VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

PHẠM QUANG HUY

NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG VI SINH VẬT TRONG MẪU ĐẤT
NHIỄM CHẤT DIỆT CỎ/DIOXIN Ở BIÊN HÒA, ĐỒNG
NAI VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA MỘT SỐ
CHỦNG PHÂN LẬP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Hà Nội, 2021


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

PHẠM QUANG HUY

NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG VI SINH VẬT TRONG MẪU ĐẤT
NHIỄM CHẤT DIỆT CỎ/DIOXIN Ở BIÊN HÒA, ĐỒNG
NAI VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA MỘT SỐ
CHỦNG PHÂN LẬP

Chuyên ngành: Vi sinh vật học
Mã số: 9 42 01 07

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đặng Thị Cẩm Hà
Viện Công nghệ sinh học
TS. Nguyễn Kim Thoa
Viện Công nghệ sinh học

Hà Nội, 2021


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Đặng Thị Cẩm Hà và TS.
Nguyễn Kim Thoa, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng
nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất
cũng như động viên tơi trong những lúc khó khăn nhất để tơi có thể thực hiện và
hồn thành luận án này.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Viện Công nghệ sinh học
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập, nghiên cứu và hồn thành luận
án. Tơi xin cảm ơn tập thể cán bộ Phịng Cơng nghệ sinh học tái tạo mơi trường đã
tận tình giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài độc lập cấp nhà nước:
“Nghiên cứu metagenome của vi sinh vật vùng đất ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin
nhằm tìm kiếm các gen, enzyme mới có khả năng phân hủy dioxin” do PGS. TS.
Đặng Thị Cẩm Hà chủ nhiệm.
Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Bùi Thị Hải Hà, chuyên viên phụ trách đào
tạo, Viện Cơng nghệ sinh học đã tận tình hướng dẫn tơi hồn thành mọi thủ tục
trong suốt q trình học tập làm nghiên cứu sinh tại Viện.
Cuối cùng, tôi xin gửi tới người thân trong gia đình cùng bạn bè sự biết ơn,
đặc biệt là bố mẹ đã dành cho tơi tình u thương sâu sắc và tạo điều kiện tốt nhất
để tơi học tập và hồn thành tốt nội dung luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày……tháng……năm 2021

NCS. Phạm Quang Huy

i


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan:
Đây là cơng trình nghiên cứu của tôi và một số kết quả cùng cộng tác với các
cộng sự khác.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, một phần đã được cơng
bố trên các tạp chí khoa học chun ngành với sự đồng ý và cho phép của các đồng
tác giả.
Các thơng tin trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày……tháng……năm 2021
Tác giả

NCS. Phạm Quang Huy

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................ii
MỤC LỤC.......................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH.............................................................................vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT...................................ix

MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU........................................................4
1.1.

Phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin.................................................... 4

1.1.1. Đặc điểm và ảnh hưởng của chất diệt cỏ/dioxin tới mơi trường và
con người................................................................................................ 4
1.1.2. Ơ nhiễm chất diệt cỏ/dioxin ở sân bay Biên Hòa và Đà Nẵng...............5
1.1.3. Phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin trong đất ô nhiễm.......................7
1.2.

Đa dạng VSV và gene chức năng trong đất ơ nhiễm chất diệt
cỏ/dioxin................................................................................................12

1.2.1. Đa dạng VSV hiếu khí nuôi cấy được trong đất ô nhiễm......................12
1.2.2. Đa dạng vi khuẩn kị khí ni cấy được trong đất ơ nhiễm dioxin........13
1.2.3. Đa dạng gene chức năng mã hóa cho enzyme tham gia phân hủy
chất diệt cỏ/dioxin.................................................................................18
1.3.

Sử dụng công cụ metagenomic nghiên cứu đa dạng VSV ô
nhiễm POPs...........................................................................................19

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..............27
2.1.

Vật liệu.................................................................................................. 27
iii



2.1.1. Đối tượng nghiên cứu............................................................................27
2.1.2. Các hóa chất và thiết bị máy móc..........................................................29
2.1.3. Mơi trường ni cấy..............................................................................30
2.1.4. Sơ đồ thí nghiệm................................................................................... 30
2.2.

