Tài liệu: Nghiên cứu tuyển chọn và đánh giá khả năng phân hủy phenol của

Nghiên cứu chủng vi khuẩn DX3 phân lập từ nước thải kho xăng dầu có khả năng phân hủy phenol hiệu quả, ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trường.

• Tác giả: Phạm Thị Thương
• Người hướng dẫn: PGS. Nghiêm Ngọc Minh
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nghiên cứu tuyển chọn và đánh giá khả năng phân hủy phenol của chủng vi khuẩn đx3 phân lập từ mẫu nước thải kho xăng dầu
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của tuyển chọn và đánh giá khả năng phân hủy phenol

Tuyển chọn và đánh giá khả năng phân hủy phenol là một quá trình quan trọng trong xử lý nước thải công nghiệp, đặc biệt là từ các kho xăng dầu. Phenol là một chất hữu cơ độc hại có khả năng gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Việc tuyển chọn vi khuẩn có khả năng phân hủy phenol giúp tìm ra những chủng vi sinh vật hiệu quả, có thể được ứng dụng trong quá trình xử lý sinh học. Các chủng vi khuẩn như Bacillus sp. đã được chứng minh có khả năng phân hủy phenol hiệu quả thông qua các cơ chế trao đổi chất phức tạp. Tầm quan trọng của công tác này nằm ở việc giảm thiểu ô nhiễm phenol, bảo vệ hệ sinh thái và cải thiện chất lượng nước.

1.1. Định nghĩa phenol và nguồn gốc ô nhiễm

Phenol là một hợp chất hữu cơ thơm, có công thức hóa học C₆H₅OH. Nguồn gốc phenol chủ yếu từ các hoạt động công nghiệp như lọc dầu, sản xuất hóa chất, và chế biến gỗ. Nước thải từ kho xăng dầu chứa nồng độ phenol cao, gây ô nhiễm nghiêm trọng. Phenol có tính độc cao đối với các sinh vật sống, gây tổn hại hệ thần kinh và ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất.

1.2. Tác hại của phenol đối với môi trường và sức khỏe

Ô nhiễm phenol gây thiệt hại nặng nề cho hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe con người. Tác động đến động vật bao gồm tổn thương các cơ quan nội tạng, giảm khả năng sinh sản. Đối với con người, phenol gây kích ứng da, viêm đường hô hấp, và các bệnh lý thần kinh. Giới hạn cho phép của phenol trong nước uống là rất thấp, do đó xử lý phenol là cần thiết và khẩn cấp.

II. Phương pháp tuyển chọn vi khuẩn phân hủy phenol

Phương pháp tuyển chọn vi khuẩn phân hủy phenol là một quá trình khoa học nhằm xác định những chủng vi sinh vật có khả năng sử dụng phenol làm nguồn carbon duy nhất để phát triển. Quá trình này bao gồm việc thu thập mẫu nước thải từ kho xăng dầu, làm giàu dân số vi sinh vật trên môi trường chứa phenol, và sau đó tiến hành phân lập chủng có khả năng cao. Các chủng được tuyển chọn sẽ trải qua những bài kiểm tra khác nhau để đánh giá hiệu suất phân hủy phenol của chúng. Môi trường nuôi cấy được thiết kế đặc biệt với phenol làm chất dinh dưỡng duy nhất, giúp loại bỏ những chủng không có khả năng hoặc khả năng thấp.

2.1. Quy trình thu thập mẫu và làm giàu vi sinh vật

Thu thập mẫu nước thải được thực hiện từ bể chứa nước thải kho xăng dầu, đảm bảo tính đại diện. Mẫu được bảo quản ở nhiệt độ 4°C để duy trì hoạt tính vi sinh vật. Làm giàu tập đoàn vi sinh vật trên môi trường chứa phenol được thực hiện trong các bình nuôi cấy với điều kiện hiếu khí. Qua nhiều lần chuyển cấy liên tiếp trên môi trường phenol, những vi khuẩn có khả năng phân hủy phenol được ưu tiên phát triển.

