Hình 1.7: Tình hình ứng dụng Biobed trên thế giới không kể các nước châu Âu
đến năm 2016
(Nguồn: Jens Husby, 2016)
Việc đưa hệ thống Biobed vào áp dụng tại từng nước liên quan điều kiện khí hậu, điều kiện canh tác đặc trưng, các yêu cầu cụ thể (chi phí) và đặc biệt là sự sẵn có về nguồn nguyên liệu cho Biomix. Kết quả là, hệ thống Biobed đã được sửa đổi ít nhiều so với thiết kế ban đầu và đôi khi được đổi tên, ví dụ như: sinh khối ở Ý, bộ lọc sinh học ở Bỉ, hay Phytobac và Biobac ở Pháp. Vì vậy, các nghiên cứu ứng dụng hệ Biobed nhằm đáp ứng điều kiện cụ thể của mỗi nước được tập trung theo các hướng chính sau: (i) thay đổi thiết kế, (ii) thay đổi thành phần Biomix, và (iii) tối ưu hóa một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy HCBVTV của hệ thống Biobed.
a) Thay đổi thiết kế so với hệ thống Biobed đầu tiên
Ở Anh, một vài nghiên cứu được tiến hành bởi Castillo và cs. (2008) để hệ thống Biobed thích nghi với điều kiện canh tác nơng nghiệp và khí hậu ở Anh. Việc thích nghi của đệm sinh học đưa đến hai thay đổi chính sau: (i) cách ly hệ thống Biobed ra khỏi đất bằng việc sử dụng một tấm lót tổng hợp chống thấm (hệ thống Biobed có lót) và (ii) thay đổi độ sâu của hệ thống Biobed từ 0,6 m ở thiết kế của Thụy Điển lên 1 - 1,5 m. Kết quả cho thấy trong vịng 12 tháng, có đến hơn 99,9% lượng HCBVTV đưa vào trong Biobed được hấp phụ và phân hủy [9]. Bên cạnh đó,
Castillo và cs. (2008) đã khảo sát tiềm năng của Biobed trong việc xử lý những thể tích và lượng HCBVTV lớn hơn nhiều khơng chỉ phát sinh từ sự rị rỉ mà cịn từ q trình súc rửa dụng cụ bơm phun. Hai hệ thống Biobed có lót và khơng lót đã được đánh giá bằng cách sử dụng một loạt các HCBVTV ở quy mô bán đồng ruộng (semi- field scale). Kết quả nghiên cho thấy việc quản lý nước là yếu tố giới hạn cho cả hai hệ thống. Trong khi Biobed có lót lưu giữ hiệu quả các HCBVTV thì hệ thống này nhanh chóng trở nên ngập nước và sự phân hủy xảy ra chậm. Các nghiên cứu sử dụng Biobed khơng lót cho thấy rằng hơn 99% các loại HCBVTV khảo sát bị loại khỏi hệ thống với một tỷ lệ đáng kể bị phân hủy trong vòng 9 tháng [9]. Sự thấm lọc chỉ xảy ra ở một số HCBVTV linh động nhất. Tuy nhiên các nồng độ cực đại của chúng là vượt quy định. Tiếp theo, Castillo và cs. (2008) đã tiến hành tối ưu hóa thiết kế và quản lý Biobed khơng lót. Các thí nghiệm khảo sát mối quan hệ giữa độ sâu của Biobed và sự tải nước cho thấy rằng Biobed cần có một độ sâu tối thiểu là 1 - 1,5 m. Diện tích bề mặt của Biobed không chỉ phụ thuộc vào sự tải nước mà được kiểm soát bởi bản chất và tần suất của các hoạt động thao tác với HCBVTV. Sự mất đi do thấm lọc của tất cả HCBVTV ngoại trừ HCBVTV linh động nhất là < 0,32% so với liều lượng sử dụng tại Biobed có độ sâu 1,5 m với sự tải nước là 1.175 L/m2. Sự mất đi do thấm lọc này được giảm còn < 0,06% khi sự tải nước là 688 L/m2 được áp dụng và xuống còn < 0,0001% đối với sự tải nước là 202 L/m2. Dựa vào các dữ liệu này một Biobed có độ sâu 1,5 m, tải nước tối đa 1.121 L/m2 và với một diện tích bề mặt 40 m2 có thể xử lý lớn hơn hoặc bằng 44.000 L chất thải và nước súc rửa bình chứa HCBVTV, như thế nồng độ trung bình của tất cả HCBVTV (không kể các loại HCBVTV được xem là linh động) khơng vượt q 5 µg/L [9].
Ở Đan Mạch, mối quan tâm chính là đảm bảo rằng không một HCBVTV nào thấm lọc vào đất từ Biobed. Vì vậy để đánh giá tiềm năng thấm lọc HCBVTV, hệ thống Biobed có lót với sự thu gom chất thải đã được sử dụng làm mơ hình trong các nghiên cứu quy mô pilot và đồng ruộng [9].
Ở Mỹ La Tinh, với diện tích đồng ruộng nhỏ hơn so với ở các nước châu Âu, hệ thống Biobed kích cỡ nhỏ cho một người đứng và đổ đầy một bình phun đeo sau lưng thường được xem là phù hợp [9].
Trong khi đó, ở Hà Lan, hệ thống Biobed được thiết kế phù hợp với điều kiện của đất nước, đó là được xây dựng một phần trên mặt đất bởi một phần lớn diện tích của Hà Lan ở dưới mực nước biển [9].
b) Thay thế thành phần Biomix so với hệ thống Biobed đầu tiên
Ở Bỉ, mối quan tâm chính là sửa đổi khái niệm Biobed thành một hệ thống nhỏ linh hoạt hơn được gọi là Biofilter (bộ lọc sinh học) có thể xử lý lượng nước thải lớn, tái chế chúng bằng máy bơm và sử dụng các loại chất nền khác nhau. Các nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng các vật liệu hữu cơ khác nhau sẵn có của địa phương như phân hữu cơ (compost) thay thế cho than bùn trong thành phần của Biomix. Mỗi năm, một lượng rơm hoặc các vật liệu tươi khác được bổ sung vào Biomix để tăng khả năng phân hủy cũng như tăng dung tích hấp phụ HCBVTV của Biomix [9].
Ở Ý, Biobed được gọi là Biomassbed (đệm sinh khối). Các nghiên cứu ở Ý chủ yếu tập trung vào việc xử lý một lượng lớn nước bị nhiễm thuốc trừ sâu từ việc trán rửa thiết bị phun và sử dụng vật liệu hữu cơ địa phương. Vì than bùn khơng dễ tìm thấy ở Ý và đắt tiền, các vật liệu hữu cơ khác đang được thử nghiệm thay thế. Các vật liệu như phân hữu cơ, hạch của quả đào, cành nho và vỏ cam qt đã được thử nghiệm vì tính sẵn có và giá rẻ của chúng. Các nghiên cứu ở quy mơ phịng thí nghiệm sử dụng hỗn hợp này đã cho thấy sự giảm mạnh nồng độ của một số HCBVTV như chlorpyrifos, metalaxyl, và imazamox. Ngồi ra, 90% ơ nhiễm HCBVTV đã được loại bỏ khỏi nước được xử lý trong nguyên mẫu của Biomassbed được lắp đặt trong vườn nho và sử dụng hỗn hợp sinh học của cành nho, phân xanh và lớp đất mặt (40:40:20 về khối lượng). Gần đây, tầm quan trọng của rơm trong Biomassbed của Ý và sự hiện diện của hệ thống phân hủy lignin đã được chứng minh. Các nghiên cứu sơ bộ đã cho thấy khả năng lưu giữ và hiệu quả phân hủy HCBVTV của Biomassbed là khá cao [9]. Kết quả đem lại có đến trên 90% lượng HCBVTV bị phân hủy và loại bỏ khỏi Biomassbed [9].
