Nghiên cứu vi sinh vật sinh methane ứng dụng cho sản xuất biogas trong điều kiện môi trường nước lợ và nước mặn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THU HOÀI NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT SINH METHANE ỨNG DỤNG CHO SẢN XUẤT BIOGAS TRONG ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG NƯỚC LỢ VÀ NƯỚC MẶN LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THU HOÀI NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT SINH METHANE ỨNG DỤNG CHO SẢN XUẤT BIOGAS TRONG ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG NƯỚC LỢ VÀ NƯỚC MẶN Chuyên ngành: VI SINH VẬT HỌC Mã số: 62 420107 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Đinh Thúy Hằng GS TS Nguyễn Lân Dũng Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đây công trình nghiên cứu số kết cộng tác với cộng khác Các số liệu trình bày luận án trung thực, phần công bố tập san tạp chí khoa học chuyên ngành với đồng ý đồng tác giả Phần lại chưa công bố công trình khác Tác giả luận án Nguyễn Thu Hoài LỜI CẢM ƠN Thành công Luận án kết cố gắng nỗ lực thân suốt trình nghiên cứu, tìm hiểu đề tài Đồng thời thân nhận giúp đỡ tạo điều kiện thầy cô hướng dẫn, anh chị bạn đồng nghiệp Trước tiên, cho phép gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể cán Phòng Sinh thái Vi sinh vật, Phòng Công nghệ Enzyme - Protein Viện Vi sinh vật Công nghệ sinh học - Đại học Quốc Gia Hà Nội tạo điều kiện, giúp đỡ sở vật chất khích lệ trình thực tập Nghiên cứu sinh Với lòng biết ơn sâu sắc xin gửi cảm ơn tới TS Đinh Thúy Hằng - Trưởng phòng Sinh thái Vi sinh vật, Viện Vi sinh vật Công nghệ sinh học - ĐHQGHN người trực tiếp định hướng nghiên cứu, hướng dẫn bảo tận tình cho suốt trình thực luận án Đồng gửi lời cảm ơn tới GS.TS Nguyễn Lân Dũng - chuyên gia cao cấp Viện Vi sinh vật Công nghệ sinh học - người cho nhiều lời khuyên bảo giúp đỡ thời gian nghiên cứu luận án Tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Viện Vi sinh vật Công nghệ sinh học - ĐHQGHN tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất giúp hoàn thành Luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Thường vụ Đảng ủy, Ban Tổng Giám đốc Trung tâm nhiệt đới Việt - Nga tạo điều kiện giúp đỡ khuyến khích, động viên suốt trình làm Nghiên cứu sinh Tôi mong muốn cảm ơn đến Phân viện trưởng bạn đồng nghiệp Phân viện Công nghệ sinh học, Trung tâm nhiệt đới Việt - Nga nhiệt tình giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thời gian sở vật chất suốt thời gian tham gia làm Nghiên cứu sinh Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS TS Bùi Thị Việt Hà - Chủ nhiệm Bộ môn Vi sinh vật, thầy cô giáo Bộ môn Vi sinh vật học Khoa sinh học, Trường Đại học Khoa học tự nhiên - ĐHQGHN trực tiếp giảng dạy giúp đỡ khóa học Nghiên cứu sinh Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè người thân ủng hộ, cổ vũ động viên vượt qua khó khăn trình học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2015 Nguyễn Thu Hoài MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU 10 Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 12 Xử lý chất thải hữu theo công nghệ phân hủy kỵ khí sinh methane điều kiện nhiễm mặn 12 1.1.1 Ô nhiễm chất thải hữu môi trường nhiễm mặn 12 1.1.2 Xử lý ô nhiễm chất hữu phân hủy kỵ khí 14 1.1.3 Xử lý chất thải hữu phân hủy kỵ khí điều kiện nhiễm mặn 18 1.2 Bản chất sinh học phân hủy kỵ khí sinh methane 21 1.3 Đa dạng di truyền đặc tính sinh học VSVSMT 25 1.3.1 Phân bố VSVSMT tự nhiên 25 1.3.2 Vị trí phân loại VSVSMT 26 1.3.3 Đặc tính sinh học VSVSMT 30 1.4 1.3.3.1 Cơ chất trình phân hủy kỵ khí sinh methane 30 1.3.3.2 Sinh hóa trình phân hủy kỵ khí sinh methane 32 1.3.3.3 Một số phương pháp nghiên cứu quần xã VSVSMT 35 1.3.3.4 VSVSMT môi trường nước lợ nước biển 37 Công nghệ xử lý chất thải hữu phân hủy kỵ khí sinh methane 40 1.4.1 Một số công nghệ phổ biến 40 1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến phân hủy kỵ khí sinh