Nghiên cứu xử lý đất bị nhiễm dầu bằng phương pháp vi sinh

VIỆN HOÁ HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM







BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ĐẤT BỊ NHIỄM DẦU
BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH


CNĐT: HOÀNG PHƯƠNG LAN













9012

HÀ NỘI – 2011





1
MỞ ĐẦU


Tuy chưa có tiêu chuẩn chất lượng môi trường đất và trầm tích biển,
nhưng qua nghiên cứu quan trắc cho thấy môi trường đất biển đang bị biến
động theo xu hướng xấu. Việc xây dựng cảng biển, kéo theo sự phát triển
của các khu công nghiệp liền kề, dẫn đến rừng bị ngập mặn, hàng ngàn
hécta bãi triều, cỏ biển đang bị phá huỷ bởi chất thải và dầu loang. Hậ
u quả
của sự cố tràn dầu dọc các bờ biển không chỉ gây nhiễm bẩn đất, trầm tích
biển mà còn tác động tiêu cực đến đời sống an sinh [1,6]. Mặt khác, quá
trình tồn chứa nguyên liệu; xú rửa và vệ sinh bồn bể chứa trong nhà máy,
trạm bơm, các phương tiện vận tải, tàu chở dầu, v.v nước thải, cặn thải dầu
liên tục xả ra môi trường, làm ô nhiễm nghiêm trọng nguồn đấ
t và mạch
nước ngầm.
Khi môi trường đất bị nhiễm dầu, thường chứa hydrocacbon thơm, hợp
chất chứa lưu huỳnh, đặc biệt là các thành phần khó phân huỷ như n-parafin
mạch dài, asphanten, chất nhựa. Nếu không xử lí kịp thời sẽ để lại hậu quả
khôn lường. Đã có một số phương pháp xử lý loại dầu như tách dầu bằng
phương pháp cơ học, hoá h
ọc, đốt, chôn lấp và làm sạch bằng phân huỷ sinh
học. Phương pháp phân huỷ sinh học được áp dụng nhiều nhất do dễ ứng

dụng và an toàn với môi trường.
Hiện nay, trên thế giới các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu ứng
dụng các vi sinh vật phân huỷ dầu và đã đưa ra một số chế phẩm phân huỷ
dầu như Entech-1 (Mỹ), LOT 11, SOT (Thụy Sĩ). Tuy nhiên giá thành khá
cao. Mặt khác, không phải tất cả các chế
phẩm phân huỷ dầu nhập ngoại
đều phát huy tác dụng tốt ở Việt Nam, bởi mỗi nhóm vi sinh vật trong các
chế phẩm có khả năng thích ứng khác nhau với từng vùng sinh thái, đôi khi

2
chúng bị mất đi khả năng phân huỷ dầu mạnh [12,18]. Do vậy cần có
nghiên cứu thực tế đưa ra chế phẩm thích hợp cho mỗi vùng sinh thái.
Gần đây, Trung tâm Công nghệ sinh học - Viện Hoá học công nghiệp
Việt Nam hợp tác với một số đơn vị ngoài Viện đã "Nghiên cứu xử lí đất bị
nhiễm dầu bằng phương pháp vi sinh" mục đích tạo ra chế ph
ẩm vi sinh xử
lí đất nhiễm dầu có hiệu quả cao, phù hợp với điều kiện môi trường Việt
Nam, góp phần xây dựng và hoàn thiện phương pháp xử lí ô nhiễm dầu
trong đất theo hướng phân huỷ sinh học.
Nội dung nghiên cứu

- Tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ dầu và các sản
phẩm của dầu cao
- Nghiên cứu quá trình lên men thu sinh khối vi sinh vật
- Xử lí thu sinh khối vi sinh vật và tạo chế phẩm
- Đánh giá khả năng xử lí đất bị nhiễm dầu của chế phẩm.

3
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN

1.1. THỰC TRẠNG ĐẤT NHIỄM DẦU Ở VIỆT NAM
Ô nhiễm dầu không chỉ ảnh hưởng tới môi trường biển mà còn ảnh
hưởng tới môi trường đất. Đất nhiễm dầu gây tác hại nghiêm trọng (vd: tai
nạn dầu Neptune và các tàu dầu ở Cát Lái, Nhà Bè, Cần Giờ): làm chậm,
giảm tỉ lệ nẩy mầm, ngăn sự phát triển của thực vật, làm thay đổi sự vận
chuyển các ch
ất dinh dưỡng trong đất. Từ khu dự trữ sinh quyển Cát Bà
(Hải Phòng) đến khu dự trữ sinh quyển Cần Giờ (Bà Rịa - Vũng Tàu) và cả
vịnh Vân Phong (Khánh Hoà), đất và trầm tích đều bị nhiễm bẩn dầu cùng
một số kim loại nặng Kết quả phân tích 6 mẫu đất lấy từ vùng nuôi nghêu
ở bãi bồi ven biển Trà Vinh cho thấy, tất cả đều có hàm lượng dầu hỏa vượt
mức giớ
i hạn cho phép từ 0,3 mg/kg trở lên; mẫu đất bùn thu tại xã Đông
Hải, huyện Duyên Hải có hàm lượng dầu hỏa lên đến 8,3 mg/kg. Các nhà
chuyên môn xác định, đây là nguy cơ hủy diệt hệ sinh thái biển, nguyên
nhân chính làm cho nghêu nuôi bị rối loạn tiêu hóa, rối loạn hô hấp…dẫn
đến chết. Theo Báo cáo hiện trạng ô nhiễm vùng ven biển Việt Nam gần

