Trong mô hình xử lý AMD với cơ chất là methanol (MH1), pH của nước thải tăng chậm và chỉ đạt mức 6 sau 7 ngày xử lý. Bên cạnh đó, nồng độ sulfate giảm ít và nồng độ Fe(II) sau xử lý cũng còn ở mức rất cao (159,7 mg/l) (hình 3.12).
Như vậy, sử dụng methanol làm cơ chất cho SRB trong trường hợp mô hình xử lý AMD này không đạt hiệu quả mong muốn. Nguyên nhân có thể do (i) quần xã SRB trong mẫu làm giàu E1-4 kém thích nghi với loại cơ chất này và (ii) methanol bị cạnh tranh bởi các nhóm vi khuẩn kỵ khí khác trong bể xử lý, do vậy quần xã SRB không thể hiện được mức sinh trưởng cũng như hoạt tính cao như mong muốn.
Mô hình 1 0 4 8 12 16 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Thời gian (ngày)
N ồ n g đ ộ s u lf at e (m M ) 0 2 4 6 8 10 pH Nồng độ sulfate pH
Hình 3.12. Mô hình xử lý AMD với cơ chất bổ sung là methanol (10 mM)
3.4.2. Xử lý AMD trong điều kiện bổ sung nƣớc thải giàu hữu cơ làm cơ chất
Trong mô hình xử lý AMD với cơ chất bổ sung là nước thải giàu hữu cơ (MH2), nồng độ sulfate giảm đáng kể từ 13,75 mM giảm xuống còn 4,5 mM sau 7 ngày xử lý chứng tỏ hoạt động trao đổi chất của SRB trong đó ở mức khá cao. Nhờ lượng sulfide sinh ra đáng kể nên pH của nước thải tăng cao, từ pH 4 đạt pH 8,2 (hình 3.13). Bên cạnh đó, nồng độ Fe(II) cũng giảm đáng kể, từ 200 mg/l còn 36 mg/l.
Mô hình 2 0 4 8 12 16 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Thời gian (ngày)
N ồ n g đ ộ s u lf at e (m M ) 0 2 4 6 8 10 pH Nồng độ sulfate pH
Hình 3.13. Mô hình xử lý AMD với cơ chất là nước thải có hàm lưỡng chất hữu cơ cao
Như vậy nước thải có hàm lượng hữu cơ cao có khả năng sử dụng làm cơ chất tốt cho vi khuẩn khử sulfate trong bể phản ứng xử lý AMD. Việc kết hợp nước thải hữu cơ để xử lý AMD có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm giá thành công nghệ, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường bởi các loại nước thải hữu cơ như nước thải từ chăn nuôi, chế biến thực phẩm, nước thải sinh hoạt.
3.4.3. Phân tích thành phần quần xã vi sinh vật trong các mô hình xử lý AMD trong phòng thí nghiệm
Để theo dõi thành phần của quần xã vi khuẩn trong các mô hình xử lý, đặc biệt là
các vi khuẩn khử sulfate, chúng tôi tiến hành phân tích đoạn gen 16S rDNA bằng phương pháp điện di biến tính (DGGE) (hình 3.14).
E1.4 MH1 MH2 SR2 SR3 SR4
Hình 3.14. Điện di biến tính (DGGE) gen 16S rDNA phân tích thành phần của quần xã vi khuẩn trong mô hình xử lý AMD.
Trước hết có thể thấy rằng ba chủng SRB phân lập được (đường điện di số 4, 5, 6) là đại diện của các nhóm vi khuẩn chiếm số đông trong mẫu làm giàu E1-4 (đường điện di số 1, các băng có mũi tên chỉ).
Trong quá trình vận hành mô hình xử lý với methanol là chất hữu cơ được bổ sung làm cơ chất cho SRB, cả 3 nhóm SRB mà các chủng SR2, SR3 và SR4 làm đại diện đều không được duy trì ở mật độ cao, thay vào đó là nhiều nhóm vi khuẩn khác phát triển, đặc biệt nhóm vi khuẩn ở băng đánh dấu * (đường điện di số 2).
