Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông cái bởi vi sinh vật

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông cái bởi vi sinh vật" được nghiên cứu với mục tiêu: Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nhóm vi khuẩn hiếu khí trong nước sông Cái; Đánh giá mức độ đa dạng của cộng đồng vi khuẩn hiếu khí, 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 Cái.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông cái bởi vi sinh vật

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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023
1 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BTTM - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học 1. PGS.TS Phùng Chí Sỹ 2. TS Nguyễn Thế Tiến Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Phước Dân (Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM) Phản biện 2: GS.TS Huỳnh Trung Hải (Đại học Bách Khoa Hà Nội) Phản biện 3: PGS.TS Lê Anh Kiên (Viện Khoa học và Công nghệ quân sự) Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Viện, họp tại: Viện KH-CN quân sự vào hồi giờ ngày tháng năm 2023. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông đóng vai trò hết sức quan trọng trong bảo vệ chất lượng nguồn nước phục vụ cho phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc phòng. Đây là hướng nghiên cứu được quan tâm nhiều trong những năm gần đây; một số nghiên cứu về khả năng tự làm sạch của dòng sông được thực hiện với công cụ sử dụng chính để đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông là các mô hình toán. Một trong những yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến kết quả đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông chính là các hệ số thực nghiệm; hiện nay tại Việt Nam các hệ số thực nghiệm này được chọn theo gợi ý của mô hình khi áp dụng đánh giá khả năng tự làm sạch của một dòng sông nào đó. Ở Việt Nam đã có một số ít công trình nghiên cứu có xác định hệ số phân hủy chất hữu cơ trong nước sông bởi nhóm vi khuẩn hiếu khí nhưng quy mô thực hiện với số lượng mẫu ít, thời gian thực hiện ngắn và chưa xem xét ảnh hưởng của các yếu tố như: Nhiệt độ, pH, độ mặn, DO đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông. Nghiên cứu quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Cái bởi vi khuẩn nhằm nâng cao hiệu quả, tính chính xác, độ tin cậy trong đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông, từ đó làm cơ sở khoa học để đưa ra các giải pháp bảo vệ chất lượng nguồn nước sông là vấn đề có tính cấp thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nhóm vi khuẩn hiếu khí trong nước sông Cái. - Đánh giá mức độ đa dạng của cộng đồng vi khuẩn hiếu khí, 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 Cái. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của luận án là khả năng phân hủy chất hữu cơ trong nước sông của nhóm vi khuẩn hiếu khí. - Phạm vi nghiên cứu: Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông bởi nhóm vi khuẩn hiếu khí có xem xét ảnh hưởng của các yếu tố như: Nhiệt
2 độ, pH, độ mặn, ôxy hòa tan. Các mẫu thực hiện cho sông Cái thuộc tỉnh Đồng Nai. 4. Nội dung nghiên cứu - Đánh giá hiện trạng ô nhiễm chất hữu cơ trong nước sông Cái. - Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nhóm vi khuẩn hiếu khí trong nước sông Cái. - Xác định ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, pH, độ mặn, DO đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Cái. - Đánh giá mức độ đa dạng của cộng đồng vi khuẩn hiếu khí trong nước sông Cái. - 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 Cái. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp kế thừa; phương pháp thu mẫu, phân tích; phương pháp xử lý số liệu thống kê; phương pháp Slope xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông; phương pháp phân lập vi sinh; phương pháp phân loại vi sinh vật bằng khối phổ protein MALDI-TOF. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Ý nghĩa khoa học: Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông bởi nhóm vi khuẩn hiếu khí, đồng thời xác định các loài vi khuẩn hiếu khí đóng vai trò chủ đạo trong phân hủy chất hữu cơ trong nước sông, bổ sung vào cơ sở dữ liệu thống kê chất lượng nước sông, thành phần vi khuẩn hiếu khí, các yếu tố ảnh hưởng. - Ý nghĩa thực tiễn: Nâng cao hiệu quả, tính chính xác, độ tin cậy trong đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông, từ đó làm cơ sở khoa học để đưa ra các giải pháp bảo vệ chất lượng nguồn nước sông. 7. Bố cục của luận án Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục các công trình khoa học đã công bố, Tài liệu tham khảo và Phụ lục, luận án được kết cấu thành 3 chương nội dung chính như sau: Chương 1 - Tổng quan; Chương 2 - Vật liệu và phương pháp thực nghiệm; Chương 3 - Kết quả và thảo luận.
3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về khả năng tự làm sạch của dòng sông Vi sinh vật được xem là nhân tố chính của quá trình tự làm sạch nước tự nhiên, chúng phân hủy và sử dụng các chất hữu cơ hòa tan để xây dựng tế bào cho cơ thể và biến thành các chất vô cơ trong nước. Trong nước có nhiều loại vi sinh vật như: Vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, vi rút; trong những loại này, vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hay chủ đạo trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, làm sạch nguồn nước sông. Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia làm 2 nhóm: Vi khuẩn dị dưỡng và vi khuẩn tự dưỡng. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong nước sông chủ yếu do các vi khuẩn dị dưỡng, đặc biệt là vi khuẩn hiếu khí. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch dòng sông như: Pha loãng và khuếch tán, lắng đọng, ôxy hóa, khử, ánh sáng mặt trời, nhiệt độ, chuyển động xáo trộn, tốc độ tái sinh ôxy. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông bởi quá trình sinh hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: Nhiệt độ, pH, độ mặn, ôxy hòa tan (DO), thành phần chất hữu cơ, lưu lượng dòng chảy, sự ổn định của cột nước và sự phân tầng nước sông. 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 Hiện có các phương pháp xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông phổ biến như: Phương pháp Slope, phương pháp Moment và phương pháp Hydroscience. Phương pháp Slope được lựa chọn để xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông cho luận án này do có độ chính xác cao, độ tin cậy cao. Các phương pháp phân loại vi sinh vật: Phương pháp phân loại vi sinh vật truyền thống, phương pháp phân loại vi sinh vật bằng sinh học phân tử, phương pháp phân loại vi sinh vật bằng khối phổ protein MALDI-TOF. Phương pháp MALDI-TOF được lựa chọn để định danh các loài vi khuẩn hiếu khí trong nước sông cho luận án này do đây là phương pháp định loại vi sinh vật một cách nhanh chóng, hiệu quả và đáng tin cậy.
4 1.3. Các kết quả nghiên cứu về khả năng tự làm sạch của dòng sông Có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng tự làm sạch của dòng sông dựa vào đặc trưng dòng chảy trên thế giới. Tại Việt Nam, một số công trình nghiên cứu về lĩnh vực này cũng đã được công bố với công cụ sử dụng chính để đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông là các mô hình toán. Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu về hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nước sông. Phương pháp Slope được nhiều tác giả sử dụng do kết quả có độ chính xác cao, độ tin cậy cao. Tại Việt Nam, đã có một số ít công trình nghiên cứu có xác định hệ số phân hủy chất hữu cơ trong nước sông bởi nhóm vi khuẩn hiếu khí nhưng quy mô thực hiện với số lượng mẫu ít, thời gian thực hiện ngắn và chưa xem xét ảnh hưởng của các yếu tố như: Nhiệt độ, pH, độ mặn, DO đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông. Vì vậy, luận án này nghiên cứu xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nước sông có xem xét ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, pH, độ mặn, DO bằng phương pháp Slope. 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 Sông Cái là một nhánh của sông Đồng Nai, chảy qua địa bàn các xã Đại Phước, Long Tân và Phú Thạnh của huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai. Sông Cái với chiều dài khoảng 10km, chiều rộng 350-400m, độ sâu giữa dòng 15- 20m tùy theo từng vị trí, lưu lượng khoảng 114,97 m3/s. Sông Cái có các chức năng: Vận tải (giao thông thủy, vận chuyển phù sa), sản xuất (cung cấp nước cho sinh hoạt và tưới tiêu), bảo vệ (thoát lũ, tiếp nhận và đồng hóa các chất ô nhiễm, điều hòa vi khí hậu). Sông Cái chịu tác động của các nguồn thải từ phía thượng nguồn khi triều kiệt và phía hạ nguồn khi triều cường. Tại khu vực sông Cái có 2 nguồn thải khác có khả năng tiềm tàng tác động đến chất lượng nước của sông Cái trong tương lai là khu đô thị và dân cư Swan Bay và trung tâm bảo đảm kỹ thuật/Vùng 2 Hải quân. Chất lượng nước sông Cái giữa Cột A2 và B1 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Tỉ lệ BOD5/COD của sông Cái bằng 0,41; chứng tỏ nước sông Cái chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học.
5 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Vật liệu và thiết bị 2.1.1. Mẫu nước sông Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông: 5 mẫu tổ hợp/thời điểm * 3 thời điểm (tháng 8/2019, 12/2019, 4/2020). Xác định ảnh hưởng của độ mặn: 5 mẫu tổ hợp; DO: 4 mẫu tổ hợp; nhiệt độ: 5 mẫu tổ hợp; pH: 5 mẫu tổ hợp. Phân lập và định danh các loài vi khuẩn: 5 mẫu tổ hợp/thời điểm * 6 thời điểm (tháng 6/2019, 8/2019, 10/2019, 12/2019, 2/2020, 4/2020). 2.1.2. Hóa chất Các hóa chất chính sử dụng cho quá trình nghiên cứu luận án này gồm: Ôxy 99,999%, KOH 85%, NaOH 99,9%, H3PO4 85%, NaCl 99,5%, Allylthiourea 98%, NA (Nutrient agar), NB (Nutrient broth), Axit formic 98%, Matrix IVD HCCA-portioned. 2.1.3. Thiết bị EZ-Oxyro 4R Respirometer Sử dụng thiết bị EZ-Oxyro 4R Respirometer của Hàn Quốc để xác định BOD dựa trên sự chênh lệch áp suất và lượng ôxy cấp vào. Sử dụng hóa chất KOH dạng hạt 85% để hấp thụ CO2 sinh ra do quá trình hô hấp. Sử dụng ôxy tinh khiết 99,999% cấp vào để cân bằng áp suất trong bình phản ứng. 2.1.4. Thiết bị MALDI Biotyper Microflex LT/SH Sử dụng thiết bị MALDI Biotyper Microflex LT/SH của hãng Bruker/Đức để định danh vi khuẩn dựa trên cơ sở phân tích khối phổ của protein ribosome và so sánh với cơ sở dữ liệu khối phổ. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Lựa chọn giá trị đo của các yếu tố ảnh hưởng Độ mặn nước sông dao động 0,03 - 3,90 ‰; trung bình 1,39  1,00 ‰. Lựa chọn đo BOD ở 5 mức độ mặn: 0,5‰, 1‰, 2‰, 3‰, 4‰. DO nước sông Cái dao động 5,59 - 6,91 mg/l; trung bình 5,88  0,29 mg/l. Lựa chọn đo BOD ở 4 mức DO: 5,6 mg/l, 6,1 mg/l, 6,5 mg/l, 6,9 mg/l. Nhiệt độ nước sông Cái dao động 22,3 - 36,1 oC; trung bình 29,6  0,11 o C. Lựa chọn đo BOD ở 5 mức nhiệt độ: 20oC, 25oC, 30oC, 35oC, 40oC. pH nước sông Cái dao động 5,10 - 8,20; trung bình 6,19  0,32. Lựa chọn đo BOD ở 5 mức pH: 5, 6, 7, 8, 9.
6 2.2.2. Lấy mẫu và tạo mẫu nước sông Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông: Tại mỗi vị trí lấy 9 mẫu: Giữa dòng lấy 3 mẫu theo độ sâu, giữa bờ phải lấy 2 mẫu theo độ sâu, giữa bờ trái lấy 2 mẫu theo độ sâu, bờ phải lấy 1 mẫu và bờ trái lấy 1 mẫu. Mỗi vị trí lấy mẫu 2 lần theo triều: Triều cường và triều kiệt. Mẫu tổ hợp là mẫu của 18 mẫu đơn ở trên được trộn lẫn với nhau. Xác định ảnh hưởng của các yếu tố đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông: Tại mỗi vị trí lấy 9 mẫu: Giữa dòng lấy 3 mẫu theo độ sâu, giữa bờ phải lấy 2 mẫu theo độ sâu, giữa bờ trái lấy 2 mẫu theo độ sâu, bờ phải lấy 1 mẫu và bờ trái lấy 1 mẫu. Mỗi vị trí lấy mẫu 2 lần theo triều: Triều cường và triều kiệt. Lấy mẫu tại 5 vị trí trên dòng sông, mỗi vị trí cách nhau khoảng 2,0-2,5 km, kí hiệu N1-N5. Mẫu tổ hợp là mẫu của 90 mẫu đơn ở trên được trộn lẫn với nhau. Phân lập và định danh các loài vi khuẩn hiếu khí: Tại mỗi vị trí lấy 9 mẫu: Giữa dòng lấy 3 mẫu theo độ sâu, giữa bờ phải lấy 2 mẫu theo độ sâu, giữa bờ trái lấy 2 mẫu theo độ sâu, bờ phải lấy 1 mẫu và bờ trái lấy 1 mẫu. Mỗi vị trí lấy mẫu 2 lần theo triều: Triều cường và triều kiệt. Mẫu tổ hợp là mẫu của 18 mẫu đơn ở trên được trộn lẫn với nhau. Tạo các mẫu nước có độ mặn khác nhau: Sử dụng mẫu tổ hợp của 90 mẫu đơn, chia thành 5 mẫu. Mẫu tổ hợp có độ mặn ban đầu là 0,48‰. Dùng NaCl 99,5% để tạo ra 5 mẫu có độ mặn khác nhau: S=0,5‰, S=1‰, S=2‰, S=3‰ và S=4‰. Tạo các mẫu nước có DO khác nhau: Sử dụng mẫu tổ hợp của 90 mẫu đơn, chia thành 4 mẫu. Mẫu tổ hợp có DO ban đầu là 5,6 mg/l. Dùng ôxy 99,999% để tạo ra 4 mẫu có DO khác nhau: DO=5,6 mg/l, DO=6,1 mg/l, DO=6,5 mg/l và DO=6,9 mg/l. Tạo các mẫu nước có nhiệt độ khác nhau: Sử dụng mẫu tổ hợp của 90 mẫu đơn, chia thành 5 mẫu. Mẫu tổ hợp có nhiệt độ ban đầu là 29,7oC. Nhiệt độ bình phản ứng được kiểm soát thông qua bộ ổn nhiệt DB400C+ đi kèm thiết bị EZ-Oxyro 4R Respirometer. Khoảng nhiệt độ hiệu chỉnh từ 5-60 oC với bộ làm nóng heater 300W, bộ làm lạnh cooler 150W. Chế độ nhiệt hiệu chỉnh cho 5 bình phản ứng: T=20oC, T=25oC, T=30oC, T=35oC và T=40oC. Tạo các mẫu nước có pH khác nhau: Sử dụng mẫu tổ hợp của 90 mẫu đơn, chia thành 5 mẫu. Mẫu tổ hợp có pH ban đầu là 6,3. Dùng NaOH 99,9% và H3PO4 85% để tạo ra 5 mẫu có pH khác nhau: pH=5, pH=6, pH=7, pH=8 và pH=9.
7 2.2.3. Xác định BOD Phương pháp xác định BOD dựa trên sự chênh lệch áp suất và lượng oxy cấp vào: Sử dụng EZ-Oxyro 4R Respirometer của Hàn Quốc: Đo áp suất tại thời điểm ban đầu (Po); Quá trình hô hấp của vi khuẩn sinh khí CO2, CO2 bị KOH hấp thụ tạo thành K2CO3, làm giảm áp suất trong bình phản ứng; Tự động cấp một lượng ôxy vào từ bình ôxy để cân bằng so với áp suất ban đầu (Po); BOD được xác định dựa trên lượng ôxy sử dụng (cấp vào). 2.2.4. Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Phương pháp Slope được lựa chọn để xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông. Phương pháp Slope do Thomas phát triển dựa trên bình phương cực tiểu của phương trình phản ứng bậc 1. 𝑑𝑦 = 𝐾1 (𝐿 𝑎 − 𝑦) = 𝐾1 𝐿 𝑎 − 𝐾1 𝑦 (2.10) 𝑑𝑡 Trong đó: dy: BOD gia tăng trên một đơn vị thời gian; K1: hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ tính theo cơ số e (ngày-1); La: BOD toàn phần của giai đoạn 1 (mg/l); y: BOD (mg/l). Phương trình vi phân này là tuyến tính giữa dy/dt và y. Đặc y’= dy/dt biểu thị mức độ thay đổi BOD và n là số lần đo BOD trừ đi 1. Hai phương trình xác định K1 và La là: 𝑛𝑎 + 𝑏 ∑ 𝑦 − ∑ 𝑦 ′ = 0 (2.11) và 𝑎 ∑ 𝑦 + 𝑏 ∑ 𝑦 2 − ∑ 𝑦𝑦 ′ = 0 (2.12) Các tính toán cho y’, yy’, y2 cho mỗi giá trị của y. Sau đó tính y’, yy’, y2 để sử dụng cho 2 phương trình trên. Giá trị của độ dốc được tính toán từ các giá trị của y và t như sau: 𝑡 −𝑡 𝑡 −𝑡 (𝑦 𝑖 −𝑦 𝑖−1 )( 𝑖+1 𝑖 )+(𝑦 𝑖+1 −𝑦 𝑖 )( 𝑖 𝑖−1 ) 𝑑𝑦 𝑖 𝑡 𝑖 −𝑡 𝑖−1 𝑡 𝑖+1 −𝑡 𝑖 𝑑𝑡 = 𝑦′ 𝑖 = 𝑡 𝑖+1 −𝑡 𝑖−1 (2.13) Trường hợp đặc biệt, các khoảng thời gian gia tăng bằng nhau, ti+1 - ti = t3 - t2 = t2 - t1 = t, y’ được xác định như sau: 𝑑𝑦 𝑖 (𝑦 𝑖+1 −𝑦 𝑖−1 ) 𝑑𝑡 = 𝑦′ = 𝑖 2𝑡 (2.14) hoặc 𝑑𝑦 𝑖 (𝑦 𝑖+1 −𝑦 𝑖−1 ) 𝑑𝑡 = 𝑦′ = 𝑖 𝑡 𝑖+1 −𝑡 𝑖−1 (2.15)
8 Số lần đo BOD tối thiểu n > 6. Giải 2 phương trình trên tìm được giá trị của a và b. Từ đó xác định được K1 và La như sau: K1 = -b (2.16) và La = -a/b (2.17) 2.2.5. Xây dựng phương trình tương quan giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và độ mặn, DO, nhiệt độ, pH Hệ số tương quan Pearson được sử dụng để xem xét mối tương quan giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và từng yếu tố ảnh hưởng như độ mặn, DO, nhiệt độ, pH. 2.2.6. Phân lập vi sinh Chuẩn bị thạch đĩa, pha loãng mẫu, phân lập, định lượng vi khuẩn bằng phương pháp đếm khuẩn lạc. 2.2.7. Phân loại vi khuẩn bằng khối phổ protein MALDI-TOF Các loài vi khuẩn được cấy chuyển trên môi trường thạch đĩa NA để làm thuần sau đó được định danh bằng phương pháp phân loại vi khuẩn bằng khối phổ protein MALDI-TOF. Định danh vi khuẩn bằng dấu ấn phân tử dựa trên nguyên tắc so sánh tương đồng phổ protein từ mẫu vi khuẩn mục tiêu với cơ sở dữ liệu của gần 6.000 chủng vi sinh vật khác nhau trong thư viện Thiết bị Microflex LT/SH của Bruker/Đức có thể xác định loài với mức độ tin cậy cao khi điểm tương đồng (score value) từ 2.300 đến 3.000; có thể xác định chi với mức độ tin cậy chắn chắn và xác định loài khi điểm tương đồng lớn hơn 2.000; có thể xác định chi khi điểm tương đồng từ 1.700 đến 1.999; không thể xác định khi điểm tương đồng nhỏ hơn 1.699. 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 Để 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, có 2 tiêu chí được xác định là: 1. Sự tồn tại của loài vi khuẩn này luôn luôn hiện diện trong mẫu nước sông quanh năm, mà cụ thể trong nghiên cứu này là luôn luôn xuất hiện tại 6 thời điểm thu mẫu: tháng 6/2019, 8/2019, 10/2019, 12/2019, 2/2020, 4/2020 và 2. Mật độ loài vi khuẩn có số lượng cao nhất.
9 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông 3.1.1. Xác định BOD trong 20 ngày (y) Hình 3.4. Giá trị y và y’ của nước sông Cái ở 20oC ở thời điểm 8/2019 Hình 3.5. Giá trị y và y’ ở 20oC của nước sông Cái ở thời điểm 12/2019 Hình 3.6. Giá trị y và y’ ở 20oC của nước sông Cái ở thời điểm 4/2020 Giá trị BOD (y) tại thời điểm tháng 8/2019 và tháng 4/2020 giảm từ
10 điểm N1 đến N5, trong khi tại thời điểm tháng 12/2019 tăng từ N1 đến N5. Điều này có thể giải thích như sau: - Thời điểm tháng 8/2019 là mùa mưa và tháng 4/2020 là giao mùa nên dòng chảy sông Cái chịu tác động mạnh hơn từ thượng nguồn (N1) xuống hạ nguồn (N5). - Thời điểm tháng 12/2019 là mưa khô nên dòng chảy sông Cái chịu tác động mạnh hơn từ hạ nguồn (N5) lên thượng nguồn (N1). Bảng 3.4. Tỉ lệ BOD5/BOD10 và BOD5/BOD20 của nước sông Cái Đơn Trung Độ lệch Hạng mục 8/2019 12/2019 4/2020 vị bình chuẩn BOD5 mg/l 6,1 5,4 6,1 5,9 1,0 BOD10 mg/l 9,3 8,8 9,7 9,3 1,4 BOD20 mg/l 11,2 11,2 12,1 11,5 1,6 BOD5/BOD10 % 66 61 63 63 2,1 BOD5/BOD20 % 54 48 51 51 3,0 Tỉ lệ BOD5/BOD10 càng lớn chứng tỏ nước sông có nhiều chất hữu cơ phân hủy sinh học rất nhanh; tỉ lệ BOD5/BOD20 càng nhỏ chứng tỏ nước sông có nhiều chất hữu cơ phân hủy sinh học chậm. Tỉ lệ BOD5/BOD10 của sông Cái dao động trong khoảng 61-66%; trung bình 63  2,1%; tỉ lệ BOD5/BOD20 của sông Cái dao động trong khoảng 48-54%; trung bình 51  3,0%. Điều này chứng tỏ nước sông Cái có nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Độ dốc BOD (y’) giảm dần từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 20, điều này có nghĩa khối lượng chất hữu cơ trong nước sông phân hủy sinh học tính cho ngày giảm dần từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 20. Giá trị y’ cao nhất từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 6 và đạt đỉnh ở ngày thứ 2 và ngày thứ 3, điều này có nghĩa khối lượng chất hữu cơ trong nước sông phân hủy sinh học đa phần trong 6 ngày đầu tiên và phân hủy sinh học nhiều nhất ở ngày thứ 2 và ngày thứ 3 do nước sông Cái chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Giá trị y’ bằng 0 từ ngày thứ 18 đến ngày thứ 20, điều này có nghĩa không còn chất hữu cơ phân hủy sinh học ở ngày thứ 18 đến ngày thứ 20 do chất hữu cơ trong nước sông phân hủy hết trong 17 ngày đầu.
