Bốn loại vật liệu mang có những đặc tính phù hợp cho sự hình thành biofilm vi sinh vật, đây cũng là những loại vật liệu có giá thành rẻ và phổ biến tại Việt Nam. Hỗn hợp đa chủng vi sinh vật được thử nghiệm khả năng tạo biofilm trên các loại vật liệu mang lựa chọn nhằm tìm ra loại vật liệu mang phù hợp nhất để ứng dụng trong xử lý nước thải nhiễm dầu. Thí nghiệm đối chứng được triển khai trong mô hình không bổ sung vi sinh vật.
Các chủng vi sinh vật được tiến hành nuôi tĩnh trên mô hình 50 lít có gắn các module vật liệu mang. Sau 18, 24 và 36h nuôi cấy, bằng mắt thường có thể thấy môi trường vi sinh vật trong mô hình độ đục tăng dần do sự phát triển của hỗn hợp chủng vi sinh vật. Trên bề mặt vật liệu mang xuất hiện một lớp màng màu trắng chính là biofilm vi sinh vật được hình thành. Sau 18, 24 và 36h, mẫu vật liệu mang được thu thập và tiến hành xác định số lượng tế bào vi sinh vật bằng phương pháp MPN, kết quả được trình bày ở Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Khả năng tạo biofilm của vi sinh vật trên vật liệu mang
Vật liệu mang
CFU/cm3
18h 24h 36h
Biofilm ĐC Biofilm ĐC Biofilm ĐC
Sỏi nhẹ 6+2,6*107 0 4,35+4,08*1010 0 2,1+0,69*1012 6,6+3,16*102 Cellulose 3,45+0,94*107 0 2,25+0,78*108 0 4,25+0,9*109 4,5+1,56*102 Xơ dừa 9+4,5*108 0 2,55+0,52*1010 0 3,9+0,69*1012 4,5+1,56*102
Mút xốp 5,25+3,44*105 0 1,05+0,52*107 0 1,65+0,52*1010 5,7+3,64*102 Số lượng tế bào hỗn hợp chủng vi sinh vật trên các loại vật liệu mang đều đạt trên 109 CFU/cm3 sau 36h nuôi cấy ở nhiệt độ phòng, trong đó số lượng vi sinh vật trên vật liệu mang xơ dừa tại tất cả các thời điểm kiểm tra đều cho kết quả cao nhất so với các loại vật liệu mang khác ở mức 9*108 sau 18h, 2,55*1010 sau 24h và 3,9*1012 sau 36h nuôi cấy. Khả năng tạo biofilm của hỗn hợp chủng vi sinh vật trên các vật liệu mang sỏi nhẹ và mút xốp ở mức 2,1*1012 (sỏi nhẹ) và 1,65*1010 (mút xốp) sau 36h. Vật liệu mang cellulose có số lượng vi sinh vật được ghi nhận thấp nhất ở tất cả các thời điểm kiểm tra, đạt mức 4,25*109 sau 36h. Ở thí nghiệm đối chứng, sau 36h có sự xuất hiện của các vi khuẩn xâm nhập từ điều kiện phòng với số lượng không đáng kể trong các vật liệu mang.
(a) (b)
Hình 3.3. Mô hình tạo màng sinh học trên vật liệu mang (a) Hình ảnh biofilm bám
trên vật liệu mang xơ dừa (b)
Bốn loại vật liệu mang trước và sau khi tạo biofilm được quan sát và so sánh cấu trúc trên kính hiển vi điện tử quét S-4800, kết quả được trình bày ở Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Cấu trúc của vật liệu mang ở thí nghiệm đối chứng và thí nghiệm tạo
biofilm trên kính hiển vi điện tử quét
Tên mẫu
Cấu trúc vật liệu mang ở thí nghiệm đối chứng (không bổ sung vi sinh vật)
Cấu trúc vật liệu mang ở thí nghiệm tạo biofilm (bổ
sung vi sinh vật) Đặc điểm Mút xốp - Mút xốp có cấu trúc ô kín tròn với độ rỗng cao.
- Cấu trúc của biofilm trên vật liệu: các tế bào vi khuẩn và nấm men khu trú ở từng vị trí khác nhau, có sự liên kết chặt chẽ và bám chắc trên bề mặt. Kích thước tế bào vi khuẩn (0,5-1)*(1,2-2) µm; các tế bào nấm men hình tròn, to, đường kính khoảng 2-2,5 µm.
Tên mẫu
Cấu trúc vật liệu mang ở thí nghiệm đối chứng (không bổ sung vi sinh vật)
Cấu trúc vật liệu mang ở thí nghiệm tạo biofilm (bổ
sung vi sinh vật) Đặc điểm Sỏi nhẹ - Sỏi nhẹ có cấu trúc vô định hình, có độ rỗng cao.
- Cấu trúc của biofilm trên vật liệu: các tế bào vi khuẩn và nấm men khu trú cùng với nhau, liên kết chặt chẽ. Các tế bào được bao phủ bởi lớp EPS xung quanh. Kích thước tế bào vi khuẩn (0,5- 1)*(1,2-2) µm; các tế bào nấm men hình tròn, to, đường kính 2- 2,5 µm. Xơ dừa
- Xơ dừa có cấu trúc vô định hình, có độ rỗng cao
- Cấu trúc của biofilm trên vật liệu: các tế bào vi khuẩn và nấm men khu trú cùng với nhau tại các phần rỗng của vật liệu mang và liên kết chặt chẽ với nhau. Các tế bào được bao phủ bởi lớp EPS xung
Tên mẫu
Cấu trúc vật liệu mang ở thí nghiệm đối chứng (không bổ sung vi sinh vật)
Cấu trúc vật liệu mang ở thí nghiệm tạo biofilm (bổ
sung vi sinh vật) Đặc điểm quanh. Kích thước tế bào vi khuẩn (0,5- 1)*(1,2-2) µm; các tế bào nấm men hình tròn, to, đường kính 2- 2,5 µm Cellulose - Cellulose có cấu trúc dạng sợi, có độ rỗng thấp.
- Cấu trúc của biofilm trên vật liệu: các tế bào vi khuẩn và nấm men khu trú cùng với nhau, liên kết chặt chẽ và bám chắc trên bề mặt. Kích thước tế bào vi khuẩn (0,5-1)*(1,2-2) µm; các tế bào nấm men hình tròn, to, đường kính khoảng 2- 2,5 µm.
Xơ dừa là một loại vật liệu tự nhiên, cấu trúc vô định hình, có độ rỗng cao thuận lợi cho sự hình thành biofilm của các chủng vi sinh vật, đó cũng là lý do xơ dừa được sử dụng phổ biến làm vật liệu mang trong công nghệ biofilm xử lý nước thải trên thế giới [104, 105].
Theo Knezev [106], số lượng tế bào vi sinh vật trong biofilm hình thành trên mút xốp tương đương so với số lượng tế bào hình thành trên vật liệu mang dạng hạt từ carbon hoạt tính được ghi nhận là 1-4*1010 CFU/cm3, và cao hơn so với vật liệu
là cát. Trong khi đó các loại vật liệu mang là xơ dừa, sỏi nhẹ và cellulose có mật độ vi sinh vật cao hơn nhiều so với mật độ vi sinh của biofilm hình thành trên vật liệu mangcarbon hoạt tính dạng hạt và cát. Đồng thời mật độ vi sinh vật của biofilm trên vật liệu mang trong nghiên cứu này cũng cao hơn hẳn so với mật độ vi sinh trên các loại bùn hoạt tính đang sử dụng trong xử lý nước thải thường chỉ đạt từ 105 đến 108
CFU/cm3 [107, 108, 109].
Trong phương pháp xử lý sinh học, ngoài các yếu tố khả năng phân hủy các chất ô nhiễm của vi sinh vật, các điều kiện vật lý như nhiệt độ, ánh sáng, điều kiện đảo trộn… thì mật độ vi sinh vật trong canh trường xử lý đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý của phương pháp. Khi ở trong cùng một điều kiện giống nhau, mật độ cao vi sinh vật sẽ là yếu tố thuận lợi để đẩy nhanh hiệu quả và thời gian xử lý.