Luận án tiến sĩ sinh học nghiên cứu đa dạng vi sinh vật trong mẫu đất nhiễm chất diệt cỏ dioxin ở biên hòa đồng nai và đánh giá khả năng phân hủy của một số chủng phân lập

Nghiên cứu đa dạng vi sinh vật và khả năng phân hủy dioxin trong đất nhiễm chất diệt cỏ tại Biên Hòa, Đồng Nai, hướng tới giải pháp xử lý ô nhiễm hiệu quả.

• Tác giả: NCS. Phạm Quang Huy
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thị Cẩm Hà
• Trường học: Viện Công nghệ sinh học
• Chuyên ngành: Vi sinh vật học
• Đề tài: Nghiên Cứu Đa Dạng Vi Sinh Vật Và Khả Năng Phân Hủy Dioxin Trong Đất Nhiễm Chất Diệt Cỏ Tại Biên Hòa, Đồng Nai
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ô nhiễm dioxin và vi sinh vật

Ô nhiễm dioxin tại Biên Hòa, Đồng Nai đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người. Dioxin là một nhóm các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, trong đó 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (2,3,7,8-TCDD) là đồng phân độc nhất. Các nghiên cứu cho thấy rằng vi sinh vật có khả năng phân hủy dioxin, tuy nhiên, sự đa dạng của chúng trong đất ô nhiễm vẫn chưa được đánh giá đầy đủ. Việc nghiên cứu đa dạng vi sinh vật trong đất nhiễm chất diệt cỏ là cần thiết để hiểu rõ hơn về khả năng phân hủy dioxin và cải thiện các phương pháp xử lý ô nhiễm.

1.1. Đặc điểm của dioxin và ảnh hưởng đến môi trường

Dioxin có tính chất hóa học bền vững, dễ tích tụ trong môi trường và có thể gây ra các tác động tiêu cực đến sức khỏe con người. Thời gian bán hủy của dioxin trong đất có thể lên đến hàng chục năm, dẫn đến sự tích tụ và ô nhiễm kéo dài. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chất diệt cỏ chứa dioxin không chỉ gây hại cho hệ sinh thái mà còn làm biến đổi quần xã vi sinh vật trong đất, ảnh hưởng đến khả năng phân hủy các chất độc hại khác.

1.2. Vai trò của vi sinh vật trong phân hủy dioxin

Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy dioxin. Nghiên cứu cho thấy rằng một số chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy dioxin hiệu quả, giúp giảm thiểu ô nhiễm trong môi trường. Việc xác định và phân lập các chủng vi sinh vật này là cần thiết để phát triển các phương pháp xử lý ô nhiễm hiệu quả hơn. Sử dụng công nghệ metagenomic có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự đa dạng và chức năng của vi sinh vật trong đất ô nhiễm.

II. Phương pháp nghiên cứu và thu thập mẫu

Nghiên cứu được thực hiện tại hai khu vực ở Biên Hòa, nơi có đất nhiễm nặng chất diệt cỏ và đất đã được xử lý. Mẫu đất được thu thập và bảo quản cẩn thận để đảm bảo tính chính xác trong phân tích. Phương pháp tách chiết DNA từ mẫu đất được thực hiện bằng công nghệ hiện đại, giúp thu được DNA chất lượng cao cho phân tích metagenomic. Việc phân tích thành phần cơ giới và nồng độ dioxin trong mẫu đất cũng được thực hiện để đánh giá mức độ ô nhiễm.

2.1. Quy trình thu thập và bảo quản mẫu

Mẫu đất được thu thập từ các khu vực có mức độ ô nhiễm khác nhau. Quy trình thu thập bao gồm việc xác định vị trí, thời gian và phương pháp lấy mẫu để đảm bảo tính đại diện. Sau khi thu thập, mẫu đất được bảo quản trong điều kiện thích hợp để tránh sự phân hủy của vi sinh vật và các hợp chất có trong mẫu.

2.2. Phân tích thành phần và nồng độ dioxin

Phân tích thành phần cơ giới của mẫu đất được thực hiện để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân hủy dioxin. Nồng độ dioxin trong mẫu đất cũng được xác định bằng các phương pháp phân tích hóa học hiện đại, giúp đánh giá mức độ ô nhiễm và khả năng phân hủy của các vi sinh vật phân lập được.

III. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự đa dạng của vi sinh vật trong mẫu đất nhiễm dioxin. Các chủng vi sinh vật phân lập được có khả năng phân hủy dioxin khác nhau, với một số chủng cho thấy hiệu suất phân hủy cao. Phân tích metagenomic đã chỉ ra sự hiện diện của nhiều gene chức năng liên quan đến khả năng phân hủy dioxin, mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc cải thiện công nghệ xử lý ô nhiễm.

3.1. Đa dạng vi sinh vật trong mẫu đất

Sự đa dạng của vi sinh vật trong mẫu đất được đánh giá thông qua phân tích metagenomic. Kết quả cho thấy có sự hiện diện của nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau, bao gồm vi khuẩn hiếu khí và kị khí, cho thấy khả năng phân hủy dioxin của chúng. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của các chủng vi sinh vật này trong công nghệ xử lý ô nhiễm.

3.2. Khả năng phân hủy dioxin của các chủng vi sinh vật

Khả năng phân hủy dioxin của các chủng vi sinh vật được đánh giá thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy một số chủng có khả năng phân hủy dioxin hiệu quả, góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm trong môi trường. Việc xác định các gene chức năng liên quan đến khả năng phân hủy dioxin sẽ giúp phát triển các phương pháp xử lý ô nhiễm hiệu quả hơn.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng vi sinh vật có khả năng phân hủy dioxin trong đất ô nhiễm tại Biên Hòa, Đồng Nai. Việc sử dụng công nghệ metagenomic đã giúp xác định sự đa dạng và chức năng của các vi sinh vật trong mẫu đất. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc phát triển các phương pháp xử lý ô nhiễm hiệu quả hơn, đồng thời cần tiếp tục nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cơ chế phân hủy của các vi sinh vật này.

4.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để xác định rõ hơn về cơ chế phân hủy dioxin của các chủng vi sinh vật phân lập được. Việc nghiên cứu sâu hơn về các gene chức năng và enzyme tham gia vào quá trình phân hủy sẽ giúp cải thiện hiệu suất xử lý ô nhiễm. Đồng thời, cần mở rộng nghiên cứu đến các khu vực khác có ô nhiễm dioxin để có cái nhìn tổng quát hơn về sự đa dạng và khả năng phân hủy của vi sinh vật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin 1. Đặc điểm và ảnh hưởng của chất diệt cỏ/dioxin tới môi trường và con người. Dioxin là gọi tắt của nhóm các chất hữu cơ khó phân huỷ với hai vòng thơm gắn từ 1 đến 8 nguyên tử clo có quan hệ gần gũi với nhau về cấu trúc và tính chất hóa học.

Khi đề cập tới ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin là chủ yếu nhắc tới các nhóm Policlodibenzo-p-dioxin (PCDD) có 75 chất và Polyclodibenzofuran (PCDF) có 135 chất, polyclobiphenyl (PCB) bởi chúng thường tồn tại dạng hỗn hợp của các chất hóa học bền vững trong môi trường (Schecter, 2013; Van den Berg và cs. Hai đồng phân của dioxin có độ độc cao nhất là 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (2,3,7,8-TCDD) và 1,2,3,7,8-pentachlorodibenzo-p-dioxin (1,2,3,7,8-PeCDD) với tổng độ độc tương đương TEF (Toxic Equivalency Factor) là 1 (tổ chức Y tế thế giới - WHO). Cấu trúc hóa học của PCDD, PCDF và PCB (Nguồn: Kulkami và cs., 2008) Các PCDD, PCDF và PCB có tính không phân cực cao, độ hòa tan trong nước rất thấp, có xu hướng tích lũy vào đất mùn, trầm tích, các vật chất kị nước như mô mỡ động vật (Schreiner và cs., 1997) và rất bền vững trong tự nhiên. Dioxin có thể di chuyển trên bề mặt đất, theo dòng nước và theo không khí gây ra ô nhiễm môi trường trong phạm vi rộng và phức tạp.

Thời gian bán huỷ của dioxin là 10-100 năm tùy vị trí và điều kiện tự nhiên. Thời gian bán huỷ của dioxin trong đất là 4.720 ngày (~13 năm), hexaclobenze là 1.530 ngày (4,2 năm), PCBs là 940 ngày (2,6 năm), PAHs là 570 ngày (1,6 năm), pentaclophenol 100 ngày. Trong cặn đáy ao hồ hay còn gọi là trầm tích dioxin có thể tồn tại hàng trăm năm. Dioxin có nhiệt độ 5 nóng chảy khá cao, ngay cả ở nhiệt độ 1.200oC quá trình phân huỷ dioxin vẫn là quá trình thuận nghịch, dioxin chỉ bị phân huỷ hoàn toàn ở nhiệt độ lớn hơn 1.

Cơ chế tạo ra 2,3,7,8-TCDD trong quá trình tổng hợp 2,4,5-T (Nguồn: Schmalenberger và Tebbe, 2003) Hàng trăm triệu lít chất diệt cỏ chứa dioxin do Mỹ phun rải nhằm phát quang các cánh rừng tại miền Trung và Nam Việt Nam làm hơn 4 triệu ha rừng đã bị phá hủy hoàn toàn, sự tồn lưu chất diệt cỏ/dioxin trong đất từ đó phân tán bởi lớp nước mặt, nước ngầm, tích tụ trong cơ thể sinh vật. Mặt khác, các sân bay đã từng được sử dụng làm điểm tập kết, súc rửa thùng đựng, máy bay sau khi phun rải nên lượng lớn chất độc còn tồn lưu làm biến đổi hệ sinh thái, giết chết rất nhiều động, thực vật cũng như phá hủy hệ VSV đất. EPA đã công nhận dioxin là một chất gây ung thư nhóm 1 cho con người ở tất cả các liều lượng khi đã phơi nhiễm (Van den Berg và cs. Theo Angelo và cộng sự, PCBs có thể ảnh hưởng đến gan, đường ruột, máu, hệ nội tiết, miễn dịch, hệ thần kinh và hệ sinh sản (D’Angelo và Nunez, 2010) nên có thể di truyền cho nhiều thế hệ sau.

Theo thời gian ô nhiễm, hệ VSV sẽ mất dần là nguyên nhân đất bị sói mòn vì thiếu dưỡng chất. Ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin ở sân bay Biên Hòa và Đà Nẵng Ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin ở Việt Nam phần lớn do tồn dư bởi chiến tranh hóa học do Mỹ gây ra từ 1961 và tập trung chủ yếu ở các sân bay quân sự cũ như Biên Hòa, Đà Nẵng với các mức độ khác nhau. 6 Gần đây, cơ quan phát triển quốc tế hoa kỳ (United States Agency for International Development – USAID) cùng Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự thuộc Bộ Quốc phòng (BQP) lấy từ 76 vị trí theo phương pháp lấy mẫu đa điểm (MS) để điều tra mức độ ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin ở sân bay Biên Hòa. Tổng cộng thu thập hơn 1.400 mẫu và phân tích nồng độ dioxin đối chiếu với Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam (QCVN 45:2012/BTNMT) và ngưỡng dioxin của BQP đối với từng điểm lấy mẫu cho thấy ô nhiễm nặng nhất tập trung ở khu Tây Nam sân bay (độ độc lên tới 110.000 ppt ở độ sâu 30 – 60cm).

