Tài liệu Phân lập, tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy pyrene và khả năng xử lý nước thải ở quy mô phòng thí nghiệm 5 lít

0 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGUYỄN HƢƠNG QUỲNH PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN CHỦNG VI SINH VẬT CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY PYRENE VÀ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI Ở QUY MÔ PHÕNG THÍ NGHIỆM 5 LÍT Chuyên ngành: SINH HỌC THỰC NGHIỆM Mã số: 60 42 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGHIÊM NGỌC MINH THÁI NGUYÊN - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa có ai công bố trong một công trình nào khác. Tác giả Nguyên Hương Quỳnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới: PGS.TS. Nghiêm Ngọc Minh, trưởng phòng Công nghệ Sinh học Môi trường, Viện Công nghệ Sinh học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn và dìu dắt tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Trong quá trình nghiên cứu vừa qua, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các cán bộ phòng Công nghệ Sinh học Môi trường, đặc biệt là KS. Cung Thị Ngọc Mai, CN. Vũ Thị Thanh đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn của mình. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô khoa Sinh trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên, lãnh đạo Viện Công nghệ Sinh học đã tạo điều kiện và giúp đõ tôi trong quá trình học tập nghiên cứu tại trường và tại Viện. Bên cạnh đó tôi xin cảm ơn người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện động viên và giúp đỡ tôi cả về vật chất và tinh thần để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011 Học viên Nguyễn Hương Quỳnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan ............................................................................................................... i Lời cảm ơn .................................................................................................................ii Mục lục...................................................................................................................... iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ...................................................................... v Danh mục các bảng ................................................................................................... vi Danh mục các hình ...................................................................................................vii MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................... 3 1.1. Đặc điểm chung của PAH .............................................................................. 3 1.1.1. Cấu trúc hóa học và một số đặc tính cơ bản của PAH ............................. 3 1.1.2. Tính độc và ảnh hưởng của PAH tới con người và môi trường ............... 5 1.2. Nguồn gốc phát sinh PAH ............................................................................. 7 1.3. Tình trạng ô nhiễm PAH và các biện pháp xử lý ........................................... 9 1.3.1. Tình trạng ô nhiễm PAH ........................................................................... 9 1.3.2. Các biện pháp xử lý tẩy độc PAH .......................................................... 11 1.4. Phân hủy sinh học các PAH bởi vi sinh vật ................................................. 14 1.4.1. Vi sinh vật phân hủy PAH ...................................................................... 14 1.4.2. Cơ chế phân hủy PAH bởi vi sinh vật .................................................... 16 1.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy PAH ................................ 22 1.5. Các phương pháp phân loại vi sinh vật ........................................................ 26 1.5.1. Phân loại theo phương pháp cổ điển ....................................................... 26 1.5.2. Phương pháp phân loại bằng sinh học phân tử ....................................... 26 1.6. Quá trình xử lý sinh học nước thải và thành phần các chất ô nhiễm điển hình trong nước thải công nghiệp ............................................................... 29 1.6.1. Quá trình xử lý sinh học nước thải ......................................................... 29 1.6.2. Thành phần các chất ô nhiễm điển hình trong nước thải công nghiệp ........... 31 Chƣơng 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP ...................................................... 33 2.1. Nguyên liệu, hóa chất và các thiết bị sử dụng ............................................. 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv 2.1.1. Nguyên liệu ............................................................................................. 33 2.1.2. Hóa chất, môi trường .............................................................................. 33 2.1.3. Thiết bị .................................................................................................... 34 2.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 35 2.2.1. Thu thập mẫu nước thải .......................................................................... 35 2.2.2. Làm giàu tập đoàn vi sinh vật trên môi trường chứa hỗn hợp PAH ....... 35 2.2.3. Phân lập một số chủng vi khuẩn có khả năng sử dụng PAH .................. 35 2.2.4. Quan sát hình thái tế bào trên kính hiển vi điện tử quét ......................... 36 2.2.5. Phân loại, định tên và xây dựng cây phát sinh chủng loại ...................... 36 2.2.6. Các yếu tố ảnh hưởng lên sự phát triển của các chủng vi khuẩn được lựa chọn ................................................................................................... 37 2.2.7. Xác định khả năng phân hủy pyrene của vi khuẩn ................................. 42 2.3. Thử nghiệm trên quy mô 5 lít ...................................................................... 43 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 44 3.1. Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn có khả năng phát triển trên môi trường chứa PAH .................................................................................................... 44 3.2. Đặc điểm khuẩn lạc và hình thái tế bào của chủng BTL4 ........................... 47 3.3. Xác định trình tự đoạn gen mã hóa 16S rRNA của chủng vi khuẩn BTL4 ......... 47 3.3.1. Tách chiết DNA tổng số và nhân đoạn gen 16S rRNA của chủng BTL4 ..... 47 3.3.2. Tách dòng gen 16S rRNA của chủng BTL4 ........................................... 48 3.3.3 Trình tự đoạn gen mã hóa 16S rRNA của chủng BTL4 .......................... 50 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ, pH đến sự phát triển của chủng BTL4 ................ 53 3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................... 53 3.4.2. Ảnh hưởng của pH .................................................................................. 54 3.5. Khả năng phân hủy pyrene của chủng BTL4 ............................................... 55 3.6. Kết quả mô hình xử lý nước thải ở quy mô 5 lít .......................................... 58 3.6.1. Quá trình hoạt hóa bùn ........................................................................... 58 3.6.2. Xử lý nước thải ở quy mô 5 lít ................................................................ 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT bp Base pair (cặp bazơ) DNA Deoxyribonucleic acid LB Luria-Bertani PAH Polycyclic aromatic hydrocacbon (hydrocarbon thơm đa nhân) PCR Polymerase Chain Reaction (phản ứng chuỗi trùng hợp) ppm Đơn vị một phần triệu (mg/l) RNA Ribonucleic acid rRNA Ribosomal ribonucleic acid USEPA United State Environmental Protection Agency (Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ) X-gal 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside μl Microlit μm Micromet Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tính chất vật lý của một số PAH ............................................................ 4 Bảng 1.2: Một số chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy PAH .......................... 15 Bảng 1.3: Một số phương pháp phân loại vi sinh vật ............................................ 28 Bảng 3.1: Chủng vi khuẩn phát triển trên môi trường khoáng có bổ sung hỗn hợp PAH ................................................................................................ 46 Bảng 3.2: Chủng vi khuẩn phát triển trên môi trường khoáng có bổ sung hỗn hợp PAH và 0,5% glucose ..................................................................... 46 Bảng 3.3: Mức độ tương đồng của BTL4 so với một số chủng vi khuẩn .............. 52 Bảng 3.4: Kết quả đo và phân tích 1 số chỉ tiêu của nước thải KCN Từ Liêm trước và sau xử lý ở quy mô 5 lit phòng thí nghiệm ............................. 61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của một số hydrocarbon thơm đa nhân (PAH)............ 3 Hình 1.2: Các con đường phân hủy hiếu khí PAH chính của vi khuẩn và nấm ......... 16 Hình 1.3: Con đường phân hủy napthalene ở Pseudomonas................................. 19 Hình 1.4: Con đường phân hủy pyrene ở Mycobacterium sp. AP1 ...................... 20 Hình 1.5: Con đường phân hủy anthracene ở Mycobacterium sp. PYR-1 ............ 21 Hình 3.1: Mẫu làm giàu lần 3 của mẫu nước thải lấy từ khu công nghiệp Từ Liêm .... 44 Hình 3.2: Tập đoàn vi sinh vật trên môi trường khoáng thạch với 50 ppm PAH sau 3 lần làm giàu: (A) có bổ sung glucose, (B) không bổ sung glucose .......................................................................................... 45 Hình 3.3: (A) Hình thái khuẩn lạc và (B) hình thái tế bào chủng BTL 4 .............. 47 Hình 3.4: Điện di đồ DNA tổng số chủng BTL4 (A), và kiểm tra nhân đoạn gen 16S rRNA bằng kỹ thuật PCR (B).................................................. 48 Hình 3.5: Kết quả biến nạp chủng BTL4(A), và điện di đồ DNA plasmid của dòng số 2 từ BTL4 trên gel agarose 1% plasmid của chủng lạc mầu xanh (B) ......................................................................................... 49 Hình 3.6: Sản phẩm cắt DNA plasmid của dòng số 2 từ BTL4 ............................ 50 Hình 3.7: Kết quả giải trình tự đoạn gen 16S rRNA của chủng BTL4 ................. 51 Hình 3.8: Cây phát sinh chủng loại của chủng BTL4 ........................................... 52 Hình 3.9: Đồ thị thể hiện sự phát triển của chủng BTL4 ở 300C và 370C ............ 54 Hình 3.10: Đồ thị mật độ quang phổ của chủng BTL4 ở các điều kiện pH khác nhau ............................................................................................... 54 Hình 3.11: Kết quả nuôi BTL4 ở các nồng độ pyrene khác nhau ........................... 56 Hình 3.12: Kết quả phân tích khả năng phân hủy pyrene của chủng BTL4 ........... 56 Hình 3.13: Quá trình hoạt hóa bùn sau 3 tuần ......................................................... 59 Hình 3.14: Màu sắc của nước thải trước xử lý (A, C) và sau xử lý (B, D) với thời gian lưu của nước thải là 3 ngày .................................................... 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Nước là nguồn tài nguyên quý giá của nhân loại, không một ai, không một sinh vật nào có thể sống được nếu thiếu nước. Tuy nhiên cùng với sự phát triển của mình, con người đang ngày càng làm cho nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng trong đó phải kể đến nước thải công nghiệp. Xã hội phát triển, các ngành công nghiệp khác nhau phát triển làm cho các khu công nghiệp không ngừng tăng về số lượng. Tính đến tháng 10 năm 2009, toàn quốc đã có 233 khu công nghiệp được thành lập theo Quyết định của Thủ tướng Chính phủ. Trong đó, 171 khu công nghiệp đã đi vào hoạt động, với tổng diện tích đất 57264 ha, đạt tỷ lệ lấp đầy trung bình khoảng 46% [2]. Không ai có thể phủ nhân sự độc hại của nước thải công nghiệp, và việc xử lý chúng là một trong nhưng vấn đề đã được quan tâm, chú ý từ lâu, tuy nhiên do mức độ ô nhiễm và thành phần nước thải của các khu công nghiệp phụ thuộc vào thành phần các nhà máy, làng nghề thuộc khu công nghiệp, làm cho quá trình xử lý nước thải công nghiệp gặp rất nhiều khó khăn. Một trong những chất gây ô nhiễm nghiêm trọng nhất của nước thải công nghiệp là các hydrocarbon thơm đa vòng (PAH - Polycyclic Aromatic Hydrocarbon). PAHs có nguồn gốc khá đa dạng từ dầu mỏ, than đá, sản phẩm phụ của việc đốt nhiên liệu… [1]. PAHs tồn tại trong không khí có khả năng phản ứng với ozone và tạo thành ozone-alken có khả năng gây ung thư tồn tại trong khí quyển, ngoài ra nếu PAHs xâm nhập vào cơ thể con người thông qua con đường thực phẩm, tiếp xúc trực tiếp qua da… có thể gây ung thư, giảm tuổi thọ, đột biến thai nhi… Hầu hết PAHs đều ít tan trong nước nhưng tan tốt trong chất béo và khả năng gây ô nhiễm môi trường của chúng phụ thuộc vào khả năng tan của chúng trong môi trường nước. Do tác hại của PAH với con người mà từ lâu con người đã quan tâm nghiên cứu các phương pháp phân hủy PAH. Các PAH được nghiên cứu thường là các PAH có cấu tạo đơn giản như antharacene, naphthalene, phenantherene, pyren … trong đó pyren là chất có cấu tạo phức tạp, có khả năng gây độc hơn những chất còn lại, vì vậy nếu vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 khuẩn có khả năng phân hủy pyren thì cũng có khả năng phân hủy các loại PAH đơn giản khác. Có nhiều phương pháp phân hủy pyren như các phương pháp vật lý, hóa học tuy nhiên những phương pháp này vừa đắt lại vừa không triệt để nên khó có thể thực hiện trên quy mô lớn. Tuy nhiên ngày nay các nhà khoa học đã thấy rằng không những có thể sử dụng vi sinh vật để loại bỏ pyren mà đó còn là phương pháp vừa rẻ, triệt để và có khả năng thực hiện trên quy mô công nghiệp, có thể tiến hành thuận lợi trong điều kiện tự nhiên, độ an toàn cao và thân thiện với môi trường. Do vậy, trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu và điều tra về phân bố, cấu trúc các tập đoàn vi sinh vật, khả năng phân hủy pyren của các chủng đơn cũng như các tập đoàn vi sinh vật. Trong phương pháp này, vi sinh vật đóng vai trò quyết định do có khả năng xử lý các chất có trong nước thải. Vì vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: "Phân lập, tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy pyrene và khả năng xử lý nước thải ở quy mô phòng thí nghiệm 5 lít". Mục tiêu của đề tài - Phân lập tuyển chọn định tên , và kiểm tra khả năng phân hủy pyrene của chủng vi khuẩn được phân lập từ nguồn nước thải của khu công nghiệp Từ Liêm - Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải của tập đoàn vi sinh vật được phân lập từ nguồn nước thải của khu công nghiệp Từ Liêm ở quy mô 5 lít Nội dung của đề tài: - Phân lập, tuyển chọn một số chủng vi sinh vật trên môi trường chứa PAH. - Nghiên cứu khả năng phân hủy pyrene của chủng vi khuẩn đại diện từ những chủng vi khuẩn đã tuyển chọn được. - Đánh giá ảnh hưởng pH, nhiệt độ lên sự sinh trưởng… - Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải bởi các chủng vi khuẩn phân lập được ở quy mô 5 lít phòng thí nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Đặc điểm chung của PAH 1.1.1. Cấu trúc hóa học và một số đặc tính cơ bản của PAH Các PAH có mặt khắp nơi trong môi trường, những hợp chất này có 2- 6 vòng benzen kết hợp với nhau, khối lượng phân tử vào khoảng 128 - 278 g/mol. Cấu trúc hóa học của một số loại PAH được thể hiện ở hình 1.1. Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của một số hydrocarbon thơm đa nhân (PAH) PAH tinh khiết tồn tại ở thể rắn không màu, màu trắng hoặc màu vàng chanh ở nhiệt độ phòng (15-350C). Tuỳ thuộc vào kích thước và khối lượng phân tử mà các PAH có những tính chất vật lí, hóa học khác nhau. Tuy nhiên hầu hết các PAH đều ít tan trong nước, có áp suất hơi thấp nhưng lại tan tốt trong chất béo và có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cao [57]. Khả năng gây ô nhiễm môi trường tùy thuộc khả năng hòa tan của chúng trong môi trường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 nước [16]. Đặc điểm về khả năng hòa tan và áp suất hơi của PAH là nhân tố chính ảnh hưởng đến khả năng phân tán của chúng trong khí quyển, thủy quyển và sinh quyển. Số lượng vòng benzen trong cấu trúc hóa học của các PAH quyết định khả năng hòa tan của các PAH trong nước. PAH giảm khả năng hòa tan trong nước hay tăng tính kỵ nước khi số lượng vòng benzen tăng [59]. Khả năng hòa tan của các PAH rất biến động, từ những chất khó hòa tan nhất là Benzo[g,h,i]perylene có chỉ số hòa tan là 0,0003 mg/l cho đến chất dễ hòa tan nhất là naphthalen có chỉ số hòa tan tới 31 mg/l. Nếu khả năng hòa tan trong nước của PAH thấp, hay hệ số hấp phụ cao sẽ dẫn đến các PAH có xu hướng bị hấp phụ trong cặn bùn, đất đá và trầm tích, do đó ảnh hưởng rất nhiều tới khả năng chúng bị phân hủy sinh học bởi vi sinh vật [12]. Ngược lại, khả năng hòa tan trong nước của PAH cao thì khả năng bị phân hủy bởi vi sinh vật cũng cao. Điều đó cho thấy khả năng hòa tan trong nước của các PAH có ảnh hưởng đặc biệt quan trọng trong quá trình phân hủy sinh học PAH. Tính chất vật lý của một số PAH được chỉ ra ở bảng 1.1. Bảng 1.1: Tính chất vật lý của một số PAH [27] Số vòng Nhiệt độ nóng chảy (0C) Nhiệt độ sôi (0C) Phenanthrene 3 101 340 1,29 4,45 6,8x10-4 Anthracene 3 216 340 0,07 4,46 2,0x10-4 Fluoranthene 4 111 250 0,26 5,33 6,0x10-6 Benzo[a]anthracene 4 158 400 0,24 5,61 5,0x10-9 Pyrene 4 149 360 0,14 5,32 6,8x10-7 Chyrene 4 255 488 0,02 5,61 6,3x10-7 Benzo[a]pyrene (BaP) 5 179 496 0,0038 6,04 5,0x10-7 Dibenzo[a]anthracene 5 262 524 0,0005 5,97 1,0x10-10 Benzo[g,h,i]perylene 6 222 -- 0,0003 7,23 1,0x10-10 Tên loại PAH Độ tan trong LogKpd nƣớc (mg/l) Áp suất hơi ở 200C (torr) Kpd=[octanol]/[nước] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 Trong các tính chất vật lý của PAH, hệ số Kp d phản ánh khả năng hấp phụ lên bề mặt vật liệu rắn. Nếu hệ số Kp d cao, các PAH có xu hướng tăng khả năng hấp phụ lên bề mặt các vật liệu rắn, đồng nghĩa với sự giảm khả năng phân hủy sinh học. Áp suất hơi và nhiệt độ sôi cũng có vai trò quan trọng trong quá trình xử lý loại bỏ PAH khỏi các địa điểm ô nhiễm, nó ảnh hưởng đến khả năng hóa hơi của mỗi PAH, mà sự bay hơi cũng là một con đường để loại bỏ PAH khỏi nguồn ô nhiễm. Khi áp suất hơi tăng, khả năng bay hơi cũng tăng. Khả năng bay hơi cũng phụ thuộc vào kích thước và khối lượng phân tử. Từ cấu trúc phân tử PAH ở trên và bảng 1.1 ta thấy, naphthalene có kích thước nhỏ nhất nên có khả năng bay hơi đến 89%, trong khi đó benzo[a]pyrene là hợp chất có kích thước lớn, chỉ có khả năng bay hơi 1%. Phenanthrene là đồng phân của anthracene có độ bay hơi thấp hơn do cấu trúc phân tử chứa các vòng thơm không thẳng hàng như trong cấu trúc của anthracene [27]. Ngoài ra, PAH có thể bị quang phân khi tiếp xúc với tia tử ngoại từ bức xạ mặt trời. Trong không khí PAH còn có thể phản ứng với nhiều chất tồn tại trong khí quyển: O3, NOx, SO2... để tạo thành dione, mononitro và dinitro PAH và H2SO4, là các chất có khả năng gây ô nhiễm và hủy hoại môi trường sống mạnh [27]. 1.1.2. Tính độc và ảnh hưởng của PAH tới con người và môi trường Tính độc của PAH đã được người ta biết đến từ những năm 30 của thế kỷ XX khi Hieger và Cook cùng những cộng sự khác nghiên cứu và thấy tinh thể benzo[a]pyrene màu vàng gây khối u ở động vật thí nghiệm [24. Một số nghiên cứu trên chuột cũng đã chứng minh rằng sự tiêu hóa benzo[a]pyrene ở nồng độ cao trong suốt quá trình mang thai của chuột sẽ dẫn đến việc sảy thai hoặc làm giảm cân chuột con khi mới sinh ra, ngoài ra nếu bị phơi nhiễm PAH trong thời gian dài chuột dễ bị các bệnh như: ung thư phổi qua đường hô hấp, ung thư dạ dày từ việc tiêu hóa thức ăn có PAH và ung thư da do tiếp xúc trực tiếp với PAH qua da. Với con người, PAH có thể là tác nhân gây đột biến và dẫn đến ung thư [13, 16, 27]. Một vài nghiên cứu trên đối tượng động, thực vật cho thấy, động vật nếu tiếp xúc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 với naphthalene ở nồng độ cao thì chỉ trong thời gian ngắn cũng có thể gây mờ mắt, gây độc ở mức độ vừa phải. Hiệu ứng mạnh hơn, naphthalene có thể gây chậm phát triển, thậm chí gây chết với động thực vật. Nghiên cứu ngưỡng độc của naphthalene đối với loài cá vược, người ta đã xác định LD50 là 240 g/l (LD50 là liều gây chết 50% mẫu sinh vật thí nghiệm). Bằng việc thử nghiệm với một nhóm chuột cho sử dụng anthracene với lượng 1,8 µg/l, người ta thấy rằng, sau 2 tuần gây nhiễm, tỷ lệ chuột xuất hiện khối u là 40% [27]. Trong thực tế, các nhà khoa học cũng đã tiến hành nhiều nghiên cứu để xác định khả năng gây ảnh hưởng của PAH đến sức khỏe con người. Người ta đã tiến hành điều tra những người công nhân sống ở những nơi bị ô nhiễm PAH trong thời gian dài và nhận thấy rằng những người này có nguy cơ bị mắc các như bệnh ung thư da, ung thư phổi và ung thư dạ dày cao hơn những người bình thường. Tuy hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu nào cho thấy rằng PAH có thể giết chết con người sau khi xâm nhập vào cơ thể nhưng những tác động của chúng đến cơ thể con người là khá rõ ràng. Anthracene và naphthalene có thể gây dị ứng, viêm, sưng tấy da khi tiếp xúc trong thời gian ngắn. Phenanthrene được biết như chất cảm quang với da người, chất gây dị ứng với động vật, đột biến tới hệ thống vi khuẩn trong các điều kiện đặc biệt. Chất này gây yếu các nhiễm sắc thể tương đồng và kìm hãm sự nối liền các kẽ hở gian bào. Các PAH khác như acenaphthalene, fluoranthene, fluorene đều gây độc cho động và thực vật. Độc tính của benzo[a]pyrene, benzo[a]anthracene, benzo[b]fluoranthrene, benzo[k]fluoranthrene, dibenzen [a,h]anthracene và indenol[1,2,3-c,d]pyrene đã được nghiên cứu chứng minh gây ung thư cho người. Trong tự nhiên hiếm khi bắt gặp các PAH đơn lẻ mà chỉ gặp chúng ở dạng hỗn hợp nhiều PAH, điều này càng làm cho độc tính của chúng càng được tăng cường [ 56]. Khi xâm nhập vào cơ thể, PAH nhanh chóng xâm nhập và tích tụ trong các mô mỡ và tiếp tục di chuyển đến những cơ quan khác. Tùy từng loại PAH với liều lượng và thời gian tác động mà mức độ ảnh hưởng đến cơ thể khác nhau. Chẳng hạn, với naphthalene, nếu tiếp xúc trong thời gian ngắn, nồng độ thấp, nó có thể gây dị ứng, viêm tấy da, mắt. Khi xâm nhập vào hệ tiêu hóa, naphthalene sẽ gây bệnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 thiếu máu do chúng phá vỡ các tế bào hồng cầu. Nếu tiếp xúc với naphthalene trong thời gian dài với nồng độ lớn hơn 10 ppm sẽ dẫn tới các bệnh kinh niên, gây ung thư da phổi và có thể làm giảm khả năng thụ thai ở phụ nữ và có thể làm nguy hiểm tới sự phát triển của thai nhi [27]. Tính độc của PAH không những phụ thuộc vào nồng độ, cấu trúc hóa học, độ phân cực của các nguyên tố mang điện tích trong phân tử mà còn phụ thuộc vào những yếu tố môi trường như: ánh sáng, nhiệt độ… Tuy hiện nay các nghiên cứu để chứng minh tính độc của mỗi loại PAH đơn lẻ là không nhiều nhưng người ta cũng đã xác định được 8 loại PAH có khả năng gây ung thư trên cơ thể người đó là: benzo[a]anthracene, chrysen, benzo[b]fluoranthene, benzo[k]fluoranthene, BaP, indeno[1,2,3-cd]pyren, dibenzo[ah]anthrancene và benzo[ghi]perylene [57]. Ở một số vùng bờ biển bị ô nhiễm bởi các hợp chất PAH thì một số loài cá và các sinh vật sống dưới nước khác sẽ tích tụ một lượng PAH nhất định từ đó có thể đe dọa tới sức khoẻ con người thông qua việc tiêu dùng đồ biển. Do tính độc hại như vậy, Cục Bảo vệ môi trường Mỹ (USEPA) đã liệt PAH vào danh sách những chất ô nhiễm điển hình và tiến hành kiểm định sự có mặt của chúng trong hệ sinh thái dưới nước cũng như trên cạn [16, 56]. Cơ quan này cũng đã đưa ra mức nồng độ an toàn của PAH trong quá trình tiếp xúc để tránh gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người để chúng ta tham khảo, theo đó không nên tiếp xúc với một số loại PAH có nồng độ cao hơn các mức sau: 0.3 mg anthracene/kg cơ thể người, 0.06 mg acenaphthene/kg cơ thể người, 0.04 mg fluoranthene/kg cơ thể người và 0.03 mg pyrene/kg cơ thể người. 1.2. Nguồn gốc phát sinh PAH Có nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn đến sự phát sinh PAH tuy nhiên chúng đều bắt nguồn từ quá trình đốt cháy các vật liệu hữu cơ trong tự nhiên hay trong các hoạt động sản xuất của con người. Trong tự nhiên, sự phát sinh PAH là từ các quá trình địa chất tự nhiên như: sự phun trào núi lửa, hóa lỏng khí than, cháy rừng, cháy đồng cỏ… nhưng phần lớn lượng PAH tồn tại trong môi trường hiện nay đều bắt nguồn từ các hoạt động sản xuất của con người. PAH được hình thành từ quá trình khai thác than và dầu mỏ, sự đốt cháy các khí thiên nhiên, xử lý phế thải, từ khí thải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 của các phương tiện giao thông, từ quá trình chế biến thức ăn hay trong khói thuốc lá…[46]. Như vậy, PAH có thể được hình thành từ nhiều quá trình khác nhau tuy nhiên chúng ta có thể tóm tắt những nguồn phát sinh chính như sau: - Các quá trình sản xuất công nghiệp: các công đoạn đúc sắt, thép, sản xuất nhôm, sản xuất than chì, quá trình bẻ gãy các liên kết hữu cơ trong sản xuất dầu thô. - Các thiết bị đốt nóng trong công nghiệp, các thiết bị sưởi, tháp chưng cất, các lò đốt và lò luyện kim. - Các động cơ chạy bằng dầu diezen và các loại khí đốt khác. - Các hoạt động sinh hoạt thường ngày của con người: chế biến thức ăn, sưởi ấm, hút thuốc lá… - Các lò thiêu đốt rác: rác thải y tế, rác thải sinh hoạt và một số phế thải trong công nghiệp. Tại các nước công nghiệp phát triển, các hoạt động có liên quan đến đốt cháy tạo ra một lượng lớn PAH. Các PAH này được tích tụ lại trong đất và làm tăng nồng độ PAH nhanh chóng trong vòng 100 -150 năm trở lại đây [27]. Có tới hàng trăm loại PAH khác nhau nhưng được biết đến nhiều nhất là benzo[a]pyrene. Năm 1981, ở CHLB Đức sự phát tán BaP vào không khí được ước lượng là khoảng 18 triệu tấn trong đó có khoảng: 30% từ hoạt động sản xuất than, 56% từ quá trình đốt cháy bằng than, 13% từ khí thải của các phương tiện giao thông và khoảng 5% là do sự đốt cháy các nhiên liệu khác [57]. Hiện nay sự phát tán BaP vào không khí không chỉ do các nguyên nhân trên mà còn có sự đóng góp của một số nguồn phát sinh quan trọng khác: sự đốt cháy các nguyên, nhiên vật liệu trong đời sống sinh hoạt của con người, quá trình đốt cháy các loại phế thải và rác thải, quá trình cracking dầu mỏ… Như vậy, bằng cách trực tiếp hay gián tiếp con người đã làm phát sinh PAH vào môi trường và chính những nguyên nhân này đã và đang làm cho lượng PAH phát tán vào môi trường ngày càng nhiều, dẫn tới những nguy cơ nghiêm trọng làm ảnh hưởng đến sức khoẻ và môi trường sống của con người. Tuy nhiên, bên