Nghiên cứu vi sinh vật sinh methane cho sản xuất biogas trong môi trường nước lợ và nước mặn

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Xử lý chất thải hữu cơ theo công nghệ phân hủy kỵ khí sinh methane trong điều kiện nhiễm mặn

1.1.1. Ô nhiễm chất thải hữu cơ trong môi trường nhiễm mặn

1.1.2. Xử lý ô nhiễm chất hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí

1.1.3. Xử lý chất thải hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí trong điều kiện nhiễm mặn

1.1.4. Bản chất sinh học của phân hủy kỵ khí sinh methane

1.1.5. Đa dạng di truyền và đặc tính sinh học của VSVSMT

1.1.5.1. Phân bố của VSVSMT trong tự nhiên

1.1.5.2. Vị trí phân loại của VSVSMT

1.1.5.3. Đặc tính sinh học của VSVSMT

1.1.6. Cơ chất của quá trình phân hủy kỵ khí sinh methane

1.1.6.1. Sinh hóa của quá trình phân hủy kỵ khí sinh methane

1.1.7. Một số phương pháp nghiên cứu quần xã VSVSMT

1.1.8. VSVSMT trong môi trường nước lợ và nước biển

1.1.9. Công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí sinh methane

1.1.9.1. Một số công nghệ phổ biến

1.1.9.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phân hủy kỵ khí sinh methane

1.1.9.2.1. Cân bằng dinh dưỡng

1.1.9.2.2. Các yếu tố lý hóa và sinh học

1.1.10. Nghiên cứu về VSVSMT và công nghệ phân hủy kỵ khí tạo biogas ở Việt Nam

2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng, vật liệu nghiên cứu

2.2. Hóa chất, môi trường và thiết bị

2.3. Phương pháp nghiên cứu

2.3.1. Làm giàu và phân lập VSVSMT

2.3.1.1. Làm giàu VSVSMT

2.3.1.2. Phân lập VSVSMT

2.3.2. Nghiên cứu các đặc tính sinh học của VSVSMT

2.3.2.1. Quan sát đặc điểm hình thái

2.3.2.2. Xác định ảnh hưởng của các điều kiện nuôi cấy đến sinh trưởng của VSVSMT

2.3.3. Tách DNA tổng số từ mẫu môi trường và chủng thuần khiết

2.3.3.1. Tách DNA tổng số từ mẫu môi trường

2.3.3.2. Tách DNA tổng số của chủng thuần khiết

2.3.4. Điện di DNA trên gel agarose

2.3.5. Phương pháp PCR-DGGE

2.3.5.1. Khuếch đại đoạn 16S rDNA cho phân tích DGGE

2.3.5.2. Điện di biến tính DGGE

2.3.5.3. Cắt băng và thôi gel

2.3.5.4. Phân tích trình tự 16S rDNA của các chủng VSVSMT

2.3.6. Thiết lập và phân tích thư viện gen mcrA (clone library)

2.3.6.1. Nhân PCR và tinh sạch sản phẩm

2.3.6.2. Phản ứng ghép nối gen vào vector

2.3.6.3. Biến nạp DNA plasmid vào tế bào khả biến E.coli DH5α bằng phương pháp sốc nhiệt

2.3.6.4. Tách dòng và giải trình tự gen mcrA

2.3.6.5. Phân tích trình tự gen mcrA và dựng cây phân loại

2.3.7. Phân tích hóa học

2.3.7.1. Phân tích COD hòa tan

2.3.7.2. Xác định hàm lượng muối trong nước

2.3.7.3. Xác định tổng thể tích khí sinh ra trong quá trình phân hủy kỵ khí

2.3.7.4. Xác định hàm lượng methane trong mô hình thí nghiệm

2.3.7.5. Xác định hoạt tính sinh methane

2.3.7.6. Thiết lập mô hình phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ ở điều kiện nước lợ và nước mặn

2.3.7.7. Sơ đồ mô tả các bước thí nghiệm

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Làm giàu VSVSMT từ trầm tích biển Nha Trang và Cát Bà

3.1.1. Làm giàu VSVSMT trong môi trường nước lợ

3.1.2. Làm giàu VSVSMT trong môi trường nước mặn

3.1.3. VSVSMT chiếm ưu thế trong các mẫu làm giàu

3.1.4. Mẫu làm giàu bằng methanol và acetate

3.1.5. Mẫu làm giàu bằng rong biển Ulva sp. Phân tích bằng PCR-DGGE đoạn 16S rDNA

3.1.6. Đánh giá VSVSMT trong mẫu làm giàu bằng rong biển qua thư viện gen mcrA

3.2. Phân lập VSVSMT từ các mẫu làm giàu

3.2.1. Nghiên cứu đặc tính sinh học của các chủng VSVSMT phân lập

3.2.2. Khả năng sinh methane của các chủng VSVSMT phân lập

3.2.2.1. Ảnh hưởng của độ mặn tới sinh trưởng của hai chủng M7 và M37

3.2.2.2. Các đặc điểm sinh học của chủng M37

3.3. Tạo nguồn VSVSMT để hỗ trợ quá trình phân hủy kỵ khí ở điều kiện nước lợ và nước mặn

3.3.1. Lựa chọn nguồn VSVSMT phù hợp

3.3.2. Tạo giống khởi động VSVSMT

3.3.3. Bảo quản nguồn VSVSMT trong điều kiện phòng thí nghiệm

3.4. Thiết lập và vận hành mô hình kỵ khí xử lý chất thải hữu cơ theo phương pháp phân hủy kỵ khí sinh methane ở điều kiện nước lợ và nước mặn