Thống kê cho thấy khoảng 315.600 m3 trầm tích ô nhiễm dioxin (42% ở khu Pacer Ivy, 24% ở khu Z1 (bao gồm cả Bãi chôn lấp Z1 là khu vực có lô xử lý 3.384 m3 đất ô nhiễm bằng phương pháp phân hủy sinh học được thực hiện bởi PGS. Đặng Thị Cẩm Hà và cộng sự, Viện Công nghệ Sinh học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), 15% ở khu Tây nam, 19% ở các khu ZT, Tây bắc và Đông bắc và khoảng 5% tổng khối lượng nhiễm dioxin nằm ở ngoài khu vực sân bay). Diện tích ô nhiễm ước tính là khoảng 522.600 m2 diện tích đất và 152.800 m2 diện tích trầm tích. Tình trạng ô nhiễm dioxin ở sân bay Đà Nẵng được thể hiện trong Báo cáo tổng kết của Văn phòng 33 và công ty Hatfield cho thấy khu vực đầu bắc sân bay (khu pha trộn và đóng nạp) và khu Pacer Ivy (khu vực lưu trữ ở phía nam sân bay) nồng độ TCDD cao nhất đạt tương ứng 361.600 ppt ở độ sâu từ 0 – 10 cm với đồng phân 2,3,7,8-TCDD chiếm 99% và 65%.

Viện Công nghệ Sinh học đã tiến hành xử lý thử nghiệm ở quy mô 10 m3 và 100 m3 bằng biện pháp chôn lấp tích cực với hiệu quả phân hủy dioxin từ 50-70% ở khu đầu bắc sân bay (Hà và cs. Đã tiến hành xử lý khử độc đất ô nhiễm có độ độc cao hơn 43.000 ng TEQ/kg ở 11 công thức khác nhau ở qui mô pilot (2 m3) ngay tại sân bay Đà Nẵng, sau 6 tháng xử lý 30% tổng độ độc đã bị loại bỏ tính chung cả các công thức hiếu khí và kị khí. Đây là công trình hợp tác giữa viện công nghệ sinh học với Cục bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (United States Environmental Protection Agency – EPA) năm 2009 với kinh phí 7 từ quỹ Ford (Hà và cộng sự , 2010). Lần đầu tiên ở Việt Nam và cũng là lần đầu tiên trên thế giới công nghệ phân hủy sinh học khử dioxin (độ độc chủ yếu từ đồng phân 2,3,7,8 TCDD) sản xuất từ công nghệ cũ của những năm 50 của thế kỷ trước được tiến hành ở qui mô lớn 3384 m3.

Bằng sự kết hợp của thi công cơ giới, bán cơ giới (ở một số công đoạn nhỏ) do các cán bộ khoa học của 2 cơ quan Viện KH&CN Việt Nam và Bộ Quốc phòng đã cùng thực hiện công nghệ được gọi là: “Chôn lấp tích cực”. Tháng 3 và 4/2009, Viện Công nghệ Sinh học đã phối hợp với các đơn vị của Bộ Tư lệnh Hóa học xử lý 3.384 m3 đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin tại khu Z1 của sân bay Biên Hòa. Trong các hố chôn lấp tích cực sự phân hủy sinh học xảy ra ở 3 điều kiện hiếu khí (có oxy), kỵ khí (không có oxy) và kỵ khí không bắt buộc (có ít oxy). Quá trình xử lý bao gồm thúc đẩy sự chuyển hóa, phân hủy và giai đoạn cuối cùng tốt nhất là khoáng hóa hoàn toàn các hỗn hợp chất độc bao gồm dioxin (độc nhất) là 2,3,7,8-TCDD (chiếm từ 90 - 99,63% tổng độ độc), 2,4,5-T, 2,4-D, TCP, DCP và các PAH có nhiều vòng thơm v.

