Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu môi trường là nơi chia sẻ tài liệu, giáo trình về lĩnh vực xử lý môi trường, xử lý nước thải Tài Liệu Môi Trường Thư Viện Chia Sẻ Tài Liệu Môi Trường Miễn Phí Hồ sơ môi trường là tập hợp các tài liệu về môi trường, tổ chức và hoạt động bảo vệ môi trường của cơ quan, tổ chức, cơ sở sản xuất, kinh doanh và dịch vụ theo quy định
Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển MỤC LỤC Phương pháp nghiên cứu khoa học Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển GIỚI THIỆU Từ xa xưa vụ tràn dầu biển mối đe dọa đến mơi trường biển nói chung hệ sinh thái ven biển nói riêng, mối quan tâm toàn nhân loại ngành dầu khí Ứng dụng cơng nghệ sinh học xử lý dầu tràn hướng cho ngành dầu khí nhằm giải khuyết điểm mà phương pháp khác cịn thiếu sót ngày người hướng đến phát triển bền vững sản xuất Những ứng dụng vi sinh vật mục tiêu nghiên cứu nhà khoa học nhằm tạo hướng cho xử lý cố dầu tràn biển tạo cho bờ biển đẹp Trên sở khẳng định tiếp cận hệ thống phương pháp luận quan trọng sử dụng việc nhận thức thiên nhiên xã hội Chuyên đề trình bày vận dụng số tác vụ tiếp cận hệ thống để nghiên cứu xây dựng đề tài “Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển” TIẾP CẬN HỆ THỐNG CÁC ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHỆ Phương pháp luận tiếp cận hệ thống xây dựng nguyên tắc bản: đối tượng nghiên cứu hệ thống, có hệ thống thừa nhận khái niệm khởi thủy không định nghĩa Tuy nhiên, cách đơn giản khái quát chặt chẽ hiểu hệ thống mệnh đề sau đây: Hệ thống S nằm môi trường E tập hợp phần tử s i tương tác với tạo thành cấu trúc nội S tương tác với E tạo thành quan hệ với mơi trường bên ngồi Tiếp cận hệ thống đặc trưng triển khai trình nghiên cứu thao tác đối tượng theo lược đồ logic liên kết chặt chẽ khối công việc : a) phát vấn đề cần giải ; b) xác định mục tiêu cần đạt ; c) nhận dạng rào cản ; d) xác định tác vụ tiếp cận hệ thống cần thực ; e) thực tác vụ xác định ; g) thẩm định kết thực ; h) hiệu chỉnh nội dung khối công việc kết thực không đạt yêu cầu Với lược đồ logic kết luận cuối ln mang tính khách quan : khẳng định tiếp cận hệ thống thành công cho phép giải hiệu vấn đề đặt ra, khẳng định vấn đề đặt không giải địi hỏi phải có nhìn nhận lại cách sâu sắc hơn, chuẩn xác Trong khối cơng việc d), e) có ba nhóm tác vụ mang tính chiến lược bao gồm: phân tích hệ thống, tổng hợp hệ thống điều khiển hệ thống Các tác vụ luôn gắn kết với phương tiện biểu đạt hệ thống mơ hình ngữ văn, mơ hình đồ họa, mơ hình vật thể, mơ hình tốn, mơ hình số hóa khơng tách khỏi mục tiêu thường trực tiếp cận hệ thống: tối ưu hóa Phương pháp nghiên cứu khoa học Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ THỐNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC XỬ LÝ DẦU TRÀN BIỂN 3.1 Phân hoạch tích hợp hệ thống Dầu mỏ loại nhiên liệu đặc biệt, thành phần chúng có loại hợp chất sau: • Hydratcacbon mạch