MỞ ĐẦU Các hợp chất hữu cơ vòng thơm như:naphthalene, anthracene,pyrene hay còn gọi là các hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs - polycyclic aromatic hydrocarbons) và phenol là các hợp chất hữu cơ bền vững, khó phân hủy trong tự nhiên. Chúng là những hợp chất hữu cơ có nhiều trong công nghiệp sản xuất nhựa tổng hợp, các loại thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, công nghiệp dệt nhuộm, công nghiệp sản xuất thuốc nổ, chất tẩy rửa, trong công nghiệp chế biến cà phê, chúng cũng là phụ gia của nhiều ngành công nghiệp khác và đặc biệt chúng có nhiều trong dầu mỏ. Khi con người, động vật tiếp xúc với những hợp chất hữu cơ này qua các con đường như ăn, uống, tiếp xúc qua da có thể gây ra các bệnh như suy hô hấp, rối loạn thần kinh thậm chí có thể gây tử vong.Do vậy, việc loại bỏ các thành phần hữu cơ trên có trong dầu mỏ tại các khu vực ô nhiễm là một việc làm cần thiết hiện nay. Để xử lý các hợp chất này, các phương pháp vật lý, hóa lý đã được sử dụng và cho kết quả khả quan.
Các phương pháp này có ưu điểm là xử lý nhanh, tuy nhiên quá trình xử lý không được triệt để và thường tạo ra các sản phẩm phụ thứ cấp ảnh hưởng tới môi trường xung quanh. Phương pháp phân hủy sinh học sử dụng các tác nhân sinh học như vi sinh vật và các chất có hoạt tính sinh học do vi sinh vật sản sinh ra đã được sử dụng ngày càng rộng rãi do hiệu quả, rẻ, thân thiện với môi trường. Đặc biệt khi vi sinh vật có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ vòng thơm sinh trưởng trong cấu trúc màng sinh học (biofilm) thì hiệu quả xử lý các hợp chất này trong nước bị ô nhiễm dầu cao hơn khi ở dạng tế bào tự do. Biofilm là một tập hợp các vi sinh vật bám trên một bề mặt của vật thể rắn hoặc bề mặt chất lỏng, tạo thành lớp màng bao phủ bề mặt đó.Khu hệ vi sinh vật trong biofilm có khả năng chống chịu các điều kiện khắc nghiệt của môi trường (sự thay đổi về pH, nhiệt độ, sự thẩm thấu hay sự mất nước của tế bào, v.v…) tốt hơn, hỗ trợ trao đổi chất tốt hơn và hạn chế sự cạnh tranh của các vi sinh vật khác từ đó làm tăng hiệu suất phân hủy các hợp chất ô nhiễm khi xử lý ngoài hiện trường.
2 Ở Việt Nam cho đến nay chưa có nhiều nghiên cứu về ứng dụng các vi sinh vật tạo biofilmtrong xử lý các hợp chất hydrocarbon thơm trong nước ô nhiễm.Để giải quyết những vấn đề thực tiễn nêu trên, luận án: “Nghiên cứu khả năng phân hủy hợp chất vòng thơm của các chủng vi sinh vật tạo màng sinh học phân lập tại một số địa điểm ô nhiễm dầu ở Việt Nam” đã được thực hiện với mục tiêu và nội dung như sau: Mục tiêu: Tìm kiếm các chủng vi sinh vật vừa có khả năng tạo biofilm, vừa có khả năng phân hủy các hợp chất vòng thơm nhằm ứng dụng trong xử lý môi trường ô nhiễm những hợp chất này. Nội dung nghiên cứu: 1. Làm giàu và phân lập vi sinh vật có khả năng sử dụng các hydrocarbon thơmnhư nguồn carbon và năng lượng duy nhất. Sàng lọc các chủng vi sinh vật sử dụng các hydrocarbon thơm có khả năng tạo biofilm.
