phân lập, tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy pyrene và khả năng xử lý nước thải ở quy mô phòng thí nghiệm 5 lít

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

0
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM




NGUYỄN HƢƠNG QUỲNH





PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN CHỦNG
VI SINH VẬT CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY
PYRENE VÀ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI
Ở QUY MÔ PHÕNG THÍ NGHIỆM 5 LÍT

Chuyên ngành: SINH HỌC THỰC NGHIỆM
Mã số: 60 42 30


LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC



Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGHIÊM NGỌC MINH

THÁI NGUYÊN - 2011



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết
quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa có ai công bố trong một
công trình nào khác.
Tác giả
Nguyên Hương Quỳnh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ii
LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới:
PGS.TS. Nghiêm Ngọc Minh, trưởng phòng Công nghệ Sinh học Môi trường,
Viện Công nghệ Sinh học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình
hướng dẫn và dìu dắt tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Trong quá trình nghiên cứu vừa qua, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ
bảo tận tình của các cán bộ phòng Công nghệ Sinh học Môi trường, đặc biệt là
KS. Cung Thị Ngọc Mai, CN. Vũ Thị Thanh đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực

hiện luận văn của mình.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô khoa Sinh trường Đại
học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên, lãnh đạo Viện Công nghệ Sinh học đã tạo điều
kiện và giúp đõ tôi trong quá trình học tập nghiên cứu tại trường và tại Viện.
Bên cạnh đó tôi xin cảm ơn người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã
tạo điều kiện động viên và giúp đỡ tôi cả về vật chất và tinh thần để tôi có thể hoàn
thành tốt luận văn này.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011
Học viên
Nguyễn Hương Quỳnh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iii
MỤC LỤC

Trang phụ bìa
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v
Danh mục các bảng vi
Danh mục các hình vii
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3
1.1. Đặc điểm chung của PAH 3
1.1.1. Cấu trúc hóa học và một số đặc tính cơ bản của PAH 3
1.1.2. Tính độc và ảnh hưởng của PAH tới con người và môi trường 5
1.2. Nguồn gốc phát sinh PAH 7

1.3. Tình trạng ô nhiễm PAH và các biện pháp xử lý 9
1.3.1. Tình trạng ô nhiễm PAH 9
1.3.2. Các biện pháp xử lý tẩy độc PAH 11
1.4. Phân hủy sinh học các PAH bởi vi sinh vật 14
1.4.1. Vi sinh vật phân hủy PAH 14
1.4.2. Cơ chế phân hủy PAH bởi vi sinh vật 16
1.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy PAH 22
1.5. Các phương pháp phân loại vi sinh vật 26
1.5.1. Phân loại theo phương pháp cổ điển 26
1.5.2. Phương pháp phân loại bằng sinh học phân tử 26
1.6. Quá trình xử lý sinh học nước thải và thành phần các chất ô nhiễm điển
hình trong nước thải công nghiệp 29
1.6.1. Quá trình xử lý sinh học nước thải 29
1.6.2. Thành phần các chất ô nhiễm điển hình trong nước thải công nghiệp 31
Chƣơng 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 33
2.1. Nguyên liệu, hóa chất và các thiết bị sử dụng 33

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iv
2.1.1. Nguyên liệu 33
2.1.2. Hóa chất, môi trường 33
2.1.3. Thiết bị 34
2.2. Phương pháp nghiên cứu 35
2.2.1. Thu thập mẫu nước thải 35
2.2.2. Làm giàu tập đoàn vi sinh vật trên môi trường chứa hỗn hợp PAH 35
2.2.3. Phân lập một số chủng vi khuẩn có khả năng sử dụng PAH 35
2.2.4. Quan sát hình thái tế bào trên kính hiển vi điện tử quét 36
2.2.5. Phân loại, định tên và xây dựng cây phát sinh chủng loại 36
2.2.6. Các yếu tố ảnh hưởng lên sự phát triển của các chủng vi khuẩn được

lựa chọn 37
2.2.7. Xác định khả năng phân hủy pyrene của vi khuẩn 42
2.3. Thử nghiệm trên quy mô 5 lít 43
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44
3.1. Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn có khả năng phát triển trên môi trường
chứa PAH 44
3.2. Đặc điểm khuẩn lạc và hình thái tế bào của chủng BTL4 47
3.3. Xác định trình tự đoạn gen mã hóa 16S rRNA của chủng vi khuẩn BTL4 47
3.3.1. Tách chiết DNA tổng số và nhân đoạn gen 16S rRNA của chủng BTL4 47
3.3.2. Tách dòng gen 16S rRNA của chủng BTL4 48
3.3.3 Trình tự đoạn gen mã hóa 16S rRNA của chủng BTL4 50
3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ, pH đến sự phát triển của chủng BTL4 53
3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 53
3.4.2. Ảnh hưởng của pH 54
3.5. Khả năng phân hủy pyrene của chủng BTL4 55
3.6. Kết quả mô hình xử lý nước thải ở quy mô 5 lít 58
3.6.1. Quá trình hoạt hóa bùn 58
3.6.2. Xử lý nước thải ở quy mô 5 lít 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT


bp
Base pair (cặp bazơ)
DNA

Deoxyribonucleic acid
LB
Luria-Bertani
PAH
Polycyclic aromatic hydrocacbon (hydrocarbon thơm đa nhân)
PCR
Polymerase Chain Reaction (phản ứng chuỗi trùng hợp)
ppm
Đơn vị một phần triệu (mg/l)
RNA
Ribonucleic acid
rRNA
Ribosomal ribonucleic acid
USEPA
United State Environmental Protection Agency (Cục bảo vệ
môi trường Hoa Kỳ)
X-gal
5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside
μl
Microlit
μm
Micromet


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

vi
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tính chất vật lý của một số PAH 4