11 3.1.2. Xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ Bảng 3.6. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC tính theo cơ số e (K1) Hệ số K1 (ngày-1) Thời điểm N1 N2 N3 N4 N5 Trung bình Tháng 8/2019 0,137 0,140 0,128 0,142 0,123 0,134  0,008 Tháng 12/2019 0,109 0,112 0,113 0,124 0,113 0,114  0,006 Tháng 4/2020 0,143 0,144 0,115 0,127 0,111 0,128  0,015 Trung bình 0,129 0,132 0,119 0,131 0,116 0,125  0,008 Độ lệch chuẩn 0,018 0,017 0,008 0,010 0,007 Bảng 3.7. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC tính theo cơ số 10 (k1) Hệ số k1 (ngày-1) Thời điểm N1 N2 N3 N4 N5 Trung bình Tháng 8/2019 0,059 0,061 0,055 0,062 0,054 0,058  0,004 Tháng 12/2019 0,047 0,049 0,049 0,054 0,049 0,050  0,002 Tháng 4/2020 0,062 0,063 0,050 0,055 0,048 0,056  0,007 Trung bình 0,056 0,057 0,052 0,057 0,050 0,054  0,003 Độ lệch chuẩn 0,008 0,007 0,003 0,004 0,003 Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nước sông càng lớn chứng tỏ khả năng tự làm sạch của sông càng cao, ngược lại giá trị K1 hay k1 càng nhỏ chứng tỏ khả năng tự làm sạch của sông càng thấp. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái: K1 = 0,125  0,08 ngày-1 hay k1 = 0,054  0,003 ngày-1. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nước sông Cái cao nhất vào tháng 8/2019, thấp nhất vào tháng 12/2019. Điều này cho thấy khả năng tự làm sạch của sông Cái cao nhất vào mùa mưa (tháng 8/2019), kế đến là giao mùa (tháng 4/2020) và thấp nhất vào mùa khô (tháng 12/2019) do lưu lượng dòng chảy của sông Cái vào mùa mưa lớn hơn mùa khô nên khả năng tự làm sạch sẽ cao hơn.
12 3.1.3. Xác định phương trình động học phân hủy chất hữu cơ Bảng 3.9. BOD toàn phần của giai đoạn 1 (La) ở 20oC của nước sông Cái Giá trị La (mg/l) Thời điểm N1 N2 N3 N4 N5 Trung bình Tháng 8/2019 15,3 12,9 12,3 10,9 10,6 12,4  1,9 Tháng 12/2019 10,8 11,5 12,4 13,3 16,0 12,8  2,0 Tháng 4/2020 15,0 13,5 14,0 11,9 12,5 13,4  1,2 Trung bình 13,7 12,6 12,9 12,0 13,0 12,9  0,6 Độ lệch chuẩn 2,5 1,0 1,0 1,2 2,7 La tại thời điểm tháng 8/2019 giảm từ N1 đến N5 do tháng 8/2019 là mùa mưa nên dòng chảy sông Cái chịu tác động mạnh hơn từ thượng nguồn (N1) xuống hạ nguồn (N5). Trong khi đó La tại thời điểm tháng 12/2019 tăng từ N1 đến N5 do tháng 12/2019 là mưa khô nên dòng chảy sông Cái chịu tác động mạnh hơn từ hạ nguồn (N5) lên thượng nguồn (N1). Bảng 3.10. Tỉ lệ BOD5/La của nước sông Cái Trung Độ lệch Hạng mục Đơn vị 8/2019 12/2019 4/2020 bình chuẩn BOD5 mg/l 6,1 5,4 6,1 5,9 1,0 La mg/l 12,4 12,8 13,4 12,9 1,7 BOD5/La % 49 42 46 46 3,4 Tỉ lệ BOD5/La phản ánh tỉ lệ khối lượng chất hữu cơ rất dễ phân hủy sinh học trên tổng khối lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học bởi vi khuẩn hiếu khí trong nước sông. Tỉ lệ BOD5/La của sông Cái dao động trong khoảng 42-49%; trung bình 46  3,4%. Điều này có nghĩa trong 100% khối lượng chất hữu cơ trong nước sông Cái có khả năng phân hủy sinh học bởi vi khuẩn hiếu khí, có 46% chất hữu cơ rất dễ phân hủy sinh học trong 5 ngày đầu tiên. Phương trình động học phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái được xác định theo phương pháp Slope như sau: 𝑦 = 12,9 ∗ (1 − 𝑒 −0,125∗𝑡 ) hoặc (3.1) 𝑦 = 12,9 ∗ (1 − 10−0,054∗𝑡 ) (3.2)
13 3.2. Xác định ảnh hưởng của các yếu tố đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông 3.2.1. Ảnh hưởng của độ mặn Hình 3.7. Giá trị y và y’ ở 20oC của nước sông Cái ở các độ mặn khác nhau Tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nước sông Cái giảm khi độ mặn gia tăng. Khi độ mặn của nước sông Cái gia tăng từ 0,5‰ lên 4,0‰, hệ số K1 giảm từ 0,147 ngày-1 xuống còn 0,074 ngày-1, hệ số k1 giảm từ 0,064 ngày-1 xuống còn 0,032 ngày-1. Điều này có thể giải thích khi độ mặn của nước sông tăng cao là môi trường không thuận lợi cho vi khuẩn hiếu khí phát triển, dẫn tới tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm đi. Trong những năm gần đây, dưới tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng, xâm nhập mặn là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu. Sông Cái là một nhánh của sông Đồng Nai, chịu ảnh hưởng bởi chế độ bán nhật triều từ cửa biển Xoài Rạp. Kết quả quan trắc độ mặn của nước sông Cái cho thấy độ mặn biến động lớn giữa các tháng trong năm, cao nhất từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau. Khi độ mặn của nước sông Cái tăng, dẫn tới hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm, làm cho khả năng tự làm sạch của nước sông Cái giảm. Ngược lại, khi độ mặn của nước sông Cái giảm, dẫn tới hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ tăng, làm cho khả năng tự làm sạch của nước sông Cái tăng. Xem xét tương quan cho thấy giá trị r = -0,95. Chứng rõ có mối tương quan mạnh giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và độ mặn. Tương quan này là tương quan nghịch do r là số âm. Phương trình tương quan sẽ là phương trình tương quan nghịch bậc 1.
14 Hình 3.8. Phương trình tương quan giữa K1, k1 và S ở 20oC của sông Cái Kết quả cho thấy phương trình tương quan giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và độ mặn ở 20oC của nước sông Cái: K1 = -0,0207S + 0,1482 với R2 = 0,9024 (3.3) 2 k1 = -0,009S + 0,0644 với R = 0,9024 (3.4) 3.2.2. Ảnh hưởng của DO Hình 3.9. Giá trị y và y’ ở 20oC của nước sông Cái ở các DO khác nhau Tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nước sông Cái tăng khi DO gia tăng. Khi DO của nước sông Cái gia tăng từ 5,6 mg/l lên 6,9 mg/l, hệ số K1 tăng từ 0,120 ngày-1 lên 0,128 ngày-1, hệ số k1 tăng từ 0,052 ngày-1 lên 0,055 ngày-1. Điều này có thể giải thích DO càng lớn, tốc độ phân hủy chất hữu cơ càng cao do vi khuẩn hiếu khí có nhiều ôxy hòa tan để sử dụng hơn. Kết quả quan trắc DO của nước sông Cái cho thấy DO khác biệt lớn theo độ sâu của tầng nước (càng xuống sâu dưới đáy sông DO càng thấp và ngược lại càng lên trên bề mặt sông DO càng cao) và khác biệt rõ rệt giữa các tháng trong năm. Khi DO của nước sông Cái tăng, dẫn tới hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ tăng, làm cho khả năng tự làm sạch của nước sông Cái tăng.
15 Ngược lại, khi DO của nước sông Cái giảm, dẫn tới hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm, làm cho khả năng tự làm sạch của nước sông Cái giảm. Xem xét tương quan cho thấy giá trị r = 0,95. Chứng rõ có mối tương quan mạnh giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và DO. Tương quan này là tương quan thuận do r là số dương. Phương trình tương quan sẽ là phương trình tương quan thuận bậc 1. Hình 3.10.Phương trình tương quan giữa K1, k1 và DO ở 20oC của sông Cái Kết quả ở trên cho thấy phương trình tương quan giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và DO ở 20oC của nước sông Cái như sau: K1 = 0,0056DO + 0,0883 với R2 = 0,9251 (3.5) 2 k1 = 0,0024DO + 0,0384 với R = 0,9251 (3.6) 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ Hình 3.11. Giá trị y và y’ của nước sông Cái ở các nhiệt độ khác nhau Tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nước sông Cái tăng khi nhiệt độ nước sông tăng từ 20oC lên 30oC, tương ứng với hệ số K1 tăng từ 0,117 ngày-1 lên 0,134 ngày-1, hệ số k1 tăng từ 0,051 ngày-1 lên 0,058 ngày-1. Tốc độ phân hủy
16 chất hữu cơ của nước sông Cái giảm khi nhiệt độ tăng từ 30oC lên 40oC, tương ứng với hệ số K1 giảm từ 0,134 ngày-1 xuống 0,090 ngày-1, hệ số k1 giảm từ 0,058 ngày-1 xuống 0,039 ngày-1. Điều này có thể giải thích khi nhiệt độ nước sông quá thấp vi khuẩn hiếu khí không phát triển tốt, khi nhiệt độ nước sông gia tăng lên 30oC, tốc độ phân hủy chất hữu cơ bởi vi khuẩn hiếu tăng cao do đây là điều kiện nhiệt độ tối ưu cho vi khuẩn hiếu khí trong sông phát triển tốt, còn ở nhiệt độ quá cao khi nhiệt độ nước sông tăng lên 40oC vi khuẩn hiếu khí trong nước sông sẽ bị tiêu diệt làm cho hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm. Kết quả quan trắc nhiệt độ của nước sông Cái cho thấy nhiệt độ khác biệt lớn theo độ sâu của tầng nước (càng xuống sâu dưới đáy sông nhiệt độ càng thấp và ngược lại càng lên trên bề mặt sông nhiệt độ càng cao) và khác biệt rõ rệt giữa các giờ trong ngày, cao nhất từ 12 giờ đến 15 giờ. Sự thay đổi của nhiệt độ nước sông, dẫn tới hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ thay đổi, làm cho khả năng tự làm sạch của nước sông Cái thay đổi. Xem xét tương quan cho thấy giá trị r trong khoảng nhiệt độ 20-30oC là 0,98 và r trong khoảng nhiệt độ 30-40oC là -0,99. Chứng rõ có mối tương quan mạnh giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và nhiệt độ. Tương quan này là tương quan thuận trong khoảng nhiệt độ 20-30oC do r là số dương và tương quan nghịch trong khoảng nhiệt độ 30-40oC do r là số âm. Phương trình tương quan sẽ là phương trình tương quan bậc 2. Hình 3.12. Phương trình tương quan giữa K1, k1 và T của sông Cái Kết quả ở trên cho thấy phương trình tương quan giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và nhiệt độ của nước sông Cái như sau:
17 K1 = -0,0003T2 + 0,0151T - 0,079 với R2 = 0,9313 (3.7) k1 = -0,0001T2 + 0,0065T - 0,0343 với R2 = 0,9313 (3.8) 3.2.4. Ảnh hưởng của pH Hình 3.13. Giá trị y và y’ ở 20oC của nước sông Cái ở các pH khác nhau Tốc độ phân hủy chất hữu cơ của nước sông Cái cao hơn khi pH=6-8, thấp hơn khi pH=5 hoặc pH=9. Điều này có thể giải thích tốc độ phân hủy chất hữu cơ bởi vi khuẩn hiếu khí cao hơn khi nước sông có pH trung tính, thấp hơn khi nước sông có tính axit hoặc kiềm. Kết quả quan trắc pH của nước sông Cái cho thấy pH khác biệt rõ rệt giữa các tháng trong năm. Sự thay đổi của pH nước sông, dẫn tới tốc độ phân hủy chất hữu cơ thay đổi, làm cho khả năng tự làm sạch của sông thay đổi. Xem xét tương quan cho thấy giá trị r của pH 5-7 là 0,91 và r của pH 7-9 là -1,00. Chứng rõ có mối tương quan mạnh giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và pH. Tương quan này là tương quan thuận trong khoảng pH 5- 7 do r là số dương và tương quan nghịch trong khoảng pH 7-9 do r là số âm. Phương trình tương quan sẽ là phương trình tương quan bậc 2. Hình 3.14. Phương trình tương quan giữa K1, k1 và pH ở 20oC của sông Cái
18 Kết quả ở trên cho thấy phương trình tương quan giữa hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và pH ở 20oC của nước sông Cái như sau: K1 = -0,0017pH2 + 0,0249pH + 0,0311 với R2 = 0,8965 (3.9) k1 = -0,0007pH2 + 0,0108pH + 0,0135 với R2 = 0,8965 (3.10) Từ các kết quả ở trên cho thấy cả 4 yếu tố: Độ mặn, DO, nhiệt độ và pH đều có ảnh hưởng đến hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ (K1 hay k1) của nước sông Cái, trong đó sắp xếp theo thứ tự ảnh hưởng từ cao đến thấp là: (1)-Nhiệt độ với R2 = 0,9313; (2)-DO với R2 = 0,9251; (3)-Độ mặn với R2 = 0,9024, (4)-pH với R2 = 0,8965. 3.3. Đánh giá sự đa dạng cộng đồng vi khuẩn hiếu khí trong nước sông 3.3.1. Số dòng khuẩn lạc hiếu khí Kết quả xác định số dòng khuẩn lạc hiếu khí ở nước sông Cái bằng phương pháp phân lập vi sinh. Tổng số dòng khuẩn lạc hiếu khí ở nước sông Cái xác định tại 6 thời điểm là 25 dòng khuẩn lạc hiếu khí, kí hiệu từ (1) đến (25). Tại từng thời điểm số dòng khuẩn lạc hiếu khí ở nước sông Cái phát hiện dao động trong khoảng 12-15 dòng; trong đó có 7 dòng khuẩn lạc hiếu khí luôn luôn hiện diện cả trong 6 đợt thu mẫu, đó là dòng có kí hiệu: (6), (7), (8), (9), (16), (20), (21). Điều này cho thấy 7 dòng khuẩn lạc hiếu khí này tồn tại quanh năm trong nước sông Cái và là những dòng khuẩn lạc có vai trò quan trọng phân hủy chất hữu cơ trong nước sông. Các dòng khuẩn lạc hiếu khí còn lại tùy thuộc vào điều kiện môi trường tại từng thời điểm trong năm như mùa mưa, mùa khô, giao mùa có thể xuất hiện hoặc không. Các dòng khuẩn lạc có vai trò quan trọng phân hủy chất hữu cơ trong nước sông có tỉ lệ tần suất xuất hiện: Dòng (6) là 23%, dòng (7) là 53%, dòng (8) là 33%, dòng (9) là 43%, dòng (16) là 33%, dòng (20) là 37%, dòng (21) là 50%. Đây là những dòng khuẩn lạc có tỉ lệ tần suất xuất hiện cao nhất.