Ở Trung Quốc, với việc tập trung nghiên cứu sử dụng các nguồn tài nguyên địa phương để thay thế cho các nguyên liệu truyền thống, các Biomix khác nhau đã được thử nghiệm. Các Biomix gồm rơm lúa mì/ngơ, than bùn/bã thải trồng nấm và đất mặt đã được sử dụng trong nghiên cứu sự phân hủy Chlorothalonil và Imidacloprid - hai loại HCBVTV được sử dụng rộng rãi trong trồng rau ở Trung Quốc. Kết quả là hiệu quả phân hủy HCBVTV của các Biomix là khác nhau. Điều đó cho thấy các thành phần Biomix khác nhau có ảnh hưởng khác nhau đến sự phân hủy hai loại HCBVTV. Đối với sự phân hủy Chlorothalonil, Biomix chứa rơm lúa mì tốt hơn chứa rơm ngơ, trong khi Biomix chứa bã thải trồng nấm hoặc than bùn thì khơng có sự khác biệt. Đối với sự phân hủy Imidacloprid, than bùn đã có hiệu quả cao hơn. Sự thay thế than bùn bằng bã thải trồng nấm có sẵn tại địa phương sẽ được áp dụng cho hệ thống Biobed bố trí tại miền bắc Trung Quốc [12]. Ngồi ra, Wenxuan Gao và cs. (2014) đã đánh giá tiềm năng thay thế than bùn bằng bã thải trồng nấm. Ba Biomix chứa bã thải trồng nấm khác nhau: nấm sò vua (Pleurotus pulmonarius), nấm kim châm (Flammulina velutipes) và nấm hương (Lentinus edodes) được so sánh với một Biomix chứa than bùn và một đối chứng chỉ chứa đất. Sự phân tán HCBVTV và hoạt tính của VSV có thể so sánh được trong tất cả các Bomix, nhưng sự khác biệt đáng kể đã được tìm thấy giữa các Biomix và đối chứng. Các hoạt động của VSV (phenoloxidase, hô hấp và diacetate huỳnh quang) quan sát thấy trong các Biomix chứa bã thải trồng nấm sò, nấm kim châm và nấm hương cao hơn so với Biomix chứa than bùn và đối chứng, do có sẵn carbon và sợi nấm hoạt động và bào tử từ nấm nuôi cấy. Các tác giả này kết luận rằng bã thải trồng nấm là sự thay thế phù hợp cho than bùn trong thiết kế Biobed ban đầu để phân hủy HCBVTV. Trong đó Biomix chứa bã thải trồng nấm hương (L. edodes) có hoạt tính sinh học cao nhất [12].
Ở Địa Trung Hải, Karanasios và cs. (2010) khảo sát tiềm năng sử dụng bã thải trồng nấm với các tỷ lệ khác nhau về thể tích (5, 15 và 50%) để thay thế cho rơm trong Biomix trong các nghiên cứu phân hủy HCBVTV với nồng độ 10 và 100% liều lượng tiêu chuẩn. Tất cả các loại HCBVTV đã bị phân hủy nhanh hơn trong Biomix chứa 50% bã thải trồng nấm. Tỷ lệ phân hủy HCBVTV trong Biomix tỷ lệ thuận với
lượng bã thải trồng nấm. Nguồn dinh dưỡng từ bã thải trồng nấm và khả năng xúc tác của hệ enzyme được sản sinh bởi nấm có thể góp phần làm phân hủy nhanh chóng HCBVTV [20].
