Tổng quan

Dung môi hữu cơ nói chung và các hidrocacbon thơm nhóm BTEX (Benzene, Toluen, Ethylbenzene, Xylen) nói riêng được sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau như sản xuất sơn, giầy da, dệt vải, thuốc bảo vệ thực vật, công nghiệp hoá chất,… Chúng được dùng như một loại dung môi pha chế thường xuyên nhằm phân tán hoàn toàn các hoá chất tác nhân chính và do đó chúng thường được dùng với hàm lượng rất lớn (1). BTEX là một tổ hợp của các chất hóa học được gọi là hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC).

Xử lý sinh học là một kỹ thuật phổ biến để phục hồi đất và nước ngầm bị ô nhiễm các hợp chất BTEX. Sử dụng kỹ thuật này có mục đích thúc đẩy vi sinh vật phân hủy các thành phần BTEX thành CO2 và nước. Oxy và chất dinh dưỡng có thể được đưa vào để thúc đẩy tốc độ quá trình phân hủy (2). Nếu không đưa những yếu tố dinh dưỡng và không khí vào thì quá trình phân hủy được gọi là xử lý nội tại (tự thân). Sự phân hủy cũng có thể xảy ra trong việc sử dụng các chất nhận electron khác với oxy. Hầu hết các hợp chất trong nhóm BTEX đều có ít nhất một con đường phân giải, thường sẽ đều qua hợp chất trung gian catechol. Đã có nhiều chủng vi sinh vật được phân lập có khả năng phân giải hiếu khí BTEX (4). Hai chất là Benzen và Toluence là những chất được biết đến là dễ và có nhiều con đường phân giải hơn so với những chất còn lại. Nghiên cứu này với mục đích thử nghiệm khả năng xử lý các hợp chất nhóm BTEX đồng thời của chủng vi sinh vật Pseudoxanthomonas BD-a59.

Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

 Đánh giá khả năng sinh trưởng của chủng vi sinh vật: Chủng vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu này là Pseudoxanthomonas BD-a59 đã được phân lập từ môi trường trầm tích có chứa các chất ô nhiễm nguồn gốc dầu mỏ, cảng Geoje, Hàn Quốc, vào năm 2016 (C.O. Jeon), được định danh bằng phương pháp đọc trình tự gen 16S rRNA. Vi khuẩn đã được thử hoạt tính lý hóa và môi trường sinh trưởng thích hợp.

Thí nghiệm khả năng phân hủy BTEX: Vi sinh vật được nhân nuôi trong môi trường R2A lỏng trong 2 ngày ở nhiệt độ 35 -37oC, lắc ở tốc độ 120 rpm cho đến khi OD600 giữa 0,7 và 0,8. Tế bào thu được sẽ sử dụng như là vi sinh vật giống mồi cho các thí nghiệm phân giải BTEX tiếp theo. Thí nghiệm đánh giá khả năng phân giải BTEX tiến hành trong điều kiện hiếu khí, thực hiện trong các lọ có dung tích 160 ml có chứa trung bình 10 ml môi trường MSB, chiết xuất nấm men (nếu cần thiết), sau đó dùng xi-lanh đưa 50 ul tế bào vào mỗi lọ. Kết quả kiểm tra trước này không được trình bày trong báo cáo này, nhưng OD600 có thể đạt giá trị 0.6

Phân tích nồng độ BTEX trong lọ thí nghiệm: Phân tích GC được thực hiện với máy sắc ký 6890N (Agilent Technologies) với một cột mao quản HP-5 (30 m chiều dài, 0,32 mm đường kính trong, 0,25 mm độ dày màng; J & W Scientific) Detector (FID) ngọn lửa ion hóa. Các lò GC đã được lập trình như sau: Từ 60oC (trong 1 phút) để 220oC ở tốc độ 10oC/phút (trong 3 phút), dòng khí để phát hiện chứa H2 (40 ml/phút) và không khí tổng hợp (450 ml/phút), nhiệt độ lò là 300oC, nhiệt độ vị trí đưa mẫu là 250oC, thể tích mẫu đưa vào là 1 ul bằng thiết bị tra mẫu tự động.

Kết quả nghiên cứu

Đặc điểm hình thái và tính chất của chủng BD-a59: Chủng BD-a59 được phân lập từ môi trường đất, tế bào hình thành màu vàng, mọc tốt, khuẩn lạc tròn trên môi trường R2A thạch. Các khuẩn lạc có kích thước, 1,7-2,0 mm chiều dài và 1,0 mm, đường kính (Hình 3.1).

Hình 3.1: Hình dạng Pseudoxanthomonas BD-a59

Chủng BD-a59 có đặc tính Gram âm, catalase dương tính, và oxidase dương tính. Nitrate không được khử đến nitrit. Không nhận thấy sinh trưởng kỵ khí trong 7 ngày ở 30oC trên R2A thạch. Thủy phân Aesculin, casein, tween 20. Tinh bột, tween 80 và tyrosine không được thủy phân. Chủng BD-a59 tạo môi trường axit từ raffinose, arabinose, melibiose, fructose, galactose và mannitol, nhưng không phải từ inositol, lactose, galactose, mannose, arbutin và salicin.

Hình 3.2: Sự sinh trưởng của BD-a59 

Khả năng sinh trưởng của chủng BD-a59: Số liệu cho thấy các đường cong tăng trưởng tiêu thụ cơ chất của BD-a59 trong môi trường có chứa 0,3% pyruvate và R2A. Chủng BD-a59 không thể tăng trưởng trên pyruvate, trong một thí nghiệm khác cũng chỉ ra không có tăng trưởng trên môi trường LB.

Đánh giá sự phân hủy các hợp chất đơn lẻ của BTEX: Pseudoxanthomonas sp. BD-a59 được sinh trưởng trên BTEX với các công thức thí nghiệm khác nhau, trong thử nghiệm khả năng phân hủy riêng lẻ từng chất trong nhóm BTEX dùng ở nồng độ 50 mg/l; trong thí ngiệm thử nghiệm ở hỗn hợp của BTEX được dùng 30 mg/l cho mỗi chất; để đánh giá sự phân hủy BTEX dưới tác động của các vi chất trong môi trường sinh trưởng, dịch chiết nấm men được thêm vào ở các nồng độ khác nhau trong môi trường MSB.

(Nồng độ B = T = E = o-X = m-X = p-X = 50 mg/l) (A) Sinh trưởng trong điều kiện không có YE, (B) với 10 mg/l YE, (C) với 20 mg/l YE, and (D) với 50 mg/l of YE. benzene (●), toluene (■), ethylbenzene (▲), ortho-xylene (○), meta-xylene (□), and para-xylene (△).)

Hình 3.3 cho thấy, quá trình phân hủy các hợp chất nhóm BTEX dưới dạng riêng lẻ ở các khoảng thời gian sinh trưởng khác nhau, nồng độ ban đầu của B = T = E = o-X = m-X = p-X = 50 mg/l được sử dụng đánh giá. Sau 15 ngày sinh trưởng, khi MSB không chứa dịch chiết từ nấm men, m-xylene và nồng độ p-xylen được giảm tương ứng từ 50 mg/l đến 10,1 mg / l ± 8,2 mg/l và 11 mg/l ± 6,7 mg/l; toluene là 31,8 mg/l ± 1 mg/l. Số liệu cho thấy sự phân hủy của benzen, ethylbenzene và o-xylen xảy ra chậm từ từ (Hình. 3.3A). Pha tĩnh đã được thiết lập trong 6 ngày, ở mức 13,5 mg / l ± 1,5 mg/l toluen, 15,4 mg/l ± 2 mg/l của benzen, tại 25,7 mg/l ± 1,4 mg/l ethylbenzene, 19,7 mg/l ± 1 mg/l o-xylen (Hình 3.3 B). Khi dịch chiết nấm men được tăng lên đến 20 mg/l, sự phân giải của B, T, m-xylene, p-xylen được hoàn tất, ngoại trừ ethylbenzene và o-xylen. Sự phân giải các hóa chất này chỉ được hoàn toàn khi bổ sung YE ở mức 50 mg / l (Hình 3.3 C, D).

Hình 3.3: Ảnh hưởng của dịch chiết nấm men (YE) tới quá trình phân giải BTEX

Đánh giá sự phân hủy của hỗn hợp đồng thời BTEX: Trong trường hợp của thí nghiệm mà không cần chiết xuất nấm men, nồng độ BTEX là gần như tương tự với nồng độ ban đầu sau 10 ngày phân hủy trừ m/p-xylene và ethylbenzene, 17,3 mg/l ± 0,2 mg/l và 20,6 mg /l ± 0,2 mg/l, tương ứng (Hình A). Chiết xuất từ nấm men được bổ sung từ 20 mg/l, trước hết, m/p-xylen được phân giải trong 2 ngày, sau đó toluene ở 15 mg /l, và ethylbenzene tại 22,2 mg/l ± 0,6 mg/l, benzen và o-xylen không thể bị phân hủy (Hình B). Khi dịch chiết nấm men đã được tăng lên đến 50 mg/l lượng BTEX được phân giải tăng lên. Bên cạnh sự phân giải của m / p-xylen, toluen được giảm xuống còn 3 mg/l, ethylbenzene 15,3 mg/l ± 0,2 mg/l, benzen 19,2 mg / l và o-xylen 22,2 mg / l ± 0,1 mg / l (Hình C).

(Nồng độ B = T = E = o-X = m-X = p-X = 30 mg/l) (A) Sinh trưởng trong điều kiện không có YE, (B) với 20 mg/l YE, (C) với 50 mg/l YE, and (D) với 150 mg/l of YE. benzene (●), toluene (■), ethylbenzene (▲), ortho-xylene (○),meta/para-xylene (◊)).

Sự phân hủy BTEX bởi BD-a59 trong những thí nghiệm trên cho thấy khả năng phân huỷ tất cả các thành phần BTEX, tuy tốc độ phân hủy có sự khác biệt. Mặc dù chiết xuất nấm men có thể tăng cường sự phân giải BTEX, 10 mg/l và 20 mg/l của chiết xuất nấm men không thể hỗ trợ sự phân huỷ của benzene, toluene, ethylbenzene và o-xylen hoàn toàn cho đến khi nồng độ dịch nấm men đạt đến 50 mg/l. Dịch chiết xuất nấm men cũng là một nguồn carbon cho các vi sinh vật, số lượng tế bào sẽ tăng lên cùng với chiết xuất nấm men ban đầu trong môi trường để tỷ lệ phân giải có thể được tăng lên trong các thử nghiệm.

Hình 3.4 Ảnh hưởng của dịch chiết nấm men (YE)  tới quá trình phân giải hỗn hợp BTEX 

Kết luận

Chủng BD-a59 có khả năng phân giải hợp các chất nhóm BTEX cả dưới dạng riêng lẻ hoặc trong hỗn hợp nếu có dinh dưỡng bổ sung là dịch chiết nấm men. Mặc dù chiết xuất nấm men có thể tăng cường sự phân giải, nhưng ở nồng độ 10 mg/l và 20 mg/l của chiết xuất nấm men không thể hỗ trợ sự phân huỷ của benzene, toluene, ethylbenzene và o-xylen hoàn toàn cho đến khi nồng độ nấm men đạt đến 50 mg/l.

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Đức Huệ , Trần Mạnh Trí , Đỗ Quang Huy , Đặng Văn Đoàn. 2011. Xác định nhóm Hydrocarbon thơm BTEX trong nước và không khí bằng phương pháp sắc ký khí kết hợp với vi chiết pha rắn màng kim rỗng phủ trong. Tạp chí KHCN. Số 49 (1): 101-109;

2. Jahn, M. K., S. B. Haderlein, and R. U. Meckenstock. 2005. Anaerobic degradation of benzene, toluene, ethylbenzene, and o-xylene in sediment free iron-reducing enrichment cultures. Appl. Environ. Microbiol. 71:3355–3358;

3. Young, C. C., M.-J. Ho, A. B. Arun, W.-M. Chen, W.-A. Lai, F.-T. Shen, P. D;

Rekha, and A. F. Yassin. 2007. Pseudoxanthomonas spadix sp. nov., isolated from oil-contaminated soil. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 57:1823-1827;

4. Y.H. Lee, Y. Lee, C.O. Jeon 2019 Biodegradation of naphthalene, BTEX, and aliphatic hydrocarbons by Paraburkholderia aromaticivorans BN5 isolated from petroleum-contaminated soil. Scientific Reports. 9:860.

LÊ NGỌC THUẤN

Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội