Tổng quan nghiên cứu

DDT (1,1,1-dichloro diphenyl trichloroethane) là một loại thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) được sử dụng rộng rãi từ những năm 1940 nhằm kiểm soát sâu bệnh và các vector truyền bệnh như muỗi gây sốt rét. Tuy nhiên, do tính bền vững cao và độc tính nghiêm trọng, DDT đã bị cấm sử dụng trong nông nghiệp trên toàn cầu từ năm 2001 theo Công ước Stockholm. Ở Việt Nam, DDT cũng nằm trong danh mục thuốc BVTV cấm sử dụng từ năm 1992. Mặc dù vậy, tồn dư DDT vẫn được phát hiện ở nhiều vùng đất nông nghiệp với nồng độ ô nhiễm trong đất lên đến 268 mg/kg và trong nước là 4 µg/L, đặc biệt tại các điểm ô nhiễm ở tỉnh Nghệ An với nồng độ DDT trong đất dao động từ 3,38 đến 960,6 mg/kg. Tình trạng này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Mục tiêu nghiên cứu là phân lập và chọn tạo bộ giống vi khuẩn có khả năng phân hủy hiệu quả DDT nhằm phục vụ xử lý đất nông nghiệp ô nhiễm. Nghiên cứu tập trung vào việc định danh, khảo sát đặc điểm sinh học của các chủng vi khuẩn, xây dựng quy trình sản xuất chế phẩm sinh học và thử nghiệm xử lý đất ô nhiễm DDT ở quy mô phòng thí nghiệm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mẫu đất ô nhiễm DDT thu thập tại tỉnh Nghệ An, Việt Nam, trong giai đoạn nghiên cứu từ năm 2022 đến 2023.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển giải pháp sinh học thân thiện môi trường, tiết kiệm chi phí và hiệu quả trong xử lý ô nhiễm DDT, góp phần cải tạo đất nông nghiệp, bảo vệ sức khỏe con người và phát triển bền vững ngành nông nghiệp Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết phân hủy sinh học DDT: Vi sinh vật sử dụng enzyme đặc hiệu để loại bỏ gốc chlorine trong phân tử DDT, chuyển hóa thành các sản phẩm ít độc hại hơn hoặc khoáng hóa hoàn toàn thành CO₂ và H₂O. Quá trình này có thể diễn ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí với các con đường phân giải khác nhau.
  • Mô hình làm giàu vi sinh vật phân hủy DDT: Sử dụng phương pháp pha loãng và nuôi cấy trong môi trường muối khoáng tối thiểu (MSM) bổ sung DDT để chọn lọc các chủng vi khuẩn có khả năng thích nghi và phân hủy DDT hiệu quả.
  • Khái niệm enzyme phân giải DDT: Enzyme loại chloride và enzyme oxy hóa đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân giải DDT, được đánh giá qua các phương pháp đo ion chloride tự do và đo nồng độ oxy tiêu thụ.
  • Khái niệm chế phẩm sinh học xử lý ô nhiễm: Chế phẩm sinh học là hỗn hợp vi sinh vật được chọn lọc và nuôi cấy nhằm xử lý ô nhiễm DDT trong đất, có thể được sản xuất ở quy mô phòng thí nghiệm và ứng dụng thực tế.
  • Yếu tố ảnh hưởng đến phân hủy DDT: Nhiệt độ, pH, nồng độ DDT, nguồn cac-bon và ni-tơ bổ sung, tỷ lệ dịch vi lượng và tỷ lệ cấp giống là các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy DDT của vi sinh vật.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng 13 mẫu đất ô nhiễm DDT thu thập tại tỉnh Nghệ An, Việt Nam. Ngoài ra, 10 chủng vi khuẩn bổ sung có khả năng phân hủy các hợp chất vòng thơm chứa halogen được sử dụng từ bộ sưu tập vi sinh vật phòng thí nghiệm GREENLAB.
  • Phương pháp phân lập vi sinh vật: Áp dụng phương pháp phân lập thường quy, làm giàu qua pha loãng trong môi trường MSM bổ sung DDT, và phân lập định hướng xạ khuẩn trên môi trường đặc biệt. Các chủng được tinh sạch và bảo quản để nghiên cứu tiếp theo.
  • Phân tích đặc điểm sinh học và định danh: Sử dụng kỹ thuật PCR và giải trình tự gen 16S rRNA cùng các gen đặc trưng (rpoD, gyrB, hisKA) để định danh chính xác các chủng vi khuẩn và xạ khuẩn. Đặc điểm sinh hóa được khảo sát bằng bộ kit API20E và các xét nghiệm enzyme ngoại bào.
  • Đánh giá khả năng phân giải DDT: Khả năng sinh trưởng trong môi trường bổ sung DDT được đo quang phổ OD600. Hoạt tính enzyme loại chloride và oxy hóa được đánh giá bằng phương pháp đo ion Cl- tự do và nồng độ oxy tiêu thụ. Nồng độ DDT còn lại được xác định bằng sắc ký khí GC-FID.
  • Nghiên cứu quy trình sản xuất chế phẩm sinh học: Tối ưu hóa môi trường lên men (nguồn cac-bon, ni-tơ, tỷ lệ cấp giống), thu hồi sinh khối bằng các phương pháp đông khô, ly tâm, lọc, và bảo quản sinh khối bằng các chất mang như than bùn, cám gạo.
  • Thử nghiệm xử lý đất ô nhiễm DDT: Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với các tỷ lệ bổ sung nước, chế phẩm và chất hoạt động bề mặt khác nhau để đánh giá hiệu quả xử lý DDT trong đất.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2022 đến đầu năm 2024, với các giai đoạn phân lập, khảo sát đặc điểm, sản xuất chế phẩm và thử nghiệm xử lý đất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân lập và chọn lọc vi sinh vật phân hủy DDT: Từ 13 mẫu đất ô nhiễm DDT tại Nghệ An, hơn 50 chủng vi khuẩn và xạ khuẩn được phân lập. Trong đó, 10 chủng có khả năng sinh trưởng tốt trong môi trường MSM bổ sung DDT 30 ppm, với OD600 tăng trung bình 1,2 lần so với môi trường không DDT, chứng tỏ khả năng sử dụng DDT làm nguồn cac-bon.

  2. Khả năng sinh enzyme phân giải DDT: Các chủng được chọn có hoạt tính enzyme loại chloride với mức ion Cl- giải phóng đạt từ 15 đến 45 mg/L sau 7 ngày nuôi cấy, tương ứng với hiệu quả phân giải DDT từ 60% đến 85%. Hoạt tính enzyme oxy hóa cũng được xác nhận qua giảm nồng độ oxy trong môi trường, cho thấy quá trình oxy hóa DDT diễn ra hiệu quả.

  3. Định danh và đặc điểm sinh học: Các chủng vi khuẩn chủ yếu thuộc các chi Pseudomonas, Stenotrophomonas, Cupriavidus và Arthrobacter, với tỷ lệ tương đồng gen 16S rRNA trên 98%. Đặc điểm sinh hóa phù hợp với khả năng phân hủy các hợp chất vòng thơm chứa halogen. Một số chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces cũng được xác định có khả năng phân hủy DDT.

  4. Quy trình sản xuất chế phẩm sinh học: Môi trường lên men tối ưu sử dụng rỉ đường làm nguồn cac-bon và (NH4)2SO4 làm nguồn ni-tơ, tỷ lệ cấp giống 10%, nhiệt độ 30°C và pH 7,0 cho hiệu suất sinh khối cao nhất đạt 45 g/L sau 48 giờ. Phương pháp thu hồi sinh khối bằng đông khô cho hiệu suất thu hồi 85%, bảo quản bằng than bùn giữ được hoạt tính enzyme loại chloride trên 80% sau 3 tháng.

  5. Hiệu quả xử lý đất ô nhiễm DDT: Thử nghiệm xử lý đất ô nhiễm DDT bằng chế phẩm sinh học với tỷ lệ bổ sung chế phẩm 5% (w/w) và độ ẩm đất 40% cho hiệu quả giảm dư lượng DDT trong đất lên đến 78% sau 60 ngày. Việc bổ sung chất hoạt động bề mặt Tween 80 tăng hiệu quả xử lý thêm 12%, đạt mức giảm 90% DDT.

Thảo luận kết quả

Kết quả phân lập và chọn lọc vi sinh vật phù hợp với các nghiên cứu quốc tế, trong đó các chủng Pseudomonas và Stenotrophomonas được ghi nhận có khả năng phân hủy DDT hiệu quả với tỷ lệ lên đến 85-99%. Hoạt tính enzyme loại chloride là chỉ số quan trọng phản ánh khả năng loại bỏ gốc chlorine trong phân tử DDT, phù hợp với các con đường phân giải sinh học đã được công bố.

Quy trình lên men và thu hồi sinh khối được tối ưu hóa dựa trên các yếu tố môi trường và dinh dưỡng, đảm bảo hiệu suất sản xuất chế phẩm sinh học cao và ổn định. Việc sử dụng các chất mang tự nhiên như than bùn giúp bảo quản vi sinh vật lâu dài, thuận tiện cho ứng dụng thực tế.

Thử nghiệm xử lý đất cho thấy chế phẩm sinh học có khả năng giảm đáng kể dư lượng DDT, đặc biệt khi kết hợp với chất hoạt động bề mặt giúp tăng khả năng tiếp cận DDT của vi sinh vật. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy việc bổ sung Tween 80 hoặc rhamnolipids làm tăng hiệu quả phân hủy DDT lên 12-30%.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ DDT theo thời gian trong các nhóm thử nghiệm khác nhau, bảng so sánh hiệu quả phân hủy giữa các chủng vi sinh vật và điều kiện môi trường, giúp minh họa rõ ràng tác động của các yếu tố đến hiệu quả xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển và sản xuất chế phẩm sinh học quy mô công nghiệp: Áp dụng quy trình lên men và thu hồi sinh khối đã tối ưu để sản xuất chế phẩm sinh học xử lý DDT với công suất lớn, nhằm đáp ứng nhu cầu xử lý ô nhiễm đất nông nghiệp. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ sinh học phối hợp với viện nghiên cứu.

  2. Ứng dụng chế phẩm sinh học trong xử lý đất ô nhiễm DDT tại các vùng trọng điểm: Triển khai thử nghiệm và áp dụng chế phẩm tại các khu vực ô nhiễm nặng như Nghệ An, Hải Phòng, Hạ Long với mục tiêu giảm dư lượng DDT trong đất xuống dưới ngưỡng an toàn trong vòng 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp địa phương.

  3. Nghiên cứu bổ sung và tối ưu hóa chất hoạt động bề mặt tự nhiên: Khuyến khích nghiên cứu sâu hơn về các chất hoạt động bề mặt sinh học như rhamnolipids để tăng cường hiệu quả phân hủy DDT, giảm thiểu chi phí và tác động môi trường. Thời gian nghiên cứu 1 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

  4. Xây dựng chương trình đào tạo và hướng dẫn kỹ thuật sử dụng chế phẩm sinh học: Đào tạo cán bộ kỹ thuật, nông dân về cách sử dụng chế phẩm sinh học và quản lý đất ô nhiễm DDT nhằm đảm bảo hiệu quả và bền vững. Thời gian triển khai 6 tháng, chủ thể là các tổ chức đào tạo và cơ quan quản lý nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ sinh học, Môi trường: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về phân lập, định danh vi sinh vật phân hủy DDT, quy trình sản xuất chế phẩm sinh học và thử nghiệm xử lý đất, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu và phát triển công nghệ mới.

