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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin
• 1.1.1. Đặc điểm và ảnh hưởng của chất diệt cỏ/dioxin tới môi trường và con người
• 1.1.2. Ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin ở sân bay Biên Hòa và Đà Nẵng
• 1.1.3. Phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin trong đất ô nhiễm
• 1.2. Đa dạng VSV và gene chức năng trong đất ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin
• 1.2.1. Đa dạng VSV hiếu khí nuôi cấy được trong đất ô nhiễm
• 1.2.2. Đa dạng vi khuẩn kị khí nuôi cấy được trong đất ô nhiễm dioxin
• 1.2.3. Đa dạng gene chức năng mã hóa cho enzyme tham gia phân hủy chất diệt cỏ/dioxin
• 1.3. Sử dụng công cụ metagenomic nghiên cứu đa dạng VSV ô nhiễm POPs
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Các hóa chất và thiết bị máy móc
• 2.3. Môi trường nuôi cấy
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Thu thập và bảo quản mẫu đất để nghiên cứu metagenome
• 2.4.2. Phân tích thành phần cơ giới và nồng độ dioxin trong mẫu nghiên cứu
• 2.4.3. Phân lập, phân loại VSV từ nguồn đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin
• 2.4.4. Phương pháp xác định hoạt tính laccase và laccase-like
• 2.4.5. Đánh giá phân hủy 2,3,7,8-TCDD trong đất ô nhiễm bởi hỗn hợp VSV
• 2.4.6. Phương pháp tách chiết DNA metagenome
• 2.4.7. Phương pháp xác định hàm lượng và độ tinh sạch của DNA metagenome
• 2.4.8. Phân tích trình tự DNA metagenome của C và BHR
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin bởi tổ hợp vi khuẩn, xạ khuẩn quy mô phòng thí nghiệm
• 3.1.1. Vi khuẩn từ đất nhiễm dioxin phân lập được, định danh và khả năng phân hủy dioxin bởi tổ hợp 5 chủng vi khuẩn có tiềm năng
• 3.1.2. Xạ khuẩn từ đất nhiễm dioxin đã được phân lập, định danh và khả năng phân hủy dioxin bởi tổ hợp 5 chủng xạ khuẩn tiềm năng
• 3.2. Đa dạng VSV và gene chức năng từ trình tự DNA metagenome C và BHR
• 3.2.1. Thu nhận DNA metagenome từ mẫu C và BHR
• 3.2.2. Trình tự, contig và gene chức năng từ metagenome của mẫu C và BHR
• 3.2.3. Đa dạng VSV của metagenome C và BHR
• 3.2.4. Mối liên hệ giữa một số chi vi khuẩn với tổng độ độc và các đặc tính lý hóa của đất
• 3.3. Đa dạng gene chức năng tham gia phân hủy xenobiotic của metagenome C và BHR
• 3.3.1. Nhóm gene mã hóa enzyme tham gia phân hủy, chuyển hóa chất diệt cỏ/dioxin
• 3.3.2. Gene tham gia vào phân hủy chuyển hóa xenobiotic từ metagenome đã được phát hiện
• 4. CHƯƠNG 4: BÀN LUẬN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Đa dạng VSV và gene chức năng từ trình tự DNA metagenome C và BHR thu được
• 4.2. Đa dạng gene chức năng tham gia phân hủy xenobiotic của metagenome C và BHR (một trong 4 con đường phân hủy và khoáng hóa dioxin)
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• NHỮNG CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI
• TÓM TẮT LUẬN ÁN BẰNG TIẾNG ANH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

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.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Ô nhiễm chất diệt cỏ chứa dioxin từ chiến tranh hóa học giai đoạn 1961–1971 tại Việt Nam đã để lại lượng tồn lưu lớn trong môi trường đất, đặc biệt tại các điểm nóng như sân bay Biên Hòa và Đà Nẵng (Cecil, 1986). Hợp chất 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (2,3,7,8-TCDD) là đồng phân có độc tính cao nhất (hệ số độc tương đương TEF = 1), thuộc nhóm các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs) cần phải xử lý theo Công ước Stockholm. Các phương pháp nghiên cứu vi sinh vật truyền thống dựa trên nuôi cấy chỉ tiếp cận được 0,001% đến 0,1% tổng số vi sinh vật trong tự nhiên. Việc áp dụng công nghệ giải trình tự metagenome thế hệ mới trên hệ thống Illumina HiSeq kết hợp các công cụ tin sinh học cho phép đánh giá trực tiếp cấu trúc quần xã vi sinh vật, hệ gene chức năng và các con đường chuyển hóa xenobiotic mà không phụ thuộc vào nuôi cấy.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm:

1. Đánh giá đa dạng vi sinh vật trong (i) mẫu đất nhiễm nặng chất diệt cỏ/dioxin và (ii) mẫu đất đã được xử lý làm sạch bằng công nghệ phân hủy sinh học ở các lô "Chôn lấp tích cực" sau 60 tháng ở sân bay Biên Hòa, Đồng Nai, Việt Nam bằng công cụ metagenomic;
2. Đánh giá khả năng phân hủy hiếu khí dioxin trong đất ô nhiễm nặng hỗn hợp chất diệt cỏ/dioxin bằng tổ hợp vi khuẩn và tổ hợp xạ khuẩn được phân lập, lựa chọn từ các mẫu đất nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng: Quần xã vi sinh vật trong đất ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin; các chủng vi khuẩn và xạ khuẩn phân lập được; DNA metagenome tách chiết trực tiếp từ đất; đồng phân chuẩn 2,3,7,8-TCDD và dịch chiết đất (DCĐ).
• Không gian: Sân bay Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai, bao gồm mẫu đất ô nhiễm nặng tại khu Tây Nam (tọa độ 10°58'14.3"N, 106°49'01.3"E) có tổng độ độc trung bình 21.605 ng TEQ/kg (ký hiệu mẫu C) và mẫu đất tại khu Z1 (tọa độ 10°57'46.6"N, 106°49'15.4"E) đã qua xử lý sinh học sau 60 tháng có tổng độ độc 13,2 ng TEQ/kg (ký hiệu mẫu BHR).
• Thời gian: Mẫu đất C được thu nhận vào tháng 4/2014; số liệu nghiên cứu kế thừa và phát triển từ đề tài độc lập cấp nhà nước mã số ĐTĐLCN.26/14 nghiệm thu năm 2019; luận án hoàn thành năm 2021.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng hợp các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến độc học, động học phân hủy và đa dạng sinh học quần xã vi sinh vật trong xử lý chất diệt cỏ/dioxin:

