Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Công nghệ sinh học: Nghiên cứu khả năng khí hóa than của hệ vi sinh vật từ bể than Sông Hồng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu khả năng khí hóa than của hệ vi sinh vật từ bể than Sông Hồng" là nghiên cứu và đánh giá được các đặc tính địa sinh học của bể than Sông Hồng, nhằm kiểm tra tính khả dụng sinh học phục vụ triển khai công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật; Nghiên cứu, xác nhận được sự tồn tại của hệ vi sinh vật bản địa trong bể than Sông Hồng cùng khả năng chuyển hóa than thành khí của hệ thống này theo chiều sâu của các vỉa than.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Công nghệ sinh học: Nghiên cứu khả năng khí hóa than của hệ vi sinh vật từ bể than Sông Hồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Lan NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÍ HÓA THAN CỦA HỆ VI SINH VẬT TỪ BỂ THAN SÔNG HỒNG Ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 9420201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC Hà Nội – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Lan Hương Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Quá trình gia tăng dân số đi kèm với với việc phát triển không ngừng của các ngành công nghiệp, phương tiện giao thông cũng như tiêu chuẩn sống đã dẫn đến quá trình gia tăng nhu cầu năng lượng toàn cầu. Theo đánh giá của IEA, Việt Nam hiện đang nằm trong 10 nước đứng đầu vể tổng số các nhà máy sản xuất điện từ than với mức phát thải khí nhà kính rất lớn. Trong vòng hai thập kỷ vừa qua, Việt Nam đã nhanh chóng chuyển từ nước xuất khẩu than sang nước nhập khẩu than với trữ lượng dự kiến là ~50% vào năm 2025. Hiện trạng này sẽ đưa Việt Nam trong tương lai gặp nhiều vấn đề về an ninh năng lượng cũng như ô nhiễm môi trường nếu không có cách tiếp cận mới và phù hợp với nguồn than hiện có. Bể than Sông Hồng, nằm ở phía Đông Bắc Việt Nam, là bể than lớn nhất nước ta và có tài nguyên dự báo hàng trăm tỷ tấn. Mới đây nhất theo đề án: “Điều tra, đánh giá tổng thể tài nguyên than phần đất liền bể Sông Hồng”, do Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam thực hiện từ năm 2012 – 2020, đã tiến hành điều tra, đánh giá tổng thể tài nguyên than phần đất liền bể Sông Hồng trên diện tích 2.765 km2. Kết quả tính được tổng tài nguyên than phần đất liền bể Sông Hồng là 212.676.990 ngàn tấn. Đây là nguồn lực khổng lồ nếu được quản lý và khai thác hiệu quả sẽ góp phần đảm bảo an ninh năng lượng phục vụ kinh tế xã hội của Việt Nam. Tuy nhiên với điều kiện địa chất phức tạp, các vỉa than sâu cũng như nằm dưới khu vực đông dân cư và khu vực canh tác nông nghiệp, việc khai thác than hiệu quả và an toàn đang là bài toán khó đặt ra đối với các nhà khoa học và các nhà quản lý khi phương pháp khai thác truyền thống là khai thác lộ thiên và khai thác hầm lò không có khả năng tiếp cận một cách an toàn và hiệu suất thu hồi khả thi. Giải pháp khí hóa than ngầm sinh học nhờ sự chuyển hóa của vi sinh vật là một trong các giải pháp thay thế hiện đang được quan tâm và triển khai nghiên cứu mạnh mẽ tại nhiều bể than trên thế giới. Đây là giải pháp khai thác nguồn năng lượng ngay tại nơi có các vỉa than tồn tại. Thông qua quá trình khí hóa, than được chuyển hóa ngay tại chỗ trong các vỉa nguyên trạng một cách hiệu quả thành hỗn hợp khí với thành phần chủ yếu là khí methane. So với than, khí methane nhận được nhiều sự quan tâm cả dưới góc độ phát triển năng lượng 1
