôngHồng 212.676.990 ngàn Đây nguồn lực khổng lồ đượcquản lý khai thác hiệu góp phần đảm bảo an ninh nănglượng phục vụ kinh tế xã hội Việt Nam Tuy nhiên với điều kiệnđịa chất phức tạp, vỉa than sâu nằm khu vực đôngdân cư khu vực canh tác nông nghiệp, việc khai thác than hiệu quảvàantồnđanglàbàitốnkhóđặt rađốivớicácnhàkhoahọcvà cácnhàquảnlýkhiphươngphápkhaitháctruyềnthốnglàkhaitháclộ thiên khai thác hầm lị khơng có khả tiếp cận cách antồnvàhiệu suất thuhồi khảthi Giải pháp khí hóa than ngầm sinh học nhờ chuyển hóa visinh vật giải pháp thay quan tâmvà triển khai nghiên cứu mạnh mẽ nhiều bể than giới Đâylàgiảiphápkhaithácnguồnnănglượngngaytạinơicócácvỉathantồn Thơng qua q trình khí hóa, than chuyển hóa tạichỗ vỉa nguyên trạng cách hiệu thành hỗn hợp khívới thành phần chủ yếu khí methane So với than, khí methanenhậnđượcnhiềusựquantâmcảdướigócđộpháttriểnnăngl ượng bềnvữngvàbảovệmơitrường Do việc tiến hành chứng minh tồn quần xã vi sinhvật địa bể than sông Hồng đánh giá khả năngchuyển hóa than thành khí điều kiện địa sinh học phù hợp đểáp dụng/xây dựng quy trình cơng nghệ khí hóa sinh học than ngầm(MECoM – Microbial enhanced coal bed methane) vô cấpthiết Đề tài nghiên cứu sinh “Nghiên cứu khả khí hóa thancủa hệ vi sinh vật từ bể than Sơng Hồng” thực trongkhuônkhổđềán“Điềutra,đánhgiá tổngthểtàinguyênthanp hầnđấtl i ề n b ể S ô n g H n g ” g ó p p h ầ n q u a n t r ọ n g t r o n g v i ệ c k h i đ ầ u công nghệ khai thác than ngầm chỗ đáp ứng yêu cầu cấp thiết từthựct ế t h a n V i ệ t N a m t r o n g c h i ế n l ợ c a n n i n h n ă n g l ợ n g Q u ố c gia MụctiêuvànộidungnghiêncứucủaLuậnán  Nghiên cứu đánh giá đặc tính địa sinh học bểthan Sơng Hồng, nhằm kiểm tra tính khả dụng sinh học phụcvụtriểnkhaicơngnghệkhíhóathanngầmbằngvisinhvật  Nghiêncứu, xác nhậnđược tồntại hệ vi sinhv ậ t b ả n địa bể than Sơng Hồng khả chuyển hóa thanthànhkhícủahệthốngnàytrongchiềusâucủacácvỉathan NhữngđónggópmớicủaLuậnán  Lần phát quần xã vi sinh vật địa chuyển hóathanthànhkhí tạibểthan SơngHồng  Lầnđầ utiê nxácđịnhđư ợc cácđiềuki ệnđịas inhhọc thuận lợi cho xâm nhập phát triển vi sinh vật nguồn cơchấtthanSông Hồngtheochiềusâu tồntại BốcụccủaLuậnán Luận án bao gồm 115 trang có trang mở đầu, 34 trangtổng quan, 15 trang nguyên vật liệu phương pháp nghiên cứu, 58trangkết quảvàthảo luận Chương TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH KHÍ HĨA THANBẰNGVISINHVẬT 1.1 Hiệntrạngkhaithác,sửdụngthantruyềnthốngvàcácgiảip hápthay thếtrong tìnhhình Nhucầunănglượngtồncầudựkiếnsẽtăngkhoảng25%trong giai đoạn từ năm 2018 đến năm 2040 Để đáp ứng nhu cầu nănglượng ngày tăng, lượng thu nhận từ nhiên liệu hóa thạchhiện chiếm vai trị chủ đạo (81% vào năm 2018) tiếp tụcgiữ vững vai trị việc cung cấp lượng cho tồncầu (79%) đến năm 2030 Trong đó, than dạng nhiên liệu có trữlượng lớn dạng nhiên liệu hóa thạch (71,4%) đượcphân bố rộng rãi nhiều quốc gia hẳn so với dầu khí tựnhiên Nhu cầu than dự báo tăng khoảng 14,7% giai đoạn từ2018 đến 2040 với sách lượng Tuynhiên, việc khai thác sử dụng than cách thức tất yếu đểđáp ứng nhu cầu lượng đưa lại vô số vấn đề gồm ônhiễm môi trường đất sụt lún, ô nhiễm môi trường nước sụtgiảm nghiêm trọng chất lượng nước kim loại nặng chấtphóngxạ đặc biệt tác độngnghiêm trọngđếnmơit r n g khínhưphátxạkhơngbềncủacácvậtliệudạnghạtsiêumịnvàkhínhà kính Những vấn đề nghiêm trọng liên quan đến ô nhiễm môitrườngv t n p h t ự n h i ê nt ấ t yế u s ẽ dẫ n đ ế n n hữ n g t c đ ộ n gt i ê u cựcđếnsứckhỏecủaconngườimộtcáchtrựctiếpvàgiántiếp 1.2 Tìnhhì nh nghi ê nc ứu tr i ể nkhai ứng dụng gi ải phápkhí hóathanngầmbằngvisinhvậttrênthếgiới Ý tưởng việc vi sinh vật chuyển hóa than hay xem thannhư nguồn chất xuất sớm từ đầu kỷ 20 Đến năm1999, lầnđầutiêncác bể thanđược nhà nghiêncứuS c o t t t i ế p c ậ n nhưmộtlịphảnứngsinhhọc.Bảnchấtcủahướngtiếpcậnnàylàtăng cường hiệu suất hình thành khí methane mỏ than bằngcách bổ sung quần xã vi sinh vật ngoại lai bổ sung chất dinhdưỡngchoquầnxãvisinhvậtbảnđịa(MicrobiallyEnhancedCoalbed Methane – MECoM) Dựa hướng tiếp cận nhiềunghiêncứ uđãđượctriểnkhaitại nhi ều quốc giatrênthếgi ớic ảởquymơphịng thínghiệmvàquymơcơng nghiệp 1.3 Qtrìnhhìnhthànhkhíthantrongtựnhiên Thanđư ợc hìnhthànhdoqtrìnhchơnlấp,t rầm tíchcủa thực vậtvớicácthànhphầnđadạngvàphứctạptừthân,lá,rễđếnbàotử,phấn hoa Các thành phần hình thành từ tiền chất sinhhọcnhưlignin,cacbonhydrate(cellulose,hemicellulose),protein,dầu , mỡ sáp (axit béo, rượu, este) Trong điều kiện môi trườngđầmlầyngậpnước,xácthựcvật(trongmộtsốtrườnghợpbaogồ m xác động vật) trải qua q trình phân hủy khơng hồn tồn, sau đóđược tích lũy cuối biến đổi thành than Dựa vào nguồn gốccấu thành than, khí sinh bể than phân loại sơ cấp thànhkhísinhracóbảnchấttừnhiệthọcvàbảnchấttừsinhhọc(sơcấ pvà thứ cấp) Phần lớn khí methan có nguồn gốc sinh học phát hiệnđược bể than thuộc khí sinh học thứ cấp Bản chất củakhí than sinh học thứ cấp khác với sơ cấp vi sinh vật đưatrởlạibểthansaukhiqtrìnhchơnlấp, thanhóavànânglêncũngnhưxói mịncủacácphần rìabểthan Hình1.9Giảnđồqtrìnhchuyểnhóathanthànhkhímethane Với cấu trúc polyme giống lignin phức tạp bền vững, bao gồmcác hợp chất dị vòng chứa oxy, lưu huỳnh nitơ cáchydrocacbon béo thơm, q trình chuyển hóa than thành khí địihỏi tham gia phối hợp nhiều nhóm vi sinh vật khác nhaugồm: (1) vi khuẩn lên men kị khí (sơ cấp thứ cấp); (2) vikhuẩn sinh axit acetic - acetogen (3) cổ khuẩn sinh methane – methanogen.Hệvisinhvậttrongthanrấtđadạngcácnhómprokaryot với nhiều ngành thuộc vi khuẩn cổ khuẩn Hơn 10ngànhvikhuẩnkhácnhauđãđượctìmthấytrongthan,trongđócác ngànhActinobacteria,Bacteroidetes,FirmicutesvàProteobacteriachiếm ưu Bằng cách kích thích quần xã vi sinh vật, khí methanecóthể tạora vớihàm lượnglớnhơnt h n g q u a q u t r ì n h chuyển hóa sinh học nguồn chất than khoảng thời gianthươngmại thích hợp 1.4 BểthanSơngHồngvàvùngnghiêncứu Hình1.12VịtríbểthanSơngHồngvàkhuvựcnghiêncứu Khu vực nghiên cứu khí hóa sinh học than ngầm luận án làdải than thuộc phạm vi xã Giao Thiện, Giao An, huyện Giao Thủy,tỉnh Nam Định xã Nam Phú, huyện Tiên Hải, tỉnh Thái Bình vớiranh giới hai huyện (và hai tỉnh) sông Hồng Khu vựcnghiên cứu lựa chọn nằm ven biển, chủ yếu khu vực bênngồiđê, códiện tích ~40km2 Chương2.NGUNVẬTLIỆUVÀPHƯƠNGPHÁP 2.1 Đốitượngnghiêncứu Các mẫu than thu nhận độ sâu khác 01giếng khoan LK01, vỉa có độ dày lớn 2m, bao gồm:396,04̶401,95m(C1);567,96̶573,09m(C2);674,51̶676,06m (C3);745,25̶748,2m(C4);853,82̶857,25m(C5).01mẫunước (FW)đượcthunhậntạivỉatươngứngvớivỉathunhậnmẫuthanC4 2.2 Hóachấtvàthiếtbịsửdụng Hóa chất cho mơi trường khử, hóa chất cho mơi trường kị khíTanner,hóachấtsửdụng chosinhhọcphân tử Cáct h i ế t b ị c h o s ắ c k í k h í , P C R , đ i ệ n d i , s i ê u â m , l y t â m , b ả o quảnlạnhvàlạnhđơng,nicấyvisinhvậtkịkhí,xácđịnhđặctínhlỗ rỗng kính hiển vi điện tử qt phịng thí nghiệm thuộcViệnC n g n g h ệ S i n h h ọ c v C ô n g n g h ệ T h ự c p h ẩ m v V i ệ n t i ê n tiếnKhoahọcvàCơngnghệ,TrườngĐạiHọcBách KhoaHàNội 2.3 Phươngphápnghiêncứu Phươngphápthunhận,chuẩnbịmẫuthanvàmẫunướcđảmbảo điềukiệnkịkhí Phương pháp xác định đặc tính hóa lý than nước theo tiêuchuẩn ASTM D3173, ASTM D3174, ASTM D3175, ASTM D3172,TCVN 200: 1995, ASTM D3178, ASTM D3176-89, ASTM D3179,ASTMD3177,ASTM D3173,ASTMD3174 vàISO7404 Phươngp h p p h â n t í c h c ấ u t r ú c t h a n : p h n g p h p h ấ p p h ụ v nhả hấpphụ Nitơ (LTNA-Low Temperature NitrogenA d s o r p t i o n ) vàphươngphápbơmápthủyngân(MIPMercuryIntrusionPorosimetry) Phươngphápphântíchhìnhảnhbằngkínhhiểnviđiệntửqt PhươngpháptáchchiếtvàkhuếchđạiDNA:sửdụngkitFastDNA™ SPIN Kit for Soil (MPBio) DNeasy® PowerWater®Kit (Qiagen) theo hướng dẫn nhà sản xuất Khuếch đại gen 16SrRNAthuộcvùngV3-V4sửdụngcặpmồiF515/R806 Phương pháp phân tích trình tự gen phát sinh lồi: tiến hành tạiPhịngthínghiệmFirstBASE (Singapore) Phươngphápnicấy visinhvậtkịkhí Phươngphápphântíchkhí Phươngphápphântíchthốngkê:NMDS,CCA Chương3.KẾTQUẢVÀTHẢOLUẬN 3.1 Nghiêncứutínhkhảdụngsinhhọc củanguồncơchấtthan SơngHồng 3.1.1 Đặctínhthànhphầnthan