• Độc tính và phân bố ô nhiễm: Các dẫn xuất polychlorinated dibenzo-p-dioxin (PCDD), polychlorinated dibenzofuran (PCDF) và polychlorinated biphenyl (PCB) có tính kỵ nước cao, tích lũy mạnh trong đất mùn, mô mỡ và rất bền vững với thời gian bán hủy trong đất khoảng 4.720 ngày (Schreiner và cs., 1997; Kulkarni và cs., 2008; Van den Berg và cs., 2006; D’Angelo và Nunez, 2010). Các báo cáo khảo sát của USAID, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự và Công ty Hatfield ghi nhận nồng độ dioxin tại khu Tây Nam sân bay Biên Hòa lên tới 110.000 ppt và tại sân bay Đà Nẵng lên tới 361.600 ppt.
• Khả năng phân hủy sinh học hiếu khí: Các nghiên cứu quốc tế đã chứng minh quá trình oxy hóa mở vòng dioxin không clo hóa và clo hóa thấp (1–2 nguyên tử clo) ở các vị trí bên (1,2; 2,3; 3,4) hoặc vị trí góc (4,4a) nhờ các chủng Novosphingobium, Sphingomonas wittichii RW1, Burkholderia, Pseudomonas, Rhodococcus mang enzyme dioxin dioxygenase (Hong và cs., 2007; Wittich và cs.; Fortnagel và cs.; Field và Sierra-Alvarez, 2008). Khả năng phân hủy các hợp chất thơm clo hóa và thuốc diệt cỏ 2,4-D, 2,4,5-T cũng được ghi nhận ở các chi Streptomyces, Bacillus, Brevibacillus, Aspergillus có hoạt tính laccase (Alvarez và cs., 2012; Arutchelvi và cs.; Balachandrana và cs., 2012; Zaborina và cs.). Tại Việt Nam, các thử nghiệm xử lý sinh học hiếu khí ở quy mô pilot 0,5–100 m³ tại Đà Nẵng và 3.384 m³ tại Biên Hòa đã chứng minh hiệu suất loại bỏ dioxin từ 50% đến 99,48% (Đặng Thị Cẩm Hà và cs., 2005, 2010).
• Khả năng phân hủy sinh học kị khí: Quá trình khử halogen hô hấp kị khí được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn khử sulfate (Desulfovibrio, Desulfitobacterium, Desulfomonile) và nhóm vi khuẩn khử clo bắt buộc (Dehalococcoides, Dehalobacter, Dehalogenimonas) thuộc các ngành Chloroflexi, Firmicutes, Proteobacteria (Boyle và cs., 1999; Reineke, 2001; Hiraishi, 2008; Fennell và cs.; Bunge và Lechner, 2009; Löffler và cs.; Maphosa và cs.). Nghiên cứu của Nguyễn Bá Hữu và cs., Nguyễn Thị Tâm Thư (2013), Ute Lechner và cs. (2018) đã phát hiện các nhóm vi khuẩn hô hấp loại clo và gene rdhA trong các mẫu đất xử lý tại Đà Nẵng và Biên Hòa thông qua kỹ thuật PCR-DGGE, SSCP và metaproteomics.
• Ứng dụng công cụ metagenomics: Các nghiên cứu của Breitwieser và cs. (2017), Mitchell và cs. (2019), Meier và cs. (2014), Yan và cs. (2016), Daniel và cs. (2018), Jeffries và cs., Zhang và cs. (2017), Bao và cs. đã ứng dụng giải trình tự metagenome thế hệ mới để giải mã cấu trúc quần xã vi sinh vật và các cụm gene phân hủy xenobiotic trong môi trường ô nhiễm phức tạp.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án tập trung giải quyết: Phân tích toàn diện và so sánh cấu trúc metagenome giữa đất ô nhiễm nặng dioxin (21.605 ng TEQ/kg) và đất đã được khử độc hoàn toàn (13,2 ng TEQ/kg) tại sân bay Biên Hòa; xác định hệ gene chức năng liên quan đến các con đường phân hủy xenobiotic; đồng thời sàng lọc, đánh giá thực nghiệm khả năng xử lý 2,3,7,8-TCDD của các tổ hợp vi khuẩn và xạ khuẩn bản địa phân lập từ chính các mẫu đất này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án dựa trên lý thuyết về 4 con đường phân hủy và khoáng hóa chất diệt cỏ/dioxin bằng phương pháp sinh học:

1. Con đường oxy hóa cắt vòng thơm nhờ hệ enzyme dioxygenase/monooxygenase hiếu khí.
2. Con đường biến đổi và loại nhóm clo xúc tác bởi enzyme ngoại bào (laccase, peroxidase).
3. Con đường chuyển hóa bởi các tác nhân phân tử lượng thấp có hoạt tính xúc tác tương tự laccase (laccase-like).
4. Con đường khử clo trong điều kiện kị khí bởi vi khuẩn hô hấp halogen để tạo thành các hợp chất ít clo hơn trước khi chuyển sang chu trình hiếu khí.

Sản phẩm trung gian từ 4 con đường trên đi vào chu trình Krebs để khoáng hóa thành CO₂, H₂O và sinh khối vi sinh vật.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Hạng mục nghiên cứu	Phương pháp / Thiết bị / Tiêu chuẩn áp dụng
Thu thập và bảo quản mẫu	Phương pháp lấy mẫu đa điểm (MIS); bảo quản ở 4°C trong dụng cụ vô trùng chuyên dụng.
Phân tích lý hóa của đất	Xác định pH, độ ẩm, độ mùn, N, C tổng số, Asen theo TCVN 6648:2000, TCVN 8567:2010, TCVN 5979:2007, TCVN 8941:2011, TCVN 6498:1999 tại phòng thí nghiệm VILAS 886 và VILAS 430 (SFRI).
Phân tích nồng độ dioxin	Sắc ký khí khối phổ phân giải cao (HRGC/HRMS, Model DFS Thermo) theo US EPA 8280A và quy trình SOP02/DXL tại phòng thí nghiệm VIMCERTS 027.
Phân lập và nuôi cấy vi sinh vật	Kỹ thuật pha loãng cấy chuyển trên môi trường MSM (Gost) cải tiến (đối với vi khuẩn) và môi trường Gause M cải tiến (đối với xạ khuẩn) bổ sung dịch chiết đất (DCĐ chứa ~3.500 pg TEQ/ml).
Định danh và quan sát hình thái	Kính hiển vi điện tử quét JEOL5410 LV; tách DNA tế bào (Sambrook & Russell, 2001; Kumar và cs., 2010); khuếch đại gen 16S rRNA bằng PCR; phân tích trình tự trên GenBank, phần mềm Finch TV và MEGA6.
Xác định hoạt tính laccase và laccase-like	Phương pháp đo quang học ở bước sóng 420 nm (Childs & Bardsley, 1975).
Thử nghiệm phân hủy 2,3,7,8-TCDD	Bình thí nghiệm 500 ml chứa 200 g đất nhiễm dioxin đã tiệt trùng, 100 ml môi trường, 15% giống tổ hợp vi sinh vật, dịch chiết compost, chất hoạt động bề mặt sinh học, vitamin; lắc 200 vòng/phút ở 30°C trong 30 ngày; đối chứng không có vi sinh vật; phân tích bằng HRGC/HRMS.
Tách chiết DNA metagenome	Mẫu C: áp dụng 3 phương pháp cải tiến (Bourrain và cs., 1999; Zhou và cs., 1996; Islam và cs., 2012). Mẫu BHR: sử dụng kit thương mại PowerSoil® DNA Isolation Kit, Soil DNA Isolation Kit, E.Z.N.A.® Soil DNA Kit.
Kiểm tra và định lượng DNA	Điện di gel agarose 1%; đo độ hấp thụ A260 trên máy SimpliNano; định lượng huỳnh quang bằng Qubit Fluorometer (BE-Basic, Hà Lan); kiểm tra chất lượng bằng Agilent 2200 TapeStation.
Giải trình tự và tin sinh học	Máy giải trình tự Illumina HiSeq 2500 (paired-end, kit Nextera XT DNA Library Prep tại BaseClear, Hà Lan); lọc reads; lắp ráp de novo bằng CLC Genomics Workbench v8.0; dự đoán coding sequence (pCDS) bằng Prodigal v2.6; sàng lọc gene laccase qua Laccase Database và BLAST 2.0; phân tích cấu trúc phân loại và chức năng trên hệ thống máy chủ MG-RAST v3.6 (đối chiếu KEGG, eggNOG, COG, PFAM, RefSeq).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về cấu trúc hóa học của 75 đồng loại PCDD, 135 đồng loại PCDF và 209 đồng loại PCB, phân tích cơ chế hình thành 2,3,7,8-TCDD trong quá trình tổng hợp chất diệt cỏ 2,4,5-T. Tác giả tổng kết thực trạng ô nhiễm tại các điểm nóng Biên Hòa (trên 315.600 m³ đất, trầm tích ô nhiễm) và Đà Nẵng, đồng thời tổng quan chi tiết 4 con đường phân hủy sinh học của các nhóm vi sinh vật hiếu khí, kị khí và vi khuẩn khử sulfate. Chương này cũng phân tích tổng quan các công bố quốc tế về ứng dụng metagenomics trong việc phát hiện các gene chức năng mã hóa cho enzyme chuyển hóa POPs và vi khuẩn loại clo hô hấp (Dehalococcoides, Desulfitobacterium), qua đó xác lập luận cứ cho việc lựa chọn công cụ metagenomic giải trình tự trực tiếp từ mẫu đất nghiên cứu.

Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc và đặc điểm của hai mẫu đất nghiên cứu C và BHR tại sân bay Biên Hòa. Chương này trình bày quy trình chuẩn bị dịch chiết đất chứa hỗn hợp chất diệt cỏ/dioxin (~3.500 pg TEQ/ml) dùng trong chọn lọc vi sinh vật; quy trình chiết xuất và tinh sạch DNA metagenome từ nền mẫu đất ô nhiễm có thành phần hóa học phức tạp; các môi trường nuôi cấy chuyên biệt (MSM cải tiến, Gause M cải tiến); cùng toàn bộ quy trình vận hành thiết bị, phản ứng PCR và các thuật toán tin sinh học phục vụ lắp ráp de novo, phân loại taxa và chú giải chức năng gene trên nền tảng MG-RAST v3.6.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:

• Phân lập, định danh và đánh giá tổ hợp vi sinh vật:
  • Tuyển chọn được 5 chủng vi khuẩn tiềm năng gồm BHBi1, BHBi4, BHBi5, BHBi7 và BHO9 từ mẫu đất ô nhiễm làm giàu trên môi trường MSM chứa dịch chiết đất. Dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM), các chủng biểu hiện các đặc điểm hình thái tế bào đặc trưng. Phân tích phả hệ 16S rRNA xác định vị trí phân loại của các chủng này. Thử nghiệm nuôi cấy tổ hợp 5 chủng vi khuẩn trong 30 ngày ở quy mô phòng thí nghiệm cho thấy hiệu suất phân hủy dioxin rõ rệt so với mẫu đối chứng.
  • Tuyển chọn được 5 chủng xạ khuẩn tiềm năng (trong đó có chủng XKBH921, XKBHA22) có khả năng sinh trưởng trên môi trường Gause M chứa dịch chiết đất. Các chủng xạ khuẩn biểu hiện khả năng sinh tổng hợp enzyme laccase và các đoạn peptide ngắn bền nhiệt có hoạt tính xúc tác tương tự laccase (laccase-like). Thử nghiệm đơn chủng XKBHA22 và tổ hợp 5 chủng xạ khuẩn đã làm giảm đáng kể hàm lượng dioxin trong đất thí nghiệm.

Tổ hợp vi sinh vật	Điều kiện thí nghiệm	Thời gian	Chỉ tiêu đánh giá
Tổ hợp 5 chủng vi khuẩn (BHBi1, BHBi4, BHBi5, BHBi7, BHO9)	200 g đất nhiễm, 100 ml MSM, 15% giống, bổ sung compost, biosurfactant, vitamin; lắc 200 rpm, 30°C	30 ngày	Hiệu suất phân hủy 2,3,7,8-TCDD so với đối chứng vô trùng (phân tích HRGC/HRMS)
Đơn chủng xạ khuẩn XKBHA22	200 g đất nhiễm, 100 ml Gause M, giống vi sinh vật; lắc 200 rpm, 30°C	30 ngày	Hiệu suất phân hủy 2,3,7,8-TCDD trong đất
Tổ hợp 5 chủng xạ khuẩn (gồm XKBH921, XKBHA22...)	200 g đất nhiễm, 100 ml Gause M, 15% giống, bổ sung phụ gia; lắc 200 rpm, 30°C	30 ngày	Hiệu suất phân hủy 2,3,7,8-TCDD trong đất

