Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Cái bởi vi sinh vật

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông cái bởi vi sinh vật, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng trong lĩnh vực tại

• Tác giả: Nguyễn Văn Sơn
• Người hướng dẫn: TS Phùng Chí Sỹ
• Trường học: Viện Khoa Học Và Công Nghệ Quân Sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Quá Trình Phân Hủy Chất Hữu Cơ Trong Nước Sông Cái Bởi Vi Sinh Vật
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về khả năng tự làm sạch của dòng sông
• 1.2. Khái niệm về khả năng tự làm sạch của dòng sông
• 1.3. Cơ chế của quá trình tự làm sạch dòng sông
• 1.4. Vai trò của loài vi khuẩn có khả năng phân hủy chất hữu cơ
• 1.5. Sự khả kiến của quá trình tự làm sạch dòng sông
• 1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tự làm sạch dòng sông
• 1.7. Các phương pháp xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông và phân loại vi sinh vật
• 1.7.1. Các phương pháp xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông
• 1.7.2. Các phương pháp phân loại vi sinh vật
• 1.8. Các kết quả nghiên cứu về khả năng tự làm sạch của dòng sông
• 1.8.1. Nghiên cứu khả năng tự làm sạch của dòng sông dựa vào đặc trưng dòng chảy
• 1.8.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự loại bỏ chất ô nhiễm trong dòng sông
• 1.8.3. Nghiên cứu hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông
• 1.9. Đặc điểm tự nhiên, vai trò, chức năng, chế độ thủy văn thủy lực, dòng chảy, các nguồn thải và chất lượng nước sông Cái
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Vật liệu và thiết bị
• 2.1.1. Thiết bị EZ-Oxyro 4R Respirometer
• 2.1.2. Thiết bị MALDI Biotyper Microflex LT/SH
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp lựa chọn giá trị đo của các yếu tố ảnh hưởng
• 2.2.2. Phương pháp lấy mẫu và tạo mẫu nước sông
• 2.2.3. Phương pháp xác định BOD
• 2.2.4. Phương pháp xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ
• 2.2.5. Phương pháp xây dựng phương trình tương quan giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và độ mặn, DO, nhiệt độ, pH
• 2.2.6. Phương pháp phân lập vi sinh
• 2.2.7. Phương pháp phân loại bằng khối phổ protein MALDI-TOF
• 2.2.8. Phương pháp xác định các loài vi khuẩn hiếu khí có vai trò chủ đạo tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông
• 3.1.1. Xác định BOD (y) trong 20 ngày
• 3.1.2. Xác định độ dốc BOD (y’)
• 3.1.3. Xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ
• 3.1.4. Xác định phương trình động học phân hủy chất hữu cơ
• 3.2. Xác định ảnh hưởng của các yếu tố đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông
• 3.2.1. Ảnh hưởng của độ mặn
• 3.2.2. Ảnh hưởng của DO
• 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.2.4. Ảnh hưởng của pH
• 3.3. Đánh giá mức độ đa dạng cộng đồng vi khuẩn hiếu khí trong nước sông
• 3.3.1. Số dòng khuẩn lạc hiếu khí
• 3.3.2. Tổng khuẩn lạc hiếu khí
• 3.4. Xác định các loài vi khuẩn hiếu khí có vai trò chủ đạo tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông
• 3.4.1. Định danh các loài vi khuẩn hiếu khí
• 3.4.2. Xác định các loài vi khuẩn hiếu khí có vai trò chủ đạo tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng tự làm sạch của dòng sông

Khả năng tự làm sạch của dòng sông là một quá trình tự nhiên, trong đó các chất ô nhiễm được loại bỏ hoặc phân hủy nhờ vào các yếu tố sinh học, hóa học và vật lý. Nước sông Cái có vai trò quan trọng trong việc duy trì chất lượng nước, đặc biệt là trong bối cảnh ô nhiễm ngày càng gia tăng. Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm vi sinh vật có mặt trong nước, các điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH và độ mặn. Nghiên cứu cho thấy rằng vi sinh vật đóng vai trò chủ đạo trong việc phân hủy chất hữu cơ. Các loài vi khuẩn hiếu khí như Bacillus và Pseudomonas có khả năng phân hủy hiệu quả các chất hữu cơ, từ đó cải thiện chất lượng nước. Việc hiểu rõ về khả năng tự làm sạch của dòng sông không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn hỗ trợ cho các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội.