Phương pháp nghiên cứu.......................................................................32

2.2.1. Thu thập và bảo quản mẫu đất để nghiên cứu metagenome..................32
2.2.2. Phân tích thành phần cơ giới và nồng độ dioxin trong mẫu nghiên cứu
.........................................................................................................................32
2.2.3. Phân lập, phân loại VSV từ nguồn đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin........32
2.2.4. Phương pháp xác định hoạt tính laccase và laccase-like.......................33
2.2.5. Đánh giá phân hủy 2,3,7,8-TCDD trong đất ô nhiễm bởi hỗn
hợp VSV................................................................................................34
2.2.6. Phương pháp tách chiết DNA metagenome.......................................... 35
2.2.7. Phương pháp xác định hàm lượng và độ tinh sạch của DNA
metagenome.......................................................................................... 35
2.2.8. Phân tích trình tự DNA metagenome của C và BHR............................36
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU....................................................39
3.1.

Phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin bởi tổ hợp vi khuẩn, xạ khuẩn

quy mơ phịng thí nghiệm..................................................................... 40
3.1.1. Vi khuẩn từ đất nhiễm dioxin phân lập được, định danh và khả năng
phân hủy dioxin bởi tổ hợp 5 chủng vi khuẩn có tiềm năng.................40
3.1.2. Xạ khuẩn từ đất nhiễm dioxin đã được phân lập, định danh và khả
năng phân hủy dioxin bởi tổ hợp 5 chủng xạ khuẩn tiềm năng............42

3.2.

Đa dạng VSV và gene chức năng từ trình tự DNA metagenome C
và BHR..................................................................................................46

3.2.1. Thu nhận DNA metagenome từ mẫu C và BHR...................................46
iv


3.2.2. Trình tự, contig và gene chức năng từ metagenome của mẫu C
và BHR..................................................................................................47
3.2.3. Đa dạng VSV của metagenome C và BHR...........................................49
3.2.4. Mối liên hệ giữa một số chi vi khuẩn với tổng độ độc và các đặc
tính lý hóa của đất................................................................................. 69
3.2.5. Đa dạng gene chức năng tham gia phân hủy xenobiotic của
metagenome C và BHR.........................................................................70
3.2.6. Nhóm gene mã hóa enzyme tham gia phân hủy, chuyển hóa chất
diệt cỏ/dioxin.........................................................................................72
3.2.7. Gene tham gia vào phân hủy chuyển hóa xenobiotic từ metagenome
đã được phát hiện..................................................................................76
CHƯƠNG 4: BÀN LUẬN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU..............................79
4.1.

Đa dạng VSV và gene chức năng từ trình tự DNA metagenome C
và BHR thu được.................................................................................. 79

4.2.

Đa dạng gene chức năng tham gia phân hủy xenobiotic của
metagenome C và BHR (một trong 4 con đường phân hủy và

khống hóa dioxin)................................................................................92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................95
NHỮNG CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN
QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI..................................................................................... 97
TĨM TẮT LUẬN ÁN BẰNG TIẾNG ANH...............................................98
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 105
PHỤ LỤC

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1.

Hiệu suất phân hủy dioxin trong đất ô nhiễm chất diệt
cỏ/dioxin bởi tổ hợp 5 chủng vi khuẩn....................................... 42

Bảng 3.2.

Hiệu suất phân hủy dioxin trong đất ô nhiễm chất diệt
cỏ/dioxin bởi chủng XKBHA22.................................................45

Bảng 3.3.

Hiệu suất phân hủy dioxin trong đất ô nhiễm chất diệt
cỏ/dioxin bởi tổ hợp 5 chủng xạ khuẩn...................................... 45

Bảng 3.4.


Trình tự read chất lượng cao................................................... 47

Bảng 3.5.

Lắp ráp de novo trình tự DNA metagenome C, BHR............48

Bảng 3.6.

Phân bố gene từ trình tự DNA metagenome C, BHR............48

Bảng 3.7.

Đa dạng ở các mức độ phân loại của metagenome C và BHR
52

Bảng 3.8.

Một số chi có các đại diện đã được chứng minh có khả
năng phân huỷ chất diệt cỏ/ dioxin.............................................57

Bảng 3.9.

Đa dạng nấm sợi và nấm đảm trong metegenome của C và
BHR............................................................................................ 66

