Tài liệu Phân lập, tuyển chọn và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh tổng hợp xenlulaza của một

ĐỀ TÀI: Phân lập, tuyển chọn và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh tổng hợp xenlulaza của một số chủng vi sinh vật nhằm ứng dụng xử lý phế thải ligno-xenluloza

I.MỞ ĐẦU
Cuộc sống ngày càng phát triển theo hướng tiến bộ với những thành tựu về mặt khoa học kỹ thuật, c̣ng nh­ những lợi Ưch to lớn về kinh tế xă hội. Nhưng bên cạnh những ǵ mà con người được hưởng thụ th́ chúng ta cũng đang đối diện với một vấn đề hết sức nghiêm trọng. Đú chớnh là sự ô nhiễm môi trường do các thành tựu mà chúng ta đă sáng tạo ra. Ô nhiễm môi trường đă kéo theo sự mất cân bằng sinh thái c̣ng nh­ phá huỷ môi trường tự nhiên, đe doạ sức khoẻ con người c̣ng nh­ các loại động thực vật khác.
Bên cạnh các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường như cháy rừng, khai thác rừng bừa băi, chảy dầu, các nhà máy điện hạt nhân, ḍ rỉ phóng xạ th́ một nguyên nhân hết sức to lớn trong việc gây ô nhiễm môi trường chính là rác thải mà trong đó rác thải hữu cơ chiếm thành phần chủ yếu. Rác thải hữu cơ có khả năng phân huỷ, chuyển hoá thành các dạng khác nhau. Sau một thời gian chuyển đổi, các chất hữu cơ từ cỏc vựng sản xuất nông nghiệp tại cỏc vựng nông thôn lại quay về làm ô nhiễm không chỉ thành phố mà c̣n làm ô nhiễm cỏc vựng nông thôn lân cận thành phố. Chớnh vỡ nú có khả năng phát tán nhanh chóng, gây ô nhiễm trong diện rộng nên nếu không được thu gom và xử lư triệt để thỡ rỏc thải hữu cơ sẽ gây hậu quả rất nghiêm trọng. Trong lượng rác thải hữu cơ thu gom được, các chất ligno-xenluloza lại chiếm một lượng hết sức lớn. Đối với động vật và con người, các chất ligno-xenluloza này thường không có mấy giá trị dinh dưỡng. Trong các phế phẩm nông nghiệp, phần không được sử dụng chiếm đến 50% tổng sinh khối. Khối lượng này được thu gom và thải vào thiên nhiên, vừa gây lăng phí lại vừa gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, để có thể giải quyết được vấn đề ô nhiễm do rác hữu cơ gây nên, chúng ta vấp phải một vấn đề phức tạp là làm cách nào để có thể tăng khả năng thu gom và xử lư rác thải nhanh chóng nhằm đẩy nhanh ṿng tuần hoàn của rỏc, khụng để tồn đọng và gơy ụ nhiễm môi trường trong khi lượng rác thải của chúng ta ngày càng tăng lên mà các cơ sở xử lư lại có hạn.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lư rác nh­ phương pháp đốt, phương pháp chôn lấp thành những băi chứa Tuy nhiên, các phương pháp này đều không mang lại những hiệu quả cao do lăng phí diện tích chôn lấp, thời gian xử lư dài gây ô nhiễm thứ cấp Trong khi đó, phương pháp xử lư rác bằng công nghệ vi sinh vật tỏ ra có nhiều ưu điểm nhất cả về hiệu quả kinh tế lẫn kỹ thuật, tạo ra sản phẩm phân bón hữu cơ dùng cho sản xuất nông nghiệp. Mặc dù vậy, việc phân huỷ rỏc dựa trờn cỏc vi sinh vật tự nhiên có sẵn trong đống rác ủ c̣n gặp nhiều hạn chế nh­ thời gian phân huỷ quỏ lơu, quá tŕnh phân huỷ chưa triệt để Do đó, chúng ta cần tuyển chọn những chủng vi sinh vật thích hợp bổ sung vào bên cạnh những vi sinh vật có sẵn để có thể giúp cho quá tŕnh xử lư đạt kết quả tốt hơn.
Với mong muốn có thể tham gia vào quá tŕnh phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ rác thải cao phù hợp với điều kiện Việt Nam dù bằng phần đóng góp hết sức nhỏ bé của mỡnh, tụi đă thực hiện đề tài “Phân lập, tuyển chọn và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh tổng hợp xenlulaza của một số chủng vi sinh vật nhằm ứng dụng xử lư phế thải ligno-xenluloza”





II. TỔNG QUAN
2.1. SƠ LƯỢC T̀NH H̀NH VÀ THÀNH PHẦN CỦA RÁC THẢI SINH HOẠT Ở VIỆT Nam
2.1.1. Sơ lược t́nh h́nh rác thải ở Việt Nam
Rác thải từ sinh hoạt của con người, rác thải nông nghiệp và rác thải công nghiệp chiếm thành phần chủ yếu trong khối lượng rác thải thu gom được trên thế giới . Ở Việt Nam, tuy sản lượng công nghiệp Ưt và các đô thị chưa phải là lớn cho nên rác thải công nghiệp cũng như rác thải sinh hoạt ở những nơi tập trung dân cư c̣n Ưt so với các nước phát triển, nhưng do sự quản lư về môi trường c̣n nhiều thiếu sót, ư thức giữ ǵn môi trường của mỗi người dân chưa cao nên vấn đề môi trường nói chung và vấn đề rác thải nói riêng là vấn đề hết sức nan giải ở Việt Nam, đặc biệt ở các thành phố lớn. Hàng ngày, các thành phố lớn ở Việt Nam thải ra khoảng 9100 m[SUP]3[/SUP] rác nhưng chỉ thu gom được khoảng 40 – 50%.
Chỉ tính ba thành phố lớn ở Việt Nam, lượng rác thải hàng ngày thu gom được là rất lớn. Mỗi ngày Hải Pḥng thải ra 270 tấn rác, Hà Nội khoảng 1000 tấn, Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 4000 tấn. Đó chỉ là số liệu trên giấy tờ mà các công ty vệ sinh đô thị thu gom được. C̣n số lượng rác thực tế mà người dân thải bỏ th́ lớn gấp nhiều lần nh­ thế. [15,16]
Quá tŕnh đô thị hoá nhanh chóng trong khi hệ thống cơ sở hạ tầng chưa phát triển tương ứng sẽ làm tăng thờm cỏc khó khăn hiện nay về t́nh h́nh ô nhiễm môi trường. Cùng với quá tŕnh đô thị hoỏ thỡ mức sống của người dân cũng được nâng lên và kéo theo đó là lượng rác thải ngày càng lớn.Lượng rác trung b́nh ở thành phố Hồ Chí Minh tăng khoảng 20% hằng năm trong khi lượng rác ở các thành phố lớn trên thế giới chỉ tăng trung b́nh dưới 7%.Tuy nhiên lượng rác xử lư vẫn chưa được bao nhiêu so với các nước trên thế giới. Mặc dù nước ta đă quan tâm đến vấn đề này song c̣n nhiều hạn chế.
Rác thải công nghiệp là những thành phần không thể tham gia vào quá tŕnh tạo nên sản phẩm hoặc bán thành phẩm phải loại bỏ khỏi các dây chuyền sản xuất.
Rác thải sinh hoạt là những thành phần được loại bỏ từ các gia đ́nh khu công cộng hay các chợ, siêu thị .
Trong tất cả các loại rác kể trên thỡ rỏc thải sinh hoạt là loại chất thải phức tạp hơn cả. Trước hết thành phần của rác thải sinh hoạt hết sức đa dạng, trong thành phần của chúng các hợp chất hữu cơ mà trước hết là xenluloza và lignin chiếm tỷ lệ cao nhất, thông thường là 40 – 50%, có nhiều trường hợp chiếm đến 70 – 80% Bên cạnh đó do ư thức của đại bộ phận dân chúng c̣n yếu, sự quản lư và các biện pháp xử lư vẫn chưa đạt được hiệu quả nh­ mong muốn, đ̣i hỏi phải phù hợp với mức sống và tập tục của cộng đồng. Ngoài ra mong muốn tận dụng rác thải sinh hoạt để tạo ra các sản phẩm có Ưch cho xă hội cũng là một yếu tố quan trọng khiến cho việc xử lư rác thải sinh hoạt c̣n gặp nhiều vấn đề nan giải [2, 12, 14].
Là một nước nông nghiệp nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới nờn rỏc thải sinh hoạt của Việt Nam có những đặc điểm riêng về thành phần và tính chất. Độ Èm trong rác thay đổi theo mùa trong năm - độ Èm trung b́nh vào mùa khô từ 40 – 45% và vào mùa mưa từ 50 – 80%, lượng rác mỗi ngày tăng lên một cách nhanh chóng.
Do đó việc nghiên cứu, tuyển chọn ra những chủng vi sinh vật có những khả năng phân giải xenluloza mạnh, có thể áp dụng vào công nghệ xử lư rác bằng vi sinh vật ở Việt Nam là rất cần thiết và cần được quan tâm hơn.

2.1.2. Thành phần của cỏc rỏc thải sinh hoạt ở Việt Nam
Khác với rác thải công nghiệp, rác thải sinh hoạt là một tập hợp không đồng nhất. Sự không đồng nhất thể hiện ngay ở sự đầu vào của nguyên liệu ban đầu dùng cho sinh hoạt và thương mại. Sự không đồng nhất này tạo ra một số đặc tính rất khác biệt trong thành phần của rác thải sinh hoạt.
2.1.2.1. Thành phần cơ học
Đặc điểm rơ thấy nhất ở rác đô thị của Việt Nam là thành phần các chất hữu cơ có trong đó. Số lượng này thường chiếm rất cao, khoảng 55 – 65%. Trong thành phần rác thải đô thị, các cấu tử phi hữu cơ (kim loại, rác xây dựng .) chỉ chiếm khoảng 11 – 15%, phần c̣n lại là các cấu tử khác.[5]
Bảng 1: Thành phần rác sinh hoạt ở Hải Pḥng,
Hà Nội, TP Hồ Chí Minh
[TABLE]
[TR]
[TD]Thành phần rác (%)[/TD]
[TD]Hải Pḥng[/TD]
[TD]Hà Nội[/TD]
[TD]TP Hồ Chí Minh
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Lá cây, vỏ hoaquả, xác thực vật[/TD]
[TD]50,70[/TD]
[TD]50,72[/TD]
[TD]62,64[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Giấy[/TD]
[TD]2,28[/TD]
[TD]2,72[/TD]
[TD]0,59[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Vải vụn, củi gỗ[/TD]
[TD]2,27[/TD]
[TD]6,27[/TD]
[TD]4,25[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Nhựa, cao su, da[/TD]
[TD]2,02[/TD]
[TD]0,71[/TD]
[TD]0,46[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Vỏ ốc, xương[/TD]
[TD]3,68[/TD]
[TD]1,06[/TD]
[TD]0,50[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Thuỷ tinh[/TD]
[TD]0,72[/TD]
[TD]0,31[/TD]
[TD]0,20[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Rác xây dựng[/TD]
[TD]8,45[/TD]
[TD]7,43[/TD]
[TD]16,04[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Kim loại[/TD]
[TD]0,14[/TD]
[TD]1,02[/TD]
[TD]0,27[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Tạp chất khó phân giải[/TD]
[TD]23,9[/TD]
[TD]30,21[/TD]
[TD]15,27[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
Chóng ta nhận thấy rằng thành phần rác thải hữu cơ chiếm một tỷ lệ lớn trong rác thải sinh hoạt của Việt Nam. So với các nước phát triển trờn thế giới th́ tỷ lệ rác hữu cơ của nước ta khá cao.[5]
Bảng 2. Thành phần rác sinh hoạt của một số nước
phát triển trên thế giới (1990)
[TABLE]
[TR]
[TD]Thành phần (%)[/TD]
[TD]Nhật[/TD]
[TD]Pháp[/TD]
[TD]Mỹ[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Giấy[/TD]
[TD]12,1[/TD]
[TD]30,0[/TD]
[TD]30-40[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Thực phẩm[/TD]
[TD]8,1[/TD]
[TD]34,0[/TD]
[TD]9,4[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Vải[/TD]
[TD]5,1[/TD]
[TD]2,0[/TD]
[TD]2,0[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Gỗ, cá[/TD]
[TD]1,9[/TD]
[TD]4,0[/TD]
[TD]0,5[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Chất dẻo[/TD]
[TD]19,8[/TD]
[TD]4,0[/TD]
[TD]7,0[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Cao su[/TD]
[TD]1,4[/TD]
[TD]10,0[/TD]
[TD]0,5[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Kim loại[/TD]
[TD]20,0[/TD]
[TD]7,0[/TD]
[TD]6,5[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Thuỷ tinh[/TD]
[TD]22,7[/TD]
[TD]13,0[/TD]
[TD]7,9[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Những thứ khác[/TD]
[TD]3,2[/TD]
[TD]13,0[/TD]
[TD]3,2[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

2.1.2.2. Thành phần hoá học
Trong các cấu tử hữu cơ của rác sinh hoạt, thành phần hoá học của chúng chủ yếu là: C, H, O, N, S và các chất tro.[14] Thành phần này rất quan trọng trong việc nghiên cứu xử lư, tái sinh chúng cũng như trong việc đánh giá các tác động đến môi trường nếu không được xử lư.[5]
Ta nhận thấy rằng tuỳ thuộc vào các chất khác nhau mà thành phần các cấu tử hữu cơ có trong các chất dao động thay đổi trong khoảng rộng. Kết quả này được minh hoạ qua bảng 3 dưới đây.

Bảng 3: Thành phần hoá học của các cấu tử hữu cơ trong
rác thải sinh hoạt.
[TABLE]
[TR]
[TD]Các chất[/TD]
[TD=colspan: 6]Thành phần
(%)[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]C[/TD]
[TD]H[/TD]
[TD]O[/TD]
[TD]N[/TD]
[TD]S[/TD]
[TD]Tro[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Thực phẩm[/TD]
[TD]48,0[/TD]
[TD]6,4[/TD]
[TD]37,6[/TD]
[TD]2,6[/TD]
[TD]0,4[/TD]
[TD]5,0[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Giấy[/TD]
[TD]43,5[/TD]
[TD]6,0[/TD]
[TD]44,0[/TD]
[TD]0,3[/TD]
[TD]0.2[/TD]
[TD]6,0[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Caton[/TD]
[TD]44,0[/TD]
[TD]5,9[/TD]
[TD]44,6[/TD]
[TD]0,3[/TD]
[TD]0,2[/TD]
[TD]5,0[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Vải[/TD]
[TD]55,0[/TD]
[TD]6,6[/TD]
[TD]31,2[/TD]
[TD]1,6[/TD]
[TD]0,15[/TD]
[TD]-[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Cao su[/TD]
[TD]78,0[/TD]
[TD]10,0[/TD]
[TD]-[/TD]
[TD]2,0[/TD]
[TD]-[/TD]
[TD]10,0[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

Nh́n qua bảng số liệu chúng ta nhận thấy rằng thành phần của rác thải hữu cơ hết sức phức tạp. Nếu rác thải đô thị phân huỷ tự do trong môi trường tự nhiên th́ môi trường, môi sinh và đặc biệt là các nguồn nước sẽ bị ô nhiễm một cách ghê gớm. Có rất nhiều biện pháp để xử lư lượng rác khổng lồ được tạo ra mỗi ngày ví dụ như thiêu đốt, chôn lấp . nhưng bằng cách này hay cách khác, chính những phương pháp xử lư này lại có thể gây ra ô nhiễm cho môi trường trong tương lai. Chính v́ vậy, phương pháp xử lư rác bằng vi sinh vật là sự lùa chọn tối ưu nhất. Nếu chúng ta kiểm soát được quá tŕnh xử lư rác thải đô thị tạo ra nguồn phân hữu cơ th́ đơy chính là nguồn dinh dưỡng lớn, vừa tạo ra được sự cân bằng về sinh thái, lại vừa tránh được nguy cơ gây ô nhiễm môi trường.


2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LƯ RÁC BẰNG VI SINH VẬT
2.2.1. Bản chất của phương pháp
Bản chất của quá tŕnh xử lư rác nhờ vi sinh vật chính là quá tŕnh phân huỷ rác của các vi sinh vật có sẵn trong rác cũng như các vi sinh vật được bổ sung vào. Nhờ có các vi sinh vật này mà rác được phân huỷ thành các thành phần nhỏ hơn, tạo ra sinh khối các sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật và các loại khí như CO[SUB]2[/SUB], CH[SUB]4[/SUB] .[4]
Các quá tŕnh chuyển hoá này có thể xảy ra trong điều kiện yếm khí hoặc hiếu khí.
- Quá tŕnh ủ hiếu khí là quá tŕnh phân giải các chất hữu cơ nhờ sự có mặt của oxy tạo ra sản phẩm cuối cùng là CO[SUB]2[/SUB], NH[SUB]3[/SUB], nước, nhiệt và sinh khối vi sinh vật.
- Quá tŕnh ủ yếm khí là quá tŕnh phân giải các chất hữu cơ vi sinh vật nhưng không có oxy sản phẩm cuối cùng là CH[SUB]4[/SUB], CO[SUB]2[/SUB], NH[SUB]3[/SUB] mét lượng nhỏ các loại khớ khỏc, axit hữu cơ và sinh khối vi sinh vật.
Trong quá tŕnh ủ rác sẽ diễn ra một loạt các quá tŕnh chuyển hoá khác nhau. Các quá tŕnh này có thể theo những hướng có lợi, cũng như hướng không có lợi. Do đó phải làm sao kiểm soát được quá tŕnh xử lư, hạn chế những mặt có hại cho quá tŕnh xử lư, phát huy tối đa những mặt tích cực với mục tiêu đặt ra là:
- Làm ổn định thành phần rác thải sau quá tŕnh xử lư:
Chất thải hữu cơ khi được đưa vào môi trường sẽ c̣n được chuyển hoá liên tục, v́ thế nó chưa ổn định. Quá tŕnh lên men sẽ ổn định chúng bằng phản ứng sinh hoá. Sản phẩm cuối cùng của quá tŕnh này sẽ được ổn định khi chóng ta sử dụng chúng.
- Tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh:
Trong rác thải thường chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh. Trong quá tŕnh ủ rỏc thỡ cỏc vi sinh vật này sẽ bị tiêu diệt ở các nhiệt độ khác nhau.[6]
E.coli hầu hết chết ở 55[SUP]o[/SUP]C trong 1 giê, 60[SUP]o[/SUP]C trong 15-20 phót
Shigella sp. chết ở 55[SUP]o[/SUP]C trong 1 giê
Các vi sinh vật gây bệnh thường bị tiêu diệt ở trong khoảng nhiệt độ từ 45-60[SUP]o[/SUP]C trong khoảng thời gian ngắn
- Cải tạo chất lượng dinh dưỡng của rác thải:
Nhờ có các vi sinh vật mà các chất dinh dưỡng thường tồn tại ở dạng hữu cơ đă được chuyển hoá thành các chất vô cơ và rất thích hợp cho cây trồng. Sau khi lên men, các chất dinh dưỡng này được chuyển hoá thành NO[SUB]3[/SUB] hay P[SUB]2[/SUB]O[SUB]5[/SUB] là những chất có tác dụng làm tăng dinh dưỡng của đất có lợi cho cây trồng. Cây trồng không thể sử dụng nitơ ở dạng hữu cơ mà chỉ có thể sử dụng ở dạng vô cơ.[5]
Tuy nhiên việc ủ rác cũng có nhiều hạn chế . Do các vi sinh vật cần có rất nhiều thời gian để phân huỷ đống ủ cho nên việc ủ rác thường kéo dài, kéo theo một loạt những vấn đề về kinh tế xă hội. Ngoài ra các đống ủ nếu không được kiểm soát kỹ thỡ chớnh chỳng sẽ trở thành nguồn gây ô nhiễm ra môi trường xung quanh.
2.2.2. Các phương pháp xử lư rác bằng công nghệ vi sinh vật
Có rất nhiều phương pháp khác nhau để xử lư rác thải sinh hoạt có chứa xenluloza và các chất hữu cơ khác. Người ta thường tóm tắt chúng vào cỏc nhúm sau:
- Phương pháp sản xuất khí sinh học từ rác (Biogas)
- Phương pháp chôn lấp rác (landfill)
- Phương pháp ủ rác (composting)
Tuỳ theo điều kiện kinh tế, xă hội và thành phần tính chất của rác mà người ta áp dụng phương pháp này hay phương pháp kia cho phù hợp để có thể tận dụng hết các ưu điểm của từng phương pháp [6,10,11].
2.2.2.1. Phương pháp sản xuất khí sinh học (Biogas)
Cơ sở của phương pháp này là nhờ sự hoạt động của các vi sinh vật mà các hợp chất khó tan (xenluloza, lignin, hemixenluloza, tinh bột và các hợp chất phân tử khác) được chuyển hoá thành các chất dễ tan. Sau đó lại được chuyển hoá thành các chất khí trong đó chủ yếu là metan (chiếm tuyệt đại đa số >64%).
Ưu điểm của phương pháp này là ta có thể thu được một loạt khí có thể cháy được và cho nhiệt lượng cao, khụng gơy ô nhiễm môi trường, sử dụng cho nhiều mục đích. Chất thải sau lên men được chuyển hoá thành phân hữu cơ có chất lượng dinh dưỡng cao. Tuy nhiên phương pháp này có một số nhược điểm:
- Khó lấy các chất thải sau lên men.