2.2. Phân lập và định tính chủng vi khuẩn

Phân lập chủng được thực hiện bằng phương pháp pha loãng liên tiếp và nuôi cấy trên đĩa chứa phương tiện phenol. Các khuẩn lạc đơn được chọn lọc và tinh sạch qua nhiều lần chuyển cấy. Quan sát hình thái tế bào dưới kính hiển vi điện tử giúp xác định đặc điểm cấu trúc. Chủng ĐX3 đã được xác định là Bacillus sp. thông qua phân tích gen 16S rRNA.

III. Đánh giá khả năng phân hủy phenol của vi khuẩn

Đánh giá khả năng phân hủy phenol là bước quan trọng để xác định hiệu suất xử lý của các chủng vi khuẩn được tuyển chọn. Quá trình này liên quan đến việc đo lường nồng độ phenol còn lại trong môi trường nuôi cấy qua các giai đoạn phát triển khác nhau. Các tham số như nhiệt độ và pH được kiểm soát để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố ngoài đến quá trình phân hủy. Chủng Bacillus sp. ĐX3 đã thể hiện khả năng phân hủy phenol cao trong các điều kiện thử nghiệm. Hiệu suất phân hủy được tính toán dựa trên sự giảm nồng độ phenol ban đầu so với nồng độ cuối cùng. Những kết quả này cung cấp dữ liệu quý báu cho ứng dụng trong xử lý nước thải thực tế.

3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phân hủy phenol

Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy phenol của vi khuẩn. Nghiên cứu cho thấy chủng Bacillus sp. ĐX3 phát triển tối ưu ở nhiệt độ 35-40°C. Khi nhiệt độ tăng, hoạt động enzyme tăng, nhưng quá cao có thể làm biến tính protein. Phân hủy phenol giảm đáng kể ở nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao so với điều kiện tối ưu.

3.2. Ảnh hưởng của pH đến khả năng phân hủy

pH môi trường cũng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình phân hủy phenol bởi vi khuẩn. Chủng ĐX3 có khả năng phân hủy tối ưu ở pH 7.0-7.5 (trung tính). Ở pH quá thấp hoặc quá cao, khả năng sống sót và phân hủy của vi khuẩn bị giảm. Kiểm soát pH trong các hệ thống xử lý sinh học là cần thiết để duy trì hiệu suất cao.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển

Ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý ô nhiễm phenol mở ra những triển vọng hứa hẹn cho việc bảo vệ môi trường. Các chủng vi khuẩn như Bacillus sp. ĐX3 có thể được ứng dụng trong các hệ thống xử lý nước thải sinh học, giúp giảm nồng độ phenol hiệu quả trước khi thải ra môi trường. Xử lý sinh học có nhiều ưu điểm so với các phương pháp hóa học khác: giá thành thấp, thân thiện với môi trường, và không tạo ra các chất phụ độc hại. Trong tương lai, tuyển chọn và cải thiện chủng vi khuẩn thông qua kỹ thuật sinh học phân tử có thể tạo ra những chủng với khả năng phân hủy phenol cao hơn. Việc áp dụng công nghệ này vào các nhà máy lọc dầu và hóa chất sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp

Xử lý nước thải từ kho xăng dầu sử dụng vi khuẩn phân hủy phenol đã được áp dụng thành công ở nhiều nơi. Các hệ thống sinh học có thể hoạt động liên tục, xử lý lượng lớn nước thải. Nồng độ phenol được giảm từ mức cao (100-500 mg/l) xuống dưới giới hạn cho phép. Phương pháp này tiết kiệm chi phí so với các công nghệ xử lý hóa học hoặc vật lý truyền thống.

4.2. Triển vọng cải thiện và phát triển

Kỹ thuật tân tiến như kỹ thuật di truyền có thể được sử dụng để tăng cường khả năng phân hủy phenol của vi khuẩn. Nghiên cứu vi sinh vật mới từ các môi trường extreme có thể khám phá những chủng với hiệu suất cao hơn. Ghép nối nhiều chủng vi khuẩn có thể tạo ra các cộng đồng vi sinh vật mạnh mẽ hơn, xử lý ô nhiễm phenol và các chất ô nhiễm khác đồng thời.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUAN TAI LIEU 1. Déc diém cia phenol 1. Tính chất vật lý Công thức hóa hoc: CsHs0H Phenol hay còn gọi là acid carbolic. Tén tại ở trang thái tỉnh thể không màu ở nhiệt độ phòng và áp suất thường, khi bị phơi ra ngoài không khí và ánh sáng thì sẽ chuyển sang màu hồng hoặc đỏ.

Phenol có trọng lượng phân tử là 94,11g/mol, tỷ trọng là 1,072g/cm° kết tỉnh ở 43°C và sôi ở 181C, nhiệt độ nóng chảy là 419C áp suất hơi là 0,35 mmHg ở 20°C. Phenol có vị khét và mùi hăng cay đặc trưng. Phenol tán hạn chế trong nước lạnh (6,7g/100m]), tuy nhiên trên 68C, nó tan hoàn toàn trong nước, đặc biệt, phenol có khả năng tan hầu hết trong các dung môi hữu cơ như: ete dầu hỏa, etanol, cloroform, ethyl ether, glycerol, benzen, acetone. Phenol it bay hoi 6 nhiệt độ phòng (tốc độ bay hơi chậm hơn nước) và để bị bốc cháy [4].

Cấu tạo hóa học của phenol : Hình 1. Cấu trúc hóa học của phenol 4 51 -OH liên kết với vòng benzen. Đặc biệt hơn, trong S › liên hợp mạnh do có oxi của nhóm -OH cũng ảnh Qs i cũng như tính chất hóa học của phenol [4]. Tính chất hóa học > Tính axit lì Phenol có tính axít vì có hiệu ứng cộng hưởng xảy ra trong phân tử.

Vì vậy khác với rượu, phenol có thé tác dụng với bazơ mạnh: C¿H:OH + NaOH — CzHONa + HO (Natri phenolat) Tuy nhiên, tính axit của phenol rất yếu Kạ= 10” nên không làm đổi màu quỳ tím. Vì vậy, muối phenolat bị cacbonic acid tác dụng tạo lại phenol: C¿H:ONa + CO; —> C¿HOH + NaHCO; Phản ứng này được dùng để tái tạo phenol trong công nghiệp. > Tính chất như rượu Phenol có thể tác dụng được với Na như rượu những khác với rượu, muối phenolat không bị nước phân hủy: C;H:ONa # HO > CHOH + NaOH CạH;OH + HO -- không phản ứng— Phenol cũng tạo được este như rượu nhưng khác với rượu có thể tác dụng trực tiếp với axít, phenol chỉ có thê tác dụng được với clorua axít hoặc anhidric axit mdi tao dugc este: CsH;0H ele CH;COCI. š CH;COOCsH; + HCl CạH:OH 3 (CHCO;O-> CHạCOOC/HS + CH;COOH Điều này giải thích do 2 nguyên nhân: - Mật độ điện tích âm của O trong nhóm —OH vì có liên hợp trong phân tử nên dao do O trong nhóm -OH của rượu thông thường, dẫn đến phenol khó tấn công vàop tử acid tạo este hơn.

| & Phenol phản ứng với dung dịch brom tạo kết tủa vàng. Phenol phản ứng với HNO; tao kết tủa trắng [4]. Chính vì những đặc tính vật lý và hóa học của phenol như vậy mà nó được ứng dụng trong nhiều nghành công nghiệp như: Công nghiệp chất dẻo: Phenol là nguyên liệu để điều chế nhựa phenol formaldehyde Công nghiệp tơ hóa học: Tổng hợp ra tơ polyamide. Nông được: Điều chế ra chất diệt cỏ dại và kích tố thực vật 2,4-D (là muối natri của axit 2,4 điclophenoxiacetic).

Ngoài những ứng dụng trên, phenol cũng là nguyên liệu để điều chế một số sản phẩm nhuộm, thuốc nỗ (picric acid), thuốc giảm đau,. Do có tính diệt khuẩn nên phenol được dùng để trực tiếp làm chất sát trùng, chat tay uế, hoặc để điều chế các chất diệt nấm mốc (ortho- và para- nitrophenol,. Nguồn gốc phát sinh phenol 1. Nguồn tự nhiên Phenol xuất hiện trong tự nhiên như là các chất chuyển hóa trong hệ thực vật và động vật, phenol cũng được hình thành như là kết quả của phản ứng hóa học xảy ra trong bầu không khí khi nước ngưng tụ trong những đám mây.

Phenol được tìm thấy nhiều trong than đá và dầu mỏ. Phenol còn được tạo ra do sự đốt cháy các nguyên liệu hóa thạch, dơ cháy rừng, hầm than,. Một số phenol được hình thành một cách tự nhiên như sự hình thành của phenol và p-cresol trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ hoặc tổng hợp các clophenol của nấm và thực vật [42]. Tuy nhiên, những nguồn này được xem là có đóng góp không đáng kế đến hàm long của phenol và các dẫn xuất trong môi trường.

Nguồn tao cà Ss cht yeu lấy từ sản phẩm chung cất than d4. Phenol va dan at CÔN, xuất có trong bình công nghiệp như: dệt, nhuộm, nhựa, thuốc trừ sâu, chất chống oxi hóa, giấy, công nghệ dầu hỏa, các nhà máy sản xuất dược phẩm có các mặt hàng thuốc giảm đau aspirin, acid salicylic, trong nước thải vệ sinh 5 dụng cụ sẽ thải ra phenol,.hầu hết các hợp chất phenol khi được thải rửa từ các nhà máy đều đi vào môi trường nước. Ngoài ra, phenol được sử dụng trong thành phần thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nắm mốc,. trong quá trình tồn trữ, bảo quản và sử dụng sẽ có tình trạng thoát ra ngoài gây ô nhiễm môi trường.

Tình trạng ô nhiễm phenol trong không khí, nguồn nước và tronø đất có thé gay anh hưởng đến hệ sinh thái và ở hàm lượng cao có thể tiêu diệt toàn bộ hệ sinh thái. > Nước thải nhiễm xăng dầu được phát sinh chủ ÿếu từ các nguồn: - _ Súc rửa và làm mát bồn chứa - _ Vệ sinh máy móc thiết bị - Xăng dầu thất thoát trong quá trình cấp phát rơi vãi xuống nguồn nước - Nước mưa chảy tràn qua khu vực kho Trong đó, nước xả cặn từ quá trình súc rửa bồn chứa theo chu kì và xăng dầu thất thoát trong quá trình cấp phát là các nguồn thải chính có chứa nồng độ phenol cao. Nước thải chứa dầu mỡ nếu không bảo quản tốt có thể ảnh hưởng tới chất lượng nước mặt, các hệ sinh thái nước và cuộc sống của nhân dân địa phương xung quanh khu vực kho xăng dầu. Tính độc và ảnh hưởng của phenol Phenol được phát hiện vào năm 1834, nó được chiết xuất từ nhựa than đá, đó vẫn là nguồn chính €hö đến khi ngành công nghiệp hóa dầu phát triển.

Phenol ' dugc str dung béi Sit Joseph lister (1827- 1912) trong kỹ thuật phẫu thuật. Trong thế chiến thứ II năm 1939 phenol được sử dụng như một vũ khí hóa học của Đức quốc xã. Đã có nhiều nhà khoa học trên thể giới nghiên cứu về tính độc cũng như ảnh hưở ủa phenol tới sức khỏe của con người và môi trường. Phenol fa tế bào, trải qua su biến đổi tích cực, chủ yếu là enzym oxi hóa ở hệ thế chrojne P450.

Đôi khi quá trình biến đổi cũng làm gia tăng tạ + lát riêng rẽ bằng cách hình thành các chât chuyên hóa > ` độc tính > hop điện tử và gâ ai DNA hoặc các enzyme của cơ thể. Phenol rất độc hại cho S's so 2 sh X é Ậ , x : , con người và ảnh hưởng nhiêu đên chức năng sinh hóa. Ảnh hưởng đến hệ sinh vật Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy phenol và dẫn xuất có độc tính cao. Đối với hệ sinh vật, phenol có một số độc tính như sau: - Phenol la mét chat độc, với nồng độ 64 mg/1 được coi là ngưỡng khó có thể tìm thấy vi khuẩn.

- Phenol rất độc với sinh vật nước sạch. Giá trị LC50 (nồng độ gây chết 50% động vật thử nghiệm trong một thời gian nhất định) hoặc EC50 (nồng độ gây hại 50% quần thể trong điều kiện thực nghiệm quan sát.fõ ràng) thấp nhất đối với giáp xác và cá vào khoảng 3-7 mg/l. - Các dữ liệu liên quan đến ảnh hưởng của phenol đối với những sinh vật cạn rất khó tìm thấy, EC50 trong vòng 120 giờ đối với cây kê là khoảng 120-170 mg/1 [48]. Ảnh hướng đến hệ động vật Ở động vật, những tác động chủ yếu của ngộ độc cấp tính có tác dụng lên trung tâm thần kinh tủy sống, gây co giật và rối loạn nghiêm trọng.

Sau khi hấp thu một lượng chất độc, đầu tiên nhịp tim tăng lên sau đó chậm và không đều; ban đầu huyết áp tăng nhẹ và sau đó giảm rõ rệt gây tiết nước bọt, khó thở và giảm nhiệt độ cơ thể. Giá trị LDso (nồng độ gây chết 50% động vật thí nghiệm) khi uống là 317 mg/kg đối với động vật gặm nhắm và 270 mg/kg đối với chuột. Ở thỏ giá trị LDsạ khi tiếp xúc qua da là 850 mg/kg. Su tồn tại kéo dài của phenol trong miệng và dưới đa động vật có thé gây hại đến phổi, gan thận, tim và đường sinh dục.

Hít lâu hơi phenol ở nồng độ trong khoảng 30 ppm đến 60 ppm có thể n tổn thương phổi, giảm cân và tê liệt. Bệnh tăng nhãn áp đã được thử nghiệm tr thô bằng cách tiêm 5% phenol, cho thấy khi mắt thỏ tiếp i we hoặc dung dịch sẽ gây trắng giác mạc, sau 8 giờ hững con chuột khi uống phải nước pha 2500 ppm phenol trong 1 tuần Sẽ có hiện tượng tăng bạch cầu và các u lympho, mặc dù vậy cho đến nay, phenol không được coi là chất gây ung thư [31]. Ảnh hưởng đến sức khỏe con người Phenol gây kích ứng da và gây hoại tử, nó ảnh hưởng trực tiếp đến thận, gan, cơ bắp và mắt [14].Tiếp xúc cấp tính với phenol gây rối loạn hệ thần kinh trung ương dẫn đến suy sụp và hôn mê, ngoài ra còn có một số ghi nhận về hiện tượng cơ bắp co giật kết quả là làm giảm nhiệt độ cơ thé. Mang nhay rất nhạy cảm với các tác động của phenol.

Tiếp xúc cấp tính với phenol 6 thể gây suy tim, suy thận. Phenol khi tiếp xúc với da gây cháy da, làm trắng và ăn mòn da. Phenol có tác dụng gây mê và là nguyên nhân gây hoại tử. Liều gây độc cho người khi uống phải là từ 200 mg đến 300 mg, liều gây chết là từ 3 g đến 30 g [46].

Tiếp xúc với phenol trong thời gian dài có thể dẫn đến thay đổi bệnh lý trong da, thực quản, phổi, gan, thận và đường niệu sinh dục. Tiếp xúc mãn tính với hơi phenol gây ra chán ăn, da phát ban, câm, điếc, rối loạn tiêu hóa, nôn mửa, giảm cân, đau cơ, đau gan và rối loạn thần kinh, vàng da. Phenol và các dẫn xuất của nó rất độc hại và được phân loại là chất nguy hiểm [52]. Những ánh hưởng của phenol lên sức khỏe con người và động vật được chỉ ra ở bảng 1.

Những ảnh hưởng của phenol đến sức khỏe con người và động vật Nồng độ trong | Thời gian nguy hiểm. Ảnh hưởng nước (ppm) (ngày) Những ảnh hưởng đến con người 1 Tử vong 1 Mức độ rủi ro thấp 1 Cơ bắp run, tử vong 9 Giảm trọng lượng cơ thê thai nhỉ 9 Dị tật bam sinh Trên góc độ môi trường, phenol và dẫn xuất của phenol được xếp vào loại chất gây ô nhiễm độc hại. Đây là nhóm tương đối bền, có khả năng tích lũy trong não, thận, gan và cơ bắp của sinh vật.