methane 43 1.4.2.1 Cân dinh dưỡng 43 1.4.2.2 Các yếu tố lý hóa sinh học 44 1.5 Nghiên cứu VSVSMT công nghệ phân hủy kỵ khí tạo biogas Việt Nam Chương VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu 46 48 48 2.1.1 Đối tượng, vật liệu nghiên cứu 48 2.1.2 Hóa chất, môi trường thiết bị 48 2.2 Phương pháp nghiên cứu 49 2.2.1 Làm giàu phân lập VSVSMT 49 2.2.1.1 Làm giàu VSVSMT 49 2.2.1.2 Phân lập VSVSMT 50 2.2.2 Nghiên cứu đặc tính sinh học VSVSMT 51 2.2.2.1 Quan sát đặc điểm hình thái 51 2.2.2.2 Xác định ảnh hưởng điều kiện nuôi cấy đến sinh trưởng VSVSMT 51 2.2.3 Tách DNA tổng số từ mẫu môi trường chủng khiết 52 2.2.3.1 Tách DNA tổng số từ mẫu môi trường 52 2.2.3.2 Tách DNA tổng số chủng khiết 53 2.2.3.3 Điện di DNA gel agarose 54 2.2.4 Phương pháp PCR- DGGE 54 2.2.4.1 Khuếch đại đoạn 16S rDNA cho phân tích DGGE 54 2.2.4.2 Điện di biến tính DGGE 55 2.2.4.3 Cắt băng gel 55 2.2.5 Phân tích trình tự 16S rDNA chủng VSVSMT 56 2.2.6 Thiết lập phân tích thư viện gen mcrA(clone library) 57 2.2.6.1 Nhân PCR tinh sản phẩm 57 2.2.6.2 Phản ứng ghép nối gen vào vector 57 2.2.6.3 Biến nạp DNA plasmid vào tế bào khả biến E.coli DH5α phương pháp sốc nhiệt 57 2.2.6.4 Tách dòng giải trình tự gen mcrA 58 2.2.6.5 Phân tích trình tự gen mcrA dựng phân loại 59 2.2.7 Phân tích hóa học 59 2.2.7.1 Phân tích COD hòa tan 59 2.2.7.2 Xác định hàm lượng muối nước 60 2.2.7.3 Xác định tổng thể tích khí sinh trình phân hủy kỵ khí 61 2.2.7.4 Xác định hàm lượng methane mô hình thí nghiệm 61 2.2.7.5 Xác định hoạt tính sinh methane 62 2.2.8 Thiết lập mô hình phân hủy kỵ khí chất thải hữu điều kiện nước lợ nước mặn 63 64 2.3 Sơ đồ mô tả bước thí nghiệm Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Làm giàu VSVSMT từ trầm tích biển Nha Trang Cát Bà 65 65 3.1.1 Làm giàu VSVSMT môi trường nước lợ 65 3.1.2 Làm giàu VSVSMT môi trường nước mặn 67 3.2 VSVSMT chiếm ưu mẫu làm giàu 70 3.2.1 Mẫu làm giàu methanol acetate 70 3.2.2 Mẫu làm giàu rong biển Ulva sp 72 3.2.2.1 Phân tích PCR-DGGE đoạn 16S rDNA 3.2.2.2 Đánh giá VSVSMT mẫu làm giàu rong biển qua thư viện gen mcrA 72 73 3.3 Phân lập VSVSMT từ mẫu làm giàu 78 3.4 Nghiên cứu đặc tính sinh học chủng VSVSMT phân lập 84 3.4.1 Khả sinh methane chủng VSVSMT phân lập 84 3.4.2 Ảnh hưởng độ mặn tới sinh trưởng hai chủng M7 M37 86 3.4.3 Các đặc điểm sinh học chủng M37 88 3.5 Tạo nguồn VSVSMT để hỗ trợ trình phân hủy kỵ khí điều kiện nước lợ nước mặn 93 3.5.1 Lựa chọn nguồn VSVSMT phù hợp 93 3.5.2 Tạo giống khởi động VSVSMT 95 3.5.3 Bảo quản nguồn VSVSMT điều kiện phòng thí nghiệm 99 3.6.Thiết lập vận hành mô hình kỵ khí xử lý chất thải hữu theo phương pháp phân hủy kỵ khí sinh methane điều kiện nước lợ nước mặn 99 3.6.1 Thiết lập mô hình 99 3.6.2 Vận hành mô hình 101 3.6.3 Đánh giá VSVSMT chiếm ưu mô hình 105 KẾT LUẬN 108 KIẾN NGHỊ 109 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AF Anaerobic Filter Bp Base pair BKM Bùn kỵ khí ưa mặn BSA Bovin serum albumin VSVSMT Vi sinh vật sinh methane CTAB Cetyl trimethyl ammonium bromide COD Chemical oxygen demand DGGE Denaturing gradient gel electrophoresis DMSO Dimethyl sulfoxide DNA Deoxyribonucleic acid dNTP 2’- deoxyribonucleotide 5’- triphosphate EDTA Ethylenediamintetraacetic acid EtBr Ethidium bromide IPTG Isopropylthio - β - D – glucosamine LB Môi trường Luria – Bertani mcrA Đoạn gen mã hóa cho tiểu phần α methyl - coenzyme M reductase MPN Most probable number MQ Mili – Q SDS Sodium dodecyl sunfate TAE Tris – acetate – EDTA TE Tris – EDTA TEMED Tetramethylethylenediamine PCI Phenol - Chloroform - Isoamyl alcohol PCR Polymerase Chain Reaction RT-PCR Realtime PCR UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket X-Gal 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactoside 55 Kurr M., Huber R., Konig H., Jannasch W., Fricke H., Tricone A., Kristjansson J.K., Stetter K.O (1991), “Methanopyrus kandleri, gen and sp nov represents a novel group of hyperthermophilic methanogens