MỞ ĐẦU Chất diệt cỏ chứa dioxin (chất diệt cỏ/dioxin) là một trong số các chất hữu cơ chứa clo độc hại không chỉ với môi trường, con người mà còn khó bị phân hủy bởi vi sinh vật (VSV). Xử lý ô nhiễm các chất hữu cơ chứa clo nói chung và chất diệt cỏ/dioxin nói riêng bằng biện pháp phân hủy sinh học (bioremediation) đã và đang được nghiên cứu do chi phí thấp và thân thiện đối với môi trường. Các nghiên cứu về quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ chứa clo đã chứng minh có 4 con đường phân hủy, chuyển hóa bởi VSV. Trong số đó có 3 con đường xảy ra với sự có mặt của oxy bao gồm oxy hóa cắt vòng thơm, loại clo ở sản phẩm cắt vòng và phân hủy nhờ cơ chế xúc tác bởi enzyme ngoại bào hay các chất tương tự trao đổi chất hoạt động như enzyme.
Quá trình thứ tư là loại khử clo xảy ra ở điều kiện không có oxy hay thiếu oxy được gọi chung là hô hấp loại khử clo. Công nghệ phân hủy sinh học đã được áp dụng thành công với quy mô 0,5 m3 đến 100 m3 tại Đà Nẵng và quy mô 3. Hiệu quả xử lý tại Đà Nẵng đạt 50 – 70% sau gần 2 năm xử lý (Đặng Thị Cẩm Hà, 2005) và tại Biên Hòa đạt hơn 99% sau 27 tháng xử lý (Đặng Thị Cẩm Hà, 2012). Để đạt được hiệu quả xử lý nêu trên có rất nhiều yếu tố liên quan trong đó có vai trò của VSV, các điều kiện mini sinh thái của mỗi lô xử lý, các nhóm VSV tham gia vào quá trình chuyển hóa, phân hủy và khoáng hóa các hợp chất là thành phần chất diệt cỏ/dioxin.
Đặc biệt, sự đa dạng và mức độ hoạt động của quần xã vi khuẩn kỵ khí (VK KK) hô hấp loại khử clo tham gia vào quá trình chuyển hóa, phân hủy sinh học các chất độc như thế nào vẫn đang là những câu hỏi cần được giải đáp bằng các nghiên cứu cơ bản với sự hỗ trợ của các kỹ thuật hiện hành. Hiện nay, các nghiên cứu về VK hô hấp loại khử clo trên thế giới đã công bố có 20 chi và thuộc về 3 ngành là Proteobacteria, Chloroflexi và Firmicute. Trong các lô xử lý ở Đà Nẵng, sự có mặt VK Dehalococcoides thuộc ngành Chloroflexi đã được xác định bằng phương pháp DGGE (Nguyễn Bá Hữu, 2009). Một số VK KSF thuộc ngành Proteobacteria cũng đã được phát hiện tại khu vực này.
Đặc biệt, 2 nhóm VK hô hấp loại khử clo theo cơ chế đồng trao đổi chất mà đại diện là Pseudomonas đã được phát hiện ở hầu hết các nghiên cứu ở Việt Nam (Nguyễn Bá Hữu, 2009). Chúng không chỉ có mặt trong các mẫu nguyên thủy mà còn luôn được tìm thấy ở hầu hết các mẫu của quá trình xử lý ở các quy mô khác nhau trong điều kiện thiếu khí. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu sâu nào về nhóm VK KK có khả năng hô hấp loại khử clo một cách có hệ thống. Đặc biệt, việc làm giàu các VK KK hô hấp loại khử clo bắt buộc bắt đầu được nghiên cứu nhưng chưa thành công.
Để tìm hiểu sự có mặt và vai trò của nhóm VK KK hô hấp loại khử clo trong các lô xử lý đất ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin tại Đà Nẵng và Biên Hòa, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu đa dạng quần xã vi khuẩn kỵ khí trong các lô xử lý chất diệt cỏ/dioxin bằng phương pháp phân hủy sinh học”. Luận án được thực hiện với các mục đích và nội dung chính sau đây: Mục đích nghiên cứu Đánh giá sự đa dạng VK KK trong các lô xử lý chất diệt cỏ/dioxin và trong mẫu làm giàu VK KK hô hấp loại khử clo bằng phương pháp sinh học phân tử. Đánh giá sự đa dạng các gene chức năng tham gia vào quá trình phân hủy và chuyển hóa các hợp chất chứa clo vòng thơm trong mẫu làm giàu quần xã VK KK hô hấp loại khử clo từ mẫu đất ở lô xử lý của Biên Hòa. Đánh giá khả năng phân hủy chất diệt cỏ/dioxin trong mẫu làm giàu bởi quần xã VK KK hô hấp loại khử clo.
Nội dung nghiên cứu Xác định sự có mặt của một số nhóm VK KK hô hấp loại khử clo trong các lô xử lý bằng phương pháp nested-PCR. Nghiên cứu sự đa dạng VK KSF và Dehalococcoides từ các lô xử lý đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin tại sân bay Đà Nẵng và Biên Hòa bằng phương pháp DGGE. Đánh giá sự biến động số lượng VK KK sử dụng dioxin và VK KSF trong lô xử lý 3. 3 Nghiên cứu một số đặc điểm sinh học của quần xã VK KSF và một chủng đại diện được làm giàu, phân lập từ các lô xử lý chất diệt cỏ/dioxin ở Việt Nam.
Đánh giá khả năng phân hủy hay chuyển hóa các đồng phân PCDD/Fs và các hợp chất vòng thơm từ mẫu làm giàu quần xã VK KK hô hấp loại khử clo và VK KSF. Sử dụng công cụ Metagenomics để nghiên cứu sự đa dạng của quần xã VK KK cũng như các gene chức năng tham gia vào quá trình phân hủy và chuyển hóa chất diệt cỏ/dioxin có mặt trong mẫu làm giàu từ đất của 16 vị trí ở lô xử lý khử độc tại Biên Hòa sau 36 tháng. Phƣơng pháp nghiên cứu 1. Phương pháp sinh học phân tử: nested-PCR, DGGE, Metagenomics được sử dụng để đánh giá sự đa dạng VK KK hô hấp loại khử clo trong các lô xử lý đất ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin và trong mẫu làm giàu.
Phương pháp nuôi cấy truyền thống: nuôi cấy, làm giàu VK KK trong phòng thí nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường đến khả năng sinh trưởng của các VK này. Phương pháp hóa học: phân tích các thành phần hóa học trên máy HPLC và GC/MS để đánh giá khả năng phân hủy hay chuyển hóa các chất là thành phần của chất diệt cỏ như các đồng phân của dioxin, 2,4,5-T và sản phẩm phân hủy sinh học của chúng như 2,4-DCP bởi các VK KK trong các mẫu làm giàu từ đất của lô xử lý ở Đà Nẵng, Biên Hòa. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 1. Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam làm giàu được quần xã VK KK hô hấp loại khử clo từ đất chôn lấp tích cực liên quan đến xử lý chất diệt cỏ/dioxin.
Các VK KK có mặt trong mẫu làm giàu bao gồm cả ba nhóm loại khử clo là hô hấp loại khử clo bắt buộc (Dehalococcoides, Dehalogenimonas); hô hấp loại khử clo không bắt buộc (Desulfitobacterium, Desulfovibrio, Desulfococcus, Anaeromyxobacter v.); hô hấp loại khử clo đồng trao đổi chất (Pseudomonas, Clostridium, Shewanella v.) trong đó Pseudomonas chiếm ưu thế hơn cả. Đã đánh giá được khả năng phân hủy và chuyển hóa 55,7% tổng độ độc trên đất ô nhiễm nặng (41.265 ng TEQ/kg đất khô) bởi quần xã VK KK. Đánh giá được hiệu suất phân hủy các chất là thành phần của chất diệt cỏ/dioxin (17 đồng phân PCDD/PCDF, 2,4,5-T) và sản phẩm phân hủy sinh học của 2,4,5-T, 2,4-D là 2,4,5-TCP, 2,4-DCP bởi quần xã VK KK cũng như khả năng phân hủy 2,4,5- TCP, 2,4-DCP bởi chủng VK KSF đã làm sạch. Lần đầu tiên ở Việt Nam sử dụng công cụ Metagenomics để đánh giá sự đa dạng quần xã VK KK và các gene chức năng tham gia phân hủy, chuyển hóa chất diệt cỏ/dioxin trong mẫu làm giàu một năm từ đất sau 36 tháng xử lý ở Biên Hòa trên đất ô nhiễm ở mục (2).