• Phân tích dữ liệu Metagenome từ mẫu C và BHR:
  • Tách chiết thành công DNA metagenome chất lượng cao từ cả hai mẫu đất. Dữ liệu giải trình tự Illumina HiSeq 2500 cung cấp tập hợp các đoạn đọc (reads) chất lượng cao.
  • Lắp ráp de novo bằng phần mềm CLC Genomics Workbench v8.0 thu được tập hợp các contig, từ đó dự đoán các khung đọc mở (pCDS) và các gene chức năng.
  • Phân loại sinh giới: Quần xã vi khuẩn chiếm ưu thế tuyệt đối ở cả hai mẫu, tiếp theo là vi khuẩn cổ (Archaea), nấm sợi, nấm đảm và nấm men. Cấu trúc phân loại được phân tích chi tiết từ cấp ngành, lớp, bộ, họ đến chi:
    • Ở vi khuẩn: Ghi nhận sự phân bố đa dạng của các ngành Proteobacteria (các lớp Alpha, Beta, Gamma, Deltaproteobacteria), Actinobacteria, Acidobacteria, Chloroflexi, Firmicutes. Xác định các chi vi khuẩn có khả năng phân hủy dioxin/xenobiotic đã được công bố và các chi có tỷ lệ chiếm ưu thế ít biến động giữa mẫu C và BHR.
    • Ở vi khuẩn cổ: Ghi nhận sự hiện diện của các nhóm vi khuẩn cổ sinh metan và vi khuẩn cổ ưa mặn, phân loại theo ngành, lớp, chi.
    • Ở nấm: Phát hiện sự đa dạng phong phú của các nhóm nấm sợi và nấm đảm trong cả hai metagenome.
  • Phân tích gene chức năng và con đường chuyển hóa:
    • Dữ liệu đối chiếu trên KEGG, COG, eggNOG, PFAM chỉ ra số lượng lớn các trình tự tương đồng cao với các gene chức năng tham gia phân hủy hợp chất xenobiotic.
    • Nhận diện cụ thể các chuỗi gene liên quan trực tiếp đến con đường phân hủy 2,4-D và polychlorinated biphenyl (PCB).
    • Sàng lọc thành công các gene mã hóa enzyme laccase, multicopper oxidase và enzyme phân hủy vòng thơm từ metagenome.

Chương 4: Bàn luận kết quả nghiên cứu

Chương 4 tập trung phân tích sâu hai nội dung:

• Đa dạng vi sinh vật và hệ gene chức năng trong mối tương quan với điều kiện môi trường: So sánh cấu trúc quần thể giữa đất nhiễm nặng (C) và đất sau 60 tháng xử lý sinh học (BHR). Phân tích mối liên hệ giữa các chi vi khuẩn ưu thế với tổng độ độc TEQ và các thông số lý hóa (pH, hàm lượng nitơ, cacbon, độ ẩm, độ mùn). Làm rõ sự thay đổi và thích nghi của các nhóm vi khuẩn khử clo, vi khuẩn khử sulfate, vi khuẩn cổ và nấm trong suốt quá trình xử lý sinh học.
• Đa dạng các gene tham gia phân hủy xenobiotic: Bàn luận về 4 con đường chuyển hóa, phân hủy và khoáng hóa dioxin trong đất, tập trung vào vai trò của các enzyme oxy hóa mở vòng, enzyme laccase/laccase-like và phức hệ multicopper oxidase thu nhận từ dữ liệu metagenome; lý giải cơ chế sinh học giúp giảm độ độc dioxin từ 21.605 ng TEQ/kg xuống 13,2 ng TEQ/kg tại sân bay Biên Hòa.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