Bảng 1.2: Một số chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy PAH 15
Bảng 1.3: Một số phương pháp phân loại vi sinh vật 28
Bảng 3.1: Chủng vi khuẩn phát triển trên môi trường khoáng có bổ sung hỗn
hợp PAH 46
Bảng 3.2: Chủng vi khuẩn phát triển trên môi trường khoáng có bổ sung hỗn
hợp PAH và 0,5% glucose 46
Bảng 3.3: Mức độ tương đồng của BTL4 so với một số chủng vi khuẩn 52
Bảng 3.4: Kết quả đo và phân tích 1 số chỉ tiêu của nước thải KCN Từ Liêm
trước và sau xử lý ở quy mô 5 lit phòng thí nghiệm 61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

vii
DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của một số hydrocarbon thơm đa nhân (PAH) 3
Hình 1.2: Các con đường phân hủy hiếu khí PAH chính của vi khuẩn và nấm 16
Hình 1.3: Con đường phân hủy napthalene ở Pseudomonas 19
Hình 1.4: Con đường phân hủy pyrene ở Mycobacterium sp. AP1 20
Hình 1.5: Con đường phân hủy anthracene ở Mycobacterium sp. PYR-1 21
Hình 3.1: Mẫu làm giàu lần 3 của mẫu nước thải lấy từ khu công nghiệp Từ Liêm 44
Hình 3.2: Tập đoàn vi sinh vật trên môi trường khoáng thạch với 50 ppm
PAH sau 3 lần làm giàu: (A) có bổ sung glucose, (B) không bổ
sung glucose 45
Hình 3.3: (A) Hình thái khuẩn lạc và (B) hình thái tế bào chủng BTL 4 47
Hình 3.4: Điện di đồ DNA tổng số chủng BTL4 (A), và kiểm tra nhân đoạn
gen 16S rRNA bằng kỹ thuật PCR (B) 48
Hình 3.5: Kết quả biến nạp chủng BTL4(A), và điện di đồ DNA plasmid của
dòng số 2 từ BTL4 trên gel agarose 1% plasmid của chủng lạc
mầu xanh (B) 49

Hình 3.6: Sản phẩm cắt DNA plasmid của dòng số 2 từ BTL4 50
Hình 3.7: Kết quả giải trình tự đoạn gen 16S rRNA của chủng BTL4 51
Hình 3.8: Cây phát sinh chủng loại của chủng BTL4 52
Hình 3.9: Đồ thị thể hiện sự phát triển của chủng BTL4 ở 30
0
C và 37
0
C 54
Hình 3.10: Đồ thị mật độ quang phổ của chủng BTL4 ở các điều kiện pH
khác nhau 54
Hình 3.11: Kết quả nuôi BTL4 ở các nồng độ pyrene khác nhau 56
Hình 3.12: Kết quả phân tích khả năng phân hủy pyrene của chủng BTL4 56
Hình 3.13: Quá trình hoạt hóa bùn sau 3 tuần 59
Hình 3.14: Màu sắc của nước thải trước xử lý (A, C) và sau xử lý (B, D) với
thời gian lưu của nước thải là 3 ngày 60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
MỞ ĐẦU
Nước là nguồn tài nguyên quý giá của nhân loại, không một ai, không một
sinh vật nào có thể sống được nếu thiếu nước. Tuy nhiên cùng với sự phát triển của
mình, con người đang ngày càng làm cho nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng
trong đó phải kể đến nước thải công nghiệp.
Xã hội phát triển, các ngành công nghiệp khác nhau phát triển làm cho các khu
công nghiệp không ngừng tăng về số lượng. Tính đến tháng 10 năm 2009, toàn quốc
đã có 233 khu công nghiệp được thành lập theo Quyết định của Thủ tướng Chính
phủ. Trong đó, 171 khu công nghiệp đã đi vào hoạt động, với tổng diện tích đất
57264 ha, đạt tỷ lệ lấp đầy trung bình khoảng 46% [2]. Không ai có thể phủ nhân sự
độc hại của nước thải công nghiệp, và việc xử lý chúng là một trong nhưng vấn đề

đã được quan tâm, chú ý từ lâu, tuy nhiên do mức độ ô nhiễm và thành phần nước
thải của các khu công nghiệp phụ thuộc vào thành phần các nhà máy, làng nghề
thuộc khu công nghiệp, làm cho quá trình xử lý nước thải công nghiệp gặp rất nhiều
khó khăn.
Một trong những chất gây ô nhiễm nghiêm trọng nhất của nước thải công
nghiệp là các hydrocarbon thơm đa vòng (PAH - Polycyclic Aromatic Hydrocarbon).
PAHs có nguồn gốc khá đa dạng từ dầu mỏ, than đá, sản phẩm phụ của việc đốt
nhiên liệu… [1].
PAHs tồn tại trong không khí có khả năng phản ứng với ozone và tạo thành
ozone-alken có khả năng gây ung thư tồn tại trong khí quyển, ngoài ra nếu PAHs
xâm nhập vào cơ thể con người thông qua con đường thực phẩm, tiếp xúc trực tiếp
qua da… có thể gây ung thư, giảm tuổi thọ, đột biến thai nhi… Hầu hết PAHs đều ít
tan trong nước nhưng tan tốt trong chất béo và khả năng gây ô nhiễm môi trường
của chúng phụ thuộc vào khả năng tan của chúng trong môi trường nước. Do tác hại
của PAH với con người mà từ lâu con người đã quan tâm nghiên cứu các phương
pháp phân hủy PAH. Các PAH được nghiên cứu thường là các PAH có cấu tạo đơn
giản như antharacene, naphthalene, phenantherene, pyren … trong đó pyren là chất
có cấu tạo phức tạp, có khả năng gây độc hơn những chất còn lại, vì vậy nếu vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
khuẩn có khả năng phân hủy pyren thì cũng có khả năng phân hủy các loại PAH
đơn giản khác. Có nhiều phương pháp phân hủy pyren như các phương pháp vật lý,
hóa học tuy nhiên những phương pháp này vừa đắt lại vừa không triệt để nên khó có
thể thực hiện trên quy mô lớn. Tuy nhiên ngày nay các nhà khoa học đã thấy rằng
không những có thể sử dụng vi sinh vật để loại bỏ pyren mà đó còn là phương pháp
vừa rẻ, triệt để và có khả năng thực hiện trên quy mô công nghiệp, có thể tiến hành
thuận lợi trong điều kiện tự nhiên, độ an toàn cao và thân thiện với môi trường. Do
vậy, trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu và

điều tra về phân bố, cấu trúc các tập đoàn vi sinh vật, khả năng phân hủy pyren của
các chủng đơn cũng như các tập đoàn vi sinh vật.
Trong phương pháp này, vi sinh vật đóng vai trò quyết định do có khả năng
xử lý các chất có trong nước thải. Vì vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài:
"Phân lập, tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy pyrene và khả
năng xử lý nước thải ở quy mô phòng thí nghiệm 5 lít".
Mục tiêu của đề tài
- Phân lập tuyển chọn định tên , và kiểm tra khả năng phân hủy pyrene của
chủng vi khuẩn được phân lập từ nguồn nước thải của khu công nghiệp Từ Liêm
- Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải của tập đoàn vi sinh vật được phân lập
từ nguồn nước thải của khu công nghiệp Từ Liêm ở quy mô 5 lít
Nội dung của đề tài:
- Phân lập, tuyển chọn một số chủng vi sinh vật trên môi trường chứa PAH.
- Nghiên cứu khả năng phân hủy pyrene của chủng vi khuẩn đại diện từ những
chủng vi khuẩn đã tuyển chọn được.
- Đánh giá ảnh hưởng pH, nhiệt độ lên sự sinh trưởng…
- Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải bởi các chủng vi khuẩn phân lập được
ở quy mô 5 lít phòng thí nghiệm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
Chƣơng 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Đặc điểm chung của PAH
1.1.1. Cấu trúc hóa học và một số đặc tính cơ bản của PAH
Các PAH có mặt khắp nơi trong môi trường, những hợp chất này có 2- 6 vòng
benzen kết hợp với nhau, khối lượng phân tử vào khoảng 128 - 278 g/mol. Cấu trúc
hóa học của một số loại PAH được thể hiện ở hình 1.1.

