1.2.2.1. Phương pháp tự nhiên
Phương pháp này là các hoạt động suy giảm tự nhiên thông thường không cần đến sự can thiệp của con người. Đối với các địa điểm bị ô nhiễm ở quá xa không thể tiếp cận được, hơn nữa tốc độ suy giảm tự nhiên lại quá nhanh; hoặc ô nhiễm tại các vị trí nhạy cảm không chịu được những tác động của các phương pháp can thiệp, đây thực sự là một phương pháp mang lại hiệu quả không những về kinh tế mà còn có ý nghĩa sinh thái hơn hẳn khi có những biện pháp can thiệp không cần thiết.
Phương pháp tự nhiên bao gồm:
• Bay hơi: là quá trình làm sạch tự nhiên trong giai đoạn đầu của ô nhiễm dầu, giúp loại bỏ thành phần dầu có khối lượng thấp.
• Quang oxy hóa: diễn ra khi oxy dưới năng lượng ánh sáng mặt trời phản ứng với các thành phần dầu. Quang oxy hóa giúp phân hủy các hợp chất phức tạp thành các hợp chất đơn giản hơn theo xu hướng giảm khối lượng phân tử và dễ tan hơn trong nước.
• Phân hủy sinh học: có rất nhiều loại VSV có khả năng oxy hóa hydrocarbon dầu tồn trong tự nhiên. Phân hủy sinh học tự nhiên được coi là một cơ chế quan trọng đối với việc loại bỏ các thành phần dầu không thể bay hơi khỏi môi trường. Tuy nhiên, quá trình này diễn ra rất chậm, có thể kéo dài từ vài tháng đến vài năm để phân hủy một phần đáng kể lượng dầu có trong môi trường [52]
Trong thực tế, để xử lý một cách triệt để ô nhiễm dầu thì cần thiết phải có sự kết hợp các phương pháp một cách khoa học chứ không sử dụng đơn lẻ một biện pháp. Tuy nhiên, khi có sự cố ô nhiễm dầu xảy ra, điều cấp bách là thu hồi lại dầu một cách nhanh nhất. Để thực hiện được mục tiêu này, trong giai đoạn ban đầu người ta sẽ sử dụng các phương pháp vật lý và hóa học để xử lý [52].
1.2.2.2. Phương pháp vật lý
Các phương pháp vật lý thường được sử dụng bao gồm:
• Lập hàng rào nổi và hớt váng: sử dụng hàng rào nổi để giới hạn và kiểm soát sự di chuyển của dầu loang, sử dụng dụng cụ hớt để thu hồi chúng.
• Lau bằng vật liệu hấp thụ: sử dụng các vật liệu kỵ nước để lau dầu từ bề mặt nhiễm bẩn.
• Loại bỏ cơ khí: thu thập và loại bỏ trầm tích nhiễm dầu bằng các dụng cụ cơ khí.
• Tẩy rửa dầu bám dính dọc bờ biển
• Định vị lại trầm tích và làm đất: chuyển trầm tích ô nhiễm dầu từ một nơi này sang nơi khác của bờ biển hoặc làm đất và phối trộn các trầm tích nhiễm bẩn để tăng cường quá trình làm sạch thông qua việc phân tán dầu vào trong khối nước và thúc đẩy sự tương tác giữa dầu và các hạt khoáng. Làm đất cũng có thể gây nên sự thâm nhập sâu của dầu vào trầm tích.
• Đốt cháy in-situ: dầu trên bờ biển thường được đốt cháy khi nó lẫn với các cơ chất cháy được như thực vật, gỗ, hay các tàn tích khác [52].
