“Phân lập, tuyển chọn và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh tổng hợp xenlulaza của một số chủng vi sinh vật nhằm ứng dụng xử lý phế thải ligno-xenluloza”

Cuộc sống ngày càng phát triển theo hướng tiến bộ với những thành tựu về mặt khoa học kỹ thuật, cũng như những lợi ích to lớn về kinh tế xã hội. Nhưng bên cạnh những gì mà con người được hưởng thụ thì chúng ta cũng đang đối diện với một vấn đề hết sức nghiêm trọng. Đó chính là sự ô nhiễm môi trường do các thành tựu mà chúng ta đã sáng tạo ra. Ô nhiễm môi trường đã kéo theo sự mất cân bằng sinh thái cũng như phá huỷ môi trường tự nhiên, đe doạ sức khoẻ con người cũng như các loại động thực vật khác. Bên cạnh các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường như cháy rừng, khai thác rừng bừa bãi, chảy dầu, các nhà máy điện hạt nhân, dò rỉ phóng xạ. ... thì một nguyên nhân hết sức to lớn trong việc gây ô nhiễm môi trường chính là rác thải mà trong đó rác thải hữu cơ chiếm thành phần chủ yếu. Rác thải hữu cơ có khả năng phân huỷ, chuyển hoá thành các dạng khác nhau. Sau một thời gian chuyển đổi, các chất hữu cơ từ các vùng sản xuất nông nghiệp tại các vùng nông thôn lại quay về làm ô nhiễm không chỉ thành phố mà còn làm ô nhiễm các vùng nông thôn lân cận thành phố. Chính vì nó có khả năng phát tán nhanh chóng, gây ô nhiễm trong diện rộng nên nếu không được thu gom và xử lý triệt để thì rác thải hữu cơ sẽ gây hậu quả rất nghiêm trọng. Trong lượng rác thải hữu cơ thu gom được, các chất ligno-xenluloza lại chiếm một lượng hết sức lớn. Đối với động vật và con người, các chất ligno-xenluloza này thường không có mấy giá trị dinh dưỡng. Trong các phế phẩm nông nghiệp, phần không được sử dụng chiếm đến 50% tổng sinh khối. Khối lượng này được thu gom và thải vào thiên nhiên, vừa gây lãng phí lại vừa gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, để có thể giải quyết được vấn đề ô nhiễm do rác hữu cơ gây nên, chúng ta vấp phải một vấn đề phức tạp là làm cách nào để có thể tăng khả năng thu gom và xử lý rác thải nhanh chóng nhằm đẩy nhanh vòng tuần hoàn của rác, không để tồn đọng và gây ô nhiễm môi trường trong khi lượng rác thải của chúng ta ngày càng tăng lên mà các cơ sở xử lý lại có hạn. Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý rác như phương pháp đốt, phương pháp chôn lấp thành những bãi chứa.... Tuy nhiên, các phương pháp này đều không mang lại những hiệu quả cao do lãng phí diện tích chôn lấp, thời gian xử lý dài gây ô nhiễm thứ cấp.... Trong khi đó, phương pháp xử lý rác bằng công nghệ vi sinh vật tỏ ra có nhiều ưu điểm nhất cả về hiệu quả kinh tế lẫn kỹ thuật, tạo ra sản phẩm phân bón hữu cơ dùng cho sản xuất nông nghiệp. Mặc dù vậy, việc phân huỷ rác dựa trên các vi sinh vật tự nhiên có sẵn trong đống rác ủ còn gặp nhiều hạn chế như thời gian phân huỷ quá lâu, quá trình phân huỷ chưa triệt để.... Do đó, chúng ta cần tuyển chọn những chủng vi sinh vật thích hợp bổ sung vào bên cạnh những vi sinh vật có sẵn để có thể giúp cho quá trình xử lý đạt kết quả tốt hơn. Với mong muốn có thể tham gia vào quá trình phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ rác thải cao phù hợp với điều kiện Việt Nam dù bằng phần đóng góp hết sức nhỏ bé của mình, tôi đã thực hiện đề tài “Phân lập, tuyển chọn và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh tổng hợp xenlulaza của một số chủng vi sinh vật nhằm ứng dụng xử lý phế thải ligno-xenluloza”

I.Mở đầu Cuộc sống ngày càng phát triển theo hớng tiến bộ với những thành tựu về mặt khoa học kỹ thuật, cũng nh những lợi ích to lớn về kinh tế xã hội. Nh- ng bên cạnh những gì mà con ngời đợc hởng thụ thì chúng ta cũng đang đối diện với một vấn đề hết sức nghiêm trọng. Đó chính là sự ô nhiễm môi trờng do các thành tựu mà chúng ta đã sáng tạo ra. Ô nhiễm môi trờng đã kéo theo sự mất cân bằng sinh thái cũng nh phá huỷ môi trờng tự nhiên, đe doạ sức khoẻ con ngời cũng nh các loại động thực vật khác. Bên cạnh các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trờng nh cháy rừng, khai thác rừng bừa bãi, chảy dầu, các nhà máy điện hạt nhân, dò rỉ phóng xạ. . thì một nguyên nhân hết sức to lớn trong việc gây ô nhiễm môi trờng chính là rác thải mà trong đó rác thải hữu cơ chiếm thành phần chủ yếu. Rác thải hữu cơ có khả năng phân huỷ, chuyển hoá thành các dạng khác nhau. Sau một thời gian chuyển đổi, các chất hữu cơ từ các vùng sản xuất nông nghiệp tại các vùng nông thôn lại quay về làm ô nhiễm không chỉ thành phố mà còn làm ô nhiễm các vùng nông thôn lân cận thành phố. Chính vì nó có khả năng phát tán nhanh chóng, gây ô nhiễm trong diện rộng nên nếu không đợc thu gom và xử lý triệt để thì rác thải hữu cơ sẽ gây hậu quả rất nghiêm trọng. Trong lợng rác thải hữu cơ thu gom đợc, các chất ligno-xenluloza lại chiếm một lợng hết sức lớn. Đối với động vật và con ngời, các chất ligno-xenluloza này thờng không có mấy giá trị dinh dỡng. Trong các phế phẩm nông nghiệp, phần không đợc sử dụng chiếm đến 50% tổng sinh khối. Khối lợng này đợc thu gom và thải vào thiên nhiên, vừa gây lãng phí lại vừa gây ô nhiễm môi trờng. Tuy nhiên, để có thể giải quyết đợc vấn đề ô nhiễm do rác hữu cơ gây nên, chúng ta vấp phải một vấn đề phức tạp là làm cách nào để có thể tăng khả năng thu gom và xử lý rác thải nhanh chóng nhằm đẩy nhanh vòng tuần hoàn của rác, không để tồn đọng và gây ô nhiễm môi trờng trong khi lợng rác thải của chúng ta ngày càng tăng lên mà các cơ sở xử lý lại có hạn. 1 Hiện nay có rất nhiều phơng pháp xử lý rác nh phơng pháp đốt, phơng pháp chôn lấp thành những bãi chứa Tuy nhiên, các phơng pháp này đều không mang lại những hiệu quả cao do lãng phí diện tích chôn lấp, thời gian xử lý dài gây ô nhiễm thứ cấp Trong khi đó, phơng pháp xử lý rác bằng công nghệ vi sinh vật tỏ ra có nhiều u điểm nhất cả về hiệu quả kinh tế lẫn kỹ thuật, tạo ra sản phẩm phân bón hữu cơ dùng cho sản xuất nông nghiệp. Mặc dù vậy, việc phân huỷ rác dựa trên các vi sinh vật tự nhiên có sẵn trong đống rác ủ còn gặp nhiều hạn chế nh thời gian phân huỷ quá lâu, quá trình phân huỷ cha triệt để Do