Nghiên cứu hoàn thiện chế phẩm vi sinh vật ứng dụng cho phân hủy kỵ khí trong môi trường nước biển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐỖ THỊ THU HỒNG NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CHẾ PHẨM VI SINH VẬT ỨNG DỤNG CHO PHÂN HỦY KỴ KHÍ TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐỖ THỊ THU HỒNG NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CHẾ PHẨM VI SINH VẬT ỨNG DỤNG CHO PHÂN HỦY KỴ KHÍ TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN Chun ngành: Vi sinh vật học Mã số: 60420107 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đinh Thúy Hằng PGS.TS Bùi Thị Việt Hà Hà Nội - 2017 Lời cảm ơn Trong suốt trình học tập nghiên cứu, em nhận nhiều giúp đỡ, bảo, động viên thầy cô, gia đình bạn bè Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Đinh Thúy Hằng PGS.TS Bùi Thị Việt Hà - người thầy ln tận tình hướng dẫn, bảo, truyền đạt cho em nhiều kinh nghiệm nghiên cứu quý báu, tạo điều kiện giúp em thực luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Viện Vi sinh vật công nghệ sinh học – ĐHQGHN, đặc biệt tập thể cán Phòng Sinh thái vi sinh vật nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất giúp em hồn thành tốt cơng việc Em xin gửi lời cảm ơn đến Lãnh đạo, huy Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga, đặc biệt Phân viện trưởng Phân viện công nghệ sinh học – TS Nguyễn Thu Hoài đồng nghiệp Phân viện công nghệ sinh học tạo điều kiện thời gian, kinh phí, sở vật chất suốt trình học tập nghiên cứu Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Khoa Sinh học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tận tình giảng dạy, truyền đạt nhiều kiến thức khoa học quý báu cho em năm học qua Cuối cùng, em xin dành tình cảm đến gia đình, người thân, bạn bè người ủng hộ, động viên, chia sẻ giúp em vượt qua khó khăn trình học tập, nghiên cứu Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2017 Học viên Đỗ Thị Thu Hồng MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chương – TỔNG QUAN 1.1 Tình trạng nhiễm chất thải hữu khu vực ven biển hải đảo 1.2 Phân hủy kỵ khí chất thải hữu mơi trường nước biển 10 1.2.1 Ưu nhược điểm phân hủy kỵ khí 11 1.2.2 Bản chất sinh học phân hủy kỵ khí 13 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình xử lý kỵ khí chất thải hữu môi trường nước biển 17 1.3 Bùn kỵ khí 18 1.3.1 Cấu trúc hạt bùn kỵ khí 19 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành ổn định bùn kỵ khí 19 1.3.3 Các thơng số đánh giá hạt bùn kỵ khí 22 1.4 Cơng nghệ xử lý chất