Nghiên cứu khả năng phân huỷ hợp chất thơm của các chủng vi khuẩn tạo màng sinh học, nhằm định hướng ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm dầu

MỤC LỤC

MỤC LỤC ...................................................................................................................1
BẢNG CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................................3
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................4
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................5
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................7
Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .........................................................................9
1.1. Tình trạng nƣớc ô nhiễm dầu trên thế giới và ở Việt Nam ..................................9
1.2. Đặc điểm cơ bản của hợp chất hydrocacbon vòng thơm đa nhân......................10
1.2.1. Tính chất hóa lý ...............................................................................................10
1.1.2. Tính độc và ảnh hƣởng của PAH tới môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời ......13
1.2. Nguồn gốc phát sinh...........................................................................................16
1.2.1. Nguồn tự nhiên ................................................................................................16
1.2.2. Nguồn do hoạt động của con ngƣời: ...............................................................17
1.3. Các biện pháp xử lý ô nhiễm PAH.....................................................................18
1.3.1. Phƣơng pháp hóa lý.........................................................................................18
1.3.2. Phƣơng pháp phân hủy sinh học .....................................................................20
1.3.2.1 Phân hủy sinh học PAH ................................................................................21
1.3.2.2. Công nghệ sử dụng màng sinh học trong xử lý nƣớc thải ...........................23
1.3.2.3. Ứng dụng biofilm trong xử lý nƣớc thải ở nƣớc ta ......................................25
Chƣơng 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................26
2.1. Nguyên liệu, hóa chất và các thiết bị sử dụng ...................................................26
2.1.1. Nguyên liệu .....................................................................................................26
2.1.2. Hóa chất, môi trƣờng nuôi cấy ........................................................................26
2.1.3. Máy móc và thiết bị nghiên cứu ......................................................................27
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................................28
2.2.1. Thu thập mẫu...................................................................................................28
2.2.2. Phân lập các chủng vi khuẩn có khả năng sử dụng PAH ................................28

1

2.2.3. Tuyển chọn các chủng vi khuẩn có khả năng sinh trƣởng tốt nhất trên môi
trƣờng có chứa cơ chất PAH. ....................................................................................30
2.2.4. Đánh giá khả năng tạo màng sinh học của các chủng vi khuẩn ......................30
2.2.5. Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số điều kiện hóa lý và nồng độ cũng nhƣ loại
PAH đến khả năng sinh trƣởng của các chủng vi khuẩn lựa chọn ............................32
2.2.6. Đánh giá khả năng phân hủy PAH của màng sinh học (biofilm) do các chủng
vi khuẩn lựa chọn tạo thành ......................................................................................32
2.2.6.1. Quy trình tạo biofilm đa chủng ....................................................................32
2.2.6.2. Đánh giá khả năng phân hủy các thành phần hydrocacbon thơm bằng
phƣơng pháp sắc ký khí khối phổ. ............................................................................33
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................35
3.1. Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn có khả năng phát triển trên môi
trƣờng chứa PAH ......................................................................................................35
3.2 Sàng lọc các chủng vi khuẩn có khả năng tạo màng sinh học (biofilm) từ các
chủng đã lựa chọn .....................................................................................................38
3.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số điều kiện hóa lý và nồng độ cũng nhƣ các loại
PAH đến khả năng sinh trƣởng của các chủng vi khuẩn lựa chọn ............................41
3.3.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ..................................................................................41
3.3.2. Ảnh hƣởng của pH ..........................................................................................44
3.3.3. Ảnh hƣởng của nồng độ muối NaCl ...............................................................46
3.3.4. Ảnh hƣởng của nồng độ và loại PAH .............................................................48
3.4. Đánh giá khả năng phân hủy PAH của màng sinh học do các chủng vi khuẩn
lựa chọn tạo thành .....................................................................................................51
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................55
KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................57
Phụ Lục .....................................................................................................................63

2


BẢNG CHỮ VIẾT TẮT

BaP

: Benzo[a]pyren

BOD

: Biological oxigen demand (Nhu cầu oxy sinh hóa)

DNA

: Deoxyribonucleic Acid

EPS

: Extracellular Polymeric Substance (Polyme ngoại bào)

GAC

: Granular activated carbon (Than hoạt tính dạng hạt)

GC-MS

: Gas chromatography Mass Spectroscopy (Sắc ký khí khối phổ)

HAAs

: Haloacetic acids

HKTS

: Môi trƣờng hiếu khí tổng số

LB

: Luria Bertani

LC50

: Lethal Concentration (Nồng độ của hóa chất có thể tiêu diệt 50% các
loài động vật thử nghiệm trong một thời gian nhất định)

MPA

: Môi trƣờng Meat-Peptone-Agar

NCBI

: National Center for Biotechnology Information (Trung tâm Thông
tin Công nghệ Sinh học Quốc gia)

NOMs

: Natural Organic Matters (các chất hữu cơ tự nhiên)

OD

: Optical Density (Mật độ quang)

PAHs

: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (Hợp chất hydrocarbon thơm đa
vòng)

PAC

: Powered activated carbon (Than hoạt tính dạng bột)

PCBs

: Polychlorinated biphenyls

ppm

: Parts per million (Đơn vị một phần triệu)

RNA

: Ribonucleic Acid

rRNA

: Ribosomal Ribonucleic Acid

USEPA

: United States Environmental Protection Agency (Cơ quan bảo vệ môi
trƣờng Mỹ)

WHO

: World Health Organization

3


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1: Công thức hóa học, trọng lƣợng phân tử và cấu trúc hóa học của một số
loại PAH ....................................................................................................................10
Bảng 1. 2: Tính chất vật lý của một số loại PAH......................................................12
Bảng 2. 1: Máy móc và thiết bị dùng trong đề tài .....................................................27
Bảng 3. 1: Hình thái khuẩn lạc của 10 chủng vi khuẩn đã sàng lọc đƣợc. ...............37
Bảng 3. 2: Hình thái khuẩn lạc và hình thái tế bào của 5 chủng vi khuẩn đƣợc lựa
chọn ...........................................................................................................................40
Bảng 3. 3: Kết quả phân loại và định tên của 5 chủng vi khuẩn lựa chọn ................41
Bảng 3. 4: Sự thay đổi hàm lƣợng naphthalene, anthracene, pyren trong các mẫu
nghiên cứu. ................................................................................................................53

4


DANH MỤC HÌNH

Hình 1. 1. Quá trình chuyển hóa của Benzo[a]pyren dƣới sự xúc tác của phức hệ
Cytochrom P450. .......................................................................................................15
Hình 1. 2. Quá trình chuyển hóa PAH bởi vi sinh vật. ............................................22

Hình 3. 1. Mẫu làm giàu vsv trên nguồn cơ chất PAH (A), hỗn hợp PAH và
glucose(B) .................................................................................................................36
Hình 3. 2. Tập đoàn vi sinh vật trên môi trƣờng khoáng Gost và PAH: không chứa
glucose (A), có chứa glucose (B). .............................................................................36
Hình 3. 3. Biofilm của 10 vi khuẩn tuyển chọn tạo thành sau 24 h nuôi cấy đƣợc
nhuộm với dung dịch tím tinh thể 0,1% ....................................................................38
Hình 3. 4. Đồ thị mật độ quang phổ đánh giá khả năng hình thành biofilm .............39
Hình 3. 5. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên sự sinh trƣởng của chủng B11 và B17 trên
môi trƣờng chứa PAH ...............................................................................................42
Hình 3. 6. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên sự sinh trƣởng của chủng B21 và B24 trên
môi trƣờng chứa PAH ...............................................................................................43
Hình 3. 7. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên sự sinh trƣởng và phát triển của chủng B23
trong môi trƣờng chứa PAH ......................................................................................43
Hình 3. 8. Ảnh hƣởng của pH lên sự sinh trƣởng và phát triển của chủng B11 và
chủng B17 trên môi trƣờng chứa PAH .....................................................................44
Hình 3. 9. Ảnh hƣởng của pH lên sự sinh trƣởng của chủng B21 và chủng B24 .....45
Hình 3. 10. Ảnh hƣởng của pH lên sự sinh trƣởng của chủng B23 ..........................45
Hình 3. 11. Ảnh hƣởng của nồng độ muối NaCl lên sự sinh trƣởng của các chủng vi
khuẩn B11và B17. .....................................................................................................46
Hình 3. 12. Ảnh hƣởng của nồng độ muối NaCl lên sự sinh trƣởng và phát triển của
các chủng vi khuẩn B21 và B24. ...............................................................................47
Hình 3. 13. Ảnh hƣởng của nồng độ muối NaCl lên sự sinh trƣởng và phát triển của
chủng vi khuẩn B23. .................................................................................................47

5


Hình 3. 14. Ảnh hƣởng của nồng độ naphthalene 200 ppm lên sự sinh trƣởng của
các chủng vi khuẩn B11, B17, B21, B23, B24 sau 9 ngày nuôi. ..............................49
Hình 3. 15. Ảnh hƣởng của nồng độ anthracene 400 ppm lên sự sinh trƣởng của các

chủng vi khuẩn B11, B17, B21, B23, B24 sau 9 ngày nuôi. ....................................50
Hình 3. 16. Ảnh hƣởng của nồng độ pyren 350 ppm lên sự sinh trƣởng của các
chủng vi khuẩn B11, B17, B21, B23, B24 sau 9 ngày nuôi. ....................................50
Hình 3. 17: Khả năng sinh trƣởng và phát triển của các chủng vi khuẩn lựa chọn
trong màng sinh học trên nguồn cơ chất: (A) naphthalene 200ppm, (B) anthracene
450ppm, (C) pyrene 400ppm. ...................................................................................52

6


MỞ ĐẦU
Công nghiệp dầu khí là một ngành kinh tế-kỹ thuật quan trọng trong chiến
lƣợc phát triển kinh tế của đất nƣớc. Sau hơn 30 năm xây dựng và phát triển, ngành
Dầu khí Việt Nam đã có những bƣớc tiến vƣợt bậc, tuy nhiên quá trình khai thác,
vận chuyển, chế biến và lƣu trữ dầu hiện đang phát thải ra môi trƣờng một lƣợng
lớn các chất thải độc hại nhƣ: phenol, aldehyte, các hợp chất chứa lƣu huỳnh: S2O32,Na2S và đặc biệt là các hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs - Polycyclic Aromatic
Hydrocarbons).
PAHs là những hợp chất hữu cơ chứa hai hay nhiều vòng hydrocarbon thơm
liên kết với nhau, chúng là thành phần có trong các sản phẩm của dầu mỏ đặc biệt
là dầu FO . Khi PAHs bị xả thải vào môi trƣờng chúng phát tán vào đất, không khí,
các nguồn nƣớc và các lớp trầm tích, PAHs trong tự nhiên thƣờng tồn tại ở dạng
hỗn hợp chúng có thể xâm nhập vào cơ thể con ngƣời và ảnh hƣởng tới các cơ quan
trong cơ thể, ở mức độ gen chúng có thể gây ra đột biến, bởi chúng có khả năng gắn
vào các phân tử DNA, RNA, hoặc protein, gây nên những biến đổi ở mức phân tử.
Hiện nay trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam đã có nhiều phƣơng pháp xử lý khác
nhau đƣợc đề xuất và áp dụng, đặc biệt là các biện pháp xử lý theo phƣơng pháp
phân hủy sinh học do có nhiều ƣu điểm nhƣ: không đòi hỏi các điều kiện phức tạp,
không gây ra ô nhiễm thứ cấp, thân thiện với môi trƣờng, chi phí thấp. Tuy nhiên
phƣơng pháp này cũng có một số mặt hạn chế nhƣ: thời gian xử lý còn kéo dài, quá
trình xử lý còn phụ thuộc vào dạng vi sinh vật, hiệu quả xử lý còn phụ thuộc vào

khả năng phân hủy và các điều kiện tối ƣu của các chủng vi sinh vật.
Để khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm trên, công nghệ phân hủy sinh học đã
và đang đƣợc ứng dụng rộng rãi. Trong số các công nghệ phân hủy sinh học, công
nghệ sử dụng màng sinh học (biofilm) đƣợc xem là mới và có hiệu quả trong xử lý
ô nhiễm các hợp chất PAH. Biofilm là một tập hợp bao gồm nhiều tế bào vi sinh vật
của một hoặc một số loài đƣợc tạo thành trên một bề mặt hoặc mặt phân cách của
môi trƣờng nƣớc và không khí, các cá thể trong biofilm có thể chịu đƣợc các ảnh
hƣởng khắc nghiệt hoá, lý của môi trƣờng. Thêm vào đó, nhờ quá trình hình thành

7


biofilm, các sinh vật này có thể hấp thụ đƣợc các chất dinh dƣỡng tốt hơn, tạo đƣợc
mối liên hệ giữa các tế bào với nhau và hạn chế đƣợc sự cạnh tranh của các vi sinh
vật khác trong cùng điều kiện môi trƣờng sống.
Từ những yêu cầu thực tiễn nêu ra ở trên, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề
tài: “Nghiên cứu khả năng phân hủy hợp chất thơm của các chủng vi khuẩn tạo
màng sinh học, nhằm định hƣớng ứng dụng trong xử lý nƣớc ô nhiễm dầu”.
Với mục đích tìm kiếm ra các chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy các PAH tốt và
có khả năng tạo màng cao để gắn vào các giá thể đƣa vào hệ thống xử lý nƣớc ô
nhiễm dầu.
Các nội dung nghiên cứu chủ yếu bao gồm:
1.

Phân lập, tuyển chọn một số chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy

các hợp chất vòng thơm cao từ hố thu nƣớc thải các bể chứa của kho xăng B12.
2.

Đánh giá khả năng tạo màng của các chủng vi khuẩn đại diện.

3.

Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số điều kiện hóa lý và nồng độ cũng

nhƣ các loại PAH đến khả năng sinh trƣởng của các chủng vi khuẩn lựa chọn
4.

Đánh giá khả năng phân hủy các PAH của màng sinh học (biofilm) do

các chủng vi khuẩn lựa chọn tạo thành

8


Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tình trạng nƣớc ô nhiễm dầu trên thế giới và ở Việt Nam
Ngày nay, dầu mỏ là một trong những mối quan tâm hàng đầu đối với tất cả
các nƣớc trên thế giới, nó đe dọa nguồn an ninh năng lƣợng của toàn cầu. Hầu nhƣ
dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ có mặt trong tất cả các hoạt động kinh tế cũng
nhƣ sinh hoạt hàng ngày của con ngƣời. Đi đôi với những lợi ích từ việc thu hồi
dầu, chúng ta còn phải đối mặt với những nguy cơ ô nhiễm do chúng gây ra. Hàng
năm có khoảng 10 triệu tấn dầu trên thế giới bị thất thoát gây ô nhiễm môi trƣờng.
Theo thống kê của ITOPF (International Tanker Owners Pollution Federation) trên
thế giới từ năm 1970 đến năm 2011 đã có 5,7 tấn dầu bị thoát ra môi trƣờng do sự
cố tràn dầu và có xu hƣớng giảm dần qua các năm tuy nhiên các vụ tràn dầu lớn lại
xảy ra nhiều hơn. Nguyên nhân và sự cố tràn dầu xảy ra rất khác nhau, ảnh hƣởng
đáng kể đến lƣợng dầu tràn ra môi trƣờng. Các vụ tràn dầu nhỏ (≤ 7 tấn) và trung
bình (≤ 700 tấn) chủ yếu do các hoạt động vận chuyển, tháo dỡ và chiếm 95% tổng
số vụ dầu tràn, trong khi đó các vụ tràn dầu lớn (> 700 tấn) chỉ chiếm 5%, dầu tràn

là do hoạt động thăm dò, khai thác và các vụ tai nạn, sự cố gây ra. [51]
Việt Nam là nƣớc đứng thứ tƣ về khai thác dầu khí ở khu vực Đông Nam Á
sau Malysia, Indonesia, Philippine và đứng thứ 44 trong danh sách các nƣớc sản
xuất dầu lửa trên thế giới. Từ năm 1987 đến nay, đã xảy ra hơn 90 vụ tràn dầu, gây
ra tổn thất lớn về sinh thái và kinh tế xã hội. Trong đó, có ba nguyên nhân chính dẫn
đến sự cố tràn dầu là do va chạm, quá trình bốc dỡ và đắm tàu. Lƣợng dầu tràn gây
ô nhiễm biển Việt Nam đến năm 1992 là 7.380 tấn, năm 1995 là 10.020 tấn và theo
mức độ gia tăng của vận tải biển, khai thác dầu khí và công nghiệp hóa, năm 2000
lên đến 17.650 tấn. Dự báo đến năm 2010, lƣợng dầu tràn gây ô nhiễm biển Việt
Nam có thể lên đến trên 21.000 tấn [4]. Theo báo cáo của Tổng cục môi trƣờng, hiện
trạng ô nhiễm vùng ven biển Việt Nam năm 2010 thì Vịnh Hạ Long là nơi ô nhiễm dầu
mạnh nhất cả nƣớc, vùng nƣớc cảng Cái Lân có thời điểm hàm lƣợng dầu trong nƣớc
biển đạt tới 1,75 mg/l gấp 18 lần tiêu chuẩn Việt Nam (tiêu chuẩn nƣớc mặt ven biển

9


của việt nam là 0,1mg/l), có đến 1/3 diện tích bề mặt vịnh thƣờng xuyên có hàm lƣợng
dầu từ 1 đến 1,73 mg/l. [49]
Nƣớc ô nhiễm dầu có ảnh hƣởng nghiêm trọng đến hầu hết các sinh vật sinh sống,
hoạt động trong khu vực này, do trong nƣớc ô nhiễm dầu có nhiều thành phần độc
hại nhƣ: benzen, phenol, toluen và đặc biệt là PAHs, đây là những hợp chất hữu cơ
chứa vòng thơm độc hại, khó phân hủy và là một trong những tác nhân gây ra mùi
khó chịu gây tác động xấu tới môi trƣờng sinh thái, ảnh hƣởng tới sản xuất nông
nghiệp, gia tăng bệnh tật và tỷ lệ ngƣời mắc bệnh ngay cả ở nồng độ rất thấp, nó
cũng là tác nhân tiềm ẩn gây ung thƣ. Chính vì vậy, việc loại bỏ PAHs ra khỏi
nguồn nƣớc thải là một việc làm cần thiết và cấp bách.
1.2. Đặc điểm cơ bản của hợp chất hydrocacbon vòng thơm đa nhân
1.2.1. Tính chất hóa lý
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons viết tắt là PAHs đƣợc sử dụng để chỉ các

hợp chất hữu cơ gồm hai hay nhiều vòng benzen liên kết với nhau. Có hàng trăm
loại PAH khác nhau đƣợc tìm thấy trong đó có 17 loại PAH đƣợc nghiên cứu tỉ mỉ
bởi độ độc hại và khả năng gây ung thƣ của chúng đối với con ngƣời (Bảng 1.1).
Bảng 1. 1: Công thức hóa học, trọng lƣợng phân tử và cấu trúc hóa học của
một số loại PAH. [16, 50]
PAH

Công thức hóa

Trọng lƣợng

học

phân tử (g/mol)

Napthalene

C10H8

128

Acenaphthylene

C12H8

152

Acenapthene

C12H8

152

Fluorene

C13H10

166

Phenanthrene

C14H10

178

Anthracene

C14H10

178

10

Cấu trúc hóa học


Fluoranthene

C16H10

202

Pyrene

C16H10

202

Benzo(a)anthracene

C18H12

228

Chrysene

C18H12

228

Benzo(b)fluoanthene

C20H12

252

Benzo(k)fluoranthene

C20H12

252

Benzo(a)pyrene

C20H12

252

Perylene

C20H12

252

Dibenzo(a,h)anthracene

C22H14

278

Benzo(g,h,i)perylene

C22H12

276

C22H12

276

Indeno(1,2,3c,d)pyrene

Thông thƣờng PAH tồn tại ở dạng hỗn hợp, ít thấy ở dạng đơn lẻ. Tại nhiệt
độ thƣờng (từ 15-35oC), PAH tinh khiết tồn tại ở thể rắn, không màu hoặc có màu

11


trắng hay màu vàng chanh và có mùi hăng nhẹ. Tùy thuộc vào khối lƣợng phân tử
mà các PAH có những tính chất vật lý, hoá học khác nhau.
PAH là những chất kỵ nƣớc, những đặc điểm về khả năng hòa tan và áp suất
hơi của PAH là nhân tố chính ảnh hƣởng đến khả năng phân tán trong khí quyển,
thủy quyển và sinh quyển của chúng ta. Nói chung, PAH tăng tính kỵ nƣớc khi số
lƣợng vòng benzen tăng [19]. Khả năng hòa tan của PAH rất đa dạng, từ những chất
khó hòa tan nhất nhƣ indeno (1,2,3-c,d) pyrene với chỉ số hòa tan là 0, 19 µg/l cho
đến chất dễ hòa tan nhất nhƣ naphthalen có thể hòa tan tới 34,4 mg/l. Khả năng hòa
tan trong nƣớc của PAH thấp, dẫn đến các PAH có xu hƣớng bị hấp phụ trong cặn
bùn, đất đá và trầm tích. Điều này ảnh hƣởng rất nhiều tới khả năng phân hủy sinh
học của vi sinh vật đối với hợp chất này [14]. Một số đặc tính cơ bản của PAH đƣợc
mô tả trong bảng 1.2.
Bảng 1. 2: Tính chất vật lý của một số loại PAH. [16]
PAH

Độ tan trong nƣớc
(mg/l)

LogKow

Áp suất hơi (Pa)

Napthalene

34,4

3,37

10,8

Acenaphthylene

3,93

4,07

0,89

Acenapthene

3,88

4,03

0,30

Fluorene

1,90

4,18

0,09

Phenanthrene

1,29

4,57

2,27x10-2

Anthracene

0,073

4,54

3,60 x10-3

Fluoranthene

0,26

5,22

8,61 x10-3

Pyrene

0,14

5,18

3,39 x10-3

Benzo(a)anthracene

0,014

5,91

2,20 x10-5

Chrysene

0,0020

5,91

5,70 x10-7

Benzo(b)fluoanthene

0,0015

6,50

5,00 x10-7

Benzo(k)fluoranthene

0,00081

6,84

5,20 x10-8

Benzo(a)pyrene

0,00380

6,50

7,32 x10-7

12


Perylene

0,00040

6,50

5,31 x10-9

Dibenzo(a,h)anthracene

0,00050

7,19

1,33 x10-8

Benzo(g,h,i)perylene

0,00026

6,85

1,39 x10-8

Indeno(1,2,3-c,d)pyrene

0,00019

7,66

-

Kow: là hệ số phân ly octanol trong nƣớc
Hệ số Kow tỷ lệ nghịch với độ hòa tan trong nƣớc của PAH, khi hệ số Kow
cao khả năng hòa tan của PAH giảm, các PAH có xu hƣớng tăng khả năng hấp phụ
lên bề mặt các vật liệu rắn tƣơng ứng với sự giảm khả năng phân hủy sinh học.
Áp suất hơi cũng có vai trò quan trọng trong quá trình xử lý loại bỏ PAH
khỏi các địa điểm ô nhiễm, nó ảnh hƣởng đến khả năng hóa hơi của mỗi PAH bởi
khi áp suất hơi tăng, khả năng bay hơi cũng tăng. [31]
PAH là hợp chất tƣơng đối trơ về mặt hoá học, do đƣợc cấu tạo từ những
vòng benzene nên PAH có tính chất của hydrocacbon thơm: chúng có thể tham gia
phản ứng thế và phản ứng cộng. PAH còn tham gia phản ứng quang hóa trong
không khí. Sau sự quang phân của PAH trong không khí, nhiều sản phẩm ôxi hóa

đã đƣợc hình thành, bao gồm quinon và endoperoxit. PAH có thể phản ứng với oxit
nitơ, axit nitric để hình thành các dẫn xuất nitơ của PAH và phản ứng với oxit lƣu
huỳnh, axit sulfuric trong dung dịch để hình thành sulfinic và axit sulfonic. PAH
cũng có thể tham gia phản ứng với ozon và gốc hydroxyl trong không khí.
1.1.2. Tính độc và ảnh hƣởng của PAH tới môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời
PAH sau khi hấp thụ vào cơ thể qua đƣờng hô hấp, đƣờng tiêu hóa và da
chúng đi vào hệ tuần hoàn máu và đƣợc vận chuyển trong vòng tuần hoàn máu bằng
nhiều cách khác nhau nhƣ: hòa tan trong huyết tƣơng, hấp thụ trên bề mặt hồng cầu
hoặc gắn với các thành phần khác của hồng cầu. Sau đó chúng đƣợc phân bố vào
các mô của các cơ quan khác nhau trong cơ thể nhờ hệ tuần hoàn, ở đây các PAH
chịu tác động của những chuyển hóa sinh học khác nhau sản phẩm của chúng là
những dẫn xuất có thể đào thải đƣợc và những dẫn xuất độc có hoạt tính mạnh và
độc hơn so với PAH.
Tính độc của PAH có thể biểu hiện qua:

13


- Nhiễm độc cấp tính: Các tế bào hồng cầu bị phá hủy nếu ngửi một lƣợng
lớn hơi naphtalen. [39]
- Nhiễm độc mãn tính: Với hỗn hợp chứa PAH nhƣ benzo[a]pyrene,
chrysene, benz[a]anthracene, benzo[b]fluoranthene, và dibenz[a,h]anthracene có thể
gây ung thƣ phổi đối với những ngƣời làm việc trong hầm lò than đá, hầm lò phát
xạ lộ thiên và khói thuốc lá. [13]
- Gây độc tế bào, gây độc gen và gây ung thƣ: Trong các nghiên cứu gần
đây, một số PAH đã đƣợc chứng minh là gây tổn hại tới DNA và là nguyên nhân
gây ra đột biến mà trong một số trƣờng hợp có thể dẫn đến ung thƣ. Tuy nhiên,
PAH không phải là hợp chất ban đầu phản ứng với DNA, chúng là tác nhân kích
hoạt trao đổi chất và chuyển đổi để hiển thị tác nhân gây ung thƣ genotoxic, chính
các tác nhân này sẽ phản ứng với DNA, cơ chế này thƣờng xảy ra ở sinh vật chuyển

hóa bậc cao [36]. Mặt khác khi PAH xâm nhập vào cơ thể chúng không tích lũy
nhƣ một số hợp chất hữu cơ tan trong mỡ khác, ví dụ PCBs. Thay vào đó, chúng
chuyển đổi sang dạng hợp chất có thể hòa tan trong nƣớc nhiều hơn, chính điều này
cũng có thể dẫn đến sự hình thành các chất trung gian có thể phản ứng với các DNA
làm rối loạn hoạt động bình thƣờng của gen, gây những đột biến trên gen và làm
ảnh hƣởng đến nhiều chức năng khác nhau của tế bào. [27]
Một trong những ví dụ điển hình nhất về khả năng gây ung thƣ của PAH là
Benzo[a]pyren (BaP). BaP là một thành phần trong khói thuốc lá, và là một trong
những nguyên nhân dẫn đến ung thƣ phổi do thuốc lá [13, 26]. Có rất nhiều nghiên
cứu đã chứng minh BaP có thể chuyển hóa thành các loại epoxyd với sự xúc tác của
phức hệ enzyme Cytochrom P450 có nhiều trong gan và ruột non (hình 1.1), mà
những epoxyd này có thể phản ứng với các DNA gây đột biến. [27]

14


Hình 1. 1. Quá trình chuyển hóa của Benzo[a]pyren dƣới sự xúc tác của phức hệ
Cytochrom P450. [27]
Mức độ gây độc của PAH còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: liều lƣợng,
thời gian tiếp xúc, loại PAH, qua đƣờng hấp thụ (ăn, uống, tiếp xúc qua da, v.v…),
các hợp chất khác mà ngƣời đó đang bị nhiễm, các yếu tố sinh học, ví dụ nhƣ tuổi,
giới tính, yếu tố di truyền, tình trạng sức khỏe và chế độ dinh dƣỡng. [23]
Tổ chức bảo vệ môi trƣờng Mỹ đã đƣa ra mức nồng độ an toàn của PAH
trong quá trình tiếp xúc không gây hại cho sức khoẻ Ví dụ: Không nên tiếp xúc với
một số chất PAH tại những nồng độ lớn hơn những mức sau: 0,3 mg anthracene/kg
cơ thể ngƣời, 0,06 mg acenaphthene/kg cơ thể ngƣời, 0,04 mg fluoranthene/kg cơ
thể ngƣời, 0,03 mg pyrene/kg cơ thể ngƣời v.v…
Hàm lƣợng từng PAH đơn lẻ đƣợc giải phóng ra môi trƣờng theo EPA có thể
gây ung thƣ trên ngƣời là: 1 pound (tƣơng đƣơng với 2,2 kg) đối với
benzo[b]fluoranthene, benzo[a]pyrene hoặc dibenz[a,h]anthracene; 10 pounds đối

với benz[a]anthracene; 100 pounds đối với acenaphthene, chrysene, fluoranthene
hay indeno[ 1,2,3-c,d]pyrene; hay 5000 pounds đối với acenaphthylene, anthracne,
benzo[k]fluoranthene, benzo[g,h,i]perylene, fluorene, phenanthrene hoặc pyrene .
[43]

15


Một vài nghiên cứu khác cũng đã đƣợc tiến hành trên đối tƣợng động, thực
vật. Kết quả cho thấy động vật nếu tiếp xúc với naphtalen 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, có thể gây chậm phát triển, thậm chí gây chết với chim, cá, động vật và
thực vật. Ngƣỡng độc của naphtalen cho loài cá vƣợc đã xác định LC50 là 240 g/l
(LC50 là liều gây chết 50% mẫu sinh vật thí nghiệm). Ngƣời ta cũng thử nghiệm
với một nhóm chuột cho sử dụng anthracen với lƣợng 1,8 mg. Kết quả thu đƣợc sau
hai tuần gây nhiễm là 40% chuột thấy có khối u [26, 38]. Sự tồn tại của các hợp
chất PAH trong môi trƣờng vùng bờ biển có thể đe dọa tới sức khỏe con ngƣời và
môi trƣờng biển thông qua các tác động trực tiếp hoặc qua các chuỗi thức ăn trong
chu trình vật chất. [44, 47]
Do tính độc hại nhƣ vậy, cơ quan bảo vệ môi trƣờng Mỹ (USEPA) đã liệt
PAH vào danh sách một trong những chất ô nhiễm điển hình và đã tiến hành kiểm
định sự có mặt của PAH trong hệ sinh thái dƣới nƣớc cũng nhƣ trên cạn. Để phòng
tránh sự xâm nhập của PAH, chúng ta cần hạn chế và kiểm soát sự phát sinh của
những hợp chất này trong sản xuất và sinh hoạt. Ví dụ nhƣ giảm thiểu việc sử dụng
những nguồn nguyên, nhiên liệu có thể sản sinh ra PAH trong giao thông và công
nghiệp, kiểm soát nghiêm ngặt các quá trình đốt để tránh các quá trình cháy không
hoàn toàn của một số lò đốt rác thải, hạn chế hút thuốc và ăn các sản phẩm nƣớng
cháy. [41]
1.2. Nguồn gốc phát sinh
PAH đƣợc hình thành chủ yếu từ 2 nguồn: nguồn tự nhiên và nguồn xuất

phát từ hoạt động của con ngƣời liên quan đến quá trình nhiệt phân ở nhiệt độ cao,
quá trình đốt cháy không hoàn các hợp chất hữu cơ. [37]
1.2.1. Nguồn tự nhiên
Các vụ cháy rừng, các phản ứng địa nhiệt, quá trình hóa thạch, các vụ núi
lửa phun trào,và các chất hữu cơ trong tự nhiên phân hủy cũng là nguồn tự nhiên
quan trọng, góp phần phát thải PAH vào môi trƣờng. Mức độ phát thải PAH phụ

16


thuộc vào điều kiện khí tƣợng, chẳng hạn nhƣ gió, nhiệt độ, độ ẩm và đặc điểm của
nguồn phát thải nhƣ: độ ẩm, loại gỗ và theo mùa…
1.2.2. Nguồn do hoạt động của con ngƣời:
- Các sinh hoạt hàng ngày của con ngƣời nhƣ: Sử dụng quá trình đốt cháy
nhiên liệu: gỗ, than, dầu, khí để sƣởi ấm và nấu ăn. Theo báo cáo của Tổ chức Y tế
Thế giới (WHO) gần đây cho biết hơn 75% ngƣời dân ở Trung Quốc, Ấn Độ và
Đông Nam Á và 50-75% dân số của Nam Mỹ và châu Phi sử dụng nhiên liệu rắn
nhƣ gỗ, để nấu ăn hàng ngày và PAH phát thải do quá trình này chiếm 32,8% tổng
số PAH phát thải do quá trình sinh hoạt. [45, 48]
- Các quá trình công nghiệp nhƣ: Khí thải từ các ngành công nghiệp đƣợc
sản xuất bằng nhiên liệu đốt cháy nhƣ xăng, dầu và than, PAH cũng có thể đƣợc
phát thải trong quá trình chế biến nguyên liệu nhƣ: nhôm, than cốc, hoặc quá trình
sản xuất nhƣ: công nghiệp hóa dầu, lốp xe cao su, xi măng, nhựa đƣờng và các
ngành công nghiệp nhựa, bảo quản gỗ, sản xuất nhiệt điện và tiêu huỷ chất thải,
hoặc các sự cố trong các ngành công nghiệp dầu khí, hóa chất, thuốc trừ sâu... Chen
và cs. (2007) đã nghiên cứu phát thải PAHs từ nhiệt phân lốp xe phế liệu. Tổng số
PAH ô nhiễm trong khí thải từ một nhà máy xử lý lốp xe phế liệu thông qua nhiệt
phân là 42,3 g / ngày. [20]
- Các phƣơng tiện giao thông: khói thải từ các phƣơng tiện giao thông nhƣ: ô
tô, tàu hỏa, máy bay và các loại xe có động cơ khác là nguồn ô nhiễm PAH chính

trong khu vực đô thị. PAH đƣợc hình thành trong khói thải do quá trình nhiệt phân
chất bôi trơn, cặn lắng đƣợc tích lũy trong động cơ và trong nhiên liệu, quá trình
tổng hợp các phân tử nhỏ và các hợp chất thơm có trong nhiên liệu [17, 32]. Tuy
nhiên lƣợng PAH phát thải còn phụ thuộc vào từng loại động cơ và nhiên liệu mà
các phƣơng tiện sử dụng, Zhu và cs. (2009) đã chỉ ra rằng động cơ diesel sử dụng
diesel sinh học có thể giảm 13,1% tổng lƣợng PAH phát thải và 15% benzo[a]pyren
so với việc sử dụng diesel thông thƣờng. [48]
- Các quá trình nông nghiệp: PAH phát sinh từ quá trình sử dụng thuốc trừ
sâu, thuốc diệt bƣớm, quá trình đốt cháy không hoàn toàn sinh khối là các phụ phẩm

17


trong nông nghiệp nhƣ: rơm, rạ, lạc, đỗ…quá trình sấy các sản phẩm nông nghiệp.
Nồng độ PAH phát thải phụ thuộc vào loại gỗ, loại lò và nhiệt độ đốt cháy, theo Lu
và các cộng sự. (2009) chỉ ra rằng lƣợng PAH phát thải do việc đốt rơm thay đổi từ
9,29-23,6 µg / g khi nhiệt độ tăng 200-700 0C. [30]
1.3. Các biện pháp xử lý ô nhiễm PAH
Do có cấu trúc vòng thơm và tính kỵ nƣớc cao, PAH là những hợp chất rất
bền về mặt hóa học, khó bị phân hủy trong môi trƣờng tự nhiên. Đến nay, trên thế
giới đã có một số phƣơng pháp để phân hủy PAH tạo ra các sản phẩm ít độc hoặc
không độc cho con ngƣời và môi trƣờng nhƣ: phân hủy sinh học, xử lý hóa học, lý
học, đốt ở nhiệt độ cao, chôn lấp v.v…
1.3.1. Phƣơng pháp hóa lý
PAH có thể đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp thiêu đốt thông thƣờng nhƣng
phƣơng pháp này đòi hỏi nhiệt độ lò đốt rất cao (1000 - 1200 0C). Hơn nữa, phƣơng
pháp này còn sinh ra một lƣợng khí thải thứ cấp lớn nhƣ NOx, các sản phẩm cháy
không hoàn toàn và các sản phẩm tái kết hợp của khí thải từ các lò thiêu đốt…
Phƣơng pháp quang hóa, sử dụng tia bức xạ, tia cực tím, hay áp suất cao để
phân hủy PAH cũng mang lại hiệu quả nhất định. Tuy nhiên, những phƣơng pháp

này có nhƣợc điểm là chỉ xử lý đƣợc trên bề mặt. [40]
Phƣơng pháp chôn lấp hay đƣợc áp dụng đối với nhiều chất thải, rác thải, kể
cả các chất thải nguy hại trong đó có chất độc hóa học. Ƣu điểm của phƣơng pháp
này là không tốn kém nhƣng nhƣợc điểm là các chất độc vẫn nằm trong đất chứ
không đƣợc phân hủy, các chất độc hóa học này sẽ là nguồn tiềm tàng gây ô nhiễm
cho môi trƣờng.
Phƣơng pháp hấp phụ, phổ biến nhất vẫn là công nghệ hấp phụ bằng than
hoạt tính. Than hoạt tính đã đƣợc áp dụng lâu đời trong xử lý nƣớc để loại bỏ các
chất ô nhiễm hữu cơ tự nhiên (NOMs), các chất ô nhiễm vô cơ, các chất hữu cơ
tổng hợp khó phân hủy nhƣ phenols, PAH, thuốc trừ sâu, chất tẩy rửa,..Than hoạt
tính đƣợc chế tạo từ nhiều nguồn vật liệu nhƣ gỗ, gáo dừa, nhựa than đá, ... Những
nguyên liệu này đƣợc hóa than từ từ ở nhiệt độ cao trong chân không, sau đó đƣợc

18


hoạt hóa ở nhiệt độ 700-1200oC (tùy thuộc vào vật liệu) trong điều kiện không có
oxy. Quá trình này tạo nên loại vật liệu hấp phụ xốp, với rất nhiều lỗ, hang nhỏ li ti,
bề mặt gồ ghề, với diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, có tác dụng hấp phụ và giữ các tạp
chất trong nƣớc. Than hoạt tính lọc nƣớc nhờ hai cơ chế chính: (1) lọc cơ học, giữ
lại các hạt cặn trong những lỗ rỗng nhỏ; (2) hấp phụ các tạp chất hòa tan trong nƣớc
bằng cơ chế hấp phụ bề mặt hoặc trao đổi ion. Sau một thời gian sử dụng (thời gian
này tùy thuộc vào loại và lƣợng chất ô nhiễm), than hoạt tính đƣợc hoàn nguyên
bằng nhiệt hay hóa chất (quá trình oxy hóa hay điện hóa). [2]
Than hoạt tính xử lý nƣớc gồm hai dạng chính: than hoạt tính dạng bột
(PAC) và than hoạt tính dạng hạt (GAC):
- Than hoạt tính dạng bột (PAC) đƣợc đƣa vào nƣớc trong quá trình keo tụ lắng. Trong quá trình keo tụ, thƣờng kết hợp với hóa chất keo tụ (phèn), bông cặn
PAC đƣợc hình thành, tiếp xúc và hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ trong nƣớc, sau
đó các bông keo tụ đƣợc loại bỏ ra khỏi nƣớc nhờ quá trình lắng cặn và lọc. Hạn
chế của phƣơng pháp này là đối với nguồn nƣớc bị ô nhiễm hữu cơ cao, lƣợng PAC

cần cho vào nƣớc lớn, tốn kém, và nếu sử dụng biện pháp này thƣờng xuyên sẽ tạo
ra lƣợng cặn lắng lớn. Do đó, phƣơng pháp này chỉ nên áp dụng trong trƣờng hợp
khẩn cấp, khi lƣợng chất ô nhiễm hữu cơ trong nƣớc nguồn tăng đột biến, nhƣ là
quá trình xử lý sơ bộ.
- Than hoạt tính dạng hạt (GAC) đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ một loại vật
liệu lọc. Có thể sử dụng GAC trong bể lọc riêng biệt, đặt sau bể lọc cát thông
thƣờng, để loại bỏ các chất hữu cơ còn lại trong nƣớc sau bể lọc cát. Thời gian sử
dụng của cột lọc GAC phụ thuộc vào loại và lƣợng chất ô nhiễm trong nƣớc. Thông
thƣờng, tuổi thọ GAC dùng để xử lý các sản phẩm phụ của Clo hóa (THMs và
HAAs) khoảng 6 – 12 tháng, để xử lý thuốc trừ sâu, các chất hữu cơ tổng hợp
khoảng 1 – 2 năm, để xử lý mùi và vị (từ các gốc aldehytes, phenols, …) khoảng 2 –
5 năm. [10]
Các phƣơng pháp này mặc dù có hiệu quả cao trong việc loại bỏ PAH tuy
nhiên không đƣợc triệt để vì sau khi xử lý vẫn còn tồn dƣ của PAH và các sản phẩm

19


trung gian có tính độc cao đồng thời mất khá nhiều thời gian. Trong những năm gần
đây, phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ chứa vòng thơm ngày càng đƣợc quan
tâm và ứng dụng. Phƣơng pháp này đơn giản, dễ tiến hành, tạo ra sản phẩm không
độc hại, thân thiện với môi trƣờng, giá thành lại rẻ hơn nhiều so với các phƣơng
pháp truyền thống do làm phá vỡ cấu trúc phân tử của chúng bằng cách sử dụng các
enzyme cắt vòng do chính các chủng vi sinh vật tại khu vực ô nhiễm. Trong quá
trình xử lý này, con ngƣời không tác động trực tiếp các biện pháp lý hóa vào quy
trình khép kín, do đó lƣợng nƣớc thải sau khi xử lý đƣợc đƣa vào tự nhiên sạch hơn
mà không bị biến đổi thành phần tính chất.
1.3.2. Phƣơng pháp phân hủy sinh học
Hiện nay, phƣơng pháp phân hủy sinh học đƣợc xem là an toàn, có thể xử lý
triệt để, không gây ô nhiễm thứ cấp và thân thiện với môi trƣờng. Một trong các

mục tiêu của phƣơng pháp này là thúc đẩy tập đoàn vi sinh vật bản địa tham gia vào
quá trình phân hủy ở mức cao nhất nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và kết quả cuối
cùng là các sản phẩm ít độc hoặc hoàn toàn không độc.
Việc tẩy độc bằng phân hủy sinh học có thể đƣợc tiến hành trong điều kiện
hiếu khí hoặc kỵ khí hoặc kết hợp với các phƣơng pháp khác, sau vài tháng hoặc vài
năm các chất ô nhiễm có thể đƣợc hoàn toàn loại bỏ [19, 24]. Xử lý chất ô nhiễm
theo phƣơng pháp phân hủy sinh học có thể đƣợc tiến hành theo hai hƣớng chính:
tăng cƣờng sinh học và kích thích sinh học.
- Tăng cƣờng sinh học: là phƣơng pháp sử dụng tập đoàn vi sinh vật bản địa
đã đƣợc làm giàu hoặc vi sinh vật sử dụng các chất độc từ nơi khác, thậm chí vi
sinh vật đã đƣợc cải biến về mặt di truyền bổ sung vào các môi trƣờng 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 nhƣ: sự cạnh tranh của vi sinh vật, độ độc của môi trƣờng; sự
thiếu hụt nguồn dinh dƣỡng, các chất đa lƣợng và vi lƣợng cần thiết cho hoạt động
phân hủy của vi sinh vật

20


- 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 trƣờng nhƣ độ pH, độ ẩm, nồng độ O 2, chất dinh
dƣỡng, các cơ chất, các chất xúc tác v.v... Tuy nhiên, nó chỉ có hiệu quả với một số
vùng và có thể không thu đƣợc kết quả nhƣ mong muốn.
Đôi khi ngƣời 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 dƣỡng để tạo điều kiện tối ƣu cho tập đoàn vi sinh vật bản địa hoạt động tốt
nhất. Nhƣ vậy, hoạt động của tập đoàn vi sinh vật bản địa cùng với hoạt động của vi
sinh vật ngoại lai sẽ tăng cƣờng hiệu quả của quá trình xử lý. [29]

Phƣơng pháp phân hủy sinh học không gây ra ô nhiễm thứ cấp, thân thiện
với môi trƣờng, chi phí thấp, do đó rất phù hợp với điều kiện ở nƣớc ta. Tuy nhiên,
phƣơng pháp sinh học thƣờng diễn ra với tốc độ chậm, thời gian xử lý kéo dài, khó
khăn trong việc giám sát khi đƣa các vi sinh vật từ nơi này sang nơi khác để xử lý ô
nhiễm ở khu vực lớn, nhất là với các vi sinh vật đã đƣợc chuyển gen. việc lên men
vi sinh vật với khối lƣợng lớn cũng là điều không dễ dàng và vô cùng tốn kém trong
việc xử lý ô nhiễm. [18]
1.3.2.1 Phân hủy sinh học PAH
Hiện nay có nhiều nghiên cứu về khả năng sử dụng các PAH của vi sinh vật,
các nghiên cứu đã chỉ ra rằng số lƣợng 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 hƣớng thích nghi, sau đó thay đổi cấu trúc về di truyền để
hƣớng đến việc phân hủy PAH. Hầu hết các vi sinh vật có khả năng phân hủy PAH
đều phân lập đƣợc từ các địa điểm ô nhiễm. [8, 25]
Quá trình chuyển hóa PAH bởi vi sinh vật có thể chuyển sang dạng không
độc hoặc chuyển hóa hoàn toàn thành CO2. Phân hủy PAH bởi vi sinh vật có thể
diễn ra theo một số con đƣờng trao đổi chất sau (Hình 1.2):

21


Hình 1. 2. Quá trình chuyển hóa PAH bởi vi sinh vật. [42]
- Chuyển hóa PAH bởi vi nấm. Hiện nay ngƣời ta đã biết đến các enzym
cytochrom P450 monooxygenaza đƣợc sinh ra bởi một số loài vi nấm. Các enzym
này tham gia chuyển hóa PAH đến dạng aren oxit, sau đó dạng hợp chất trung gian
này đƣợc hydrat hóa bởi enzym epoxyt hydrolaza đến dạng trans-dihydrodiols hoặc
đƣợc tái sắp xếp không có sự tham gia của enzym tạo thành dạng phenol và đƣợc
chuyển hóa thành dạng dễ hòa tan trong nƣớc hơn tạo điều kiện cho quá trình
chuyển hóa tiếp theo của chúng. Trong trƣờng hợp các vi sinh vật chỉ có thể thực
hiện theo cách chuyển hóa này thì chúng sẽ không sử dụng PAH nhƣ nguồn cacbon

mà chỉ có thể loại bỏ tính độc của PAH mà thôi.
- Chuyển hóa PAH đến quinon bởi nấm mốc trắng. Một số loại nấm mốc
trắng phân huỷ lignin và cellulo có trong gỗ sẽ chuyển hoá PAH đến quinon mà
không qua cis hoặc trans-dihydrodiol, quá trình chuyển hoá này có sự tham gia của
enzyme lignin peroxydaza.