1. Về mặt khoa học:
   • Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam sử dụng công cụ metagenomics để nghiên cứu toàn diện đa dạng vi sinh vật trong đất ô nhiễm nặng chất diệt cỏ/dioxin và đất đã qua xử lý khử độc tại sân bay quân sự Biên Hòa.
   • Phát hiện mức độ đa dạng cao của các quần xã vi khuẩn, vi khuẩn cổ ưa mặn, vi khuẩn loại halogen cùng các nhóm nấm sợi, nấm men và nấm đảm; đồng thời xác định số lượng lớn các gene chức năng mới mã hóa cho enzyme laccase và laccase-like tham gia vào quá trình phân hủy các hợp chất xenobiotic.
2. Về mặt thực tiễn:
   • Cung cấp cơ sở khoa học giải thích cơ chế phân hủy sinh học thành công tại các lô xử lý "Chôn lấp tích cực" 3.384 m³ ở sân bay Biên Hòa (giảm tổng độ độc từ mức ô nhiễm nặng xuống 13,2 ng TEQ/kg, đạt tiêu chuẩn QCVN 45:2012/BTNMT cho đất nông nghiệp).
   • Tuyển chọn và chứng minh khả năng phân hủy 2,3,7,8-TCDD trong đất của các tổ hợp vi khuẩn và xạ khuẩn bản địa, tạo tiền đề cải tiến quy trình công nghệ, rút ngắn thời gian và nâng cao hiệu suất xử lý ô nhiễm dioxin cũng như các hợp chất hữu cơ khó phân hủy (POPs) khác.

Kiến nghị và giải pháp

• Ứng dụng các tổ hợp chủng vi khuẩn và xạ khuẩn phân lập có hoạt tính laccase/laccase-like cao vào quy trình xử lý đất nhiễm dioxin quy mô hiện trường.
• Tiếp tục khai thác nguồn tài nguyên gene và enzyme mới từ dữ liệu metagenome đã xây dựng để phục vụ công nghệ sinh học môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Nghiên cứu tập trung giải mã metagenome của hai trạng thái mẫu đất (nhiễm nặng ban đầu C và sau xử lý 60 tháng BHR) tại khu vực sân bay Biên Hòa; các phân tích chức năng chủ yếu dựa trên dự đoán tin sinh học từ dữ liệu DNA metagenome kết hợp thử nghiệm nuôi cấy phòng thí nghiệm, chưa bao gồm phân tích biểu hiện gene thời gian thực ở quy mô toàn hệ thống tại hiện trường.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng tiếp cận theo hướng đa omics (kết hợp metagenomics, metatranscriptomics, metaproteomics và metabolomics) nhằm theo dõi động học biểu hiện gene chức năng và các chất chuyển hóa trung gian trong suốt các giai đoạn xử lý sinh học; nghiên cứu biểu hiện dị dòng và tinh sạch các enzyme laccase/laccase-like mới được phát hiện từ metagenome.

Giá trị tham khảo

• Đối với nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Vi sinh vật học, Công nghệ sinh học môi trường: Luận án cung cấp quy trình kỹ thuật tách chiết DNA metagenome từ mẫu đất ô nhiễm hóa chất phức tạp, phương pháp phân tích tin sinh học dữ liệu giải trình tự thế hệ mới (Illumina HiSeq, CLC Genomics Workbench, MG-RAST) và phương pháp đánh giá hoạt tính laccase/laccase-like.
• Đối với giảng viên và các nhà khoa học: Tài liệu tham khảo có giá trị về cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa chịu độc tính dioxin, cơ chế sinh hóa của 4 con đường phân hủy xenobiotic và bằng chứng phân tử về quá trình khử độc POPs.
• Đối với các nhà quản lý và đơn vị xử lý môi trường (Bộ Quốc phòng, Bộ Tài nguyên và Môi trường): Luận án cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá, thẩm định và tối ưu hóa công nghệ phân hủy sinh học (chôn lấp tích cực) tại các điểm nóng ô nhiễm dioxin và hóa chất bảo vệ thực vật tồn lưu tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Mẫu đất nghiên cứu trong luận án được thu thập từ những vị trí nào và có độ độc ban đầu là bao nhiêu? Mẫu đất C (ô nhiễm nặng) được lấy tại khu Tây Nam sân bay Biên Hòa (10°58'14.3"N, 106°49'01.3"E) ở độ sâu 0–100 cm vào tháng 4/2014 với tổng độ độc trung bình 21.605 ng TEQ/kg. Mẫu đất BHR (đã qua xử lý sinh học) được lấy tại lô chôn lấp tích cực khu Z1 sân bay Biên Hòa (10°57'46.6"N, 106°49'15.4"E) sau 60 tháng xử lý với tổng độ độc trung bình là 13,2 ng TEQ/kg.

2. Công cụ giải trình tự và các phần mềm tin sinh học chính nào đã được sử dụng để phân tích metagenome? Luận án sử dụng hệ thống giải trình tự công năng cao Illumina HiSeq 2500 (BaseClear, Hà Lan) với kit Nextera XT DNA Library Prep. Dữ liệu được xử lý, lắp ráp de novo bằng CLC Genomics Workbench v8.0; dự đoán gene mã hóa (pCDS) bằng Prodigal v2.6; sàng lọc enzyme laccase qua Laccase Database và BLAST 2.0; phân tích cấu trúc quần xã và con đường chuyển hóa trên hệ thống máy chủ MG-RAST v3.6 đối chiếu với các cơ sở dữ liệu KEGG, RefSeq, COG, eggNOG và PFAM.

3. Hoạt tính "laccase-like" ở các chủng xạ khuẩn phân lập được định nghĩa và kiểm tra như thế nào? Hoạt tính laccase-like là khả năng xúc tác oxy hóa các hợp chất đa vòng thơm tương tự cơ chế của enzyme laccase nhưng do các đoạn peptide phân tử lượng thấp (không có cấu trúc protein hoàn chỉnh) thực hiện. Hoạt chất này có tính bền nhiệt cao (duy trì hoạt tính ngay cả khi đun sôi 3 giờ). Cả laccase và laccase-like đều được xác định hoạt độ theo phương pháp của Childs và Bardsley (1975) dựa trên sự tăng độ hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 420 nm.

4. Những nhóm vi sinh vật và con đường chuyển hóa xenobiotic chính nào được phát hiện trong metagenome của mẫu đất? Metagenome ghi nhận sự thống trị của vi khuẩn ngành Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria, Chloroflexi, Firmicutes; các nhóm vi khuẩn cổ sinh metan, vi khuẩn cổ ưa mặn; cùng nấm sợi và nấm đảm. Dữ liệu KEGG chỉ ra sự hiện diện của các con đường chuyển hóa đặc thù đối với 2,4-D, polychlorinated biphenyl (PCB), toluene, xylene, chlorobenzoate và hệ gene mã hóa các enzyme phân hủy vòng thơm, laccase, multicopper oxidase.

Kết luận

Luận án của NCS. Phạm Quang Huy đã giải mã cấu trúc metagenome của quần xã vi sinh vật trong đất ô nhiễm nặng dioxin (21.605 ng TEQ/kg) và đất đã qua xử lý sinh học (13,2 ng TEQ/kg) tại sân bay Biên Hòa, làm rõ sự đa dạng phong phú của các nhóm vi khuẩn, vi khuẩn cổ, nấm cùng hệ gene chuyển hóa xenobiotic và laccase/laccase-like. Đồng thời, nghiên cứu đã phân lập và chứng minh thực nghiệm khả năng phân hủy 2,3,7,8-TCDD của các tổ hợp vi khuẩn và xạ khuẩn bản địa. Công trình cung cấp luận cứ khoa học quan trọng cho công nghệ phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin và xử lý ô nhiễm các hợp chất hữu cơ khó phân hủy tại Việt Nam.

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.