thải hữu phân hủy kỵ khí 25 1.5 Sự cần thiết nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh hỗ trợ công nghệ phân hủy kỵ khí điều kiện nước biển 27 1.6 Cơng nghệ màng vi bao 28 1.6.1 Giới thiệu chung 28 1.6.2 Ứng dụng công nghệ màng vi bao xử lý môi trường 30 1.6.3 Công nghệ màng vi bao xử lý chất thải hữu 32 Chương – VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 2.1 Vật liệu nghiên cứu 34 2.2.Phương pháp nghiên cứu 34 2.2.1 Quy trình tạo chế phẩm BKMA 34 2.2.2 Kiểm tra độ ổn định chế phẩm BKMA q trình bảo quản 35 2.2.3 Thiết lập mơ hình xử lý chất thải chăn ni phịng thí nghiệm 36 2.2.4 Các phương pháp phân tích 37 Chương – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Nuôi bùn kỵ khí BKM 46 3.1.1 Tạo hỗn hợp cám gạo lên men làm chất nuôi bùn 46 3.1.2 Nuôi bùn kỵ khí BKM 47 3.1.3 Đánh giá chất lượng sản phẩm bùn kỵ khí BKM 47 3.2 Tạo chế phẩm BKMA gồm bùn kỵ khí BKM vi bao alginate 56 3.2.1 Thu nhận sinh khối tạo dịch huyền phù vi sinh vật 56 3.2.2 Tạo hạt gel chứa tổ hợp vi sinh vật BKM công nghệ màng vi bao 56 3.2.3 Đánh giá mật độ tế bào hoạt tính sinh methane vi sinh vật chế phẩm BKMA 57 3.3 Đánh giá hiệu chế phẩm BKMA mơ hình xử lý phịng thí nghiệm 60 3.3.1 Mơ hình lít vận hành theo mẻ 60 3.3.2 Mơ hình 50 lít vận hành liên tục 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC BẢNG Bảng Tên bảng 1.1 Lượng methane tạo theo lý thuyết 1.2 Các công nghệ xử lý chất thải hữu phân 1.3 Ưu nhược điểm công nghệ màng vi bao với 1.4 Một số ứng dụng công nghệ màng vi bao tro 2.1 Thành phần phản ứng PCR cho DGGE 2.2 Nồng độ CH4 sử dụng xây dựng đường ch 2.3 Các tiêu phân tích nước thải phương pháp 3.1 Kết phân tích chất lượng nước thải đầu DANH MỤC HÌNH Hình Tên hình 1.1 Tình trạng nhiễm chất thải khu vực ven biể 1.2 Chuyển hóa cacbon hữu phân hủy h Các bước chuyển hóa sinh học trình 1.3 methane Vi khuẩn acetogen cổ khuẩn methanogen 1.4 trình sinh trưởng 1.5 Methanosarcina acetivorans Methanosae 1.6 Mơ hình mơ cấu trúc hạt bùn kỵ kh 1.7 Một số công nghệ xử lý chất thải hữu bằn 1.8 Cấu trúc điển hình hạt gel tạo cơng n 2.1 Các bước tạo chế phẩm BKMA Xử lý chất thải chăn ni mơ hình phị 2.2 lít 2.3 Mơ hình xử lý liên tục chất thải chăn ni qu Nguyên lý phương pháp cột nước xác đị 2.4 sinh 2.5 Đường chuẩn CH4 thiết lập dựa ph 3.1 Biến đổi pH dịch cám gạo 10% theo th Methane hỗn hợp khí sinh bìn 3.2 thời gian Phân tích PCR-DGGE đoạn 16S rDNA v 3.3 khí bùn BKM Cây phát sinh chủng loại Neibour joining dự 3.4 gen 16S rDNA băng DGGE l GenBank 3.5 Hoạt tính sinh