thẳng: 30 – 35% • Hydratcacbon mạch vòng: 25 – 75% • Hydratcacbon thơm: 10 – 20% • Các hợp chất chứa oxy axit, ceton, loại rượu • Các hợp chất chứa nitơ furol, indol, carbazol • Các hợp chất chứa lưu huỳnh hắc ín, nhựa đường, bitum Các thành phần hóa học có dầu mỏ thường khó phân hủy Do đó, việc ứng dụng q trình sinh học để xử lý nhiễm dầu mỏ có đặc điểm đặc biệt Đối tượng công nghệ nghiên cứu việc sử dụng vi sinh vật (nấm hay vi khuẩn) để thúc đẩy suy thoái hydrocacbon dầu mỏ Đó q trình tự nhiên vi khuẩn phân hủy dầu thành chất khác Các sản phẩm tạo carbon dioxide, nước, hợp chất đơn giản mà khơng ảnh hưởng đến mơi trường Để kích thích q trình phân hủy VSV người ta thường bổ sung vào môi trường số loại VSV phù hợp cung cấp dinh dưỡng ( nito, photpho…) cho VSV địa phát triển Dựa nguyên tắc tất hệ thống đề phân hoạch thành nhiều phần nhỏ, phần nhỏ sau phân hoạch hệ thống, Vi khuẩn tham gia phân hủy dầu mỏ theo đường khác nhau, phân hoạch theo ba nhóm dựa chế chuyển hóa dầu chúng sau: • Nhóm 1: Bao gồm VSV phân giải chất mạch hở rượu, mạch thẳng, aldehyt ceton, axit hữu • Nhóm 2: Bao gồm VSV phân hủy chất hữu có vịng thơm benzen, phenol, toluen, xilen • Nhóm 3: bao gồm VSV phân hủy hydratcacbon dãy polimetil, hydratcacbon no Một số vi khuẩn sản xuất loại enzyme phân hủy phân tử hydrocarbon Tích hợp nhóm vi sinh vật lại thúc đẩy suy thoái hợp chất có dầu mỏ 3.2 Q trình suy vi sinh vật làm suy thối Hydrocacbon dầu mỏ Trên tồn giới có 70 chi vi khuẩn biết làm suy thoái hydrocarbon Những vi khuẩn thường chiếm 1% quần thể tự nhiên vi khuẩn, chiếm 10% tổng số dân hệ sinh thái dầu Nhìn chung gốc no có tỷ lệ phân Phương pháp nghiên cứu khoa học Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển giải sinh học cao theo sau gốc thơm nhẹ, thơm, gốc thơm cao phân tử; hợp chất phân cực lại có tỷ lệ phân giải thấp Các loại alkan ( loại hydratcacbon mạch thẳng) thường bị phân hủy cacbon đầu Q trình oxy hóa bắt đầu việc sử dụng oxy phân tử tạo rượu bậc Kế tiếp tạo aldehit axit carboxilic có số carbon giống chuỗi carbon ban đầu Sự phân giải tiếp tục, từ axid carboxilic tạo thành monocarboxilic axit có số carbon số carbon ban đầu 2C phân tử CH3 – ScoA, sau chuyển thành CO2 Các hợp chất phân nhánh cao bị oxy hóa thành rượu bậc Q trình oxy hóa n-ankan: α- ω-hydroxylation xúc tác enzym Với vi khuẩn, bước 1, xúc tác ankan monooxygenase, rượu dehydrogenase aldehyde dehydrogenase béo Với men, bước xúc tác P450 monooxygenase, bước xúc tác oxidase rượu béo aldehyde dehydrogenase béo, P450 monooxygenase tham gia bước Hình 1: Sự phân hủy ankan Các alkan có mạch từ C10 – C24 thường phân hủy nhanh nhất, riêng chuỗi carbon ngắn lại có tác dụng độc VSV (nhưng chúng thường dễ bốc hơi) Chuỗi carbon dài khó phân hủy, cacbon mạch nhánh làm chậm trình phân hủy Đối với hợp chất thơm, phân hủy xảy chậm so với phân hủy alkan Phương pháp nghiên cứu khoa học Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển Các hợp chất phân hủy chúng đơn giản có trọng lượng phân tử thấp Tuy nhiên, chúng phức tạp nên khơng phải dễ dàng để phân hủy chúng kéo dài môi trường Hyrocarbon thơm với một, hai ba vịng thơm phân hủy có hiệu quả, nhiên, hyrocarbon thơm có bốn hay nhiều vịng thơm có khả kháng phân hủy VSV Quá trình phân hủy bắt đầu việc mở vịng thơm, q trình kết thúc với acetyl CoA axit Pyruvic Dưới điều kiện hiếu khí cho vòng benzen, O2 chèn vào để tạo thành nhóm chức vịng cuối để hình thành catechol Vi khuẩn tiếp tục chuyển đổi catechol thành gốc béo sử dụng vòng thơm tách dioxygenases Catechol cuối tách dạng hợp chất béo với nhóm carboxyl sử dụng tế bào chu trình axít tricarboxylic (TCA chu trình Krebs) loạt phản ứng quan trọng cho q trình hơ hấp tế bào Hình 2: Sự phân hủy benzen oxy phân tử Có vơ số đường cho phân hủy catabolic hợp chất thơm Ví dụ, toluen phân hủy vi khuẩn khác với năm đường: Trên đường mã hóa plasmid TOL, toluen liền xuống cấp đến rượu benzyl, benzaldehyde benzoat, tiếp tục chuyển đến trung gian chu trình TCA Bước toluen suy thối với P putida F1 phần chèn hai nhóm hydroxyl vào toluen, tạo thành cis-toluen dihydrodiol Đây trung gian sau chuyển sang methylcatechol Với KR1 mendocina Pseudomonas, toluen chuyển đổi toluen 4monooxygenase tạo p-cresol, hình thành p-hydroxybenzoate thơng qua q trình oxy hóa chuỗi phụ methyl Phương pháp nghiên cứu khoa học Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển Với pickettii Pseudomonas PKO1, toluene bị ơxi hóa toluen 3- monooxygease tạo m-cresol, sau tiếp tục bị ơxi hóa thành 3-methylcatechol monooxygenase khác Với G4 cepacia Bukholderia, toluen chuyển hoá thành o-cresol toluen -monooxygenase, trung gian chuyển monooxygenase khác tạo 3methylcatechol Hình 3: Sự phân hủy Toluene với đường P putida (TOL), P putida F1, P mendocina KR1, P pickettii PKO1, G4 cepacia B Phương pháp nghiên cứu khoa học Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển Hình 4: Sự phân hủy Phenanthrene Asphaltenes nhựa đường: Rất khó để phân hủy chúng phức tạp, hợp chất khơng chậm phân hủy Các thành phần dầu khí bị mắc kẹt biển trầm tích có xu hướng tồn điều kiện yếm khí Tuy nhiên, nghiên cứu sinh thái chứng minh hydrocarbon định bị ơxi hóa điều kiện kỵ khí hai điều kiện giảm nitrat, giảm sulfat, metan tạo ra, Fe (III) giảm, với q trình oxy hóa dầu khí Nhiều hydrocacbon, ankan, anken hydrocarbon thơm benzen, toluen, xylenes, ethyl-và propylbenzenes, trimethylbenzenes, naphtalene, phenanthrene acenaphthene, biết đến anaerobically xuống cấp Con đường cho phân hủy ankan anken chưa rõ ràng Vi khuẩn kỵ khí HD-1 mọc CO2 diện H2 tetradecane Nhiều đường cho phân hủy kỵ khí toluen Tất đường biến đổi chất ban đầu vào chung trung gian, benzoyl-coenzym A (CoA) Với chủng VSV Thauera sp T1, q trình oxy hóa toluene khởi xướng hình thành benzylsuccinate từ toluen fumarate Sau hình thành benzyl- CoA, tiếp tục tạo cyclohex -1,5-diene-1-carboxyl-CoA Với R palustris, cyclohex - 1,5-diene-1carboxyl-CoA tạo thành cyclohex-1 - ene-1-carboxyl-CoA, với Thauera Phương pháp nghiên cứu khoa học Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển aromatica, lại ngậm nước đến 6-hydroxycyclohex-1-ene-1-carboxyl- CoA Sản phẩm cuối trình Acetyl – CoA Hình 5: Sự phân hủy kỵ khí Toluene Một số tuyến đường đề xuất cho chuyển đổi toluen để benzoyl- CoA Sau chuyển đổi benzoyl-CoA thành cyclohex-1 ,5-diene-1-carboxyl- CoA, sản phẩm xử lý cách khác với hai loại vi khuẩn khác nhau, R palustris aromatica Thauera Tóm lại phân hủy hydratcacbon xếp theo thứ tự sau: n – alkan > alkan mạch nhánh > hợp chất mạch vịng có trọng lượng phân tử thấp > alkan mạch vòng Các nhà khoa học tìm VSV có khả phân hủy dầu mỏ: • Vi khuẩn: Achromobbacter;Aeromonas; Alcaligenes; Arthrobacter; Bacillus; Beneckea; Brevebacterium; Coryneforms; Erwinia; Flavobacterium; Klebsiella; Lactobacillus; Leucothrix; Moraxella; Nocardia; Peptococcus; Pseudomonas; Sarcina; Spherotilus; Spirillum; Streptomyces; Vibrio; Xanthomyces • Xạ khuẩn: Streptomyces Sp; Actinomyces Sp • Nấm: Allescheria; Aspergillus; Aureobasidium; Botrytis; Candida; Cephaiosporium; Cladosporium; Cunninghamella; Debaromyces; Fusarium; Gonytrichum; Hansenula; Helminthosporium; Mucor; Oidiodendrum; Paecylomyces; Phialophora; Penicillium; Rhodosporidium; Rhodotorula; Saccharomyces; Saccharomycopisis; Scopulariopsis; Sporobolomyces; Torulopsis; Trichoderma; Trichosporon 3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến Vi sinh vật Vi khuẩn phát triển phụ thuộc vào chất dinh dưỡng Các chất dinh dưỡng khối để vi khuẩn sống cho phép vi khuẩn tạo enzym cần thiết để phá vỡ hydrocarbon Mặc dù nhu cầu dinh dưỡng khác vi sinh vật Nhưng tất Phương pháp nghiên cứu khoa học Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển chúng cần nitơ, phốt carbon Sự sống vi sinh vật phụ thuộc vào việc đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng hay khơng Carbon Carbon nguyên tố cấu trúc VSV cần thiết với số lượng lớn yếu tố khác, cacbon: nitơ 10:01 cacbon : phospho 30:1 Trong phân hủy dầu, có nhiều các-bon cho vi sinh vật cấu trúc phân tử dầu Nitơ Nitơ tìm thấy protein, enzym, thành phần tế bào, axit nucleic vi sinh vật Vi sinh vật phải cung cấp nitơ khơng có nó, chuyển hóa vi sinh vật bị thay đổi Hầu hết vi sinh vật cố định địi hỏi hình thức nitơ, chẳng hạn nitơ amin hữu cơ, ion amoni, ion nitrat Những hình thức khác nitơ khan mơi trường định, gây nitơ để trở thành yếu tố hạn chế phát triển quần thể vi khuẩn Phốt Photpho cần thiết màng tế ( bao gồm phospholipids ), ATP nguồn lượng (trong tế bào) liên kết với axit nucleic Việc bổ sung them nito photpho tăng cường khả hoạt động phân giải dầu VSV Cùng với chất dinh dưỡng, vi khuẩn cần số điều kiện để sinh sống Bởi vi khuẩn phát triển hoạt động enzym bị ảnh hưởng yếu tố sau: Oxy Quá trình phân hủy dầu chủ yếu q trình oxy hóa Vi