Sự phân hủy sinh học một số chất đặc biệt

Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt Bởi: Ngô Tự Thành Mở đầu Một số chất đặc biệt có khả bị phân huỷ sinh học đề cập chương là: hydrocacbon dầu mỏ, dung môi (metyletylketon, axeton, alkohol, metylen, clorit), chất thơm (benzen,toluen,xylen,các chất thơm đa vũng, clorobenzen), nitro clorophenol, este phtalat, chất diệt hại sinh học(pesticides), chất béo clo hoá Các hợp chất sơ xếp nhóm thành hydrocacbon dầu mỏ sản phẩm oxy hoá chúng , chất béo halogen hoá, chất thơmhalogen hoá Chỉ số hợp chất kể nghiên cứu kỹ khả bị phân huỷ nhờ vi sinh vật, quy mô phũng thớ nghiệm, cũn việc nghiờn cứu chỳng thiờn nhiờn thỡ cũn ớt Các tốc độ phân huỷ sinh học đường phân huỷ chất xác định trờn cỏc chủng phũng thớ nghiệm khụng phản ỏnh hết gỡ xảy nước thải, đất hệ sinh thái nước Ngoài ra, việc nghiên cứu đường trao đổi chất thường cho phép nhận dạng chất tiết bên tế bào tích tụ thời gian đủ dài để phát kỹ thuật phân tích Ngay chất bền vững mặt hoá học parafin, dầu mỏ cao su bị vi sinh vật phân hủy Chỉ vắng mặt oxy mỏ dầu điều kiện đặc biệt vỉa than đá không diễn phân huỷ nhận thấy Những câu hỏi sau có ý nghĩa thực tiễn to lớn: • Liệu dầu thô xâm nhập vào đất vào nước có bị oxy hoá sinh học hay không? • Liệu có khu hệ vi sinh vật chuyên hoá sử dụng hydrocacbon hay không?, • Liệu vào số lượng vi sinh vật oxy hoá hydrocacbon mà suy lượng dầu mỏ khí mỏ tương ứng không? Vi sinh vật sử dụng dầu mỏ phổ biến Chúng phân lập từ tất đất ruộng, đất rừng, đất đồng cỏ Ngoài ra, khả sử dụng dầu mỏ làm nguồn 1/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt lượng số vi sinh vật đặc biệt, mà có nhiều nấm vi khuẩn Phát phù hợp với số liệu phân tích thành phần hoá học vi sinh vật, thực vật động vật: hydrocacbon có mặt nhiều thể tổng hợp không ngừng vi sinh vật thực vật; có lẽ chúng thuộc chất kiểu sáp bao phủ Như hydrocacbon không coi phần lại nằm lòng đất sản sinh sơ cấp thực vật thời đại xa xưa, mà coi chất trao đổi thứ cấp ngày sản sinh với lượng đáng kể nhờ xanh Phân huỷ hydrocacbon Mỗi năm tòan giới người ta sản xuất hai tỷ dầu mỏ, lượng lớn sản phẩm dầu mỏ làm ô nhiễm môi trường biển môi trường đất liền Sự thải bỏ thường nhật (rác thải đô thị, chất thải lỏng, rửa đường giao thông, vv ) chiếm khoảng 90% tổng lượng hydrocacbon dầu mỏ thải vào môi trường.Các cố cố tầu chở dầu, vỡ đường ống dẫn dầu, cố phun từ giếng dầu chiếm 10% tổng lượng thải nói Nói chung hydrocacbon dầu mỏ nằm mức trung gian bên chất dễ phân huỷ sinh học bên chất khó phân huỷ Các hợp chất dầu mỏ xâm nhập vào sinh dò rỉ qua hàng triệu năm đường trao đổi chất phân huỷ chúng tiến hoá Các hydrocacbon dầu thô phân loại thành: alkan (bình thường iso), xycloalkan,các chất thơm, chất thơm đa vòng, nhựa đường nhựa Các alkan nói chung mặt dầu thô có với lượng nhỏ sản phẩm dầu tinh chế, trình “cracking” dầu thô Những khác biệt chiều dài chuỗi, phân nhánh chuỗi, ngưng tụ thành vòng, liên kết lớp , có mặt oxy, nitơ chất chứa lưu huỳnh tạo nên đa dạng hydrocacbon dầu mỏ Sự phân huỷ sinh học hợp chất phụ thuộc đáng kể vào trạng thái vật lý tính độc hại chúng Vì dầu mỏ hỗn hợp phức tạp nên phân huỷ quần thể hỗn hợp vi sinh vật có enzym khác thực Ngoài ra, phân huỷ mở đầu hydrocacbon dầu mỏ thường enzym oxygenaz xúc tác mà cần đến oxy phân tử Vì điều kiện hiếu khí cần thiết cho phân huỷ mở đầu hydrocacbon dầu mỏ Trong bước nitrat sulfat dùng làm chất nhận điện tử cuối cùng, oxy thường dùng Các alkan Các n – alkan thường dễ bị phân huỷ số hydrocacbon dầu mỏ Tuy nhiên, alkan bình thường có độ dài từ C5 đến C10ở nồng độ cao lại có tính ức chế nhiều thể phân huỷ hydrocacobn, giống dung môi, chúng phá huỷ màng có chứa lipit Các alkan khoảng C20 đến C40(được coi “xốp “) chất rắn kỵ nước; độ tan thấp chúng khiến cho chúng khó bị phân huỷ sinh 2/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt học.Trong phân huỷ alkan, enzym monoxyzenaz công nhóm metyl tận để tạo thành alkohol, nêu hình 6.1 Alkohol bị oxy hoá tiếp thành aldehyt sau thành axit béo Axit béo lại bị phân huỷ kiểu β- oxy hoá chuỗi béo Nói chung, phân huỷ alkan làm sinh sản phẩm có tính oxy hoá làm bay chúng Tuy nhiên, alkan ban đầu bay mạnh, loại khỏi đất chủ yếu nhờ giải hấp điều kiện thoáng khí Hình 6.1 Sự oxy hoá mở đầu alkan Các alken So với alken phân huỷ alken biết đến Vị trí liên kết không bão hoà có ảnh hưởng đến phân huỷ Ví dụ, các1- alken, tức alken có nối đôi cacbon số một, bị phân huỷ dễ nhiều so với alken có nối đôi bên chuỗi Có hai đường chuyển hoá 1- alken: nối đôi bị oxy hoá,dẫn đến tạo thành diol; hai đầu tận chuỗi bão hoà bị oxy hoá , để tạo thành axit Hình 6.2 minh hoạ hai đường chuyển hoá 1- alken Hình 6.2 Sự phân huỷ 1- alken Các xycloalkan (các alkan vòng béo) Các alkan vòng béo khó bị phân huỷ so với alkan mạch thẳng dễ so với chất thơm đa vòng (PAHs) Các alkan vòng béo có nhiều cấu trúc vòng khó bị phân huỷ sinh học, giống PAH Sự giảm khả bị phân huỷ sinh học có liên quan phần đến giảm tính hoà tan Các alkan vòng béo 3/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt có nhóm thay alkyl dễ bị phân huỷ nhiều so với hydrocacbon không thay thế, alkan vòng béo có nhóm bên chuỗi dài dễ bị phân huỷ nhiều so với alkan vòng béo có nhóm metyl etyl Không nên nhầm lẫn phân huỷ với khoáng hoá: thông thường phân tử phức tạp bị phân huỷ phần phần lại không bị phân huỷ Trái lại, thay nhóm alkyl làm tăng tính tan làm cho cấu trúc alkan vòng béo dễ bị phân huỷ vi khuẩn Các xycloalkan thường bị phân huỷ nhờ oxidaz để sinh alkohol vòng, chất sau dố bị tách hydro để trở thành keton, mô tả hình 6.3 Các alkylcycloalkan chịu phân huỷ mở đầu vị trí nhóm alkyl, làm sinh axit béo Vì xycloketon axit xycloalkan-cacboxylic sản phẩm sơ cấp chuyển hoá xycloalkan Hình 6.3 Sự phân huỷ xycloalkan Các hydrocacbon thơm Các chất thơm có cấu trúc dựa phân tử benzen (hình 6.4) Một vài chất thơm có mặt dầu mỏ, có chất 1,2,3,4,và5 vòng, chất thơm có nhóm thay alkyl Các chất thơm có tính bền vững so với chất chứa vòng khác có chung điện tử tự nhờ liên kết pi Hợp chất thơm đơn giản benzen Benzen,toluen, etylbenzen, ba loại xylen (hình 6.4) gọi chung BTEX, hợp phần dễ tan nước linh động xăng thông thường Những chất hữu bay thuộc chất độc hại nhất, đặc biệt benzen có tính gây ung thư Bởi BTEX thường dùng làm chất thị cho ô nhiễm đất nước ngầm, ô nhiễm dò rỉ bể chứa ngầm Như đề cập phần đây, chất phụ gia chứa oxy dùng để tăng cường khả cháy xăng Chúng chiếm tỷ lệ đáng kể xăng, tan hoàn toàn nước, linh động nước ngầm Hình 6.4 Cấu trúc phân tử BTEX 4/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt Sự phân huỷ sinh học chất thơm bao gồm hai bước: hoạt hoá vòng, phá vỡ vòng Sự hoạt hoá vòng: Sự hoạt hoá vòng thu nhận oxy phân tử vào vòng, tức dihydroxyl hoá nhân thơm Bước thực nhờ oxygenaz Về hoạt hoá có tính tiền đề cho phân huỷ chất thơm, liên quan đến oxygenaz, nhóm vi sinh vật có tiềm khác nhau: • Nấm eucaryot khác chứa monooxygenaz xúc tác cho thu nạp nguyên tử oxy riêng lẻ vào vòng chất thơm, để tạo thành epoxit bị hydrat hoá sau mà sinh transdihydrodiol • Còn vi khuẩn chứa dioxygenaz xúc tác thu nạp lúc hai nguyên tử oxy phân tử để tạo thành dihydrodiol Những phản ứng dioxygenaz biết hay xảy benzen, benzen halogen hoá, toluen, p- chlorotoluen, xylen, biphenyl, naphtalen, antraxen, phenantren, benzo[a] – pyren, 3- metylcolantren Sự phá vỡ vòng: Các dihydrodiol (hình 6.5) bị oxy hoá tiếp với dẫn xuất dihydroxyl hoá, catechol chẳng hạn, chất trực tiếp chịu phá vỡ vòng Catechol bị oxy hoá qua hai đường sau đây: - Con đường orto: phá vỡ vòng xảy cầu nối nguyên tử cacbon hai nhóm hydroxyl sinh axit muconic - Con đường meta: vòng bị phá vỡ cầu nối nguyên tử cacbon có nhóm hydroxyl nguyên tử cacbon liền kề, tạo thành 2-hydroxymoconic semialdelhyt Cả hai sản phẩm hai kiểu phân huỷ bị vi sinh vật phân huỷ tiếp sau để tạo thành axit lại chúng vi sinh vật khác dùng làm nguồn lượng Hình 6.5 Sự phân huỷ hydrocacbon thơm Các hydrocacbon thơm đa vòng Các hydrocacbon thơm đa vòng (PAHS) có chứa từ hai vòng benzen trở lên, có công thức chung mang tính thực nghiệm C4n+ H 2n+4 n = số lượng vòng thơm Ví dụ, PHA thuộc loại chứa ba vòng antraxen phenantren có công thức 5/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt chung làC14H10 công thức cấu tạo nêu hình 6.6 Trong số PHA có 16 chất gây ô nhiễm đặc biệt nguy hiểm, ví dụ số chất đáng ngờ khả gây ưng thư Hình 6.6 Hai PHA thuộc loại chứa ba vòng, anthraxen phenanthren Nhìn chung, PAH có trọng lượng phân tử số lượng cấu trúc vòng lớn độ hoà tan tính bay thấp (bảng 6.1), khả hấp phụ cao Các hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs) hay gọi đa nhân (PNAs) hình thành trình hoạt động công nghiệp nhiệt độ cao tinh chế dầu mỏ, luyện than cốc, bảo quản gỗ Chính chúng chất gây ô nhiễm phổ biến nơi có hoạt động mà chất thải không kiểm soát Các hydrocacbon thơm đa nhân hợp phần chủ yếu creosot, chất chủ yếu dùng để bảo quản gỗ Sự phân huỷ PAH phân huỷ vòng , theo chế giống hydrocacbon thơm Khả bị phân huỷ sinh học cuả PAH thường giảm dần theo tăng số lượng vòng số lượng nhóm alkyl Ở procaryot có khả phân huỷ PAH, enzym tham gia phân huỷ cảm ứng có mặt hydrocacbon thơm có phân tử nhỏ, naphtalen chẳng hạn Do vậy, cần lưu ý PAH phân tử lớn không bị vi sinh vật phân huỷ PAH phân tử nhỏ mặt Sự phân huỷ PAH nhờ nấm cần phải quan tâm mặt môi trường, số sản phẩm phân huỷ bị coi chất độc thể bậc cao Một số tác giả cho biết tăng tính bay số PAH (naphtalen,và 1- methylnaphtalen) kết phân huỷ sinh học chúng thành chất có phân tử nhỏ Bảng 6.1 Các tính chất số PAH Chất Côngthức phân tử (Trọng lượng phân tử) Cấu trúc phân tử Độ tan mg/l 25 o C Áp suất hơi, mgHg(o C) Nguồn : Eweis J.B cộng sự, 1994 Các asphaltin nhựa Đó chất thơm đa vòng có phân tử lớn có chứa thêm nitơ,lưu huỳnh oxy Các asphaltin hầu hết nhựa gồm chuỗi hydrocacbon nguyên tử nitơ, lưu huỳnh oxy liên kết chuỗi thơm đa vòng chứa nikel vanadi 6/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt Các asphaltin nhựa khó bị phân huỷ sinh học tính không hoà tan chúng có mặt nhóm chức mà cấu trúc vong thơm to lớn bảo vệ khỏi công vi sinh vật Trong trình phân huỷ sinh học hydrocacbon dầu mỏ, số lượng tương đối số lượng tyuệt đối asphaltin có xu tăng lên khó phân huỷ hình thành nhờ phản ứng ngưng tụ Theo số nghiên cứu (Leahy Colwell, 1990) loại bỏ asphaltin nhờ đồng trao đổi chất với có mặt n-alkan từ C12 đến C18 Các chất phụ gia chứa oxy cho nhiên liệu Các chất phụ gia chứa oxy cho nhiên liệu dùng để bổ sung vào xăng nhằm tăng tính cháy hoàn toàn nó, giảm lượng cacbonmonoxit (CO) khí thải Chúng làm tăng hàm lượng oxy cho nhiên liệu, cải thiện số octane tăng tính chống nổ Có hai loại chất phụ gia chứa oxy chính: alkohol béo (metanol etanol), ete Người ta bắt đầu sử dụng chất phụ gia theo điều khoản Clean Air Act Amendments (CAAA)năm 1990, mùa đông năm 1992, vùng mà lượng CO không khí vượt mức cho phép Tại chín vùng đô thị chịu tác hại nặng nề ô nhiễm tầng ozone, người ta bị bắt buộc phải dùng “xăng chế biến lại” năm 1995 Nhiều vùng đô thị khác Mỹ tham gia vào chương trình dùng xăng chế biến lại Xăng có trộn thêm phụ gia chứa oxy xăng chế biến lại phải chứa 2,7 2,0% oxy, theo thứ tự Đối với xăng thêm phụ gia, để đạt mức oxy nói người ta dùng chất nêu bảng … Bảng… Các chất phụ gia dùng 7/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt Chất phụ gia dùng phổ biến MTBE Chất tương đối rẻ, dễ sản xuất hoà trộn tốt với xăng – không phân lớp Việc sản xuất MTBE tăng đáng kể năm gần Năm1995 chất hữư sản xuất nhiều thứ ba Mỹ, đạt mức khoảng tỷ (Kirschner, 1996) Tuy MTBE chất gây quan ngại mặt môi trường có độ tan, tính linh động tính bay mang nhiều nguy cho nước ngầm Nó tan mạnh so với BTEX, có độ hấp phụ thấp đáng kể, thể số KSD thấp Theo nghiên cứu thực địa, MTBE di chuyển nước ngầm với tốc độ gần chất phóng xạ Đồng thời, MTBE dường bền vững nước ngầm, điều kiện hiếu khí kỵ khí Do tích tụ nước ngầm mối nguy chưa rõ ràng cho sức khoẻ Một số nghiên cứu cho biết MTBE gây ung thư động vật, Mỹ, quan hữu trách dè dặt xếp vào nhóm chất gây ung thư cho người Về phân huỷ sinh học MTBE, công trình nghiên cứu Các vấn đề đề cập gồm: Có lẽ cầu nối eter MTBE (hình 6.7) nhóm metyl phân tử nguyên nhân tính ổn định sinh học Để bắt đầu phân huỷ nó, vi sinh vật đất cần có giai đoạn thích ứng lâu Hình 6.7 MTBE phân huỷ tới sản phẩm trung gian (TBA) Ở điều kiện kị khí nhân tạo bắt chước giống nước ngầm, người ta thấy không xảy phân huỷ sinh học điều kiện khử nitrat, sau giai đoạn thích ứng 180 ngày Tuy nhiên, MTBE bị phân huỷ sinh học điều kiện sinh metan Khi có sản phẩm trung gian tạo thành, tert – butyl alcohol (TBA), chất dường bền vững, không bị phân huỷ sinh học Trong điều kiện hiếu khí, MTBE bị phân huỷ sinh học sau giai đoạn thích ứng dài hai tháng Bằng cách dùng MTBE đánh dấu phóng xạ 14C, người ta ghi nhận 8/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt phân huỷ triệt để chất đến CO2 phần vào sinh khối Trong trình phân huỷ hiếu khí phát sản phẩm trung gian TBA Nó dường tích tụ thời gian ngắn, sau phân huỷ sinh học tốc độ thấp tốc độ phân huỷ MTBE TBA dùng làm chất phụ gia cho nhiên liệu Sự phân huỷ sinh học hiếu khí MTBE điều kiện nghiêm ngặt phòng thí nghiệm ghi nhận Tại trạm kiểm soát ô nhiễm nước California, Mỹ, người ta tiến hành loại bỏ MTBE màng sinh học hình thành theo nguyên tắc ủ đống, tiến hành thực địa Kết cho thấy cần giai đoạn thích ứng khoảng năm để loại bỏ 95% MTBE (nếu nồng độ trung bình dòng vào 200 ppbv) Giai đoạn thích ứng giảm xuống tuần lễ, chủng phân lập từ màng sinh học trạm nuôi tích luỹ MTBE cấy vào