bền vững và bảo vệ môi trường. Do vậy việc tiến hành chứng minh sự tồn tại của quần xã vi sinh vật bản địa tại bể than sông Hồng cũng như đánh giá được khả năng chuyển hóa than thành khí và các điều kiện địa sinh học phù hợp để áp dụng/xây dựng quy trình công nghệ khí hóa sinh học than ngầm (MECoM – Microbial enhanced coal bed methane) là vô cùng cấp thiết. Đề tài nghiên cứu sinh “Nghiên cứu khả năng khí hóa than của hệ vi sinh vật từ bể than Sông Hồng” được thực hiện trong khuôn khổ đề án “Điều tra, đánh giá tổng thể tài nguyên than phần đất liền bể Sông Hồng” góp phần quan trọng trong việc khởi đầu công nghệ khai thác than ngầm tại chỗ đáp ứng yêu cầu cấp thiết từ thực tế than Việt Nam trong chiến lược an ninh năng lượng Quốc gia. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của Luận án • Nghiên cứu và đánh giá được các đặc tính địa sinh học của bể than Sông Hồng, nhằm kiểm tra tính khả dụng sinh học phục vụ triển khai công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật. • Nghiên cứu, xác nhận được sự tồn tại của hệ vi sinh vật bản địa trong bể than Sông Hồng cùng khả năng chuyển hóa than thành khí của hệ thống này trong chiều sâu của các vỉa than. Những đóng góp mới của Luận án • Lần đầu tiên phát hiện quần xã vi sinh vật bản địa chuyển hóa than thành khí tại bể than Sông Hồng. • Lần đầu tiên xác định được các điều kiện địa sinh học thuận lợi cho sự xâm nhập và phát triển của vi sinh vật trên nguồn cơ chất than Sông Hồng theo chiều sâu tồn tại. Bố cục của Luận án Luận án bao gồm 115 trang trong đó có 4 trang mở đầu, 34 trang tổng quan, 15 trang nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu, 58 trang kết quả và thảo luận. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA THAN BẰNG VI SINH VẬT 1.1 Hiện trạng khai thác, sử dụng than truyền thống và các giải pháp thay thế trong tình hình mới Nhu cầu năng lượng toàn cầu dự kiến sẽ tăng khoảng 25% trong 2
giai đoạn từ năm 2018 đến năm 2040. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, năng lượng thu nhận từ nhiên liệu hóa thạch hiện vẫn đang chiếm vai trò chủ đạo (81% vào năm 2018) và tiếp tục giữ vững vai trò của mình trong việc cung cấp năng lượng cho toàn cầu (79%) đến năm 2030. Trong đó, than là dạng nhiên liệu có trữ lượng lớn nhất trong các dạng nhiên liệu hóa thạch (71,4%) và được phân bố rộng rãi tại nhiều quốc gia hơn hẳn so với dầu và khí tự nhiên. Nhu cầu than dự báo sẽ tăng khoảng 14,7% trong giai đoạn từ 2018 đến 2040 với các chính sách năng lượng như hiện nay. Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng than như một cách thức tất yếu để đáp ứng nhu cầu về năng lượng đang đưa lại vô số các vấn đề gồm ô nhiễm môi trường đất như sụt lún, ô nhiễm môi trường nước như sụt giảm nghiêm trọng chất lượng nước do các kim loại nặng và chất phóng xạ và đặc biệt là các tác động nghiêm trọng đến môi trường khí như phát xạ không bền của các vật liệu dạng hạt siêu mịn và khí nhà kính. Những vấn đề nghiêm trọng liên quan đến ô nhiễm môi trường và tàn phá tự nhiên tất yếu sẽ dẫn đến những tác động tiêu cực đến sức khỏe của con người một cách trực tiếp và gián tiếp. 1.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai ứng dụng giải pháp khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trên thế giới Ý tưởng về việc vi sinh vật có thể chuyển hóa than hay xem than như một nguồn cơ chất xuất hiện khá sớm từ đầu thế kỷ 20. Đến năm 1999, lần đầu tiên các bể than được nhà nghiên cứu Scott tiếp cận như một lò phản ứng sinh học. Bản chất của hướng tiếp cận này là tăng cường hiệu suất hình thành khí methane trong các mỏ than bằng cách bổ sung quần xã vi sinh vật ngoại lai hoặc bổ sung chất dinh dưỡng cho quần xã vi sinh vật bản địa (Microbially Enhanced Coalbed Methane – MECoM). Dựa trên hướng tiếp cận này rất nhiều nghiên cứu đã được triển khai tại nhiều quốc gia trên thế giới cả ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô công nghiệp. 