Ở miền Nam Châu Âu, Karanasios và cs. (2010) đã khảo sát khả năng thay thế than bùn bằng phân hữu cơ nông nghiệp trong Biomix. Năm loại phân hữu cơ từ các nguyên liệu sẵn có ở địa phương bao gồm lá ô liu, xác cây bông, hạt bông, chất nền nấm đã qua sử dụng và xác tàu biển thương mại được trộn với lớp đất mặt và rơm theo tỉ lệ (1:1:2). Sự phân hủy hỗn hợp các HCBVTV ở hai mức liều lượng trong các Biomix chứa phân hữu cơ, chứa than bùn và trong đất đã được đánh giá. Các HCBVTV được phân hủy trong Biomix chứa phân hữu cơ ở cả hai mức liều lượng là cao hơn nhiều so với trong đất và Biomix chứa than bùn. Các thí nghiệm hấp phụ cho thấy các Biomix chứa phân hữu cơ và than bùn có ái lực hấp phụ cao hơn so với đất, đồng thời các thí nghiệm giải hấp cho thấy sự hấp phụ HCBVTV trong các Biomix là khơng hồn tồn thuận nghịch. Sự thay thế than bùn bởi phân hữu cơ từ các nguyên liệu địa phương sẽ mang lại sự tối ưu hóa cho Biobed khi áp dụng vào thực tiễn [19].
c) Tối ưu hóa một số điều kiện phân hủy HCBVTV của Biobed
Fogg và cs. (2003) đã nghiên cứu rằng Biobed có thể phân hủy nồng độ cao của hỗn hợp HCBVTV tương đối phức tạp. Do đó, ảnh hưởng của nồng độ và tương tác HCBVTV đến tốc độ phân hủy đã được nghiên cứu. Ở nồng độ lên tới 20 lần so với tỷ lệ sử dụng HCBVTV được khuyến cáo cho isoproturon và chlorothalonil, tốc độ phân hủy của lớp đất mặt và sinh khối VSV giảm khi tăng nồng độ. Các nghiên cứu với hỗn hợp isoproturon và chlorothalonil cho thấy có thể tương tác giữa các loại thuốc trừ sâu. Trong Biomix, sự phân hủy của isoproturon hoặc chlorothalonil không bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của thuốc trừ sâu khác. Những nghiên cứu này cho thấy rằng Biobbed có khả năng phân hủy nồng độ cao của hỗn hợp nhiều loại HCBVTV [25, 19].
Castillo và Torstensson (2007) đã nghiên cứu ở điều kiện phịng thí nghiệm (PTN) về ảnh hưởng của thành phần, độ ẩm và nhiệt độ của Biobed đến sự phân hủy HCBVTV. Kết quả cho thấy rơm tạo ra hoạt động chủ đạo của VSV trong Biomix
khi mối tương quan dương mạnh mẽ được quan sát giữa rơm, hô hấp VSV và phenoloxidase. Hầu hết các loại HCBVTV được điều tra đã bị phân hủy bởi các q trình chuyển hóa và sự phân hủy của chúng có liên quan đến hơ hấp và (hoặc) phenoloxidase. Khả năng phân hủy hầu hết các HCBVTV được nghiên cứu ở độ ẩm 60% là cao hơn so với 30% và 90%, trong khi ở nhiệt độ 20°C cho tỷ lệ phân hủy cao hơn so với 2°C và 10°C. Biomix bao gồm rơm : than bùn : đất với tỷ lệ tương ứng là 50% : 25% : 25% về khối lượng được khuyến cáo trong mơi trường sinh học đồng ruộng vì điều này tạo ra hoạt động của VSV cao và pH thấp, thuận lợi cho hoạt động của nấm và phenoloxidase phân hủy lignin. [10].
1.2.4.2. Tình hình ứng dụng Biobed ở Việt Nam
Đến thời điểm hiện tại, việc ứng dụng và phổ biến mơ hình Biobed vào thực tế ở Việt Nam vẫn chưa được ghi nhận trên thế giới. Đặc biệt là vẫn chưa có bất cứ một nghiên cứu nào được tiến hành nhằm áp dụng mơ hình Biobed truyền thống vào mục đích xử lý tại chỗ dư lượng HCBVTV, cũng như đánh giá mức độ cải thiện hiệu quả xử lý HCBVTV của mơ hình đệm sinh học khi thay thế và sử dụng các nguyên liệu sẵn có và hệ VSV phân hủy lignin bản địa. Từ đó, đề xuất mơ hình Biobed có hiệu quả xử lý cao, tận dụng được nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương, phù hợp với tình hình sử dụng HCBVTV và điều kiện khí hậu tại Việt Nam.