Khi chất thải hữu cơ được bổ sung làm cơ chất cho SRB trong bể xử lý AMD, SR4 là đại diện của một trong các nhóm chính được tìm thấy (băng có mũi tên chỉ, đường điện di số 3). Bên cạnh đó hai nhóm khác ở các băng đánh dấu * và ** cũng là các nhóm chính nhưng chưa được xác định (đường điện di số 3).
Theo các tài liệu đã công bố, SRB thuộc chi Desulfovibrio có khả năng thích nghi với các môi trường có các yếu tố lý hóa nằm trong biên độ dao động lớn (Doshi, 2006), do vậy thường chiếm số đông và đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống xử lý AMD (Doshi, 2006). Như vậy kết quả thu được trong nghiên cứu này cũng phù hợp với các kết quả đã công bố trước đây. Tuy nhiên, để có thể thu được bức tranh chi tiết hơn về các nhóm vi khuẩn trong mô hình xử lý 2 (sử dụng
SR3 SR2 SR4 * * SR2:Desulfomicrobium sp. SR3:Desulfobulbus sp. SR4:Desulfovibrio sp. **
nước thải hữu cơ làm cơ chất), hai băng * và ** cần phải được giải trình tự, trên cơ sở đó đánh giá vai trò của chúng trong việc xử lý AMD như tham gia quá trình lên men yếm khí các chất hữu cơ để tạo cơ chất cho SRB hay là SRB trực tiếp tham gia vào việc khử sulfate thành sulfide.
KẾT LUẬN
1. Đã thiết lập được hỗn hợp SRB (mẫu E1-4) có hoạt tính tốt trong điều kiện pH
thấp qua phương pháp làm giàu.
2. Phân lập được 3 chủng vi khuẩn khử sulfate SR2, SR3 và SR4 từ mẫu làm giàu
nói trên. Dựa trên trình tự gần đủ của gen 16S rDNA các chủng này được định danh tương ứng là Desulfomicrobium sp. SR2, Desulfobulbus sp. SR3, và
Desulfovibrio sp. SR4.
3. Phân tích DGGE gen 16S rDNA cho thấy các chủng phân lập đại diện cho các
nhóm SRB chính trong mẫu làm giàu E1-4.
4. Nghiên cứu đặc điểm sinh lý của 3 chủng thấy rằng:
Cả 3 chủng đều có khả năng sinh trưởng tốt ở môi trường có hàm lượng
muối 10 – 15 g/l, tương ứng với môi trường nước lợ. Đặc biệt là chủng SR4 có thể sinh trưởng tốt tại nồng độ muối 25 g/L, tương đương môi trường nước biển.
Cả ba chủng đều bị ức chế tại pH môi trường 6, tuy nhiên mẫu làm giàu gốc E1-4 thể hiện khả năng chịu pH thấp tốt hơn các chủng thuần khiết và sinh trưởng tốt ở pH 4 và 5.
Ba chủng đều sinh trưởng và tạo sulfide tối ưu ở 30o
C và được xếp vào nhóm SRB ưa ấm điển hình.
Chất cho điện tử được cả 3 chủng sử dụng hiệu quả nhất là lactate. Chủng SR2 và SR3 còn sử dụng acetate và methanol nhưng với hiệu quả thấp hơn, trong khi đó SR4 hoàn toàn không sử dụng acetate.
Ngoài chất nhận điện tử chính là sulfate, 2 chủng SR2 và SR4 còn sử dụng được cả nitrate làm chất nhận điện tử. Ngoài ra, chủng SR4 còn oxy hóa được lactate bằng Fe3+.
5. Mô hình thử nghiệm xử lý AMD với cơ chất bổ sung là nước thải có hàm lượng
thu được sau 7 ngày xử lý gồm: pH tăng từ 4 lên 8,15, nồng độ sulfate giảm từ 13,75 mM còn 4,5 mM, hàm lượng sắt giảm từ 200 mg/l còn 36 mg/l thể hiện khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ.
6. Phân tích điện di biến tính gen 16S rDNA cho thấy Desulfovibrio spp., đại diện là chủng SR4 đóng vai trò quan trọng trong bước xử lý AMD với nguồn cơ chất bổ sung là nước thải có hàm lượng hữu cơ cao.
HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Xác định các nhóm vi khuẩn khác SR4 cũng đóng vai trò quan trọng trong quá
trình xử lý AMD ở MH2.