Nghiên cứu các đặc điểm sinh học và phân loại, định tên các chủng đại diện. Kiểm tra tính đối kháng và đánh giá độ an toàn của các chủng vi sinh vật chọn lọc. Nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện tới khả năng tạo biofilm. Đánh giá khả năng phân hủy một số hydrocarbon thơm của các chủng lựa chọn.
Đánh giá hiệu suất phân hủycác hydrocarbon thơm trong nước nhiễm dầu dobiofilm đa chủng vi khuẩn và biofilm đa chủng nấm men tạo thành. Những đóng góp mới của luận án: (1) Đây là công trình nghiên cứu có hệ thống về phân lập, tuyển chọn các chủng vi khuẩn, nấm men vừa có khả năng tạo biofilm tốt vừa có khả năngphân hủy tốt các hợp chất hữu cơ vòng thơm phân lập từ nước ô nhiễm dầu tại Việt Nam. (2) Lần đầu tiên ở Việt Nam đã thiết lập được con đườngchuyển hóaiso- pentylbenzene bởi chủng nấm men Candida viswanathii TH1. 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.
ĐẶC ĐIỂM, NGUỒN GỐC PHÁT SINH CỦA PHENOL VÀ PAH 1. Đặc điểmvà nguồn gốc phát sinh của phenol Phenol là một đơn vị cấu trúc vòng thơm đơn giản nhất, mùi hăng và có vị rất đặc trưng mùi khói. Phenol ít tan trong nước ở nhiệt độ phòng, tuy nhiên trên 68oC, nó tan hoàn toàn vào nước. Phenol ít bay hơi ở nhiệt độ phòng (tốc độ bay hơi chậm hơn nước) và dễ bị bốc cháy (Gami et al.
Hiện nay, phenol được ứng dụng nhiều trong công nghiệp sản xuất nhựa phenolic, caprolactan và bisphenol A, thuốc tẩy uế, thuốc diệt côn trùng và các sản phẩm dược phẩm. Phenol và các dẫn xuất của nó tồn tại chủ yếu ở trong nguồn nước thải của nhiều ngành công nghiệp và trong không khí bị ô nhiễm thông qua các hoạt động sinh hoạt thường ngày của con người: chế biến thức ăn, hút thuốc lá v.v… (Al-Khalid et al. Bên cạnh đó, phenol còn được phát sinh từ các quá trình sản xuất và sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ như: 2,4- dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) hay 4-chloro-2-methylphenolxyacetic acid (MCPA) và pentachlorophenol (PCP), dinoseb (một loại thuốc diệt cỏ cũng được dùng như: thuốc diệt nấm và côn trùng bị EPA cấm sử dụng vào năm 1986 vì gây ra nguy cơ dị tật trong sinh sản và vô sinh hoặc thuốc diệt cỏ)(Gami et al. Phenol còn được phát sinh trong các phản ứng giữa chlorobenzene và sodium hydrocide, quá trình oxi hóa toluene và tổng hợp từ benzene và propylene.Ngoài ra, phenol cũng được hình thành bởi các phản ứng hóa học xảy ra trong khí quyển trong quá trình nước bay hơi hình thành mây và trong quá trình sinh tổng hợp bởi thực vật hay các phản ứng phân hủy các chất hữu cơ (US EPA, 1980).
Ngoài các nguồn phát sinh trên thì1 nguồn phát sinh phenol đáng phải kể đến đó là tại các bể thu gom nước thải của các kho bể và các cửa hàng xăng dầu do hiện 4 tượng rò rỉ, rơi rớt xăng dầu trong quá trình xúc rửa các bể chứa dầu, vận chuyển xăng dầu từ kho tới các cây xăng dầu để tiêu thụ (Yu et al. Đặc điểm và nguồn gốc phát sinh của PAH PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) được sử dụng để chỉ một số các chất hữu cơ gồm hai hay nhiều vòng hydrocarbon thơm liên kết với nhau. Có hơn 100 loại PAH khác nhau trong đó có 16 loại PAH được nghiên cứu tỉ mỉ do chúng nguy hại hơn so với các loại PAH khác và được xác định là có nồng độ cao nhất tại các vị trí nguy hiểm trong Danh sách các quốc gia được ưu tiên (NPL - National Priorities List) của cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ (Hình 1. Cấu trúc hóa học của một số loại PAH (Nguồn: Pelero, 2010) Trong tự nhiên, PAHthường tồn tại ở dạng hỗn hợp, ít thấy ở dạng đơn lẻ.