  2. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Thông tin về mức độ ô nhiễm DDT, các giải pháp xử lý sinh học hiệu quả giúp hoạch định chính sách, chương trình cải tạo đất ô nhiễm, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

  3. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và xử lý môi trường: Hướng dẫn quy trình sản xuất chế phẩm sinh học, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý DDT, giúp phát triển sản phẩm thương mại và ứng dụng thực tế.

  4. Nông dân và cộng đồng tại các vùng ô nhiễm DDT: Hiểu biết về tác hại của DDT, lợi ích của chế phẩm sinh học trong cải tạo đất, từ đó nâng cao nhận thức và áp dụng các biện pháp xử lý an toàn, bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi sinh vật nào có khả năng phân hủy DDT hiệu quả nhất?
    Các chủng thuộc chi Pseudomonas và Stenotrophomonas được ghi nhận có khả năng phân hủy DDT lên đến 85-99%, nhờ khả năng sinh enzyme loại chloride và oxy hóa đặc hiệu. Ví dụ, Stenotrophomonas sp. DDT-1 phân hủy hơn 90% DDT sau 82 ngày.

  2. Yếu tố môi trường nào ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình phân hủy DDT?
    Nhiệt độ và pH là hai yếu tố quan trọng nhất. Nhiệt độ tối ưu từ 25-35°C và pH trung tính (khoảng 7) giúp vi sinh vật sinh trưởng và phân hủy DDT hiệu quả nhất, phù hợp với điều kiện đất nông nghiệp Việt Nam.

  3. Chế phẩm sinh học có thể xử lý DDT trong đất nhanh đến mức nào?
    Trong thử nghiệm phòng thí nghiệm, chế phẩm sinh học giảm dư lượng DDT trong đất đến 78% sau 60 ngày, và có thể tăng lên 90% khi kết hợp với chất hoạt động bề mặt như Tween 80.

  4. Phương pháp thu hồi sinh khối vi sinh vật nào hiệu quả nhất?
    Phương pháp đông khô cho hiệu suất thu hồi sinh khối cao (khoảng 85%) và bảo quản hoạt tính enzyme tốt hơn so với ly tâm hoặc lọc, phù hợp cho sản xuất chế phẩm sinh học quy mô lớn.

  5. Chế phẩm sinh học có an toàn cho môi trường và con người không?
    Chế phẩm sử dụng vi sinh vật tự nhiên, thân thiện môi trường, không tạo ra chất độc hại trong quá trình phân hủy DDT. Sản phẩm phân hủy cuối cùng là CO₂ và H₂O, không tích tụ các chất trung gian độc hại, đảm bảo an toàn cho hệ sinh thái và sức khỏe con người.

Kết luận

  • Đã phân lập và chọn tạo thành công bộ giống vi khuẩn có khả năng phân hủy DDT hiệu quả từ các mẫu đất ô nhiễm tại Nghệ An, với hiệu suất phân giải lên đến 85%.
  • Định danh chính xác các chủng vi khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Stenotrophomonas, Cupriavidus và Arthrobacter, đồng thời khảo sát đặc điểm sinh học và enzyme liên quan đến phân hủy DDT.
  • Xây dựng quy trình sản xuất chế phẩm sinh học tối ưu với hiệu suất sinh khối cao, phương pháp thu hồi và bảo quản sinh khối hiệu quả, đảm bảo hoạt tính enzyme phân hủy DDT.
  • Thử nghiệm xử lý đất ô nhiễm DDT bằng chế phẩm sinh học đạt hiệu quả giảm dư lượng DDT đến 90% khi kết hợp với chất hoạt động bề mặt, mở ra hướng ứng dụng thực tế tại các vùng ô nhiễm.
  • Đề xuất các giải pháp phát triển chế phẩm sinh học quy mô công nghiệp, ứng dụng thực địa và đào tạo kỹ thuật nhằm cải tạo đất nông nghiệp ô nhiễm DDT bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai sản xuất và ứng dụng chế phẩm sinh học, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các chất hoạt động bề mặt sinh học để nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm DDT. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ với Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Sự sống, Đại học Quốc gia Hà Nội.