1.1. Cơ chế của quá trình tự làm sạch dòng sông

Quá trình tự làm sạch của dòng sông diễn ra thông qua nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm sự phân hủy của chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Các vi sinh vật này sử dụng chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng, từ đó chuyển hóa chúng thành các sản phẩm không độc hại hơn. Cơ chế này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn duy trì sự cân bằng sinh thái trong hệ sinh thái nước. Nghiên cứu cho thấy rằng các yếu tố như nhiệt độ, độ mặn, và ôxy hòa tan (DO) có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân hủy. Việc xác định các yếu tố này là cần thiết để đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông, từ đó đưa ra các giải pháp bảo vệ môi trường hiệu quả.

II. Nghiên cứu khả năng phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Cái

Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Cái bởi các vi sinh vật hiếu khí. Các mẫu nước được thu thập và phân tích để đánh giá hiện trạng ô nhiễm và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy. Kết quả cho thấy rằng tốc độ phân hủy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, pH, và độ mặn. Việc xác định các loài vi khuẩn có vai trò chủ đạo trong quá trình này cũng rất quan trọng. Các loài vi khuẩn như Bacillus và Pseudomonas đã được xác định là có khả năng phân hủy chất hữu cơ hiệu quả, góp phần cải thiện chất lượng nước sông. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin quan trọng về khả năng tự làm sạch của dòng sông mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo vệ nguồn nước.

2.1. Đánh giá mức độ đa dạng cộng đồng vi khuẩn hiếu khí

Mức độ đa dạng của cộng đồng vi sinh vật hiếu khí trong nước sông Cái được đánh giá thông qua việc phân lập và xác định các loài vi khuẩn. Kết quả cho thấy rằng có sự hiện diện của nhiều loài vi khuẩn khác nhau, mỗi loài có khả năng phân hủy chất hữu cơ ở mức độ khác nhau. Việc đánh giá này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc cộng đồng vi sinh vật mà còn cung cấp thông tin cần thiết để phát triển các biện pháp bảo vệ và cải thiện chất lượng nước. Sự đa dạng này cũng cho thấy khả năng thích ứng của các loài vi khuẩn trước các điều kiện môi trường khác nhau, từ đó nâng cao khả năng tự làm sạch của dòng sông.

III. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu về phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Cái bởi vi sinh vật không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng về chất lượng nước và thành phần vi sinh vật, từ đó giúp các nhà quản lý môi trường đưa ra các quyết định chính xác hơn trong việc bảo vệ nguồn nước. Hơn nữa, việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy sẽ giúp tối ưu hóa các biện pháp xử lý nước thải, góp phần cải thiện chất lượng nước sông. Nghiên cứu này cũng mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo về khả năng tự làm sạch của các dòng sông khác tại Việt Nam.

3.1. Đề xuất giải pháp bảo vệ chất lượng nguồn nước

Dựa trên kết quả nghiên cứu, một số giải pháp bảo vệ chất lượng nguồn nước sông Cái được đề xuất. Các giải pháp này bao gồm việc kiểm soát ô nhiễm từ các nguồn thải, nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ môi trường, và áp dụng các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả. Việc thực hiện các giải pháp này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn bảo vệ hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc theo dõi thường xuyên chất lượng nước và sự biến động của cộng đồng vi sinh vật để có những điều chỉnh kịp thời trong quản lý nguồn nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về khả năng tự làm sạch của dòng sông Bảo vệ, sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên nước là vấn đề sống còn và cấp bách của nhân loại. Quản lý, bảo vệ nguồn nước sông ngày càng trở thành vấn đề được quan tâm hàng đầu. Để đảm bảo việc khai thác, sử dụng các nguồn tài nguyên nước một cách bền vững, việc nghiên cứu đánh giá tác động do các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc phòng đến chất lượng nguồn nước càng phải được nghiên cứu sâu rộng.

Đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông đóng vai trò hết sức quan trọng trong bảo vệ chất lượng nguồn nước phục vụ cho phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc phòng. Đây là hướng nghiên cứu được quan tâm nhiều trên thế giới và trong những năm gần đây tại Việt Nam. Do đó, đây là đối tượng quan tâm của nhiều công trình nghiên cứu khoa học. Trong dòng sông, sự thay đổi nồng độ của các chất ô nhiễm nói chung và chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học nói riêng dưới tác động của các yếu tố tự nhiên được xem là khả năng tự làm sạch, đây cũng là một trong những chức năng quan trọng của môi trường tự nhiên.

Khả năng tự làm sạch của dòng sông được xem như là sự phục hồi của dòng chảy bởi các quá trình tự nhiên khi bị ô nhiễm. Từ khái niệm này nhiều câu hỏi liên quan được đặt ra như: Cơ chế của sự phục hồi hay còn gọi là khả năng tự làm sạch ? Các yếu tố nào liên quan và gây ảnh hưởng đến cơ chế này ? Khả năng tự làm sạch của dòng sông có bị giới hạn không ? Phương pháp nào để đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông? Các công trình nghiên cứu đã thực hiện phần nào cũng góp phần làm sáng tỏ các câu hỏi đặt ra của các nhà khoa học. Thông qua các kết quả nghiên cứu có thể nói rằng quá trình tự làm sạch của dòng sông là quá trình rất phức tạp, diễn ra đồng thời của các quá trình vật lý, hóa học, sinh học và sự ảnh hưởng qua lại của các yếu tố này [51]. Sự lan truyền, chuyển hóa chất hữu cơ trong dòng sông là quá trình phức tạp, phụ thuộc nhiều yếu tố diễn ra trong dòng chảy.

Việc xem xét tính toán sự lan truyền, chuyển hóa và phân bố chất hữu cơ trong dòng chảy sông theo thời gian đòi hỏi tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm trên đối tượng cụ thể. Khi dòng sông được phục hồi thông qua quá trình tự làm sạch khi đó các chất ô nhiễm được loại bỏ khỏi dòng sông. Các quá trình loại bỏ và các yếu tố ảnh hưởng đến sự loại bỏ các chất ô nhiễm là một trong những mắc xích góp phần làm sáng tỏ các nội dung liên quan đến khả năng tự làm sạch của dòng sông [51], [56]. Chất lượng nước sông được đánh giá thông qua nhiều thông số khác nhau.

Một trong những thông số được quan tâm là chất hữu cơ bao gồm chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Các nghiên cứu liên quan đến khả năng tự làm sạch của dòng sông thường sử dụng thông số BOD để theo dõi đánh giá và là thông số quan trọng để đánh giá chất lượng nước. Khi nói đến BOD là nói đến DO vì 5 DO trong nước là nguồn cung cấp ôxy cho các vi khuẩn hiếu khí hoạt động phân huỷ chất ô nhiễm hữu cơ. Nói cách khác, BOD là nguyên nhân chính làm giảm DO trong nước và làm suy giảm chất lượng nước.

Do đó, có thể nói BOD và DO là thông số quan trọng trong đánh giá quá trình tự làm sạch của dòng sông. Hệ số tự làm sạch được tính toán dựa trên tỉ lệ giữa hệ số tốc độ hòa tan ôxy vào nước qua mặt thoáng (K2) và hệ số tốc độ tiêu thụ ôxy do quá trình phân hủy chất hữu cơ (K1). Các dòng sông khác nhau có hệ số K1, K2 khác nhau và các hệ số này được xác định thông qua quá trình nghiên cứu thực nghiệm [105]. Trong những năm gần đây, tại Việt Nam, khái niệm về khả năng tự làm sạch của dòng sông được đề cập thường xuyên hơn trong các tài liệu nghiên cứu.

Một số công trình nghiên cứu về khả năng tự làm sạch của dòng sông được thực hiện với công cụ sử dụng chính để đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông là các mô hình toán như: MIKE, BASINS, SWAT, QUAL2 (QUAL2EU, QUAL2K), WASP7… [9], [12], [17], [25]. Khái niệm về khả năng tự làm sạch của dòng sông Khả năng tự làm sạch của dòng sông được các tác giả khác nhau định nghĩa khác nhau. Lee và Shun Dar Lin (2007) [56] cho rằng khả năng tự làm sạch của dòng sông là khả năng loại bỏ, giảm thiểu các chất ô nhiễm thông qua các quá trình biến đổi vật lý, hóa học, sinh học xảy ra trong dòng chảy. Khả năng tự làm sạch dòng sông đóng vai trò hết sức quan trọng trong giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước, bảo vệ chất lượng nước sông.

- Penrug Phangsombut (2005) [92] cho rằng quá trình tự làm sạch của dòng sông là quá trình phân hủy tự nhiên các chất ô nhiễm hữu cơ bởi vi khuẩn để phục hồi lại chất lượng nước. Quá trình tự làm sạch của dòng sông là quá trình biến đổi vật lý, hóa học và sinh học xảy ra trong môi trường nước, nhờ đó mà hệ sinh thái được phục hồi. - Benoit (1971) [51] cho rằng tự làm sạch của dòng sông là như sự phục hồi của dòng chảy bởi các quá trình tự nhiên khi bị ô nhiễm. Từ các khái niệm ở trên cho thấy quá trình tự làm sạch của dòng sông là tập hợp các quá trình tự nhiên trong dòng chảy sông làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm hướng tới phục hồi trạng thái ban đầu của dòng sông.