Tại nhiệt độ thường (từ 15-35oC), PAH tinh khiết tồn tại ở thể rắn, không màu hoặc có màu trắng hay màu vàng chanh và có mùi hăng nhẹ. Tùy thuộc vào khối lượng 5 phân tử mà các PAH có những tính chất vật lý, hoá học khác nhau. Nhìn chung chúng có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, áp suất bay hơi thấp và rất ít tan trong nước nhưng tan tốt trong chất béo. Một số đặc tính cơ bản của PAH được mô tả trong Bảng 1.
Tính chất vật lý của một số loại PAH Áp suất Nhiệt độ Nhiệt Độ tan hơi ở Tên loại PAH Số nóng chảy độsôi trong nƣớc LogKpd 20oC vòng (oC) (oC) (mg/l) (torr) 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 Schyrene 4 255 488 0,02 5,61 6,3x10-7 Benzo[a]pyrene 5 179 496 0,0038 6,04 5,0x10-7 (BaP) Dibenzo[a] 5 262 524 0,0005 5,97 1,0x10-10 anthracene Benzo[g,h,i]perylen 6 222 -- 0,0003 7,23 1,0x10-10 e * Kpd= [octanol]/[nước] (Nguồn: Cerniglia, 1992) Hệ số Kpd cao, các PAH có xu hướng tăng khả năng hấp phụ lên bề mặt các vật liệu rắn, tương ứng với khả năng hòa tan của nó trong nước của nó cũng giảm. Độ hòa tan trong nước của PAH tỷ lệ nghịch với chỉ số Kp. PAH là những chất kỵ nước. Khả năng gây ô nhiễm môi trường tùy thuộc khả năng hòa tan của chúng trong môi trường nước.
Số lượng vòng benzene 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 benzene tăng (Cerniglia,1992). Một vài PAH được sử dụng trong dược phẩm và được làm thuốc nhuộm, nhựa và thuốc trừ côn trùng. Chúng cũng được tìm thấy trong các nguồn cơ chất 6 như: dầu thô, than đá, nhựa đường, dầu hỏa hay từ các hoạt động phun trào núi lửa.
Chúng cũng được tìm thấy ở mọi nơi trong môi trường trong không khí, nước và đất trong sinh hoạt hàng ngày của con người: việc hút thuốc, đun nấu bằng củi và dầu hỏa, đốt nóng các loại dầu khác nhau và nướng thịt. Đặc biệt, PAH xuất hiện nhiều trong quá trình cracking bẻ gãy các liên kết mạch dài của các chất hữu cơ có trong dầu mỏ, các công đoạn đúc sắt thép và sản xuất nhôm, than chì (US Department of health and human services, 1995).Cũng như phenol, nước thải nhiễm dầu tại các bể thu gom nước thải của các kho xăng dầu cũng là 1 nguồn phát sinh PAH lớn(Yu et al. TÍNH ĐỘC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA PHENOL, PAH TỚI MÔI TRƯỜNG, SỨC KHỎE CON NGƯỜI VÀ ĐỘNG VẬT 1. Tính độc và ảnh hƣởng của phenol tới môi trƣờng, sức khỏe con ngƣời và động vật Phenol là một trong những hợp chất vòng thơm đầu tiên được đưa ra trong danh sách các chất ô nhiễm được chú trọng của USEPA.
Đã có nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu về tính độc cũng như ảnh hưởng của phenol lên sức khỏe con người và môi trường. Liều gây độc cho người khi uống phải là từ 200 mg đến 300 mg và liều gây chết là 3 g đến 30 g (Todoroviê, 2003). Phenol sau khi thấm vào tế bào, trải qua quá trình chuyển hóa chủ yếu với sự tham gia của các oxidase trong hệ thống Cytochrome P450.