Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng, nhu cầu cải thiện độ bền và tính bền vững của vật liệu xây dựng ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, sản xuất xi măng hiện nay tiêu tốn lượng lớn năng lượng và phát thải khí nhà kính, đồng thời vật liệu xi măng dễ bị nứt, gây hư hại cấu trúc và tăng chi phí sửa chữa. Một giải pháp sinh học tiên tiến là công nghệ cảm ứng tạo kết tủa calcite do vi sinh vật (MICP - Microbe Inducing Calcite Precipitation) đã được nghiên cứu nhằm khắc phục các vấn đề này. Công nghệ MICP sử dụng vi khuẩn tạo calcite (CaCO₃) như một chất kết dính sinh học, có khả năng làm liền vết nứt và gia cố vật liệu xây dựng một cách tự nhiên, thân thiện với môi trường.

Luận văn tập trung phân lập và tối ưu hóa môi trường nuôi cấy vi khuẩn tạo tủa calcite từ các mẫu đá tại tỉnh Nghệ An, một vùng có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú với trữ lượng đá vôi trên 1 tỷ tấn. Mục tiêu cụ thể là tuyển chọn các chủng vi khuẩn bản địa có hoạt tính tạo calcite cao, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam, đồng thời xác định điều kiện nuôi cấy tối ưu trong quy mô phòng thí nghiệm nhằm phát triển xi măng sinh học ứng dụng thực tiễn. Thời gian nghiên cứu từ tháng 12/2022 đến tháng 6/2023 tại Phòng Vi sinh ứng dụng - Viện Sinh học Nhiệt đới, TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc khai thác nguồn vi sinh vật bản địa để phát triển công nghệ xây dựng xanh, giảm phát thải khí nhà kính và tăng cường độ bền vật liệu xây dựng, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững ngành xây dựng Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết MICP (Microbe Inducing Calcite Precipitation): Quá trình vi sinh vật tạo kết tủa calcite thông qua thủy phân urea bằng enzyme urease, làm tăng pH môi trường và tạo điều kiện kết tủa CaCO₃ trên bề mặt tế bào vi khuẩn. Quá trình này gồm bốn giai đoạn chính: thủy phân urea, tăng pH, hấp thụ ion Ca²⁺ và hình thành tinh thể calcite.

  • Phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Methodology - RSM): Kỹ thuật thống kê dùng để tối ưu hóa các yếu tố môi trường nuôi cấy vi khuẩn nhằm đạt hiệu suất tạo calcite cao nhất. Thiết kế thí nghiệm Box-Behnken được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng và tương tác của các biến như nhiệt độ, nồng độ urea và nồng độ calcium.

  • Thiết kế thí nghiệm Plackett-Burman: Dùng để sàng lọc các yếu tố môi trường có ảnh hưởng chính đến quá trình tạo calcite, giúp giảm số lượng thí nghiệm cần thiết.

Các khái niệm chính bao gồm: enzyme urease, nồng độ vi khuẩn (CFU/mL), pH môi trường, nồng độ urea và calcium, hoạt tính tạo tủa calcite, và các chỉ số đo lường như khối lượng calcite (g/L).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: 7 mẫu đá được thu thập từ các mỏ đá vôi tại tỉnh Nghệ An, Việt Nam. Từ các mẫu này, 12 chủng vi khuẩn có khả năng tạo calcite được phân lập.

  • Phương pháp phân tích: Vi khuẩn được nuôi cấy trong môi trường đặc biệt (B4, UCB) và đánh giá khả năng tạo tủa calcite bằng phương pháp cân khối lượng calcite sau 7-14 ngày nuôi cấy. Hoạt tính enzyme urease được định lượng bằng phương pháp Phenol-hypochloride. Định danh vi khuẩn bằng phương pháp sinh học phân tử (PCR và giải trình tự gen 16S rDNA).

  • Thiết kế thí nghiệm: Sử dụng thiết kế Plackett-Burman để sàng lọc các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến tạo calcite, tiếp theo tối ưu hóa các yếu tố chính bằng thiết kế Box-Behnken trong RSM.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 12/2022 đến tháng 6/2023, bao gồm phân lập vi khuẩn, đánh giá hoạt tính, tối ưu điều kiện nuôi cấy và thử nghiệm ứng dụng trong cố định cát.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn: 12 chủng vi khuẩn tạo calcite được phân lập từ 7 mẫu đá tại Nghệ An. Chủng Lysinibacillus fusiformic NSNA1.6 được chọn làm ứng viên chính do có sản lượng tủa calcite cao nhất đạt 15,86 g/L.

  2. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường: Các điều kiện tối ưu cho hoạt tính tạo calcite của NSNA1.6 là pH 8, nhiệt độ 40°C, nồng độ Ca²⁺ từ CaCl₂ là 250 mM, nồng độ urea 400 mM và mật độ vi khuẩn 10⁸ CFU/mL. Sau tối ưu bằng RSM, sản lượng calcite tăng lên 16,9 g/L, cao hơn khoảng 6,6% so với điều kiện ban đầu.

  3. Thử nghiệm ứng dụng: Ngâm cột cát với dung dịch vi khuẩn NSNA1.6 và hỗn hợp CaCl₂ + urea (tỉ lệ 1:1) trong 14 ngày cho thấy tính thấm của cột cát giảm đáng kể, chứng tỏ khả năng kết dính cát nhờ sự hình thành calcite.

  4. Định danh và đặc điểm vi khuẩn: Vi khuẩn NSNA1.6 thuộc loài Lysinibacillus fusiformic, có khả năng tạo bào tử giúp tồn tại lâu dài trong môi trường khắc nghiệt, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vi khuẩn bản địa từ Nghệ An có tiềm năng lớn trong công nghệ MICP, phù hợp với điều kiện khí hậu và nguồn nguyên liệu địa phương. Sản lượng calcite đạt được tương đương hoặc vượt trội so với các nghiên cứu quốc tế sử dụng các chủng vi khuẩn nhập khẩu. Việc tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy bằng RSM giúp tăng hiệu quả tạo calcite, đồng thời giảm chi phí và thời gian nghiên cứu.

Thí nghiệm cố định cát minh chứng cho ứng dụng thực tiễn của vi khuẩn trong gia cố đất và vật liệu xây dựng, góp phần giảm thiểu tác động môi trường so với phương pháp truyền thống. Các biểu đồ đường chuẩn ammonium chloride và đồ thị đáp ứng bề mặt minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa các yếu tố môi trường và sản lượng calcite, hỗ trợ đánh giá chính xác và tối ưu hóa quy trình.

So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã bổ sung dữ liệu về vi khuẩn bản địa và áp dụng thiết kế thí nghiệm thống kê hiện đại, nâng cao tính ứng dụng và khả năng nhân rộng công nghệ MICP tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình nuôi cấy quy mô công nghiệp: Áp dụng điều kiện tối ưu pH 8, nhiệt độ 40°C, nồng độ CaCl₂ 250 mM, urea 400 mM và mật độ vi khuẩn 10⁸ CFU/mL để sản xuất vi sinh vật tạo calcite với sản lượng cao, phục vụ cho các dự án xây dựng và gia cố đất trong vòng 12 tháng tới.

  2. Ứng dụng trong sửa chữa và gia cố vật liệu xây dựng: Sử dụng vi khuẩn Lysinibacillus fusiformic NSNA1.6 để xử lý các vết nứt trên bê tông và xi măng, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ công trình, ưu tiên triển khai tại các công trình xây dựng ở miền Trung Việt Nam trong 2 năm tới.

  3. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong xử lý môi trường: Khai thác khả năng kết tủa calcite để cố định kim loại nặng và chống xói mòn đất, phối hợp với các đơn vị môi trường để thử nghiệm thực địa trong vòng 18 tháng.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật MICP cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp xây dựng, đồng thời xây dựng quy trình chuẩn để nhân rộng công nghệ trên toàn quốc trong 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học, Khoa học Môi trường: Nghiên cứu sâu về vi sinh vật tạo calcite, phương pháp tối ưu hóa nuôi cấy và ứng dụng công nghệ MICP trong xây dựng và xử lý môi trường.