màng sinh học quy mô pilot chứa môi trường nhân tạo Các thực nghiệm hai qui mô phòng thí nghiệm pilot cho thấy MTBE chủng nuôi tích luỹ dùng làm nguồn cacbon lượng nhất, nồng độ MTBE 150ppmv không ức chế sinh trưởng, phân huỷ sinh học đồng thời MTBE chất dễ chuyển hoá (như toluen chẳng hạn) điều 143 Phân huỷ chất béo halogen hoá Nhiều chất gây ô nhiễm nước ngầm nơi thải rác độc hại chất béo halogen hoá Các chất béo halogen hoá quan trọng công nghiệp bao gồm alkan alken từ C1 đến C3 clo hoá brom hoá: - Các etan eten clo hoá dùng phổ biến làm dung môi tẩy rửa dùng trình giặt khô ngành chế tạo chất bán dẫn - Các chất brom hoá dùng làm chất diệt hại sinh học (pesticides), ví dụ etylen dibromit (EDB) dibromocloropropan (DBCP) - Các metan halogen hoá hình thành trình sát khuẩn nước, CHCl3, CHCl2Br, CHClBr2, CHBr3 Các chất béo halogen hoá thường khó bị vi sinh vật phân huỷ tồn dai dẳng môi trường Các nguyên tử halogen phân tử làm tăng trạng thái oxy hóa nguyên tử cacbon, trình phân huỷ hiếu khí thuận lợi mặt lượng so với phân huỷ kị khí Các trình lý hoá giải hấp hấp phụ có tốc độ phân huỷ chậm nên thường hiệu có kết chắn Một số chất béo halogen hoá khác, trái lại, tương đối dễ bị phân huỷ, như: 9/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt • Metylen clorit (diclorometan) • Clorophenol • Orto-, meta-, para- clorobenzoat Như biết, chất hữu thường vi sinh vật sử dụng làm chất cho điện tử Tuy nhiên, nhóm halogen có điện tích âm điện tử, nên chất béo halogen hoá nhiều lần phản ứng chất nhận điện tử môi trường có tính khử Vì thế, số lượng nguyên tử halogen phân tử lớn khả bị phân huỷ sinh học hệ thống hiếu khí nhỏ khả hệ thống kị khí lớn Như tốc độ phân huỷ sinh học phụ thuộc vàoloại halogen hợp chất.Các halogen xắp xếp theo giảm điện tích âm điện tử sau:F, Cl, Br, I Bởi vậy, brom vốn chất có điện tích âm so với clo nên dễ bị thay Để phân huỷ sinh học dễ dàng chất béo halogen nên vận dụng đồng trao đổi chất Các chất tricloroeten (TCE), tetracloroeten (PCE), triclorometan (cloroform) phân huỷ theo chế nhờ enzym cảm ứng Cụ thể hơn, với TCE, đồng trao đổi chất nhờ ba nhóm vi sinh vật sau đây: • Vi khuẩn dinh dưỡng metan • Vi sinh vật phân huỷ hydrocacbon thơm, • Vi sinh vật oxy hoá amôn Ở ba nhóm trên, enzeym đồng trao đổi chất monooxygenaz dioxygenaz Vi sinh vật gây phân huỷ chất béo halogen hoá nhờ phản ứng thế, phản ứng oxy hoá, phản ứng khử Sự tách halogen khỏi phân tử thường bước chất có chuỗi alkyl ngắn Còn chuỗi alkyl dài, halogen ảnh hưởng tới oxy hoá nguyên tử cacbon tận Khi oxy hoá nhóm metyl tận bước tạo thành alkohol béo halogen hoá Trong phản ứng thế, halogen thay nhóm hydroxyl: Cụ thể hơn, tách halogen khỏi diclorometan xảy sau: 10/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt Trong thuỷ phân diclorometan 1,2 – dicloroetan, sản phẩm trung gian formaldehyt, 2- cloroetanol, 1,2 – etandiol Các sản phẩm trung gian phân huỷtiếp tục đến khí cacbonic nhờ tập hợp vi sinh vật khác Sự oxy hoá theo kiểu alpha- hydroxyl hoá xảy phổ biến hơn: Sự phân huỷ hiếu khí eten clo hoá có lẽ xảy theo kiểu epoxi hoá: Sản phẩm epoxit sau để thành cacbondioxit clohydric Sự tách halogen theo kiểu phản ứng khử kiểu phản ứng thứ ba, xảy môi trường kị khí Theo kiểu này, halogen bị thay nguyên tử hydro, hai halogen bị loại bỏ để hình thành nối đôi (sự loại bỏ dihalo): Sự loại bỏ dihalo xảy điều kiện kị khí mà điều kiện hiếu khí