khuẩn tạo enzyme xúc tác trình chèn oxy vào phân tử hydrocarbon để sau tiêu thụ cách chuyển hóa tế bào Bởi điều này, ơxy u cầu quan trọng cho trình phân hủy dầu Các nguồn cung cấp oxy ơxy khơng khí Theo lý thuyết cho thấy gam oxy bị ơxi hóa 3.5g dầu Nước Nước cần thiết vi sinh vật chiếm tỷ lệ lớn tế bào chất tế bào Nước quan trọng hầu hết phản ứng enzym diễn dung dịch Nước cần thiết cho vận tải hầu hết vật liệu vào khỏi tế bào Nồng độ chất ô nhiễm Nồng độ chất ô nhiễm yếu tố quan trọng Nếu nồng độ hydrocarbon xăng dầu q cao làm giảm lượng oxy, nước chất dinh dưỡng có sẵn cho vi khuẩn Nói chung, đa dạng vi sinh vật phân giải hydrocarbon tương quan với mức độ ô nhiễm Một số yếu tố khác Bao gồm áp lực, độ mặn, pH, có tác động quan trọng đến q trình phân hủy dầu VSV Phương pháp nghiên cứu khoa học Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển KẾT LUẬN Công nghệ sinh học khái niệm hoàn toàn xuất vào đầu kỉ XX Tuy nhiên ứng dụng lớn ứng dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực đời sống sinh hoạt sản xuất người như: nông nghiệp, thực phẩm, y tế, môi trường … Trong lĩnh vực môi trường nay, việc ứng dụng công nghệ sinh học coi giải pháp tối ưu Xử lý rác thải, khí thải, nước thải…đặc biệt việc ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển nghiên cứu quan tâm hàng đầu Tràn dầu thảm họa môi trường, gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái, môi trường người, địi hỏi người phải tìm giải pháp để ngăn chặn xử lý kịp thời Ngồi phương pháp học hóa học sử dụng, xử lý dầu tràn công nghệ sinh học ứng dụng rộng rãi mang lại hiệu cao Hiện chế phẩm sinh học xử lý dầu tràn nghiên cứu ứng dụng nhiều Việc áp dụng công nghệ sinh học vấn đề xử lý dầu tràn biển mang lại hiệu rõ rệt Một bãi biển bị hư hại tràn dầu khơi phục hoàn toàn từ 2- năm làm cơng nghệ sinh học, khơng mười năm nhiều để khơi phục Công nghệ sinh học không sử dụng để làm môi trường biển sau tràn dầu mà cịn sử dụng để khơi phục lại môi trường ban đầu Công nghệ sinh học công nghệ với hứa hẹn lớn cho tương lai Nó áp dụng số lĩnh vực tương đối mới, có khả tiết kiệm tiền bạc, thời gian, khơi phục hồn tồn hệ sinh thái, phá hủy chất ô nhiễm, tạo nhiều đột phá tương lai Các sản phẩm công nghệ sinh học sáng tạo cụ thể phù hợp với môi trường bị ô nhiễm Phương pháp nghiên cứu khoa học 10 ... thống: tối ưu hóa Phương pháp nghiên cứu khoa học Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ THỐNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC XỬ LÝ DẦU TRÀN BIỂN 3.1... quan trọng đến trình phân hủy dầu VSV Phương pháp nghiên cứu khoa học Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý dầu tràn biển KẾT LUẬN Công nghệ sinh học khái niệm hoàn toàn xuất vào đầu kỉ XX Tuy nhiên... pháp học hóa học sử dụng, xử lý dầu tràn công nghệ sinh học ứng dụng rộng rãi mang lại hiệu cao Hiện chế phẩm sinh học xử lý dầu tràn nghiên cứu ứng dụng nhiều Việc áp dụng công nghệ sinh học