Bảng 3.10. Số lượng trình tự tương đồng cao với các gene chức năng
trong tập dữ liệu chuẩn hóa.........................................................71
Bảng 3.11. Số lượng trình tự liên quan đặc thù tới con đường phân 2,4D và polychlorinated biphenyl (PCB) dựa trên cơ sở dữ
liệu KEEG...................................................................................72


vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc hóa học của PCDD, PCDF và PCB.................................. 4
Hình 1.2. Cơ chế tạo ra 2,3,7,8-TCDD trong quá trình tổng hợp 2,4,5-T.......5
Hình 1.3: Các con đường chuyển hóa, phân hủy, khống hóa hỗn hợp
chất diệt cỏ/dioxin và các chất trao đổi chất bằng phương
pháp sinh học..................................................................................8
Hình 1.4. Nghiên cứu theo hướng -Omics trong sinh học............................ 20
Hình 1.5. Các bước thực hiện phân tích metagenomic................................. 22
Hình 2.1. Mẫu đất nhiễm nặng chất diệt cỏ/dioxin (ký hiệu C)....................27
Hình 2.2. Mặt cắt dọc của lơ xử lý................................................................28
Hình 2.3. Mẫu đất trong lô xử lý bằng công nghệ phân hủy sinh học
(ký hiệu BHR)...............................................................................28
Hình 2.4. Sơ đồ thực hiện nghiên cứu...........................................................31
Hình 2.5. Quy trình phân tích dữ liệu DNA metagenome trên hệ thống
MG RAST.....................................................................................37
Hình 3.1. Hình thái khuẩn lạc 5 chủng vi khuẩn BHBi1, BHBi4,
BHBi5, BHBi7 và BHO9 từ mẫu làm giàu trên mơi trường
MSM chứa dịch chiết đất..............................................................40
Hình 3.2. Hình thái tế bào 5 chủng vi khuẩn dưới kính hiển vi điện tử qt 41
Hình 3.3. Cây phát sinh chủng loại của 5 chủng vi khuẩn............................41
Hình 3.4. Khả năng phân hủy chất diệt cỏ/dioxin trong đất bằng tổ hợp
vi khuẩn A: Đối chứng (khơng có VSV); B: Tổ hợp 5 chủng
vi khuẩn........................................................................................ 42
Hình 3.5. Hình thái khuẩn lạc 5 chủng xạ khuẩn và sinh trưởng của
chúng trên môi trường Gause M chứa DCĐ.................................43
vii



Hình 3.6. Cây phát sinh chủng lồi của chủng xạ khuẩn XKBH921............43
Hình 3.7. Khả năng sinh tổng hợp laccase- like của 5 chủng xạ khuẩn........44
Hình 3.8. Phân hủy chất diệt cỏ/dioxin trong đất bằng tổ hợp xạ khuẩn......45
Hình 3.9. Điện di đồ DNA mẫu nghiên cứu trên gel agarose........................47
Hình 3.10. Đa dạng ở các mức độ khác nhau của metagenome C (vịng
ngồi) và BHR (vịng trong) trên cơ sở dữ liệu RefSeq...............51
Hình 3.11. Đa dạng vi khuẩn ở mức độ ngành trong metagenome C và
BHR.............................................................................................. 52
Hình 3.12. Đa dạng vi khuẩn ở mức độ lớp trong metagenome C và BHR
53
Hình 3.13. Đa dạng vi khuẩn ở mức độ bộ trong metagenome C và BHR
54
Hình 3.14. Đa dạng vi khuẩn ở mức độ họ trong metagenome C và BHR
55
Hình 3.15. Đa dạng vi khuẩn ở mức độ chi trong metagenome C và BHR
56
Hình 3.16. Đa dạng vi khuẩn cổ mức độ ngành trong metagenome C và
BHR.............................................................................................. 63
Hình 3.17. Đa dạng vi khuẩn cổ ở mức độ lớp trong metagenome C và
BHR.............................................................................................. 63
Hình 3.18. Đa dạng vi khuẩn cổ ở mức độ chi trong metagenome C và
BHR.............................................................................................. 63
Hình 3.19. Đa dạng vi khuẩn cổ sinh metan trong metagenome C và BHR. 65
Hình 3.20. Đa dạng vi khuẩn cổ ưa mặn trong metagenome C và BHR 65
Hình 3.21. Các chi vi khuẩn có tỷ lệ chiếm ưu thế ít chênh lệch trong
metagenome của mẫu C và BHR..................................................70
Hình 3.22. Tương quan gene liên quan đến chuyển hóa xenobiotic giữa
metagenome C và BHR................................................................ 71



viii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
°C
1,2,3,7,8PeCDD
2,3,7,8TCDD/F
2,4,5-T
2,4,5-TCP
2,4-D
2,4-DCP
bp
BQP
CDS
COG
cs
CSDL
DBF
DC
DCĐ
DCP
DD
DDD
DDMS
DDNU


DDT



DGGE
ĐGMT
DNA
EBI

eggNOG

EPA
Gb
HR-GC/MS

IMG

KEGG
Mb

MG-RAST

MS
ORF
ORF
PAH
PCB


PCDD

x



PCDF
PCP
PCR
PFAM
POPs
Ppt
QCVN
RefSeq
RNA
RT-PCR
SSCP
TCP
TEF
TGGE
TNT
T-RFLP

USAID
VK
VK KK
VK KSF
VSV
XK


xi



1

MỞ ĐẦU
Gần 50 năm sau chiến tranh, hơn 100 triệu lít thuốc diệt cỏ chứa 2,3,7,8tetrachlorodibenzo-p-dioxin (2,3,7,8-TCDD là đồng phân dioxin độc nhất với độ
độc tương đương là 1 đã phun rải và hiện vẫn còn tồn lưu ở miền nam Việt Nam
(Cecil, 1986). Hỗn hợp chất độc tại các khu vực ô nhiễm khiến môi trường tự nhiên
bị phá hủy, sức khỏe di truyền của bệnh nhân phơi nhiễm bị ảnh hưởng qua nhiều
thế hệ, quần xã vi sinh vật (VSV) bị thay đổi mà vẫn chưa thể đánh giá chính xác
được. Do đó, ơ nhiễm chất diệt cỏ/dioxin nói riêng và ơ nhiễm các hợp chất hữu cơ
khó phân hủy (POPs) nói chung cần phải được loại bỏ theo cơng ước Stockholm.
Do đó, nghiên cứu đánh giá vai trò thực chất của các quần xã vi sinh vật trong tự
nhiên cũng như trong các vùng đã và đang được xử lý khử độc là rất cấp thiết.
Trong 20 năm trở lại đây, số lượng nghiên cứu liên quan tới khả năng phân
hủy chất diệt cỏ/dioxin bởi các VSV phân lập được, số lượng enzyme tham gia vào
con đường chuyển hóa cũng như đa dạng VSV khơng thơng qua ni cấy (sử dụng
phương pháp đa hình cấu hình sợi đơn (Single-Strand Conformation Polymorphism
- SSCP, điện di trên gel građient biến tính biến tính (denaturing gradient gel

electrophoresis - DGGE, nhân gene theo thời gian thực (real time Polymerase Chain
Reaction – RT PCR) tăng dần nhằm xây dựng công nghệ xử lý ô nhiễm với hiệu
suất cao và triệt để hơn bởi vi sinh vật.
Ở Việt Nam, quy mô thử nghiệm và triển khai công nghệ xử lý khử độc bằng
3

3

phân hủy sinh học (Bioremediation) tăng dần từ pilot 0,5 m – 100 m ở sân bay Đà
3

Nẵng tới quy mô hiện trường 3.384 m ở sân bay Biên Hòa. Qua các cơng bố mới

được cập nhật, các VSV có khả năng nuôi cấy chiếm tỷ lệ rất thấp chỉ từ 0,001 đến
0,1% cho thấy hạn chế của các phương pháp nghiên cứu truyền thống đã thực hiện
trong nhiều thập niên qua. Do đó, việc áp dụng các cơng cụ nghiên cứu hiện đại trở
nên rất cần thiết để có thể từng bước hiểu rõ sự đa dạng và bản chất cấu trúc quần
xã VSV để từ đó cải tiến quy trình cơng nghệ hiện có nhằm rút ngắn thời gian và


2

nâng cao hiệu suất xử lý khử độc ô nhiễm hỗn hợp chất diệt cỏ/dioxin vẫn còn tồn
đọng ở Việt Nam và các loại chất hữu cơ khó phân hủy (POPs) khác trên thế giới.
Giải trình tự và phân tích nguyên liệu di truyền bằng cách tách DNA trực tiếp từ
mẫu đất ô nhiễm không thông qua nuôi cấy bằng hệ thống máy công năng cao thế hệ
mới Hiseq Illumina và các phần mềm tin sinh chuyên dụng sẽ khắc phục được hạn chế
của các phương pháp nghiên cứu truyền thống. Bởi vì kết quả thu được cung cấp thơng
tin chi tiết về sự đa dạng VSV từ ngành, lớp, bộ, họ, chi cho đến loài cùng hệ gene chức
năng tồn tại cũng như đa dạng protein giả định và các con đường chuyển hóa trong
metagenome của mẫu nghiên cứu. Vì vậy, tại thời điểm này sử dụng cơng cụ
metagenomic với mẫu đất liên quan tới ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin sẽ cung cấp bức
tranh đầy đủ nhất có thể về chủng loài và các mối quan hệ quần xã của vi sinh vật nhằm
nâng cao hiệu suất xử lý khử độc bằng công nghệ phân hủy sinh học không chỉ áp dụng
đối với ơ nhiễm dioxin mà cịn với các POPs khác.

