Đánh giá khả năng tạo CHHBMSH do các chủng vi khuẩn phân lập từ mùn khoan dầu khí Vũng Tàu và ảnh hưởng của chúng lên khả năng phân huỷ dầu

nước ta thì vai trò của nó lại càng quan trọng. Hiện Việt Nam là nước khai thác dầu đứng thứ 3 Đông Nam á, tấn dầu đầu tiên được khai thác vào năm 1986 tại Vũng Tàu, tính đến năm 2004 đã khai thác được tấn dầu thứ 140 triệu tấn, hàng năm đem lại một phần ba nguồn ngân sách quốc gia. Hoạt động thăm dò khai thác dầu khí diễn ra hết sức sôi nổi ở thềm lục địa phía Nam và đang có xu hướng chuyển sang miền Bắc như ở Thái Bình, Hải Phòng. Bên cạnh những mặt tích cực đó, hoạt động khai thác càng mạnh mẽ cũng đồng nghĩa với việc thải ra môi trường càng nhiều phế thải và tình trạng ô nhiễm lại trầm trọng thêm. Trong ngành công nghiệp dầu khí, mùn khoan là một nguồn chất thải vô cùng lớn và có nguy cơ gây ô nhiễm rất cao, đặc biệt là khi sử dụng các dung dịch khoan gốc dầu. Nó được tạo ra khi tiến hành khoan thăm dò và phát triển mỏ, gồm hỗn hợp đất đá cùng với các hoá chất trong dung dịch khoan lẫn vào. Khi quá trình khoan sử dụng dung dịch gốc dầu thì tình trạng ô nhiễm càng lớn. Về nguyên tắc nguồn phế thải này phải được đem vào bờ xử lí, tuy nhiên việc xử lí chúng rất khó khăn và tốn kém nên các nhà thầu thường sao lãng. Hiện tại trong ngành công nghiệp dầu khí nước ta chỉ mới áp dụng các biện pháp hoá lí thông thường để làm giảm tác hại, mà không xử lí triệt để rồi thải vào môi trường. Vấn đề đặt ra cho các nhà môi trường là phải xử lí chúng, phương án giải quyết phải đảm bảo sao cho vừa hiệu quả, đơn giản mà lại kinh tế. Do đó mà phương pháp sinh học đang được chú ý bởi các ưu điểm vượt trội của nó so với các phương pháp hoá lí như: an toàn với môi trường, đơn giản, xử lí triệt để mà giá thành lại rẻ. Một trong các phương pháp xử lí sinh học đem lại hiệu quả cao đó là sử dụng các chất hoạt hoá bề mặt do các vi sinh vật tạo ra. Chất hoạt hoá bề mặt sinh học là một hợp chất lưỡng cực cho phép hoà tan các chất không tan vào trong nước, chúng dễ bị phân huỷ sinh học lại không độc thêm vào đó nó có thể sản xuất từ các nguồn cơ chất phế thải của các ngành công nghiệp khác giá thành hạ lại giải quyết được tình trạng ô nhiễm do các nguồn phế thải này sinh ra. Để xử lí mùn khoan, CHHBM tỏ ra rất có triển vọng. ở Việt Nam, mới chỉ có một số ít các công trình nghiên cứu vế chất hoạt hoá bề mặt sinh học, hướng nghiên cứu và ứng dụng chúng còn rất mới mẻ. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế đặt ra, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Đánh giá khả năng tạo CHHBMSH do các chủng vi khuẩn phân lập từ mùn khoan dầu khí Vũng Tàu và ảnh hưởng của chúng lên khả năng phân huỷ dầu”. Chương 1. Tổng quan tài liệu 1. Tình hình sử dụng dung dịch khoan và vấn đề xử lí mùn khoan dầu khí hiện nay 1.1. Tình hình sử dụng dung dịch khoan Trong ngành công nghiệp khai thác dầu khí, khi tiến hành khoan mỏ để bôi trơn mũi khoan, vận chuyển mùn khoan từ đáy giếng lên trên bề mặt, giữ áp suất vỉa ổn định để ngăn hiện tượng phun trào, bảo vệ thành giếng khỏi sạt lở, bôi trơn chòng khoan, cần khoan người ta luôn phải sử dụng dung dịch khoan (DDK). DDK là một hệ dung dịch bao gồm hỗn hợp các chất điều chỉnh độ nhớt, chất tạo nhũ, chất phân tán, chất diệt khuẩn, chất phụ gia, NaCl, CaCl2, vôi, sét, BaSO4, chất chống mất nước... nhằm tạo các đặc tính mong muốn cho DDK. Khi chúng được pha với nước gọi là DDK gốc nước, hoặc pha với dầu gọi là DDK gốc dầu. Hàm lượng dầu gốc trong DDK thường chứa trên 70%. So với DDK gốc nước thì DDK gốc dầu đắt và độc hại hơn, nhưng chúng có những đặc tính hơn hẳn như: ổn định được nhiệt độ cao, chống sạt lở tốt, khả năng giữ dung dịch tốt... Khi tiến hành khoan sâu, khoan nghiêng để đảm bảo thành công người ta luôn sử dung dịch khoan gốc