1.5.1 Giới thiệu về hệ thống sinh điện hoá có điện cực đáy
Do lo ngại ngày càng tăng về việc cạn kiệt năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch, biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã có những nỗ lực đáng kể nhằm khai thác các nguồn năng lượng mới bền vững và thân thiện với môi trường. Các hệ thống sinh điện hóa (Bioelectrochemical Systems – BESs) có thể thu năng lượng từ chất thải hữu cơ thông qua quá trình trao đổi chất của vi sinh vật, đã thu hút sự chú ý trong những thập kỷ gần đây như một phương pháp
tiềm năng để sản xuất năng lượng sạch cùng với nhiều lợi ích khác như: loại bỏ ni- tơ, xử lý ô nhiễm hữu cơ, cảm biến sinh học [56, 68].
Hệ thống sinh điện hóa có điện cực ở đáy hoặc hệ thống sinh điện hóa bùn đáy
(Sediment BESs - SBESs) là một dạng ứng dụng của BESs, được tạo ra bằng cách đặt cực âm (anode) vào phần đáy giàu hữu cơ và cực dương (cathode) phía trên bề mặt nước [86]. Reimers và cộng sự (2001) đã vận hành thành công SBES đầu tiên
bằng cách sử dụng các điện cực lưới bạch kim để tạo ra dòng điện từ bùn đáy ở cả đầm lầy và cửa sông [82].
Hình 1.2. Sơ đồ các phản ứng ở điện cực của MFC (A) và SBES (B) [107]
Ghi chú: Anode: cực âm; Cathode: cực dương; Water: nước; sediment: bùn đáy; Org.-C:
carbon hữu cơ Khác với pin nhiên liệu vi sinh vật (microbial fuel cell - MFC) có một màng bán thấm hoặc tấm ngăn cách giữa anode và cathode (Hình 1.2A), SBES dựa vào một thế oxi hóa tự nhiên để ngăn cách anode và cathode (Hình 1.2B), do anode được đặt
18 vào bùn đáy nơi ít oxy hòa tan (dissolved oxygen - DO), trong khi cathode được lắp đặt ở bề mặt nước có DO cao hơn [107].
1.5.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống sinh điện hóa có điện cực đáy
Hệ thống sinh điện hóa là các hệ thống trong đó vi sinh vật xúc tác cho các phản ứng điện hóa thông qua tương tác của chúng với các điện cực [25]. Trong hệ thống sinh điện hóa có điện cực ở đáy (SBES), các vi khuẩn điện hóa trên anode sẽ phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong bùn đáy, tạo ra các electron và proton. Các electron sẽ di chuyển từ anode đến cathode theo chênh lệch thế oxy hóa khử qua một mạch ngoài; trong khi đó, proton (thường là H+) di chuyển tự do dần theo gradient nồng độ tới cathode. Ở điện cực cathode, các proton và electron sẽ kết hợp với chất nhận điện tử cuối cùng (thường là oxy) rồi tạo thành nước, hoàn tất phản ứng và đảm bảo sự cân bằng vật chất [86] (Hình 1.3). Hệ thống sinh điện hóa như vậy cho phép các chất hữu cơ ở đáy bị phân giải, nhờ sự xúc tác của vi khuẩn điện hóa, do chênh lệch thế oxi hóa khử lớn với chất nhận điện tử cuối cùng là oxy, mà không cần phải đưa oxy xuống đáy [75].
Hình 1.3. Mô hình và nguyên lý hoạt động của SBES [82]
19
1.5.3 Sử dụng hệ thống sinh điện hóa xử lý ô nhiễm hữu cơ
Với khả năng chuyển hóa hóa năng trong các chất hữu cơ thành điện năng, hệ thống sinh điện hóa có tiềm năng ứng dụng rất lớn để xử lý ô nhiễm hữu cơ và đồng
thời tái tạo năng lượng. Vì vậy, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng các hệ thống sinh điện hóa, trong đó có SBES, để xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nhiều trường hợp khác nhau. Ví dụ, Song và cộng sự (2010) đã lắp đặt một SBES bên trong một hồ nước ngọt phú dưỡng và nhận thấy rằng 28,3 ± 1,9% hàm lượng chất hữu cơ trong hồ được loại bỏ sau 2 tháng vận hành [91]. Trong một nghiên cứu khác, Sajana và cộng sự (2013) đã xây dựng thành công hệ thống SBES tích hợp trong các ao nuôi trồng thủy sản nước ngọt để khảo sát hiệu suất loại bỏ chất thải của nó trong môi trường nước ngọt. Kết quả thu được cho thấy hiệu quả xử lý tốt của hệ thống, với 80% COD và 90% ni-tơ tổng số được loại bỏ trong các mẫu nước ao cá ở Ấn Độ [84]. Nghiên cứu của Henan và cộng sự (2017) cũng đã thử nghiệm hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy quy mô pilot 195L. Sau 45 ngày vận hành, hệ thống đã loại bỏ 14,5% lượng cacbon tổng số so với đối chứng không lắp đặt điện cực là 11,6%. Lượng ni-tơ tổng số cũng đã được ghi nhận giảm 18,5% tại mô hình lắp đặt hệ thống sau 45 ngày so với 1,9% tại đối chứng không lắp đặt điện cực. Nghiên cứu cũng đã chỉ ra khả năng loại bỏ các hợp chất hydrocacbon thơm đa vòng. Ví dụ khả năng loại bỏ benzo(a)pyrene và benzo(k)fluoranthene của hệ thống lên tới 50% sau 60 ngày vận hành [55].