đây nhất, Vịnh Hạ Long được đánh giá là có mức độ ô nhiễm dầu nặng
nhấ
t. Hàm lượng dầu trong trầm tích ven bờ hai bên Cửa Lục đạt mức độ
cao nhất 752,85 mg/kg [6, 23].
Hiện nay, các vùng đất biển vẫn còn bị ảnh hưởng tồn dư bởi ô nhiễm
dầu (OND) 2007 là Quảng Nam- Đà Nẵng, Bà Rịa - Vũng Tàu Qua lấy
mẫu phân tích để tìm nguyên nhân loại dầu gây ô nhiễm, kết quả ban đầu
được Cục Bảo vệ môi trường (Bộ Tài nguyên - Môi trường) xác định, OND
khu vực miền Trung là loại dầ
u thô, có hàm lượng lưu huỳnh thấp, hàm

4
lượng parafin cao. Phân tích các hợp chất đánh dấu sinh học trong một số
mẫu dầu ô nhiễm, phân tích ảnh vệ tinh và lan truyền dầu cho thấy ít có khả
năng OND có nguồn gốc từ các loại dầu thô đang khai thác ngoài khơi Việt
Nam. Dầu ô nhiễm khu vực tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu là dầu thô không cùng
nguồn gốc với loại xuất hiện ở miền Trung, có hàm lượng lưu huỳnh thấp,
tương tự
nhóm dầu thô đang khai thác ngoài khơi khu vực Đông Nam á và
có hầu hết các chỉ số nhận dạng nằm trong khoảng biến thiên của một số
mẫu dầu thô đang khai thác ngoài khơi Việt Nam.
Đáng lưu ý là từ năm 1997 đến nay, Việt Nam đã xảy ra trên 60 vụ tràn dầu
tại các vùng sông và biển, gây OND nghiêm trọng tại một số địa phương.
Theo mức độ gia tăng của vận tải biển, khai thác dầu khí và công nghi
ệp
hóa, lượng dầu tràn gây ô nhiễm biển Việt Nam năm 2000 là 17.650 tấn,
đến năm 2010 lên trên 21.000 tấn.
Vịnh Bắc Bộ và vùng biển Trung Nam là những khu vực trọng điểm về
OND. Tại xã Hải Ninh, huyện Quảng Ninh, Quảng Bình, hiện tượng dầu
vón cục luôn xuất hiện trên bờ biển. Ở bờ biển miền Trung cứ đến tháng 3

đến tháng 4 hàng năm lại xuất hiện dầu tràn không rõ nguyên nhân. Vùng
biển Trường Sa và tuy
ến hàng hải quốc tế có hàm lượng dầu trong nước
biển thuộc loại cao nhất (đặc biệt vào mùa hè), chỉ sau vịnh Bắc Bộ. Qua
ảnh vệ tinh có thể thấy nhiều vệt dầu trên các tuyến hàng hải dọc hải phận
Việt Nam. Các tàu chở dầu làm thoát ra biển 0,7% tải trọng của chúng trong
quá trình vận chuyển thông thường. Sóng biển và gió đều có chiều hướng
đưa lượng dầu thoát ra tấp vào bờ biển Vi
ệt Nam. Nguyên nhân gây OND
là từ quá trình vận tải và các tai nạn hàng hải đối với tàu chở dầu, hoặc tràn
dầu từ các giàn khoan ( giàn khoan Việt Nam hoặc từ giàn khoan các nước
lân cận khai thác trong khu vực biển Đông ) hoặc từ các miệng dầu không

5
được bịt kín, gây thất thoát dầu, làm ô nhiễm môi trường. Những sự cố đó
được phát hiện kịp thời và đã có hướng xử lý nhưng cũng để lại nhiều hậu
quả xấu [6].
Dầu có thể tiêu diệt trực tiếp hầu hết các thực vật, động vật, sinh vật
trong đất. Khi trên bề mặt đất có một lớp dầu mỏng cản trở quá trình trao
đổi ch
ất các sinh vật đất làm chúng chết dần. Dầu làm thay đổi cấu trúc, đặc
tính lý học, hóa học của đất, chúng biến các hạt keo thành “trơ”, không có
khả năng hấp phụ và trao đổi nữa, làm cho vai trò đệm, tính oxy hóa, tính
dẫn điện, dẫn nhiệt của môi trường đất thay đổi mạnh.
Chất ô nhiễm dầu trong đất chủ yếu kìm hãm quá trình vận chuyển, bay
hơi và phân hủy sinh học. Khi nhiên liệu động cơ bị rò r
ỉ từ những thùng
chứa chảy tràn vào đất. Tác động của lực hấp dẫn kéo các chất lỏng theo
chiều đi xuống, ngược với lực giữ, các chất lỏng đó hoặc là sẽ hấp thụ trên
hạt khoáng hoặc là nằm trong lỗ hổng cấu trúc của đất. Dầu khó bị phân

hủy bởi các vi sinh vật đất. Mặt khác, đất là môi trường không thể pha
loãng các chất thải, nên dầu có tác h
ại lâu dài trong đất. Ở những khu đất bị
nhiễm dầu, dầu sẽ che lấp khe hở và mao quản của đất, gây tắc các đường
dẫn nước trong đất làm cho đất cằn cỗi. Vì nguyên nhân này mà vi sinh vật
đất không có khả năng tồn tại, phát triển do dầu ngăn cản khả năng hô hấp
và phá hủy môi trường cung cấp thức ăn cho vi sinh vật đất [1, 10].
1.2. ĐẶC ĐIỂM VÀ CẤU TẠO CỦ
A DẦU MỎ
Dầu mỏ là khoáng vật lỏng sánh, màu nâu sáng đến nâu đen hoặc xanh
thẫm, có mùi đặc trưng, khối lượng riêng từ 0,65 đến 1,05 g/cm
3
, tan trong
các dung môi hữu cơ, không tan trong nước và có nhiệt độ sôi thấp hơn
250
0
C.