20
1.3.2.3. Phương pháp hóa học
Các phương pháp hóa học, đặc biệt là việc sử dụng các chất phân tán, được sử dụng thường xuyên ở nhiều quốc gia như một lựa chọn hàng đầu cho xử lý ô nhiễm dầu. Các nhân tố hóa học chính hiện có bao gồm:
• Chất phân tán: là các nhân tố phân tán, bao gồm chất hoạt động bề mặt, được sử dụng để loại bỏ dầu loang từ bề mặt nước để phân tán chúng vào khối nước trước khi dầu lan ra và nhiễm bẩn tới bờ biển. Phương pháp này được thực hiện để giảm bớt tác động gây độc bằng cách pha loãng tới nồng độ cho phép và đẩy mạnh tốc độ phân hủy sinh học bằng cách tăng bề mặt tiếp xúc giữa VSV với các giọt dầu, tăng hiệu quả phân hủy dâu của VSV.
• Chất nhũ hóa: được sử dụng để phá vỡ nhũ tương dầu pha nước và để tăng cường sự phân tán tự nhiên.
• Chất làm đông: là các loại chất hóa học tăng cường sự polymer hóa của dầu, được sử dụng để cố định dầu, ngăn cản sự lan tràn và tăng cường hiệu quả của các phương pháp thu hồi vật lý.
• Các chất hóa học màng phim: các nhân tố hình thành màng phim cũng được sử dụng để ngăn chặn dầu bám dính vào cơ chất ven biển và tăng cường quá trình loại bỏ dầu bám dính vào bề mặt các thiết bị tẩy rửa [52].
Rõ ràng, các phương pháp vật lý và hóa học mang lại hiệu quả nhanh chóng, rõ rệt và ngay lập tức phát huy tác dụng làm sạch dầu. Tuy nhiên, chúng thường tốn kém, có thể tạo ra ô nhiễm thứ cấp. Ngược lại, các phương pháp tự nhiên đặc biệt là phân hủy sinh học được coi là công nghệ xanh, đem lại hiệu quả cao và thân thiện với môi trường. Hạn chế duy nhất của phương pháp này là thời gian diễn ra chậm. Chính vì vậy, việc kết hợp khoa học các phương pháp cũng như việc tăng tốc độ phân hủy sinh học đang được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây [52, 53, 54, 55].
1.2.2.3. Phương pháp sinh học
Về bản chất, xử lý ô nhiễm dầu mỏ bằng phương pháp sinh học thực chất là tác động của nguyên liệu bổ sung tới môi trường ô nhiễm làm tăng tốc độ của phân hủy tự nhiên dựa trên cơ sở có nhiều loại dầu được loại bỏ hoặc phân hủy theo con đường tự nhiên. Thành công của phương pháp này phụ thuộc nhiều vào khả năng
thiết lập và duy trì các điều kiện sinh thái giúp tăng cường tốc độ phân hủy sinh học dầu mỏ tại những nơi bị ô nhiễm [52, 56, 57]. Có hai phương pháp sinh học phổ biến:
(i) Thúc đẩy sinh học (Bioaugmentation): Đây là phương pháp bổ các loại VSV có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ vào quần thể VSV đã tồn tại từ trước tại khu vực bị ô nhiễm [52, 58]. Phương pháp này có ưu điểm là sàng lọc được những chủng có hoạt tính cao để xử lý triệt để các chất gây ô nhiễm. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn có những hạn chế như sự cạnh tranh của vi sinh vật, độ độc của môi trường, sự thiếu hụt nguồn dinh dưỡng, các chất đa lượng và vi lượng cần thiết cho hoạt động phân hủy của vi sinh vật [59, 60, 61].
(ii) Kích thích sinh học (Biostimulation): là quá trình kích thích sự sinh trưởng của các sinh vật sử dụng hydrocarbon nội tại và tăng tốc độ phân hủy sinh học bằng cách điều chỉnh cân bằng dinh dưỡng (nitơ và phospho) hoặc các đồng cơ chất giới hạn sinh trưởng khác, hoặc bằng cách thay đổi các điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH) [52, 58, 62].
Phân lập và lựa chọn các vi sinh vật phân hủy hydrocarbon là những bước quan trọng trong phương pháp xử lý sinh học [57]. Trong số hơn 200 loài vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, một số loại tảo có khả năng sử dụng hydrocarbon đã được xác định, mỗi loài trong đó có ái lực riêng với một chất hoặc nhóm các hợp chất đặc hiệu có trong dầu. Điều này giải thích tại sao phương pháp hiệu quả nhất khi lựa chọn vi khuẩn để xử lý là sử dụng tổ hợp các sinh vật có khả năng phân hủy dầu, phù hợp nhất với điều kiện môi trường cũng như quá trình ô nhiễm dầu tại một vị trí cụ thể nào đó [52]. Ngoài ra, các tác động qua lại giữa VSV sử dụng hydrocarbon trong thúc đẩy sinh học trong quần thể dưới các điều kiện môi trường khác nhau xác định hiệu quả của phương pháp xử lý.
Công nghệ xử lý sinh học dựa trên khả năng của VSV sử dụng các chất độc hại (như hydrocarbon thơm đa vòng, thuốc trừ sâu, hydrocarbon dầu mỏ…) làm nguồn carbon và năng lượng. Có những VSV hoặc tập đoàn VSV có thể phân hủy chất ô nhiễm thành CO2 và H2O [63, 64, 65]. Ứng dụng VSV tạo màng sinh học được xem là một trong những hướng mới để xử lý các thành phần hydrocarbon có trong dầu mỏ.
22
1.2.3. Ứng dụng vi khuẩn tía quang hợp để phân hủy hydrocarbon dầu mỏ
Phân hủy kỵ khí hydrocarbon đóng một vai trò quan trọng trong tự nhiên, khi oxy cạn kiện và hydrocarbon bị oxy hóa bởi các chất nhận điện tử khác [66].
Các hợp chất thơm là nhóm khó phân hủy trong tự nhiên bởi sự liên kết bền vững của vòng benzen. Một số PNSB có khả năng sử dụng các hợp chất thơm có nguồn gốc từ thực vật bao gồm nhiều loại monome lignin và một số hợp chất nhân tạo như chlorobenzoates và toluene để làm nguồn carbon [66].
Rps. palustris có khả năng sử dụng benzoate là nguồn carbon duy nhất cho
quá trình quang hợp kỵ khí. Khả năng chuyển hóa benzoate ở Rps. palustris; Rps.
fulvum; Rcy. purpureus là đặc tính đặc trưng để phân biệt chúng với các loài khác
trong cùng một chi [2, 25, 67, 68].
Khả năng quang chuyển hóa hợp chất thơm cũng được phát hiện ở một số loài khác như: Rps. acidophila có khả năng sử dụng acid vanilic, vanilin, rượu vanillyl, acid ferulic, acid veratric, acid syringic, syringaldehyde và rượu benzyl làm nguồn carbon [69]; Rhodomicrobium (Rmi.) vannieli phát triển tốt trên nguồn benzoate và rượu benzyl [70]; Blastochloris (Blc.) sulfoviridis sử dụng toluene làm nguồn carbon [71]; Rubrivivax (Rvi.) benzoatilyticus sử dụng benzoate, 2- aminobenzoate (anthranilate), 4-aminobenzoate, 4-hydroxybenzoate, phthalate, phenylalanine, trans-cinnamate, benzamide, salicylate, cyclohexanone, cyclohexanol và cyclohexane-2-carboxylate làm nguồn cacbon và / hoặc chất cho điện tử [72].
Một số nghiên cứu khảo sát sự sinh trưởng của Rps. palustris trên nhiều hợp chất thơm khác nhau cho thấy tuỳ từng chủng Rps. palustris ngoài benzoate còn sử dụng một số hợp chất thơm khác như 4-hydroxybenzoate, 4-hydroxycinnamate, cinnamate, chorobenzoates, phenylaxetat, phenol, các hợp chất metoxyl hóa, như cũng như aldehyde và rượu thơm là nguồn carbon và nitơ cho sinh trưởng [73, 74, 75, 76];
Khả năng phân hủy những dẫn xuất của lignin chứa các nhóm thế 3- methoxyl- hoặc 3-hydroxyl- là tính đặc trưng riêng của R. palustris. - Phenylalkane carboxylate mang chuỗi bên có chiều dài từ 3 đến 8 C hoặc các lignin dạng monomer không chứa nhóm thế hoặc chứa nhóm hydroxyl- ở vị trí C4 như
trans-cinnamate và 4-hydroxycinnamate (4-coumarate) là cơ chất thích hợp nhất cho sinh trưởng của Rps. palustris khi chúng được sử dụng là nguồn carbon duy nhất [73, 74]. Mặc dù các hợp chất chlorobenzoate thường là những chất độc đối với VSV nhưng một số chủng thuộc loài Rps. palustris có khả năng sử dụng các hợp chất này là nguồn carbon [75, 77, 78].
Ở Việt Nam, tác giả Đinh Thị Thu Hằng và cộng sự năm 2007 đã có những nghiên cứu về sự phân hủy sinh học hợp chất hydrocacbon mạch vòng ở một số vi khuẩn quang hợp tía. Nghiên cứu đã phát hiện được 2 chủng vi khuẩn quang hợp tía có khả năng phân hủy mạnh 3-chlorobenzoate với đồng cơ chất là benzoate hoặc 4- hydroxybenzoate, trong đó 3-chlorobenzoate được sử dụng là nguồn carbon duy nhất. Gen badA mã hóa cho enzyme benzoate-CoA ligase trong con đường phân hủy benzoate ở chủng VKTQH MI1 tương đồng 93,3% so với gen tương ứng của
loài R. palustris chủng DCP3 đã được công bố trên Ngân hàng Gen Quốc tế [79]. Gần đây, Sampaio và cộng sự (2017) phân lập được một số chủng thuộc chi
Rhodovolum và chi Rhodomicrobium có khả năng phân hủy kỵ khí hydrocarbon dầu
mỏ ở quần đảo King George [80]. Venkidusamy và Megharaj (2021) phân lập được chủng Rps. palustris RP2 phân huỷ các thành phần n-alkane trong hydrocarbon dầu mỏ [81].
Như vậy, những nghiên cứu của nhiều tác giả về khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ ở VKTQH cho thấy chúng có vai trò quan trọng trong quá trình sử dụng và khoáng hoá các hợp chất khó phân huỷ trong tự nhiên. VKTQH là nhóm vi khuẩn có tính linh hoạt đặc biệt trong các phương thức dinh dưỡng và có khả năng tổng hợp năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Đặc biệt, nhờ vào khả năng sử dụng nhiều hợp chất hydrocarbon trong dầu mỏ bởi VKTQH mà chúng ta thấy được vai trò của nhóm VK này trong quá trình phân huỷ hydrocarbon dầu mỏ nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, cho đến nay chưa có nhiều công bố về khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon dầu mỏ cả trong điều kiện xử lý tại chỗ (in-situ) và bên ngoài (ex-situ). Vì vậy, những nghiên cứu về khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ của VKTQH vừa góp phần làm rõ hơn khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ vừa góp phần tăng tiềm năng ứng dụng của chúng trong công nghệ sinh học môi trường.
1.3. Vi sinh vật có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ và màng sinh học
24
Trong điều kiện hiếu khí, nhiều vi khuẩn phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ chiếm ưu thế là các loài hóa dưỡng hữu cơ. Vi khuẩn phân hủy trong điều kiện hiếu khí cần oxy tham gia vào giai đoạn hoạt hóa cơ chất và là chất nhận điện tử cuối cùng của chuỗi hô hấp [82].
Các hợp chất được phân hủy trong điều kiện hiếu khí bao gồm: hydrocarbon thơm, hydrocarbon no. Các chi vi khuẩn hiếu khí có khả năng phân hủy các hợp chất này được trình bày ở Bảng 1.3 và 1.4.
