CHƯƠNG 1. Tổng quan về ô nhiễm kháng sinh Tetracycline và các phương pháp xử lý 1. Nguồn phát sinh và đặc tính của Tetracycline trong môi trường nước a. Tổng quan kháng sinh Tetracycline Kháng sinh Tetracycline (TTC) lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1953.
Chúng là kháng sinh có phổ tác dụng rộng, chúng có tác dụng với cả vi khuẩn Gram (+) và Gram (-), ricketsia và một vài virut lớn [8]. Do có chi phí rẻ, phổ kháng khuẩn rộng nên TTC là một trong những kháng sinh cơ bản và được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, chỉ sau penicillin và quinolones. Nhiều hơn 2500 tấn TTC được sử dụng cho thú y mỗi năm tại Châu Âu [74]. Trong quá trình sử dụng, một phần kháng sinh TTC được chuyển hóa thành các hợp chất không hoạt động.
Một phần khác được bài tiết dưới dạng các hợp chất ban đầu, các sản phẩm chuyển hóa hoặc cả hai dạng trên [13]. Tỷ lệ bài tiết tương đối cao được quan sát thấy đối với TTC (khoảng 80 đến 90%) [12]. Hầu hết kháng sinh TTC được giải phóng vào môi trường thông qua con đường nước tiểu và phân sau quá trình điều trị bệnh ở con người và động vật, đi vào các hệ thống thu gom và đến các nhà máy xử lý nước thải. Trong khi đó, các nhà máy xử lý nước thải lại không cho thấy hiệu quả cao khi xử lý dư lượng TTC ở thời điểm hiện tại [8].
Vì vậy, đây được coi là một nguồn chính gây ô nhiễm môi trường bởi TTC. Tim aus der Beek và cộng sự (2016) sau khi tổng hợp các nghiên cứu về sự tồn dư dược chất trong môi trường đã cho biết, kháng sinh TTC đã được phát hiện trong nguồn nước thải đô thị ở mọi quốc gia thuộc Liên Hợp Quốc [27]. Ngoài ra, một phần kháng sinh TTC tồn dư trong môi trường nước từ hoạt động chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản và gây ra ô nhiễm đất và nước ngầm, nước mặt thông qua các quá trình rửa trôi hoặc thẩm thấu [64]. Hellweger và cộng sự (2011) đã nghiên cứu TTC và cho kết quả về nồng độ của chúng trong môi trường nước mặt thường nhỏ hơn 0.11 mg/l, mặc dù nồng độ TTC cao hơn, lên khoảng 7 mg/l cũng đã được phát hiện [29].
11 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Một số tính chất vật lý và hóa học của TTC được tổng hợp tại Bảng 1 – Phụ lục 1. Tác động của TTC tới môi trường và sức khỏe của các loài sinh vật Trong môi trường, nhờ vào quá trình vận chuyển tích cực, TTC được đưa vào tế bào vi sinh vật. Tại đây, chúng liên kết thuận nghịch với tiểu đơn vị 30S của ribosome và ngăn cản sự gắn kết chuyển aminoacyl với DNA, ức chế quá trình tổng hợp protein và phát triển của tế bào, ngăn cản sự sinh trưởng và có thể tiêu diệt các hệ sinh thái vi sinh vật. Hai loài tảo là Microcystis aeruginosa và Selenastrum capricornutum được xác định có EC50 - nồng độ hiệu quả trung bình (liều lượng ảnh hưởng tới 50% cá thể thí nghiệm) với TTC tương ứng là 0.
Đối với một số sinh vật sống dưới nước khác như Daphnia magna, Danio rerio và Carassius auratus, độc tính cấp tính của TTC tương ứng là 617. Ngoài ra, TTC và các dạng hòa tan của chúng trong môi trường nước (Oxytetracycline và Chlortetracycline) cũng có thể ảnh hưởng tới khả năng sinh sản đối với các loài động vật thủy sinh [46, 60]. Sự có mặt của TTC trong môi trường cũng nhận được nhiều sự chú ý từ các nhà khoa học do gián tiếp ảnh hưởng tới con người [27, 7]. Chúng thúc đẩy sự tiến hóa hoặc sự phát triển của vi khuẩn kháng kháng sinh, có thể gây ra tác dụng phụ đối với sức khỏe con người khi tồn tại trong nước uống hoặc nước tưới dùng cho rau quả như xáo trộn hệ vi sinh vật đường ruột, tăng nguy cơ mắc một số bệnh nhiễm trùng [21, 50].
Đồng thời, áp lực chọn lọc đối với các gen kháng kháng sinh tương ứng của chúng (ARGs) tăng lên theo nồng độ của thuốc kháng sinh [68, 101]. Các nhà khoa học đã chỉ ra nồng độ kháng sinh rất thấp (10 – 100 lần dưới nồng độ tối thiểu gây ức chế) có thể làm tăng sự đa dạng, tăng tính chọn lọc của vi khuẩn kháng thuốc bằng cách thúc đẩy tốc độ tiến hóa thích nghi [41, 73]. Theo Tổ chức Y tế thế giới ước tính có khoảng 700000 người chết mỗi năm do tình trạng tồn dư và kháng kháng sinh. Nếu vấn đề đó 12 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường không được giải quyết, con số đó sẽ tăng lên khoảng 10 triệu người chết hằng năm vào năm 2050 [89].
Các phương pháp xử lý kháng sinh trong môi trường nước a. Phương pháp hấp phụ Phương pháp hấp phụ có thể loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ như dược phẩm trong nước thải, đặc biệt là với nhiều loại dược phẩm khó phân hủy bằng phương pháp sinh học như các thuốc kháng sinh. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, việc sử dụng vật liệu hấp phụ để xử lý chất ô nhiễm vẫn tồn tại một số nhược điểm cố hữu và khó có thể khắc phục như: (i) Khả năng tái sử dụng thấp; (ii) Tính chọn lọc đối với chất ô nhiễm yếu; (iii) Tạo ra một lượng lớn chất thải rắn sau xử lý [104]. Phương pháp sinh học Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là sử dụng khả năng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải.
Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp sinh học trong xử lý kháng sinh có thể gia tăng nguy cơ tạo ra những chủng vi sinh vật có khả năng kháng kháng sinh. Phương pháp lọc màng Phương pháp lọc màng là phương pháp vật lý, đặc trưng bởi khả năng tách các phân tử có kích thước và đặc điểm khác nhau. Phương pháp này có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống, như tiêu hao ít năng lượng, có thể tiến hành liên tục, vận hành các dưới điều kiện khác nhau, dễ dàng kết hợp với các phương pháp khác, tính ổn định cao. Một ví dụ điển hình về công nghệ lọc màng trong xử lý nước là màng thẩm thấu ngược (RO, kích cỡ lỗ < 0.
Nhiều nghiên cứu cho thấy có đến 90% các loại kháng sinh đã được loại bỏ khi sử dụng phương pháp này [63, 11]. Mặc dù vậy, chi phí để lắp đặt những công nghệ này lại khá tốn kém, mặt khác thiết bị có cấu tạo phức tạp nhưng công suất cấp nước nhỏ và chi phí dùng điện cao là những thách thức không nhỏ trong thực tế khi áp dụng phương pháp. 13 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường d. Phương pháp phân hủy hóa học dựa vào các quá trình oxi hóa Việc áp dụng các quá trình oxy hóa (thường bởi các tác nhân như O3, Fe/H2O2, UV, H2O2) đã giải quyết được vấn đề xử lý nước thải từ một số ngành đặc thù, chứa hàm lượng chất hữu cơ cao (như nước thải dệt nhuộm, luyện kim, chăn nuôi và chế biến thực phẩm,…) mà các phương pháp sinh học hay vật lý thông thường khó thể giải quyết được.
Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp phân hủy hóa học (bởi O3, Fe/H2O2, UV, H2O2) tồn tại một số nhược điểm bao gồm: - Chi phí lắp đặt thiết bị và vận hành lớn. - Tiêu tốn lượng lớn hóa chất. - Cần có bước tiền xử lý để quá trình oxy hóa đạt hiệu quả tối ưu. - Ít phù hợp với nước thải có lưu lượng lớn và thường được sử dụng trong giai đoạn cuối, sau khi đã trải qua các bước xử lý trước đó - Tạo ra chất thải rắn sau quá trình xử lý.
Trong thời gian qua, ứng dụng vật liệu xúc tác quang (TiO2, WO3, WO3/Pt,…) trong xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy đã trở thành một xu hướng nghiên cứu mới và được đánh giá có triển vọng áp dụng thực tế cao. Một số nghiên cứu đã cho thấy, các vật liệu xúc tác quang xử lý chất ô nhiễm thông qua nhiều cơ chế khác nhau và khắc phục được các nhược điểm của phương pháp oxy hóa bởi các tác nhân thông thường. Một số nghiên cứu xử lý kháng sinh Tetracycline trong môi trường nước Giống như các loại kháng sinh khác, TTC có thể được loại bỏ bằng các phương pháp hóa lý như lọc màng hoặc hấp phụ bằng than hoạt tính,… Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp hóa lý này là không phân hủy chất ô nhiễm mà chỉ chuyển chúng từ pha này sang pha khác. Do vậy, các quá trình oxy hóa tiên tiến thường được đề xuất sử dụng để xử lý TTC trong nước thải [58, 90].
Tổng hợp một số nghiên cứu xử lý TTC trong nước được thể hiện trong Bảng 1. 14 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Bảng 1. Một số nghiên cứu xử lý TTC trong nước Phương Điều kiện Kết quả và nhận xét TLTK pháp xử lý UV (125 W); pH = 6; Nồng độ TTC ban đầu: 10 – 50 mg/l; TiO2 (100% anatase Hơn 98% TTC bị oxy hóa và 100% TOC bị xử lý.4 g/l TiO2; Thời gian: 120 phút Phân hủy 100% kháng sinh và 90% TOC trong điều kiện chiếu sáng UV 254 nm; 0.5 g/l chất xúc tác; Nồng độ TTC ban Phân hủy 100% kháng sinh và 70% TOC bị loại bỏ trong Phân hủy [30] đầu: 40 mg/l; Thời gian xử lý: 120 phút điều kiện chiếu sáng hệ mô phỏng ánh sáng mặt trời; quang hóa Phân hủy 50% kháng sinh và 10% TOC bị loại bỏ trong điều kiện chiếu sáng UV 365 nm. Phân hủy khoảng 37% dưới đèn ánh sáng đèn UV ngay trong 30 phút đầu và gần như không đổi trong khoảng 270 Đèn UV (9 - 30W, T8, Philips); pH = 3; phút chiếu sáng tiếp theo.
[23] Nồng độ TTC ban đầu: 20 mg/l Hiệu suất đạt 19.7% sau 300 phút, với sự có mặt của 5 mM H2O2 dưới điều kiện chiếu sáng vùng UV. 15 Luận văn tốt nghiệp Khoa Môi trường Phương Điều kiện Kết quả và nhận xét TLTK pháp xử lý Hiệu suất khử 57.5% sau 120 phút và 89.7% sau 300 phút với sự có mặt của 5 mM K2S2O8. Hiệu suất xử lý lần lượt đạt 48.1%, 92% sau 30 phút, 120 phút và 300 phút chiếu sáng đối với vật liệu MnFe-LDO-BC. Với hệ xúc tác MnFe-LDO-BC/K2S2O8/UV, hiệu suất xử lý cao, đạt 93.4% sau 120 phút và 97.
UV (365 nm); pH = 6; Nồng độ TTC ban Hiệu suất xử lý đạt 73% kháng sinh và 15% TOC. [102] đầu: 10 - 40 mg/l pH = 3.9; mật độ dòng điện = 47.6 Nhiều hơn 90% của TTC bị phân hủy ở pH = 3.