Luận án Nghiên cứu quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông cái bởi vi sinh vật

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN VĂN SƠN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC SÔNG CÁI BỞI VI SINH VẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN VĂN SƠN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC SÔNG CÁI BỞI VI SINH VẬT Ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 9520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Phùng Chí Sỹ 2. TS Nguyễn Thế Tiến Hà Nội - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả và số liệu trình bày trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày 16 tháng 10 năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Văn Sơn ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành tại Viện Nhiệt đới môi trường/Viện KH-CN quân sự. Trong quá trình nghiên cứu, tôi đã nhận được sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn thầy PGS.TS Phùng Chí Sỹ và thầy TS Nguyễn Thế Tiến, là những người thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học, truyền cho tôi tri thức cũng như chỉ bảo, giúp đỡ, động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận án này. Xin trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Viện KH-CN quân sự, Phòng Đào tạo/Viện KH-CN quân sự, Chỉ huy Viện Nhiệt đới môi trường cùng các cán bộ của Viện Nhiệt đới môi trường đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Các cán bộ tại Phòng Quan trắc và phân tích môi trường đã trực tiếp cùng tôi thực hiện một phần nghiên cứu hay gián tiếp hỗ trợ tôi đều là những nguồn động viên khích lệ to lớn cho tôi trong suốt thời gian qua. Tôi đặc biệt chân thành cảm ơn đối với các thầy, cô, các nhà khoa học công tác trong và ngoài Quân đội, đã giảng dạy và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian theo học và làm việc tại Viện Nhiệt đới môi trường/Viện KH- CN quân sự. Và cuối cùng, không thể có gì so sánh hơn những tình cảm quý của bạn bè và gia đình đã luôn bên cạnh ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập. Những tình cảm nhận được chắc chắn còn là niềm hạnh phúc to lớn hơn rất nhiều so với sự thành công của kết quả nghiên cứu này. Trân trọng! iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................. viii DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................. x MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 4 1.1. Tổng quan về khả năng tự làm sạch của dòng sông .................................. 4 1.1.1. Khái niệm về khả năng tự làm sạch của dòng sông ................................ 5 1.1.2. Cơ chế của quá trình tự làm sạch dòng sông .......................................... 5 1.1.3. Vai trò của loài vi khuẩn có khả năng phân hủy chất hữu cơ ................. 7 1.1.4. Sự khả kiến của quá trình tự làm sạch dòng sông ................................. 10 1.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tự làm sạch dòng sông ................ 12 1.2. Các phương pháp xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông và phân loại vi sinh vật .................................................................. 14 1.2.1. Các phương pháp xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông ........................................................................................................ 14 1.2.2. Các phương pháp phân loại vi sinh vật ................................................. 20 1.3. Các kết quả nghiên cứu về khả năng tự làm sạch của dòng sông ............ 23 1.3.1. Nghiên cứu khả năng tự làm sạch của dòng sông dựa vào đặc trưng dòng chảy ........................................................................................................ 23 1.3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự loại bỏ chất ô nhiễm trong dòng sông ........................................................................................................ 26 1.3.3. Nghiên cứu hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông ......... 28 1.4. Đặc điểm tự nhiên, vai trò, chức năng, chế độ thủy văn thủy lực, dòng chảy, các nguồn thải và chất lượng nước sông Cái ......................................... 37 1.4.1. Đặc điểm tự nhiên, vai trò, chức năng, chế độ thủy văn thủy lực, dòng chảy của sông Cái ................................................................................... 37 Trang iv 1.4.2. Các nguồn thải và chất lượng nước sông Cái ....................................... 40 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............... 46 2.1. Vật liệu và thiết bị .................................................................................... 46 2.1.1. Mẫu nước sông ...................................................................................... 