methane bùn kỵ khí BKM 3.6 So sánh số SVI bùn kỵ khí BKM trước v 3.7 Bùn giống ban đầu bùn kỵ khí sau nhân ni Phân bố kích thước bùn kỵ khí BKM giống 3.8 trình nhân ni Chế phẩm vi sinh BKMA chứa bùn kỵ khí BKM 3.9 alginate Biến đổi mật độ vi khuẩn methanogen tro 3.10 theo thời gian 3.11 Hoạt tính sinh methane riêng bùn theo thời Sự biến động COD tốc độ sinh khí theo thời 3.12 lít Sự biến động COD tốc độ sinh khí theo thời 3.13 lít 3.14 Hiệu suất loại COD sinh CH4 theo thời gian AF Anaero BOD Biolog BSA Bovin COD Chemi DGGE Denatu Electro HRT Hydrau MPN Most P OLR Organi QCVN SMA Specif SRB Sulfate SS Suspen SVI Sludge TCVN TSS Total S TDS Total D UASB Upflow VFA Volatil VSS Volatil MỞ ĐẦU Việt Nam có vùng biển đặc quyền kinh tế 1.000.000 km với 3.000 đảo lớn, nhỏ, bờ biển kéo dài 3.260 km Đây tiền đề cho phép hoạch định chiến lược biển phù hợp với xu phát triển quốc gia biển Tuy nhiên, theo đánh giá Bộ Tài nguyên Môi trường, môi trường biển bị ô nhiễm trầm trọng mà nguyên nhân phát triển công nghiệp, du lịch tràn lan; nuôi trồng thủy sản bất hợp lý; thể chế, sách quản lý mơi trường cịn bất cập,…[12] Khoảng 80% lượng rác thải biển có nguồn gốc từ đất liền, gồm nước thải từ nhà máy, xí nghiệp, khu cơng nghiệp, khu dân cư, chất thải rắn không qua xử lý đưa sông vùng đồng ven biển xả thẳng biển [58] Đơn cử hoạt động nuôi trồng thủy sản làm phát sinh đáng kể lượng chất thải hữu trực tiếp đưa biển Bình quân nuôi tôm thải môi trường khoảng chất thải rắn hàng chục nghìn m nước thải vụ nuôi Với tổng diện tích ni tơm 600 nghìn nước, năm có gần triệu chất thải hữu thải môi trường [10] Bên cạnh vai trò to lớn phát triển kinh tế, khu vực biển hải đảo cịn có ý nghĩa trị quân quan trọng Hiện quân đội có nhiều đơn vị đóng quân vùng ven biển hải đảo Với quân số lớn hoạt động tăng gia sản xuất, đơn vị thường gặp khó khăn việc xử lý lượng lớn chất thải hữu từ người động vật để đảm bảo vệ sinh mơi trường khu vực đóng qn mơi trường biển nói chung [7] Các hệ thống cơng nghệ xử lý kỵ khí bể tự hoại, hầm biogas có hiệu phải hoạt động mơi trường có nồng độ muối cao (nước biển sử dụng để dội rửa), làm ức chế trình phân hủy tự nhiên Chất thải hữu tích tụ lâu ngày khơng xử lý mối nguy hại cho sức khỏe người môi trường sinh thái Khảo sát thực tế cho thấy đơn vị đội đóng quân ven biển hải đảo, chất thải sinh hoạt hữu thu gom chỗ xử lý biện pháp đơn giản chôn lấp, ủ compost với hỗ trợ số chế phẩm vi sinh hiếu khí Tuy nhiên, biện pháp sử dụng giải phần nhỏ chất thải rác hữu cơ, PHIẾU KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MẪU Loại mẫu: Nước thải Ký hiệu mẫu: MH50.5 Đơn vị gửi mẫu: Nguyễn Thu Hoài/Nhiệm vụ kỹ thuật cấp Trung tâm Ngày gửi mẫu: 23/02/2016 Phương pháp lấy mẫu: Nhận mẫu phịng thí nghiệm Phương pháp phân tích: Phương pháp nhiều ống theo TCVN 6187-2: 2009 Nơi phân tích mẫu: Phịng vi sinh – Phân viện Cơng nghệ sinh học Ngày phân tích: 23/02/2016 Ngày kết thúc phân tích: 25/02/2016 Kết phân tích: TT Chỉ tiêu Coliform Fecal-Coliform E coli Kết luận: So với trị số cột B QCVN 14 : 2008/BTNMT, tiêu coliform, Fecal coliform E.Coli mẫu nước thải ngưỡng Lưu ý: Kết với mẫu lấy phân tích vào thời điểm yêu cầu NGƯỜI THỰC HIỆN Đỗ Thị Thu Hồng NGƯỜI KIỂM SỐT Chu Thanh Bình Trình tự gen 16S rDNA chủng vi sinh vật kỵ khí Băng DGGE 0.3 CCATACTGAGGGAACCTGATGCAGCACGCCGCGTGAGTGATGACGGTCT TCGGATTGTAAAGCTCTGTCTTCAGGGACGATAATGACGGTACCTGAGG AGGAAGCCACGGCTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGTAGGT GGCAAGCGTTGTCCGGATTTACTGGGCGTAAAGGGAGCGTAGGTGGATA TTTAAGTGGGATGTGAAATACTCGGGCTTAACCTGGGTGCTGCATTCCA AACTGGATATCTAGAGTGCAGGAGAGGAAAGTAGAATTCCTAGTGTAG CGGTGAAATGCGTAGAGATTAGGAAGAATACCAATGGCGAAGGCGACT TTCTGGACTGTAACTGACACTGAGGCTCGAAAGCGTGGGGAGCAAACA GGATTAGATACCCTGGTAGTCCACGCCGTAAACTATGAATACTAGGTGT AGGGGTTGTCATGACCTCTGTGCCGCCGCTAACGCATTAAGTATTCCGC CTGGGGAGTACGGTCGCAAGATTAAAACTCAGAGAAATTGACGGCTCAT AGGAATTGACGGA Băng DGGE 0.4 CCCGTAATTGGAGTACCTGATGCAGCACGCCGCGTGAGTGATGAC GTCTTCGGATTGTAAAGCTCTGTCTTCAGGGACGATAATGACGGTACCT GAGGAGGAAGCCACGGCTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGT AGGTGGCAAGCGTTGTCCGGATTTACTGGGCGTAAAGGGAGCGTAGGTG GATATTTAAGTGGGATGTGAAATACTCGGGCTTAACCTGGGTGCTGCAT TCCAAACTGGATATCTAGAGTGCAAGAGAGGAAAGTAGAATTCCTAGTG TAGCGGTGAAATGCGTAGAGATTAGGAAGAATACCAATGGCGAAGGCG ACTTTCTGGACTGTAACTGACACTGAGGCTCGAAAGCGTGGGGAGCAAA CAGGATTAGATACCCTGGTAGTCCACGCCATAAACTATGAATACTAGGT GTAGGGGTTGTCATGACCTCTGTGCCGCCGCTAACGCATTAAGTATTCC GCCTGGGGAGTACGGTCGCAAGATTAAAACTCAAAGAAATTGACGGCT CAAGGAATTGACGGA Băng DGGE 0.5 CCGGGTAATGGGGGTACCTGATGCAGCACGCCGCGTGAGTGATG ACGGTCTTCGGATTGTAAAGCTCTGTCTTCAGGGACGATAATGACGGTA CCTGAGGAGGAAGCCACGGCTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTAATA CGTAGGTGGCAAGCGTTGTCCGGATTTACTGGGCGTAAAGGGAGCGTAG GTGGATATTTAAGTGGGATGTGAAATACTCGGGCTTAACCTGGGTGCTG CATTCCAAACTGGATATCTAGAGTGCAGGAGAGGAAAGTAGAATTCCTA GTGTAGCGGTGAAATGCGTAGAGATTAGGAAGAATACCAGTGGCGAAG GCGACTTTCTGGACTGTAACTGACACTGAGGCTCGAAAGCGTGGGGAGC AAACAGGATTAGATACCCTGGTAGTCCACGCCGTAAACGATGAATACTA GGTGTAGGGGTTGTCATGACCTCTGTGCCGCCGCTAACGCATTAAGTAT TCCGCCTGGGGAGTACGGTCGCAAGATTAAAACTCAAAGGAAATTGAC