1.3 Quá trình hình thành khí than trong tự nhiên Than được hình thành do quá trình chôn lấp, trầm tích của thực vật với các thành phần đa dạng và phức tạp từ thân, lá, rễ đến bào tử, phấn hoa... Các thành phần này được hình thành từ các tiền chất sinh học như lignin, cacbonhydrate (cellulose, hemicellulose), protein, dầu, mỡ và sáp (axit béo, rượu, este). Trong điều kiện môi trường đầm lầy ngập nước, xác thực vật (trong một số trường hợp bao gồm 3
cả xác động vật) trải qua quá trình phân hủy không hoàn toàn, sau đó được tích lũy và cuối cùng biến đổi thành than. Dựa vào nguồn gốc cấu thành than, khí sinh ra trong bể than được phân loại sơ cấp thành khí sinh ra có bản chất từ nhiệt học và bản chất từ sinh học (sơ cấp và thứ cấp). Phần lớn khí methan có nguồn gốc sinh học phát hiện được trong các bể than thuộc về khí sinh học thứ cấp. Bản chất của khí than sinh học thứ cấp khác với sơ cấp do các vi sinh vật được đưa trở lại bể than sau khi quá trình chôn lấp, than hóa và nâng lên cũng như xói mòn của các phần rìa bể than. Hình 1.9 Giản đồ quá trình chuyển hóa than thành khí methane Với cấu trúc polyme giống lignin phức tạp và bền vững, bao gồm các hợp chất dị vòng chứa oxy, lưu huỳnh và nitơ cũng như các hydrocacbon béo và thơm, quá trình chuyển hóa than thành khí đòi hỏi sự tham gia và phối hợp của nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau gồm: (1) các vi khuẩn lên men kị khí (sơ cấp và thứ cấp); (2) các vi khuẩn sinh axit acetic - acetogen và (3) các cổ khuẩn sinh methane – methanogen. Hệ vi sinh vật trong than rất đa dạng các nhóm prokaryot với nhiều ngành thuộc cả vi khuẩn và cổ khuẩn. Hơn 10 ngành vi khuẩn khác nhau đã được tìm thấy trong than, trong đó các 4
ngành Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes và Proteobacteria chiếm ưu thế. Bằng cách kích thích quần xã vi sinh vật, khí methane có thể được tạo ra với hàm lượng lớn hơn thông qua quá trình chuyển hóa sinh học nguồn cơ chất than trong khoảng thời gian thương mại thích hợp. 1.4 Bể than Sông Hồng và vùng nghiên cứu Hình 1.12 Vị trí bể than Sông Hồng và khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu khí hóa sinh học than ngầm trong luận án là dải than thuộc phạm vi xã Giao Thiện, Giao An, huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định và xã Nam Phú, huyện Tiên Hải, tỉnh Thái Bình với ranh giới của hai huyện (và cả hai tỉnh) là sông Hồng. Khu vực nghiên cứu được lựa chọn nằm ở ven biển, chủ yếu ở khu vực bên ngoài đê, có diện tích ~40 km2. Chương 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Đối tượng nghiên cứu Các mẫu than được thu nhận tại 5 độ sâu khác nhau tại cùng 01 giếng khoan LK01, tại các vỉa có độ dày lớn hơn 2m, bao gồm: 396,04 ̶ 401,95 m (C1); 567,96 ̶ 573,09 m (C2); 674,51 ̶ 676,06 m 5
(C3); 745,25 ̶ 748,2 m (C4); 853,82 ̶ 857,25 m (C5). 01 mẫu nước (FW) được thu nhận tại vỉa tương ứng với vỉa thu nhận mẫu than C4. 2.2 Hóa chất và thiết bị sử dụng Hóa chất cho môi trường khử, hóa chất cho môi trường kị khí Tanner, hóa chất sử dụng cho sinh học phân tử. Các thiết bị cho sắc kí khí, PCR, điện di, siêu âm, ly tâm, bảo quản lạnh và lạnh đông, nuôi cấy vi sinh vật kị khí, xác định đặc tính lỗ rỗng và kính hiển vi điện tử quét của các phòng thí nghiệm thuộc Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm và Viện tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. 2.3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thu nhận, chuẩn bị mẫu than và mẫu nước đảm bảo điều kiện kị khí. Phương pháp xác định đặc tính hóa lý than và nước theo các tiêu chuẩn ASTM D3173, ASTM D3174, ASTM D3175, ASTM D3172, TCVN 200: 1995, ASTM D3178, ASTM D3176-89, ASTM D3179, ASTM D3177, ASTM D3173, ASTM D3174 và ISO 7404. Phương pháp phân tích cấu trúc than: phương pháp hấp phụ và nhả hấp phụ Nitơ (LTNA- Low Temperature Nitrogen Adsorption) và phương pháp bơm áp thủy ngân (MIP- Mercury Intrusion Porosimetry). Phương pháp phân tích hình ảnh bằng kính hiển vi điện tử quét. Phương pháp tách chiết và khuếch đại DNA: sử dụng kit FastDNA™ SPIN Kit for Soil (MPBio) và DNeasy® PowerWater® Kit (Qiagen) theo hướng dẫn của nhà sản xuất. Khuếch đại gen 16S rRNA thuộc vùng V3-V4 sử dụng cặp mồi F515/R806. Phương pháp phân tích trình tự gen và phát sinh loài: tiến hành tại Phòng thí nghiệm First BASE (Singapore). Phương pháp nuôi cấy vi sinh vật kị khí. Phương pháp phân tích khí. Phương pháp phân tích thống kê: NMDS, CCA. Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu tính khả dụng sinh học của nguồn cơ chất than Sông Hồng 3.1.1 Đặc tính thành phần than 6
3.1.1.1 Đặc tính hóa học Kết quả phân tích trong Bảng 3.1 cho thấy, các mẫu than nghiên cứu đều thuộc than có độ biến chất á bitum A (độ biến chất thấp) với hàm lượng chất bốc cao. Trong đó, hàm lượng chất bốc trong mẫu than C5 có giá trị thấp nhất (40,29%) và mẫu C4 có giá trị cao nhất (47,63%). Chất bốc có nguồn gốc hữu cơ này đóng vai trò như một nhân tố kiểm soát quá trình hình thành khí methane sinh học từ các nguồn than có độ biến chất khác nhau. Bảng 3.1 Đặc tính hóa lý, thành phần và phân loại các mẫu than Mẫu than Đặc tính than C1 C2 C3 C4 C5 Phân tích Proximate Hàm ẩm (%) 10,28 10,87 8,79 8,94 15,03 Độ tro (%) 7,15 6,62 9,52 7,85 9,33 Chất bốc (%) 47,19 44,30 46,24 47,63 40,29 Cacbon cố định (%) 35,38 38,21 35,45 35,58 35,35 Nhiệt trị (Btu/lb) 11.199 11.433 11.246 11.496 11.358 Hệ số phản xạ vitrinite 0,35 0,38 0,37 0,39 0,42 (R0) Phân tích Ultimate Cacbon (%) 66,99 68,58 65,55 68,11 66,76 Hydro (%) 4,71 4,92 5,11 4,98 4,81 Nitơ (%) 0,72 0,72 0,92 1,23 1,13 Lưu huỳnh (%) 0,75 0,98 1,55 0,38 1,02 Oxy (%) 16,68 18,19 17,35 17,45 16,96 Phân loại Á bitum Á bitum Á bitum Á bitum Á bitum Nhãn than A A A A A Cả 5 mẫu than nghiên cứu đều có hàm lượng C và cacbon cố định nằm trong khoảng giá trị được đánh giá là giàu tiềm năng chuyển hóa sinh khí. Hàm lượng oxy của cả 5 mẫu than sông Hồng có giá trị lớn tương ứng từ 16,68% đến 18,19%. Các nguyên tử oxy tồn tại trong than thông qua các liên kết dị thể như các nhóm ete, este, cabonyl và hydroxyl; được đánh giá là các nhóm tiềm năng để vi sinh vật tấn công. Ngoài ra, độ phản xạ vitrinite của các mẫu than dao động từ 0,35 ̶ 0,42% theo chiều sâu vỉa, đều
3.1.1.2 Đặc tính thạch học Hình 3.1 Phân bố thành phần hữu cơ (maceral) của các mẫu than Phân bố thành phần các dạng vật chất hữu cơ (maceral) trong các mẫu than Sông Hồng tại Hình 3.1 cho thấy vitrinite với hai phân nhóm telinite và collotelinite là nhóm maceral chiếm ưu thế (82% đến 100%), tiếp theo là liptinite với các phân nhóm gồm cutinite, sporinite, resinite và liptodetrinite (0 ̶ 18%). Ở cấp độ phân nhóm, trong khi telinite chiếm ưu thế trong nhóm vitrinite ở bốn mẫu than (C1, C2, C3 và C5), mẫu C4 chủ yếu chứa collotelinite, lên đến 92%. Năm mẫu than đều có hàm lượng khoáng chất rất thấp, chủ yếu là đất sét, tương quan với hàm lượng tro thấp
Thông số Đơn vị Giá trị Thông số Đơn vị Giá trị Mg 2+ mg/L 24,24 ± 2,74 Cl - mg/L 550,30 ± 75,27 Al+3 mg/L 0,04 ± 0,01 SO42- mg/L 93,60 ± 12,94 NH4+ mg/L 2,59 ± 0,38 NO3- mg/L 0,080 ± 0,02 Fe2+ mg/L 0,95 ± 0,3 NO2 - mg/L 0,008 ± 0 Fe3+ mg/L 2,84 ± 0,96 PO43- mg/L 0,31 ± 0,02 K+ mg/L 27,30 ± 9,4 3.1.3 Đặc điểm cấu trúc than 3.1.3.1 Đặc điểm phân bố kích thước và hình dạng lỗ rỗng hấp phụ Hình 3.4 Kết quả hấp thụ/nhả hấp thụ N2 tại nhiệt độ thấp (77 K) của các mẫu than. (a) Đường cong hấp thụ/nhả hấp thụ tại nhiệt độ thấp. (b) Đường cong phân bố thể tích lỗ BJH. (c) Đường cong phân bố diện tích riêng BET. 9
Kết quả phân tích LTNA tại nhiệt độ và áp suất thấp (77 K và 400 nm, vi sinh vật sẽ chủ yếu xâm nhập vào các lỗ rỗng có kích thước lớn macro và các khe nứt. Phần trăm phân bố thể tích của các lỗ rỗng có kích thước lớn hơn 400 nm trong các mẫu than sông Hồng tương ứng từ C1 đến C5 lần lượt là 36,08; 21,28; 28,52; 29,17 và 11,98%. Bảng 3.3 Đặc tính cấu trúc của các mẫu than nguyên trạng phân tích dựa trên phương pháp MIP Áp suất Đường Tổng thể Hiệu Tính Độ % thể vào mao kính lỗ tích xâm suất Mẫu thấm rỗng tích lỗ quản trung bình nhập xả (mM) (%) >400 nm P0 (psi) (nm) (ml/g) (%) C1 2,963 0,021 16,0 21,2 0,1531 41,7 36,08 C2 2,144 0,0053 12,4 14,24 0,0979 60,4 21,28 C3 3,688 0,004 10,2 12,66 0,0807 66,1 28,52 C4 1,728 0,0105 11,3 13,45 0,0880 62,1 29,17 C5 4,117 0,0009 12,0 9,98 0,1069 66,3 11,98 Các đường cong xâm nhập và xả của năm mẫu than được thể hiện trong Hình 3.5 cho thấy các vòng trễ được hình thành, chỉ ra các mẫu than nghiên cứu chứa nhiều các lỗ rỗng mở. Tuy nhiên, sự khác biệt 10
về thể tích giữa đường cong xâm nhập và đường cong xả của các mẫu thấp, cho thấy vẫn tồn tại trong cấu trúc than một phần dạng lỗ rỗng kín hoặc đóng một phía. Kết quả này đồng nhất với kết quả thu nhận được từ phương pháp LTNA phân tích phía trên. Phân bố các lỗ rỗng lớn cùng tính liên thông tốt sẽ là tiền đề thuận lợi cho việc xâm nhập và di chuyển của vi sinh vật cũng như nước khí tượng và chất dinh dưỡng vào bên trong bể than, từ đó đưa đến hiệu suất chuyển hóa sinh methane tốt hơn. Hình 3.5 Kết quả phân tích MIP của các mẫu than: (a) Đường cong xâm nhập và xả thủy ngân; (b) Phân bố lỗ rỗng theo thể tích 3.1.3.3 Đặc điểm nguồn gốc hình thành lỗ rỗng Hình dạng hệ lỗ rỗng trên các mẫu than sông Hồng từ C1 đến C5 được thể hiện trên ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) ở các độ phóng đại khác nhau tại Hình 3.6. Dựa trên nguồn gốc hình thành, lỗ rỗng trong than được chia làm bốn loại chính gồm: lỗ mô thực vật, lỗ hòa tan, lỗ bọt và lỗ tinh thể. Dạng lỗ chiếm ưu thế trong các mẫu than Sông Hồng thuộc dạng lỗ mô thực vật và lỗ bọt. Trong đó, dạng lỗ mô thực vật với hình thái đa dạng từ dạng ống mạch, dạng rây cho đến dạng khoang tế bào. Do hàm lượng khoáng vật trong thành phần than tại khu vực nghiên cứu thấp rất thấp nên phần lớn dạng lỗ này xuất hiện ở trạng thái không bị che lấp. Lỗ bọt chủ yếu dưới dạng lỗ tròn hoặc oval và 11
hầu như không liên thông. Mẫu than từ C1 đến C4 có dạng lỗ mô thực vật chiếm ưu thế hơn. Trong khi đó tại mẫu than C5, dạng lỗ bọt lại chiếm ưu thế hơn, xuất hiện không đồng nhất, thường tập trung thành một số vùng dày đặc trong cấu trúc than. Hình 3.6 Hình ảnh chụp SEM hình dạng hệ lỗ rỗng trên các mẫu than Sông Hồng 3.2 Đánh giá tiềm năng chuyển hóa than thành khí của quần xã vi sinh vật bản địa theo chiều sâu bể than Khả năng chuyển hóa than thành khí của quần xã vi sinh vật bản địa được đánh giá thông qua hàm lượng khí methane tạo thành trong suốt quá trình nuôi cấy vi sinh vật. Các thí nghiệm chuyển hóa với quần xã vi sinh vật bản địa hoạt động thường bắt đầu sinh khí trong vòng 5 ngày sau khi nuôi cấy và tích lũy nhanh chóng vào ngày nuôi cấy thứ 9. Tổng thể tích khí sinh ra giữa ngày thứ 10 đến ngày thứ 21 không phát hiện được hoặc phát hiện được ở mức thấp hơn rất nhiều so với giai đoạn 10 ngày đầu tiên (
nghiên cứu của luận án, quá trình thí nghiệm kết thúc sau 21 ngày nuôi cấy. Khả năng chuyển hóa sinh methane của nguồn vi sinh vật bản địa thu nhận từ mẫu nước FW tại bể than sông Hồng trên các mẫu than (theo chiều sâu vỉa) với các đặc tính hoá lý và cấu trúc khác nhau có sự thay đổi khác biệt. Giá trị đạt được dao động từ 1,14 đến 4,96 mL CH4/g than, trong khi lượng khí methane trong các mẫu đối chứng rất thấp hoặc hầu như không có (mẫu đối chứng không có môi trường dinh dưỡng hoặc mẫu đối chứng không có than). Mẫu than C4 thu nhận từ độ sâu vỉa 745,25 m cho hiệu suất sinh khí cao nhất (4,96 mL CH4/g than), tiếp theo là C2, C3, C1 và C5. Hiệu suất chuyển hóa sinh methane cao nhất được phát hiện trong mẫu than C4 được giả thiết liên quan đến các thành phần hữu cơ (maceral) khác biệt. Trong khi đó hiệu suất này sụt giảm đáng kể khi độ sâu mẫu đạt 853,82 m được giả thiết liên quan chủ yếu đến cấu trúc than tương quan với độ sâu. 3.3 Nghiên cứu cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa 3.3.1 Tính đa dạng alpha của quần xã vi sinh vật bản địa 3.3.1.1 Tính đa dạng alpha trong các mẫu nước nguyên trạng Tổng số đoạn trình tự gen 16S rRNA trong mẫu nước FW là 132.147 đoạn. Trong đó, phần lớn các đoạn trình tự thuộc nhóm vi khuẩn với số lượng tương ứng là 87.052 đoạn và phần còn lại thuộc về nhóm cổ khuẩn. Các đoạn trình tự được xếp vào 158 đơn vị phân loại OTUs với độ tương đồng 97%. Số OTUs thuộc nhóm vi khuẩn là 149 và thuộc nhóm cổ khuẩn là 9. Bảng 3.5 Đa dạng alpha của mẫu nước FW và các mẫu than nguyên trạng Thông số C1 C2 C3 C4 C5 FW Observed 21 18 14 12 37 145 Chao1 21 19 17 12 37 153 ACE 22 19 17 13,1 37 155 Shannon 0,055 0,042 0,03 0,033 0,169 1,8 Simpson 0,013 0,0098 0,0069 0,0076 0,042 0,7 Fisher 1,96 1,65 1,25 1,06 3,67 16,93 3.3.1.2 Tính đa dạng alpha trong các mẫu than nguyên trạng Tổng số đoạn trình tự gen 16S rRNA trong mẫu than C1 đến C5 có chất lượng tốt là 932.840 đoạn. Số lượng đoạn trình tự thu nhận tại từng mẫu than đều cao hơn trong mẫu nước FW. Tuy nhiên, tất cả 13
các đoạn trình từ đều thuộc nhóm vi khuẩn. Các đoạn trình tự này được phân vào 65 đơn vị phân loại OTUs với độ tương đồng 97%. Các giá trị đa dạng alpha trong Bảng 3.7 của các mẫu than khá thấp khi so sánh với mẫu nước, phản ánh tính đa dạng alpha thấp trong tất cả các mẫu than. 3.3.2 Cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa trong nước nguyên trạng 3.3.2.1 Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong mẫu nước (FW) được phân chia theo ngành và lớp Kết quả phân tích mẫu nước FW cho thấy nhóm vi khuẩn chiếm ưu thế, tương ứng 65,9% tổng số trình tự thu nhận được. Trong khi đó, nhóm cổ khuẩn chỉ chiếm 34,1%. Phân bố nhóm vi khuẩn mô tả trên Hình 3.10 cho thấy ngành Proteobacteria là ngành vi khuẩn phổ biến nhất, tương ứng 56,1% tổng số vi sinh vật có mặt trong mẫu FW, tiếp theo là các ngành Firmicutes (8,4%), Actinobacteria (0,9%) và Bacteroidetes (0,3%). Hình 3.11 mô tả phân bố ở bậc phân loại lớp cho thấy ngành Proteobacteria trong mẫu nước FW, lớp Gammaproteobacteria là lớp chiếm ưu thế nhất (50,5%), tiếp theo là các lớp Alphaproteobacteria (5,5%), và Deltaproteobacteria (0,1%). Ngành cổ khuẩn Euryarchaeota chỉ được tìm thấy trong mẫu nước FW tương ứng 34,1%. 3.3.2.2 Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong mẫu nước (FW) được phân chia theo chi Các số liệu tóm tắt trong Bảng 3.6 cho thấy, Shewanella là chi phổ biến nhất, chiếm 47,9% tổng số vi sinh vật có mặt trong mẫu nước FW, tiếp theo là các chi uncultured Rhodobacteraceae (2,7%), Paracoccus (2,6%), và Pseudomonas (2,3%). Hàm lượng các hợp 14