  2. Doanh nghiệp xây dựng và vật liệu xây dựng: Áp dụng công nghệ sinh học để cải thiện độ bền và khả năng tự phục hồi của vật liệu, giảm chi phí bảo trì và tăng tính bền vững công trình.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Tham khảo giải pháp công nghệ xanh, thân thiện môi trường trong xử lý đất và nước, góp phần giảm phát thải khí nhà kính.

  4. Các tổ chức đào tạo và chuyển giao công nghệ: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy, đào tạo kỹ thuật và phát triển các dự án ứng dụng công nghệ MICP tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi khuẩn Lysinibacillus fusiformic NSNA1.6 có ưu điểm gì so với các chủng khác?
    Chủng này có khả năng tạo calcite với sản lượng lên đến 16,9 g/L sau tối ưu, chịu được điều kiện pH và nhiệt độ cao, đồng thời có khả năng tạo bào tử giúp tồn tại lâu dài trong môi trường khắc nghiệt.

  2. Điều kiện nuôi cấy tối ưu để tạo calcite là gì?
    Các điều kiện tối ưu gồm pH 8, nhiệt độ 40°C, nồng độ CaCl₂ 250 mM, urea 400 mM và mật độ vi khuẩn 10⁸ CFU/mL, giúp tăng hiệu suất tạo calcite lên khoảng 6,6% so với điều kiện ban đầu.

  3. Công nghệ MICP có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    MICP được ứng dụng trong sửa chữa vết nứt bê tông, gia cố đất, xử lý kim loại nặng trong môi trường và chống xói mòn đất, mang lại giải pháp thân thiện môi trường và hiệu quả kinh tế.

  4. Phương pháp tối ưu hóa RSM có vai trò gì trong nghiên cứu?
    RSM giúp xác định và tối ưu các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hoạt tính tạo calcite, giảm số lượng thí nghiệm và nâng cao hiệu quả nghiên cứu, từ đó áp dụng hiệu quả trong sản xuất quy mô lớn.

  5. Làm thế nào để bảo quản vi khuẩn tạo calcite lâu dài?
    Vi khuẩn được bảo quản bằng phương pháp giữ ống thạch nghiêng ở 4°C trong khoảng 3 tháng hoặc bảo quản lạnh đông với glycerol 40% ở -70°C trong 1-2 năm, đảm bảo duy trì hoạt tính sinh học.

Kết luận

  • Đã phân lập và định danh 12 chủng vi khuẩn tạo calcite từ mẫu đá tại Nghệ An, trong đó Lysinibacillus fusiformic NSNA1.6 có hoạt tính cao nhất với sản lượng calcite đạt 15,86 g/L.
  • Điều kiện nuôi cấy tối ưu gồm pH 8, nhiệt độ 40°C, nồng độ CaCl₂ 250 mM, urea 400 mM và mật độ vi khuẩn 10⁸ CFU/mL, giúp tăng sản lượng calcite lên 16,9 g/L sau tối ưu hóa bằng RSM.
  • Thử nghiệm ngâm cột cát cho thấy vi khuẩn NSNA1.6 có khả năng giảm tính thấm, chứng minh tiềm năng ứng dụng trong gia cố đất và vật liệu xây dựng.
  • Luận văn góp phần phát triển công nghệ MICP sử dụng vi khuẩn bản địa, phù hợp với điều kiện khí hậu và tài nguyên Việt Nam, mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng mới trong xây dựng xanh.
  • Đề xuất triển khai nghiên cứu mở rộng, ứng dụng công nghiệp và đào tạo chuyển giao công nghệ trong vòng 1-3 năm tới nhằm thúc đẩy phát triển bền vững ngành xây dựng và môi trường.

Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các giải pháp xây dựng và xử lý môi trường hiệu quả, thân thiện với thiên nhiên.