5 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Đặc điểm của các hợp chất hữu cơ chứa clo 1. Một số đặc điểm chung của các hợp chất hữu cơ chứa clo Các hợp chất hữu cơ chứa clo được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như quá trình sản xuất thuốc trừ sâu, trừ nấm, chất diệt cỏ, các quá trình tẩy rửa, luyện kim loại, sản xuất bột giấy, dùng làm dung môi v., trong nông nghiệp và cả trong chiến tranh xâm lược. Các hợp chất hữu cơ chứa clo cũng được sinh ra do sự đốt cháy không hoàn toàn (đốt cháy các chất thải rắn), các hoạt động tự nhiên (cháy rừng, hoạt động kiến tạo vỏ trái đất như động đất, núi lửa) (Schecter, 2006).
Thời gian bán hủy của các chất hữu cơ chứa clo trong môi trường thường kéo dài hàng tuần đến hàng năm, thậm chí hàng chục năm như chất diệt cỏ chứa dioxin tại sân bay Đà Nẵng và Biên Hòa. Đặc biệt, dioxin là một trong số các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm chứa clo có thể tồn tại hàng trăm năm hay lâu hơn trong môi trường và không bị phân hủy dưới tác dụng của axit mạnh, kiềm mạnh, các chất có tính oxy hóa. Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo của các hợp chất hữu cơ chứa clo, các nhà khoa học phân loại chúng thành 3 nhóm chính là chất hữu cơ chứa clo mạch thẳng, vòng thơm và đa vòng thơm (Hình 1. Nhóm chất này được sử dụng làm chất bảo quản gỗ, sản xuất thuốc nhuộm, chất diệt cỏ, diệt nấm (Tas, 2009).
(iii) Các chất hữu cơ đa vòng thơm chứa clo bao gồm các hợp chất có cấu trúc 2-3 vòng thơm và chứa từ 2 đến 8 nguyên tử clo trong phân tử. Đây là các chất có độ độc cao tùy thuộc vào số lượng và vị trí các nguyên tử clo trong phân tử. Các chất này được gọi chung là dioxin. Căn cứ vào số nguyên tử clo và vị trí không gian 6 của những nguyên tử này, dioxin có 75 đồng phân polychlorodibenzo-p-dioxin (PCDD) và 135 đồng phân polychlorodibenzofuran (PCDF) với độc tính khác nhau.
Thành phần của chất diệt cỏ mà quân đội Mỹ đã sử dụng trong chiến tranh ở Việt Nam chứa chủ yếu là các hợp chất 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), 2,4,5- trichlorophenoxyacetic acid (2,4,5-T) (Hình 1.1) và nhiều hợp chất vòng thơm khác. cis-1,3- Tetrachloroethene Trichloroethene -hexachlorocyclohexane dichloropropene (PCE) (TCE) (HCH) 2,4,5-T 2,4-D 2,4-dichlorophenol 1,2,4,5- (2,4-DCP) tetrachlorobenzen PCDD PCDF 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p- dioxin (2,3,7,8-TCDD) Hình 1. Một số hợp chất hữu cơ chứa clo điển hình 2,4-D, 2,4,5-T thuộc họ chất diệt cỏ phenoxy có tác dụng làm rụng lá, tồn tại ở dạng axit, muối (chủ yếu là amin), ester. Ở nồng độ thấp, 2,4-D kích thích quá trình tổng hợp RNA, DNA và protein, trong khi đó ở nồng độ cao, 2,4-D có thể ức chế sự phân chia và sinh trưởng của tế bào thực vật.
2,4,5-T được tổng hợp từ 2,4,5- trichlorophenol (2,4,5-TCP). 2,4,5-T được sử dụng làm tác nhân gây rụng lá trong nông nghiệp và lâm nghiệp. 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (2,3,7,8-TCDD) là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất chất diệt cỏ 2,4,5-T. Đây là chất có độ độc cao nhất với tổng độ độc tương đương là 1 (Schecter, 2006).