Hình 1.1: Cấu trúc hóa học của một số hydrocarbon thơm đa nhân (PAH)
PAH tinh khiết tồn tại ở thể rắn không màu, màu trắng hoặc màu vàng chanh ở
nhiệt độ phòng (15-35
0
C). Tuỳ thuộc vào kích thước và khối lượng phân tử mà các
PAH có những tính chất vật lí, hóa học khác nhau.
Tuy nhiên hầu hết các PAH đều ít tan trong nước, có áp suất hơi thấp nhưng
lại tan tốt trong chất béo và có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cao [57]. Khả năng
gây ô nhiễm môi trường tùy thuộc khả năng hòa tan của chúng trong môi trường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
nước [16]. Đặc điểm về khả năng hòa tan và áp suất hơi của PAH là nhân tố chính
ảnh hưởng đến khả năng phân tán của chúng trong khí quyển, thủy quyển và sinh
quyển. Số lượng vòng benzen trong cấu trúc hóa học của các PAH quyết định khả
năng hòa tan của các PAH trong nước. PAH giảm khả năng hòa tan trong nước hay
tăng tính kỵ nước khi số lượng vòng benzen tăng [59]. Khả năng hòa tan của các
PAH rất biến động, từ những chất khó hòa tan nhất là Benzo[g,h,i]perylene có chỉ
số hòa tan là 0,0003 mg/l cho đến chất dễ hòa tan nhất là naphthalen có chỉ số hòa
tan tới 31 mg/l. Nếu khả năng hòa tan trong nước của PAH thấp, hay hệ số hấp phụ
cao sẽ dẫn đến các PAH có xu hướng bị hấp phụ trong cặn bùn, đất đá và trầm tích,
do đó ảnh hưởng rất nhiều tới khả năng chúng bị phân hủy sinh học bởi vi sinh vật
[12]. Ngược lại, khả năng hòa tan trong nước của PAH cao thì khả năng bị phân hủy
bởi vi sinh vật cũng cao. Điều đó cho thấy khả năng hòa tan trong nước của các
PAH có ảnh hưởng đặc biệt quan trọng trong quá trình phân hủy sinh học PAH.
Tính chất vật lý của một số PAH được chỉ ra ở bảng 1.1.
Bảng 1.1: Tính chất vật lý của một số PAH [27]

Tên loại PAH
Số
vòng
Nhiệt
độ
nóng
chảy
(
0
C)
Nhiệt
độ
sôi
(
0
C)
Độ tan
trong
nƣớc
(mg/l)
LogKp
d

Áp suất
hơi ở
20
0
C
(torr)
Phenanthrene

3
101
340
1,29
4,45
6,8x10
-4

Anthracene
3
216
340
0,07
4,46
2,0x10
-4
Fluoranthene
4
111
250
0,26
5,33
6,0x10
-6

Benzo[a]anthracene
4
158
400
0,24

5,61
5,0x10
-9
Pyrene
4
149
360
0,14
5,32
6,8x10
-7
Chyrene
4
255
488
0,02
5,61
6,3x10
-7
Benzo[a]pyrene (BaP)
5
179
496
0,0038
6,04
5,0x10
-7
Dibenzo[a]anthracene
5
262

524
0,0005
5,97
1,0x10
-10
Benzo[g,h,i]perylene
6
222

0,0003
7,23
1,0x10
-10

Kp
d
=[octanol]/[nước]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
Trong các tính chất vật lý của PAH, hệ số Kp
d
phản ánh khả năng hấp phụ
lên bề mặt vật liệu rắn. Nếu hệ số Kp
d
cao, các PAH có xu hướng tăng khả năng
hấp phụ lên bề mặt các vật liệu rắn, đồng nghĩa với sự giảm khả năng phân hủy
sinh học.
Áp suất hơi và nhiệt độ sôi cũng có vai trò quan trọng trong quá trình xử lý

loại bỏ PAH khỏi các địa điểm ô nhiễm, nó ảnh hưởng đến khả năng hóa hơi của
mỗi PAH, mà sự bay hơi cũng là một con đường để loại bỏ PAH khỏi nguồn ô
nhiễm. Khi áp suất hơi tăng, khả năng bay hơi cũng tăng. Khả năng bay hơi cũng
phụ thuộc vào kích thước và khối lượng phân tử. Từ cấu trúc phân tử PAH ở trên và
bảng 1.1 ta thấy, naphthalene có kích thước nhỏ nhất nên có khả năng bay hơi đến
89%, trong khi đó benzo[a]pyrene là hợp chất có kích thước lớn, chỉ có khả năng
bay hơi 1%. Phenanthrene là đồng phân của anthracene có độ bay hơi thấp hơn do
cấu trúc phân tử chứa các vòng thơm không thẳng hàng như trong cấu trúc của
anthracene [27].
Ngoài ra, PAH có thể bị quang phân khi tiếp xúc với tia tử ngoại từ bức xạ mặt
trời. Trong không khí PAH còn có thể phản ứng với nhiều chất tồn tại trong khí
quyển: O
3,
NO
x
, SO
2
để tạo thành dione, mononitro và dinitro PAH và H
2
SO
4
, là
các chất có khả năng gây ô nhiễm và hủy hoại môi trường sống mạnh [27].
1.1.2. Tính độc và ảnh hưởng của PAH tới con người và môi trường
Tính độc của PAH đã được người ta biết đến từ những năm 30 của thế kỷ XX
khi Hieger và Cook cùng những cộng sự khác nghiên cứu và thấy tinh thể
benzo[a]pyrene màu vàng gây khối u ở động vật thí nghiệm [24. Một số nghiên cứu
trên chuột cũng đã chứng minh rằng sự tiêu hóa benzo[a]pyrene ở nồng độ cao
trong suốt quá trình mang thai của chuột sẽ dẫn đến việc sảy thai hoặc làm giảm cân
chuột con khi mới sinh ra, ngoài ra nếu bị phơi nhiễm PAH trong thời gian dài

chuột dễ bị các bệnh như: ung thư phổi qua đường hô hấp, ung thư dạ dày từ việc
tiêu hóa thức ăn có PAH và ung thư da do tiếp xúc trực tiếp với PAH qua da. Với
con người, PAH có thể là tác nhân gây đột biến và dẫn đến ung thư [13, 16, 27].
Một vài nghiên cứu trên đối tượng động, thực vật cho thấy, động vật nếu tiếp xúc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
với naphthalene ở nồng độ cao thì chỉ trong thời gian ngắn cũng có thể gây mờ mắt,
gây độc ở mức độ vừa phải. Hiệu ứng mạnh hơn, naphthalene có thể gây chậm phát
triển, thậm chí gây chết với động thực vật. Nghiên cứu ngưỡng độc của naphthalene
đối với loài cá vược, người ta đã xác định LD
50
là 240 g/l (LD
50
là liều gây chết
50% mẫu sinh vật thí nghiệm). Bằng việc thử nghiệm với một nhóm chuột cho sử
dụng anthracene với lượng 1,8 µg/l, người ta thấy rằng, sau 2 tuần gây nhiễm, tỷ lệ
chuột xuất hiện khối u là 40% [27].
Trong thực tế, các nhà khoa học cũng đã tiến hành nhiều nghiên cứu để xác
định khả năng gây ảnh hưởng của PAH đến sức khỏe con người. Người ta đã tiến
hành điều tra những người công nhân sống ở những nơi bị ô nhiễm PAH trong thời
gian dài và nhận thấy rằng những người này có nguy cơ bị mắc các như bệnh ung
thư da, ung thư phổi và ung thư dạ dày cao hơn những người bình thường. Tuy hiện
nay vẫn chưa có nghiên cứu nào cho thấy rằng PAH có thể giết chết con người sau
khi xâm nhập vào cơ thể nhưng những tác động của chúng đến cơ thể con người là
khá rõ ràng. Anthracene và naphthalene có thể gây dị ứng, viêm, sưng tấy da khi
tiếp xúc trong thời gian ngắn. Phenanthrene được biết như chất cảm quang với da
người, chất gây dị ứng với động vật, đột biến tới hệ thống vi khuẩn trong các điều
kiện đặc biệt. Chất này gây yếu các nhiễm sắc thể tương đồng và kìm hãm sự nối

liền các kẽ hở gian bào. Các PAH khác như acenaphthalene, fluoranthene, fluorene
đều gây độc cho động và thực vật. Độc tính của benzo[a]pyrene, benzo[a]anthracene,
benzo[b]fluoranthrene, benzo[k]fluoranthrene, dibenzen [a,h]anthracene và
indenol[1,2,3-c,d]pyrene đã được nghiên cứu chứng minh gây ung thư cho người.
Trong tự nhiên hiếm khi bắt gặp các PAH đơn lẻ mà chỉ gặp chúng ở dạng hỗn hợp
nhiều PAH, điều này càng làm cho độc tính của chúng càng được tăng cường [ 56].
Khi xâm nhập vào cơ thể, PAH nhanh chóng xâm nhập và tích tụ trong các mô
mỡ và tiếp tục di chuyển đến những cơ quan khác. Tùy từng loại PAH với liều
lượng và thời gian tác động mà mức độ ảnh hưởng đến cơ thể khác nhau. Chẳng
hạn, với naphthalene, nếu tiếp xúc trong thời gian ngắn, nồng độ thấp, nó có thể gây
dị ứng, viêm tấy da, mắt. Khi xâm nhập vào hệ tiêu hóa, naphthalene sẽ gây bệnh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
thiếu máu do chúng phá vỡ các tế bào hồng cầu. Nếu tiếp xúc với naphthalene trong
thời gian dài với nồng độ lớn hơn 10 ppm sẽ dẫn tới các bệnh kinh niên, gây ung
thư da phổi và có thể làm giảm khả năng thụ thai ở phụ nữ và có thể làm nguy hiểm
tới sự phát triển của thai nhi [27].
Tính độc của PAH không những phụ thuộc vào nồng độ, cấu trúc hóa học, độ
phân cực của các nguyên tố mang điện tích trong phân tử mà còn phụ thuộc vào
những yếu tố môi trường như: ánh sáng, nhiệt độ… Tuy hiện nay các nghiên cứu để
chứng minh tính độc của mỗi loại PAH đơn lẻ là không nhiều nhưng người ta cũng
đã xác định được 8 loại PAH có khả năng gây ung thư trên cơ thể người đó là:
benzo[a]anthracene, chrysen, benzo[b]fluoranthene, benzo[k]fluoranthene, BaP,
indeno[1,2,3-cd]pyren, dibenzo[ah]anthrancene và benzo[ghi]perylene [57]. Ở một
số vùng bờ biển bị ô nhiễm bởi các hợp chất PAH thì một số loài cá và các sinh vật
sống dưới nước khác sẽ tích tụ một lượng PAH nhất định từ đó có thể đe dọa tới sức
khoẻ con người thông qua việc tiêu dùng đồ biển. Do tính độc hại như vậy, Cục Bảo
vệ môi trường Mỹ (USEPA) đã liệt PAH vào danh sách những chất ô nhiễm điển

hình và tiến hành kiểm định sự có mặt của chúng trong hệ sinh thái dưới nước cũng
như trên cạn [16, 56]. Cơ quan này cũng đã đưa ra mức nồng độ an toàn của PAH
trong quá trình tiếp xúc để tránh gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người để chúng ta
tham khảo, theo đó không nên tiếp xúc với một số loại PAH có nồng độ cao hơn các
mức sau: 0.3 mg anthracene/kg cơ thể người, 0.06 mg acenaphthene/kg cơ thể
người, 0.04 mg fluoranthene/kg cơ thể người và 0.03 mg pyrene/kg cơ thể người.
1.2. Nguồn gốc phát sinh PAH
Có nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn đến sự phát sinh PAH tuy nhiên chúng
đều bắt nguồn từ quá trình đốt cháy các vật liệu hữu cơ trong tự nhiên hay trong các
hoạt động sản xuất của con người. Trong tự nhiên, sự phát sinh PAH là từ các quá
trình địa chất tự nhiên như: sự phun trào núi lửa, hóa lỏng khí than, cháy rừng, cháy
đồng cỏ… nhưng phần lớn lượng PAH tồn tại trong môi trường hiện nay đều bắt
nguồn từ các hoạt động sản xuất của con người. PAH được hình thành từ quá trình
khai thác than và dầu mỏ, sự đốt cháy các khí thiên nhiên, xử lý phế thải, từ khí thải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
của các phương tiện giao thông, từ quá trình chế biến thức ăn hay trong khói thuốc
lá…[46]. Như vậy, PAH có thể được hình thành từ nhiều quá trình khác nhau tuy
nhiên chúng ta có thể tóm tắt những nguồn phát sinh chính như sau:
- Các quá trình sản xuất công nghiệp: các công đoạn đúc sắt, thép, sản xuất
nhôm, sản xuất than chì, quá trình bẻ gãy các liên kết hữu cơ trong sản xuất dầu thô.
- Các thiết bị đốt nóng trong công nghiệp, các thiết bị sưởi, tháp chưng cất, các
lò đốt và lò luyện kim.
- Các động cơ chạy bằng dầu diezen và các loại khí đốt khác.
- Các hoạt động sinh hoạt thường ngày của con người: chế biến thức ăn, sưởi
ấm, hút thuốc lá…
- Các lò thiêu đốt rác: rác thải y tế, rác thải sinh hoạt và một số phế thải trong
công nghiệp.