đó, chúng ta cần tuyển chọn những chủng vi sinh vật thích hợp bổ sung vào bên cạnh những vi sinh vật có sẵn để có thể giúp cho quá trình xử lý đạt kết quả tốt hơn. Với mong muốn có thể tham gia vào quá trình phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ rác thải cao phù hợp với điều kiện Việt Nam dù bằng phần đóng góp hết sức nhỏ bé của mình, tôi đã thực hiện đề tài Phân lập, tuyển chọn và nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng đến khả năng sinh tổng hợp xenlulaza của một số chủng vi sinh vật nhằm ứng dụng xử lý phế thải ligno-xenluloza II. Tổng quan 2 2.1. Sơ lợc tình hình và thành phần của rác thải sinh hoạt ở Việt Nam 2.1.1. Sơ lợc tình hình rác thải ở Việt Nam Rác thải từ sinh hoạt của con ngời, rác thải nông nghiệp và rác thải công nghiệp chiếm thành phần chủ yếu trong khối lợng rác thải thu gom đợc trên thế giới . ở Việt Nam, tuy sản lợng công nghiệp ít và các đô thị cha phải là lớn cho nên rác thải công nghiệp cũng nh rác thải sinh hoạt ở những nơi tập trung dân c còn ít so với các nớc phát triển, nhng do sự quản lý về môi trờng còn nhiều thiếu sót, ý thức giữ gìn môi trờng của mỗi ngời dân cha cao nên vấn đề môi trờng nói chung và vấn đề rác thải nói riêng là vấn đề hết sức nan giải ở Việt Nam, đặc biệt ở các thành phố lớn. Hàng ngày, các thành phố lớn ở Việt Nam thải ra khoảng 9100 m 3 rác nhng chỉ thu gom đợc khoảng 40 50%. Chỉ tính ba thành phố lớn ở Việt Nam, lợng rác thải hàng ngày thu gom đợc là rất lớn. Mỗi ngày Hải Phòng thải ra 270 tấn rác, Hà Nội khoảng 1000 tấn, Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 4000 tấn. Đó chỉ là số liệu trên giấy tờ mà các công ty vệ sinh đô thị thu gom đợc. Còn số lợng rác thực tế mà ngời dân thải bỏ thì lớn gấp nhiều lần nh thế. [15,16] Quá trình đô thị hoá nhanh chóng trong khi hệ thống cơ sở hạ tầng cha phát triển tơng ứng sẽ làm tăng thêm các khó khăn hiện nay về tình hình ô nhiễm môi trờng. Cùng với quá trình đô thị hoá thì mức sống của ngời dân cũng đợc nâng lên và kéo theo đó là lợng rác thải ngày càng lớn.Lợng rác trung bình ở thành phố Hồ Chí Minh tăng khoảng 20% hằng năm trong khi l- ợng rác ở các thành phố lớn trên thế giới chỉ tăng trung bình dới 7%.Tuy nhiên lợng rác xử lý vẫn cha đợc bao nhiêu so với các nớc trên thế giới. Mặc dù nớc ta đã quan tâm đến vấn đề này song còn nhiều hạn chế. 3 Rác thải công nghiệp là những thành phần không thể tham gia vào quá trình tạo nên sản phẩm hoặc bán thành phẩm phải loại bỏ khỏi các dây chuyền sản xuất. Rác thải sinh hoạt là những thành phần đợc loại bỏ từ các gia đình khu công cộng hay các chợ, siêu thị . Trong tất cả các loại rác kể trên thì rác thải sinh hoạt là loại chất thải phức tạp hơn cả. Trớc hết thành phần của rác thải sinh hoạt hết sức đa dạng, trong thành phần của chúng các hợp chất hữu cơ mà trớc hết là xenluloza và lignin chiếm tỷ lệ cao nhất, thông thờng là 40 50%, có nhiều trờng hợp chiếm đến 70 80% Bên cạnh đó do ý thức của đại bộ phận dân chúng còn yếu, sự quản lý và các biện pháp xử lý vẫn cha đạt đợc hiệu quả nh mong muốn, đòi hỏi phải phù hợp với mức sống và tập tục của cộng đồng. Ngoài ra mong muốn tận dụng rác thải sinh hoạt để tạo ra các sản phẩm có ích cho xã hội cũng là một yếu tố quan trọng khiến cho việc xử lý rác thải sinh hoạt còn gặp nhiều vấn đề nan giải [2, 12, 14]. Là một nớc nông nghiệp nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới nên rác thải sinh hoạt của Việt Nam có những đặc điểm riêng về thành phần và tính chất. Độ ẩm trong rác thay đổi theo mùa trong năm - độ ẩm trung bình vào mùa khô từ 40 45% và vào mùa ma từ 50 80%, lợng rác mỗi ngày tăng lên một cách nhanh chóng. Do đó việc nghiên cứu, tuyển chọn ra những chủng vi sinh vật có những khả năng phân giải xenluloza mạnh, có thể áp dụng vào công nghệ xử lý rác bằng vi sinh vật ở Việt Nam là rất cần thiết và cần đợc quan tâm hơn. 2.1.2. Thành phần của các rác thải sinh hoạt ở Việt Nam Khác với rác thải công nghiệp, rác thải sinh hoạt là một tập hợp không đồng nhất. Sự không đồng nhất thể hiện ngay ở sự đầu vào của nguyên liệu 4 ban đầu dùng cho sinh hoạt và thơng mại. Sự không đồng nhất này tạo ra một số đặc tính rất khác biệt trong thành phần của rác thải sinh hoạt. 2.1.2.1. Thành phần cơ học Đặc điểm rõ thấy nhất ở rác đô thị của Việt Nam là thành phần các chất hữu cơ có trong đó. Số lợng này thờng chiếm rất cao, khoảng 55 65%. Trong thành phần rác thải đô thị, các cấu tử phi hữu cơ (kim loại, rác xây dựng .) chỉ chiếm khoảng 11 15%, phần còn lại là các cấu tử khác.[5] Bảng 1: Thành phần rác sinh hoạt ở Hải Phòng, Hà Nội, TP Hồ Chí Minh Thành phần rác (%) Hải Phòng Hà Nội TP Hồ Chí Minh Lá cây, vỏ hoaquả, xác thực vật 50,70 50,72 62,64 Giấy 2,28 2,72 0,59 Vải vụn, củi gỗ 2,27 6,27 4,25 Nhựa, cao su, da 2,02 0,71 0,46 Vỏ ốc, xơng 3,68 1,06 0,50 Thuỷ tinh 0,72 0,31 0,20 Rác xây dựng 8,45 7,43 16,04 Kim loại 0,14 1,02 0,27 Tạp chất khó phân giải 23,9 30,21 15,27 Chúng ta nhận thấy rằng thành phần rác thải hữu cơ chiếm một tỷ lệ lớn trong rác thải sinh hoạt của Việt Nam. So với các nớc phát triển trên thế giới thì tỷ lệ rác hữu cơ của nớc ta khá cao.[5] Bảng 2. Thành phần rác sinh hoạt của một số nớc phát triển trên thế giới (1990) 5 Thành phần (%) Nhật Pháp Mỹ Giấy 12,1 30,0 30-40 Thực phẩm 8,1 34,0 9,4 Vải 5,1 2,0 2,0 Gỗ, cỏ 1,9 4,0 0,5 Chất dẻo 19,8 4,0 7,0 Cao su 1,4 10,0 0,5 Kim loại 20,0 7,0 6,5 Thuỷ tinh 22,7 13,0 7,9 Những thứ khác 3,2 13,0 3,2 2.1.2.2. Thành phần hoá học Trong các cấu tử hữu cơ của rác sinh hoạt, thành phần hoá học của chúng chủ yếu là: C, H, O, N, S và các chất tro.[14] Thành phần này rất quan trọng trong việc nghiên cứu xử lý, tái sinh chúng cũng nh trong việc đánh giá các tác động đến môi trờng nếu không đợc xử lý.