GGCTC Băng DGGE 3.1 CAGGATGAATGGATCTACGGTGAGGCAGCAACGCCTCGTGAGTGT TGACGGTCCTCGGAGCGTAAAACTCTGTTGTTAGGGAAGAACAAATGTG TAAGTAACTGTGTCCTTCTTGACGGTACCTGATCAGAAAGCCACGGCTA ACTACGTGCCAGCCGCGGTAATACGTAGGTGGCAAGCGTTATCCGGAAT TATTGGGCGTAAAGGCGCGTAGGCGGTTTTTTAAGTCTGATGTGAAAGC CCCCCGCTCCACCGTGGAAGGTCATTGGAAACTGGAAAACTTGAATGCC AAAAAAGAAAGTGGAATTCCATGTGTAACGGTGAAATGCCCAAAAATA TGGAGGAACCCCAGTGGCGAAAGCACTTTCTGGTCTGTAACTGACCCTT ATGTGCCAAAACGTGGGGATCAAACAGATTAAATACCCTGGTAATCCAC CCCCTAAACCATGAATGCTAAATGTTAGGGGTTCCCCCCCTTAATGCTGC AACTAACCCATTAAGCACTCCCCCCGGGGAATACCGCAAGGTTTAAACT CAAAGGAATTTACCGGTCCCACGGGAGTCCGTTGAGAACTCAGCGGAAT TCCCC Băng DGGE 6.3 CCGGCTGATGGATCTACTCTGACGGAGCAGCGCACGTCGTGAGTG TATGACGGCTTTCGGGTCGTAAAACTCTGTTGTTAGGGAAGAACAAGTG CTAGTTGAATAAGCTGGCACCTTGACGGTACCTAACCAGAAAGCCACGG CTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGTAGGTGGCAAGCGTTATC CGGAATTATTGGGCGTAAAGCGCGCGCAGGTGGTTTCTTAAGTCTGATG TGAAAGCCCACGGCTCAACCGTGGAGGGTCATTGGAAACTGGGAGACTT GAGTGCAGAAGAGGAAAGTGGAATTCCATGTGTAGCGGTGAAATGCGT AGAGATATGGAGGAACACCAGTGGCGAAGGCGACTTTCTGGTCTGTAAC TGACACTGAGGCGCGAAAGCGTGGGGAGCAAACAGGATTAGATACCCT GGTAGTCCACGCCGTAAACGATGAGTGCTAAGTGTTAGAGGGTTTCCGC CCTTTAGTGCTGAAGTTAACGCATTAAGCACTCCGCCTGGGGAGTACGG CCGCAAGGCTGAAACTCAAAGGAAATTGACGGATC Băng DGGE 9.3 CCGCATGATGATCCTACTCTGACGGAGCAGCGCACGTCGTGAGTG TATGAAGGCTTTCGGGTCGTAAAACTCTGTTGTTAGGGAAGAACAAGTG CTAGTTGAATAAGCTGGCACCTTGACGGTACCTAACCAGAAAGCCACGG CTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGTAGGTGGCAAGCGTTATC CGGAATTATTGGGCGTAAAGCGCGCGCAGGTGGTTTCTTAAGTCTGATG TGAAAGCCCACGGCTCAACCGTGGAGGGTCATTGGAAACTGGGAGACTT GAGTGCAGAAGAGGAAAGTGGAATTCCATGTGTAGCGGTGAAATGCGT AGAGATATGGAGGAACACCAGTGGCGAAGGCGACTTTCTGGTCTGTAAC TGACACTGAGGCGCGAAAGCGTGGGGAGCAAACAGGATTAGATACCCT GGTAGTCCACGCCGTAAACGATGAGTGCTAAGTGTTAGAGGGTTTCCGC CCTTTAGTGCTGAAGTTAACGCATTAAGCACTCCGCCTGGGGAGTACGG CCGCAAGGCTGAAACTCAAAGGAAAATTGACGGAT ... HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐỖ THỊ THU HỒNG NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CHẾ PHẨM VI SINH VẬT ỨNG DỤNG CHO PHÂN HỦY KỴ KHÍ TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN Chun ngành: Vi sinh vật học... (thực phẩm, xử lý môi trường) 1.6.2 Ứng dụng công nghệ màng vi bao xử lý môi trường Trong xử lý môi trường vi sinh vật, yếu tố sinh học (hệ vi sinh vật địa có khả phân hủy chất nhiễm, lồi sinh vật. .. ứng dụng hỗ trợ hệ thống phân hủy kỵ khí cịn chưa quan tâm 1.3 Bùn kỵ khí Bùn kỵ khí quần xã vi sinh vật sống cộng sinh hình thành trình xử lý chất thải, coi bùn kỵ khí hệ sinh thái vi sinh vật