3.4.1. Thiết lập mô hình

3.4.2. Vận hành mô hình

3.4.3. Đánh giá VSVSMT chiếm ưu thế trong các mô hình

KẾT LUẬN

KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

I. Giới thiệu về vi sinh vật sinh methane

Vi sinh vật sinh methane (VSVSMT) đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất biogas từ chất thải hữu cơ. Chúng có khả năng phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí, tạo ra khí methane, một nguồn năng lượng tái tạo có giá trị. Nghiên cứu về VSVSMT trong môi trường nước lợ và nước mặn là cần thiết, đặc biệt trong bối cảnh ô nhiễm chất thải hữu cơ ngày càng gia tăng. Việc tìm hiểu về đặc tính sinh học và khả năng sinh trưởng của VSVSMT trong các điều kiện này sẽ giúp phát triển công nghệ xử lý chất thải hiệu quả hơn. Theo Lefebvre và cộng sự (2007), các VSVSMT chịu mặn có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường có nồng độ muối cao, từ đó mở ra hướng đi mới cho việc xử lý chất thải ở các khu vực ven biển.

1.1. Đặc điểm sinh học của VSVSMT

Các VSVSMT có khả năng thích nghi với điều kiện môi trường khắc nghiệt, bao gồm nồng độ muối cao. Chúng thuộc các chi như Methanosaeta và Methanobacterium, có khả năng chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành methane. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc bổ sung các VSVSMT đã thích nghi vào bể lên men có thể cải thiện hiệu suất sản xuất biogas. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc xử lý chất thải từ nuôi trồng thủy sản, nơi mà nồng độ muối thường cao. Việc hiểu rõ về đặc tính sinh học của VSVSMT sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất biogas trong các điều kiện môi trường khác nhau.

II. Quá trình phân hủy kỵ khí và sản xuất biogas

Quá trình phân hủy kỵ khí là phương pháp hiệu quả để xử lý chất thải hữu cơ, đặc biệt trong điều kiện nước lợ và nước mặn. Trong quá trình này, VSVSMT sẽ phân hủy các chất hữu cơ thành khí methane và các sản phẩm khác. Theo nghiên cứu, khí sinh học (biogas) chủ yếu bao gồm methane (60-70%) và carbon dioxide. Việc áp dụng công nghệ phân hủy kỵ khí không chỉ giúp xử lý chất thải mà còn tận thu năng lượng từ chúng. Các mô hình công nghệ như bể biogas, bể UASB đã được triển khai, tuy nhiên, hiệu quả của chúng trong môi trường nước lợ và nước mặn vẫn còn hạn chế. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để phát triển các công nghệ phù hợp với điều kiện này.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình phân hủy kỵ khí, bao gồm nồng độ muối, nhiệt độ, pH và thành phần chất thải. Nghiên cứu cho thấy rằng, nồng độ muối cao có thể ức chế sự phát triển của VSVSMT, dẫn đến giảm hiệu suất sản xuất biogas. Do đó, việc lựa chọn nguồn chất thải và điều chỉnh các yếu tố môi trường là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình này. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, việc bổ sung các chất dinh dưỡng và điều chỉnh pH có thể cải thiện khả năng sinh methane của VSVSMT trong môi trường nước lợ và nước mặn.

III. Ứng dụng công nghệ biogas trong xử lý chất thải

Công nghệ biogas có tiềm năng lớn trong việc xử lý chất thải hữu cơ, đặc biệt là ở các khu vực ven biển và hải đảo. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn năng lượng tái tạo. Các mô hình biogas hiện tại chủ yếu được thiết kế cho môi trường nước ngọt, do đó, cần có sự điều chỉnh để phù hợp với điều kiện nước lợ và nước mặn. Nghiên cứu về VSVSMT có thể cung cấp các giải pháp mới cho việc xử lý chất thải hữu cơ trong các điều kiện này. Việc phát triển các mô hình biogas phù hợp sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý chất thải và tận thu năng lượng từ chúng.

3.1. Lợi ích của công nghệ biogas

Công nghệ biogas mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, cải thiện vệ sinh và tạo ra nguồn năng lượng tái tạo. Việc xử lý chất thải hữu cơ bằng công nghệ này giúp giảm thiểu mùi hôi và mầm bệnh, đồng thời tạo ra khí sinh học có thể sử dụng cho các mục đích khác nhau. Đặc biệt, trong bối cảnh biến đổi khí hậu, việc tận dụng năng lượng từ chất thải hữu cơ là một giải pháp bền vững. Nghiên cứu về VSVSMT và công nghệ biogas sẽ góp phần vào việc phát triển các giải pháp xử lý chất thải hiệu quả hơn trong tương lai.

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu vi sinh vật sinh methane ứng dụng trong sản xuất biogas