[5] Ta nhận thấy rằng tuỳ thuộc vào các chất khác nhau mà thành phần các cấu tử hữu cơ có trong các chất dao động thay đổi trong khoảng rộng. Kết quả này đợc minh hoạ qua bảng 3 dới đây. Bảng 3: Thành phần hoá học của các cấu tử hữu cơ trong rác thải sinh hoạt. Các chất Thành phần (%) C H O N S Tro Thực phẩm 48,0 6,4 37,6 2,6 0,4 5,0 Giấy 43,5 6,0 44,0 0,3 0.2 6,0 6 Caton 44,0 5,9 44,6 0,3 0,2 5,0 Vải 55,0 6,6 31,2 1,6 0,15 - Cao su 78,0 10,0 - 2,0 - 10,0 Nhìn qua bảng số liệu chúng ta nhận thấy rằng thành phần của rác thải hữu cơ hết sức phức tạp. Nếu rác thải đô thị phân huỷ tự do trong môi trờng tự nhiên thì môi trờng, môi sinh và đặc biệt là các nguồn nớc sẽ bị ô nhiễm một cách ghê gớm. Có rất nhiều biện pháp để xử lý lợng rác khổng lồ đợc tạo ra mỗi ngày ví dụ nh thiêu đốt, chôn lấp . nhng bằng cách này hay cách khác, chính những phơng pháp xử lý này lại có thể gây ra ô nhiễm cho môi trờng trong tơng lai. Chính vì vậy, phơng pháp xử lý rác bằng vi sinh vật là sự lựa chọn tối u nhất. Nếu chúng ta kiểm soát đợc quá trình xử lý rác thải đô thị tạo ra nguồn phân hữu cơ thì đây chính là nguồn dinh dỡng lớn, vừa tạo ra đ- ợc sự cân bằng về sinh thái, lại vừa tránh đợc nguy cơ gây ô nhiễm môi trờng. 2.2. Các phơng pháp xử lý rác bằng vi sinh vật 2.2.1. Bản chất của phơng pháp Bản chất của quá trình xử lý rác nhờ vi sinh vật chính là quá trình phân huỷ rác của các vi sinh vật có sẵn trong rác cũng nh các vi sinh vật đợc bổ sung vào. Nhờ có các vi sinh vật này mà rác đợc phân huỷ thành các thành phần nhỏ hơn, tạo ra sinh khối các sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật và các loại khí nh CO 2 , CH 4 .[4] Các quá trình chuyển hoá này có thể xảy ra trong điều kiện yếm khí hoặc hiếu khí. 7 - Quá trình ủ hiếu khí là quá trình phân giải các chất hữu cơ nhờ sự có mặt của oxy tạo ra sản phẩm cuối cùng là CO 2 , NH 3 , nớc, nhiệt và sinh khối vi sinh vật. - Quá trình ủ yếm khí là quá trình phân giải các chất hữu cơ vi sinh vật nhng không có oxy sản phẩm cuối cùng là CH 4 , CO 2 , NH 3 một lợng nhỏ các loại khí khác, axit hữu cơ và sinh khối vi sinh vật. Trong quá trình ủ rác sẽ diễn ra một loạt các quá trình chuyển hoá khác nhau. Các quá trình này có thể theo những hớng có lợi, cũng nh hớng không có lợi. Do đó phải làm sao kiểm soát đợc quá trình xử lý, hạn chế những mặt có hại cho quá trình xử lý, phát huy tối đa những mặt tích cực với mục tiêu đặt ra là: - Làm ổn định thành phần rác thải sau quá trình xử lý: Chất thải hữu cơ khi đợc đa vào môi trờng sẽ còn đợc chuyển hoá liên tục, vì thế nó cha ổn định. Quá trình lên men sẽ ổn định chúng bằng phản ứng sinh hoá. Sản phẩm cuối cùng của quá trình này sẽ đợc ổn định khi chúng ta sử dụng chúng. - Tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh: Trong rác thải thờng chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh. Trong quá trình ủ rác thì các vi sinh vật này sẽ bị tiêu diệt ở các nhiệt độ khác nhau.[6] E.coli hầu hết chết ở 55 o C trong 1 giờ, 60 o C trong 15-20 phút Shigella sp. chết ở 55 o C trong 1 giờ Các vi sinh vật gây bệnh thờng bị tiêu diệt ở trong khoảng nhiệt độ từ 45-60 o C trong khoảng thời gian ngắn - Cải tạo chất lợng dinh dỡng của rác thải: Nhờ có các vi sinh vật mà các chất dinh dỡng thờng tồn tại ở dạng hữu cơ đã đợc chuyển hoá thành các chất vô cơ và rất thích hợp cho cây trồng. Sau 8 khi lên men, các chất dinh dỡng này đợc chuyển hoá thành NO 3 hay P 2 O 5 là những chất có tác dụng làm tăng dinh dỡng của đất có lợi cho cây trồng. Cây trồng không thể sử dụng nitơ ở dạng hữu cơ mà chỉ có thể sử dụng ở dạng vô cơ.