Tại các nước công nghiệp phát triển, các hoạt động có liên quan đến đốt cháy
tạo ra một lượng lớn PAH. Các PAH này được tích tụ lại trong đất và làm tăng nồng
độ PAH nhanh chóng trong vòng 100 -150 năm trở lại đây [27].
Có tới hàng trăm loại PAH khác nhau nhưng được biết đến nhiều nhất là
benzo[a]pyrene. Năm 1981, ở CHLB Đức sự phát tán BaP vào không khí được ước
lượng là khoảng 18 triệu tấn trong đó có khoảng: 30% từ hoạt động sản xuất than,
56% từ quá trình đốt cháy bằng than, 13% từ khí thải của các phương tiện giao
thông và khoảng 5% là do sự đốt cháy các nhiên liệu khác [57]. Hiện nay sự phát
tán BaP vào không khí không chỉ do các nguyên nhân trên mà còn có sự đóng góp
của một số nguồn phát sinh quan trọng khác: sự đốt cháy các nguyên, nhiên vật
liệu trong đời sống sinh hoạt của con người, quá trình đốt cháy các loại phế thải và
rác thải, quá trình cracking dầu mỏ… Như vậy, bằng cách trực tiếp hay gián tiếp
con người đã làm phát sinh PAH vào môi trường và chính những nguyên nhân này
đã và đang làm cho lượng PAH phát tán vào môi trường ngày càng nhiều, dẫn tới
những nguy cơ nghiêm trọng làm ảnh hưởng đến sức khoẻ và môi trường sống của
con người.
Tuy nhiên, bên cạnh những tính độc của PAH kể trên thì một số loại PAH có
ứng dụng lớn trong các ngành công nghiệp như trong công nghiệp dược, nhuộm,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
sản xuất đồ nhựa, thuốc tẩy rửa và thuốc trừ sâu [27]. Ở New York (Mỹ), hỗn hợp
phenanthrene và anthracene được sử dụng để chống rỉ cho những thiết bị trữ nước
[27]. Benzo[a]pyrene được sử dụng để hạn chế muội và khói, trong công nghệ quét
hắc ín, hay còn sử dụng để liên kết các phần tích điện lại với nhau. Người ta cũng
có thể tìm thấy trong hợp chất creosote, một chất hóa học được sử dụng làm chất
bảo quản gỗ (PAH chiếm đến 85% khối lượng của creosote) [15]. BaP cũng được
sử dụng là tác nhân gây đột biến lên động vật thí nghiệm, để kiểm tra đặc tính gây
ung thư của nó trong thời gian ngắn. Đặc biệt, phenanthrene còn được ứng dụng

trong công nghiệp dược để sản xuất thuốc ngủ [27].
1.3. Tình trạng ô nhiễm PAH và các biện pháp xử lý
1.3.1. Tình trạng ô nhiễm PAH
Trong môi trường nước, người ta ước tính có khoảng 2,3.10
5
tấn PAH xâm
nhập vào hệ sinh thái nước mỗi năm. Đặc biệt với hệ sinh thái biển, tình trạng ô
nhiễm PAH thực sự đáng báo động. Nguồn phát sinh PAH chủ yếu ở đây là từ phế
thải của công nghiệp hóa dầu, công nghiệp khai thác và vận chuyển dầu mỏ, nước
thải công nghiệp và sinh hoạt… Không chỉ tồn tại trong môi trường nước tự nhiên
PAH còn được tìm thấy trong nhiều mẫu nước uống. Người ta đã tiến hành kiểm tra
1 số lượng nước khoáng nhất định và xác định được 6 loại PAH có trong đó:
flouranthene, benzo[b]flouranthene, benzo[k]fluoranthene, BaP, benzo[ghi]perylene
và indeno [1,2,3- cd] pyrene. Trong đó 90% mẫu nước kiểm tra có nồng độ 6 loại
PAH trên từ 0,001-0,01μg/l, 1% mẫu nước có nồng độ trung bình lớn hơn 0,11μg/l
và nồng độ BaP trong đó là khoảng 0,002-0,024μg/l [27].
Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy sự có mặt của PAH trong các mẫu trầm tích
với nồng độ cao. Ở vịnh Boston (Mỹ) nồng độ PAH lên tới 100.000 ng/g. PAH tích
lũy nhiều như vậy là do chúng có khả năng hòa tan kém trong nước nên bị hấp phụ
với số lượng lớn vào trong các lớp đá trầm tích [27].
Trong không khí cũng chứa một lượng đáng kể PAH. Có khoảng hơn 500 loại
PAH và các hợp chất có liên quan đã được phát hiện tuy nhiên lượng lớn nhất phải
kể đến BaP. Vào những năm 70 của thế kỷ trước, ở Mỹ nồng độ BaP trung bình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
hàng năm là 1-5 ng/m
3
còn ở một số thành phố của châu Âu nồng độ BaP là 100

ng/m
3
[57]. Trong khoảng 30 năm trở lại đây nồng độ BaP về cơ bản đã giảm
nhưng vẫn còn ở mức cao. Ở Copenhagen (Đan Mạch) là 4 ng/m
3
, ở Trung Quốc là
14,7 μg/m
3
, và ở Ấn Độ là 4 μg/m
3
[57].
Trong khí quyển nồng độ PAH thay đổi tuỳ thuộc vào từng khu vực, ở nông
thôn hàm lượng PAH là 0,02-1,2 ng/m
3
trong khi đó ở các đô thị hàm lượng này là
0,15-19,5 ng/m
3
. Hàm lượng PAH ở các đô thị cao như vậy là do sự tập trung của
các khu công nghiệp, các phương tiện giao thông, vận tải và dân cư đông đúc [57].
PAH cũng được tìm thấy trong lớp đất bề mặt. Nồng độ đặc trưng của PAH
trong đất rừng là 5-100 μg/kg, trong đất nông nghiệp là 10-100 μg/kg và trong đất
đai ở các đô thị là 600-3000 μg/kg hay thậm chí có thể cao hơn rất nhiều ở những
vùng sản xuất công nghiệp và giao thông đông đúc [51].
Ngoài ra người ta còn tìm thấy PAH trong hầu hết các sản phẩm thịt, cá, rau
và hoa quả. Tùy thuộc vào phương thức chế biến, dự trữ và bảo quản mà hàm lượng
PAH trong mỗi loại thực phẩm là khác nhau tuy nhiên hàm lượng PAH được tìm
thấy cao nhất là trong nhóm sản phẩm “đường và đồ ngọt” trong đó nồng độ
chrysen lên tới 36 μg/kg [57].
Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ được tiến hành ở Bắc Mỹ
thì trung bình một ngày con người lấy vào 3,12 mg PAH trong đó 96,2% là từ thực

phẩm, 1,6% từ không khí, 0,2% từ nước và 0,4% từ đất [57].
Tại Việt Nam, ô nhiễm nước thải từ các khu công nghiệp đã trở nên phổ biến.
Hiện nay, tỷ lệ các khu công nghiệp đã đi vào hoạt động có trạm xử lý nước thải tập
trung chỉ chiếm khoảng 43%, rất nhiều khu công nghiệp đã đi vào hoạt động mà
hoàn toàn chưa triển khai xây dựng hạng mục này. Nhiều khu công nghiệp đã có hệ
thống xử lý nước thải tập trung nhưng tỷ lệ đấu nối của các doanh nghiệp trong khu
công nghiệp còn thấp. Nhiều nơi doanh nghiệp xây dựng hệ thống xử lý nước thải
cục bộ nhưng không vận hành hoặc vận hành không hiệu quả [2]. Theo báo cáo của
của Bộ tài nguyên Môi trường (2009), khoảng 70% trong số hơn 1 triệu m
3
nước
thải/ngày từ các khu công nghiệp được xả thẳng ra các nguồn tiếp cận không qua xử

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
lý đã gây ra ô nhiễm môi trường nước mặt. Chất lượng nước mặt tại những vùng
chịu tác động của nguồn thải từ các khu công nghiệp đã suy thoái, đặc biệt tại lưu
vực sông: Đồng Nai, Cầu và Nhuệ-Đáy [2].
Các khu công nghiệp với sự đa dạng của các nhà máy (sản xuất sơn, cơ khí,
thép, thực phẩm, in…) có thể thải ra PAH trong quá trình hoạt động sản xuất. Tuy
hiện nay vẫn chưa có công bố chính thức về sự có mặt của PAH trong nước thải khu
công nghiệp ở Việt Nam nhưng khả năng ô nhiễm nghiêm trọng khá rõ ràng.
1.3.2. Các biện pháp xử lý tẩy độc PAH
Việc làm thay đổi cấu trúc hóa học của chất độc nhằm tạo ra các sản phẩm ít
độc hoặc không độc cho môi trường và con người đang là một thách thức đối với
các nhà khoa học và công nghệ. Để giảm độc tính của các chất này, người ta hay
phá vỡ cấu trúc phân tử của chúng bằng cách sử dụng enzyme cắt vòng. Đến nay,
trên thế giới, người ta đã đưa ra một số phương pháp tiêu độc như: cô lập, chôn lấp,
xử lý hóa học, đốt ở nhiệt độ cao, lý học, sinh học…

* Phương pháp vật lý
Trong cấu tạo hóa học của PAH, do có cấu trúc vòng thơm, PAH tương đối
khó phân hủy trong tự nhiên. Phương pháp chôn lấp hay được áp dụng đối với nhiều
chất thải, rác thải, kể cả các chất thải nguy hại trong đó có chất độc hóa học. Ưu
điểm của phương pháp này là không tốn kém nhưng nhược điểm là các chất độc vẫn
nằm trong đất chứ không được phân hủy, các chất độc hóa học này sẽ là nguồn tiềm
tàng gây ô nhiễm cho môi trường.
Công nghệ thiêu đốt cũng đã được sử dụng trên thế giới, phương pháp xử lý
này tương đối triệt để song giá thành lại cao và có khả năng gây ô nhiễm thứ cấp
bởi các sản phẩm phụ tạo trong quá trình vận hành.
* Phương pháp hóa lý
Các phương pháp hóa học như oxy hóa, phương pháp vật lý như quang hóa, sử
dụng tia bức xạ, tia cực tím, hay áp suất cao cũng mang lại hiệu quả nhất định. Theo
Draper và cộng sự (1987), xử lý bằng phương pháp quang hóa, 80% chất độc bị
phân hủy dưới tác động của chùm tia cực tím cường độ 20 W/cm
3
ở nhiệt độ 20
o
C

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
trong thời gian 3 ngày [19]. Tuy nhiên, những phương pháp trên có nhược điểm là
không có tác dụng với lớp đất có độ sâu dưới vài milimet, do đó chỉ xử lý được lớp
đất rất mỏng trên bề mặt [50].
Mặc dù làm sạch PAH có thể được tiến hành bằng biện pháp hóa lý đã nêu ở
trên, nhưng các phương pháp này có nhược điểm là gây ô nhiễm thứ cấp nên không
an toàn và không xử lý triệt để. Mặt khác, giá thành của việc sử dụng các phương
pháp đó lại cao nên xu hướng sử dụng chúng ngày càng giảm.

* Phương pháp phân hủy sinh học
Hiện nay, phương pháp sinh học đang bắt đầu được quan tâm bởi tính an toàn
và hiệu quả không những về mặt công nghệ mà còn về kinh tế. Chìa khóa của công
nghệ phân hủy sinh học là thúc đẩy tập đoàn vi sinh vật bản địa tham gia vào quá
trình phân hủy ở mức cao nhất. Các nghiên cứu cơ bản đều nhằm mục đích thúc đẩy
hiệu quả quá trình tẩy độc thông qua việc kích thích tập đoàn vi sinh vật trong các
điều kiện phân hủy khác nhau tạo ra kết quả cuối cùng là các sản phẩm ít độc hoặc
hoàn toàn không độc. Chính vì vậy, công nghệ phân hủy sinh học đã trở thành công
nghệ thân thiện với môi trường.
Phương pháp phân hủy sinh học đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên
cứu và áp dụng trong những năm gần đây và cũng đã đạt được khá nhiều thành tựu.
Công nghệ sinh học đảm bảo an toàn cho môi trường hơn tất cả các công nghệ khác.
Đặc biệt, trong điều kiện sinh thái đa hệ, việc áp dụng công nghệ phân hủy sinh học
PAH nói riêng và các nguồn chất độc nói chung sẽ mang lại hiệu quả kinh tế xã hội
cao nhất [61], [64].
Quá trình làm sạch sinh học có thể thực hiện ở quy mô lớn nhỏ khác nhau và ở
điều kiện hiếu khí hoặc kị khí. Việc tẩy độc bằng phân hủy sinh học có thể được
tiến hành riêng rẽ hoặc kết hợp với các phương pháp khác, sau vài tháng hoặc vài
năm các chất ô nhiễm có thể được hoàn toàn loại bỏ. Phương pháp phân hủy sinh
học không đòi hỏi các điều kiện phức tạp (nhiệt độ cao, áp suất lớn, quá trình xúc
tác…) không gây ra ô nhiễm thứ cấp, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, do đó
rất phù hợp với điều kiện ở nước ta. Tuy nhiên, phương pháp sinh học thường diễn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
ra với tốc độ chậm, thời gian xử lý kéo dài. Đây chính là một nhược điểm cơ bản
của nó, đòi hỏi có lời giải đáp từ phía các nhà khoa học.
Xử lý chất ô nhiễm theo phương pháp sinh học có thể được tiến hành theo hai
hướng chính: tăng cường sinh học và kích thích sinh học.

- Tăng cƣờng sinh học: là phương pháp sử dụng tập đoàn vi sinh vật bản địa đã
được làm giàu hoặc vi sinh vật sử dụng các chất độc từ nơi khác, thậm chí vi sinh vật
đã được cải biến về mặt di truyền bổ sung vào các môi trường bị ô nhiễm. Tuy nhiên,
vẫn còn có những khó khăn trong việc bổ sung vi sinh vật vào các nơi bị ô nhiễm do
chi phí lớn; hiệu quả phân hủy nhiều khi không cao do nhiều nguyên nhân (sự cạnh
tranh của vi sinh vật, độ độc của môi trường; sự thiếu hụt nguồn dinh dưỡng, các chất
đa lượng và vi lượng cần thiết cho hoạt động phân hủy của vi sinh vật) [37].
- Kích thích sinh học: là quá trình thúc đẩy sự phát triển, hoạt động trao đổi
chất của tập đoàn vi sinh vật bản địa có khả năng sử dụng các chất độc hại thông
qua việc điều chỉnh các yếu tố môi trường như độ pH, độ ẩm, nồng độ O
2
, chất dinh
dưỡng, các cơ chất, các chất xúc tác…
Kích thích sinh học hiện là khuynh hướng được sử dụng rộng rãi trong xử lý ô
nhiễm theo phương pháp phân hủy sinh học [37]. Trong hoạt động sống, vi sinh vật
cần nguyên tố N, P, một số chất dinh dưỡng khác và các điều kiện sống thích hợp.
Từ nguồn ô nhiễm, người ta có thể phân lập những chủng vi sinh vật có khả năng
sử dụng PAH, nghiên cứu các đặc tính sinh lý, sinh hóa của chúng để từ đó tìm ra
điều kiện sống tối ưu của chúng từ đó ứng dụng cho việc kích thích hoạt động
sống của tập đoàn vi sinh vật bản địa trong việc phân hủy sinh học PAH tại vùng ô
nhiễm. Để tăng cường quá trình phân hủy sinh học, việc bổ sung các nguồn dinh
dưỡng như nguồn carbon, nito, phosphor theo phải theo tỷ lệ nhất định là C:N:P =
100:5:1. Ngoài ra, các yếu tố môi trường cũng cần điều chỉnh thích hợp, đảm bảo
cho tốc độ phân hủy ở mức ổn định và đạt hiệu quả cao nhất.
Đôi khi người ta cũng kết hợp cả hai biện pháp vừa bổ sung các chủng vi sinh
vật nuôi cấy có khả năng phân hủy chất ô nhiễm, đồng thời bổ sung các nguồn dinh
dưỡng để tạo điều kiện tối ưu cho tập đoàn vi sinh vật bản địa hoạt động tốt nhất.
Như vậy, hoạt động của tập đoàn vi sinh vật bản địa cùng với hoạt động của vi sinh
vật ngoại lai sẽ tăng cường hiệu quả của quá trình xử lý [37].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
Quá trình làm sạch sinh học có thể thực hiện với các quy mô khác nhau và ở
điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí. Việc tẩy độc bằng phân hủy sinh học có thể tiến
hành riêng rẽ hoặc kết hợp với các phương pháp xử lý cơ học, hóa lý để tăng cường
hiệu quả xử lý của quá trình. Sau khoảng thời gian nhất định (vài tháng hoặc vài
năm), các chất ô nhiễm có thể được loại bỏ hoàn toàn [20, 28, 39].
Hiện nay trên thế giới phân hủy sinh học đã được các nhà khoa học nghiên
cứu và áp dụng khá rộng rãi. Tại Việt Nam, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ
sinh học đã tiến hành nghiên cứu và phân lập thành công một số chủng vi sinh vật
có khả năng phân hủy sinh học PAH cũng như phân bố của các tập đoàn vi sinh vật
tại các vùng sinh thái khác nhau [3, 6, 8].
1.4. Phân hủy sinh học các PAH bởi vi sinh vật
1.4.1. Vi sinh vật phân hủy PAH
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu về khả năng của vi sinh vật sử dụng các PAH
có trọng lượng phân tử thấp như naphthalene, phenanthrene và anthracene. Tuy
nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu về tiềm năng phân hủy các PAH có trọng lượng
phân tử cao như chrysene và benzo[a]pyrene [16].
Vi sinh vật phân hủy PAH phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Số lượng các vi
sinh vật có khả năng phân hủy PAH tại các vùng ô nhiễm nhiều hơn so với các vùng
không ô nhiễm. Các loài vi sinh vật trong vùng ô nhiễm có xu hướng thích nghi,
bằng cách thay đổi cấu trúc di truyền để hướng đến việc phân hủy PAH. Vi khuẩn
có vai trò quan trọng trong tham gia phân hủy sinh học PAH trong nước và trầm
tích, trong khi đó, nấm sợi và xạ khuẩn đóng vai trò quan trọng phân hủy PAH và
các chất ô nhiễm trong môi trường đất [22].
Thống kê ở bảng 1.2 cho thấy, vi sinh vật phân hủy PAH thuộc nhiều nhóm vi
sinh vật khác nhau [4, 8, 13, 14, 22, 36, 62, 63, 64, 65]. Các vi sinh vật có khả năng
chuyển hóa PAH phần lớn thuộc vi khuẩn, vi khuẩn lam và một số vi nấm [13, 14,
17, 35, 61, 62].

Trong một báo cáo tổng quan gần đây về các phân hủy sinh học PAH của
Johnsen (2005) cho thấy các chủng vi khuẩn thuộc chi Sphingomonas, Burkholderia,
Pseudomonas và Mycobacteria là các chủng vi khuẩn chiếm ưu thế [26,34].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
Đa số các vi sinh vật phân lập được đều có nguồn gốc từ các địa điểm ô nhiễm
[39]. Tuy nhiên, với mỗi loại vi sinh vật khác nhau thì khả năng phân hủy PAH ở các
vùng ô nhiễm là khác nhau. Cụ thể, vi khuẩn là nhóm vi sinh vật có vai trò quan trọng
trong quá trình phân hủy PAH trong nước, đất và trầm tích, nấm sợi có khả năng phân
hủy với tốc độ cao các PAH trên bề mặt trong khi nấm men, vi khuẩn lam và vi tảo lại
hoạt động phân hủy trong môi trường đất với tốc độ không cao [20].
Bảng 1.2: Một số chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy PAH
Vi khuẩn
Vi khuẩn lam
Vi nấm
Achromobacter
Acinetobacter sp.
Aeromonas sp.
Alcaligenes denitrificans
Arthobacter sp.
Bacillus cereus
Beijerinckia sp.
Brevibacterium
Clostridium
Corinebacterium renale
Cycloclasticus
Escheriachia
Flavobacterium sp.

Micrococcus sp.
Mycobacterium sp.
Staphylococcus auriculans
Pseudomonas stuzeri
Rhodococcus sp.
Sphingomonas. sp
Staphylococcus auriculans
Agmenellum
quadruplicatum
Anabena sp. CA
Amphora sp.
Aphanocapsa sp.
Chlorella autotrophica
Chlamydomonas
angulosa
Coccochloris elabens
Cylindrotheca sp.
Dunaliella tertiolecta
Microcoleus
chthonoplastes
Navicula sp.
Nostoc sp.
Phorphyridium
Scapricomutum
Synedar sp.

Aspergillus sp. FVX5
Basidiobolus ranarum
Bjerkandera adusta
Candida maltosa

Chrysosporium
pannorum
Claviceps paspali
Gliocladium sp.
Helicostylum catenoides
Linderina pennispora
Mucor hiemalis
Penicillium
Chrysogenum
Phycomyces
Blakesleeanus
Ramaria sp.
Rhizopus stononife
Sordaria fimicola
Trichoderma viride


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
1.4.2. Cơ chế phân hủy PAH bởi vi sinh vật
Phân hủy sinh học các PAH có thể diễn ra theo hai cơ chế trao đổi chất và
đồng trao đổi chất. Quá trình chuyển hóa PAH bởi vi sinh vật có thể phân hủy thành
các dạng không độc hoặc chuyển hóa hoàn toàn thành CO
2
. Cerniglia cho rằng quá
trình phân hủy PAH có thể theo ba chiều hướng: phân hủy hoàn toàn, đồng phân
hủy và oxi hóa không đặc hiệu [16].
Suntherland (1995) cũng đưa ra sơ đồ tương tự về các con đường phân hủy
PAH bởi vi khuẩn và nấm (Hình 1.2) [30,52]. Các con đường phân hủy PAH có thể

được tóm tắt như sau:
- Chuyển hóa PAH đến cis-dihydrodiol, phenol và các sản phẩm cắt vòng bởi
vi khuẩn và vi khuẩn lam
- Chuyển hóa PAH đến phenol bởi vi khuẩn nhóm methylotrophic
- Chuyển hóa PAH đến trans-dihydrodiol bởi vi nấm, vi khuẩn và vi khuẩn lam
- Chuyển hóa PAH đến quinon bởi nấm mục trắng (white-rot fungi)

Hình 1.2: Các con đƣờng phân hủy hiếu khí PAH chính của vi khuẩn và nấm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
Hiện nay người ta đã biết đến các enzyme cytochrome P450 monooxygenase
được sinh ra bởi một loài vi nấm, vi khuẩn và vi khuẩn lam. Các enzyme này tham
gia chuyển hóa PAH đến dạng aren oxit, sau đó dạng hợp chất trung gian này được
hydrat hóa bởi enzyme epoxyt hydrolase đến dạng trans-dihydrodiols hoặc được tái
sắp xếp không có sự tham gia của enzyme tạo thành dạng phenol. Trong trường hợp
các vi sinh vật chỉ có thể thực hiện theo cách chuyển hóa này, thì chúng sẽ không sử
dụng PAH như nguồn cacbon mà chỉ có thể loại bỏ tính độc của PAH [16,52].
Chuyển hóa PAH đến quinon bởi nấm trắng (white- rot fungi): Một số nấm
trắng phân hủy lignin và cellulose (có trong gỗ) sẽ chuyển hóa PAH đến quinon và
các chất khác mà không qua cis-dihydrodiol hoặc trans-dihydrodiol, trong một số
trường hợp quá trình chuyển hóa này có sự tham gia của lignin peroxydase [16,52].
Nhiều nghiên cứu cho thấy, trong vi khuẩn, các gene mã hóa các enzyme tham
gia vào quá trình chuyển hóa PAH có thể nằm trên plasmid hoặc chromosome [23].
Trong hai thập kỷ vừa qua, một nhóm các gene bảo thủ cao dị hóa PAH (các gene
giống nah) từ các loài Pseudomonas đã được điều tra đầy đủ bao gồm cả quan hệ
chức năng, cấu trúc và tiến hóa của các gene này. Tuy nhiên, gần đây các gene dị
hóa PAH mà có sự khác nhau về tiến hóa đối với gene giống nah đã được nghiên
cứu ở các vi khuẩn Gram âm khác và cả vi khuẩn Gram dương [23].

Theo Wikstrom (1996), bước đầu tiên của phân hủy sinh học hiếu khí PAH
phụ thuộc có sự tham gia của hệ enzyme đa thành phần xúc tác sự hydroxyl hóa các
hợp chất PAH và tạo ra dạng cis-dihydrodiol [58]. Một số tác giả khác cho rằng, các
con đường phân hủy hydrocarbon thơm trong điều kiện hiếu khí đều xảy ra qua các
bước cắt vòng thơm, loại vòng theo con đường ở phần trên cùng (upper pathway) và
tạo thành catechol [43,47,58]. Tiếp theo, quá trình cắt vòng của catechol bởi
enzyme dioxygenase có thể xảy ra tại các vị trí meta và ortho. Cắt vòng catechol ở
vị trí ortho được thực hiện bởi enzyme catechol 1,2-dioxygenase để tạo ra cis, cis-
muconic acid, chất này sau đó được phân hủy theo con đường β-ketoadipate [32].