Với các lý do trên, luận án nghiên cứu sinh đã được thực hiện và đây là
nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam sử dụng công cụ nghiên cứu hiện đại với đất ô
nhiễm nặng chất diệt cỏ/dioxin ở sân bay Biên Hòa thuộc đối tượng đất đặc thù bởi
thành phần hóa học phức tạp để tách và làm sạch được DNA đủ chất lượng đáp ứng
yêu cầu của nghiên cứu. Mẫu ở 2 khu vực đã được chọn để nghiên cứu metagenome
gồm: đất từ khu Tây Nam Biên Hịa bị ơ nhiễm nặng chất diệt cỏ/dioxin có độ độc
trung bình 21.605 ng TEQ/kg và đất đã được xử lý làm sạch sau 60 tháng ở khu

chôn lấp Z1 có độ độc trung bình 13,2 ng TEQ/kg. Tên luận án của nghiên cứu sinh
là: ”Nghiên cứu đa dạng vi sinh vật trong mẫu đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin ở
Biên Hòa, Đồng Nai và đánh giá khả năng phân hủy của một số chủng phân
lập”. Kết quả về sự đa dạng và các đặc điểm, cấu trúc quần xã và khả năng phân
hủy dioxin của một số đại diện được trình bày trong luận án này là một phần số liệu
thu được từ đề tài độc lập cấp nhà nước “Nghiên cứu metagenome của vi sinh vật
vùng đất ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin nhằm tìm kiếm các gene, enzyme mới có khả
năng phân hủy dioxin” mã số ĐTĐLCN.13/14 do PGS. TS. Đặng Thị Cẩm Hà chủ
nhiệm và đã được nghiệm thu năm 2019.


3

1)

MỤC TIÊU
Đánh giá đa dạng VSV trong (i) mẫu đất nhiễm nặng chất diệt cỏ/dioxin và

(ii) mẫu đất đã được xử lý làm sạch bằng công nghệ phân hủy sinh học ở các lơ
“Chơn lấp tích cực” sau 60 tháng ở sân bay Biên Hịa, Đồng Nai, Việt Nam bằng
cơng cụ metagenomic;
Đánh giá khả năng phân hủy hiếu khí dioxin trong đất ô nhiễm nặng hỗn hợp
chất diệt cỏ/dioxin bằng tổ hợp vi khuẩn (VK) và tổ hợp xạ khuẩn (XK) được phân
lập và lựa chọn từ các mẫu đất nghiên cứu.
2)

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
-

Thu thập, bảo quản, phân tích thành phần cơ giới của mẫu đất ô nhiễm


chất diệt cỏ/dioxin ở sân bay Biên Hòa;
-

Tách chiết, tinh sạch DNA từ các mẫu nghiên cứu và xác định trình tự

DNA bằng máy giải trình tự cơng năng cao thế hệ mới Illumina Hiseq 2500;
-

Phân tích, đánh giá đa dạng VSV, đa dạng gene chức năng giả định từ

dữ liệu metagenome của các mẫu nghiên cứu;
-

Đánh giá khả năng phân hủy hiếu khí dioxin trong đất ơ nhiễm nặng

bằng tổ hợp vi khuẩn và xạ khuẩn được phân lập từ đất ô nhiễm chất diệt
cỏ/dioxin.
3)

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Đây là cơng trình đầu tiên ở Việt Nam sử dụng công cụ metagenomic trong

nghiên cứu đa dạng VSV trong đất ô nhiễm nặng chất diệt cỏ/dioxin, đất đã được xử
lý khử độc sạch ở sân bay quân sự Biên Hòa và phát hiện được sự rất đa dạng trong
các quần xã vi khuẩn, vi khuẩn cổ ưa mặn, loại halogen với số lượng các gene chức
năng mới như laccase và laccase-like tham gia vào phân hủy hợp chất xenobiotic
cùng sự đa dạng của nấm sợi, nấm men và nấm đảm;
- Bổ sung cơ sở khoa học giải thích sự thành công của công nghệ phân hủy


sinh học đã thực hiện ở sân bay Biên Hòa và khả năng cải tiến qui trình cơng nghệ,
nâng cao hiệu suất xử lý khử độc hỗn hợp chất diệt cỏ/dioxin có tổng độ độc rất cao
cũng như một số loại hình ơ nhiễm POPs khác.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin
1.1.1. Đặc điểm và ảnh hưởng của chất diệt cỏ/dioxin tới môi trường và con người.