2. Phân lập thêm các chủng SRB ưa axit để bổ sung vào mô hình xử lý AMD.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt
1. Công ty cổ phần tin học, công nghệ, môi trường, TCT Than & Khoáng sản Việt Nam (2012), Kết quả phân tích nước thải mỏ than.
2. Hồ Sỹ Giao, Mai Thế Toản (2010), “Những điểm nóng môi trường trong hoạt động khai thác mỏ ở Việt Nam”, Hội nghị khoa học kĩ thuật mỏ quốc tế 2010. 3. Bùi Công Quang (2011), “Tác động của các hoạt động khai thác mỏ đến nguồn
nước và hệ sinh thái”, Chuyên đề bảo vệ môi trường trong khai thác khoáng
sản, ĐH Thủy Lợi.
4. Nguyễn Danh Sơn (2011), “Môi trường và phát triển bền vững trong quản lý khai
thác tài nguyên khoáng sản ở Việt Nam”, Chuyên đề bảo vệ môi trường trong
khai thác khoáng sản, Viện Khoa học xã hội Việt Nam.
Tiếng Anh
5. Bahr M, Crump BC, Ceraj VK, Teske A, Sogin ML, Hobbie JE (2005), “Molecular chacterization of sulfate-reducing bacteria in a New England salt marsh”, Environ. Microbiol., 7, pp.1175–1185.
6. Ben-Dov E, Brenner A, Kushmaro (2007), “Quantification of sulfate-reducing bacteria in industrial wastewater by real-time polymerase chain reaction (PCR) using dsrA and apsA genes”, Microbiol. Ecol.,54, pp. 439–451.
7. Brenner FJ (2001), “Use of constructed wetlands for acid mine drainage abatement and stream restoration”, Water Sci. Technol., 44, pp. 449-454. 8. Benner SG, Blowes DW, Ptacek CJ (1997), “A full-scale porous reactive wall for
prevention of acid mine drainage”, Ground Water Monit. Remed., 17, pp. 99-
9. Bharathi PAL, Sathe V, Chandramohan D (1990), “Effect of lead, mercury and cadmium on a Sulphate-reducing bacterium”, Environ. Pollut., 67, pp. 361– 374.
10. Boetius A , Ravenschlag K, Schubert KJ, Rickert D, Widdel F, Gieseke A, Amann R, Jùrgensen BB, Witte U, Pfannkuche O (2000), “A marine microbial consortium apparently mediating anaerobic oxidation of methane”, Nature, 407, pp. 623–626.
11. Boschker HTS, Nold SC, Wellsbury P, Bos D, de Graaf W, Pel R, Parkes RJ, Cappenberg (1998), “Direct linking of microbial populations to specific biogeochemical processes by 13C-labelling of biomarkers”, Nature, 392, pp. 801–804.
12. Boularbah A, Schwartz C, Bitton G, Morel JL (2006), “Heavy metal contamination from mining sites in South Morocco: 1. Use of a biotest to assess metal toxicity of tailings and soils”, Chemosphere, 63, pp. 802-810. 13. Brookens AM, Schmidt WT, Branch WL (2000), The effectiveness of utilizing
passive treatment systems for leachate discharges in Western Maryland, Presented at the American Society for Surface Mining and Reclamation 17th Annual Meeting, Tampa, Florida, June 11-15, 2000.
14. Brown M, Barley B, Wood H (2002), Minewater treatment: technology, application and policy, IWA Publishing, London.
15. Brysch K, Schneider C, Fuchs G, Widdel F (1987), “Lithoautotrophic growth of
sulphate-reducing bacteria, and description of Desulfobacterium
autotrophicum gen. nov., sp. nov.”, Arch. Microbiol.,148, pp. 264–274.
16. Cabrera G, Pérez RJM, Gómez, Ábalos A, Cantero D (2006), “Toxic effects of dissolved heavy metals on Desulfovibrio vulgaris and Desulfovibrio sp. strains”, J. Hazar. Mater., 135, pp. 40-46.
17. Chaney RL, Brown SL, Angle JS, Stuczynski TI, Daniels WL, Henry CL,
Siebielec G, Li YM, Malik M, Ryan JA, Compton H (2000), In situ
Remediation/ Reclamation/Restoration of Metals Contaminated Soils using Tailor-Made Biosolids Mixtures, Symposium on Mining, Forest and Land Restoration: The Successful Use of Residuals/Biosolids/Organic Matter for Reclamation Activities, Denver, CO.