Bảng 1.3. Các chi vi khuẩn có phân huỷ hiếu khí hydrocarbon thơm [57, 83, 84, 85, 86, 87] Achromobacter Acidovorax Acinetobacter Actinomyces Aerobacter Aeromonas Agmenellum Agrobacterium Alcaligenes Alteromonas Anabaena Aphanocapsa Arthrobacter Aureobacterium Azosporillum
Bảng 1.4. Các chi vi sinh vật có khả năng phân huỷ hiếu khí hydrocarbon no [27, 57, 86, 87] Achromobacter Acinetobacter Alcanivorax Alcaligenes Aeromicrobium Arthrobacter Bacillus Brevibacterium download by : skknchat@gmail.com
Trong điều kiện kỵ khí, các chất nhận điện tử trong quá trình phân huỷ hydrocarbon thơm là các hợp chất vô cơ ở dạng oxy hóa như nitrate, ion kim loại, sulfate và CO2 thay cho oxy [26, 88, 89, 90, 91]. Do đó, có sáu kiểu chuyển hoá hợp chất thơm trong quá trình phân hủy kỵ khí: khử nitrate, khử sắt, khử sulfate, quang chuyển hóa, lên men và sinh metan (Bảng 1.5).
Bảng 1.5. Các nhóm vi khuẩn có khả năng phân huỷ kỵ khí hydrocarbon
Nhóm vi khuẩn 1. Khử nitrate - Thauera aromatica - Thauera sp. - Azoacus tolulyticus - Alcaligens xylosoidans - Dechloromonas aromatica - Pseudomonas sp. 2. Khử ion sắt - Geobacter metallireducens 3. Khử sulfate - Desulfobacterium sp. - Desulfobacterium anilini - Desulfobacula toluolica - Desulfotomaculum sp. - Desulfatibacillum aliphaticivorans 4. Lên men - Eubacterium oxidoreducens - Clostridium sp. - Pelobacter acidigallici
Nhóm vi khuẩn 5. Sinh metan - Syntrophus buswellii - Methanospirillum hungatei - Methanospirillum sp. - Methanothrix sp. 6. Quang hợp - Rhodopseudomonas palustris - Rhodobacter capsulatus - Rhodobacter sphaeroides - Rubrivivax gelatinosus -Rhodospirilum rubrum - Blastocholoris sulfoviridis
Vì một số hợp chất chỉ có thể được chuyển hóa bởi một số vi khuẩn trong những điều kiện oxy hóa khử nhất định nên việc sử dụng liên tiếp các chất nhận điện tử rất quan trọng đối với quá trình phân hủy trong tự nhiên [26].
Sự ô nhiễm môi trường bởi các hydrocarbon dầu mỏ, bao gồm hydrocarbon no và hydrocarbon thơm tồn tại lâu trong tự nhiên và có xu hướng lan rộng vào nước bề mặt và nước ngầm [105]. Hiệu quả phân hủy PAH của vi khuẩn phụ thuộc vào khả năng tồn tại của nó trong môi trường khắc nghiệt [106]. Điều đáng chú ý, khu hệ VSV trong màng sinh học có khả năng chống chịu các điều kiện khắc nghiệt của môi trường tốt hơn, hỗ trợ trao đổi chất tốt hơn và hạn chế sự cạnh tranh của các VSV khác [107] qua đó cho thấy tiềm năng chống chọi với môi trường khắc nghiệt và có thể tăng cường khả năng phân hủy các chất ô nhiễm [108]. Kokoky và cộng sự (2017) đã phân lập được một số chủng VK từ đất ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ, trong đó có chủng Acinetobacter sp. PDB4 đã được lựa chọn để đánh giá khả năng tạo màng sinh học, phân hủy PAH và thúc đẩy sự phát triển của cây trồng
lập từ khu vực khai thác than có thể sử dụng fluorene, phenanthrene và pyrene làm nguồn carbon duy nhất của nó [109]. Nghiên cứu của Zhang và cộng sự (2015) cho thấy màng sinh học hình thành bởi chủng Micrococcus sp. PHE9 và Mycobacterium
sp. NJS-P có khả năng phân hủy phenanthrene và pyrene, tốc độ phân hủy trong