Sự loại bỏ dihalo khử PCE TCE dẫn đến hình thành vinyliden vinyl clorit, chất gây ung thư bay mạnh chất tiền thân chúng 14.4 Phân huỷ chất thơm halogen hoá Giống hydrocacbon béo halogen hoá, chất thơm halogen hoá chất gây ô nhiễm phổ biến đất, nước ngầm, nơi chứa rác thải độc hại Các chất thơm halogen hoá quan trọng công nghiệp bao gồm: • Các dung môi, 11/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt • • • • Các chát bôi trơn, Các chất diệt hại sinh học(ví dụ DDT, 2,4-D, 2,4,5-T), Các chất dẻo hoá, Các biphenyl polyclo hoá (PCBs) dùng rộng rãi làm vật liệu cách điện việc truyền điện tụ điện, • Pentaclorophenol, chất bảo quản gỗ Giống alkyl halogen hoá, vị trí halogen số lượng chúng phân tử ảnh hưởng tới khả bị phân huỷ sinh học chất thơm Và giống alkyl halogen hoá , gốc halogen nhiều chất thơm dễ bị tách halogen khử môi trường có tính khử Về chế hoá học, phân huỷ sinh học hydrocacbon thơm halogen hoá oxy hoá, khử hay thay thế, giống chất béo halogen hoá Cơ chế hoá học phân huỷ sinh học số chất thơm halogen hoá cụ thể sau: - Các aryl halogen hoá bị phân huỷ cách tách halogen cấu trúc vòng thông qua oxy hoá, khử, thay thế; cách thứ hai cắt đứt vòng xảy trước tách halogen, tạo thành chất béo halogen hoá - Các chất diệt cỏ thuộc nhóm clorophenoxy clorobenzen hay bị oxy hoá thành halocatechol thông qua clorophenol để sau xảy cắt đứt vòng Sự cắt đứt vòng theo kiểu orto dẫn đến tạo thành axit cloromuconic (hình 6.8) Hình 6.8 Sự mở vòng clorobenzen Ngoài ra, mở vòng cầu nối meta xảy tạo thành clorohydroxymuconic semialdehyt Sự tách halogen xảy ngẫu nhiên sau vòng thơm mở - Các benzoat clo hoá, PCB, 2,4,5-T, clorophenol, 1,2,4-triclorobenzen bị tách halogen theo kiểu khử điều kiện sinh metan Các sản phẩm chuyển hoá chứa clo chất khởi nguồn Các sản phẩm chưa bị phân huỷ sau điều kiện kị khí bị oxy hoá điều kiện hiếu khí Ví dụ, tất monoclorobenzoat bị phân huỷ sinh học hiếu khí tới CO2 Đặc biệt, 3-clorobenzoat bị phân huỷ sinh học mối quan hệ tương hỗ ba loại vi sinh vật, nêu hình Nếu số chúng mặt không hoạt động chất không bị phân huỷ Hình Quan hệ hội sinh ba vi sinh vật phân huỷ sinh học 3-clorobenzoat Nếu thiếu ba thể phân huỷ không xảy 12/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt Các mũi tên liền biểu thị dòng dinh dưỡng biết rõ, mũi tên gián đoạn biểu thị dòng dinh dưỡng giả thiết Sự tách clo theo kiểu khử pentaclorophenol nêu hình 6.9 Các sản phẩm 3,4,5 - triclorophenol, 3,5 - diclorophenol, - clorophenol Hình 6.9 Sự tách halogen theo kiểu khử pentaclorophenol - Các benzoat monohalogen hoá vị trí para, PCP bị thay nhóm halogen nhóm hydroyl (hình 6.10) Sản phẩm phân huỷ PCP tetracloro- p – hydroquinon bị phân huỷ điều kiện kị khí Hình 6.10 Sự phân huỷ pentaclorophenol Tóm lại, phân huỷ sinh học hydrocacbon, chất béo halogen hoá, chất thơm halogen hoá có đặc điểm sau đây: - Trong sau trình phân huỷ sinh học, tính độc tính bay chúng thay đổi - Sự phân huỷ sinh học bay hai trình có tính cạnh tranh: chất dễ bị phân huỷ có khả bị phân huỷ trước bay Tuy nhiên, chất khởi nguồn có tính dễ bay hơi, hydrocacbon xăng chẳng hạn, lại thường bị bay khỏi đất điều kiện đó, chúng dễ bị phân huỷ Một số hoá chất bị phân huỷ thành sản phẩm dễ bị phân huỷ so với chất khởi nguồn, nhanh chóng biến khỏi môi trường Một số khác lại bị phân huỷ thành chất bền vững so với chất khởi nguồn - Trong trình phân huỷ hiếu khí, phân huỷ alkan thành axit béo, hay phân huỷ chất thơm thành catechol, có thêm oxy vào chất bị phân huỷ, làm cho chúng bay hơn, tan nhiều bị phân huỷ dễ Tuy vậy, hydrocacbon đa vòng bị phân huỷ thành sản phẩm bay nhiều hơn; việc mở vòng thơm tạo thành chất có phân tử nhỏ Điều náy 13/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt đặc biệt quan trọng phân huỷ PAH nhờ nấm, enzym ngoại bào tiết để mở vòng thơm Những trình phân huỷ làm cho chất bị phân huỷ trở nên dễ hoà tan làm cho chúng khó bị hấp phụ lên bề mặt làm dễ dàng cho việc tách chúng khỏi pha lỏng - Một số trình phân huỷ kị khí hydrocacbon halogen hoá tạo thành chất dễ bay ví dụ: • Sự tách clo kiểu khử TCE, tạo thành trcloeten vinyl, • Các phản ứng loại bỏ dihalo 1,2-dicloroetan, tạo thành eten Nếu sản phẩm hình thành giữ đất điều kiện kỵ khí, chúng khuyếch tán chậm tới vùng hiếu khí tới tận khí Người ta đưa số hệ thống phân huỷ sinh học chất này, dựa phân huỷ kị khí hiếu khí xen kẽ Trong hệ thống xử lý người ta tách halogen theo kiểu khử,sau thông khí đảo trộn, làm tăng bay chất tạo thành giai đoạn trước Câu hỏi Một hàm lượng cao chất hữu ảnh hưởng đến phân huỷ sinh học chất gây ô nhiễm nguy hiểm nào? Giải thích tượng sau: phân huỷ sinh học số chất gây ô nhiễm đất bị chậm lại, ngừng hẳn, nồng độ chất gây ô nhiễm bắt đầu giảm xuống ngưỡng đó? Hãy lấy PAH có phân tử lớn hỗn hợp cresot để làm ví dụ Có tượng sau: Trong đất bị ướt khô theo chu kỳ số hydrocacbon clo hoá mức độ cao, ví dụ tetracloroetan, DDT, bị phân huỷ sinh học nhanh so với đất luôn ẩm ướt luôn khô - Tại sao? - Có chế lý hoá xảy loại bỏ chất loại này? • Các hoá chất nêu bảng chất hợp phần chất thải nguy hiểm • Hãy bình luận khả phân huỷ sinh học chất • Những tính chất hoá học làm giảm tăng cường phân huỷ sinh học trường hợp? Những tính chất hoá học cho tính chất hoá học chất có lợi 14/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt • Các váng cuả hydrocacbon dầu mỏ thường gặp đại dương bề mặt nước ngầm Hãy so sánh thảo luận ngắn gọn nhân tố ảnh hưởng đến loại bỏ phân huỷ tự nhiên chất gây ô nhiễm trường hợp 15/15 [...]... phân huỷ Một số hoá chất bị phân huỷ thành những sản phẩm dễ bị phân huỷ hơn so với các chất khởi nguồn, và do vậy rất nhanh chóng biến mất khỏi môi trường Một số khác thì lại bị phân huỷ thành những chất bền vững hơn so với các chất khởi nguồn - Trong các quá trình phân huỷ hiếu khí, như sự phân huỷ một alkan thành axit béo, hay sự phân huỷ một chất thơm thành catechol, đã có sự thêm oxy vào các chất. .. động thì chất này không bị phân huỷ Hình Quan hệ hội sinh giữa ba vi sinh vật trong sự phân huỷ sinh học 3-clorobenzoat Nếu thiếu một trong ba cơ thể thì sự phân huỷ này không xảy ra 12/15 Sự phân hủy sinh học một số chất đặc biệt Các mũi tên liền biểu thị các dòng dinh dưỡng đã biết rõ, còn các mũi tên gián đoạn biểu thị các dòng dinh dưỡng giả thiết Sự tách clo theo kiểu khử đối với pentaclorophenol... halogen càng nhiều thì chất thơm càng dễ bị tách halogen khử trong các môi trường có tính khử Về cơ chế hoá học, sự phân huỷ sinh học hydrocacbon thơm halogen hoá cũng có thể là một sự oxy hoá, sự khử hay sự thay thế, giống như đối với các chất béo halogen hoá Cơ chế hoá học của sự phân huỷ sinh học một số chất thơm halogen hoá cụ thể như sau: - Các aryl halogen hoá có thể bị phân huỷ bằng cách tách... đã có sự thêm oxy vào các chất bị phân huỷ, do đó làm cho chúng bay