growing at 110oC”, Arch Microbiol 156: 239-247 56 Lazar C.S., Parkes R.J., Cragg B.A., Haridon S.L., Toffin L (2011), “Methanogenic diversity and activity in hypersaline sediments of the centre of the Napoli mud volcano, Eastern Mediterranean Sea”, Environ Microbiol 13: 2078-2091 57 Lefebvre O., Quentin S., Torrijos M, Godon J.J., Delgenes J.P., Moletta R (2007) Impact of increasing NaCl concentrations on the performance and community composition of two anaerobic reactors Appl Microbiol Biotechnol DOI 10.1007/s00253-006-0799-2 58 Lettinga G., Field J., Van Lier J., Zeeman G., Hulshoff L.W (1997), “Advanced anaerobic wastewater treatment in the near future”, Water Sci Technol 35: 5-12 59 Lettinga G (1995), “Anaerobic digestion and wastewater treatment systems”, Antonie van Leeuwenhoek 67: 3-28 60 Liu Y (2010), “Green algae as a substrate for biogas production – cultivation and biogas po-tentials”, MSc Thesis, Master’s programme Science for Sustainable Development, Linköping University, Sweden 61 Luton P.E., Wayne J.M., Sharp R.J., Riley P.W (2002), “The mcrA gene an alternative to 16S rRNA in the phylogentic analysis of methanogen populations in landfill”, Microbiology 148: 3521-3530 62 Lwin K.O., Matsui H (2014), “Comparative analysis of the methanogen diversity in horse and pony by using mcrA gene and archaeal 16S rDNA 118 gene clone libraries”, Hindawi Publishing Corporation Archaea Article ID 483574, 10 pages 63 Mackie R.I., Bryant M.P (1981), “Metabolic activity of fatty acidoxidizing bacteria and the contribution of acetate, propionate, butyrate, and CO2 to methanogenesis in cattle waste at 40 and 60°C”, Appl Environ Microbiol 41: 1363-1373 64 Madigan M.T., Martinko J.M., Stahl D.A., Clark D.P (2012), Brock Biology of Microorganisms, 13th Ed Pearson Education Inc., USA 65 Marmur J (1961), “A procedure for the isolation of deoxyribonucleic acid from microorganisms”, J Mol Biol 3: 208-218 66 Marta-Alvarez J., Mace S., Llabres S (2000), “Anaerobic digestion of organic solid wastes”, Biores Technol 74: 3-16 67 Matsui T., Amano T., Koike Y., Saiganji A., Saito H (2006), “Methane fermentation of seaweed biomass”, American Institude of chemical engineers annual meeting, San Francisco, CA,Omnipress 68 McInernay M.J., Bryant M.P., Hespell R.B., Costerton J.W (1981), “Syntrophomonas wolfei, gen nov sp nov., an anaerobic syntrophic, fatty acid oxydizing bacterium”, Appl Environ Microbiol 41: 1029-1039 69 Mikucki A.J., Liu Y., Delwiche M., Frederick S.C., David R.B (2003), “Isolation of a methanogen from deep marine sediments that contain methane hydrates and description of Methanoculleus submarinus sp nov”, Appl Environ Microbiol 69: 3311-3316 70 Migliore G., Alisi C., Sprocati A.R., Massi E., Ciccoli R., Lenzi., Wang A., Cremisini C (2012), “Anaerobic digestion of macroalgal biomass and 119 sediments sourced from the Orbetello lagoon, Italy”, Biomass Bioenerg 42: 69-77 71 Mochimaru H., Tamaki H., Hanada S., Imachi H., Nakamura K., Sakata S., Kamagata Y (2009) “Methanolobus profundi sp nov., a methylotrophic methanogen isolated from deep subsurface sediments in a natural gas field”, Int J Syst Evol Microbiol 59: 714-718 72 Mottet A., Habouzit F., Steyer J.P (2014), “Anaerobic digestion of marine microalgae in different salinity levels”, Biores Tech 158:300-306 73 Mori K., Iino T., Suzuki K.I., Yamaguchi K., Kamagata Y (2012), "Aceticlastic and NaCl-requiring methanogen Methanosaeta pelagica sp nov., isolated from marine tidal flat sediment", Appl Environ Microbiol 78: 3416-3423 74 Muyzer G., De Waal E.C., Utterlinden A.G (1993), “Profiling of complex microbial population by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerase chain reaction amplified genes coding for 16S rRNA”, Appl Environ Microbiol 59: 695-700 75 Nasir I.M., Ghazi T.I.M., Omar R (2012) “Production of biogas from solid organic wastes through anaerobic digestion: a review”, Appl Microbiol Biotechnol 95: 321-329 76 Nettmann E., Bergmann I., Pramschufer S., Mundt K., Plogsties V., Herrmann C., Klocke M (2010), “Polyphasic analyses of methanogenic archaeal communities in agricultural biogas plants”, Appl Environ Microbiol 76: 2540-2548 77 Newberry C.J., Webster G., Cragg B.A., Parkes R.J., Waightman A.J., Fry J.C (2004), "Diversity of prokaryotes and methanogenesis in deep subsurface sediments from the Nankai Trough, Ocean Drilling Program Leg 190", Environ Microbiol 6: 274-287 120 78 Ni S., Woese C.R., Aldrich H.C, Boone D.R (1994), “Transfer of Methanolobus siciliae to the genus Methanosarcina, naming it Methanosarcina siciliae, and emendation of the genus Methanosarcina”, Int J Syst Bacteriol 44: 357-359 79 Ni S (1994), “Study of two methylotrophic and halophilic methanogens,ud Methanosarcina siciliae HI350 and Methanolobus taylorii GS-16”, Studen Scholar Archive: 35-49 80 Nkemka V.N., Murto M (2010), “Evaluation of biogas production from seaweed in batch tests and in UASB reactors combined with the removal of heavy metals”, J Environ Manag 91: 1573-1579 81 Ollivier B., Fardeau M.L., Cayol J.L., Magot M., Patel B.K.C., Prensier G., Garcia J.L (1998) “Methanocalculus halotolerans gen nov., sp nov., isolated from an oil-producing well.” Int J Syst Bacteriol 48: 821-828 82 Oremland R.S (1988) Biogeochemistry of methanogenic bacteria, p 641 – 705 In: Biology of anaerobic microorganisms Zehnder AJB Ed John Wiley & Sons, New York 83 Oremland R.S., Cappon D.G (1988), “Use of specific inhibitor in biogeochemistry and microbial ecology”, Adv Microb Ecol 10: 285-383 84 Peck M.W., Archer D.B (1989) “Methods for the quantification of methanogenic bacteria”, Int Ind Biotechnol 9: 5-12 85 Polprasert C (1989), Organic waste recycling, John Wiley & Sons, Chichester, UK 86 Rabus R., Hansen T.A., Widdel F (2006), “Dissimilatory sulphate- and sulphur-reducing prokaryotes”, In Dworkin M, Falkow S, Rosenberg E, 121 Schleifer KH, Stackebrandt E eds, The Prokaryotes, 3rd ed Springer, Berlin Heidelberg New York 2: 659-768 87 Rebac S., Ruskova J., Gerbens S., van Lier J., Stams A.J.M., Lettinga G (1995), “High rate anaerobic treatment of wastewater under psychrophilic conditions”, J Fermen Bioen 80: 499-506 88 Riffat R., Krongthamchat K (2007), “Anaerobic treatment of hight saline wastewter using halophilic methanogens in laboratory scale anaerobic filters”, Water Environ Res 79: 191-198 89 Robertson D.E., Roberts M.F., Belay N., Stetter K.O., Boone D.R (1990), “Occurrence of β-glutamate, a novel osmolyte, in marine methanogen bacteria”, Appl Environ Microbiol 56: 1504-1508 90 Rouvière P.E., Wolfe R.S (1988), “Novel biochemistry of methanogenesis”, J Biol Chem 263: 7913-7916 91 Saitou N., Nei M (1987), “The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees”, Mol Biol Evol 4: 406-425 92 Schramm W., Lehnberg W (1984), “Mass culture of brackish-wateradapted seaweeds in sewage-enrich seawater II: Fermentation for biogas production”, Hydrobiologia 117: 282-287 93 Schulz H.D., Zabel M (2006), Marine Geochemistry, Springer Science & Business Media 94 Shahrul B.I (2013), “Anaerobic wastewater treatment of high salinity wastewaters: impact on bioactivity and biomass retention”, PhD thesis, Wageningen University 122 95 Shepparda S.K., McCarthyb A.J., Loughnaneb J.P., Grayc N.D., Lloyda D (2005), “The impact of sludge amendment on methanogen community structure in an upland soil” Applied Soil Ecology 28, 147–162 96 Shlimon A.G., Friedrich M.W., Niemann H., Ramsing N.B., Finster K (2004), "Methanobacterium aarhusense sp nov., a novel methanogen isolated from a marine sediment (Aarhus Bay, Denmark)", Int J System Evol Microbiol 54: 759-763 97 Singh N., Kendall M.M., Liu Y., Boone D.R (2005), “Isolation and characterization of methylotrophic methanogens from anoxic marine sediments in Skan Bay, Alaska: description of Methanococcoides alskense sp