Synergistic effect of chitosan and carbon material through encapsulation to promote anaerobic degradation efficiency in syntrophic consortia

จากสถานการณ์ปัญหาขยะมูลฝอยในประเทศไทยตามรายงานกรมควบคุมมลพิษของประเทศไทย รายงานว่าปริมาณขยะมูลฝอยในประเทศไทยเพิ่มสูงขึ้นตั้งแต่ปี พ.ศ. 2554 โดยช่วงระยะเวลาที่ปริมาณขยะมูลฝอยสูงสุดในปี พ.ศ. 2562 คิดเป็นประมาณ 26.71 ล้านตันต่อปี  อันเนื่องมาจากการขยายตัวเมือง การเติบโตของประชากร แรงงานต่างชาติที่เข้ามาทำงาน นักท่องเที่ยวที่เพิ่มขึ้น และพฤติกรรมการบริโภคเพื่อการดำรงชีวิตที่สะดวกสบาย นอกจากนี้ประเทศไทยยังเป็นประเทศที่มุ่งเน้นและส่งเสริมการพัฒนาทางด้านเศรษฐกิจและอุตสาหกรรมในภาคการเกษตร ทั้งในระดับโรงงานขนาดใหญ่ ธุรกิจขนาดกลาง ขนาดย่อม ส่งผลทำให้เกิดวัสดุเหลืองทิ้งจากกระบวนการผลิตเป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะน้ำเสียจากโรงงานอุตสาหกรรมเกษตรกว่า 10,000 โรงงานที่กระจายอยู่ทั่วประเทศ โดยขยะมูลฝอยและน้ำเสียเหล่านี้จะต้องถูกบำบัดให้ได้คุณภาพตามประกาศของกรมควบคุมมลพิษ จึงสามารถปล่อยลงในแหล่งน้ำธรรมชาติได้ ทั้งนี้เพื่อให้เกิดการนำขยะและน้ำเสียกลับมาใช้ประโยชน์สูงสุด กระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic digestion) จึงถูกนำมาใช้ในระบบบัดเพื่อผลิตก๊าซชีวภาพและชีวมวล ซึ่งส่งผลดีต่อสิ่งแวดล้อมและส่งเสริมพลังงานทางเลือกอีกด้วย

กระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นกระบวนการทางชีวภาพ โดยอาศัยการทำงานร่วมกันของจุลินทรีย์ 4 กลุ่มหลัก ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนสารอินทรีย์ให้เป็นก๊าซชีวภาพ ซึ่งประกอบไปด้วยก๊าซมีเทนร้อยละ 50-60 และคาร์บอนไดออกไซด์ เสถียรภาพและประสิทธิภาพของกระบวนการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน นี้ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์และความสมดุลของกลุ่มจุลินทรีย์ในแต่ละขั้นตอนการย่อยสลาย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กลุ่มจุลินทรีย์ในสองขั้นตอนสุดท้าย ได้แก่ อะซิโตเจน (acetogens) และเมทาโนเจน (methanogens) ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนกรดระเหยง่ายจากระบวนการก่อนหน้าไปเป็นก๊าซมีเทนและอื่น ๆ ข้อจำกัดของกลุ่มจุลินทรีย์ดังกล่าวคือ มีอัตราการเติบโตที่ช้าและความอ่อนไหวต่อสิ่งแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไป เช่นความดันไฮโดรเจนสูงเกินทำให้ยับยั้งโคเอนไซม์ที่ออกซิไดซ์ในไซโตพลาสซึมของซินโทรฟิกอะซิโตเจน และในกรณีการเพิ่มอัตราการบรรจุสารอินทรีย์ (organic loading rate) เข้าสู่ระบบเพื่อเพิ่มปริมาณการบำบัด ทำให้เกิดการสะสมของกรดอินทรีย์ระเหยง่าย เนื่องจากจุลินทรีย์กลุ่มไฮโดรไลติกและกลุ่มอะซิโดเจนเจริญเติบโตและย่อยสลายสารอินทรีย์ได้รวดเร็วกว่า ดังนั้นจึงทำให้ค่าความเป็นกรดด่างของระบบลดลงอย่างรวดเร็ว ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของกลุ่มจุลินทรีย์อะซิโตเจนและเมทาโนเจนดังนั้นกลุ่มจุลินทรีย์ทั้งสองกลุ่มนี้จึงเป็นข้อจำกัดสำหรับระบบการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน

ความสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มจุลินทรีย์อะซิโตเจนและเมทาโนเจนมีบทบามสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพของระบบบำบัด ในธรรมชาติจุลินทรีย์ทั้งสองกลุ่มนี้อาศัยอยู่ร่วมกันเป็นชุมชนแบบเกื้อกูล (syntrophic community) โดยมีการแลกเปลี่ยนสารอาหาร การสื่อสาร และการถ่ายโอนอิเล็กตรอน จากความสัมพันธ์ดังกล่าว กลไกการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างสปีชีส์ (interspecies electron transfer, IET) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเมตาบอลิซึมของการเปลี่ยนกรดอินทรีย์ระเหยง่ายให้เป็นก๊าซมีเทน โดยทั่วไปแล้วกลไกการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างสปีชีส์มี 2 รูปแบบ คือการถ่ายโอนอิเล็กตรอนทางตรงและทางอ้อม การถ่ายโอนอิเล็กตรอนแบบทางอ้อมจำเป็นต้องใช้ตัวกลาง ได้แก่ไฮโดรเจนและฟอร์เมต ทั้งนี้ประสิทธิภาพของกระบวนการขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างจุลินทรีย์ทั้งสองกลุ่ม ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในรูปแบบฟิล์มชีวภาพ (biofilm) และหรือเม็ดตะกอน (granule) ก็ได้ แต่อย่างไรก็ตามการก่อตัวของแกรนูลและไบโอฟิล์มในธรรมชาติมักใช้ระยเวลานานประมาณ 3-8 เดือน การศึกษาวิจัยก่อนหน้านี้ได้พยายามลดระยะเวลาในการทำแกรนูลโดยการเพิ่มสารนิวคลีเอชัน (nucleation) เพื่อกระตุ้นให้เกิดนิวเคลียสของตะกอน ซึ่งในบรรดาสารตั้งต้นชนิดต่าง ๆ ไคโตซาน (chitosan) ได้รับความน่าสนใจนำมาศึกษาและประยุกต์ใช้ในการสร้างแกรนูลเนื่องจากคุณสมบัติของมันเป็นพอลิเมอร์ที่มีประจุบวก ทำให้สามารถดึงดูดกับประจุลบของผนังเซลล์จุลินทรีย์ได้ ในส่วนการถ่ายโอนอิเล็กตรอนแบบทางตรงนั้น อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายทอดระหว่างจุลินทรีย์โดยอาศัยอวัยวะและออร์แกนของเซลล์ เช่น pili และ cytochrome ส่งผลให้การถ่ายโอนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นโดยตรง ประหยัดพลังงาน และมีประสิทธิภาพมากกว่า นอกจากนี้งานวิจัยในปัจจุบันยังพบกว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนแบบทางตรงระหว่างจุลินทรีย์สามารถทำได้โดยเพิ่มวัสดุตัวนำไฟฟ้า เช่น ถ่านกัมมันต์ ถ่านไบโอชาร์ และแมกนีไทต์ ในบรรดาวัสดุนำไฟฟ้าเหล่านี้ คาร์บอนได้รับความสนใจมากขึ้นในการนำมาใช้กับระบบบำบัดน้ำเสียแบบไร้อากาศเนื่องจากมีราคาไม่แพง

ดังนั้น งานวิจัยนี้จึงมีเป้าหมายที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของกลไกการถ่ายทอดอิเล็กตรอนทั้งสองกระบวนด้วยการใช้วัสดุสองประเภทได้แก่ คาร์บอนที่มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าและไคโตซาน ผสมผสานกันโดยใช้กระบวนการห่อหุ้ม (encapsulation) และทดสอบในระบบบำบัดชที่มีอัตราการบรรจุสารอินทรีย์สูง รวมถึงการศึกษาความหลากหลายของกลุ่มจุลินทรีย์ที่เกิดขึ้นบนวัสดุผสมด้วย