Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật chịu mặn để xử lý ô nhiễm nền đáy tại âu thuyền Thọ Quang, Đà Nẵng

Nội dung text: Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật chịu mặn để xử lý ô nhiễm nền đáy tại âu thuyền Thọ Quang, Đà Nẵng

1. Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 22/ số 1 (Đặc biệt)/ 2017 ỨNG DỤNG CHẾ PHẨM VI SINH VẬT CHỊU MẶN ĐỂ XỬ LÝ Ô NHIỄM NỀN ĐÁY TẠI ÂU THUYỀN THỌ QUANG, ĐÀ NẴNG Đến tòa soạn 05/12/2016 Đỗ Văn Mạnh, Lê Xuân Thanh Thảo, Huỳnh Đức Long Trung tâm Công nghệ Môi trường tại Đà Nẵng, Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Tăng Thị Chính Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Vũ Đình Ngọ Đại học Công nghiệp Việt Trì SUMMARY THE APPLICATION OF SALT-TOLERANT MICROORGANISMS PRODUCT TO TREAT SEDIMENT POLLUTION IN THO QUANG DOCK, DA NANG The digestion efficiency of total organic carbon, nitrogen (TOC and T-N) of organic sludge (OS) by microorganism is examined in this study. OS is filled with volume of 5 L for four chambers, microorganism is added in dosing of 10, 5, 1 and 0 mL corresponding to B1, B2, B3 and B4, respectively. OS is collected from Tho Quang dock (Danang city), entire digested experiment is carried out in the lab scale during 63 days. The TOC and T- N removed efficiency of M1 is 32and 44%; M2 is 22 and 31%; M3 is 20 and 28%, and M4 is 12 and 14%, respectively, corresponding to initial values of 6575 and 70.5 mg/kg. It is surely conclusion that the big role of microorganism could contribute to reduce contaminant of the water body-bed. The obtained data of this work are high valuable to further studies and promising to improve environmental quality of coastal basin of Vietnam. Keywords: microorganism, total organic carbon, nitrogen 1. MỞ ĐẦU chưa được kiểm soát, trong đó nhiều Hiện nay, việc nghiên cứu nhằm kiểm nghiên cứu đã chỉ ra vai trò của vi sinh soát ô nhiễm tại các thủy vực ngày càng vật (VSV) trong thủy vực và đặc biệt nền được đề cập nhiều hơn do hoạt động gây đáy là rất quan trọng [1-7]. Sự có mặt của ô nhiễm từ nước thải xả vào các lưu vực các nhóm VSV trong môi trường không 52
2. những làm chức năng chỉ thị sinh học để do nước thải sinh hoạt và một phần nước đánh giá hiện trạng môi trường mà còn thải từ làng nghề, các hộ sản xuất nhỏ tùy đóng một vai trò quan trọng trong việc tiện thải xuống thủy vực tiếp nhận. Các duy trì sự cân bằng của tự nhiên. Nghiên nguồn ô nhiễm này thường làm tăng nồng cứu của Atreyee năm 2013 [1] và Huiluo độ các thành phần hữu cơ, dinh dưỡng và Cao năm 2011 [2] được thực hiện tại vịnh các kim loại nặng do đó vượt quá khả Jiaozhou phía Bắc Trung Quốc, khu bảo năng tự làm sạch của ao hồ, dẫn đến suy tồn thiên nhiên Po Mai ven biển của Hồng thoái chất lượng nước, thiếu hụt oxy, tăng Kông đã cho thấy cấu trúc quần xã của tác lượng trầm tích. Từ đó, khiến cho môi nhân oxy hóa amoniac hiếu khí gồm trường nước của nhiều ao hồ đục bẩn, amoniac-oxy hóa Betaproteobacteria biến thành màu đen, hệ thống sinh thái bị (Beta-AOB) và vi khuẩn cổ oxy hóa đe dọa và rối loạn nghiêm trọng. amoniac (AOA) và gần đây hơn, tác nhân 2. THỰC NGHIỆM kị khí oxy hóa amoni (anammox) bởi vi 2.1. Hóa chất khuẩn có thể thích ứng ở điều kiện môi Nghiên cứu sử dụng chế phẩm VSV chịu trường bao gồm độ mặn, pH, các ion kim mặn dạng nước được phân lập từ mẫu bùn loại, nồng độ nitơ vô cơ, tổng phốt pho, tỷ và mẫu nước thu nhận tại khu vực âu lệ carbon hữu cơ-nitơ và các yếu tố trầm thuyền Thọ Quang thành phố Đà Nẵng, tích như kích thước hạt trung bình. Những sau đó nuôi cấy và phối trộn để có được nghiên cứu này đều chỉ ra mối quan hệ chế phẩm theo yêu cầu nhằm sử dụng cho giữa nồng độ các chất ô nhiễm và mắt quá trình thí nghiệm. Các chủng VSV xích vi sinh vật trong vai trò chuyển hóa được phân lập bao gồm Bacillus suptilis chúng trong tự nhiên, tốc độ chuyển hóa (DN 13) - Sinh enzym kitinase phân giải các chất ô nhiễm đều phụ thuộc vào nồng mạnh kitin; Bacillus amyloquenfacciens độ và các yếu tố tác động bên ngoài môi (TQ10)- sinh enzym amylase, enzym trường và mật độ VSV trong môi trường. xenlulase; Bacillus amyloquenfacciens Tại Việt Nam, nghiên cứu về các thủy vực (TQ12)- sinh enzym amylase, enzym cũng đã dần được đề cập trong thời gian xenlulase và Bacillus licheniformis gần đây, tuy nhiên các công trình mới chỉ (TQ21) - Sinh enzym protease. Mật độ tập trung phần lớn vào các ao hồ tại các các nhóm VSV như sau: đô thị lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí DN13: 2,9 108 CFU/ml; Minh và một số tỉnh thành khác như Đà TQ10: 3,1 108 CFU/ml; Nẵng, Đà Lạt, Hà Nam, Thái TQ12: 2,7 108 CFU/ml; Nguyên [8-10]. Các kết quả nghiên cứu TQ21: 3,5 108 CFU/ml. từ nhiều đề tài đều có nhận định nguyên Để so sánh hiệu quả, nghiên cứu sử dụng nhân gây ô nhiễm chính các thủy vực là thêm chế phẩm BIO-EM có chứa VSV 53
3. phân hủy protein, tinh bột, xenllulo, kitin Đối với mẫu bùn, việc lấy mẫu được thực với mật độ tổng là 3,7 109 CFU/ml. hiện bằng thiết bị lấy mẫu bùn trầm tích Ngoài ra, trong quá trình thí nghiệm của hãng Wilco/Mỹ. Tổng lượng bùn cần không sử dụng bất kỳ hóa chất nào khác. lấy là 25 kg. Đối với mẫu nước, việc lấy 2.2. Thiết bị mẫu được thực hiện bằng thiết bị lấy mẫu Việc thí nghiệm được tiến hành trong các nằm ngang của hãng Wilco/Mỹ, độ sâu bể bằng thủy tinh có kích thước chiều dài của mẫu ở vị trí cách mặt nước khoảng 3 rộng cao của mỗi bể là 50 50 40 cm, m, đây là vị trí khoảng giữa tính từ mặt các bể này được ghép nối với nhau tạo nước đến đáy âu thuyền. thành dãy bể dính liền như hình dưới: Toàn bộ mẫu bùn và mẫu nước sau khi lấy được chứa trong 2 thùng cách nhiệt riêng biệt và vận chuyển về phòng thí nghiệm. 2.4. Tiến hành thí nghiệm Việc đánh giá được tiến hành bằng cách sử dụng mẫu bùn và nước thu nhận được từ Âu thuyền Thọ Quang sau đó tiến hành Hình 1. Mô hình thử nghiệm bổ sung chế phẩm VSV được phân lập có Mô hình thí nghiệm được đặt trong phòng nguồn gốc từ bùn và nước của Âu thuyền có nhiệt độ khoảng từ 25-32 C, trên mỗi Thọ Quang. Mẫu sau khi mang về phòng bể được đánh số từ 1 đến 4. Ngoài ra còn thí nghiệm được đồng nhất và định lượng có 1 bể rời được đánh số thứ tự là 5. vào các bể với thể tích như nhau: 05 kg 2.3. Quy trình thí nghiệm bùn và 05 lít nước/bể. Sau đó tiến hành bổ Hỗn hợp mẫu sử dụng cho thí nghiệm bao sung chế phẩm và bắt đầu quá trình theo gồm mẫu nước và mẫu bùn được lấy tại dõi. Lượng chế phẩm được bổ sung vào khu vực bên trong Âu thuyền Thọ Quang. các bể với thể tích lần lượt là: 10, 5, 1 và Vị trí lấy mẫu là điểm giao tiếp của vùng 0 ml tương ứng với các bể có số thứ tự từ tiếp nhận nước thải từ các cống xả nước 1 đến 4. Bên cạnh đó, để đánh giá khả thải từ các khu dân cư và đặc biệt là nước năng thích ứng của chế phẩm mới tạo ra thải từ trạm xử lý nước thải tập trung Khu so sánh với chế phẩm thương mại bằng công nghiệp Dịch vụ thủy sản Thọ Quang cách chuẩn bị bể số 5 nhưng được bổ với nước thải từ khu vực tiếp nhận sung chế phẩm thương mại BIO-EM. nguyên liệu hải sản vào khu vực chợ. Do Ngay sau khi bổ sung chế phẩm, tiến hành đó thành phần các chất hữu cơ có chứa lấy mẫu nước và mẫu bùn của tất cả 5 bể protein, lipit, xenlulo và tinh bột cao. để tiến hành phân tích các chỉ số ban đầu của quá trình thử nghiệm. 54
4. Tiến hành thực nghiệm trong 02 tháng, nhanh hằng tuần. Chỉ số pH trung bình định kì 07 ngày/lần lấy mẫu bùn để phân của các mẫu là 7,8; độ muối là 23,5‰ và tích, theo dõi sự thay đổi của các thông nhiệt độ dao động trong khoảng từ 25 đến số: TOC, TN, mật độ VSV hiếu khí, kị 30 °C. Tại Bảng 1 cho thấy, chỉ số pH của khí; VSV phân giải protein, kitin, tinh bột mẫu cũng như nồng độ muối không thay và xenlulo. Ngoài ra, nghiên cứu cũng đổi nhiều trong suốt quá trình thử nghiệm, theo dõi các chỉ tiêu hóa lý của mẫu nước. điều này chứng tỏ các hoạt động sống và 2.5. Phương pháp phân tích sinh trưởng của các chủng VSV bổ sung Phân tích thông số môi trường đã nêu trên không làm thay đổi những thông số trên. theo phương pháp và thiết bị như sau: Bảng 1. Các thông số đo nhanh hàng tuần Với mẫu nước: Nhiệt độ, pH, nồng độ muối được đo bằng thiết bị đo pH TOADKK, Nhật Bản. Với mẫu bùn: Tổng Carbon hữu cơ được xác định theo TCVN 6642:2000 bằng thiết bị TOC - VCPH/CPN Shimazu, Nhật Bản. Tổng Nito được xác định theo TCVN Sau mỗi tuần thử nghiệm, các mẫu bùn tại 6498:1999 bằng thiết bị TOC - VCPH/CPN mỗi bể được lấy để xác định tổng hàm Shimazu, Nhật Bản. lượng cacbon hữu cơ, tổng nitơ và các chỉ Mật độ vi sinh vật kị khí được xác định số vi sinh. Kết quả phân tích nhằm đánh theo TCVN 6191-2:1996. giá khả năng thích ứng cũng như hiệu quả Mật độ VSV hiếu khí, VSV phân giải xử lý bùn của chế phẩm được mô tả sau protein; VSV phân giải kittin; VSV phân đây. giải tinh bột; VSV phân giải cellulose 3.2. Khả năng thích ứng của chế phẩm được xác định theo TCVN 4884:2001. Hình 2 biểu thị mật độ của các nhóm 2.6. Phương pháp xử lý số liệu VSV tại bể thử nghiệm số 1 với lượng chế Toàn bộ kết quả của quá trình thực phẩm bổ sung là 10 ml. Trong tuần đầu nghiệm đều được lấy giá trị trung bình và tiên sau khi cho chế phẩm thì các nhóm có độ lặp lại ba lần, số liệu trình bày trong VSV bắt đầu phát triển. Đối với tổng các bảng biểu và hình được thống kê và VSV hiếu khí, mật độ VSVnhóm này tăng vẽ đồ bằng phần mềm Microsoft Excel. 1,9 lần sau 1 tuần thử nghiệm, sau thời 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN gian khoảng 4 tuần thì mật độ VSV thuộc 3.1. Sự thay đổi của các thông số hóa lý nhóm này tương đối ổn định và tăng hơn Trong suốt quá trình, các chỉ số pH, nồng 5 lần so với thời điểm ban đầu. độ muối và nhiệt độ của mẫu đều được đo 55
5. Đối với VSV phân giải protein, sau khi bổ bổ sung chế phẩm thì mật độ VSV thuộc sung chế phẩm vào mẫu cho thấy mật độ nhóm phân giải tinh bột đạt 7,2 lần và mật VSV nhóm này tăng lên khá nhanh, đạt tỷ độ VSV nhóm phân giải cellulose đạt 4,0 lệ 19,5 lần sau 1 tuần và đạt 40,9 lần sau lần sau đó mật độ của cả 2 nhóm này bắt khoảng thời gian 3 tuần. Tuy nhiên, đến đầu giảm, nhưng vẫn duy trì ở mức 1,7 tuần thứ 5 thì mật độ VSV thuộc nhóm lần đối với nhóm phân giải tinh bột và 3,3 này bắt đầu giảm dần nhưng vẫn duy trì ở lần đối với nhóm phân giải xenlulo sau 2 mức cao, điều này có thể do nguyên nhân tháng thử nghiệm. hàm lượng các thành phần hữu cơ có chứa Đối với các bể số 2 và số 3, tỷ lệ chế protein giảm đáng kể trên lớp bề mặt. Sau phẩm bổ sung vào các bể này theo thể tích 2 tháng thử nghiệm mật độ VSV thuộc tương ứng là 5 và 1 ml nên mật độ các nhóm này vẫn duy trì và đạt 14,8 lần so nhóm VSV bổ sung thấp hơn nhiều so với với thời điểm ban đầu. bể số 1. Từ Hình 3 và Hình 4 cho thấy, mật độ các nhóm VSV phân giải protein, kitin, tinh bột và xenlulo đều tăng lên sau khoảng thời gian thử nghiệm, tuy nhiên mức độ tăng thấp hơn so với Bể 1. Hình 2. Tỷ lệ tăng mật độ VSV tại Bể 1 Đối với nhóm VSV phân giải kitin, mật độ VSV thuộc nhóm này tăng 8,6 lần sau 1 tuần và tăng lên 41,4 lần sau 4 tuần nuôi cấy sau đó mật độ VSV nhóm này bắt đầu Hình 3. Tỷ lệ tăng mật độ VSV tại Bể 2 giảm dần và sau 2 tháng thử nghiệm thì mật độ VSV thuộc nhóm này vẫn duy trì ở mức 9,3 lần so với thời điểm ban đầu. Đối với nhóm VSV phân giải tinh bột và phân giải xenlulo thì mật độ VSV thuộc các nhóm này cũng tăng lên nhưng mức độ tăng thấp hơn. Sau 1 tuần kể từ khi bổ sung chế phẩm thì mật độ VSV phân giải Hình 4. Tỷ lệ tăng mật độ VSV tại Bể 3 tinh bột tăng 4,0 lần trong khi đó mật độ Đối với bể số 4, từ Hình 5 cho thấy mật VSV phân giải cellulose tăng khoảng 2,6 độ các nhóm VSV tương ứng gần như ít lần. Sau thời gian 4 tuần kể từ khi bắt đầu biến động sau thời gian thử nghiệm. 56
6. Ngoài ra, ở tất cả các mẫu, mật độ VSV phần TOC và TN tăng lên rõ rệt. Mức độ kỵ khí sau thời gian thử nghiệm 1 tuần xử lý tăng theo thời gian và thể tích chế cũng như trong suốt quá trình thử nghiệm phẩm bổ sung vào trong mẫu. Với hàm đều có xu hướng giảm dần, điều này có lượng TOC trung bình ban đầu trước khi thể do nguyên nhân chiều sâu của lớp bổ sung chế phẩm là 6575 mg/kg, sau 4 nước và bùn nhỏ, khả năng khuếch tán tuần thử nghiệm thì hiệu quả xử hàm oxy vào lớp nước và bùn tăng theo thời lượng TOC tại các bể 1, bể 2 bể 3 và 4 lần gian nên sẽ gây ức chế hoạt động của lượt là 22%, 6%, 5% và 4%. Giá trị này những nhóm VSV kỵ khí. tăng tương ứng sau 2 tháng thử nghiệm lần lượt là 32, 22, 20 và 12%. Hình 5. Tỷ lệ tăng mật độ VSV tại Bể 4 Hình 7. Hiệu quả xử lý TOC tại các bể Hình 6 cho thấy khả năng thích ứng của chế phẩm thương mại so với chế phẩm Đối với bể 4, mặc dù không được bổ sung thu nhận từ việc phân lập, tuyển chọn từ chế phẩm, tuy nhiên sau 2 tháng xử lý thì mẫu bùn và nước tại Âu thuyền. Ngay lượng TOC cũng giảm khoảng 12%. Điều tuần đầu tiên sau khi bổ sung chế phẩm, này chứng tỏ các nhóm VSV có khả năng mật độ các nhóm VSV tại bể 5 đều giảm phân hủy các thành phần có chứa cacbon đáng kể, điều này cho thấy khả năng thích hữu cơ đã có sẵn trong môi trường bùn ứng của các nhóm VSV là không tốt. của đáy Âu thuyền, tuy nhiên mật độ không cao nên hiệu quả xử lý chậm hơn. Hình 6. Tỷ lệ tăng mật độ VSV tại Bể 1 và 5 3.3. Đánh giá hiệu quả xử lý các thành Hình 8. Hiệu quả xử lý TN tại các bể phần hữu cơ có trong bùn Đối với Bể 1 được bổ sung lượng chế Từ Hình 7 và 8 cho thấy, sau khi bổ sung phẩm là 10 ml thì tốc độ phân giải TOC chế phẩm thì hiệu quả xử lý các thành tăng nhanh nhất trong thời gian 4 tuần đầu, 57
7. sau đó tốc độ này tăng chậm lại. Điều này 4. KẾT LUẬN có thể được lý giải thông qua hàm lượng Quá trình thử nghiệm cho thấy, các chủng TOC trong bùn ở lớp bề mặt giảm dần sau vi sinh vật được phân lập và tuyển chọn thời gian xử lý đồng thời mật độ của các từ bùn và nước của Âu thuyền Thọ Quang nhóm VSV có khả năng phân giải cabon có khả năng sinh trưởng và phát triển tốt hữu cơ ở lớp bùn cách bề mặt giảm dần. sau khi đưa trở lại môi trường của nó ở Đối với hàm lượng TN, từ Hình 8 cho điều kiện phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy sau khi bổ sung chế phẩm vào trong thấy những chủng VSV này có khả năng bùn thì tốc độ phân giải TN trong mẫu thích ứng và hoạt động mạnh trong môi cũng tăng lên đáng kể. Sau thời gian 5 trường có chứa các thành phần hữu cơ tuần kể từ khi bổ sung chế phẩm, hàm như protein, kitin, xenlulo cao với điều lượng TN trong bùn tại các bể 1, bể 2 và kiện nồng độ muối của môi trường là bể 3 đều giảm với tỷ lệ giảm tương ứng là 23,5 ‰. Hiệu quả xử lý cao nhất các 32, 19 và 16%. Đối với bể 4, mặt dù thành phần này được thể hiện thông qua không được bổ sung chế phẩm nhưng mức độ giảm nồng độ TOC, TN tương hàm lượng TN trong mẫu bùn thu nhận tại ứng với 32 và 44% sau 2 tháng thử cùng thời điểm sau 5 tuần thử nghiệm nghiệm. Như vậy, có thể khẳng định rằng cũng giảm khoảng 7%. Chứng tỏ có các VSV có vai trò rất lớn trong việc làm nhóm VSV phân giải nitơ có trong bùn. giảm thiểu các thành phần ô nhiễm có Tương tự như TOC, tốc độ phân giải hàm trong môi trường nước. Các số liệu thu lượng TN tại các bể tăng nhanh trong được trong nghiên cứu hoàn toàn có giá khoảng thời gian 5 tuần đầu kể từ khi bắt trị rất cao, có thể là tiền đề cho những đầu thử nghiệm. Kể từ tuần 6 trở đi thì tốc nghiên cứu chuyên sâu hơn, qua đó góp độ phân giải này chậm hơn. Kết thúc quá phần cải thiện chất lượng môi trường ở trình sau 2 tháng thử nghiệm cho thấy các lưu vực ven biển đang có nguy cơ ô hiệu quả xử lý hàm lượng TN trong các nhiễm nặng tại Việt Nam. bể thử nghiệm lần lượt là 44, 31, 28 và 14%. Từ kết quả trên ta có thể nhận định, TÀI LIỆU THAM KHẢO đối với nhóm VSV phân giải nito thì khả 1. A. Sims, Y. Zhang, S. Gajaraj, P. B. năng thích ứng và phát triển tương đối Brown, Z. Hu, “Toward the development mạnh, với thể tích chế phẩm bổ sung vào of microbial indicators for wetland các bể lần lượt là 10, 5 và 1 ml thì sau 2 assessment”, Water Research., 47, (5), tháng thử nghiệm, mật độ các nhóm vi 1,1711-1725, (2013) . sinh vật phân giải nitơ trong bùn tại Bể 1 2. H. Cao, M. Li, H. Dang, J. D. Gu, tăng nhanh nhất do đó hiệu quả xử lý tại “Responses of Aerobic and Anaerobic bể này tương đối cao. Ammonia/Ammonium - Oxidizing Microorganisms to Anthropogenic 58
8. Pollution in Coastal Marine 7. L. Yan, R. Inamori, P. Gui, K. Q. Xu, Environments”, Methods in Enzymology., H. N. Kong, M. Matsumura, Y. Inamori, 496, 35-62, (2010). “Distribution characteristics of ammonia- 3. C. Ahn, R. M. Peralta, “Soil bacterial oxidizing bacteria in the Typha latifolia community structure and physicochemical constructed wetlands using fluorescent in properties in mitigation wetlands created situ hybridization (FISH)”, J. Environ. in the Piedmont region of Virginia Sciences, 17(6), 993-997 (2005). (USA)”, EcologicalEngineering., 35 (7), 8. S. Seitzinger, J. A. Harrison, J. K. 1036-1042, (2009). Bohlke, A. F. Bouwman, R. Lowrance, B. 4. C. Dorador, A. Busekow, I. Vila, J. F. Peterson, C. Tobias, G. V. Drecht, Imhoff, K. P. Witzel, “Molecular analysis “Denitrification across landscapes and of enrichment cultures of ammonia waterscapes: a synthesis”, Ecological oxidizers from the Salar de Huasco, a Applications, 16, 2064-2090 (2006). high altitude saline wetland in northern 9. T. E. Jordan, M. P. Andrews, R. P. Chile”, Extremophiles, 12(3), 405-414, Szuch, D. F. Whigham, D. E. Weller, A. (2008). D. Jacobs, “Comparing functional 5. R. Gorra, M. Coci, R. Ambrosoli, H. J. assessments of wetlands to measurements Laanbroek, “Effects of substratum on the of soil characteristics and nitrogen diversity and stability of ammonia- processing”, Wetlands, 27, 479-497 oxidizing communities in a constructed (2007). wetland used for wastewater treatment”, 10. W. R. Boynton, J. D. Hagy, J. C. Journal of Applied Microbiology, 103 (5), Cornwell, W. M. Kemp, S. M. Greene, M. 1442.-1452 (2007). S. Owens, J. E. Baker, R. K. Larsen, 6. N. S. Moin, K. A. Nelson, A. Bush, A. “Nutrient budgets and management E. Bernhard, “Distribution and diversity actions in the Patuxent River estuary, of archaeal and bacterial ammonia Maryland”, Estuaries and Coasts, 31, oxidizers in salt marsh sediments”, 623-651 (2008). Applied and Environmental Microbiology, 75(23), 7461-7468 (2009). 59