Khả năng ứng dụng của Biobed vào Việt Nam là rất lớn vì nước ta có nguồn nguyên liệu dồi dào, đặc biệt là rơm rạ. Việc lạm dụng HCBVTV quá mức dẫn đến nhiều điểm có dư lượng HCBVTV tồn lưu lớn trên cả nước khiến việc nghiên cứu và ứng dụng một hoặc nhiều biện pháp có thể giải quyết hiệu quả dư lượng các hoá chất này là rất cần thiết và cấp bách.
1.3. Tổng quan về VSV phân hủy lignin và khả năng phân hủy HCBVTV
Lignocelluloses là phần chính của sinh khối bởi nó là thành phần cấu trúc nổi bật của thành tế bào thực vật. Lignocellulose thường bao gồm cellulose (35% - 50%), hemicellulose (20% - 35%), và lignin (15% đến 20%) [22]. Lignin khác với cellulose và hemicellulose ở chỗ hàm lượng carbon tương đối nhiều. Khoảng trống giữa
cellulose và hemicellulose được lấp đầy bởi chất keo dính lignin. Lignin trong thành phần tế bào thực vật có chức năng như hàng rào bảo vệ giúp thực vật chống lại các tác động vật lí, hóa học và sâu bệnh ở mơi trường bên ngoài. Tuy nhiên thành phần này ngăn cản sự tiếp xúc của cellulose và hemicellulose với các tác nhân đặc hiệu làm giảm hiệu quả phân huỷ lignocellulose.
Lignin là loại hợp chất được tạo thành do phản ứng trùng ngưng từ 3 loại rượu chủ yếu là trans-p-cumarynic, trans-conniferynic và trans-cyperynic [23, 26]. Cấu trúc phân tử của lignin được thể hiện ở Hình 1.8.
Hình 1.8: Cấu trúc phân tử của lignin (p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol, và sinapyl alcohol)
Cũng như HCBVTV 2,4D và Cartap, Lignin là những hợp chất cao phân tử có thành phần cấu tạo phức tạp, khó chuyển hố, thời gian phân huỷ rất chậm kéo dài hàng tháng đến hàng năm. Đến nay, nhiều nghiên cứu đã chứng minh nấm (đặc biệt là nấm mục trắng) là nhóm VSV có khả năng sản xuất các enzyme phân hủy lignin cao nhất trong giai đoạn tiền xử lý lignocellulose. Cơ chế phân huỷ HCBVTV của nấm dựa trên khả năng phân huỷ các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong tự nhiên có thành phần phức tạp như lignin.
Nấm phân huỷ lignin tiếp cận nguồn C chính của chúng là ligninocellulose bằng cách phá huỷ cấu trúc khó phân huỷ và rất phức tạp của lignin mà bảo vệ ligninocellulose thông qua việc sinh tổng hợp các enzyme [21]. Đây là các enzyme ngoại bào và khơng đặc hiệu, vì vậy chúng có khả năng phân huỷ một loạt các chất hữu cơ mà có cùng đặc điểm với lignin. Các enzyme phân huỷ lignin có nhiều ứng dụng trong các ngành cơng nghiệp khác nhau như chuyển hoá sợi bằng enzyme, tẩy màu thuốc nhuộm, nhưng đáng chú ý nhất là ứng dụng trong xử lý đất bị ô nhiễm và nước thải công nghiệp [30]. Trong số nhiều chất ô nhiễm khác nhau, các enzyme phân huỷ lignin đã phá huỷ thành công cấu trúc phức tạp của nhiều loại HCBVTV [25]. Các enzyme này bao gồm các phenol oxidase như là laccase và các peroxidase như là lignin peroxidase (LiP) và manganese peroxidase (MnP). Trong đó laccase là một enzyme chứa Cu mà chịu ảnh hưởng bởi các điều kiện như là pH và các tác nhân ức chế enzyme. Laccase hoạt động bằng cách oxy hoá một loạt các hợp chất thơm và không thơm mà được sử dụng làm chất nhận hydro. Con đường chuyển hố thơng