6
Đặc điểm vật lí: Khi dầu tràn trên biển chúng có xu hướng lan rộng tạo
thành lớp bao phủ mặt nước hình thành một lớp dầu bóng và dễ bị bay hơi
Dưới sự tác động của sóng, gió làm nước và dầu lẫn vào nhau tạo thành nhũ
dầu. Nhũ dầu có chứa nhiều nước biển nên rất nhớt, làm tăng diện tích bề
mặt do đó tạo điều kiện thuận lợ
i cho vi sinh vật tấn công và phân huỷ dầu
một cách dễ dàng
Đặc điểm hóa học: Mỗi loại dầu mỏ được đặc trưng bởi thành phần riêng
song về bản chất, chúng đều có thành phần chính là hydrocacbon, chiếm 60
đến 90% trọng lượng dầu; còn lại là các chất chứa oxy, lưu huỳnh, nitơ, các
phức cơ kim, các chất nhựa, asphaten Ngoài các nguyên tố chính là hydro

và cacbon, trong dầu còn có mặt các nguyên tố khác như lưu huỳnh chiếm
0,1 đế
n 0,7%; nitơ chiếm 0,001 đến 1,8%; oxy chiếm 0,05 đến 1%.
Hydrocarbon là thành phần chính của dầu mỏ, hầu như tất cả các loại
hydrocarbon (loại trừ olefin) đều có mặt trong dầu mỏ. Bằng các phương
pháp hoá lý, người ta đã xác định được hơn 400 loại hydrocarbon khác nhau

Hình 1.1. Thành phần các hợp chất hữu cơ có trong dầu mỏ

7
Thành phần phi hydrocacbon
- Các chất chứa lưu huỳnh: Là loại hợp chất phổ biến nhất, đã xác định
được khoảng 380 hợp chất chứa lưu huỳnh trong khoảng 450 hợp chất có
trong dầu
- Hợp chất chứa nitơ: thường có mặt rất ít trong dầu mỏ (0,01 đến 1% trọng
lượng) như pyridin, pyrol…
Ngoài ra còn có các hợp chất chứa oxy (phenol); kim loại nặng (có trong
cấu trúc của các phức c
ơ kim như V, Fe, Cu, Zn…) và nước lẫn trong dầu
mỏ
Cấu tạo hydrocarbon trong thành phần dầu cũng ảnh hưởng đến sự phân
huỷ dầu của vi sinh vật. Các n-alkan mạch thẳng bị phân huỷ mạnh nhất,
sau đó đến ankan mạch nhánh, hydrocarbon thơm có trọng lượng phân tử
thấp, hydrocarbon có trọng lượng phân tử cao, cuối cùng là các hợp chất
phân cực.
Các n-alkan có độ dài từ C10-C19 thường bị phân huỷ nhanh nhất tuy nhiên
trong môi trườ
ng chúng bay hơi rất nhanh. Các chuỗi n-alkan dài (C>19)
thường tồn tại ở dạng rắn, độ hoà tan trong nước rất thấp do đó khó bị phân
huỷ bằng con đường sinh học.

Toluen, benzen, ethylbenzen và xylen (TBEX) là các hợp chất hydrocacbon
thơm đơn nhân dễ bay hơi, có trong xăng (2-8 %) dễ tan trong nước, khó bị
phân huỷ và là các chất gây ô nhiễm nước ngầm. Các hợp chất hydrocarbon
thơm đơn nhân có nhóm chức gắn với nhân benzen khác nhau sẽ ảnh hưởng
đến khả n
ăng phân huỷ của vi sinh vật [3, 9,10].
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ Ô NHIỄM DẦU
1.3.1. Phương pháp cơ học

8
Sau các sự cố tràn dầu không rõ nguyên nhân, đã có những giải pháp tức
thời để thu gom dầu tràn trên nước là sử dụng bơm hút, phao quây để tránh
dầu lan trên diện rộng Nhưng các biện pháp cơ học này chỉ giúp thu gom
được 10 – 40% lượng dầu tràn.
Khi dầu tràn trên đất hoặc dầu tràn trên nước xâm nhập vào bờ biển, bờ
sông, đốt đất, rửa đất để loại bỏ dầu lẫn trong đất là điều không kh
ả thi. Xúc
đất, cát nhiễm dầu chuyển đi nơi khác là việc làm cực kì tốn kém và cũng
chỉ là “đánh bùn sang ao”. Để càng lâu dầu càng ngấm xuống sâu. Dầu bị
nước thủy triều rửa trôi hay bị các lớp đất khác lấp lên, đã ngấm sâu xuống
dưới, không thể tự phân hủy, làm nhiễm độc lâu dài môi trường đất và nước
ngầm. Một lượng lớn dầu tràn không thể thu gom được sẽ nhũ tươ
ng từng
phần trong nước, xâm nhập vào bờ gây thiệt hại nghiêm trọng đối với môi
trường nước và đất, đặt biệt là đối với các vùng nuôi thủy sản.
1.3.2. Phương pháp hóa học
Phương pháp này được dùng khi việc xử lý OND bằng biện pháp cơ học
hay các biện pháp khác không hiệu quả hay chưa triệt để. Phương pháp hóa
học thường sử dụng các chất phân tán, các chất phá nhũ tương dầu – nước,
các chấ

t keo tụ và hấp thụ dầu.
- Chất phân tán : có thành phần chính là những chất hoạt động bề mặt gồm
phần ưa nước (hydrophilic) và phần ưa dầu (oleophilic). Mục đích của việc
sử dụng chất phân tán là loại bỏ dầu trên bề mặt của biển và chuyển nó vào
trong cột nước làm pha loãng nồng độ độc hại của dầu, làm cho dầu bị
xuống cấp, giảm sự
di chuyển của dầu. Phun chất tăng độ phân tán lên dầu
thô tràn có hiệu quả nhanh chóng, cơ động để loại bỏ dầu khỏi bề mặt nước
biển. Tuy nhiên, việc sử dụng chất phân tán ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái

9
biển, sinh vật tiếp xúc với dầu phân tán: san hô, động vật biển,…Chất phân
tán không có khả năng phân tán tất cả các loại dầu trong mọi điều kiện.
Một số sản phẩm như : Tergo, R -40 @, Ardrox 6. 120 #, Albisol WD,
Quá trình hoạt động của chất phân tán hóa học được mô tả qua sơ đồ sau :

Hình 1.2. Quá trình hoạt động của chất phân tán hoá học
Trong đó:
A. Các giọt phân tán chứa các chất hoạt động bề mặt được bơm vào vết dầu
loang.
B. Dung môi mang chất hoạt động bề mặt xâm nhập vào trong dầu.
C. Phân tử chất hoạt động bề mặt thâm nhập vào bề mặt dầu trên nước và làm
giảm liên kết bề mặt của dầu trên nước.
D. Chất phân tán phá vỡ liên kết dầu trên nướ
c. Các giọt dầu nhỏ được tách ra
từ mảng dầu loang, phân tán vào trong nước.
E. Các giọt dầu phân tán bằng hỗn hợp hỗn độn, chỉ chuyển lớp váng trên mặt
nước.
- Chất hấp thụ dầu (Sorbents) : là những chất hữu cơ, vô cơ tự nhiên hoặc
tổng hợp. Chất hấp thụ hữu cơ gồm: rêu, bùn, mùn cưa, lông và một số vật

10
liệu tự nhiên khác chứa cacbon. Chất hấp thụ vô cơ tự nhiên: đất sét, cát, tro
núi lửa. Chất hấp thụ tổng hợp do con người tạo ra như: polyethylene,
polyester xốp, hoặc polystyrene. Các chất hấp thụ sẽ hấp thụ các hỗn hợp
dầu tràn ở dạng nguyên, nhũ hóa từng phần, hay bị phân tán trên mặt nước.
Dầu sẽ hình thành một lớp chất lỏng trên bề mặt của chất h
ấp thụ. Đặc biệt
chúng chỉ hút dầu chứ không hút nước.
Các sản phẩm như: enretech cellulosorb, corbol,…
Các chất hấp thụ dầu dùng cho xử lí dầu tràn trên mặt nước. Sản phẩm
Corbol chỉ dùng ở những vùng lặng sóng. Enretech cellulosorb được sử
dụng ở các khu vực cảng, cầu tàu, vịnh bãi biển, rừng ngập mặn,… và bất
cứ nơi nào có nguy cơ xảy ra sự cố tràn dầu trên nước.
Hiện nay th
ế giới đã áp dụng một số phương pháp xử lí đất nhiễm dầu:
- Công nghệ sử dụng chất phân tán hoá học
- Phân huỷ sinh học (phương pháp sinh học)
Nhưng khi áp dụng công nghệ xử lý dầu bằng các chất hoá học cần thận
trọng với môi trường, tránh gây ngộ độc hay làm ô nhiễm môi trường bởi
các chất hoá học. Với điều kiện nền kinh tế Việt Nam hiện nay ch
ưa thích
hợp để áp dụng biện pháp xử lý đất nhiễm dầu bằng phương pháp hoá học
vì công nghệ xử lý này rất tốn kém và yêu cầu kĩ thuật cao [1,3,18].
1.3.3. Phương pháp sinh học
Phương pháp xử lí đất nhiễm dầu bằng phân huỷ sinh học ngày càng
phát triển nhờ đặc tính ưu việt và khả năng xử lí: có tính khả thi cao, hiệu
quả tốt, đặc biệt phương pháp này không gây độc hại hay làm ô nhiễm môi
tr
ường như một số phương pháp khác. Trên thế giới công nghệ phân hủy

sinh học đã và đang được quan tâm đặc biệt. Ở Việt Nam, Công ty xử lý
dầu quốc tế (OTI – Thụy Sĩ) đã đưa tới “Công nghệ phân hủy dầu bằng vi

11
sinh”, khắc phục nhanh sự cố đất nhiễm dầu với các sản phẩm đặc tính ưu
việt là không độc hại, xử lý dầu hoàn toàn bằng quá trình tự nhiên [1]. Tuy
nhiên giá thành khá cao.
1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN HUỶ SINH HỌC
Khái niệm phân huỷ sinh học (bioremediation) mô tả quá trình sử dụng vi
sinh vật xử lí các hệ thống bị ô nhiễm. Trong đó vi khuẩn được sử dụng
nhiều nhất, tuy nhiên nấm và thực vật bậc cao cũng góp ph
ần xử lí ô nhiễm.
Bản chất của cứu chữa sinh học là cố gắng thúc đẩy sự phân huỷ sinh học
trong tự nhiên. Khi môi trường bị ô nhiễm dầu, các vi sinh vật có khả năng
sử dụng dầu làm thức ăn lập tức phát triển. Tuy nhiên sự thành công của
việc ứng dụng chúng để xử lí ô nhiễm dầu phụ thuộc vào khả năng tối ưu
hoá các điều ki
ện khác nhau về sinh học, hoá học, địa chất… giúp cho vi
sinh vật sinh trưởng mạnh mẽ nhất, thời gian nhanh nhất.

Hình 1.3. Sơ đồ xử lí ô nhiễm dầu bằng phương pháp phân huỷ sinh học


12
Công nghệ phân huỷ sinh học được chia thành hai nhóm chính là phân huỷ
in situ và ex situ.

Hình 1.4. Các phương pháp phân huỷ sinh học đã và đang được áp dụng
1.4.1. Phân hủy sinh học tại chỗ (in situ)
Phân hủy sinh học tại chỗ gồm những công nghệ khác nhau nhằm giảm

tối đa các tác động vào vùng ô nhiễm, không cần phải khai quật vùng ô
nhiễm cũng như các hệ thống bơm xử lý phức tạp trên quy mô sâu và rộng.
Điều này góp phần hạ giá thành và có thể giải quyết các vấn đề tồn tại khi
đồng thời ứng dụng cùng một lúc nhiều phương pháp khác nhau.
H
ầu hết quá trình xử lý in situ kích thích các tập đoàn vi sinh vật bản địa,
hoạt hoá khả năng trao đổi chất và khả năng phân huỷ các chất ô nhiễm của
chúng.
Phân huỷ sinh học in situ chia làm ba nhóm chính là kích thích sinh học,
làm giàu sinh học và xử lý kỵ khí
- Xử lí kị khí : Khi lượng oxy hoà tan qua thấp, hydrocarbon sẽ bị phân huỷ
với tốc độ rất hạn chế, trong khi đó các quá trình phân huỷ kỵ khí diễn ra
nhanh hơn. Thực nghiệm cũng nh
ư các nghiên cứu nhiệt động học cho thấy
sự khử clo của các hợp chất halogen đôi khi tốt hơn trong điều kiện kỵ khí.

13
- Làm giàu sinh học (Bioaugmentation) : là phương pháp xử lí mà trong đó
ngoài việc tối ưu hoá các điều kiện dinh dưỡng, đưa vào một số vi sinh vật
chọn lọc có khả năng phân huỷ cao, bổ sung cùng với quần xã sinh vật bản
địa trong môi trường bị ô nhiễm để tăng cường khả năng phân huỷ dầu.
- Kích thích sinh học (Biostimulation) : là phương pháp xử lí lấy quần xã
sinh vật bản địa làm trung tâm, các đặc
điểm sinh học và sinh thái của
chúng được nghiên cứu kỹ qua đó đưa các chất dinh dưỡng hữu cơ, vô cơ
cùng các chế phẩm sinh học với một tỉ lệ thích hợp nhằm kích hoạt tập đoàn
vi sinh vật có khả năng phân huỷ dầu bản địa làm sạch môi trường.
Bioaugmentation có tiềm năng trong việc xử lí các hợp chất dầu ở nơi vi
sinh vật bản địa làm việc không hi
ệu quả như vùng đất đá sỏi, đất cát. Ở

Nga đã sử dụng chế phẩm Devoroie gồm hỗn hợp vi khuẩn Rhodoccocus và
Candida làm sạch ô nhiễm dầu ở vùng đất cát.
Biostimulation được chứng minh là một công cụ hứa hẹn xử lí triệt để các
bờ biển bị ô nhiễm dầu theo phương pháp hiếu khí. Một nhân tố chủ chốt
tạo nên thành công của phương thức này là duy trì mứ
c độ dinh dưỡng tối
ưu. Trong trường hợp hàm lượng dầu cao có thể bổ sung các vi khuẩn và
chế phẩm khác như chất hoạt hóa bề mặt để tăng tốc độ phân huỷ sinh
học… Chủng vi khuẩn bổ sung phải được phân lập từ chính môi trường bị ô
nhiễm.
Các chế phẩm khác nhau đưa vào xử lí ô nhiễm cho các kết quả khác nhau
phụ thuộc vào đặc tính của dầu, hàm lượng dinh dưỡ
ng tự nhiên và đặc
điểm của vùng bị ô nhiễm. Nói chung các chế phẩm thương mại có hiệu quả
hơn các loại phân bón nông nghiệp trong việc thúc đẩy sự phân huỷ dầu.
Hiện nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của sinh học phân tử, phân loại học,
có thể giám sát quá trình phân huỷ sinh học thông qua biến động số lượng

14
quần thể vi sinh vật chiếm ưu thế trong môi trường ô nhiễm, nhờ đó phương
án phục hồi sinh học môi trường ô nhiễm dầu trở nên hấp dẫn các nhà quản
lí do giá rẻ, an toàn, độ tin cậy cao [1, 9,12,14,17].
1.4.2. Phân hủy sinh học không tại chỗ (ex situ)
Các phương pháp xử lý ex situ mang tính không an toàn cao, giá cả đắt
và rủi ro lớn vì yêu cầu của quá trình xử lý chất ô nhiễm phải được cân
bằng với lợi ích mà nó mang lại. Phươ
ng pháp này kéo theo sự di chuyển
của các chất ô nhiễm tới các vùng không ô nhiễm và được kiểm soát tại
cùng một địa phương hoặc địa phương khác.
1.5.VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ô NHIỄM DẦU

1.5.1. Vi sinh vật phân huỷ cacbua hydro
Hàng loạt các nghiên cứu cho thấy có rất nhiều loài vi sinh vật có khả
năng phân giải dầu mỏ [4,9,10,14]. Có thể tóm tắt các chủng vi sinh vật có
khả năng phân huỷ dầu mỏ ở bảng 1.1
.
Bảng 1.1. Các chủng vi sinh vật phân huỷ dầu mỏ
Cacbuahydro Vi sinh vật phân huỷ
Metan


Hecxandecan




Oxandecan






C
10
-C
20


Methanomonas sp
Bacillus

Cadida Tropicalis
Micrococcus cerificans
Pseudomonas aeryginosa
Bacillus Thermophil

Candida sp
Mycobacterium lacticolum
M.Rubum vas propanicum
M.flavum vas math nicum
Nocardia sản phẩm
Pseudomonas aeruginosa

Candida lipolytica
Mycobacterium phlei

15


C
12
-C
15

C13-C19
C14-C18

C14-C19

C15-C28
n-parafin

Nocardia sp

Candia guilliermodi
Micrococu cerificans
Candia intermetia
Torulopsis
Candia tropicalis
lipolytica C.pelliculosa
C.Intermedia
Candia Intermedia và C.lipolytica
Candida albicans
C.tropicalis
Candida lipolytica
Pseudomonas

1.5.2. Cơ chế phân huỷ các hợp chất cacbuahydro
Vi sinh vật sử dụng hydrocacbon làm nguồn dinh dưỡng, năng lượng
cho sự sinh trưởng và phát triển. Việc sử dụng các hydrocacbon của vi sinh
vật có thể xảy ra theo hai hướng:
- Đối với một số hydrocacbon tan trong nước, vi sinh vật hấp thụ trực tiếp
- Với các hydrocacbon khó tan mà có thể tan dưới dạng nhũ tương dầu –
nước thì quá trình phân huỷ vi sinh theo trình tự các bước: đầu tiên là hoà
tan các hydrocacbon dưới dạng nhũ tương dầu nước do tiết ra các chất hoạt
hoá bề mặt sinh học, sau đó vi sinh vật tiếp xúc với dầu, cuối cùng nó tiết ra
các enzyme để chuyển hoá các hydrocacbon thành các chất mà nó có thể sử
dụng được.
1.5.2.1. Phân huỷ các alkan

Khả năng phân huỷ của các alkan phụ thuộc
vào cấu trúc phân tử của
chúng. Thông thường các hydrocacbon bậc 1 và bậc 2 dễ phân huỷ hơn các
hydrocacbon bậc 3 và 4.
a. n-alkan

16
Quá trình phân huỷ alkan được khơi mào nhờ enzym mono-oxygenaza và
di-oxygenaza. Quá trình này đòi hỏi có sự tham gia của một phân tử oxy và
chất cho điện tử NADPH
2
. Các giai đoạn oxy hoá alkan:
* Giai đoạn 1: Tạo thành rượu, xảy ra qua 2 bước
Tạo thành hợp chất peoxyt
R- CH
2
- CH
3
+ O
2
—> R- CH
2
- CH
2
- OOH
Hợp chất peoxyt không bền dưới tác dụng của NADPH2 tạo thành rượu và
nước:
R- CH
2
- CH

2
- OOH + NADPH
2
—> RCH
2
- CH
2
- OH + H
2
O + NADP (2)
Từ alkan chuyển thành rượu có hai khả năng xảy ra:
Tạo thành rượu bậc 1: xảy ra khi nhóm OH gắn vào C bậc 1 (2)
Tạo thành rượu bậc hai: khi nhóm OH gắn với C bậc 2:
R-CH
2
-CH
2
– OOH + O
2
+ NADPH
2
—> R- CH- CH
2
+ H
2
O + NADP
|
OH
* Giai đoạn 2:
Rượu bậc 1 tạo thành andehit

R- CH
2
– CH
2
– OH +1/2 O
2
—> R- CH
2
– CHO + H
2
O
Rượu bậc 2 tạo thành xeton:
R – CH – CH
3
+ 1/2 O
2
—> R – CH - CH
3
+H
2
O
OH O
* Giai đoạn 3: tạo thành axit béo:

17
- Các xeton bị oxy hoá tạo thành este, liên kết este bị phá vỡ tạo ra một axit
và rượu bậc một, rượu bậc 1 lại bị oxy hoá thành andehit rồi axit béo:
R- CH
2
- C- CH

3
—>R- CH
2
-O- C - CH
–
—>R- CH
2
- OH–+ CH
3
- CO–H
|| O
- Các andehit bị oxy hoá thành axit béo:
R - CH
2
- –HO +1/2 O
2
—>R - CH
2
– –OOH
Có trường hợp sự oxy hoá xảy ra ở cả hai đầu của alkan tạo thành các diol,
các dicacbonxylic.
* Giai đoạn 4: các axit béo bị oxy hoá tiếp nhờ chu trình oxy hoá.
Axit béo mạch dài dưới tác dụng của một loại enzym chuyển sang dạng
acetyl coenzym A và chuyển hoá tiếp dưới tác dụng của nhiều enzym khác.
Kết quả là sau mỗi chu kì chuyển hoá, một nhóm acetyl CoA bị cắt ra và
phân tử axit béo bị cắt đi hai nguyên tử cacbon. Sản phẩm cuối cùng của
quá trình phân hủy alkan là CO
2
và nước.
b. Alkan mạch nhánh

Do cản trở về mặt không gian nên khả năng phân huỷ của chúng kém
hơn n-alkan. Theo Atlas, các vi sinh vật phân huỷ ưu tiên C bậc1 và bậc 2,
còn C bậc 3 và 4 thì khó phân huỷ hơn.
Alkan có nhóm metyl ở dầu mạch khó phân huỷ hơn ở giữa mạch.
Alkan có mạch nhánh dài dễ bị phân huỷ hơn alkan có mạch nhánh ngắn.
Trong quá trình nghiên cứu sự phân huỷ các alkan mạch nhánh, người ta đề
xuất biến dạng của chu trình TCA là chu trình Metylcitrat, thay vào vị trí
c
ủa axit citric là metylcitrat.
c. Cycloalkan

18
Cycloalkan là cấu tử chính của dầu thô. Khơi mào cho sự phân huỷ
cycloalkan cũng là các enzym monooxygenaza và oxygenaza. Dưới tác
dụng của các enzym này, các cycloankan bị phân huỷ thành các
cycloalkanol.
Theo các tác giả, khả năng phân huỷ của cyclohexan là mạnh nhất trong dãy
đồng đẳng cycloalkan. Cùng vòng cycloalkan chất nào có mạch nhánh dài
hơn thì sẽ dễ phân huỷ hơn.
Khi phân huỷ cyclohexan, quá trình hydroxyl hoá được xúc tác bởi enzym
oxydaza chức năng tạo ra một rượu mạch vòng. Rượu mạch vòng sẽ bị
dehydro hoá để tạo ra xeton, xeton bị oxy hoá ti
ếp thành lacton. Lacton sẽ
bị thuỷ phân, nhóm hydroxyl bị oxy hoá thành một nhóm andehit và một
nhóm cacboxyl. Kết quả là axit dicacboxylic bị biến đổi tiếp nhờ chu trình
oxy hoá.
Các vi sinh vật có khả năng phát triển trên cyclohexan phải thực hiện tất cả
các phản ứng trên. Tuy nhiên ta thường gặp hơn các vi sinh vật có khả năng
chuyển cyclohexan thành rượu mạch vòng nhưng không có khả năng lacton
hoá và mỏ mạch vòng. Do vậy cơ chế cộng sinh và cùng trao đổi chất (co-

metabolism) đóng mộ
t vai trò rất quan trọng trong phân huỷ sinh học các
hợp chất hydrocacbon mạch vòng.
1.5.2.2. Phân huỷ hydrocacbon thơm
Các hydrocacbua thơm và vòng đầu tiên thường được chuyển thành các
hợp chất thơm mà trong vòng không chứa các chất nào khác ngoài nhóm
oxy. Các hợp chất thơm sẽ được chuyển thành các dẫn xuất octo – hoặc
para – dioxyt phenil. Dưới tác dụng của hệ thống enzyme cảm ứng sẽ bị cắt
đứt các sản phẩm trao đổi chất trung gian. Phá vỡ vòng thơm nhờ hệ th
ống