18. Cooper EL, Wagner CC (1973), “The effects of acid mine drainage on fish populations”, Fish and Food Organisms in Acid Waters of Pennsylvania, US Environmental Protection, EPA, pp. 32-114.
19. Cord-Ruwisch R (1985), “A quick method for the determination of dissolved and precipitated sulfides in cultures of sulfate-reducing bacteria”, J. Microbiol. Meth. 4, pp. 33-36.
20. Dar SA., Kuenen JG, Muyzer G (2005), “Nested PCR-denaturing gradient gel electrophoresis approach to determine the diversity of sulfate-reducing bacteria in complex microbial communities”, Appl. Environ. Microbiol., 71, pp. 2325–2330.
21. Dar SA, Stams AJ, Kuenen JG, Muyzer G (2007), “Co-existence of physiologically similar sulphate-reducing bacteria in a full-scale sulfidogenic bioreactor fed with a single organic electron donor”, Appl. Microbiol. Biotechnol., 75, pp. 1463–1472.
22. DIN 38406-E1-1 (1983), German standard methods for the examination of water, waste water and sludge, cation (group E), determination of iron (E1). 23. Doshi SM (2006), Bioremediation of Acid Mine Drainage Using Sulfate-
Reducing Bacteria, Report for U.S. Environmental Protection Agency.
24. Dubilier N, Mülders C, Ferdelman T, de Beer D, Pernthaler A, Klein M, Wagner M, Erséus C, Thiermann F, Krieger J, Giere O, Amann R (2001),
“Endosymbiontic sulphate-reducing and sulphide-oxidizing bacteria in an oligochaete worm”, Nature, 411, pp. 298–302.
25. Duffield S, Lucia AC, Mitchison N, Kasamas H, (2000), “Land recovery and man-made risks: a perspective from the EU accession countries”, J. Hazard. Mater.,78, pp. 91-103.
26. Elferink OSJWH, Visser A, Hulshoff-Pol LW, Stams AJM (1994), “Sulphate reduction in methanogenic bioreactors”, FEMS Microbiol. Rev., 15, pp. 119– 136.
27. EPA (1995), Human Health and Environmental Damages from Mining and
Mineral Processing Wastes, Washington DC, Office of Solid Waste, U.S. Environmental Protection Agency.
28. Farag, A. M., D.Skaar, D.A. Nimick, E. MacConnell, and C. Hogstrand (2003), "Characterizing aquatic health using salmonids mortality, physiology, and biomass estimates in streams with elevated concentrations of arsenic, cadmium, copper, lead, and zinc in the Boulder River Watershed, Montana",
Transac. Amer. Fisher. Soc.,132, pp. 450-457.
29. Felsenstein J (1985), “Confidence limits on phylogenies: an approach using the bootstrap”, Evolution, 39, pp. 783-791.
30. Figueroa L (2005), Microbial ecology of anaerobic biosystems treating mining influenced waters, Presented at the Mine Water Treatment Technology Conference, Pittsburgh, PA.
31. Frauque, G., J.LeGall, and L. L. Barton (1991), “Sulphate-reducing and sulphur- reducing bacteria”, Variation in Autotrophic Life, pp. 271-337.
32. Fromm, P. O. (1980), "A review of some physiological and toxicological responses of freshwater fish to acid stress", Environ. Biol. Fishes, 5, pp. 79-93. 33. Gadd G (2004), “Microbial influence on metal mobility and application for
34. Gusek JJ, Wildeman TR (2002), Passive treatment of aluminum-bearing acid rock drainage, Proceedings of the 23
rd
Annual West Virginia Surface Mine Drainage Task Force Symposium, Morgantown, West Virginia, April 16-17, 2002.
35. Dinh TH, Kuever J, MaBmann M, Hassel AW, Martin Stratmann and Friedrich Weddel, “Iron corrosion by novel anaerobic microorganism”, Nature, 427, pp. 829- 832.
36. Hao OJ, Chen JM, Huang L, Buglass RL (1996), “Sulphate reducing bacteria”,
Crit. Rev. Enviro. Sci. Technol., 26, pp. 155-187.
