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 17 trường nước biển 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 27 kỵ khí điều kiện nước biển 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 57 chế phẩm BKMA 3.3 Đánh giá hiệu chế phẩm BKMA mơ hình xử lý phịng 60 thí nghiệm 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 66 QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Lượng methane tạo theo lý thuyết số chất thải hữu 22 1.2 Các công nghệ xử lý chất thải hữu phân hủy kỵ khí 25 1.3 Ưu nhược điểm cơng nghệ màng vi bao với vi sinh vật 29 1.4 Một số ứng dụng công nghệ màng vi bao xử lý môi trường 30 2.1 Thành phần phản ứng PCR cho DGGE 41 2.2 Nồng độ CH4 sử dụng xây dựng đường chuẩn 43 2.3 Các tiêu phân tích nước thải phương pháp tương ứng 45 3.1 Kết phân tích chất lượng nước thải đầu mơ hình 50 lít 64 DANH MỤC HÌNH Hình Tên hình Trang 1.1 Tình trạng nhiễm chất thải khu vực ven biển cửa sông 1.2 Chuyển hóa cacbon hữu phân hủy hiếu khí kỵ khí 12 1.3 1.4 Các bước chuyển hóa sinh học q trình phân hủy kỵ khí sinh methane Vi khuẩn acetogen cổ khuẩn methanogen hỗ trợ trình sinh trưởng 13 15 1.5 Methanosarcina acetivorans Methanosaeta thermophila 16 1.6 Mơ hình mơ cấu trúc hạt bùn kỵ khí 19 1.7 Một số công nghệ xử lý chất thải hữu phân hủy kỵ khí 26 1.8 Cấu trúc điển hình hạt gel tạo cơng nghệ màng vi bao 29 2.1 Các bước tạo chế phẩm BKMA 34 2.2 2.3 2.4 Xử lý chất thải chăn nuôi mơ hình phịng thí nghiệm thể tích lít Mơ hình xử lý liên tục chất thải chăn ni quy mơ 50 lít Ngun lý phương pháp cột nước xác định tổng thể tích khí sinh 36 37 42 2.5 Đường chuẩn CH4 thiết lập dựa phân tích sắc ký khí 43 3.1 Biến đổi pH dịch cám gạo 10% theo thời gian lên men 47 3.2 3.3 Methane hỗn hợp khí sinh bình ni bùn BKM theo thời gian Phân tích PCR-DGGE đoạn 16S rDNA vi khuẩn lên men kỵ khí bùn BKM 48 49 Cây phát sinh chủng loại Neibour joining dựa trình tự đoạn 3.4 gen 16S rDNA băng DGGE loài gần gũi cơng bố 51 GenBank 3.5 Hoạt tính sinh methane bùn kỵ khí BKM theo thời gian 52 3.6 So sánh số SVI bùn kỵ khí BKM trước sau nhân ni 53 3.7 Bùn giống ban đầu bùn kỵ khí sau nhân nuôi 54 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 Phân bố kích thước bùn kỵ khí BKM giống bùn sau q trình nhân ni Chế phẩm vi sinh BKMA chứa bùn kỵ khí BKM vi bao alginate Biến đổi mật độ vi khuẩn methanogen hạt BKMA theo thời gian Hoạt tính sinh methane riêng bùn theo thời gian Sự biến động COD tốc độ sinh khí theo thời gian mơ hình mẻ lít Sự biến động COD tốc độ sinh khí theo thời gian mơ hình 50 lít Hiệu suất loại COD sinh CH4 theo thời gian mơ hình 50 lít 55 57 58 59 60 62 63 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AF Anaerobic Filter Tầng lọc kỵ khí BOD Biological Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh học BSA Bovin serum albumin Albumin huyết bò COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học DGGE Denaturing Gradient Gel Điện di biến tính Electrophoresis HRT Hydraulic Retention Time Thời gian lưu nước thải MPN Most Probable Number Số có xác suất lớn OLR Organic Loading Rate Tải trọng hữu QCVN Quy chuẩn Việt Nam SMA Specific Methanogenic Activity Hoạt tính sinh methane SRB Sulfate Reducing Bacteria Vi khuẩn khử sulfate SS Suspended Solids Chất rắn lơ lửng SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn lắng TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TSS Total Suspended Solids Tổng chất rắn lơ lửng TDS Total Dissolved Solids Tổng chất rắn hòa tan UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí VFA Volatile Fatty Acids Axit béo bay VSS Volatile Suspended Solid Chất rắn lơ lửng dễ bay MỞ ĐẦU Việt Nam có vùng biển đặc quyền kinh tế 1.000.000 km2 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 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 qn ni tơm thải mơi trường khoảng chất thải rắn hàng chục nghìn m3 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, BỘ QUỐC PHỊNG Địa chỉ: Phịng Vi sinh/ Phân viện Cơng nghệ Sinh học TRUNG TÂM NHIỆT ĐỚI VIỆT – NGA Nguyễn Văn Huyên – Nghĩa Đô – Cầu Giấy – Hà Nội Điện thoại: 043.7911040 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 Công nghệ sinh học Ngày phân tích: 23/02/2016 Ngày kết thúc phân tích: 25/02/2016 Kết phân tích: TT Chỉ tiêu Đơn vị Phương pháp Kết phân tích Coliform MPN/ml Nhiều ống Không phát Fecal-Coliform E coli MPN/ml Nhiều ống Không phát 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 SOÁT 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, loài 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