Dioxin là gọi tắt của nhóm các chất hữu cơ khó phân huỷ với hai vòng thơm
gắn từ 1 đến 8 nguyên tử clo có quan hệ gần gũi với nhau về cấu trúc và tính chất
hóa học. Khi đề cập tới ơ nhiễm chất diệt cỏ/dioxin là chủ yếu nhắc tới các nhóm
Policlodibenzo-p-dioxin (PCDD) có 75 chất và Polyclodibenzofuran (PCDF) có 135
chất, polyclobiphenyl (PCB) bởi chúng thường tồn tại dạng hỗn hợp của các chất
hóa học bền vững trong mơi trường (Schecter, 2013; Van den Berg và cs., 1998).
Hai đồng phân của dioxin có độ độc cao nhất là 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin
(2,3,7,8-TCDD) và 1,2,3,7,8-pentachlorodibenzo-p-dioxin (1,2,3,7,8-PeCDD) với
tổng độ độc tương đương TEF (Toxic Equivalency Factor) là 1 (tổ chức Y tế thế giới
- WHO).

Hình 1.1. Cấu trúc hóa học của PCDD, PCDF và PCB
(Nguồn: Kulkami và cs., 2008)

Các PCDD, PCDF và PCB có tính khơng phân cực cao, độ hịa tan trong
nước rất thấp, có xu hướng tích lũy vào đất mùn, trầm tích, các vật chất kị nước như
mô mỡ động vật (Schreiner và cs., 1997) và rất bền vững trong tự nhiên. Dioxin có
thể di chuyển trên bề mặt đất, theo dòng nước và theo khơng khí gây ra ơ nhiễm mơi

trường trong phạm vi rộng và phức tạp. Thời gian bán huỷ của dioxin là 10-100 năm
tùy vị trí và điều kiện tự nhiên. Thời gian bán huỷ của dioxin trong đất là 4.720
ngày (~13 năm), hexaclobenze là 1.530 ngày (4,2 năm), PCBs là 940 ngày (2,6
năm), PAHs là 570 ngày (1,6 năm), pentaclophenol 100 ngày. Trong cặn đáy ao hồ
hay còn gọi là trầm tích dioxin có thể tồn tại hàng trăm năm. Dioxin có nhiệt độ


5

o

nóng chảy khá cao, ngay cả ở nhiệt độ 1.200 C quá trình phân huỷ dioxin vẫn là quá
trình thuận nghịch, dioxin chỉ bị phân huỷ hoàn toàn ở nhiệt độ lớn hơn 1.200o

1.400 C.

Hình 1.2. Cơ chế tạo ra 2,3,7,8-TCDD trong quá trình tổng hợp 2,4,5-T
(Nguồn: Schmalenberger và Tebbe, 2003)

Hàng trăm triệu lít chất diệt cỏ chứa dioxin do Mỹ phun rải nhằm phát quang
các cánh rừng tại miền Trung và Nam Việt Nam làm hơn 4 triệu ha rừng đã bị phá
hủy hoàn toàn, sự tồn lưu chất diệt cỏ/dioxin trong đất từ đó phân tán bởi lớp nước
mặt, nước ngầm, tích tụ trong cơ thể sinh vật. Mặt khác, các sân bay đã từng được
sử dụng làm điểm tập kết, súc rửa thùng đựng, máy bay sau khi phun rải nên lượng
lớn chất độc còn tồn lưu làm biến đổi hệ sinh thái, giết chết rất nhiều động, thực vật
cũng như phá hủy hệ VSV đất. EPA đã cơng nhận dioxin là một chất gây ung thư
nhóm 1 cho con người ở tất cả các liều lượng khi đã phơi nhiễm (Van den Berg và
cs., 2006). Theo Angelo và cộng sự, PCBs có thể ảnh hưởng đến gan, đường ruột,
máu, hệ nội tiết, miễn dịch, hệ thần kinh và hệ sinh sản (D’Angelo và Nunez, 2010)
nên có thể di truyền cho nhiều thế hệ sau. Theo thời gian ô nhiễm, hệ VSV sẽ mất

dần là nguyên nhân đất bị sói mịn vì thiếu dưỡng chất.
1.1.2. Ơ nhiễm chất diệt cỏ/dioxin ở sân bay Biên Hòa và Đà Nẵng
Ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin ở Việt Nam phần lớn do tồn dư bởi chiến tranh

hóa học do Mỹ gây ra từ 1961 và tập trung chủ yếu ở các sân bay quân sự cũ như
Biên Hòa, Đà Nẵng với các mức độ khác nhau.


6

Gần đây, cơ quan phát triển quốc tế hoa kỳ (United States Agency for
International Development – USAID) cùng Viện Khoa học và Cơng nghệ Qn sự
thuộc Bộ Quốc phịng (BQP) lấy từ 76 vị trí theo phương pháp lấy mẫu đa điểm
(MS) để điều tra mức độ ô nhiễm chất diệt cỏ/dioxin ở sân bay Biên Hòa. Tổng
cộng thu thập hơn 1.400 mẫu và phân tích nồng độ dioxin đối chiếu với Tiêu chuẩn
quốc gia Việt Nam (QCVN 45:2012/BTNMT) và ngưỡng dioxin của BQP đối với
từng điểm lấy mẫu cho thấy ô nhiễm nặng nhất tập trung ở khu Tây Nam sân bay
(độ độc lên tới 110.000 ppt ở độ sâu 30 – 60cm).
3

Thống kê cho thấy khoảng 315.700 – 377.700 m và 92.800 – 117.600 m

3

trầm tích ơ nhiễm dioxin (42% ở khu Pacer Ivy, 24% ở khu Z1 (bao gồm cả Bãi
3

chơn lấp Z1 là khu vực có lô xử lý 3.384 m đất ô nhiễm bằng phương pháp phân
hủy sinh học được thực hiện bởi PGS. TS. Đặng Thị Cẩm Hà và cộng sự, Viện Công
nghệ Sinh học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), 15% ở khu Tây

nam, 19% ở các khu ZT, Tây bắc và Đông bắc và khoảng 5% tổng khối lượng
nhiễm dioxin nằm ở ngoài khu vực sân bay). Diện tích ơ nhiễm ước tính là khoảng
2

2

2

522.400 m , trong đó có khoảng 369.600 m diện tích đất và 152.800 m diện tích
trầm tích.
Tình trạng ơ nhiễm dioxin ở sân bay Đà Nẵng được thể hiện trong Báo cáo tổng
kết của Văn phịng 33 và cơng ty Hatfield cho thấy khu vực đầu bắc sân bay (khu pha
trộn và đóng nạp) và khu Pacer Ivy (khu vực lưu trữ ở phía nam sân bay) nồng độ
TCDD cao nhất đạt tương ứng 361.000 ppt và 20.600 ppt ở độ sâu từ 0 – 10 cm với
đồng phân 2,3,7,8-TCDD chiếm 99% và 65%. Viện Công nghệ Sinh học đã tiến hành
3

3

xử lý thử nghiệm ở quy mô 10 m và 100 m bằng biện pháp chơn lấp tích cực với hiệu
quả phân hủy dioxin từ 50-70% ở khu đầu bắc sân bay (Hà và cs., 2005). Đã tiến hành
xử lý khử độc đất ơ nhiễm có độ độc cao hơn 43.000 ng TEQ/kg ở 11 công thức khác
3

nhau ở qui mô pilot (2 m ) ngay tại sân bay Đà Nẵng, sau 6 tháng xử lý 30% tổng độ
độc đã bị loại bỏ tính chung cả các cơng thức hiếu khí và kị khí. Đây là cơng trình hợp
tác giữa viện công nghệ sinh học với Cục bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (United States
Environmental Protection Agency – EPA) năm 2009 với kinh phí



7

từ quỹ Ford (Hà và cộng sự , 2010). Lần đầu tiên ở Việt Nam và cũng là lần đầu tiên
trên thế giới công nghệ phân hủy sinh học khử dioxin (độ độc chủ yếu từ đồng phân
2,3,7,8 TCDD) sản xuất từ công nghệ cũ của những năm 50 của thế kỷ trước được
3

tiến hành ở qui mô lớn 3384 m . Bằng sự kết hợp của thi công cơ giới, bán cơ giới
(ở một số công đoạn nhỏ) do các cán bộ khoa học của 2 cơ quan Viện KH&CN Việt
Nam và Bộ Quốc phòng đã cùng thực hiện cơng nghệ được gọi là: “Chơn lấp tích
cực”. Tháng 3 và 4/2009, Viện Công nghệ Sinh học đã phối hợp với các đơn vị của
3

Bộ Tư lệnh Hóa học xử lý 3.384 m đất nhiễm chất diệt cỏ/dioxin tại khu Z1 của
sân bay Biên Hịa. Trong các hố chơn lấp tích cực sự phân hủy sinh học xảy ra ở 3
điều kiện hiếu khí (có oxy), kỵ khí (khơng có oxy) và kỵ khí khơng bắt buộc (có ít
oxy). Q trình xử lý bao gồm thúc đẩy sự chuyển hóa, phân hủy và giai đoạn cuối
cùng tốt nhất là khoáng hóa hồn tồn các hỗn hợp chất độc bao gồm dioxin (độc
nhất) là 2,3,7,8-TCDD (chiếm từ 90 - 99,63% tổng độ độc), 2,4,5-T, 2,4-D, TCP,
DCP và các PAH có nhiều vòng thơm v.v.
Năm 2009 Bộ quốc phòng Việt Nam và cụ thể là Bộ Tư lệnh Hóa học đã chơn
3