Cơ chế của quá trình tự làm sạch dòng sông Cơ chế tự làm sạch của dòng sông thông qua các quá trình khác nhau như: Quá trình vật lý, quá trình hóa học và quá trình sinh học [19]. * Các quá trình vật lý: - Sự pha loãng nồng độ chất ô nhiễm: Chất ô nhiễm được pha loãng nồng độ nhờ các quá trình khuếch tán, đối lưu, chảy rối xảy ra trong môi trường nước. 6 Nhờ các quá trình này, chất ô nhiễm được vận chuyển xa nguồn thải và đồng thời giảm nồng độ so với ban đầu trong dòng thải. - Sự hấp phụ của chất ô nhiễm lên bề mặt hạt rắn: Một số chất ô nhiễm, đặc biệt là các chất hữu cơ gây mùi, có khả năng hấp phụ vào các hạt rắn lơ lửng và bị kéo xuống đáy sông trong quá trình lắng đọng của các hạt rắn.

- Sự lắng đọng của các hạt rắn lơ lửng: Trong quá trình vận chuyển, phân tán trong môi trường nước, các hạt rắn lơ lửng lắng dần xuống đáy sông dưới tác dụng của trọng lực. Nhờ đó, hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước sông giảm đi. - Sự bay hơi: Một số chất ô nhiễm dễ bay hơi sẽ bay hơi vào không khí làm cho nồng độ của chúng trong nước giảm dần. * Các quá trình hóa học: Quá trình trung hòa, keo tụ, kết tủa, ôxy hóa khử, hấp thụ, trao đổi ion… * Các quá trình sinh học: - Sự phân hủy của vi sinh vật: Vi sinh vật được xem là nhân tố chính của quá trình tự làm sạch nước tự nhiên.

Chúng phân hủy và sử dụng các chất hữu cơ hòa tan để xây dựng tế bào cho cơ thể và biến thành các chất vô cơ trong nước. + Phân hủy hiếu khí: Các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học sẽ bị ôxy hóa nhờ hoạt động của các vi sinh vật hiếu khí trong môi trường nước với sự có mặt của ôxy, tạo thành CO2 và nước. + Phân hủy kỵ khí: Nhờ hoạt động của các vi sinh vật kỵ khí, các chất hữu cơ bị chuyển hóa trong quá trình lên men tạo thành CO2 và một số khí khác như: CH4, NH3, H2S. - Sự quang hợp của thực vật nước: Các thực vật nước (tảo, cỏ dại, lục bình…) sử dụng các nguyên tố dinh dưỡng tồn tại dưới dạng các chất ô nhiễm hữu cơ hoặc vô cơ để phát triển.

Đồng thời, quá trình quang hợp của chúng sẽ sản sinh ra ôxy cho quá trình ôxy hóa các chất ô nhiễm. Nhờ đó nồng độ của các chất ô nhiễm giảm đi. Trong nước có nhiều loại vi sinh vật như: Vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, vi rút (siêu vi khuẩn). Trong những loại này, vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hay chủ đạo trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, làm sạch nguồn nước sông [8].

Vi khuẩn là vi sinh vật đơn bào, kích thước rất nhỏ từ 0,3-5 m; có dạng hình cầu, hình que, hình sợi xoắn. Chúng đứng riêng rẽ hoặc xếp thành đôi, thành 4 tế bào hoặc hình thành khối với 8 tế bào, xếp thành chuỗi hoặc thành chùm. Vi khuẩn sinh sản bằng cách chia đôi tế bào. Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia làm 2 nhóm: Vi khuẩn dị dưỡng và vi khuẩn tự dưỡng [8].

7 * Vi khuẩn dị dưỡng: Nhóm vi khuẩn này sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng tế bào, phát triển… Có 3 loại vi khuẩn dị dưỡng: - Vi khuẩn hiếu khí: Cần ôxy để sống, ôxy cung cấp cho quá trình ôxy hóa các chất hữu cơ theo phản ứng: Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O + Năng lượng - Vi khuẩn kỵ khí: Sống và hoạt động ở điều kiện kỵ khí (không cần ôxy của không khí), sử dụng ôxy trong những hợp chất nitrat, sulphat để ôxy hóa các chất hữu cơ; quá trình phân hủy các chất hữu cơ theo phản ứng: Chất hữu cơ + NO3- → CO2 + N2 + Năng lượng Chất hữu cơ + SO42- → CO2 + H2S + Năng lượng Chất hữu cơ → Axít hữu cơ + CO2 + H2O + Năng lượng Chất hữu cơ → CH4 + CO2 + Năng lượng - Vi khuẩn tùy nghi: Có thể sống trong điều kiện có hoặc không có ôxy tự do; năng lượng được giải phóng một phần được sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bào mới, một phần thoát ra ở dạng nhiệt. * Vi khuẩn tự dưỡng: Có khả năng ôxy hóa chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong nhóm này có vi khuẩn nitrat hóa.