dầu. Dầu gốc của các dung dịch khoan đầu tiên thường là dầu diezen hay dầu thô. Do gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường mà hiện nay xu hướng sử dụng các loại dầu gốc có độ độc thấp như dầu khoáng, dầu thực vật hay dầu tổng hợp có độ độc thấp. Dầu khoáng được sản xuất từ dầu thô đã được loại bỏ các hợp chất độc hại như các hợp chất thơm, dị vòng nên độ độc thấp hơn dầu thô. Dầu thực vật có độ nhớt cao nên thường sử dụng các dẫn xuất của nó có độ nhớt thấp hơn, ưu điểm của nó là có khả năng phân huỷ sinh học tốt hơn dầu thô nên ít ảnh hưởng tới môi trường hơn. Dầu tổng hợp có độ độc thấp, dễ phân huỷ sinh học, giá thành lại rẻ hơn dầu thực vật nên được sử dụng rộng dãi [5]. Hiện nay ở trên thế giới và ở Việt Nam, một số nhà thầu đã sử dụng DDK gốc dầu tổng hợp saraline có độ độc thấp. Saraline được sản xuất từ dầu khoáng loại bỏ các hợp chất thơm dị vòng độc hại, nó không chứa các hợp chất thơm đa vòng vốn là một hợp chất rất độc hại cho môi trường, thành phần chính của nó là các ankan mạch thẳng từ C12 đếnC25. Tuy các dầu gốc đã được xử lí loại bỏ các thành phần độc hại, chúng vẫn gây tác động lớn tới môi trường sinh thái và sức khoẻ con người. Các dầu gốc chứa các thành phần hydrocacbon, các thành phần này nếu tích tụ ở nồng độ cao sẽ ảnh hưởng tới quá trình trao đổi chất của sinh vật. Trong môi trường nước nó tạo lớp váng trên bề mặt ngăn cản sự hoà tan oxy vào trong nước, sự trao đổi nhiệt giữa khí quyển và thuỷ quyển, không cho ánh sáng đi vào nước từ đó ảnh hưởng tới nguồn thức ăn, dinh dưỡng, hô hấp của sinh vật, tới các loại ấu trùng... Đối với môi trường đất, dầu đẩy nước và không khí ra ngoài làm cho đất mất khả năng hấp thụ và trao đổi, ngăn cản quá trình trao đổi chất của hệ vi sinh vật trong đất. Đối với con người, nó ảnh hưởng thông qua môi trường nước, không khí, nó đi vào trong lưới thức ăn, gây tác động tới hệ tiêu hoá, hệ bài tiết, hệ hô hấp, hệ thần kinh. Cụ thể như dầu saraline, đã có những công bố về tác hại gây bệnh viêm phổi của loại dầu này [21]. 1.2. Vấn đề xử lí mùn khoan dầu khí hiện nay 1.2.1. Mùn khoan Mùn khoan là sản phẩm phế thải của ngành công nghiệp dầu khí, gồm hỗn hợp của các loại đất đá bị vỡ vụn ra khi tiếp xúc với mũi khoan và được vận chuyển lên trên mặt đất thông qua quá trình tuần hoàn của dung dịch khoan. Hệ dung dịch khoan được bơm vào bên trong ống khoan, độ nhớt và vận tốc tuần hoàn duy trì mùn khoan ở trạng thái huyền phù, thông qua không gian giữa thành ống khoan và thành lỗ khoan nó vận chuyển mùn khoan lên trên mặt, tại đó nó tách khỏi mùn khoan và lại tuần hoàn trở lại giếng khoan. Do đó, ngoài đất đá, mùn khoan còn lẫn các hoá chất trong DDK. Đối với quá trình sử dụng DDK gốc dầu thì mùn khoan thấm đầy dầu. Mùn khoan được tạo ra từ hoạt động khoan thăm dò và phát triển mỏ. Khối lượng mùn khoan phụ thuộc vào đường kính giếng, tốc độ khoan và chiều dài của mỗi công đoạn khoan. Trong quá trình khoan thăm dò, lượng mùn khoan tạo ra ít, khi đưa lên mặt đất, mùn khoan được rửa sạch, một phần giữ lại nghiên cứu, theo quy chế mùn khoan loại bỏ phải đưa vào bờ chôn, nước rửa mùn khoan phải được xử lí sạch. Tuy nhiên, các quy định này rất khó thực hiện đồng thời gây tốn kém nên các nhà thầu thường trốn tránh trách nhiệm. Giai đoạn khoan phát triển mỏ, số lượng giếng khoan nhiều cộng với lượng mùn khoan ở mỗi giếng rất lớn, khoan khai thác thường không lấy mẫu nên lượng mùn lại vô cùng lớn. Chỉ tính riêng ở mỏ Bạch Hổ, trung bình khoan một giếng sâu 4000m tạo ra khoảng 350 m3 (900 tấn) mùn khoan. Nếu duy trì tỉ lệ dầu 70% trong DDK gốc dầu thì mùn khoan thải ra có hàm lượng dầu vô cùng lớn. 1.2.2. Tác hại của mùn khoan nhiễm dầu Với đặc thù là một sản phẩm phế thải nhiễm dầu, có số lượng rất lớn, mùn khoan đã và đang gây những tác hại không nhỏ. Khi thải ra ngoài biển mùn khoan nhiễm dầu làm thay đổi môi trường sống của các sinh vật đáy, riêng các chất độc hại trong mùn khoan sẽ xâm nhập vào trong thức ăn, tác động tới quá trình trao đổi chất, có thể giết chết hoặc gây biến dạng giống loài, làm thay đổi hệ sinh thái biển, ảnh hưởng ô nhiễm dễ lan rộng đặc biệt là ở khu vực có dòng hải lưu. Tại đất liền việc chất đống mùn khoan hay làm vật liệu chôn lấp hố, ao hồ chiếm diện tích lớn, làm thay đổi địa hình và sau đó khi cần dùng diện tích thì phải tốn kém chi phí bốc dỡ, không những thế nó còn làm ô nhiễm nguồn nước, không khí qua đó ảnh hưởng tới sức khoẻ của con người [5]. 1.2.3. Tình hình xử lí mùn khoan nhiễm dầu Hiện nay ở nước ta và nhiều nước trên thế giới, việc xử lí mùn khoan chỉ mới áp dụng các biện pháp hoá lí nhằm giảm thiểu lượng dầu bám dính trên mùn khoan trước khi thải xuống biển, hoặc vận chuyển vào bờ để lấp các địa điểm tạo bề mặt xây dung hay xử lí thành các nguyên vật liệu xây dựng như ở Thái Lan, Malayxia, Tây Âu. Các nước phát triển ở trình độ thấp thì chưa quan tâm tới môi trường thường chấp nhận một khoản phí bồi thường rồi cho phép đổ tuỳ tiện các chất thải [5]. Nước ta hiện này cũng áp dụng một số các biện pháp để giảm tác động của mùn khoan đối với nguồn lợi thuỷ hải sản và môi trường biển: - Sử dụng sàng rung lưới và các thiết bị li tâm hiệu quả cao trên giàn khoan để giảm thiểu tối đa hàm lượng dầu bám dính trên mùn khoan đến dưới 10%. - Thực hiện chương trình giám sát môi trường tại các khu vực lân cận của giếng khoan để đánh giá tình trạng thay đổi môi trường. - Nghiên cứu độ độc của các loại dầu tổng hợp đối với sinh vật. Tuy nhiên, các biện pháp trên không giải quyết được vấn đề triệt để, môi trường sinh thái vẫn bị tác động lớn. 2. Phương pháp sinh học trong xử lí ô nhiễm dầu 2.1. Vai trò của vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm dầu 2.1.1. Hệ vi sinh vật trong mùn khoan dầu khí Như đã nói ở trên, mùn khoan là hỗn hợp các loại đất đá ở trong lòng đất chuyển lên. Mùn khoan chứa một phần các phụ gia trong dung dịch khoan, phần dầu (đối với DDK gốc dầu), nước trong lòng đất và khu hệ vi sinh vật ở trong giếng khoan. Các chất thường sử dụng trong dung dịch khoan là: tinh bột, cacbonoxymetylcellulo, lignosulfonat, các loại gum tự nhiên, dầu nhũ hoá, dầu gốc...[23]. Các chất này đã được nhiều nhà khoa học chứng minh là có khả năng bị phân huỷ bởi các vi sinh vật: Bacillus subtilis, Pseudomonas sp., các vi khuẩn khử sunphat như Desulfovibrio desulfuricans [15]... Mặc dù trong mùn khoan thường bổ sung các chất diệt khuẩn nhưng khả năng bị tấn công bởi vi sinh vật của các chất kể trên vẫn rất cao. Việc có mặt nước ở trong mùn khoan càng làm tăng khả năng phân huỷ dầu của vi sinh vật. Smirnova đã chứng minh có nhiều loại vi khuẩn bao gồm cả các loại oxy hoá hydrocacbon có mặt trong DDK [15]. Do mỗi vùng địa lí có khu hệ vi sinh vật khác nhau nên các mẫu mùn khoan lấy ở các địa điểm khác nhau có khu hệ vi sinh vật đặc trưng cũng khác nhau. Hệ vi sinh vật trong mùn khoan là cơ sở cho các biện pháp xử lí dầu bằng biện pháp sinh học. 2.1.2. Cơ chế phân huỷ các hydrocacbon Cơ chế phân huỷ các hydrocacbon của vi sinh vật đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu. Vi sinh vật sử dụng hydrocacbon làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng cho sự sinh trưởng và phát triển. Việc sử dụng các hydrocacbon của vi sinh vật có thể xảy ra theo hai hướng: - Đối với một số các hydrocacbon tan trong nước, vi sinh vật có thể hấp thụ trực tiếp. - Với các hydrocacbon khó tan mà có thể tan dưới dạng nhũ tương dầu -nước thì quá trình phân huỷ vi sinh theo trình tự các bước: đầu tiên là hoà tan các hydrocacbon dưới dạng nhũ tương dầu nước bằng cách tiết ra các chất hoạt hoá bề mặt sinh học, sau đó vi sinh vật tiếp xúc với dầu, cuối cùng nó tiết ra các enzyme để chuyển hoá các hydrocacbon thành các chất mà nó có thể sử dụng được. Nhìn chung các hydrocacbon khác nhau bị phân huỷ bởi nhiều loại vi khuẩn và bằng nhiều con đường khác nhau. 2.1.2.1. Cơ chế phân huỷ các ankan Khả năng phân huỷ của các ankan phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của chúng. Thông thường các hydrocacbon bậc 1 và bậc 2 dễ phân huỷ hơn các hydrocacbon bậc 3 và 4. a. Cơ chế phân huỷ các n-ankan: Quá trình phân huỷ ankan được khơi mào nhờ enzym mono-oxygenaza và di-oxygenaza. Quá trình này đòi hỏi có sự tham gia của một phân tử oxy và chất cho điện tử NADPH2. Các giai đoạn oxy hoá ankan: * Giai đoạn 1: Tạo thành rượu, xảy ra qua 2 bước Tạo thành hợp chất peoxyt R- CH2- CH3 + O2 —> R- CH2- CH2- OOH Hợp chất peoxyt không bền dưới tác dụng của NADPH2 tạo thành rượu và nước: R- CH2- CH2- OOH + NADPH2 —> RCH2- CH2- OH + H2O + NADP (2) Từ ankan chuyển thành rượu có hai khả năng xảy ra: Tạo thành rượu bậc 1: xảy ra khi nhóm OH gắn vào C bậc 1 (2) Tạo thành rượu bậc hai: khi nhóm OH gắn với C bậc 2: R-CH2-CH2 - OOH + O2 + NADPH2 —> R- CH- CH2 + H2O + NADP | OH * Giai đoạn 2: Rượu bậc 1 tạo thành andehit R- CH2 - CH2 - OH +1/2 O2 —> R- CH2 - CHO + H2O Rượu bậc 2 tạo thành xeton: R - CH - CH3 + 1/2 O2 —> R – CH - CH3 +H2O | || OH O * Giai đoạn 3: tạo thành axit béo: - Các xeton bị oxy hoá tạo thành este, liên kết este bị phá vỡ tạo ra một axit và rượu bậc một, rượu bậc 1 lại bị oxy hoá thành andehit rồi axit béo: R- CH2- C- CH3 —>R- CH2-O- C - CH3 —>R- CH2 - OH + CH3 - COOH || || O O - Các andehit bị oxy hoá thành axit béo: R - CH 2- CHO +1/2 O2 —>R - CH2 - COOH Có trường hợp sự oxy hoá xảy ra ở cả hai đầu của ankan tạo thành các diol, các dicacbonxylic. * Giai đoạn 4: các axit béo bị oxy hoá tiếp nhờ tru trình β - oxy hoá. Axit béo mạch dài dưới tác dụng của một loại enzym chuyển sang dạng acetyl coenzym A và chuyển hoá tiếp dưới tác dụng của nhiều enzym khác. Kết quả là sau mỗi chu kì chuyển hoá, một nhóm acetyl CoA bị cắt ra và phân tử axit béo bị cắt đi hai nguyên tử cacbon. Sản phẩm cuối cùng của chu trình β – oxy hoá là CO2 và nước. b. Cơ chế phân huỷ các alkan mạch nhánh: Do cản trở về mặt không gian nên khả năng phân huỷ của chúng kém hơn n-ankan. Theo Atlas, các vi sinh vật phân huỷ ưu tiên C bậc1 và bậc 2, còn C bậc 3 và 4 thì khó phân huỷ hơn. Ankan có nhóm metyl ở dầu mạch khó phân huỷ hơn ở giữa mạch. Ankan có mạch nhánh dài dễ bị phân huỷ hơn ankan có mạch nhánh ngắn. Trong quá trình nghiên cứu sự phân huỷ các ankan mạch nhánh, người ta đề xuất biến dạng của chu trình TCA là chu trình Metylcitrat, thay vào vị trí của axit citric là metylcitrat. c. Cơ chế phân huỷ các cycloankan: Cycloankan là cấu tử chính của dầu thô. Khơi mào cho sự phân huỷ cycloankan cũng là các enzym monooxygenaza và oxygenaza. Dưới tác dụng của các enzym này, các cycloankan bị phân huỷ thành các cycloankanol. Theo các tác giả, khả năng phân huỷ của cyclohexan là mạnh nhất trong dãy đồng đẳng cycloankan. Cùng vòng cycloankan chất nào có mạch nhánh dài hơn thì sẽ dễ phân huỷ hơn. Khi phân huỷ cyclohexan, quá trình hydroxyl hoá được xúc tác bởi enzym oxydaza chức năng tạo ra một rượu mạch vòng. Rượu mạch vòng sẽ bị dehydro hoá để tạo ra xeton, xeton bị oxy hoá tiếp thành lacton. Lacton sẽ bị thuỷ phân, nhóm hydroxyl bị oxy hoá thành một nhóm andehit và một nhóm cacboxyl. Kết quả là axit dicacboxylic bị biến đổi tiếp nhờ chu trình β - oxy hoá. Các vi sinh vật có khả năng phát triển trên cyclohexan phải thực hiện tất cả các phản ứng trên. Tuy nhiên ta thường gặp hơn các vi sinh vật có khả năng chuyển cyclohexan thành rượu mạch vòng nhưng không có khả năng lacton hoá và mỏ mạch vòng. Do vậy cơ chế cộng sinh và cùng trao đổi chất (co- metabolism) đóng một vai trò rất quan trọng trong phân huỷ sinh học các hợp chất hydrocacbon mạch vòng. 2.1.2.2. Cơ chế phân huỷ hydrocacbon thơm a. Benzen Xúc tác ban đầu cho quá trình oxy hoá benzen là enzym dioxygenaza, tức là phân tử oxy sẽ gắn trực tiếp vào cacbon của vòng thơm. b. Naphtalen Xúc tác đầu tiên là enzym oxygenaza, gắn phân tử oxy vào phân tử naphtalen để tạo thành cis-1,2 dihydroxyl 1,2 dihydro naphtalen, sau đó tách nước để thành 1,2-dihydroxynaphtalen. Tại đây, vòng bị cắt để tạo thành cis-o-hdroxyl benzan pyruvic axit, sau đó tiếp tục bị oxy hoá tạo thành salicyandehyd, salicylic axít và catechol, tiếp đó cắt các vòng khác theo hướng -octhor hay -metha phụ thuộc vào chủng vi khuẩn. Cũng có trường hợp xúc tác để oxy hoá naphtanen là enzym monooxygenaza, tức là một nguyên tử của phân tử oxy sẽ gẵn vào vòng naphthalen và cuối cùng cho ta cis-1,2-dihydroxyl 1,2 -dihydronaphtalen. Nấm mốc là nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế về chủng loại có khả năng phân huỷ naphtalen. Như vậy, naphtalen dần dần sẽ bị chuyển hoá thành phân tử có khối lượng bé hơn nhờ vi sinh vật, làm cho dầu nặng trở thành dầu nhẹ hơn, và độ nhớt của dầu sẽ giảm đi. 2.2. Cỏc yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phõn huỷ dầu của vi sinh vật Sự phỏt triển của vi sinh vật phõn huỷ dầu phụ thuộc rất lớn vào cỏc nguồn cơ chất và cỏc điều kiện của mụi trường sống: nhiệt độ, pH, ỏp suất. Trong tự nhiờn, sự tồn tại của cỏc vi sinh vật cú khả năng sử dụng hydrocacbon rất đa dạng. Chỳng cú thể sống được ở những nơi cú điều kiện rất khắc nghiệt như trong giếng khoan cú độ sõu hàng nghỡn một với ỏp suất từ 200 – 400 atm và nhiệt độ lớn hơn 1000C. Mặt khỏc chỳng cú thể sống ở cỏc vựng ven biển, nơi mà hàng giờ cú sự thay đổi lớn về độ muối và nhiệt độ do tỏc động của súng và thuỷ triều. Do đú sự tồn tại và phỏt triển của vi sinh vật cú khả năng sử dụng hydrocacbon trong dải nhiệt độ và ỏp suất khỏ lớn. Đa số cỏc vi sinh vật phự hợp với nhiệt độ từ 25 – 300C và ỏp suất 1 atm [4]. Một nhõn tố mụi trường nữa tỏc động tới sự phõn bố và phỏt triển của vi sinh vật là pH. Đa số cỏc vi sinh vật sống ở mụi trường cú pH trung tớnh hoặc kiềm yếu. Khớ hậu cũng ảnh hưởng lớn đến sự phỏt triển của vi sinh vật. Nước ta cú khớ hậu nhiệt đới giú mựa. Mựa hố, nhiệt độ cao và độ ẩm lớn tạo điều kiện tối ưu cho vi sinh vật phỏt triển. Mựa đụng, nhiệt độ và độ ẩm giảm thỡ khả năng phỏt triển của vi sinh vật cũng yếu đi. Bờn cạnh đú, sự phỏt triển của vi sinh vật phụ thuộc nhiều vào thành phần muối khoỏng trong mụi trường. Sự phỏt triển của vi sinh vật sử dụng dầu ở vựng thềm lục địa phong phỳ và đa dạng hơn ở đại dương. Trong cỏc nguyờn tố dinh dưỡng khoỏng N và P là hai nguyờn tố chớnh ảnh hưởng tới khả năng sử dụng hydrocacbon của vi sinh vật. Tại nhiều vựng ụ nhiễm dầu, người ta đó dựng nhiều phõn vụ cơ tổng hợp N, P, K rải xuống nơi ụ nhiễm nhằm kớch thớch sự phỏt triển của vi sinh vật [4]. Cỏc vi sinh vật khỏc nhau sử dụng các hyrocacbon khác nhau. Trong cỏc hydrocacbon, hydrocacbon no và hydrocacbon thơm bị phân huỷ nhiều nhất tốt nhất. Các đặc tính của mùn khoan có ảnh hưởng tới khả năng phân huỷ của vi sinh vật. Mùn khoan là một chất thấm đậm DDK - là một dung dịch kiềm tính cao, cho nên mùn khoan thường rất kiềm. Mùn khoan là một hỗn hợp rắn, chứa các chất kìm hãm vi sinh cho nên lượng O2 trong mùn khoan rất ít và khả năng sinh sống của vi sinh vật trong đó không thuận lợi. Điều này đã gây nên những khó khăn nhất định trong việc xử lí chúng. Vì vậy hướng sử dụng chính vi sinh vật phân lập từ mùn khoan và việc dùng CHHBMSH để kích hoạt quá trình phân huỷ của chính tập đoàn vi sinh vật trong mùn khoan đảm bảo khả năng thành công. 2.3. Các phương thức xử lí sinh học * Đánh giá mức độ ô nhiễm dầu: trong tự nhiên ô nhiễm dầu được giảm đi bằng nhiều cách như sự bay hơi của các phân đoạn nhẹ hay sự tự oxy hoá và quang hoá nhưng cơ chế chủ yếu của sự phân huỷ dầu là nhờ vi sinh vật. Điều này là cơ sở cho các nhà vi sinh vật dùng các chế phẩm sinh để hỗ trợ các kỹ thuật làm sạch hoá lí khác [12]. * Các phương thức xử lí ô nhiễm dầu bằng biện pháp phân huỷ sinh học: Khái niệm phân huỷ sinh học hay còn gọi là cứu chữa sinh học (bioremediation) đưa ra để mô tả quá trình sử dụng các vi sinh vật sống xử lí các hệ thống bị ô nhiễm. Trong các vi sinh vật thì vi khuẩn được sử dụng nhiều nhất, tuy nhiên nấm và các thực vật bậc cao cũng góp phần xử lí ô nhiễm. Bản chất của quá trình phục hồi sinh học là cố gắng thúc đẩy sự phân huỷ sinh học trong tự nhiên. Khi trong môi trường bị ô nhiễm dầu, các vi sinh vật có khả năng sử dụng dầu làm thức ăn lập tức phát triển. Tuy nhiên sự thành công của việc ứng dụng chúng để xử lí ô nhiễm dầu phụ thuộc vào khả năng tối ưu hoá các điều kiện khác nhau về sinh học, hoá học, địa chất… giúp cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển mạnh mẽ nhất có thể, với thời gian nhanh nhất. Có hai phương thức xử lí ô nhiễm dầu trong đất: 1. Bioaugmentation là phương thức xử lí mà trong đó ngoài việc tối ưu hoá các điều kiện dinh dưỡng, người ta đưa vào một số vi sinh vật chọn lọc có khả năng phân huỷ cao, bổ sung cùng với quần xã sinh vật bản địa trong môi trường bị ô nhiễm để tăng cường khả năng phân huỷ dầu. 2. Biostimulation là phương thức xử lí lấy quần xã sinh vật bản địa làm trung tâm, các đặc điểm sinh học, sinh thái của quần xã vi sinh vật được nghiên cứu kỹ qua đó đưa các chất dinh dưỡng hữu cơ, vô cơ, cùng các chế phẩm sinh học với một tỉ lệ thích hợp nhằm kích hoạt tập đoàn vi sinh vật có khả năng phân huỷ dầu bản địa làm sạch môi trường. Trên thế giới cả hai phương thức này cũng đã được đem ra áp dụng nhưng theo các tài liệu thì phương thức thứ nhất dường như ít hiệu quả hơn khi xử lí dầu trong môi trường mở. Trong các thử nghiệm thực tế, việc cho thêm các vi vinh vật cho thấy không có gì hiệu quả hơn so với chỉ thêm các chất dinh dưỡng. Nguyên nhân có thể là do khi đưa một lượng vi sinh vật mới vào môi trường, chúng phải mất thời gian để thích nghi với môi trường sinh thái mới, và thường mất đi khả năng phân huỷ mạnh như vốn có do có các tác nhân kìm hãm nào đó trong môi trường ô nhiễm, nhiều khi chúng chuyển sang sử dụng nguồn cơ chất mới không phải là dầu. Điều này thật bất lợi, thậm chí cản trở quá trình phân huỷ tự nhiên do chúng lấn át hệ vi sinh bản địa, sử dụng hết nguồn oxy vốn là một nhân tố giới hạn cực kì nhạy cảm của quá trình phân huỷ. Kết quả là vừa tốn kém mà hiệu quả lại không cao. Tuy nhiên các nhà khoa học cho rằng phương thức Bioaugmentation có tiềm năng trong việc xử lí các hợp chất dầu đặc biệt hoặc là ở những vùng mà vi sinh vật bản địa làm việc không hiệu quả như các vùng đất đá sỏi, đất cát. ở Nga đã sử dụng chế phẩm Devoroie gồm hỗn hợp các vi khuẩn Rhodoccocus và Candida làm sạch ô nhiễm dầu ở vùng đất cát. Biostimulation đã được chứng minh là một công cụ hứu hẹn để xử lí triệt để các bờ biển bị ô nhiễm dầu theo phương pháp hiếu khí. Một nhân tố chủ chốt tạo nên sự thành công của phương thức này là duy trì mức độ dinh dưỡng tối ưu. Các yếu tố kìm hãm phải được khảo sát kỹ làm cơ sở cho quyết định hàm lượng dinh dưỡng được đưa vào. Trong trường hợp hàm lượng dầu cao thì chúng ta có thể bổ sung vi khuẩn và một số chế phẩm khác như chất hoạt hóa bề mặt để tăng tốc độ phân huỷ sinh học… Các chủng vi khuẩn được bổ sung ở đây phải là các chủng được phân lập từ chính môi trường bị ô nhiễm được nhân giống và bổ sung dưới dạng chế phẩm. Các chế phẩm khác nhau khi đưa vào xử lí ô nhiễm đã cho các kết quả khác nhau phụ thuộc vào đặc tính của dầu, hàm lượng dinh dưỡng tự nhiên sẵn có của vùng bị ô nhiễm, đặc điểm của môi trường bị ô nhiễm. Dựa trên các thí nghiệm thất bại trong thực tế nói chung các chế phẩm thương mại có hiệu quả hơn các loại phân bón nông nghiệp trong việc thúc đẩy sự phân huỷ dầu. Hiện nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của sinh học phân tử, sự phát triển của phân loại học, các nhà khoa học có thể giám sát quá trình phân huỷ sinh học thông qua sự biến động số lượng của quần thể vi sinh vật chiếm ưu thế trong môi trường bị ô nhiễm, nhờ đó phương án phục hồi sinh học môi trường bị ô nhiễm dầu trở nên hấp dẫn các nhà quản lí nhờ giá rẻ, an toàn, độ tin cậy cao. 3. Vai trò của chất hoạt hoá bề mặt sinh học (Bio-surfactant hay Microbial surface active agent) 3.1. Bản chất của chất hoạt hoá bề mặt sinh học Chất hoạt hoá bề mặt sinh học (CHHBMSH) được tạo ra từ con đường lên men vi sinh vật. Nó là một hợp chất lưỡng tính gồm hai phần phần kị nước (hydrophobic moiety) và phần ưa nước (hydrophilic moiety), có khả năng làm giảm sức căng bề mặtgiữa các phân tử. Phần ưa nước thường là các nhóm: axit amin, peptit, sacarit đơn, đôi, polysacarit. Phần kị nước là các axit béo, axit no, không no [30]. Các CHHBMSH có cấu tạo rất khác nhau về cấu trúc hoá học lẫn kích thước phân tử từ rất đơn giản như các axit béo đến phức tạp như các hợp chất polymer. Các CHHBMSH thường tiết ra bên ngoài tế bào (extracellular) như các chất glucolipid, axit béo, photpholipid, polysacarit lipid, lipopetic-lipoprotein, hay chính bản thân bề mặt tế bào vi sinh vật [30]. Ngoài đặc tính làm giảm sức căng bề mặt nó còn có đặc tính kháng sinh như chất gramicidin S hay polymicin [30]. Các CHHBMSH được tạo ra cả ở trên các cơ chất không tan trong nước lẫn tan trong nước [16,30]. Nó được tạo ra do phản ứng thích nghi với môi trường không thuận lợi, độc hại và có xu hướng tạo ra nhiều trên các cơ chất không hoà tan trong nước [16]. Các CHHBMSH do các gen trên nhiễm sắc thể lẫn các gen ở plasmid tổng hợp và điều khiển. Các gen này dễ mất đi chức năng qua một thời gian dài do bị đột biến và chọn lọc nếu gặp môi trường không thuận lợi cho chúng biểu hiện [16]. Điều này giải thích vì sao chúng ta bắt gặp các loài có khả năng sử dụng dầu ở cả những nơi không bị ô nhiễm dầu và khi đó hoạt tính tạo CHHBM rất thấp. Các CHHBMSH tạo ra trong suốt quá trình phát triển của vi sinh vật, sản lượng và hoạt tính về sau có thể bị giảm do môi trường hết nguồn cơ chất dinh dưỡng, vi vinh vật sử dụng chúng làm nguồn thức ăn hay các vi sinh vật chết đi. 3.2. Các loại CHHBMSH CHHBMSH là một nhóm rất đa dạng, dựa vào cấu trúc hoá học có thể chia chúng thành các nhóm sau: 3.2.1. Glucolipid: là một nhóm được nghiên cứu, ứng dụng nhiều nhất và có hoạt tính mạnh, chúng gồm 3 loại: * Rhamnolipid: do một hoặc hai phân tử rhamnoza liên kết với một hoặc hai phân tử axit hydroxydecacnoic, gồm có 4 loại: 2 phân tử đường liên kết với 2 phân tử axit, 2 phân tử rhamnose liên kết với 1 phân tử axit, 1 phân tử đường liên kiết 2 phân tử axit, và 1 phân tử đường liên kết với 1 phân tử axit. Vi sinh vật sản suất là Pseudomonas aeruginosa Công thức cấu tạo: * Trehaloselipid: do một phân tử đường đôi trehalose liên kết ở vị trí C6 và C6’ với các phân tử axit mycolic. Axit mycolic là một axit béo mạch dài có phân nhánh. Các loài vi sinh vật khác nhau tạo ra các chất có mạch hydrocacbon có chiều dài và số liên kết đôi cũng khác nhau [30]. Các vi sinh vật như nhiều thành viên của chi Mycobacterium tạo ra các este trehalose trên bề mặt tế bào [7]. Các loài thuộc các chi Mycobacteria, Nocardia, Brevibacteria tạo ra các trehaloselipid khác nhau về cấu trúc và kích cỡ. [9] * Sophorolipid Do 1 phân tử đường sophorose liên kết với một axit béo mạch dài. Phân tử đường do hai phân tử glucose liên kết với nhau, nhóm OH ở vị trí C6 và C6’ bị acetyl hoá. Chúng do nhiều chủng nấm men thuộc chi Torulopsis sản xuất: T. bombicola, T. petrophilum, T. apicola và loài Candida bogoriensis. Sophorolipid có khả năng làm giảm sức căng bề mặt nhưng nó không phải là chất nhũ hoá hiệu quả [9,24]. 3.2.2. Các axit béo: được tạo ra do các vi sinh vật oxy hoá ankan, gồm có các axit béo mạch thẳng và các axit béo phức hợp chứa nhóm OH và nhánh ankyl. Cân bằng dầu và nước (hydrophilic-lipophilic balance) phụ thuộc vào chiều dài của mạch cacbon. [36] Chúng do một số vi khuẩn và một số nấm men sản xuất. 3.2.3. Phospholipid Do một số vi khuẩn và nấm men sản xuất, nó là thành phần chính của màng vi sinh, khi vi sinh vật được nuôi trên các cơ chất là ankan thì hàm lượng phospholipid tăng mạnh. Chủng Acinetobater sp., Thiobacillus thioxydans, Athrobacter AK-19, Pseudomonas, Aeruginosa 44T1, Aspergillus spp. có khả năng sản xuất phospholipid. 3.2.4. Các lipid trung tính 3.2.5. Các lipopetid và các lipoprotein Các chất vừa có đặc tính kháng sinh vừa có hoạt tính bề mặt như gramicidin S do Bacillus brevis, polimicin do Brevibacterium polymixa tổnghợp.[28] Các lipid chứa ornithine do Peudomonas rubescen, Thiobacillus thioxydans, các lipid chứa lysin do Agrobacterium tumefaciens IFO tạo ra. Loài Seratia marcescens sản xuất ra một loại aminolipid có hoạt tính bề mặt. Chủng Bacllus subtilis ATCC21332 đã xác định có khả năng tạo ra một loại lipopeptid có hoạt tính cao. 3.2.6. Polymer Hầu hết các CHHBMSH thuộc nhóm polymer là hỗn hợp của polysacarit với protein, chúng là những chất có hoạt tính bề mặt có khối lượng rất lớn và cấu trúc phức tạp. Các chất tốt nhất là emulsan, liposan, manoprotein và một số phức hợp của polysacarit-protein khác. Emulsan do Acinetobacter calcoaceticus RAG-1 tạo ra, đơn phân của nó chứa một trisacarit liên kết với hai axit béo, nó có khả năng nhũ hoá cao các hydrocacbon trong nước thậm chí với nồng độ rất thấp [10]. Liposan tạo ra từ Candida lipolytica, là một chất nhũ hoá ngoại bào, hoà tan trong nước, trong cấu trúc của nó chứa 17% protein và 73% hydrocacbon, các hydrocacbon trong liposan gồm có glucose, galactose, galactosamin, axit galactorunic [12]. Manoprotein do Sacharomyces cerevisiae tạo ra chứa 44% manose và 17% protein. Candida tropicalis đã sản xuất ra một loại phức hợp manan-axit béo trên môi trường chứa ankan [25]. P. aeruginosa P-20 tạo ra một peptidoglycolipid chứa 52 axit amin, 11 axit béo, 1 đường [16]. Cyanobacterium phormidium J-1 tạo các chất CHHBM là biofloculan và emulcyan [16]. 3.2.7. Các CHHBMSH đặc biệt Một số loài tạo ra các túi ngoại bào có tác dụng cắt hydrocacbon thành từng phần nhỏ, đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển các hydrocacbon vào trong tế bào. Các túi do chủng Acinetobacter HO1-N có đường kính 20-50 nm chứa protein, phospholipid và lipopolysaccharid, chứa 5 phần phopholipid, khoảng 350 phần polysaccharid [26]. Hầu hết các vi khuẩn phân huỷ hydrocacbon và gây độc có chứa các CHHBMSH là các thành trên bề mặt tế bào, chúng bao gồm các cấu trúc như là M protein. 3.3. Khái quát quá trình tạo CHHBMSH của vi sinh vật Để có thể biết rõ được cơ chế rõ ràng quá trình tạo chất hoạt động bề mặt sinh học ta phải theo dõi được sản phẩm của từng giai đoạn trao đổi chất của vi sinh vật. Nhưng trong phạm vi của bản khoá luận này chỉ xin được mô tả một cách sơ lược về quá trình tạo ra chất hoạt động bề mặt sinh học của vi sinh vật. Nhìn chung, mỗi một loài vi sinh vật có khả năng tạo chất hoạt động bề mặt sinh học lại có một cơ chế chuyển hoá riêng. Bởi vậy nếu nói một cách cụ thể thì phạm vi sẽ là quá rộng. Ta sẽ xét cơ chế của quá trình tạo chất hoạt động bề mặt sinh học của vi khuẩn hiếu khí. Với loại vi khuẩn hiếu khí, con đường chung là trình tự oxy hoá cá._.