46 2.1.2. Hóa chất................................................................................................. 47 2.1.3. Thiết bị EZ-Oxyro 4R Respirometer .................................................... 48 2.1.4. Thiết bị MALDI Biotyper Microflex LT/SH ........................................ 48 2.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 48 2.2.1. Phương pháp lựa chọn giá trị đo của các yếu tố ảnh hưởng ................. 48 2.2.2. Phương pháp lấy mẫu và tạo mẫu nước sông ....................................... 52 2.2.3. Phương pháp xác định BOD ................................................................... 56 2.2.4. Phương pháp xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ ............................ 57 2.2.5. Phương pháp xây dựng phương trình tương quan giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và độ mặn, DO, nhiệt độ, pH ....................................... 60 2.2.6. Phương pháp phân lập vi sinh ............................................................... 61 2.2.7. Phương pháp phân loại bằng khối phổ protein MALDI-TOF .............. 63 2.2.8. Phương pháp xác định các loài vi khuẩn hiếu khí có vai trò chủ đạo tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông ...................... 64 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 65 3.1. Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông ......................... 65 3.1.1. Xác định BOD (y) trong 20 ngày .......................................................... 65 3.1.2. Xác định độ dốc BOD (y’) .................................................................... 71 3.1.3. Xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ........................................ 72 3.1.4. Xác định phương trình động học phân hủy chất hữu cơ ....................... 74 3.2. Xác định ảnh hưởng của các yếu tố đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông ............................................................................................... 76 3.2.1. Ảnh hưởng của độ mặn ......................................................................... 76 3.2.2. Ảnh hưởng của DO ............................................................................... 79 v 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ ........................................................................ 82 3.2.4. Ảnh hưởng của pH ................................................................................ 85 3.3. Đánh giá mức độ đa dạng cộng đồng vi khuẩn hiếu khí trong nước sông ................................................................................................................. 88 3.3.1. Số dòng khuẩn lạc hiếu khí ................................................................... 88 3.3.2. Tổng khuẩn lạc hiếu khí ........................................................................ 91 3.4. Xác định các loài vi khuẩn hiếu khí có vai trò chủ đạo tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông ............................................ 92 3.4.1. Định danh các loài vi khuẩn hiếu khí .................................................... 92 3.4.2. Xác định các loài vi khuẩn hiếu khí có vai trò chủ đạo tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông ............................................ 95 KẾT LUẬN ................................................................................................... 103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 106 PHỤ LỤC 1. CÁC TÍNH TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC SÔNG CÁI ................ 117 PHỤ LỤC 2. CÁC TÍNH TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN TỐC ĐỘ PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC SÔNG CÁI .................................................................. 126 PHỤ LỤC 3. SỐ LƯỢNG VI KHUẨN HIẾU KHÍ TRONG NƯỚC SÔNG CÁI .................................................................................................... 138 PHỤ LỤC 4. HÌNH THÁI KHUẨN LẠC CỦA CÁC LOÀI VI KHUẨN HIẾU KHÍ TRONG NƯỚC SÔNG CÁI ...................................................... 144 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT C : Số khuẩn lạc đếm được trên hộp petri d : Hệ số pha loãng mẫu DL : Khuếch tán ôxy trong nước Do : Ôxy hoà tan tại thời điểm t=0 Dt : Ôxy hoà tan tại thời điểm t dy : Nhu cầu ôxy sinh hóa gia tăng trên một đơn vị thời gian e : Cơ số e F : Hệ số tự làm sạch H : Chiều sâu mực nước k1 : Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ tính theo cơ số 10 K1 : Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ tính theo cơ số e k2 : Hệ số tốc độ hòa tan ôxy vào nước qua mặt thoáng La : BOD toàn phần giai đoạn 1 Lt : BOD còn lại sau thời gian t ngày m/z : Tỷ lệ khối lượng và điện tích N : Số khuẩn lạc có trong 1ml mẫu huyền phù ban đầu n1, n2 : Số hộp petri ở hai độ pha loãng liên tiếp đã chọn S : Độ mặn t : Thời gian V : Vận tốc dòng nước y : Nhu cầu ôxy sinh hóa vii BOD : Nhu cầu ôxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) COD : Nhu cầu ôxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) DO : Ôxy hòa tan (Dissolved Oxygen) KT-XH : Kinh tế - xã hội MALDI- TOF : Phương pháp phân loại vi sinh vật bằng khối phổ protein (Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization/Time of Flight) NA : Môi trường vi sinh Nutrient agar PCR-RFLP : Kỹ thuật sinh học phân tử (PCR-Restriction Fragment Length Polymorphism) PMF : Phương pháp PMF xác định khối lượng peptide (Peptide mass fingerprint) uBOD : Nhu cầu ôxy hoá sinh học toàn phần WQI : Chỉ số chất lượng nước (Water Quality Index) viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Một số loài vi khuẩn có khả năng phân hủy chất hữu cơ ................. 9 Bảng 1.2. So sánh các phương pháp xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông ............................................................................................... 20 Bảng 1.3. Giá trị K1 tại các độ mặn khác nhau ............................................... 30 Bảng 1.4. Giá trị K1 của sông Ribeirao Vermelho .......................................... 31 Bảng 1.5. Giá trị K1 của sông Brantas ............................................................ 31 Bảng 1.6. Giá trị K1 của sông Cikapundung ................................................... 32 Bảng 1.7. Giá trị K1 của sông Citarum ........................................................... 33 Bảng 1.8. Giá trị K1 của suối Al-Robat và Al-Jubyla ..................................... 35 Bảng 1.9. Giá trị K1 tại các vị trí khác nhau trên sông Cu Đê ........................ 36 Bảng 1.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến giá trị K1 ......................................... 36 Bảng 2.1. Các mẫu nước sông ......................................................................... 46 Bảng 2.2. Các hóa chất chính sử dụng cho quá trình nghiên cứu ................... 47 Bảng 2.3. Các mẫu tổ hợp nước sông ............................................................. 54 Bảng 2.4. Điều kiện biên giới hạn trong nghiên cứu ...................................... 56 Bảng 3.1. Giá trị BOD ở 20oC của nước sông Cái ở thời điểm tháng 8/2019 .................................................................................................... 65 Bảng 3.2. Giá trị BOD ở 20oC của nước sông Cái ở thời điểm tháng 12/2019 .................................................................................................. 66 Bảng 3.3. Giá trị BOD ở 20oC của nước sông Cái ở thời điểm tháng 4/2020 .................................................................................................... 68 Bảng 3.4. Tỉ lệ BOD5/BOD10 và BOD5/BOD20 của nước sông Cái ............... 70 Bảng 3.5. So sánh tỉ lệ BOD5/BOD10 và BOD5/BOD20 của nước sông Cái với các sông khác ............................................................................................ 70 Bảng 3.6. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái tính theo cơ số e (K1) ....................................................................................... 72 Trang ix Bảng 3.7. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái tính theo cơ số 10 (k1) ..................................................................................... 73 Bảng 3.8. So sánh giá trị K1 của sông Cái với các sông khác ........................ 74 Bảng 3.9. BOD toàn phần của giai đoạn 1 (La) ở 20oC của nước sông Cái ... 74 Bảng 3.10. Tỉ lệ BOD5/La của nước sông Cái ................................................. 75 Bảng 3.11. Giá trị BOD ở 20oC của nước sông Cái ở các độ mặn khác nhau ......................................................................................................... 76 Bảng 3.12. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái ở các độ mặn khác nhau .................................................................................. 77 Bảng 3.13. Giá trị BOD ở 20oC của nước sông Cái ở các DO khác nhau ...... 79 Bảng 3.14. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái ở các DO khác nhau ........................................................................................ 80 Bảng 3.15. Giá trị BOD của nước sông Cái ở các nhiệt độ khác nhau ........... 82 Bảng 3.16. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nước sông Cái ở các nhiệt độ khác nhau .................................................................................................... 84 Bảng 3.17. Giá trị BOD ở 20oC của nước sông Cái ở các pH khác nhau ....... 85 Bảng 3.18. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái ở các pH khác nhau ......................................................................................... 87 Bảng 3.19. Tần suất xuất hiện của các dòng khuẩn lạc hiếu khí trong 30 mẫu nước sông Cái .......................................................................................... 90 Bảng 3.20. Định danh các loài vi khuẩn hiếu khí trong nước sông Cái ......... 92 Bảng 3.21. Phân loại chi, họ, bộ, lớp, ngành, giới của các loài vi khuẩn hiếu khí trong nước sông Cái .......................................................................... 94 Bảng 3.22. Đặc điểm sinh trưởng và hình thái khuẩn lạc của 25 loài vi khuẩn hiếu khí trong nước sông Cái ............................................................... 96 x DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Đường cong biểu diễn DO .............................................................. 11 Hình 1.2. Đồ thị xác định k1 và La cho khoảng thời gian đo BOD là 3 ngày (không tính pha thích nghi) ............................................................................. 15 Hình 1.3. Đồ thị xác định k1 và La cho khoảng thời gian đo BOD là 5 ngày (không tính pha thích nghi) ............................................................................. 16 Hình 1.4. Đồ thị xác định k1 và La cho khoảng thời gian đo BOD là 7 ngày (không tính pha thích nghi) ............................................................................. 17 Hình 1.5. Đồ thị xác định k1 và La cho khoảng thời gian đo BOD là 5 ngày (có tính pha thích nghi) ................................................................................... 18 Hình 1.6. Giá trị BOD trong 5 ngày theo các độ mặn khác nhau ................... 29 Hình 1.7. Giá trị BOD trong 20 ngày của sông Ribeirao Vermelho ở mùa đông và mùa hè ............................................................................................... 30 Hình 1.8. Giá trị BOD trong 30 ngày của sông Brantas ................................. 31 Hình 1.9. Giá trị BOD trong 10 ngày của sông Citarum ................................ 33 Hình 1.10. Giá trị BOD trong 13 ngày của suối Al-Robat và Al-Jubyla ........ 35 Hình 1.11. Vị trí sông Cái trên địa bàn tỉnh Đồng Nai ................................... 37 Hình 1.12. Vị trí cụ thể của sông Cái .............................................................. 38 Hình 1.13. Mặt cắt của sông Cái tại điểm N3 ................................................. 39 Hình 1.14. Mực nước của sông Cái tại điểm N3 ............................................ 39 Hình 1.15. Lưu lượng nước của sông Cái tại điểm N3 ................................... 40 Hình 1.16. Các nguồn thải có khả năng tiềm tàng tác động đến chất lượng nước của sông Cái trong tương lai .................................................................. 41 Hình 1.17. Diễn biến BOD5 của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019..... 41 Hình 1.18. Diễn biến COD của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 ...... 42 Hình 1.19. Diễn biến TSS của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 ....... 42 Hình 1.20. Diễn biến N-NH4+ của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 . 43 Trang xi Hình 1.21. Diễn biến N-NO2- của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 .. 43 Hình 1.22. Diễn biến N-NO3- của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 .. 44 Hình 1.23. Diễn biến P-PO43- của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 .. 44 Hình 2.1. Diễn biến độ mặn của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 .... 48 Hình 2.2. Diễn biến phân phối số liệu độ mặn của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 ............................................................................................... 49 Hình 2.3. Diễn biến DO của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 .......... 49 Hình 2.4. Diễn biến phân phối số liệu DO của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 ............................................................................................... 50 Hình 2.5. Diễn biến nhiệt độ của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 ... 50 Hình 2.6. Diễn biến phân phối số liệu nhiệt độ của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 ............................................................................................... 51 Hình 2.7. Diễn biến pH của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 ........... 51 Hình 2.8. Diễn biến phân phối số liệu pH của nước sông Cái từ tháng 1/2019-12/2019 ............................................................................................... 52 Hình 2.9. Vị trí các điểm lấy mẫu nước theo chiều dài của sông Cái ............. 53 Hình 2.10. Phương thức lấy mẫu tổ hợp nước sông Cái ................................. 53 Hình 2.11. Thiết bị EZ-Oxyro 4R Respir