[5] Tuy nhiên việc ủ rác cũng có nhiều hạn chế . Do các vi sinh vật cần có rất nhiều thời gian để phân huỷ đống ủ cho nên việc ủ rác thờng kéo dài, kéo theo một loạt những vấn đề về kinh tế xã hội. Ngoài ra các đống ủ nếu không đợc kiểm soát kỹ thì chính chúng sẽ trở thành nguồn gây ô nhiễm ra môi tr- ờng xung quanh. 2.2.2. Các phơng pháp xử lý rác bằng công nghệ vi sinh vật Có rất nhiều phơng pháp khác nhau để xử lý rác thải sinh hoạt có chứa xenluloza và các chất hữu cơ khác. Ngời ta thờng tóm tắt chúng vào các nhóm sau: - Phơng pháp sản xuất khí sinh học từ rác (Biogas) - Phơng pháp chôn lấp rác (landfill) - Phơng pháp ủ rác (composting) Tuỳ theo điều kiện kinh tế, xã hội và thành phần tính chất của rác mà ngời ta áp dụng phơng pháp này hay phơng pháp kia cho phù hợp để có thể tận dụng hết các u điểm của từng phơng pháp [6,10,11]. 2.2.2.1. Phơng pháp sản xuất khí sinh học (Biogas) Cơ sở của phơng pháp này là nhờ sự hoạt động của các vi sinh vật mà các hợp chất khó tan (xenluloza, lignin, hemixenluloza, tinh bột và các hợp chất phân tử khác) đợc chuyển hoá thành các chất dễ tan. Sau đó lại đợc chuyển hoá thành các chất khí trong đó chủ yếu là metan (chiếm tuyệt đại đa số >64%). 9 Ưu điểm của phơng pháp này là ta có thể thu đợc một loạt khí có thể cháy đợc và cho nhiệt lợng cao, không gây ô nhiễm môi trờng, sử dụng cho nhiều mục đích. Chất thải sau lên men đợc chuyển hoá thành phân hữu cơ có chất lợng dinh dỡng cao. Tuy nhiên phơng pháp này có một số nhợc điểm: - Khó lấy các chất thải sau lên men. - Là quá trình kỵ khí bắt buộc vì vậy việc thiết kế bể ủ rất phức tạp, tốn kém và đòi hỏi vốn đầu t lớn. 2.2.2.2. Phơng pháp chôn lấp (landfill) _ phơng pháp ủ rác yếm khí Chôn lấp là phơng pháp xử lý lâu đời, ở nhiều nơi ngời ta đào một hố sâu để đổ rác xuống và lấp lại. Đây cũng chính là u điểm của phơng pháp này, rất dễ thực hiện. Sau một thời gian khoảng 2-3 năm rác đợc lên men và chuyển hoá thành mùn. Nh vậy phơng pháp này ít tốn kinh phí, dễ thực hiện nhng vẫn còn có rất nhiều khiếm khuyết. Đó chính là: - Đòi hỏi thời gian rất dài để phân huỷ - Đòi hỏi nhiều diện tích đất, tốn diện tích bề mặt - Làm giảm thể tích rác ít - Các chất hữu cơ trong rác khi phân huỷ sẽ tạo ra các khí độc hại nh H 2 S, CH 4 . Ngoài ra lợng nớc rác rỉ ra khó có thể kiểm soát gây ô nhiễm cho các nguồn nớc xung quanh đặc biệt là các nguồn nớc ngầm. - Chịu ảnh hởng của thời tiết. 2.2.2.3. Phơng pháp ủ rác hiếu khí (aerobic composting). Các phơng pháp ủ rác hiếu khí rất phong phú, đợc phân chia thành các nhiều phơng pháp khác nhau: - Phơng pháp ủ rác thành đống lên men tự nhiên có đảo trộn (Windrow composting): Phơng pháp này là một phơng pháp cổ điển tuy rất dễ thực hiện nhng ngợc lại rất mất vệ sinh, gây ô nhiễm mạnh nguồn nớc, không khí. 10