Năm 2009 Bộ quốc phòng Việt Nam và cụ thể là Bộ Tư lệnh Hóa học đã chôn lấp hơn 90.000 m3 trong khuôn khổ dự án ở khu vực Z1 và 3.384 m3 đất thuộc dự án này đã được làm sạch bằng công nghệ phân hủy sinh học như đã đề cập ở trên. Năm 2011, USAID và BQP Việt Nam cùng phối hợp thực hiện Dự án Xử lý Môi trường tại Sân bay Đà Nẵng sử dụng phương pháp khử hấp thu nhiệt và lưu chứa. Đất, bùn nhiễm dioxin được đưa vào mố kín trên mặt đất và nung nóng tới nhiệt độ tối thiểu 335ºC để tiêu hủy dioxin.000 m3 đất, trầm tích ô nhiễm trầm tích nhiễm dioxin nồng độ thấp và đã bàn giao vào cuối năm 2018. Tuy nhiên, sản phẩm sau khi sử dụng phương pháp giải hấp phụ nhiệt vẫn gây nhiều tranh cãi về hiệu quả môi trường và sản phẩm cuối cùng vẫn còn phải xử lý tiếp.

Phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin trong đất ô nhiễm Do đất bị ô nhiễm ở mức rất nặng, phức tạp và kéo dài nên việc xử lý triệt để tuân thủ công ước Stockholm là rất cần thiết. Hiện có rất nhiều phương pháp hóa học, lý học, sinh học được đề xuất để xử lý nhưng cần có những nghiên cứu kỹ trước khi áp dụng. Quá trình phân hủy sinh học có thể xảy ra theo 4 con đường chủ 8 yếu (Báo cáo kết quả nhiệm vụ chôn lấp tích cực thuộc dự án “Xử lý khu đất nhiễm chất độc hóa học chứa Dioxin tại sân bay Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai” do Bộ Tư lệnh Hóa học - Bộ Quốc phòng làm chủ đầu tư và thực hiện năm 2009). Ba con đường oxy hóa cắt vòng, loại clo các hợp chất hữu cơ thơm đã được mở vòng và xúc tác bởi các enzyme ngoại bào hay các chất xúc tác không có cấu trúc enzyme nhưng hoạt động như enzyme đều cần oxy và con đường thứ tư là loại khử clo đối với các chất hữu cơ đa vòng thơm (Hình 1.

Tất cả các quá trình nêu trên được thực hiện bởi tập đoàn vi sinh vật bản địa trong các tầng đất của lô “Chôn lấp tích cực”.3: Các con đường chuyển hóa, phân hủy, khoáng hóa hỗn hợp chất diệt cỏ/dioxin và các chất trao đổi chất bằng phương pháp sinh học. Sản phẩm trung gian của con đường khử loại clo là các hợp chất bớt độc hơn do loại khử bớt clo. Các sản phẩn tạo ra theo các con đường khác rất phong phú ở mỗi giai đoạn và điều kiện môi trường luôn biến động tạo cơ hội cho các quần xã vi sinh vật hoạt động phân hủy, chuyển hóa và sản phẩm cuối cùng của 4 con đường trao đổi chất nói trên là các chất đi vào chu trình Krebs trước khi được khoáng hóa tới các axit hữu cơ, nước, CO2 và sinh khối vi sinh vật. Phân hủy sinh học hiếu khí xenobiotic và chất diệt cỏ/dioxin Chất diệt cỏ/dioxin gồm 2 nhóm là chứa và không chứa clo với cơ chế phân hủy khác nhau bởi VSV trong các điều kiện khác nhau.

Phân hủy sinh học hợp chất dioxin không chứa clo Cấu trúc dạng vòng dễ bị quá trình oxy hóa (bởi hệ enzyme được sinh bởi các vi sinh vật) phá vỡ làm giảm độc tính của dioxin. Quá trình hydroxyl hóa vòng thơm xuất hiện ở vị trí bên các nguyên tử carbon 1,2; 2,3 hoặc 3,4 như Novosphingobium 9 aromaticivorans IFO15084, N. sunterraneum IFO 16086, Porphyribacter sanguineus IAM 12620T, Sphingobacterium yanoikuyae B1, Burkholderia cepacia F297, B.