22


- Chuyển hóa PAH bởi vi khuẩn. Các vi khuẩn này sinh ra enzyme
dioxygenase, enzyme này sẽ tấn công lên một trong các vòng thơm tạo thành cisdihydrodiol, hợp chất này đƣợc chuyển hóa tiếp nhờ enzym cis-dihydrodiol
dehydrogenase tạo thành các catechol đây là một chất trung gian quan trọng để cắt
vòng. Sự cắt vòng thơm có thể xảy ra giữa hai nhóm hydroxyl, ở vị trí ortho nhờ hệ
enzyme intradiol hay vùng kế cận của hai nhóm hydroxyl ở vị trí meta nhờ hệ
enzyme catechol 2,3-dioxygenaza. [42]
1.3.2.2. Công nghệ sử dụng màng sinh học trong xử lý nƣớc thải
a. Giới thiệu về chung về màng sinh học (biofilm)
- Định nghĩa: biofilm là một tập hợp các vi sinh vật bám trên một bề mặt của
vật thể rắn hoặc bề mặt chất lỏng, tạo thành lớp màng bao phủ bề mặt đó. Phần lớn
các vi sinh vật sinh trƣởng trên môi trƣờng bán lỏng đều có khả năng tạo ra màng
sinh học. Khu hệ vi sinh vật trong biofilm có khả năng chống chịu các điều kiện
khắc nghiệt của môi trƣờng tốt hơn, hỗ trợ trao đổi chất tốt hơn và hạn chế sự cạnh
tranh của các vi sinh vật khác. [34]
- Thành phần: biofilm gồm 2 thành phần chính:
+ Thành phần tế bào: Bao gồm tập hợp các tế bào của một hoặc nhiều loài vi
sinh vật khác nhau nhƣ vi nấm, vi tảo, xạ khuẩn, vi khuẩn. Trong biofilm các tế bào
tập hợp thành các đơn vị cấu trúc là các vi khuẩn lạc. Thành phần này đóng vai trò
quan trọng trong quá trình hình thành biofilm đặc biệt là giai đoạn đầu bởi nó quy
định đặc tính hình thành biofilm cho từng loài vi sinh vật, đảm nhiệm chức năng tiết
các hợp chất ngoại bào cũng nhƣ có chứa các yếu tố phụ trợ tế bào nhƣ lông roi,

lông nhung hỗ trợ cho việc bám dính của các tế bào khác lên bề mặt giá thể.
+ Thành phần mạng lƣới các hợp chất ngoại bào (EPS):Thành phần EPS rất đa
dạng tùy loài vsv, dạng biofilm và điều kiện hình thành. Nhƣng về cơ bản đều bao gồm
các thành phần chính sau: 3 – 37% là proteins, 9 – 50% là nucleic acid, 3 – 21% là
carbohydrate [15]. Các hợp chất này thay đổi theo không gian và thời gian tồn tại
của biofilm. Về cơ bản biofilm càng dày và thời gian tồn tại càng lâu thì có hàm lƣợng

23


EPS càng nhiều. Mật độ tế bào tập trung cao nhất ở lớp đỉnh của biofilm và giảm dần
theo độ sâu nhƣng thành phần EPS lại phong phú hơn ở vùng phía trong biofilm.
- Cấu trúc: Biofilm có cấu trúc không đồng nhất, bao gồm nhiều lớp vi
khuẩn hiếu khí bên trên và nhiều lớp vi khuẩn kỵ khí bên dƣới. Cấu trúc biofilm có
tổ chức, đặc thù và phản ánh các chức năng nhất định của biofilm. Trong biofilm có
các kênh vận chuyển, qua đó, cung cấp nƣớc, các chất dinh dƣỡng cho vsv tồn tại
trong chúng và đem chất thải đi. Giữa các tế bào vi khuẩn diễn ra sự trao đổi thông
tin liên tục đảm bảo cho biofilm đƣợc hình thành một cách chính xác. Chiều dày
của biofilm thay đổi từ một vài μm thậm chí đến vài cm tùy thuộc vào loài vsv, tuổi
biofilm, lƣợng dinh dƣỡng và áp lực dòng chảy. [21, 28]
b. Quá trình làm sạch nƣớc của màng sinh học
Cơ chất ô nhiễm từ nƣớc tiếp xúc với bề mặt màng sau đó đƣợc vận chuyển
vào bên trong màng theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng diễn ra quá trình
tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi cơ chất của vi sinh vật, theo thời gian màng
phát triển dày hơn bên trong màng hình thành một lớp kỵ khí nằm dƣới lớp hiếu khí
lớp màng này có vai trò hóa lỏng những chất rắn do màng sinh ra. Đối với những
loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân tử khối lớn không thể khuếch tán
vào sâu trong màng đƣợc chúng sẽ phân hủy thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại
bề mặt màng sau đó mới tiếp tục đƣợc vận chuyển và tiêu thụ bên trong màng. Sản
phẩm cuối cùng của màng đƣợc vận chuyển ra khỏi màng vào trong nƣớc.

Khi tốc độ phát triển của màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân
hủy nội bào, phân hủy theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt của
dòng chảy màng đạt trạng thái cân bằng. Trong quá trình phát triển của màng khi
một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu, tại đó những
phản ứng sinh học có liên quan đến cơ chất này sẽ không xảy ra, và cơ chất này
đƣợc gọi là cơ chất giới hạn quá trình. Ngoài chất hữu cơ các nguyên tố vết nhƣ
nitơ, photpho, kim loại và vi lƣợng nếu không có đủ trong nƣớc thải theo tỉ lệ của
phản ứng sinh học cũng sẽ trở thành yếu tố giới hạn của phản ứng. [5, 7]

24


1.3.2.3. Ứng dụng biofilm trong xử lý nƣớc thải ở nƣớc ta
Sử dụng biofilm là một biện pháp xử lý ô nhiễm tƣơng đối mới ở Việt Nam. Năm
2009, Đỗ Khắc Uẩn và cs đã sử dụng thành công hệ thống màng lọc vật lý gồm các
đơn nguyên màng vi lọc (kích thƣớc lỗ 0,22 µm) để xử lý nitơ, phốt pho và các chất
hữu cơ trong nƣớc thải đô thị [12]. Phạm Thị Hồng Đức và Lê Văn Cát (2010) đã sử
dụng màng lọc sinh học (biofilter) để loại bỏ nitơ trong hệ xử lý sinh học nhằm mục
đích tái sử dụng nƣớc nuôi giống thủy sản [6]. Trong nghiên cứu gần đây, Lê Thị
Nhi Công và cộng sự (2011) đã đánh giá khả năng tạo biofilm một số chủng vi
khuẩn và nấm men phân huỷ dầu, phân lập từ các mẫu nƣớc biển bị ô nhiễm dầu ở
Thanh Hoá và Vũng Tàu. Kết quả đã xác định đƣợc các chủng nhƣ Candida,
Acinetobacter, Bacillus, Rhodococcus... là những chủng vừa tạo biofilm vừa có khả
năng phân huỷ và chuyển hoá các thành phần dầu mỏ rất tốt. Hơn thế nữa, sau 24
giờ nuôi cấy, ở dạng tạo biofilm chúng còn có khả năng phân huỷ dầu tốt hơn ở
dạng tế bào planktonic [3]. Điều này cho thấy tiềm năng phong phú về chủng loại vi
sinh vật vừa tạo biofilm vừa phân huỷ và chuyển hoá hydrocarbon trong các mẫu
đất và nƣớc bị ô nhiễm dầu ở Việt Nam. Nhƣ vậy, nghiên cứu về biofilm sẽ mở ra
khả năng ứng dụng vai trò của các vi sinh vật đối với các hệ sinh thái và đời sống
con ngƣời.

25