cạnh những tính độc của PAH kể trên thì một số loại PAH có ứng dụng lớn trong các ngành công nghiệp như trong công nghiệp dược, nhuộm, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 sản xuất đồ nhựa, thuốc tẩy rửa và thuốc trừ sâu [27]. Ở New York (Mỹ), hỗn hợp phenanthrene và anthracene được sử dụng để chống rỉ cho những thiết bị trữ nước [27]. Benzo[a]pyrene được sử dụng để hạn chế muội và khói, trong công nghệ quét hắc ín, hay còn sử dụng để liên kết các phần tích điện lại với nhau. Người ta cũng có thể tìm thấy trong hợp chất creosote, một chất hóa học được sử dụng làm chất bảo quản gỗ (PAH chiếm đến 85% khối lượng của creosote) [15]. BaP cũng được sử dụng là tác nhân gây đột biến lên động vật thí nghiệm, để kiểm tra đặc tính gây ung thư của nó trong thời gian ngắn. Đặc biệt, phenanthrene còn được ứng dụng trong công nghiệp dược để sản xuất thuốc ngủ [27]. 1.3. Tình trạng ô nhiễm PAH và các biện pháp xử lý 1.3.1. Tình trạng ô nhiễm PAH Trong môi trường nước, người ta ước tính có khoảng 2,3.105 tấn PAH xâm nhập vào hệ sinh thái nước mỗi năm. Đặc biệt với hệ sinh thái biển, tình trạng ô nhiễm PAH thực sự đáng báo động. Nguồn phát sinh PAH chủ yếu ở đây là từ phế thải của công nghiệp hóa dầu, công nghiệp khai thác và vận chuyển dầu mỏ, nước thải công nghiệp và sinh hoạt… Không chỉ tồn tại trong môi trường nước tự nhiên PAH còn được tìm thấy trong nhiều mẫu nước uống. Người ta đã tiến hành kiểm tra 1 số lượng nước khoáng nhất định và xác định được 6 loại PAH có trong đó: flouranthene, benzo[b]flouranthene, benzo[k]fluoranthene, BaP, benzo[ghi]perylene và indeno [1,2,3- cd] pyrene. Trong đó 90% mẫu nước kiểm tra có nồng độ 6 loại PAH trên từ 0,001-0,01μg/l, 1% mẫu nước có nồng độ trung bình lớn hơn 0,11μg/l và nồng độ BaP trong đó là khoảng 0,002-0,024μg/l [27]. Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy sự có mặt của PAH trong các mẫu trầm tích với nồng độ cao. Ở vịnh Boston (Mỹ) nồng độ PAH lên tới 100.000 ng/g. PAH tích lũy nhiều như vậy là do chúng có khả năng hòa tan kém trong nước nên bị hấp phụ với số lượng lớn vào trong các lớp đá trầm tích [27]. Trong không khí cũng chứa một lượng đáng kể PAH. Có khoảng hơn 500 loại PAH và các hợp chất có liên quan đã được phát hiện tuy nhiên lượng lớn nhất phải kể đến BaP. Vào những năm 70 của thế kỷ trước, ở Mỹ nồng độ BaP trung bình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 hàng năm là 1-5 ng/m3 còn ở một số thành phố của châu Âu nồng độ BaP là 100 ng/m3 [57]. Trong khoảng 30 năm trở lại đây nồng độ BaP về cơ bản đã giảm nhưng vẫn còn ở mức cao. Ở Copenhagen (Đan Mạch) là 4 ng/m3, ở Trung Quốc là 14,7 μg/m3, và ở Ấn Độ là 4 μg/m3 [57]. Trong khí quyển nồng độ PAH thay đổi tuỳ thuộc vào từng khu vực, ở nông thôn hàm lượng PAH là 0,02-1,2 ng/m3 trong khi đó ở các đô thị hàm lượng này là 0,15-19,5 ng/m3. Hàm lượng PAH ở các đô thị cao như vậy là do sự tập trung của các khu công nghiệp, các phương tiện giao thông, vận tải và dân cư đông đúc [57]. PAH cũng được tìm thấy trong lớp đất bề mặt. Nồng độ đặc trưng của PAH trong đất rừng là 5-100 μg/kg, trong đất nông nghiệp là 10-100 μg/kg và trong đất đai ở các đô thị là 600-3000 μg/kg hay thậm chí có thể cao hơn rất nhiều ở những vùng sản xuất công nghiệp và giao thông đông đúc [51]. Ngoài ra người ta còn tìm thấy PAH trong hầu hết các sản phẩm thịt, cá, rau và hoa quả. Tùy thuộc vào phương thức chế biến, dự trữ và bảo quản mà hàm lượng PAH trong mỗi loại thực phẩm là khác nhau tuy nhiên hàm lượng PAH được tìm thấy cao nhất là trong nhóm sản phẩm “đường và đồ ngọt” trong đó nồng độ chrysen lên tới 36 μg/kg [57]. Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ được tiến hành ở Bắc Mỹ thì trung bình một ngày con người lấy vào 3,12 mg PAH trong đó 96,2% là từ thực phẩm, 1,6% từ không khí, 0,2% từ nước và 0,4% từ đất [57]. Tại Việt Nam, ô nhiễm nước thải từ các khu công nghiệp đã trở nên phổ biến. Hiện nay, tỷ lệ các khu công nghiệp đã đi vào hoạt động có trạm xử lý nước thải tập trung chỉ chiếm khoảng 43%, rất nhiều khu công nghiệp đã đi vào hoạt động mà hoàn toàn chưa triển khai xây dựng hạng mục này. Nhiều khu công nghiệp đã có hệ thống xử lý nước thải tập trung nhưng tỷ lệ đấu nối của các doanh nghiệp trong khu công nghiệp còn thấp. Nhiều nơi doanh nghiệp xây dựng hệ thống xử lý nước thải cục bộ nhưng không vận hành hoặc vận hành không hiệu quả [2]. Theo báo cáo của của Bộ tài nguyên Môi trường (2009), khoảng 70% trong số hơn 1 triệu m3 nước thải/ngày từ các khu công nghiệp được xả thẳng ra các nguồn tiếp cận không qua xử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 lý đã gây ra ô nhiễm môi trường nước mặt. Chất lượng nước mặt tại những vùng chịu tác động của nguồn thải từ các khu công nghiệp đã suy thoái, đặc biệt tại lưu vực sông: Đồng Nai, Cầu và Nhuệ-Đáy [2]. Các khu công nghiệp với sự đa dạng của các nhà máy (sản xuất sơn, cơ khí, thép, thực phẩm, in…) có thể thải ra PAH trong quá trình hoạt động sản xuất. Tuy hiện nay vẫn chưa có công bố chính thức về sự có mặt của PAH trong nước thải khu công nghiệp ở Việt Nam nhưng khả năng ô nhiễm nghiêm trọng khá rõ ràng. 1.3.2. Các biện pháp xử lý tẩy độc PAH Việc làm thay đổi cấu trúc hóa học của chất độc nhằm tạo ra các sản phẩm ít độc hoặc không độc cho môi trường và con người đang là một thách thức đối với các nhà khoa học và công nghệ. Để giảm độc tính của các chất này, người ta hay phá vỡ cấu trúc phân tử của chúng bằng cách sử dụng enzyme cắt vòng. Đến nay, trên thế giới, người ta đã đưa ra một số phương pháp tiêu độc như: cô lập, chôn lấp, xử lý hóa học, đốt ở nhiệt độ cao, lý học, sinh học… * Phương pháp vật lý Trong cấu tạo hóa học của PAH, do có cấu trúc vòng thơm, PAH tương đối khó phân hủy trong tự nhiên. Phương pháp chôn lấp hay được áp dụng đối với nhiều chất thải, rác thải, kể cả các chất thải nguy hại trong đó có chất độc hóa học. Ưu điểm của phương pháp này là không tốn kém nhưng nhược điểm là các chất độc vẫn nằm trong đất chứ không được phân hủy, các chất độc hóa học này sẽ là nguồn tiềm tàng gây ô nhiễm cho môi trường. Công nghệ thiêu đốt cũng đã được sử dụng trên thế giới, phương pháp xử lý này tương đối triệt để song giá thành lại cao và có khả năng gây ô nhiễm thứ cấp bởi các sản phẩm phụ tạo trong quá trình vận hành. * Phương pháp hóa lý Các phương pháp hóa học như oxy hóa, phương pháp vật lý như quang hóa, sử dụng tia bức xạ, tia cực tím, hay áp suất cao cũng mang lại hiệu quả nhất định. Theo Draper và cộng sự (1987), xử lý bằng phương pháp quang hóa, 80% chất độc bị phân hủy dưới tác động của chùm tia cực tím cường độ 20 W/cm3 ở nhiệt độ 20oC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 trong thời gian 3 ngày [19]. Tuy nhiên, những phương pháp trên có nhược điểm là không có tác dụng với lớp đất có độ sâu dưới vài milimet, do đó chỉ xử lý được lớp đất rất mỏng trên bề mặt [50]. Mặc dù làm sạch PAH có thể được tiến hành bằng biện pháp hóa lý đã nêu ở trên, nhưng các phương pháp này có nhược điểm là gây ô nhiễm thứ cấp nên không an toàn và không xử lý triệt để. Mặt khác, giá thành của việc sử dụng các phương pháp đó lại cao nên xu hướng sử dụng chúng ngày càng giảm. * Phương pháp phân hủy sinh học Hiện nay, phương pháp sinh học đang bắt đầu được quan tâm bởi tính an toàn và hiệu quả không những về mặt công nghệ mà còn về kinh tế. Chìa khóa của công nghệ phân hủy sinh học là thúc đẩy tập đoàn vi sinh vật bản địa tham gia vào quá trình phân hủy ở mức cao nhất. Các nghiên cứu cơ bản đều nhằm mục đích thúc đẩy hiệu quả quá trình tẩy độc thông qua việc kích thích tập đoàn vi sinh vật trong các điều kiện phân hủy khác nhau tạo ra kết quả cuối cùng là các sản phẩm ít độc hoặc hoàn toàn không độc. Chính vì vậy, công nghệ phân hủy sinh học đã trở thành công nghệ thân thiện với môi trường. Phương pháp phân hủy sinh học đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và áp dụng trong những năm gần đây và cũng đã đạt được khá nhiều thành tựu. Công nghệ sinh học đảm bảo an toàn cho môi trường hơn tất cả các công nghệ khác. Đặc biệt, trong điều kiện sinh thái đa hệ, việc áp dụng công nghệ phân hủy sinh học PAH nói riêng và các nguồn chất độc nói chung sẽ mang lại hiệu quả kinh tế xã hội cao nhất [61], [64]. Quá trình làm sạch sinh học có thể thực hiện ở quy mô lớn nhỏ khác nhau và ở điều kiện hiếu khí hoặc kị khí. Việc tẩy độc bằng phân hủy sinh học có thể được tiến hành riêng rẽ hoặc kết hợp với các phương pháp khác, sau vài tháng hoặc vài năm các chất ô nhiễm có thể được hoàn toàn loại bỏ. Phương pháp phân hủy sinh học không đòi hỏi các điều kiện phức tạp (nhiệt độ cao, áp suất lớn, quá trình xúc tác…) không gây ra ô nhiễm thứ cấp, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, do đó rất phù hợp với điều kiện ở nước ta. Tuy nhiên, phương pháp sinh học thường diễn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn