Nghiên cứu và ứng dụng vi khuẩn sử dụng hydrocarbon trong xử lý ô nhiễm dầu ven biển

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

VƯƠNG THỊ NGA

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VI KHUẨN
SỬ DỤNG HYDROCARBON TRONG
XỬ LÝ Ô NHIỄM DẦU VEN BIỂN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

HÀ NỘI, 2016


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Vương Thị Nga

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VI KHUẨN
SỬ DỤNG HYDROCARBON
TRONG XỬ LÝ Ô NHIỄM DẦU VEN BIỂN

Chuyên ngành: Vi sinh vật
Mã số: 62 42 01 07

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
2. PGS. TS. Trần Đình Mấn

Viện Công nghệ sinh học


i

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS. TS. NCVCC Lại
Thúy Hiền, phòng Vi sinh vật dầu mỏ, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn Lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi rất tận tình, cặn kẽ
trong chuyên môn và dìu dắt, bảo ban tôi từ những bước đi nhỏ nhất trong cuộc sống.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. NCVC Trần Đình Mấn,
nguyên Viện phó Viện Công nghệ sinh học, phòng Vật liệu sinh học, là đồng hướng
dẫn trong nghiên cứu của tôi, đã chỉ bảo cặn kẽ và bổ sung những kiến thức quý báu,
giúp tôi hoàn thành tốt luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Kiều Thị Quỳnh Hoa và các anh chị,
các bạn đồng nghiệp phòng Vi sinh vật dầu mỏ, Viện Công nghệ sinh học, một tập
thể vững mạnh, đoàn kết mà tôi vô cùng yêu quý. Các anh chị, các bạn đã cùng phối
hợp chặt chẽ, giúp đỡ tận tình, chia sẻ với tôi những niềm vui, nỗi buồn, cùng vượt
qua khó khăn, giúp tôi hoàn thành tốt luận án.
Tôi vô cùng biết ơn những người thân trong gia đình, đặc biệt là người bạn
đời, đã mang đến cho tôi nhiều niềm vui, hạnh phúc, luôn bên tôi để động viên, quan
tâm, giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn nhất.
Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Viện Công nghệ sinh học
và ThS. Bùi Thị Hải Hà đã giúp đỡ, hợp tác và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi
hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày

tháng

Tác giả

Vương Thị Nga

năm 2015


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:
Đây là công trình nghiên cứu của tôi và một số kết quả cùng cộng tác với các
cộng sự khác;
Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã được
công bố trên các Tạp chí Khoa học chuyên ngành với sự đồng ý và cho phép của các
đồng tác giả;
Phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày

tháng
Tác giả

năm 2015


iii

MỤC LỤC
Lời cảm ơn................................................................................................................... i

Lời cam đoan ............................................................................................................... ii
Mục lục ........................................................................................................................ iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .......................................................................vii
Danh mục các bảng .................................................................................................. viii
Danh mục các hình ...................................................................................................... x
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................... 3
1.1. Tình hình ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ trên thế giới và ở Việt Nam ......... 3
1.1.1. Tình hình ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ trên thế giới .................................. 3
1.1.2. Tình hình ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ ở Việt Nam ................................... 4
1.2. Một số đặc điểm, tính chất của dầu mỏ............................................................ 7
1.2.1. Thành phần hóa học của dầu mỏ .................................................................. 7
1.2.2. Các tính chất vật lý quan trọng của dầu mỏ..................................................10
1.3. Quá trình phân hủy hydrocarbon dầu mỏ nhờ vi sinh vật ............................11
1.3.1. Quá trình oxy hóa hydrocarbon bằng chất nhận điện tử oxygen ..................11
1.3.2. Quá trình oxy hóa hydrocarbon bằng chất nhận điện tử khác ......................18
1.4. Những nét chung về chất hoạt hóa bề mặt sinh học .......................................20
1.4.1. Vai trò của chất hoạt hóa bề mặt sinh học đối với vi sinh vật
phân hủy dầu .................................................................................................... 20
1.4.2. Các loại chất hoạt hóa bề mặt sinh học từ vi khuẩn .....................................21
1.4.3. Tính chất của chất hoạt hóa bề mặt sinh học ................................................24
1.5. Vi sinh vật có khả năng sử dụng hydrocarbon dầu mỏ
và tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học...............................................................26
1.5.1. Tình hình nghiên cứu vi sinh vật sử dụng hydrocarbon dầu mỏ
và tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học trên thế giới........................................26
1.5.2. Tình hình nghiên cứu vi sinh vật sử dụng hydrocarbon dầu mỏ
và tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học ở Việt Nam ........................................30


iv

1.6. Ứng dụng vi sinh vật sử dụng hydrocarbon dầu mỏ và tạo
chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong xử lý ô nhiễm dầu ven biển ................33
CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................35
2.1. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................................35
2.1.1. Vật liệu ..........................................................................................................35
2.1.2. Thiết kế mô hình thực nghiệm xử lý ô nhiễm dầu ven biển .........................35
2.1.3. Máy móc và thiết bị chính ............................................................................36
2.1.4. Hóa chất ........................................................................................................36
2.1.5. Môi trường nuôi cấy .....................................................................................36
2.2. Phƣơng pháp .......................................................................................................37
2.2.1. Phương pháp thu mẫu ...................................................................................37
2.2.2. Xác định số lượng vi sinh vật theo phương pháp pha loãng tới hạn
Most Probable Number (Man, 1983) ...........................................................37
2.2.3. Phân lập vi khuẩn sử dụng hydrocarbon.......................................................38
2.2.4. Quan sát hình thái tế bào vi khuẩn dưới kính hiển vi điện tử quét ...............38
2.2.5. Đặc điểm sinh hóa của vi khuẩn bằng kít chuẩn sinh hóa ............................38
2.2.6. Phân loại vi khuẩn bằng phân tích trình tự 16S rRNA .................................38
2.2.7. Phân tích quần xã vi sinh vật bằng Metagenomics .......................................40
2.2.8. Phương pháp, tiêu chí đánh giá số lượng taxa (giới, ngành, lớp, chi và loài) ...41
2.2.9. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, nguồn carbon, nitrogen, pH
và nồng độ NaCl lên sinh trưởng và tổng hợp chất hoạt hóa bề mặt
sinh học của vi khuẩn ............................................................................................41
2.2.10. Khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học bằng chỉ số nhũ hóa E24 ......42
2.2.11. Hiệu quả nhũ hóa của chất hoạt hóa bề mặt sinh học
bằng phương pháp đẩy màng dầu loang Oil spreading .................................42
2.2.12. Hoạt tính nhũ hóa của chất hoạt hóa bề mặt sinh học đối với một số
hydrocarbon và độ ổn định nhũ hóa dưới tác động nhiệt độ,
nồng độ muối và pH thay đổi .......................................................................... 42

v

2.2.13. Tối ưu hóa môi trường tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học
bằng phương pháp đáp ứng bề mặt ................................................................ 43
2.2.14. Tách chiết thô chất hoạt hóa bề mặt sinh học .............................................43
2.2.15. Xác định cấu trúc của chất hoạt hóa bề mặt sinh học
bằng sắc ký khối phổ (GC-MS)....................................................................43
2.2.16. Xác định dầu tổng số bằng cân trọng lượng ...............................................44
2.2.17. Xác định thành phần dầu bằng sắc ký khí khối phổ (GC-MS) ...................44
2.2.18. Xử lý số liệu ................................................................................................44
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................................45
3.1. Số lƣợng và thành phần loài vi khuẩn sử dụng hydrocarbon
trong nƣớc và trầm tích ở một số cảng, vịnh và ven biển Việt Nam ...........46
3.1.1. Phân tích số lượng vi khuẩn sử dụng hydrocarbon ......................................46
3.1.2. Đặc điểm phân loại vi khuẩn sử dụng hydrocarbon .....................................50
3.2. Khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học
của vi khuẩn sử dụng hydrocarbon ............................................................................ 56
3.2.1. Sàng lọc các chủng vi khuẩn tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học cao ...........56
3.2.2. Động thái sinh trưởng và khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học
của chủng A. soli H1, A. calcoaceticus H3 và R. ruber TD2 .......................57
3.2.3. Đặc điểm chất hoạt hóa bề mặt sinh học do chủng A. soli H1,
A. calcoaceticus H3 và R. ruber TD2tạo ra .................................................58
3.2.4. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến sinh trưởng
và tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học chủng A. soli H1,
A. calcoaceticus H3 và R. ruber TD2 ..........................................................60
3.3. Khả năng phân hủy dầu diesel và dầu thô của chủng A. soli H1,
A. calcoaceticus H3 và R. ruber TD2.................................................................68
3.4. Cấu trúc hóa học của chất hoạt hóa bề mặt sinh học
do chủng R. ruber TD2 tạo ra ............................................................................71

vi

3.5. Tối ƣu hóa khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học
của chủng R. ruber TD2 bằng phƣơng pháp đáp ứng bề mặt ........................73
3.6. Ứng dụng vi khuẩn sử dụng hydrocarbon và tạo chất hoạt hóa
bề mặt sinh học trong xử lý ô nhiễm dầu ven biển..........................................77
3.6.1. Tạo chế phẩm sinh học từ chủng R. ruber TD2 ...........................................77
3.6.2. Biến động số lượng vi khuẩn sử dụng hydrocarbon
trong quá trình xử lý .....................................................................................79
3.6.3. Biến động các loài vi khuẩn sử dụng hydrocarbon
chiếm ưu thế trong quá trình xử lý ...............................................................81
3.6.4. Xác định quần xã vi sinh vật trong mô hình xử lý bằng phân tích
Metagenomics ..............................................................................................86
3.6.5. Hiệu quả xử lý ô nhiễm dầu ven biển ...........................................................88
CHƢƠNG 4. BÀN LUẬN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..........................................94
* Số lượng và thành phần loài vi khuẩn sử dụng hydrocarbon
trong nước và trầm tích tại một số cảng, vịnh và ven biển Việt Nam ................94
* Khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học và đặc điểm của chất hoạt hóa
bề mặt sinh học do vi khuẩn sử dụng hydrocarbon tạo ra ...................................96
* Khả năng phân hủy dầu diesel và dầu thô của một số chủng vi khuẩn
sử dụng hydrocarbon ...................................................................................... 101
* Ứng dụng vi khuẩn sử dụng hydrocarbon và tạo chất hoạt hóa bề mặt
sinh học trong xử lý ô nhiễm dầu ven biển .................................................... 103
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 111
KIẾN NGHỊ ................................................................................................................... 111
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ................................................. 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 114
TÓM TẮT TIẾNG ANH ..................................................................................... 125

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BLAST

Basic local alignment search tool = Công cụ tìm kiếm sắp
xếp cơ bản

CHHBMSH

Chất hoạt hóa bề mặt sinh học

DNA

Deoxyribonucleic acid = axit deoxyribonucleic

EDTA

Ethylene diamine tetra acetic acid = axit etilen điamin tetra
axetic

dNTP

Deoxyribonucleotide triphosphate

FO

Fuel oil = dầu nhiên liệu

DT

Dầu thô

DO

Diesel oil = dầu diesel

GC-MS

Gas chromatography-Mass spectrometry = sắc ký khối phổ

GHCP

Giới hạn cho phép

PAH

Polycyclic aromatic hydrocarbon = hydrocarbon thơm đa
vòng

MPN

Most probable number = số lượng tế bào có thể có trong mẫu

NCBI

National Center for Biotechnology Information = Trung
tâm Quốc gia về Tin sinh học

OD

Optical density = mật độ quang học

OS

Oil spreading = màng dầu loang

PBS

Phosphate buffered saline = muối đệm photphat

PCI

phenol choloroform isoamylalcohol

PCR

Polymerase chain reaction = phản ứng trùng hợp chuỗi

SDS

Sodium dodecyl sulfate = muối natri dodexil sunphat

VSV

Vi sinh vật

VK

Vi khuẩn

VK SDHC

Vi khuẩn sử dụng hydrocarbon

VK HK

Vi khuẩn hiếu khí

STT

Số thứ tự


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1

Các hydrocarbon riêng lẻ đã xác định được trong các loại dầu mỏ ........ 8

Bảng 1.2

Các chi vi sinh vật có khả năng phân hủy hydrocarbon no ..................... 15

Bảng 1.3

Các chi vi khuẩn có khả năng phân hủy hydrocarbon thơm ................... 18

Bảng 1.4

Các nhóm vi khuẩn có khả năng oxy hóa hydrocarbon
ở điều kiện kị khí ..................................................................................... 19

Bảng 1.5

Chất hoạt hóa bề mặt sinh học tách từ vi khuẩn ...................................... 21

Bảng 2.1

Các điều kiện nuôi cấy được khảo sát ..................................................... 41

Bảng 2.2

Giá trị mã hóa của các yếu tố thực nghiệm ............................................. 43

Bảng 3.1

Số lượng vi khuẩn sử dụng hydrocarbon và hiếu khí
trong mẫu nước và trầm tích vịnh Lan Hạ ................................................. 46

Bảng 3.2

Số lượng vi khuẩn sử dụng hydrocarbon và hiếu khí
trong mẫu nước và trầm tích ven biển Đồ Sơn........................................ 47

Bảng 3.3

Số lượng vi khuẩn sử dụng hydrocarbon và hiếu khí
trong mẫu nước và trầm tích cảng Nghi Sơn........................................... 47

Bảng 3.4

Số lượng vi khuẩn sử dụng hydrocarbon và hiếu khí trong mẫu nước
và trầm tích cảng, ven biển Quy Nhơn, Huế, Vũng Tàu ......................... 48

Bảng 3.5

Số lượng vi khuẩn sử dụng hydrocarbon và hiếu khí trong mẫu nước
và trầm tích ven biển Bình Thuận .................................................................. 49

Bảng 3.6

Số lượng vi khuẩn sử dụng hydrocarbon và hiếu khí trong mẫu nước
và trầm tích ven biển Bến Tre ........................................................................ 49

Bảng 3.7

Đặc điểm hình thái vi khuẩn sử dụng hydrocarbon Gram âm
phân lập tại một số cảng, vịnh và ven biển Việt Nam ............................. 50

Bảng 3.8

Đặc điểm hình thái vi khuẩn sử dụng hydrocarbon Gram dương
phân lập tại cảng, vịnh và ven biển Việt Nam......................................... 51


ix

Bảng 3.9

Phân loại vi khuẩn sử dụng hydrocarbon dựa vào hình thái
và kít chuẩn sinh hóa ........................................................................ 53

Bảng 3.10 Phân loại vi khuẩn sử dụng hydrocarbon dựa vào
trình tự 16S rRNA ............................................................................ 54
Bảng 3.11 Bảng ma trận thực nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố lên tổng hợp chất
hoạt hóa bề mặt sinh học của chủng R. ruber TD2 ................................. 74
Bảng 3.12 So sánh kết quả tính toán theo mô hình và thực nghiệm......................... 76
Bảng 3.13 Quy trình tạo chế phẩm từ chủng vi khuẩn Rhodococcus ruber TD2.... 78
Bảng 3.14 Biến động số lượng vi khuẩn hiếu khí và sử dụng hydrocarbon
trong các mô hình xử lý ........................................................................... 79
Bảng 3.15 Đặc điểm hình thái vi khuẩn sử dụng hydrocarbon chiếm ưu thế
trong các mô hình xử lý ........................................................................... 81
Bảng 3.16 Phân loại vi khuẩn sử dụng hydrocarbon chiếm ưu thế
trong các mô hình xử lý .................................................................... 85
Bảng 3.17 Biến động các loài vi khuẩn sử dụng hydrocarbon chiếm ưu thế trong các
mô hình xử lý ........................................................................................... 85
Bảng 3.18 Dữ liệu Metagenome của mẫu cát lấy tại mô hình bổ sung
chế phẩm xử lý dầu thô sau 21 ngày ....................................................... 86
Bảng 3.19 Đa dạng vi sinh vật trong mẫu cát lấy tại mô hình bổ sung
chế phẩm xử lý dầu thô sau 21 ngày ....................................................... 87


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1

Quá trình oxy hóa alkane ở nguyên tử carbon trước tận cùng ............. 13

Hình 1.2

Quá trình oxy hóa cyclohexane ............................................................ 14

Hình 1.3

Con đường oxy hóa benzene bởi vi khuẩn ........................................... 16

Hình 1.4

Con đường oxy hóa naphthalene bởi vi khuẩn ..................................... 17

Hình 1.5

Con đường phân hủy ethylbenzene bởi vi khuẩn khử sulfate EbS7 .... 19

Hình 1.6

Cấu trúc hoá học của hai dạng rhamnolipid ......................................... 22

Hình 1.7

Cấu trúc hoá học của trehaloslipid được tổng hợp
từ Rhodococcus erythropolis ................................................................ 23

Hình 1.8

Cấu trúc hoá học của surfactin được tổng hợp bởi Bacillus subtilis ......... 23

Hình 1.9

Cấu trúc hoá học của emulsan được tổng hợp bởi
Acinetobacter calcoaceticus ................................................................. 24

Hình 2.1

Mô hình thực nghiệm xử lý dầu diesel
và dầu thô ven biển Đồ Sơn, Hải Phòng .............................................. 36

Hình 2.2

Sơ đồ mô phỏng vị trí lấy mẫu trong mỗi mô hình thử nghiệm ........... 36

Hình 3.1

Các bước thực hiện quá trình nghiên cứu của luận án ......................... 45

Hình 3.2

Hình thái tế bào dưới kính hiển vi điện tử quét của vi khuẩn
sử dụng hydrocarbon phân lập tại một số cảng, vịnh
và ven biển Việt Nam ........................................................................... 53

Hình 3.3

Vị trí phân loại của vi khuẩn sử dụng hydrocarbon
và các loài có quan hệ họ hàng gần ...................................................... 55

Hình 3.4

Khả năng sinh trưởng, chỉ số nhũ hóa E24 và hoạt tính
đẩy màng dầu loang của chất hoạt hóa bề mặt sinh học
do các chủng nghiên cứu tạo ra ............................................................ 56

Hình 3.5

Động thái sinh trưởng và khả năng tạo chất hoạt hóa
bề mặt sinh học của chủng H1, H3 và TD2.......................................... 57

Hình 3.6

Khả năng nhũ hóa với xylene
của dịch nuôi cấy chủng H1, H3 và TD2 ............................................. 57


xi

Hình 3.7

Sức căng bề mặt của môi trường (ĐC)
và dịch nuôi cấy chủng H1, H3 và TD2 sau 6 ngày thí nghiệm........... 57

Hình 3.8

Khả năng nhũ hóa với một số hydrocarbon của chất hoạt
hóa bề mặt sinh học do H1, H3 và TD2 tạo ra ..................................... 58

Hình 3.9

Độ ổn định nhũ hóa của chất hoạt hóa bề mặt sinh học
do H1, H3 và TD2 tạo ra ở điều kiện nhiệt độ khác nhau .................... 59

Hình 3.10 Độ ổn định nhũ hóa của chất hoạt hóa bề mặt sinh học
do H1, H3 và TD2 tạo ra ở pH khác nhau ............................................ 59
Hình 3.11 Độ ổn định nhũ hóa của chất hoạt hóa bề mặt sinh học
do H1, H3 và TD2 tạo ra ở nồng độ NaCl khác nhau .......................... 60
Hình 3.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sinh trưởng và tạo chất hoạt hóa
bề mặt sinh học của chủng H1 (A), H3 (B) và TD2 (C) ...................... 61
Hình 3.13 Ảnh hưởng của nguồn carbon đến sinh trưởng và tạo chất hoạt hóa
bề mặt sinh học của chủng H1 (A), H3 (B) và TD2 (C) ...................... 62
Hình 3.14 Ảnh hưởng của nguồn nitrogen đến sinh trưởng và tạo chất hoạt hóa
bề mặt sinh học của chủng H1 (A), H3 (B) và TD2 (C) ...................... 64
Hình 3.15 Ảnh hưởng của pH đến sinh trưởng và tạo chất hoạt hóa bề mặt
sinh học của chủng H1(A), H3 (B) và TD2 (C) ................................... 65
Hình 3.16 Ảnh hưởng của nồng độ NaCl đến sinh trưởng và tạo chất hoạt hóa
bề mặt sinh học của chủng H1 (A), H3 (B) và TD2 (C) ...................... 67
Hình 3.17 Sắc ký đồ thành phần hydrocarbon trong dầu thô
mẫu đối chứng (A), mẫu nuôi cấy chủng H1 (B), H3 (C)
và TD2 (D) sau 9 ngày thí nghiệm ....................................................... 69
Hình 3.18 Sắc ký đồ thành phần hydrocarbon trong dầu diesel
mẫu đối chứng (A), mẫu nuôi cấy chủng H1 (B), H3 (C)
và TD2 sau 6 ngày thí nghiệm.............................................................. 69
Hình 3.19 Khả năng phân hủy dầu thô tổng số (A) và các thành phần
hydrocarbon trong dầu thô (B) của chủng H1, H3 và TD2 .................. 70


xii

Hình 3.20 Khả năng phân hủy dầu diesel tổng số (A)
và các thành phần hydrocarbon trong dầu diesel (B)
của chủng H1, H3 và TD2 .................................................................... 71
Hình 3.21 Sắc ký khối phổ của chất hóa bề mặt sinh học do chủng TD2 tạo ra ... 72
Hình 3.22 Sắc ký khối phổ chất hoạt hóa mặt sinh học do chủng TD2 tạo ra
tại gian lưu 23,337 phút (A) và 21,140 phút (B) .................................. 74
Hình 3.23 Bề mặt đáp ứng của từng cặp các yếu tố ảnh hưởng
đến khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học của chủng TD2;
(A): Hàm lượng DO và NaNO3 (g/l) thay đổi, pH cố định;
(B): Hàm lượng DO và pH thay đổi, hàm lượng NaNO3 cố định;
(C): Hàm lượng NaNO3 và pH thay đổi, hàm lượng DO cố định ........ 75
Hình 3.24 Hàm lượng chất hoạt hóa bề mặt sinh học do chủng R. ruber TD2
tạo ra trên môi trường tối ưu (MTTU)
và môi trường ban đầu (MTBD)........................................................... 76
Hình 3.25 Sơ đồ quy trình tạo chế phẩm xử lý ô nhiễm dầu
ven biển từ chủng R. ruber TD2 ........................................................... 77
Hình 3.26 Hình thái tế bào dưới kính hiển vi điện tử quét của vi khuẩn
sử dụng hydrocarbon chiếm ưu thế ...................................................... 83
Hình 3.27 Vị trí phân loại của các chủng vi khuẩn sử dụng hydrocarobn
chiếm ưu thế trong các mô hình xử lý
và các loài có quan hệ họ hàng gần ................................................ 84
Hình 3.28 Tỉ lệ của một giới (A), ngành (A), chi (B) và loài (C) chiếm ưu thế
trong mẫu cát lấy tại mô hình xử lý dầu thô sau 21 ngày .......................... 88
Hình 3.29 Sắc ký thành phần n-parafin của hydrocarbon no trong mô hình
đối chứng xử lý dầu diesel tại thời điểm 0 giờ (A)
và sau 28 ngày (B) (thử nghiệm mùa đông) ............................................... 89
Hình 3.30 Sắc ký thành phần n-parafin của hydrocarbon no trong mô hình bổ sung
chế phẩm xử lý dầu diesel tại thời điểm 0 giờ (A)
và sau 28 ngày (B) (thử nghiệm mùa đông) ................................................... 89

xiii

Hình 3.31 Sắc ký thành phần n-parafin của hydrocarbon no trong mô hình
bổ sung chế phẩm xử lý dầu thô tại thời điểm 0 giờ (A)
và sau 28 ngày (B) (thử nghiệm mùa đông) ......................................... 89
Hình 3.32 Sắc ký thành phần hydrocarbon thơm trong mô hình bổ sung
chế phẩm xử lý dầu thô tại thời điểm 0 giờ (A)
và sau 28 ngày (B) (thử nghiệm mùa đông) ......................................... 89
Hình 3.33 Khả năng phân hủy dầu diesel tổng số (A), dầu thô
tổng số (B) và thành phần hydrocarbon trong dầu
tại các mô hình sau 28 ngày xử lý ........................................................ 90
Hình 3.34 Khả năng phân hủy thành phần hydrocarbon trong dầu diesel (A)
và dầu thô (B) tại các mô hình sau 28 ngày xử lý ................................ 90
Hình 3.35 Sắc ký thành phần n-parafin của hydrocarbon no trong mô hình
đối chứng xử lý dầu diesel tại thời điểm 0 giờ (A)
và sau 21 ngày (B) (thử nghiệm mùa hè) ............................................. 92
Hình 3.36 Sắc ký thành phần n-parafin của hydrocarbon no trong mô hình
bổ sung chế phẩm xử lý dầu diesel tại thời điểm 0 giờ (A)
và sau 21 ngày (B) (thử nghiệm mùa hè) ................................................... 92
Hình 3.37 Sắc ký thành phần n-parafin của hydrocarbon no trong mô hình
bổ sung chế phẩm xử lý dầu thô tại thời điểm 0 giờ (A)
và sau 21 ngày (B) (thử nghiệm mùa hè) ................................................... 92
Hình 3.38 Sắc ký thành phần hydrocarbon thơm trong mô hình bổ sung
chế phẩm xử lý dầu thô tại thời điểm 0 giờ (A)
và sau 21 ngày (B) (thử nghiệm mùa hè) ............................................. 92
Hình 3.39 Khả năng phân hủy dầu diesel tổng số (A), dầu thô
tổng số (B) và thành phần hydrocarbon trong dầu
tại các mô hình sau 21 ngày xử lý ........................................................ 93

Hình 3.40 Khả năng phân hủy thành phần hydrocarbon trong dầu diesel (A)
và dầu thô (B) tại các mô hình sau 21 ngày xử lý ................................ 93


1

MỞ ĐẦU
Dầu mỏ và các sản phẩm dầu mỏ là nguồn nhiên liệu quý đối với hoạt động
sống của con người, là nguồn lợi cho tăng trưởng kinh tế xã hội. Bên cạnh những
lợi ích to lớn đó, hiện nay ô nhiễm dầu đang là mối lo ngại của nhiều quốc gia trên
thế giới khi mà hằng năm vẫn có hàng triệu tấn dầu bị rò rỉ ra môi trường, gây nên
những hiểm họa khôn lường cho hệ sinh thái.
Hiện nay, có nhiều phương pháp được đưa ra để xử lý ô nhiễm dầu như: cơ
học, chôn lấp, bay hơi, sử dụng chất phân tán… Tuy nhiên, hầu hết các phương
pháp đề xuất đều tốn kém và không an toàn với hệ sinh thái do không phân hủy
hoàn toàn các hợp chất hydrocarbon độc hại hoặc chỉ đơn giản là chuyển chất bẩn
từ nơi này đến nơi khác. Với hiệu quả kinh tế cao, không gây độc với môi trường,
xử lý ô nhiễm dầu bằng con đường sinh học được biết đến như biện pháp hữu hiệu
nhằm loại bỏ các hợp chất hydrocarbon độc hại ra khỏi môi trường do có thể phân
hủy hoàn toàn hydrocarbon dầu mỏ đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Cơ sở
của phương pháp này dựa trên khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ của khu hệ vi
sinh vật (VSV) nội tại, trong đó vi khuẩn (VK) là nhóm đóng vai trò chủ đạo. Hơn
nữa, hiệu quả của quá trình phân hủy được tăng lên khi các VSV phân hủy
hydrocarbon dầu mỏ có đặc tính tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học (CHHBMSH). Do
có cấu tạo phân cực (bao gồm cả nhóm chức ưa nước và kị nước trong phân tử),
CHHBMSH làm giảm sức căng bề mặt giữa pha dầu và pha nước, giúp hydrocarbon
dầu mỏ phân tán trong nước dưới dạng nhũ tương, từ đó làm tăng bề mặt tiếp xúc
giữa VSV và phân tử dầu, do đó dầu dễ dàng bị phân hủy. Bên cạnh đó, CHHBMSH
có thể duy trì hoạt tính ổn định trong các điều kiện nhiệt độ, pH, nồng độ NaCl, Ca2+
và Mg2+ thay đổi. Đồng thời, chúng có khả năng tự phân hủy, không gây độc với môi

trường và có thể sản xuất trên các nguồn phế thải của công nghiệp chế biến với quy
mô lớn. Chính vì những ưu điểm vượt trội đó, VSV tạo CHHBMSH ngày càng được
nghiên cứu và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm dầu.
Ở Việt Nam, VK có khả năng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ đã được nghiên
cứu từ những năm đầu của thập kỉ trước với sự đa dạng về thành phần loài như:


2

Pseudomonas sp., Rhodococcus sp., Bacillus sp., Shigella sp., Acinetobacter sp...
Tuy nhiên, những nghiên cứu về đặc tính tạo CHHBMSH của chúng mới chỉ bắt
đầu, chưa được nghiên cứu một cách hệ thống, đặc biệt là khả năng ứng dụng chúng
trong xử lý ô nhiễm dầu ven biển. Để khẳng định vai trò của VSV phân hủy
hydrocarbon dầu mỏ và tạo CHHBMSH trong quá trình xử lý ô nhiễm dầu ven biển
Việt Nam, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng vi khuẩn sử dụng
hydrocarbon trong xử lý ô nhiễm dầu ven biển”. Luận án được thực hiện với mục
tiêu sau:
-

Đánh giá số lượng, thành phần và đặc tính sinh học của vi khuẩn sử dụng
hydrocacbon (VK SDHC) trong khu hệ VSV ven biển Việt Nam.

-

Đánh giá khả năng ứng dụng VK vừa có khả năng sử dụng hydrocarbon vừa tạo
CHHBMSH nhằm nâng cao hiệu suất xử lý ô nhiễm dầu ven biển Việt Nam.
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
1. Là công trình ở Việt Nam đánh giá tương đối đầy đủ về thành phần và số
lượng VK SDHC ở các vùng ven biển Việt Nam từ Bắc tới Nam (Đồ Sơn, Cát
Bà, Nghi Sơn, Huế, Quy Nhơn, Vũng Tàu, Bến Tre và Bình Thuận), làm cơ sở

để khai thác sử dụng chúng trong xử lý ô nhiễm dầu ven biển Việt Nam.
2. Đã nghiên cứu đặc điểm sinh học, đặc điểm phân loại, khả năng tạo
CHHBMSH của chủng Rhodococcus ruber TD2 phân lập tại ven biển Việt
Nam và sử dụng chúng để tạo chế phẩm sinh học xử lý có hiệu quả (hơn 99%)
ô nhiễm dầu ven biển.
3. Bước đầu ứng dụng kỹ thuật Metagenomics để đánh giá đa dạng quần xã VSV
trong mô hình xử lý ô nhiễm dầu ven biển Việt Nam.


3

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ trên thế giới và ở Việt Nam
1.1.1. Tình hình ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ trên thế giới
Hiện nay, ô nhiễm dầu đang là mối quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia trên
thế giới, nhất là những nước có nền công nghiệp dầu khí phát triển. Nguyên nhân là
do sự rò rỉ dầu từ các hoạt động thăm dò, khai thác, chế biến, vận chuyển, bảo quản
và đặc biệt là sự cố tràn dầu trên biển. Theo số liệu thống kê của Hiệp hội các chủ
tàu chở dầu Thế giới, tính từ năm 2000 đến 2013, trung bình hàng năm xảy ra 11,9
vụ tràn dầu tải trọng 7 - 700 tấn, 3 vụ tràn dầu tải trọng trên 700 tấn và 1,7 - 8,8
triệu tấn dầu thô (DT) bị rò rỉ ra môi trường biển (www.itopf.com; Mundi 2010).
Đây là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường đất, nước, ảnh
hưởng nghiêm trọng tới hệ sinh thái và sức khỏe con người.
Sự cố tràn dầu lớn nhất trong lịch sử thế giới là sự cố cháy giàn khoan dẫn đến
sự phun dầu không kiểm soát từ giếng khoan dầu khí Lakeview Gushes tại
California (Mỹ) xảy ra từ tháng 5/1910 đến tháng 9/1911. Trong thảm họa này,
lượng DT bị thoát ra môi trường biển lên tới 1.200.000 tấn, gây ô nhiễm cả vùng
biển rộng lớn trong vài năm sau khi xảy ra sự cố (Harvey, 2010). Tiếp đến, vụ tràn
dầu Exxon Valdez với 38.000 tấn DT trên vùng Prince William Sound-Alaska năm
1989 đã làm chết 250.000 con chim biển, 2.800 con rái cá, 300 con hải cẩu, 250 con

đại bàng đầu hói, 2 con cá voi săn mồi…, làm mất cân bằng hệ sinh thái môi trường
biển (Yuqiang and Michel, 2010). Đến năm 2009, đã xảy sự cố rò rỉ dầu từ mỏ dầu
Montara, tạo nên vệt dầu loang rộng hơn 6.000 km2 tại vùng biển Timor (phía Tây
Australia). Đây được xem là thảm họa tràn dầu lớn nhất trong lịch sử Australia.
Năm 2010, thế giới tiếp tục chứng kiến hàng loạt sự cố tràn dầu trên biển.
Ngày 3/4/2010, tàu Shen Neng 1 (Trung Quốc) đâm vào dải đá ngầm trên vịnh san
hô nổi tiếng thế giới Great Breef Barrier gây ra vệt dầu loang dài hơn 2 dặm, ảnh
hưởng không nhỏ đến khu hệ sinh thái đa dạng nhất thế giới này. Đáng kể là vụ nổ
giàn khoan dầu sâu nhất thế giới Deepwater Horizon trên vịnh Mexico làm khoảng
4,9 triệu thùng dầu tràn ra biển, tạo nên vệt dầu loang rộng tới 9.000 km2. Hắc ín và


4

dầu loang đã phá hủy khu hệ sinh thái cửa sông Mississippi và vùng đầm lầy ngập
mặn bang Louisiana. Hơn nữa, lượng dầu rò rỉ từ khu vực giàn khoan còn khiến đất
đai tại một số hòn đảo bị ô nhiễm nặng nề, thảm thực vật bị héo úa rồi chết dần, các
loài chim di trú cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Đây được coi là thảm họa môi
trường lớn nhất trong lịch sử nước Mỹ cũng như lịch sử thế giới (Joel et al., 2011;
OSAT, 2010).
Bên cạnh những tai nạn tràn dầu quy mô lớn trên biển, các vụ tràn dầu trên đất
liền cũng xảy ra thường xuyên với tần xuất hơn 2.000 vụ mỗi năm. Mặc dù có quy
mô nhỏ, nhưng tai nạn tràn dầu trên đất liền lại gây ảnh hưởng lớn đến môi trường
và sức khỏe cộng đồng do chúng làm nhiễm bẩn trực tiếp hệ thống nước mặt và
nước ngầm dùng cho sinh hoạt.
Như vậy, có thể thấy bờ biển khắp nơi trên thế giới bị ô nhiễm nghiêm trọng
bởi hàng trăm sự cố tràn dầu xảy ra mỗi năm. Điều này gây tác động không nhỏ đến
hệ sinh thái đại dương nói chung và các nước có bờ biển nói riêng.
1.1.2. Tình hình ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ ở Việt Nam
Ở nước ta, ô nhiễm dầu chủ yếu do các hoạt động thăm dò, khai thác, vận

chuyển dầu khí trên biển, hoạt động sản xuất công nghiệp và dân cư đô thị, các công
trình cảng biển và tai nạn tràn dầu trên biển. Trong đó, tai nạn tràn dầu là một trong
những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường biển Việt Nam (chiếm 23% tổng
lượng dầu bị rò rỉ vào môi trường biển). Theo thống kê của Tổng cục Môi trường,
từ năm 1989 đến nay, khu vực biển Việt Nam đã xảy ra hơn 100 vụ tràn dầu lớn,
gây tổn thất nặng nề về kinh tế cũng như ảnh hưởng đến hệ sinh thái môi trường ven
biển. Một số tai nạn tràn dầu có thể kể đến như sau:
Tháng 11/1992, đường ống dẫn dầu ngoài khơi mỏ Bạch Hổ bị vỡ, làm tràn ra
vùng biển Vũng Tàu khoảng 7.000 tấn DT. Đến tháng 5/1994, tàu chở dầu của
Malaysia gặp sự cố, làm phát thải 1.890 tấn dầu diesel (DO) và 100 tấn dầu mazut,
gây ô nhiễm hàng chục km2 ven biển Cần Giờ và Nhà Bè (Hồ Chí Minh). Cùng thời
gian này, khoảng 1.864 tấn DO bị tràn ra sông Sài Gòn khi tàu Neptune Aries
(Singapore) đâm vào cầu cảng Cát Lái (Hồ Chí Minh). Điển hình là sự cố tàu chở


5

dầu Formasa (Liberia) đâm vào tàu Petrolimex 01 (Việt Nam) trên vịnh Giành Rái
(tháng 9/2001) làm tràn ra biển khoảng 1.000 m3 DO, gây ô nhiễm nghiêm trọng
vùng biển Vũng Tàu. Sau đó 3 năm, sự cố đắm tàu Mỹ Đình làm tràn ra môi trường
biển Quảng Ninh và Hải Phòng 50 tấn DO và 150 tấn dầu nhiên liệu (FO), trong đó,
chỉ xử lý và thu gom được 65 tấn dầu, số dầu còn lại hầu hết tràn ra biển.
Từ 12/2006 đến 4/2007, tại 20 tỉnh thành phố ven biển Việt Nam đã xảy ra
hàng loạt sự cố tràn dầu bí ẩn với nhiều vệt dầu loang trôi dọc bờ biển từ đảo Bạch
Long Vĩ xuống tới mũi Cà Mau. Tổng lượng dầu thu gom là 2.071 tấn, trong đó đã
xử lý được 1.904 tấn. Qua phân tích từ ảnh vệ tinh, ước tính có từ 21.620 đến
51.400 tấn dầu tràn trên biển. Đây là một trong những sự cố tràn dầu lớn nhất xảy ra
trên vùng biển nước ta tính trên mức độ ô nhiễm và số tỉnh, thành phố bị ô nhiễm.
Sự cố này đã gây thiệt hại nặng nề cho ngành nuôi trồng hải sản và du lịch ven biển.
Đến năm 2008, tàu New Oriental (Panama) va vào dải đá ngầm khu vực Đá Đĩa

(Phú Yên) làm tràn ra biển hơn 110 tấn FO và DO, tạo vệt dầu loang dài 2 hải lý,
rộng 120 m và dày 5 cm. Cũng trong năm này, tại Đà Nẵng đã xảy ra hàng loạt sự
cố rò rỉ dầu: sự cố vỡ kho xăng dầu Liên Chiểu của Tổng công ty xăng dầu hàng
không Việt Nam, sự cố vỡ ống dẫn dầu tại vịnh Việt Thanh, sự cố tràn dầu tại kho
xăng dầu của tổng công ty xăng dầu Quân đội, cùng hàng chục sự cố tràn dầu khác
đã gây thiệt hại nặng nề về kinh tế, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái môi
trường ven biển.
Bên cạnh nguyên nhân từ sự cố tràn dầu trên biển, ô nhiễm dầu từ hoạt động
sản xuất công nghiệp và dịch vụ đô thị cũng đáng lưu ý. Theo báo cáo Quốc Gia về
ô nhiễm biển từ đất liền Việt Nam, trung bình mỗi năm có khoảng 3,6 triệu tấn dầu
được đổ thải ra biển từ hoạt động dịch vụ và sản xuất công nghiệp. Với tốc độ tăng
trưởng của các ngành sản xuất công nghiệp bình quân 12,5%/năm, thì lượng dầu đổ
thải xuống vùng biển nước ta hàng năm sẽ ngày càng lớn.
Các kết quả quan trắc trong hơn 10 năm qua cho thấy, hàm lượng dầu trong
nước biển ven bờ Việt Nam đều vượt giới hạn tiêu chuẩn cho phép (GHCP) QCVN
10: 2008/BTNMT và vượt rất xa tiêu chuẩn ASEAN. Tại khu vực ven biển phía


6

Bắc, hàm lượng dầu trung bình trong nước biển dao động từ 0,14 đến 1,92 mg/l.
Trong đó, nhiều khu vực đã bị ô nhiễm dầu nghiêm trọng như: Hạ Long, Cát Bà, Đồ
Sơn, Sầm Sơn, Cửa Lục... Theo số liệu điều tra khảo sát năm 2010, có đến 1/3 diện
tích mặt nước vịnh Hạ Long có hàm lượng dầu thường xuyên từ 1 đến 1,73 mg/l.
Có những thời điểm hàm lượng dầu ở vùng nước khu vực cảng Cái Lân (Hạ Long)
lên tới 1,75 mg/l, gấp 8,75 lần QCVN 10: 2008/BTNMT (0,2 mg/l) và gấp hàng
chục lần tiêu chuẩn ASEAN (Cao Thị Thu Trang và Vũ Thị Lợi, 2011). Việc gia
tăng nhanh chóng các phương tiện tàu thuyền hoạt động trên Vịnh Hạ Long là một
trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm dầu cho khu vực này.
Khu vực ven biển Thừa Thiên Huế cũng có hàm lượng dầu ở mức báo động.

Theo số liệu của Cục Hàng hải Việt Nam (2010), từ năm 2004 đến 2010, hàm lượng
dầu trung bình trong nước biển ven bờ Thừa Thiên Huế dao động từ 0,32 đến 2,04
mg/l, vượt từ 1,6 đến 10,2 lần GHCP. Khu vực ven biển Cửa Đại (Đà Nẵng), Quy
Nhơn và Vũng Tàu, hàm lượng dầu trong nước biển dao động từ 0,3 đến 1,56 mg/l,
vượt 1,5 đến 7,8 lần GHCP (Đỗ Công Thung et al., 2011). Nồng độ này có thể gây
chết các sinh vật phù du, gây hại đối với chim, cá biển... Tại khu vực biển Phú
Quốc, các kết quả quan trắc từ năm 2007 đến 2010 cho thấy, hàm lượng dầu trong
nước biển dao động từ 0,17 đến 0,69 mg/l, gấp hơn 3 lần GHCP (Cao Thị Thu
Trang và Vũ Thị Lựu, 2011).
Từ các số liệu nêu trên, có thể thấy ô nhiễm dầu đang là vấn đề mang tính toàn
cầu, gây ảnh hưởng không nhỏ tới môi trường sinh thái và sức khỏe con người. Do
đó, việc lựa chọn các biện pháp xử lý an toàn và hiệu quả là vấn đề mang tính cấp
thiết hiện nay. Trong số các phương pháp xử lý ô nhiễm dầu thì phương pháp xử lý
sinh học (dựa trên nền tảng phân hủy hydrocarbon dầu mỏ bởi VSV) được coi là
công nghệ xanh bởi chúng không những đem lại hiệu quả cao về kinh tế mà còn
thân thiện với môi trường. Thành công của phương pháp này được đánh dấu qua
việc xử lý dầu tràn Exxon Valdez ở vịnh Alaska (năm 1989) đã tạo nên một hướng
nghiên cứu đầy tiềm năng trong công nghệ làm sạch ô nhiễm môi trường do dầu mỏ
gây ra (Atlas and Bragg, 2009; Bargg et al., 1994; Lindstrom et al., 1991).


7

1.2. Một số đặc điểm, tính chất của dầu mỏ
1.2.1. Thành phần hóa học của dầu mỏ
Dầu mỏ có thành phần gồm hàng trăm hợp chất khác nhau, trong đó chủ yếu là
hydrocarbon với cấu tạo gồm nguyên tố carbon và hydrogen kết hợp theo tỉ lệ
khoảng 1 - 2. Theo tài liệu của Viện hóa dầu Liên bang Nga (1986), thành phần cơ
bản của dầu mỏ gồm: Hydrocarbon paraffinic chiếm 30 - 35%, hydrocarbon vòng
no chiếm 25 - 75% và hydrocarbon thơm chiếm 10 - 20%. Ngoài ra còn có các hợp

chất phi hydrocarbon như: hợp chất chứa oxygen (acid, ketone, rượu), hợp chất
chứa nitrogen (furfurol, indole, carbazole), hợp chất chứa lưu huỳnh, hợp chất cao
phân tử (hắc ín, bitumen) và các nguyên tố vi lượng (Ni, Fe, Cr, Ca…). Dầu mỏ từ
những vùng khác nhau có thành phần hóa học khác nhau và được phân loại dựa trên
thành phần hydrocarbon no, hydrocarbon mạch vòng và chất phân cực. Tuy dầu mỏ
trên thế giới rất khác nhau về thành phần hóa học, song lại rất gần nhau về thành
phần nguyên tố bao gồm: carbon chiếm 83 - 87%, hydrogen chiếm 10 - 14%,
oxygen chiếm 0,1 - 1,5%, nitrogen chiếm 0,1 - 2%, lưu huỳnh chiếm 0,5 - 6% và
hàm lượng rất nhỏ (< 0,1%) halogen, niken, vanadium và volfram (Milton, 2011).
1.2.1.1. Các hợp chất hydrocarbon trong dầu mỏ
Thành phần cơ bản của dầu mỏ là các hợp chất hydrocarbon với số nguyên tử
carbon có trong mạch từ 1 đến 60 hoặc lớn hơn. Trong DT các hợp chất này có thể
chiếm tới 90% trọng lượng của dầu, còn trong khí thiên nhiên chúng có thể chiếm
tới 98 - 99%. Các hợp chất hydrocarbon trong dầu mỏ được chia thành các nhóm:
hydrocarbon paraffinic, hydrocarbon naphthenic và hydrocarbon thơm (Bernard and
Michel, 2005; Milton, 2011). Đến nay, bằng các phương pháp phân tích hiện đại đã
xác định được 425 hydrocarbon riêng lẻ có trong dầu mỏ (Bảng 1.1).


8

Bảng 1.1. Các hydrocarbon riêng lẻ đã xác định được trong các loại dầu mỏ (Lại
Thúy Hiền, 2011)
TT

Hydrocarbon

Dãy đồng
đẳng

1

n-paraffin

CnH2n+2

2

iso-paraffin

CnH2n+2

3

iso-paraffin

CnH2n+2

4

Cyclo-paraffin
(1 vòng)

CnH2n

5
6
7
8
9

10
11
12
13
14
15
16

Cyclo-paraffin
(2 vòng)
Cyclo-paraffin
(3 vòng)
Cyclo-paraffin
(4 và 5 vòng)
Hydrocarbon thơm
(1 vòng)
Hydrocarbon thơm
(1 vòng có nhiều nhóm thế)
Hydrocarbon thơm
(2 vòng)
Hydrocarbon thơm
(2 vòng loại diphenyl)
Hydrocarbon thơm
(3 vòng loại phenanthrene)
Hydrocarbon thơm
(3 vòng loại fluorene)
Hydrocarbon thơm
(4 và nhiều vòng)
Hydrocarbon hỗn hợp
naphthene-thơm

Hydrocarbon hỗn hợp
naphthene-thơm (loại
nhiều vòng)

CnH2n-2

Số nguyên tử
Số lƣợng
trong phân hydrocarbon riêng
tử
lẻ đƣợc xác định
C1 – C45
45
C4 – C7
15
C8 – C9
47
C10 – C11
10
C14 – C25
12
C12 và cao hơn
4
C5 – C7
10
C8 – C9
53
C10 – C12
23
C8

5
C9 – C12
20

CnH2n-4

C10 – C13

5

CnH2n-6
CnH2n-8

C14 – C30

4

CnH2n-6

C6 – C11

16

CnH2n-6

C9 – C12

41

CnH2n-12

C10 – C16

42

CnH2n-14

C12 – C15

15

CnH2n-18

C14 – C16

14

CnH2n-16

C15 – C16

7

CnH2n-24

C16 – C18

10

CnH2n-8

C9 – C14

20
4


9

* Hydrocarbon paraffinic (CnH2n+2)
Hydrocarbon paraffinic (hay còn gọi là alkane) là hợp chất phổ biến trong dầu
mỏ với số nguyên tử carbon từ C1 đến C45 (Bernard and Michel, 2005; Milton,
2011). Về cấu trúc hydrocarbon paraffinic gồm hai loại: hydrocarbon mạch thẳng
(n-paraffin hoặc n-alkane) và hydrocarbon mạch nhánh (iso-paraffin hoặc isoalkane). Hàm lượng của n-paraffin trong dầu mỏ thường chiếm từ 25 - 30% thể tích.
Hàm lượng này thay đổi tùy thuộc vào thời gian hình thành dầu mỏ.
* Hydrocarbon naphthenic (CnH2n)
Hydrocarbon naphthenic (cyclo-paraffin hoặc cyclo-alkane) cũng là một trong
số hydrocacbon phổ biến trong dầu mỏ. Hàm lượng của chúng có thể thay đổi từ 30
- 60% trọng lượng của dầu. Chúng thường tồn tại ở 3 dạng chính: dạng vòng 5
cạnh, vòng 6 cạnh và dạng ngưng tụ 2 hoặc 3 vòng. Các hydrocacbon naphthenic
thường gặp trong dầu mỏ có công thức cấu tạo như sau:
R
,

(CH 2)11-CH 3

(CH 2)10 -CH 3

R
,

,

R

CH 3
CH 3

CH 3

* Hydrocarbon thơm (CnH2n-6)
Thành phần hydrocarbon thơm trong dầu mỏ bao gồm các hợp chất thơm vòng
đơn (benzene, toluene, xylene...) và các hợp chất hydrocarbon thơm đa vòng - PAH
(naphthalene, anthracene, phenanthrene…) có từ 2 vòng thơm trở lên. Trong đó,
hydrocarbon naphthalene thơm vòng đơn là loại phổ biến nhất trong dầu mỏ. Một
số hydrocarbon thơm thường gặp trong dầu có dạng:
CH 3
CH 3
CH 3
Benzen
Benzene

Toluen
Toluene

Anthracene
Antraxen

Xylen
Xylene

Naphthalene
Naphtalen

Phenantren
Pyrene

1.2.1.2. Thành phần phi hydrocarbon trong dầu mỏ
* Các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh

Diphenyl
diphenyl

Phenanthrene
Pyren


10

Các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh là hợp chất phổ biến nhất trong thành phần
phi hydrocarbon của dầu mỏ với hàm lượng lưu huỳnh chiếm 0,3 - 2% trọng lượng
dầu. Hiện nay, đã xác định được 250 hợp chất chứa lưu huỳnh trên tổng số 380 hợp
chất phi hydrocarbon có trong dầu mỏ. Phổ biến là các chất như: mercaptan (R-S-H),
sulfur (R-S-R’), disulfur (R-S-S-R’), sulfur vòng và lưu huỳnh tự do (S, H2S).
* Các hợp chất chứa nitrogen và oxygen
Các hợp chất chứa nitrogen trong dầu mỏ chiếm khoảng 0,1 - 2 % trọng lượng
dầu. Chúng có cấu tạo từ 1 đến 4 nguyên tử nitrogen trong cấu trúc phân tử. Hợp
chất chứa 1 nguyên tử nitrogen thường gặp là: pyridine, quinoline, pyrrole, indole,
carbazole và benzocarbazole.
Các hợp chất chứa oxygen có trong dầu thường ở dạng acid, ketone, phenol,

ester và lactone. Trong đó, hợp chất chứa oxygen dạng acid chiếm chủ yếu hơn cả.
Về mặt cấu trúc, các dạng acid có số nguyên tử carbon trong phân tử dưới C6
thường là các acid béo. Những loại có số nguyên tử carbon trong phân tử lớn hơn
C6 thường là naphthenic acid. Các naphthenic acid chủ yếu ở dạng vòng 5 hoặc 6
cạnh. Trong DT, hàm lượng naphthenic acid chiếm khoảng 0,1 - 1,7%, trong khi đó
hàm lượng phenol chỉ chiếm 0,001 - 0,05% (Bernard and Michel, 2005).
* Các hợp chất nhựa và Asphaltene
Các chất nhựa và asphaltene của dầu mỏ là những chất có chứa các nguyên tố
C, H, O và N trong cấu trúc phân tử. Do có trọng lượng phân tử rất lớn, nên chúng
thường tập trung nhiều ở phần nặng, nhất là trong cặn dầu mỏ. Dựa vào kết quả
phân tích cấu trúc cho thấy, nhựa và asphaltene có cấu trúc rất phức tạp với nhiều
vòng thơm ngưng tụ cao. Các kim loại nặng như nikel, vanadium và sắt cũng có
trong thành phần của chúng.
Bên cạnh các hợp chất nêu trên, trong dầu mỏ còn có các hợp chất chứa kim
loại với hàm lượng nhỏ, tồn tại dưới dạng các muối.
1.2.2. Các tính chất vật lý quan trọng của dầu mỏ
* Tỷ trọng: Tỷ trọng của dầu là khối lượng của dầu so với khối lượng của nước ở
cùng một thể tích và nhiệt độ xác định. Tùy theo từng loại dầu tỷ trọng có thể thay
đổi từ 0,8 - 0,99. Tỷ trọng dầu là một thông số quan trọng thường được sử dụng để
xác định tình trạng dầu trong nước.