19
enzyme oxygenaza. Enyme này xúc tác việc gắn oxy phân tử vào cơ chất.
Trong quá trình này oxygenaza tham gia gắn lại nguyên tử hydro vào mỗi
phân tử cơ chất. Còn monooxygenaza xúc tác việc gắn một nguyên tử
hydro. Trước khi vòng bị đứt 1 nguyên tử oxy dưới tác dụng của
hydroxylaza sẽ liên kết với cacbua hydro thơm và làm hydoxil hóa, một
nguyên tử oxy khác bị khử thành nước ( chất cho hydro là piridin nucleotit,
đôi khi cả các hợp chất thơm đã hydroxil hóa ).
Nấm mốc là nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế về ch
ủng loại có khả năng phân
huỷ naphtalen nhờ enzym oxygenaza. Naphtalen dần dần sẽ bị chuyển hoá
thành phân tử có khối lượng bé hơn nhờ vi sinh vật, làm cho dầu nặng trở
thành dầu nhẹ hơn, và độ nhớt của dầu sẽ giảm đi.
Có ba trường hợp cắt vòng hydrocacbua đặc trưng:
- Phân cắt octo: Đầu tiên có sự liên kết oxy phân tử với hai nguyên tử
cacbon lân cận và tạo thành một peroxit vòng. Sau đó xảy ra sự
chuyển vị
nội phân tử với sự cắt liên kết C-C và làm sinh ra axit:

Vd: Pirocatechin
O
2
, pirocatechaza axit xis –xis – muconic
Thường xảy ra ở vi khuẩn phân giải các hợp chất thơm đơn giản.
- Phân cắt meta: phân cắt vòng thơm giữa hai nguyên tử cacbon và hydroxit
hóa và nguyên tử lân cận không bị hydroxil hóa.
Vd: Pirocatechin dưới tác dụng của metilpirocatecchaza sẽ chuyển hóa
thành axit semialdehit 2 okimuconit. Chất này sau có thể chuyển hóa thành
CO
2
, axit axetic, axit piruvic.
Hoặc monocatechin dưới tác dụng của protocatechact 4,5 oxygenaza sẽ
chuyển hóa thành axit senilaldehit 2 oxi 4- cacboximuconic. Chất này sẽ
chuyển thành axit oxalaxetic và axit piruvic.

20
Thường xảy ra ở vi khuẩn.
- Phân cắt vòng ở vị trí giữa nguyên tử cacbon bị hydoxit hóa và nguyên tử
cacbon liên kết với nhau cacboxil hoặc một nhóm mạch thẳng nào đó. Axit
gentizinic, axit homogentizinic, phenilacanin, axit phenilpropionic là những
chất phân cắt theo con đường này.
Tóm lại, sự phân hủy hydrocacbon được xếp theo thứ tự sau: n – alkan >
alkan mạch nhánh > hợp chất mạch vòng có trọng lượng phân tử thấp >
alkan mạch vòng [4,9,10,14].
1.5.3. Cơ chế phân huỷ các hợp chất cacbuahydro củ
a nhóm vi khuẩn
Pseudomonas
Một số Pseudomonas có thể chuyển hóa các chất ô nhiễm dầu trong môi
trường [ 9,10,15,17 ] theo các con đường khác nhau :

- Pseudomonas oxalaticus có khả năng sử dụng oxalat làm nguồn cacbon
duy nhất. Cơ chế quá trình này có thể tóm tắt như sau:
Oxalat + Xucxinit CoA → Oxalit – CoA + Xuxinat
Oxalit – CoA
TPP Formil CoA + CO
2

Focmit – Xaxinat → Formiat + Xucxinil CoA
Phản ứng sinh năng lượng chủ yếu đối với chúng là phản ứng oxy hóa
focmiat nhờ focmat dehyrogenaza.
- Pseudomonas methanica có khả năng sử dụng một số hợp chất cacbon làm
nguồn thức ăn cacbon và nguồn năng lượng duy nhất :
CH
4
(metan) → CH
3
OH (metanol) → HCHO (focmaldehyt) → HCOOH
(axit focmic) → CO2

21
- Pseudomonas aeruginosa có khả năng sinh trưởng trong diesel và nhiên
liệu máy bay
- Pseudomonas putida và Pseudomonas mendocina có khả năng phân hủy
dung môi hữu cơ như toluene.
- Pseudomonas alcaligenes có thể làm suy giảm các hydrocacbon thơm đa
vòng
- Pseudomonas veronii đã được chứng minh là làm giảm một loạt hợp chất
thơm đơn giản.
Các loài vi khuẩn Pseudomonas đã phân hủy toluen theo năm con đường
theo sơ đồ sau :

Hình 1.5. Sự phân hủy toluen bởi một số loài Pseudomonas : P. putida (TOL), P. putida
F1, P. mendocina KR1, P. pickettii PKO1, và Bukholderia cepacia G4