37. Hao OJ, Huang L, Chen JM, Buglass RL (1994), “Effects of metal additions on sulphate reduction activity in wastewaters”, Toxicology and Environmental Chemistyi, 46, pp. 197-212.
38. Higgins JP, Hard BC, Mattes A (2003), Bioremediation of rock drainage using
sulphate-reducing bacteria, Proceedings of Sudbury 2003: Mining and Environment, Sudbury, Ontario, May 25-28, 2003.
39. Hill RD (1974), Mining impacts on trout habitat, Proceedings of a Symposium on Trout Habitat, Research, and Management, Boone, NC, Appalachian Consortium Press.
40. Hilton BL, Oleszkiewiez JA (1988), “Sulfide induced inhibition of anaerobic digestion”, J. Environ. Eng., 114, pp. 1377–1391.
41. Hines ME, Evans RS, Genthner BRS, Willis SG, Friedman S, Rooney-Varga JN, Devereux R (1999), “Molecular phylogenetic and biogeochemical studies of sulfate-reducing bacteria in the rhizosphere of Spartina alterniflora”, Appl. Environ. Microbiol., 65, 2209–2216.
42. Howells GD, Brown DJA, Sadler K (1983), "Effects of acidity, calcium, and aluminum on fish survival and productivity - a review", J. Sci. Food Agr., 34(6), pp. 559-570.
43. Itoh T, Suzuki KI, Nakase T (1998), “Thermocladium modestius gen. nov., sp. nov. a new genus of rod-shaped, extremely thermophilic crenarchaeote”, Int. J. Syst. Bacteriol., 48, pp. 879–887.
44. Itoh T, Suzuki KI, Sanches PC, Nakase T (1999), “Caldivirga maquilingensis
gen. nov., sp. nov. a new genus of rod-shaped crenarchaeote isolated from a hot spring in the Philippines”, Int. J. Syst. Bacteriol., 49, pp. 1157–1163. 45. Jage CR, Zipper CE, Hendricks AC (2000), Factors affecting performance of
Successive Alkalinity-Producing Systems, Presented at the American Society for Surface Mining and Reclamation 17th Annual Meeting, Tampa, Florida, June 11-15, 2000.
46. Jennings SR, Neuman DR, Blicker PS (2008), Acid Mine Drainage and Effects
on Fish Health and Ecology: A Review, Reclamation Research Group Publication, Bozeman MT.
47. Jeanthon C, Haridon SL, Cueff V, Banta A, Reysenbach AL, Prieur D (2002), “Thermodesulfobacterium hydrogeniphilum sp. nov., a thermophilic, chemolithoautotrophic sulfate-reducing bacterium isolated from a deep-sea hydrothermal vent at Guaymas Basin and emendation of the genus
Thermodesulfobacterium”, Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 52, pp. 765–772. 48. Jong T, Parry DL (2006), “Microbial sulfate reduction under sequentially acidic
conditions in an upflow anaerobic packed bed bioreactor”, Water Res., 40, pp. 2561-2571.
49. Kaksonen AH, Plumb JJ, Franzmann PD, Puhakaka JA (2004a), “Simple organic electron donors support diverse sulphate- reducing communities in fluidized-bed reactors treating acid metal- and sulphate-containing wastewater”, FEMS Microbiol. Ecol.,47, pp. 279–289.
50. Kaksonen AH, Plumb JJ, Franzmann PD, Puhakaka JA (2004b), “Effects of hydraulic retention time and sulphide toxicity on ethanol and acetate oxidation
in sulphate reducing metal-precipitating fluidized-bed reactor”, Biotechnol. Bioeng.,86, pp. 332–343.
51. Kepler DA, McCleary EC (1994), “Successive alkalinity-producing systems (SAPS) for the treatment of acidic mine drainage”, Proceedings of the International Land Reclamation and Mine Drainage Conference and the Third International Conference on the Abatement of Acidic Drainage, Pittsburgh, PA, April 24-29, 1994, pp. 195-204.
52. Kniemeyer O, Musat F, Sievert SM, Knittel K, Wilkes H, Blumenberg M, Michaelis W, Classen A, Bolm C, Joye SB, Widdel F (2007), “Anaerobic oxidation of short-chain hydrocarbons by marine sulphate-reducing bacteria”,