Tại Việt Nam, Phạm Thế Hải và cộng sự (2019) đã thử nghiệm một SBES lồng ghép trong mô hình ao nuôi nước lợ mô phỏng ở quy mô phòng thí nghiệm. Hệ thống đã loại bỏ lượng COD trong nước tốt hơn 20 - 30% so với đối chứng (phân giải tự nhiên) là mô hình không lồng ghép SBES. Hơn nữa, sau 1 năm, lượng bùn đáy của hệ giảm 40%, kéo theo sự giảm khoảng 40% COD và khoảng 52% ni-tơ bùn đáy so với đối chứng. Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng tăng cường hiệu quả xử lý COD và ni-tơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ và có tiềm năng ứng dụng thực tế cao [75].
20
1.5.4 Sử dụng hệ thống sinh điện hóa xử lý vi sinh vật gây bệnh
Bên cạnh khả năng xử lý ô nhiễm hữu cơ, BES còn có nhiều tiềm năng khác [80], một trong số đó là sự kháng khuẩn được phát hiện gần đây gợi ý những ứng dụng mới.
Thật vậy, các nghiên cứu tiên phong cho thấy vi khuẩn có thể bị ức chế ở
cathode của BES, do pH tăng hoặc H2O2 từ phản ứng cathode [12, 36-38]. Tuy nhiên, sau đó Ieropoulos và cộng sự (2019) phát hiện ra rằng tác dụng diệt khuẩn của anode BES, đặc biệt là đối với vi sinh vật gây bệnh, thậm chí còn rõ ràng hơn. Các tác động này được cho là do thế oxy hóa khử âm hơn ở anode [42, 43].
Ngoài ra, mật độ tế bào (CFU/ml) và tín hiệu phát quang (RLU) của vi khuẩn
Salmonella enterica được ghi nhận lần lượt giảm tới 4.43±0.04 log và 4.21±0.01 log
khi đi qua hệ thống nhiều tầng MFCs (microbial fuel cell cascade system – một dạng của BES) [43].
Vasieva và cộng sự (2019) đã phân tích quần xã vi sinh (thông qua phân tích metagenomes) của hệ thống MFCs sau 67 ngày vận hành với các nguồn bùn vi sinh vật khác nhau tại anode. Kết quả cho thấy tỷ lệ DNA của các vi sinh vật gây bệnh cơ hội đã giảm với việc sử dụng bùn thải từ trang trại lợn làm nguồn vi sinh vật cho anode. Đặc biệt, tỷ lệ giảm cao nhất thuộc về họ Enterobacteriaceae như các vi khuẩn
Yersinia, Vibrio và Shigella là nhóm vi khuẩn gây bệnh phổ biến. Đồng thời, một
lượng lớn các gen gây bệnh chịu tránh nghiệm cho việc bám dính, hệ thống bài tiết, xâm chiếm, kháng kháng sinh liên quan đến các ngành Firmicutes và Actinobacteria của nhóm vi khuẩn Gram dương cũng giảm đáng kể [97].
Những nghiên cứu trên chính là cơ sở cho thấy cần tìm hiểu sâu hơn về khả năng kiểm soát các vi khuẩn của BESs nói chung và SBES nói riêng.
1.5.5 Sử dụng hệ thống sinh điện hóa để kiểm soát vi khuẩn Vibrio
Khả năng diệt vi sinh vật gây bệnh của BES là cơ sở cho việc có thể ứng dụng công nghệ SBES để làm giảm các vi khuẩn Vibrio gây bệnh, đặc biệt là trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản. Sự tích hợp như vậy trên thực tế là khả thi khi các nghiên
21 cứu gần đây đã cho thấy BES với điện cực ở đáy (hay SBES) hoạt động tốt trong môi trường ao nuôi nước lợ [75].
Nhóm nghiên cứu trước đây đã thực hiện đánh giá khả năng kiểm soát các vi khuẩn Vibrio của SBES với quy mô nhỏ [101]. Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy, khi bổ sung huyền phù dịch vi khuẩn Vibrio harveyi và Vibrio parahaemolyticus trực tiếp vào bể thí nghiệm (chứa SBES) và bể đối chứng (không chứa SBES), tỷ lệ sống sót của V. harveyi giảm đáng kể xuống gần 0% ngay sau khi bổ sung vào bể chứa SBES, trong khi nó vẫn sống sót tốt trong bể đối chứng. Hiện tượng này cho thấy tác
dụng ức chế mạnh mẽ của môi trường SBES đối với V. harveyi. Sự ức chế dường như ít hơn đối với chủng V. parahaemolyticus được thử nghiệm nhưng vẫn mạnh, chỉ có
~10% tế bào V. parahaemolyticus sống sót sau 20 phút. Các kết quả tiếp theo của
nhóm cho thấy,việc tiếp xúc trực tiếp với vi sinh vật trong SBES có thể không phải là nguyên nhân chính gây ra sự ức chế mà thay vào đó là các yếu tố lý hóa SBES.
Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã khám phá ra rằng tác dụng ức chế mạnh mẽ của SBES đối với Vibrio chỉ là do các chất được sinh ra trong nước dưới điều kiện sinh điện hóa chứ không phải do các yếu tố vật lý (ví dụ: điện trường hoặc từ trường, v.v.) hoặc do tiếp xúc trực tiếp với vi khuẩn [101].