chất sắt được tìm thấy trong nước liên kết cũng như trên bề mặt than được dự đoán là một trong những nguyên nhân chính tạo điều kiện cho sự phát triển mạnh mẽ của chi Shewanella. Chi này cũng có khả năng sử dụng các cơ chất humic (phần quynone) khá phổ biến trong các dạng trầm tích than, làm chất nhận điện tử cuối cùng thay thế cho Fe3+ hoặc sử dụng các hợp chất humic như kênh vận chuyển điện tử từ dạng sắt không hòa tan mà vi sinh vật khó tiếp cận. Mặc dù ít phổ biến hơn nhưng quá trình khử sắt cùng quá trình khử sulphate (chi Desulfotomaculum) sẽ cạnh tranh các nguồn cơ chất như CO2, H2 và acetate với quá trình sinh khí methane dinh dưỡng hydro và dinh dưỡng acetate của cổ khuẩn methanogen. Chi cổ khuẩn Methanolobus chiếm ưu thế vượt trội trong mẫu nước FW, tương ứng 34,1%. Nhóm cổ khuẩn này sử dụng các hợp chất gắn methyl như methanol và methylamines làm cơ chất chuyển hóa (con đường dinh dưỡng methyl). Bảng 3.6 Các chi vi khuẩn và cổ khuẩn trong mẫu nước FW Chi (%) Chi (%) Cổ khuẩn Methanobacterium 0.1 Methanolobus 34.1 Vi khuẩn BRH-c8a 2.5 Sanguibacter 0.1 Caldicoprobacter 0.2 Shewanella 47.9 Candidatus Dichloromethanomonas 0.1 Symbiobacterium 0.1 Desulfitibacter 0.1 Tessaracoccus 0.4 Desulfotomaculum 1.0 Thermincola 0.3 Desulfovibrio 0.1 Uncultured Cellulomonadaceae 0.2 Erysipelothrix 0.3 Uncultured Clostridiales 0.2 Gelria 0.1 Uncultured Limnochordales 0.3 Geosporobacter 0.1 Uncultured Margulisbacteria 0.1 Lentimicrobium 0.2 Uncultured Peptococcaceae 0.2 Limnobacter 0.1 Uncultured Rhodobacteraceae 2.7 Oxobacter 0.7 Uncultured Spirochaetaceae 0.1 Paracoccus 2.6 Uncultured Thalassobaculales 0.2 Uncultured Proteiniclasticum 1.3 0.9 Thermoanaerobacteraceae Pseudomonas 2.3 Uncultured OPB41 0.2 Ruminococcaceae UCG-010 0.1 3.3.3 Cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa trong than nguyên trạng 3.3.3.1 Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong các mẫu than được phân chia theo ngành và lớp 15
Kết quả phân tích cho thấy toàn bộ trình tự thu nhận từ năm mẫu than nguyên trạng đều thuộc nhóm vi khuẩn. Trong đó, ngành Proteobacteria là ngành vi khuẩn chiếm ưu thế áp đảo trong tất cả các mẫu, tương ứng từ 99,3 đến 100% tổng số vi sinh vật có mặt trong mẫu. Mô tả phân bố ở bậc phân loại lớp cho thấy ngành Proteobacteria trong các mẫu than nguyên trạng chỉ bao gồm hai lớp là Gamma và Alpha. Trong đó, lớp Gammaproteobacteria là lớp chiếm ưu thế vượt trội (98,9 ̶ 99,9%). 3.3.3.2 Sự đa dạng các nhóm vi sinh vật trong các mẫu than được phân chia theo chi Trong ngành Proteobacteria, chi Burkholderia-Caballeronia- Paraburkholderia (Burkholderia CP) thuộc họ Burkolderiaceae chiếm hơn 98% trong tất cả năm mẫu than phân tích. Chi này gồm các vi khuẩn Gram âm được phân lập từ môi trường (chủ yếu từ đất và nước), có thể gây bệnh (Burkholderia) hoặc không gây bệnh trên người (Caballeronia, Paraburkholderia) không gây bệnh trên người. Nhóm vi khuẩn thuộc chi này chủ yếu có hình que, không di động và không hình thành bảo tử với cách thức hô hấp đa dạng từ hiếu khí cho đến kị khí tùy tiện. Các loài thuộc chi này cho thấy khả năng phân hủy tốt các hợp chất vòng thơm như PAHs, BTEX và các hydrocacbon béo mạch ngắn. Môi trường kị khí nằm sâu dưới lòng đất như bể than hoặc bể dầu ngoài việc chứa phổ biến các nhóm vi sinh vật kị khí thì còn phát hiện thấy sự tồn tại với tần suất khá cao của các nhóm vi sinh vật hiếu khí có khả năng chuyển hóa hydrocacbon. Hiện tượng này được cho rằng có liên quan đến việc tồn tại một số khu vực hiếu khí cục bộ ngay trong lòng các bể than. 3.3.4 Sự khác biệt giữa quần xã vi sinh vật bản địa tồn tại trong mẫu nước và mẫu than nguyên trạng Quần xã vi sinh vật từ mẫu nước khá khác biệt so với quần xã vi sinh vật thu nhận từ các mẫu than. Trong đó, nhóm vi sinh vật bám dính cho thấy vai trò liên quan đến khả năng chuyển hóa các hợp chất không hòa tan. Nhóm vi sinh vật trôi nổi lại chủ yếu tập trung vào chuyển hóa các hợp chất hòa tan hoặc các chất trao đổi xuôi dòng. Các nghiên cứu gần đây cho thấy nhóm vi sinh vật trôi nổi phổ biến trong mẫu nước thuộc ngành Firmicute và ngành cổ khuẩn. 16
Trong khi đó, ngành Proteobacteria lại phổ biến trong nhóm vi sinh vật bám dính, liên quan đến khả năng bẻ gãy các vật liệu không hòa tan trong than thành các sản phẩm được sử dụng tiếp theo bởi các vi sinh vật lên men thứ cấp thuộc ngành Firmicute và cổ khuẩn methanogen. Các ngành khác như Bacteriodetes và Actinobacteria đều xuất hiện phổ biến trong mẫu nước hơn là trong mẫu than. Hình 3.15 Hình ảnh chụp SEM sự bám dính của vi sinh vật lên bề mặt than tại các độ phóng đại khác nhau 5.000; 9.000; 10.000 và 50.000 lần 3.4 Nghiên cứu đánh giá sự đáp ứng và thay đổi của quần xã vi sinh vật bản địa trong quá trình sinh khí 3.4.1 Tính đa dạng alpha của quần xã vi sinh vật đáp ứng 3.4.1.1 Tính đa dạng alpha trong pha rắn CR Tổng số đoạn trình tự gen 16S rRNA trong pha rắn sau bổ sung dinh dưỡng CR1 đến CR5 có chất lượng tốt là 615.269 đoạn. Các đoạn trình tự này được phân vào 216 đơn vị phân loại OTUs với độ tương đồng 97%. Số OTUs thuộc nhóm vi khuẩn là 206 và thuộc nhóm cổ khuẩn là 10. Các chỉ số đa dạng alpha của pha rắn được trình bày trong Bảng 3.9. 3.4.1.2 Tính đa dạng alpha trong pha lỏng AS Tổng số đoạn trình tự gen 16S rRNA trong pha lỏng sau bổ sung dinh dưỡng AS1 đến AS5 có chất lượng tốt là 761.734 đoạn. Các đoạn trình tự này được phân vào 232 đơn vị phân loại OTUs với độ tương đồng 97%. Số OTUs thuộc nhóm vi khuẩn là 222 và thuộc nhóm cổ khuẩn là 10. Các chỉ số đa dạng alpha của pha lỏng được trình bày trong Bảng 3.10. 17
3.4.2 Cấu trúc quần xã vi sinh vật đáp ứng trong pha rắn 3.4.2.1 Phân ngành và phân lớp vi sinh vật đáp ứng trong pha rắn Hình 3.18 cho thấy Proteobacteria và Firmicutes là các ngành vi khuẩn chiếm ưu thế trong tất cả các mẫu từ CR1 đến CR5. Nhóm ngành này phân bố đa dạng trên 50% trong mẫu CR1 và CR2, giảm còn 30% trong mẫu CR3 và chỉ còn 4,6% với mẫu CR4. Không nằm trong khuynh hướng suy giảm này, mẫu CR5 ghi nhận sự gia tăng đột ngột lên 92,7% của ngành Proteobacteria. Trong đó, phân lớp Gammaproteobacteria chiếm ưu thế ở tất cả các mẫu phân tích. Hình 3.18 Đa dạng 16S rRNA mức ngành của các mẫu pha rắn sau làm giàu CR Trái ngược với ngành Proteobacteria, ngành Firmicutes phân bố đa dạng có dao động không thay đổi đáng kể giữa các mẫu từ CR1 đến CR4. Cho thấy nhóm ngành này có vai trò ổn định trong việc chuyển hóa than thành khí. Phần lớn các nhóm vi khuẩn phát hiện trong ngành này đều thuộc bộ Clostridiales. Ngành cổ khuẩn Euryarchaeota chiếm ưu thế trong các mẫu từ CR1 đến CR3 tương 18