hơi kém hơn, tan nhiều hơn và bị phân huỷ dễ hơn Tuy vậy, các hydrocacbon đa vòng có thể bị phân huỷ thành những sản phẩm bay hơi nhiều hơn; đó là do việc mở các vòng thơm và sự tạo thành các chất có phân tử nhỏ hơn Điều náy 13/15 Sự phân hủy sinh học một số chất đặc biệt đặc biệt quan trọng trong sự phân huỷ các PAH nhờ nấm, trong đó... sinh học trong mỗi trường hợp? Những tính chất hoá học đã cho là những tính chất hoá học của những chất có thể là có lợi 14/15 Sự phân hủy sinh học một số chất đặc biệt • Các váng nổi cuả hydrocacbon trong dầu mỏ thường gặp trên đại dương và trên bề mặt nước ngầm Hãy so sánh và thảo luận ngắn gọn các nhân tố ảnh hưởng đến sự loại bỏ và sự phân huỷ tự nhiên các chất gây ô nhiễm trong mỗi trường hợp 15/15... những chất gây ung thư và bay hơi mạnh hơn các chất tiền thân của chúng 14.4 Phân huỷ các chất thơm halogen hoá Giống như những hydrocacbon béo halogen hoá, các chất thơm halogen hoá cũng là những chất gây ô nhiễm phổ biến đối với đất, nước ngầm, và những nơi chứa rác thải độc hại Các chất thơm halogen hoá quan trọng về công nghiệp bao gồm: • Các dung môi, 11/15 Sự phân hủy sinh học một số chất đặc biệt. .. đã đưa ra một số hệ thống phân huỷ sinh học đối với các chất này, nhưng đều dựa trên sự phân huỷ kị khí và hiếu khí xen kẽ nhau Trong các hệ thống xử lý này người ta tách halogen theo kiểu khử,sau đó thông khí và đảo trộn, như vậy có thể làm tăng sự bay hơi của các chất được tạo thành trong giai đoạn trước Câu hỏi 1 Một hàm lượng cao của chất hữu cơ ảnh hưởng đến sự phân huỷ sinh học các chất gây ô... sinh học nhanh hơn so với trong những đất luôn luôn ẩm ướt hoặc luôn luôn khô - Tại sao? - Có những cơ chế lý hoá nào có thể xảy ra đối với sự loại bỏ những chất loại này? • Các hoá chất nêu trong bảng dưới đây là những chất hợp phần của các chất thải nguy hiểm • Hãy bình luận về khả năng phân huỷ sinh học của mỗi chất • Những tính chất hoá học nào có thể làm giảm hoặc tăng cường sự phân huỷ sinh học. . .Sự phân hủy sinh học một số chất đặc biệt Trong sự thuỷ phân diclorometan và 1,2 – dicloroetan, các sản phẩm trung gian là formaldehyt, 2- cloroetanol, và 1,2 – etandiol Các sản phẩm trung gian này được phân huỷtiếp tục đến các khí cacbonic nhờ các tập hợp vi sinh vật khác nhau Sự oxy hoá theo kiểu alpha- hydroxyl hoá cũng có thể xảy ra nhưng ít phổ biến hơn: Sự phân huỷ hiếu khí... hydrocacbon, các chất béo halogen hoá, và các chất thơm halogen hoá có những đặc điểm sau đây: - Trong hoặc sau quá trình phân huỷ sinh học, cả tính độc và tính bay hơi của chúng có thể thay đổi - Sự phân huỷ sinh học và sự bay hơi là hai quá trình có tính cạnh tranh: một chất càng dễ bị phân huỷ thì càng có khả năng bị phân huỷ trước khi bay hơi Tuy nhiên, các chất khởi nguồn có tính dễ bay hơi, như những ... trúc phân tử BTEX 4/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt Sự phân huỷ sinh học chất thơm bao gồm hai bước: hoạt hoá vòng, phá vỡ vòng Sự hoạt hoá vòng: Sự hoạt hoá vòng thu nhận oxy phân tử... bị phân huỷ sinh học, giống PAH Sự giảm khả bị phân huỷ sinh học có liên quan phần đến giảm tính hoà tan Các alkan vòng béo 3/15 Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt có nhóm thay alkyl dễ bị phân. . .Sự phân hủy sinh học số chất đặc biệt lượng số vi sinh vật đặc biệt, mà có nhiều nấm vi khuẩn Phát phù hợp với số liệu phân tích thành phần hoá học vi sinh vật, thực vật động