3

lấp hơn 90.000 m trong khuôn khổ dự án ở khu vực Z1 và 3.384 m đất thuộc dự án
này đã được làm sạch bằng công nghệ phân hủy sinh học như đã đề cập ở trên. Năm
2011, USAID và BQP Việt Nam cùng phối hợp thực hiện Dự án Xử lý Môi trường tại
Sân bay Đà Nẵng sử dụng phương pháp khử hấp thu nhiệt và lưu chứa. Đất, bùn nhiễm
dioxin được đưa vào mố kín trên mặt đất và nung nóng tới nhiệt độ tối thiểu 335ºC để

3

tiêu hủy dioxin. Dự án đã xử lý hơn 90.000 m đất, trầm tích ơ nhiễm trầm tích nhiễm
dioxin nồng độ thấp và đã bàn giao vào cuối năm 2018. Tuy nhiên, sản phẩm sau khi sử
dụng phương pháp giải hấp phụ nhiệt vẫn gây nhiều tranh cãi về hiệu quả môi trường
và sản phẩm cuối cùng vẫn còn phải xử lý tiếp.

1.1.3. Phân hủy sinh học chất diệt cỏ/dioxin trong đất ô nhiễm
Do đất bị ô nhiễm ở mức rất nặng, phức tạp và kéo dài nên việc xử lý triệt để
tuân thủ công ước Stockholm là rất cần thiết. Hiện có rất nhiều phương pháp hóa
học, lý học, sinh học được đề xuất để xử lý nhưng cần có những nghiên cứu kỹ
trước khi áp dụng. Quá trình phân hủy sinh học có thể xảy ra theo 4 con đường chủ


8

yếu (Báo cáo kết quả nhiệm vụ chơn lấp tích cực thuộc dự án “Xử lý khu đất nhiễm
chất độc hóa học chứa Dioxin tại sân bay Biên Hịa, tỉnh Đồng Nai” do Bộ Tư lệnh
Hóa học - Bộ Quốc phòng làm chủ đầu tư và thực hiện năm 2009). Ba con đường
oxy hóa cắt vịng, loại clo các hợp chất hữu cơ thơm đã được mở vòng và xúc tác
bởi các enzyme ngoại bào hay các chất xúc tác khơng có cấu trúc enzyme nhưng
hoạt động như enzyme đều cần oxy và con đường thứ tư là loại khử clo đối với các
chất hữu cơ đa vịng thơm (Hình 1.3). Tất cả các quá trình nêu trên được thực hiện
bởi tập đoàn vi sinh vật bản địa trong các tầng đất của lơ “Chơn lấp tích cực”.

Hình 1.3: Các con đường chuyển hóa, phân hủy, khống hóa hỗn hợp chất diệt
cỏ/dioxin và các chất trao đổi chất bằng phương pháp sinh học.
Sản phẩm trung gian của con đường khử loại clo là các hợp chất bớt độc hơn
do loại khử bớt clo. Các sản phẩn tạo ra theo các con đường khác rất phong phú ở
mỗi giai đoạn và điều kiện môi trường luôn biến động tạo cơ hội cho các quần xã vi

sinh vật hoạt động phân hủy, chuyển hóa và sản phẩm cuối cùng của 4 con đường
trao đổi chất nói trên là các chất đi vào chu trình Krebs trước khi được khống hóa
tới các axit hữu cơ, nước, CO2 và sinh khối vi sinh vật.
1.1.3.1. Phân hủy sinh học hiếu khí xenobiotic và chất diệt cỏ/dioxin
Chất diệt cỏ/dioxin gồm 2 nhóm là chứa và khơng chứa clo với cơ chế phân
hủy khác nhau bởi VSV trong các điều kiện khác nhau.
Phân hủy sinh học hợp chất dioxin khơng chứa clo
Cấu trúc dạng vịng dễ bị q trình oxy hóa (bởi hệ enzyme được sinh bởi các
vi sinh vật) phá vỡ làm giảm độc tính của dioxin. Q trình hydroxyl hóa vịng thơm

xuất hiện ở vị trí bên các nguyên tử carbon 1,2; 2,3 hoặc 3,4 như Novosphingobium