nov., and emended description of Methanosarcina baltica”, Int J System Evol Microbiol 55: 2531-2538 98 Sowers K.R., Gunsalus R.P (1988), “Adaptation for growth at various saline concentration by the archaebacterium Methanosarcina thermophila”, J Bacteriol 170: 998-1002 99 Speece R.E., Parkin G.F., Gallagher D (1983), “Nickel stimulation of anaerobic digestion”, Water Res 17: 677-683 100 Stackebrandt E., Pukall R., Ulrichs G., Rheims H (1999), “Analysis of 16S rDNA clone libraries: Part of the big picture”, Methods of Microbial Community Analysis 101 Sterritt R.M., Lester J.N (1988), Microbiology for environmental and public health engineers, E & FN Spon, London 102 Thomas J.L., Arjan P., Huub J.M., Harry R.H., Godfried D.V (2000), “Methanosarcina semesiae sp nov., a dimethylsulfide – utilizing 123 methanogen from mangrove sediment”, Int J System Evol Microbiol, 50: 171-178 103 Xiao Y., Roberts D.J., (2010), “A review of anaerobic treatment of saline wastewater”, Environ Technol 31, 1025-1043 104 Vanegas C H and Bartlett J (2013), "Green energy from marine algae: biogas production and composition from the anaerobic digestion of Irish seaweed species." Environ Technol 34: 2277-2283 105 Watanabe T., Asakawa S., Nakamura A., Nagaoka K., Kimura M (2004), “DGGE method for analyzing 16S rDNA of methanogenic archaeal community in paddy field soil”, FEMS Microbiol Lett 232: 153-163 106 Whitman W.B., Bowen T.L., Boone D.R (2006), “The methanogenic bacteria”, The Prokaryotes, 3rd ed Springer, Berlin Heidelberg New York 3: 165-207 107 Weiland P., Rieger C., Ehrmann T (2003), “Evaluation of the newest biogas plants in Germany with respect to renewable energy production, greenhouse gas reduction and nutrient management”, Symposium “Future of Biogas in Europe, Eisberg October 2003 108 Widdel F., Bak F (1992) “Gram-negative mesophilic sulfate-reducing bacteria”, In Balows A, Trüper HG, Dworkin M, Harder W, Schleifer KH eds The Prokaryotes, 2nd ed Springer, Berlin Heidelberg New York: 33523378 109 Winberg P., Ghosh D., Tapsell L (2009), “Seaweed culture in integrated multi-trophic aquaculture: nutritional benefits and systems for Australia”, RIRDC Publication No 09/005; RIRDC Project No PRJ-000162 124 110 Woese C.R., Magrum L.J., Fox G.E (1987), “Archaebacterium”, J Mol Evol 11: 245-252 111 Woodford Y.D., (2004), “Anaerobic wastewater treatment systems under high salinity stress”, University of Hong kong, PhD dissertation 112 Zhilina T.N., Zavarzin G.A (1997), “Methanosarcina vacuolata sp nov., a vacuolated Methanosarcina ”, Int J Syst Bacteriol 37: 281-283 113 Zhou J., Bruns M.A., Tiedje J.M (1996), “DNA recovery from soils of diverse composition”, Appl Environ Microbiol 62: 316-322 114 Zhu C., Zhang J., Tang Y., Xu Z., Song R (2011), “Diversity of methanogenic archaea in a biogas reactor fed with swine feces as the mono-substrate by mcrA analysis”, Microbiol Res 166: 27-35 Website 115 Biopact:http://news.mongabay.com/bioenergy/2007/08/germanyconsiders-opening-natural-gas.html 116 China biogas: http://ecotippingpoints.org/our-stories/indepth/china- biogas.html 117 www.fistenet.gov.vn, Lợi ích việc xử lý môi trường hoạt động nuôi trồng, chế biến thủy sản 118 JAMSTEC: http://www.jamstec.go.jp/e/about/press_release/20110609/ 119 http://tietkiemnangluong.com.vn/: Chương trình Mục tiêu Quốc gia sử dụng lượng tiết kiệm hiệu - Bộ Công thương 120 www.vawr.org.vn, Nuôi tôm đồng sông Cửu Long – Những tồn thách thức ảnh hưởng đến phát triển bền vững nghề nuôi 125 PHỤ LỤC Phụ lục 1 Môi trường khoáng nước lợ nước biển cho VSVSMT (Widdel, 1992) Thành phần Nước lợ Nước mặn lít lít NaCl 13,7 g 26,4 g MgCl2.6H2O 5,9 g 11,4g CaCl2.2H2O 0,81 g 1,47 g KCl 0,58 g 0,66 g KBr 0,05 g 0,09 g MgSO4.7H2O 0,25 g 0,25 g NH4Cl 0,25 g 0,25g KH2PO4 0,2 g 0,2 g Nước cất Khử trùng môi trường 121oC/ 25 phút, lấy 80oC, sục khí N2 phút, làm nguội, sau bổ sung chất sau khử trùng riêng (ml/lít môi trường): Hỗn hợp vitamin (bảng 2.2) ml Hỗn hợp vi lượng (bảng 2.2) ml NaHCO3 M 30 ml Na2S 1M ml Methanol 1M 10 ml Trimethylamin 1M 10 ml Na- Acetate M 10 ml Chỉnh pH 7,2-7,4, sau chia môi trường sang bình serum ống nghiệm sục khí N2/CO2 (90:10, v/v) 30 giây, đậy bình ống nghiệm nút cao su có kẹp nhôm hay nút vặn có lỗ hở, sử dụng bảo quản tối Thành phần hỗn hợp vi lượng vitamin (Widdel, 1992) Hỗn hợp vi lượng Hỗn hợp Vitamin (trong đệm phosphate) Thành phần mg/lít Thành phần mg/100 ml đệm HCl 25% (7,7 M) 13 ml Na2HPO4/NaH2PO4 25 mM pH 7,1: 100 ml FeSO4.7H2O 200 4-Aminobenzoic acid H3BO3 30 D(+)- Biotin (Vitamine H) MnCl2.4H2O 100 Nicotinic acid (Niacin) 10 CoCl2.6H2O 190 Calcium-D(+)- Pantothenat NiCl2.6H2O 24 Pyridoxin HCl 15 CuCl2.2H2O Lipoic acid 1,5 ZnSO4.7H2O 144 Folic acid Na2MoO4.2H2O 36 Na-2- Mercaptoethan sulfonat 25 Thêm nước cất đến 1000 ml Môi trường LB (%, wt/v) Tripton Cao nấm men 0,5 NaCl 0,5 Agar 1,6 Bổ sung thành phần 100 ml môi trường: gồm IPTG - gam, ampicillin – mg, X-Gal – mg Phụ lục Vector pGEM®-T Easy (Promega, Mỹ) Thành phần vị trí Vector pGEM®-T Easy Thành phần Chức Lac Z Trình tự gen mã hóa β-galactosidase phân giải chất X-Gal tạo thành sản phẩm có màu xanh Ampr Trình tự gen mã hóa β-lactamase phân giải ampicillin sử dụng làm yếu tố chọn lọc tế bào E.coli tái tổ hợp f1 ori Trình tự đoạn tái banrcos nguồn gốc phage f1 T7 promoter T7 RNA polymerase promoter điều khiển trình phiên mã gen ngoại lai SP6 promoter SP6 RNA polymerase promoter điều khiển trình phiên mã gen ngoại lai Phụ lục Sản phẩm nhân đoạn gen mcrA từ DNA tổng số mẫu làm giàu NTLRE3 rong biển Ulva sp (A) tuyển chọn dòng tế bào mang gen mcrA sau biến nạp vào E coli DH5 (B) M mcrA 25b 500 bp 500 bp A B Phụ lục Trình tự gen 16S rDNA của các chủng VSVSMT đại diện Methanosarcina sp M21 (97% tương đồng với M semesiae) mã trình tự GenBank KC571195 CTTTATGCGTCAAAGGTCCTCCGCCTGAGGATGGGTCTGCGGCCTATCAGGTA GTAGCGGGTGTAATGTACCTGCTAGCCGACGACGGGTACGGGTTGTGAGAGCA AGAGCCCGGAGATGGATTCTGAGACATGAATCCAGGCCCTACGGGGCGCAGC AGCGCGAAAACTTTACAATGCGGGCAACCGTGATAAGGGGACACCGAGTGCT AGCAAGATTTGCTGGCTGTCCAGGTGCGTACAATGCACCTGTTAGCAAGGGCC GGGCAAGACCGGTGCCAGCCGCCGCGGTAACACCGGCGGCCCGAGTGGTGAT CGTTATTATTGGGTCTAAAGGGTCCGTAGCCGGTTTGGTCAGTCCTCCGGGAAA TCTGTCAGCTTAACTGATAGGCTATCGGGGGATACTGCCAGACTTGGAACCGG GAGAGGTAAGAGGTACTACAGGGGTAGGAGTGAAATCTTGTAATCCCTGTGGG ACCACCTGTGGCGAAGGCGTCTTACCAGAACGGGTTCGACGGTGAGGGACGA AAGCTGGGGGCACGAACCGGATTAGATACCCGGGTAGTCCCAGCCG Methanolobus sp M23b (96% tương đồng với M profundii), mã trình tự GenBank KC571193 AGGAAAGTTCTGTGGCTCAAAGCTCCGGCGCCTTAGGATGAATCTGCGGCCTA TCAGGTTGTAGTGGGTGTAGTGTACCTACTAGCCTACGACGGATACGGGTTGT GAGAGCAAGAGCCCGGAGATGGATTCTGAGACATGAATCCAGGCCCTACGGG GCGCAGCAGGCGCGAAAACTTTACAATGCGGGAAACCGCGATAAGGGGATAC TGAGTGCCAGCATATTATGTTGGCTGTCCACCTGTATAAACAGCAGGTGTTAGC AAGGGCCGGGCAAGACCGGTGCCAGCCGCCGCGGTAACACCGGCGGCCCGAG TGGTGGCCACTATTATTGGGTCTAAAGGGTCCGTAGCCGGTTTGATCAGTCTTC CGGGAAATCTGACAGCTCAACTGTTAGGCTTCCGGGGGATACTGTCAGACTTG GGACCGGGAGAGGTAAGAGGTACTACAGGGGTAGGAGTGAAATCTTGTAATC CTTGTGGGACCACCAGTGGCGAAGGCGTCTTACCAGAACGGGTCCGACGGTGA GGGACGAAAGCTGGGGGCACGAACCGGATTAGATACCCGGGTAGTCCCAGCC GTAAACGATGCTCGCTAGGTGTCTGGGACGGTGCGACCTTTTCAGGTG Methanosarcina sp M25a (96% tương đồng với M vacuolata), mã trình tự GenBank KC571194 CATATGCTGGAATGCTTTATGCGTCAAATGGATTCGTCTGCCCAAGGATGGGTC TGCGGCCTATCAGGTAGTAGTGGGTGTAATGTACCTACTAGCCGACAACGGGT ACGGGTTGTGAGAGCAAGAGCCCGGAGATGGATTCTGAGACATGAATCCAGG CCCTACGGGGCGCAGCAGGCGCGAAAACTTTACAATGCGGGAAACCGTGATA AGGGGACACCGAGTGCCAGCATCATATGCTGGCTGTCCAGGTGTGTAAAATAC ACCTGTTAGCAAGGGCCGGGCAAGACCGGTGCCAGCCGCCGCGGTAACACCG GCGGCCCGAGTGGTGATCGTGATTATTGGGTCTAAAGGGTCCGTAGCCGGTTT GGTCAGTCCTCCGGGAAATCTGACAGCTCAACTGTTAGGCTTTCGGGGGATAC TGCCAGACTTGGAACCGGGAGAGGTAAGAGGTACTACAGGGGTAGGAGTGAA ATCTTGTAATGCCCTGTGGGACCACCTGTGGCGAAGGCGTCTTACCAGAACGG GTTCGACGGTGAGGGACGAAAGCTGGGGGCTACGAACCGGATTAGATACCCG GGTAGTCCCAGCCGTAAACGATGCTCGCTAGGTGTCAGGCATGGCGCGACCGT GTCTGGTGCGACAGGGAAGCC Methanosarcina sp M37 (98% tương đồng với M.siciliae), mã trình tự GenBank KC951109 AAGTTTCAGCCTTGCGGCCGTACTTCCCAGGTGGCTCGCTTCACGGCTTCCCTG CGGCACCAGACACGGTCGCGCCATGCCTGACACCTAGCGAGCATCGTTTACGG CTGGGACTACCCGGGTATCTAATCCGGTTCGTGCCCCCAGCTTTCGTCCCTCAC CGTCGAACCCGTTCTGGTAAGACGCCTTCGCCACAGGTGGTCCCACAGGGATT ACAAGATTTCACTCCTACCCCTGTAGTACCTCTTACCTCTCCCGGTTCCAAGTC TGGCAGTATCCCCCGAAAGCCTAACAGTTAAGCTGTCAGATTTCCCGGAGGAC TGACCAAACCGGCTACGGACCCTTTAGACCCAATAATCACGATCACCACTCGG GCCGCCGGTGTTACCGCGGCGGCTGGCACCGGTCTTGCCCGGCCCTTGCTAAC AGGTGTATTTTACACACCTGGACAGCCAACAAATGTTGCTGGCACTCGGTGTC CCCTTATCACGGTTTCCCGCATTGTAAAGTTTTCGCGCCTGCTGCGCCCCGTAG GGCCTGGATTCATGTCTCAGAATCCATCTCCGGGCTCTTGCTCTCACAACCCGT ACCCGTTGTCGGCTAGTAGGTACATTACACCCACTACTACCTGATAGGCCGCA GACCCATCCTTGGGCAGACGAATCCGTTTGACGCATAAAGCATTCCAGCATAT GTGCGTTATCCCGGTATTATCCCCAGTTTCCCGGGGTTATCCCGAACCCAAGGG CAGGTTCGAGACCCGTGCCCACTGTTACCAGCATGTCCTCCGGGACGATGGGT ACTCTGTGGGGACCGCCGGTGTTAAATCGGAGGAAGGTGCGGGCCACGGTAG GTCAGTATGCCCCGAATTTCCCGGGCTACACGCGGGCTACAATGAATGGGACA ATGGGTCCCTTCCCCGAAAGGGGTTGGTAATCTCACAAACCCATCCGTAGTTC GGATCGAGGGCTGTAACTCGCCCTCGTGAAGCTGGAATCCGTAGTAATCGCGT TTCAATATAGCGCGGTGAATACGTCCCTGCTCCTTGCACACACCGCCCGTCAAA CCACCCGAGTGAGGTATGGGTGAGGGCACGGACTCAGTGCCGTGTTCGAACCT GAATTTTGCAAGGGGGGTTAAGTCGTAACAAGGTAGCCGTACGGGAATCTGCG GCTGGATCACTCAA Clone 09 GCTGGATGACTTCTCCTACTACGCCTGCGACTACGCTCTGGACAAGTTCGGCGA GTGGGCAACTGCACCCGCCACCTTGGAGACTGCCAAGGACATCGCCACCGAGA CCACCCTGTACGCCATGGAACAGTACGAAGCCTTCCCAACCCTACTGGAAGAC CACTTCGGTGGATCTCAGAGGTCGGCAGTCATGGCCGCCGCCAGTGCCATCGG CACTGCCTGTTTGACTGGAAACAGCTCTACAGGATTGTCCGCCTGGTATCTCAG CCACCTGATTCACAAGGACAGCTGGGGCAGAATGGGCTTCTTCGGATACGACC TGCAGGACCAGTGTGGTCCCACCAACGTGTTCAGCTACCAGGGTGACGAGGGC AACCCATTGGAGCTGAGAGGCGCCAACTACCCAAACTACGCAATGAAAA Clone 20 CCTGGTAGCTGAACACGTTGGTGGGACCACACTGGTCCTGCAGGTCGTATCCG AAGAAGCCCATTCTTCCCCAGCCTTCCTTGTGAATCAGGTGGCTGAGATACCA AGCGGACAGTGCAGCCTGGCTGTTTCCGGTCAGGCAACCAGTGGAAACACCGC TGGCGGCAGCCATGATACCGGACCTCTGGGATCCACCGGAGTGGTCTTCCAGC AGGGTTGGGAATGCTTCGTACTGCTCCATGGAGTACAAGGTGGTCTCGGTGGC CAGATCTTTGGCGGTCTCCAAGGTTGCGGGAGCCTCTCCCCAGCCACCATACTT GTCCACACCGTAATCTGAGCCATAGTAGGAGAAGTCATCCAACACGTCGTTGG TGTAAGCAGCTGTTGCGTACTGTGTGAATCCGACACCACCAATCACTAGTGAA TTCGCGGCCGCCTGCAGGTCGACCATATGGGAGAGCTCCCAACGCGTTGGATG CATAGCTTGAGTATTCTATAGT Clone 25 GAGGCAGTACCTGACACATCATCGACGAGTACACCTACTATGGTATGGACTAC CTGAAGGACAAGTATGGCTTCGACTACTCCAACCCGGACCCCGCAGCATCTGT TGCTCCGACTCAGGAGATCGTGAACGATCTTGCAACTGAGGTCAACCTCAATG CAATGGAGCAGTACGAGCAGTACCCGACACTGATGGAGGACCACTTTGGTGGT TCCCAGCGTGCCGGTGTTATGGCGGCAGCCTGTGGTCTGACCTGTTCGATCGGT ACCGGAAACTCCAACGCCGGTCTGAACGGATGGTACCTTTCCATGCTTATGCA CAAGGAAGGCTGGTCACGTCTTGGTTTCTTCGGATACGATCTTCAGGACCAGT GTGGTTCAGCAAACTCTCTCTCCATGGAGCCTGACCGCGGTCTGATGGGCGAA CTTCGTGGACCGAACTACCCTAACTACGCAATGAAAA Clone 28 AAGGCAATTACCTGATACATTCTTGATGATTCACATACTACGGTATGGACTACA TCAAAGACAAATACGGCGTAGACTACACCAACCCTGACCCCGCAAAGCTTGTC AAGCCATCACAGGAAGTTGTAAACGATATCGCATCCGAGGTAAACCTCAATGC AATGGAGCAGTATGAACAGTTCCCAACCATGATGGAGGATCACTTCGGTGGTT CACAGCGTGCCGGTGTCATGGCAGCTGCATGTGGTCTGTCCACATCCATCGCA ACCGGAAACTCAAACGCAGGTCTGAACGGATGGTACCTTTCAATGCTTATGCA CAAGGAAGGCTGGTCACGTCTCGGATTCTTCGGATACGATCTTCAGGACCAGT GTGGTTCAGCAAACTCACTTTCAATGGAACCGGACCGTGGTCTCATTGGAGAA CTGCGTGGACCAAACTACCCAAACTACGCAATGAAA Clone 40 TGATTAACTACCTGACACTCCTTGAGGACTTTGTCTACTACGGTATAGACTACA TCAAGGACAAGTACGGCGACTTCAACTCAGTCAAGCCATCAGTCGATGAAATA CAGAAGATCTCAACAGACATAGGCATCTACTGTCTTGAGACCTACGAAAACTA CCCGACCGTTATGGAGTCACACTTTGGTGGCAGCCAGCGCGCAGCATGTATCT CTGCAGCATCAGGTTGTACGACCGCAATGGCCACAGGTTCAGCACAGGCCGGC GCAAACGCATGGTACCACTCCATGATCCTCCACAAGGAAGAGATGGGTAGGCT CGGCTTCTACGGTTACGACTTGCAGGACATGTGTGGTTCATCCAACTCATTCTC ATTCAGGTCAGACGAGGGTCTGCCATTCGAGATGAGGGGTCCAAACTACCCAA ACTACGCAATGAAAA [...]... công nghệ Đề tài: Nghiên cứu vi sinh vật sinh methane ứng dụng cho sản xuất biogas trong điều kiện môi trường nước lợ và nước mặn nhằm mục đích nghiên cứu tập hợp vi sinh vật sinh methane có hoạt tính sinh học cao, thích nghi tốt với điều kiện môi trường nước lợ và nước mặn để chủ động hỗ trợ cho các công nghệ xử lý kỵ khí, áp dụng cho nhiều dạng chất thải hữu cơ hiện đang đe dọa môi trường sống tại... 20% và tiết kiệm được chi phí cho phân bón và thuốc bảo vệ thực vật Tuy nhiên, dự án Khí sinh học và các nghiên cứu trong nước mới chỉ triển khai thành công ở quy mô nhỏ (hộ và nhóm hộ gia đình) tại các vùng đồng bằng, trung du trong điều kiện vận hành các bể biogas bằng nước ngọt, chưa triển khai ứng dụng tại các khu vực có điều kiện môi trường đặc biệt có sử dụng nước nhiễm mặn ở các vùng ven biển và. .. có điều kiện biển thuận lợi để đi đầu trong lĩnh vực này (Winberg et al., 2009) So với các hệ thống xử lý kỵ khí trong môi trường nước ngọt, các hệ thống hoạt động trong môi trường nước mặn (nước lợ và nước biển) có hiệu quả thấp hơn nhiều do các quá trình phân hủy vật chất nói chung bị ức chế ở môi trường có hàm lượng muối cao So với môi trường nước ngọt thông thường, phân hủy kỵ khí trong môi trường. .. năng sinh methane của chủng M37 so với mẫu làm giàu NTLRE3 tại cùng một điều kiện nuôi cấy 94 3.14 Tỷ lệ methane được sinh ra bởi VSVSMT trong môi trường khoáng bổ sung cám gạo lên men trong điều kiện nước lợ, nước mặn 96 3.15 Bình nuôi giống khởi động VSVSMT từ mẫu làm giàu NTLRE3 và chủng M37 với cám gạo lên men trong môi trường nước biển 97 8 sau 15 ngày 3.16 Quy trình bảo quản VSVSMT trong điều kiện. .. khởi động Nếu như phân trâu bò, bùn cống và bùn hoạt tính từ các hệ thống xử lý nước thải có thể được sử dụng làm nguồn VSVSMT bổ sung ban đầu vào các hệ thống xử lý kỵ khí ở môi trường nước ngọt thì trong môi trường nước mặn lại chưa có các nguồn vi sinh vật tương ứng như vậy Trên thế giới, VSVSMT từ nước biển và nước lợ đã được nghiên cứu khá nhiều trong vài thập kỷ gần đây, nhiều loài mới đã được... Nội dung nghiên cứu gồm: (1) Làm giàu quần thể VSVSMT sinh trưởng trong môi trường nước lợ và nước mặn từ các mẫu trầm tích biển với nhiều loại cơ chất khác nhau; (2) Nghiên cứu cấu trúc quần thể VSVSMT dựa trên gen mã hóa 16S rRNA và gen mcrA; (3) Phân lập một số chủng VSVSMT, nghiên cứu các đặc điểm sinh lý, sinh hóa và phân loại của chúng Bảo quản các chủng đơn và mẫu quần thể trong điều kiện đảm... thải dưới dạng khí sinh học, đặc biệt có ý nghĩa đối với những khu vực địa lý cách biệt như hải đảo Để có thể đưa công nghệ này vào hoạt động tại các khu vực ven biển và hải đảo, vi sinh vật sinh methane (VSVSMT) – nhóm vi sinh vật giữ vị trí then chốt của công nghệ, cần được nghiên cứu và tiến tới tạo nguồn VSVSMT có hoạt tính cao, thích nghi tốt với môi trường nước lợ và nước mặn, chủ động hỗ trợ... 2005), tuy nhiên vi c nghiên cứu tạo nguồn VSVSMT ưa mặn chủ động nhằm hỗ trợ cho xử lý chất thải hữu cơ bằng phương pháp kỵ khí sinh methane trong điều kiện nước nhiễm mặn lại chưa được quan tâm 20 1.2 BẢN CHẤT SINH HỌC CỦA PHÂN HỦY KỴ KHÍ SINH METHANE Bản chất của quá trình phân hủy kỵ khí sinh methane là quá trình chuyển hóa sinh học chất hữu cơ với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật có quan hệ... hại tới các loài vi sinh vật nói chung, trong đó có VSVSMT Do vậy, vi c vận hành các hệ thống xử lý kỵ khí sinh methane trong điều kiện nước biển thường vận hành gặp trở ngại bởi sự có mặt của vi khuẩn khử sulfate là một yếu tố ức chế VSVSMT (Bitton, 1999) Yếu tố bất lợi thứ ba của quá trình phân hủy kỵ khí sinh methane ở điều kiện nước mặn là thiếu nguồn VSVSMT tự nhiên để bổ sung vào hệ thống, nhằm... Đánh giá hoạt tính tạo khí sinh học của các quần thể làm giàu trong các điều kiện môi trường khác nhau (nồng độ muối, nhiệt độ, pH) và với các chất thải là bùn đầm nuôi tôm, rong biển có bổ sung nước biển 11 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ THEO CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ SINH METHANE TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỄM MẶN 1.1.1 Ô nhiễm chất thải hữu cơ trong môi trường nhiễm mặn Ở các khu vực ven biển,