22
1.6. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ
DẦU CỦA VI SINH VẬT
1.6.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn tới tốc độ phân huỷ sinh học của dầu bởi nó ảnh
hưởng trực tiếp đến những đặc tính vật lý, hoá học của dầu, đến quá trình
trao đổi chất của cơ thể sinh vật và thành phần loài trong t
ập đoàn vi sinh
vật. Tốc độ phân huỷ sinh học tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại. Khi
nhiệt độ giảm, độ nhớt của dầu tăng lên làm giảm sự bay hơi của các n-ankan
mạch ngắn, gây độc cho vi sinh vật, do đó làm giảm quá trình phân huỷ sinh
học.
Khí hậu và mùa cũng gây ảnh hưởng đến sự phát triển của tập đoàn vi sinh
vật sử dụng hydrocacbon và ảnh hưở
ng đến tốc độ phân huỷ sinh học. Các
nghiên cứu tại Alaska, Nova Scotia, và Spitsbeeergen cho thấy phân huỷ dầu
xảy ra mạnh mẽ vào mùa xuân và mùa hè, tuy nhiên lại giảm rất mạnh vào
mùa đông.
Vi sinh vật sử dụng dầu tồn tại trong các môi trường có phổ rộng về nhiệt độ,
bao gồm các vi sinh vật không ưa nhiệt đến các vi sinh vật ưa nhiệt trung bình
và các vi sinh vật ưa nhiệt độ cao [ 4,9 ].
1.6.2. Ảnh hưởng của nguồ
n dinh dưỡng
Cacbon (C), nitơ (N), phốt pho (P) là các chất cần thiết cho quá trình
sinh tổng
hợp của tế bào vi sinh vật. Khi nồng độ hydrocacbon thải vào môi

trường nước quá lớn, ở đó hàm lượng các chất dinh dưỡng vô cơ thấp, gây ra
sự chênh lệch giữa tỷ lệ C/N hoặc C/P hoặc cả hai, dẫn đến quá trình phân
huỷ dầu xảy ra rất chậm. Do vi sinh vật không đủ điều kiện để phát triển.

23
Việc điều chỉnh tỷ lệ C/N, C/P hoặc cả hai bằng cách bổ sung N hay P dưới
dạng chế phẩm hoạt động ở bề mặt có tác dụng kích thích sự phân huỷ sinh
học dầu thô cũng như các thành phần của dầu ở điều kiện có oxy. Tuy nhiên,
nồng độ phốt pho quá cao có
thể ức chế quá trình phân hủy sinh học
hydrocacbon [ 12,14 ].
1.6.3. Ảnh hưởng của nồng độ pH
Độ pH gây ảnh hưởng lớn đến sự tồn tại và phát triển của vi sinh vật do
đó cũng ảnh hưởng đến tốc độ phân huỷ hydrocacbon dầu mỏ của vi sinh vật.
Quá trình phân huỷ hydrocacbon bởi vi sinh vật thường thuận lợi nhất trong
điều kiện pH gần trung tính, tuy nhiên vẫn có nhiều vi sinh vật phát triển
được ở pH kiềm hoặc axit.
Kết quả
các thực nghiệm cho thấy độ pH thích hợp nhất cho quá trình phân
huỷ dầu trong nước biển là 8,0 [ 9 ].
1.6.4. Ảnh hưởng của oxy
Trong quá trình phân huỷ sinh học hydrocacbon ở điều kiện hiếu khí, oxy
được dùng làm chất nhận hydro và điện tử cuối cùng. Ngoài ra oxy còn
được dùng trong quá trình cacboxyl hoá do enzym oxygenaza xúc tác.
Nhiều trường hợp, khi oxy không được bổ sung hoặc bổ sung không đầy
đủ, thậm chí ngay cả không có oxy người ta vẫn quan sát thấy quá trình
phân huỷ sinh học của hydrocacbon.
Trong đi
ều kiện kỵ khí quá trình phân huỷ xảy ra đối với các thành phần nhân
thơm có chứa phân tử oxy như benzoat, các hợp phần chứa nguyên tử

halogen nhân thơm như halogenbenzoat, chlorophenol [ 9 ].



24
1.6.5. Ảnh hưởng của NaCl
Theo nghiên cứu của Ward và Brock khi độ mặn tăng từ 3,3 đến 28,4% quá
trình khoáng hoá hydrocacbon giảm đi. Nồng độ muối cũng ảnh hưởng đến
phân huỷ các thành phần khác nhau của dầu. Theo Mille và cộng sự khi nồng
độ NaCl lớn hơn 2,4% phân huỷ sinh học phân đoạn hydrocacbon thơm và
phân cực bị ảnh hưởng lớn hơn so với phân đoạn hydrocacbon no [ 9, 12].
1.7. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG D
ỤNG VI SINH VẬT PHÂN
HUỶ DẦU TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
1.7.1. Trên thế giới
Hiện nay trên thế giới, phương pháp xử lí ô nhiễm dầu bằng phân huỷ
sinh học nhờ vi sinh vật rất được ưa chuộng. Do ứng dụng công nghệ sinh
học người ta đã làm sạch được hàng trăm vùng ô nhiễm do dầu mỏ gây ra ở
Mỹ, Đức, Thụy Điển, Canada…[3, 6, 20]. Điển hình là vụ
tràn dầu ở
Alaska, trên một trăm km bờ biển do dầu tràn gây ô nhiễm đã được xử lý
thành công bằng công nghệ phân huỷ sinh học.
Một số sản phẩm sinh học để xử lí ô nhiễm dầu
Enretech-1
- Sản phẩm của Mỹ, là chất thấm dầu đồng thời phân hủy sinh học dầu.
Enretech-1 sử dụng cho ứng cứu khẩn cấp sự cố tràn dầu trên đất, xử lí t
ại
chỗ đất cát nhiễm dầu. Sản phẩm chứa các loại vi sinh tồn tại sẵn trong tự
nhiên. Khi có nguồn thức ăn là các hydrocarbon và độ ẩm thích hợp, các vi
sinh sẽ phát triển nhanh chóng về lượng và "ăn" dầu, chuyển hóa các chất

độc hại thành vô hại.
Công nghệ OTI
- Công ty xử lí dầu Quốc tế (OTI – Thụy sĩ) giới thiệu công nghệ OTI xử lí
ô nhiễm dầu với các loại sản phẩm phân huỷ
dầu thô: LOT 11 (xử lí dầu thô