Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano bạc kiểm soát phú dưỡng và tảo độc trong nước nuôi trồng thủy sản

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG - - NGUYỄN ĐỨC LƢƠNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO BẠC KIỂM SỐT PHÚ DƢỠNG VÀ TẢO ĐỘC TRONG NƢỚC NI TRỒNG THỦY SẢN” Hà Nội – 2021 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG - - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO BẠC KIỂM SOÁT PHÚ DƢỠNG VÀ TẢO ĐỘC TRONG NƢỚC NUÔI TRỒNG THỦY SẢN” Ngƣời thực : NGUYỄN ĐỨC LƢƠNG Lớp : K62KHMTA Khóa : 62 Ngành : KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG Giáo viên hƣớng dẫn : ThS HỒ THỊ THÚY HẰNG Địa điểm thực tập : HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Hà Nội – 2021 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập, nghiên cứu thực khóa luận tốt nghiệp ngồi cố gắng nỗ lực thân tơi cịn nhận nhiều giúp đỡ thầy cô giáo, gia đình bạn bè Nhân dịp tơi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành sâu sắc Tơi xin bày tỏ lịng bi t ơn chân thành t i qúy thầy/cơ giáo cán công chức khoa Tài nguyên Môi trường - Học viện Nông nghiệp Việt Nam Xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo giảng dạy công tác ộ môn Công nghệ Môi trường dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu trang bị cho ki n thức b ch chuyên ngành ki n thức xã hội Tôi xin đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc t i ThS Hồ Thị Thúy Hằng công tác môn Công nghệ Môi trường, Học viện Nông nghiệp Việt Nam người ln tận tình bảo, truyền đạt cho tơi nhiều ki n thức, kỹ làm việc, giúp đỡ học tập, nghiên cứu theo sát suốt q trình thực khóa luận Tơi xin gửi lời cảm ơn t i bạn làm việc phịng th nghiệm, đặc biệt bạn Ngơ Thị Ngọc Hân giúp đỡ tơi nhiệt tình việc lấy mẫu nuôi tảo Cuối xin gửi lời cảm ơn sâu sắc t i bố mẹ, tồn thể bạn bè người ln bên suốt thời gian học tập rèn luyện Học viện Nông nghiệp Việt Nam Hà Nội, ngày… tháng… năm 2021 Ngƣời thực Nguyễn Đức Lƣơng i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii TÓM TẮT KHÓA LUẬN viii MỞ ĐẦU 1 T nh cấp thi t đề tài Mục tiêu đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Vai trò tảo ảnh hưởng phú dưỡng t i nuôi trồng thủy sản 1.1.1 Vai trị tảo ni trồng thủy sản 1.1.2 Ảnh hưởng phú dưỡng t i nuôi trồng thủy sản 1.2 T ng quan vật liệu nano bạc ứng dụng nano bạc xử lý tảo 18 1.2.1 T ng quan vật liệu nano bạc (AgNPs) 18 1.2.2 Xử lý tảo vật liệu nano bạc 20 CHƢƠNG ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Đối tượng nghiên cứu 23 2.2 Phạm vi nghiên cứu 23 2.3 Nội dung nghiên cứu 23 2.4 Phương pháp nghiên cứu 24 2.4.1 Phương pháp lấy mẫu 25 2.4.2 Phương pháp bố tr th nghiệm 26 2.4.3 Các phương pháp xác định sinh trưởng tảo 27 2.4.4 Phương phân t ch mẫu nư c 28 ii 2.4.5 Phương pháp thống kê xử lý số liệu 28 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Hiện trạng phú dưỡng đặc điểm tảo độc ao nghiên cứu 29 3.1.1 Hiện trạng chất lượng nư c ao nghiên cứu 29 3.1.2 Đặc điểm quần xã tảo ao thủy sản ao nuôi thủy sản nghiên cứu 30 3.2 Ảnh hưởng nồng độ nano bạc t i hiệu kiểm soát phú dưỡng mật độ tảo độc 31 3.3 Ảnh hưởng k ch thư c nano bạc t i hiệu kiểm soát phú dưỡng mật độ tảo độc 40 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 K t luận 46 Ki n nghị 47 PHỤ LỤC MỘT SỐ HÌNH ẢNH QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 iii DANH MỤC BẢNG ảng 1.1 Thành phần loài khu tảo nội địa Việt Nam ảng 1.2 Phân loại mức độ phú dưỡng nguồn nư c ảng 1.3 Tương quan số lượng tảo độ phì ảng 1.3 Độ độc dạng đồng hòa tan pH khác 15 ảng 2.1 Các cơng thức th nghiệm kiểm sốt phú dưỡng 26 ảng 2.2 công thức th nghiệm nghiên cứu 27 ảng 2.3 Phương pháp phân t ch, đánh giá thông số 28 ảng 3.1 Hiện trạng chất lượng nư c ao nuôi cá lăng Khoa thủy sản, Học viện nông nghiệp Việt Nam 29 ảng 3.2 Mật độ tảo giá trị OD ao nuôi cá lăng Khoa thủy sản, Học viện nông nghiệp Việt Nam 30 ảng 3.3 Sự thay đ i chất lượng nư c trư c sau th nghiệm kiểm soát phú dưỡng 38 iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cơ ch kháng khuẩn vật liệu nano bạc 19 Hình 2.1 Sơ đồ 03 ao nuôi thủy sản Khoa Thủy sản, Học Viện Nông nghiệp 23 Hình 2.2 Vật liệu nano điều ch Viện hàn lâm khoa học cơng nghệ có k ch thư c 20 nm 50 nm, nồng độ 100ppm 24 Hình 2.3 Mẫu nư c ao ni thuỷ sản bị phú dưỡng 24 Hình 2.4 Tảo độc Oscillatoria sử dụng th nghiệm nuôi cấy Viện thuỷ sản trung ương I 25 Hình 2.5 Ch phẩm Probio Aqua sử dụng Khoa thủy sản, Học viện nông nghiệp Việt Nam 25 Hình 3.1 Hiện trạng mật độ thành phần tảo ao nuôi cá lăng khoa thủy sản, Học viện nông nghiệp Việt Nam 31 Hình 3.2 Ảnh hưởng nồng độ nano bạc t i hiệu kiểm soát phú dưỡng 32 Hình 3.3 Ảnh hưởng nồng độ k ch thư c nano bạc t i thành phần loài tảo 33 Hình 3.4 So sánh hiệu kiểm sốt phú dưỡng AgNPs v i CuSO4.5H2O 35 Hình 3.5 So sánh hiệu kiểm soát phú dưỡng AgNPs v i ch phẩm Probio Aqua 35 Hình 3.6 So sánh hiệu kiểm soát phú dưỡng AgNPs v i AgNPs k t hợp vơi ch phẩm Probio Aqua 36 Hình 3.7 Ảnh hưởng nồng độ nano bạc t i hiệu kiểm soát tảo độc chi Oscillatoria 39 Hình 3.8 So sánh hiệu kiểm soát tảo độc AgNPs v i CuSO4.5H2O 40 v Hình 3.9 Ảnh hưởng k ch thư c nano bạc đ n hiệu kiểm soát phú dưỡng 41 Hình 3.10 Sự tương quan hiệu kiểm soát phú dưỡng (AgNPs 50nm) độ truyền quang 42 Hình 3.11 Sự tương quan hiệu kiểm soát phú dưỡng (AgNPs 20nm) độ truyền quang 42 Hình 3.12 Ảnh hưởng k ch thư c nano bạc đ n hiệu kiểm soát tảo độc Oscillatoria 44 Hình 3.13 Sự tương quan hiệu kiểm soát tảo độc Oscillatoria (AgNPs 50nm) độ truyền quang 44 Hình 3.14 Sự tương quan hiệu kiểm soát tảo độc Oscillatoria (AgNPs 20nm) độ truyền quang 45 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Diễn giải COD : Nhu cầu oxy hóa hóa học DO : Hàm lượng oxy hòa tan MCs : Microcystins NTTS : Nuôi trồng thủy sản QCCT : Quy chuẩn cho phép QCVN : Quy chuẩn Việt Nam TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TN : T ng Nito TP : T ng Photpho VKL : Vi khuẩn Lam AgNPs : Vật liêu Nano bạc vii TÓM TẮT KHÓA LUẬN Hiện tình trạng phú dưỡng nguồn nư c ni trồng thủy sản (NTTS) kèm theo phát triển bùng n loài tảo độc Microcystis, Oscillatoria, Annabena, gây ảnh hưởng không nhỏ đ n môi trường, dịch bệnh suy giảm suất, chất lượng sản phẩm thủy sản nuôi Nghiên cứu tập trung t i ứng dụng vật liệu nano bạc để kiểm soát mật độ tảo để kiểm sốt tình trạng phú dưỡng phát triển tảo độc ao nuôi thủy sản Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng nồng độ k ch thư c nano bạc t i mật độ tảo ao ni thủy sản có mật độ dao động 3,3 x 106 t bào/ml đ n 2,8 x 107 t bào/ml tương ứng v i mức phú dưỡng Hypertrophic tảo độc chi m 70% số lượng t bào tảo thủy vực Dung dịch nano bạc v i k ch thư c 20 nm 50 nm đưa sử dụng v i nồng độ 0.5ppm; 1ppm; 2ppm; 4ppm, quan sát liên tục 24h, 48h, 72h để đánh giá thay đ i mật độ tảo K t cho thấy nồng độ 4ppm, sau 72h th nghiệm, mật độ tảo loại bỏ t i 99,94% 99,75% v i k ch thư c 50 nm 20 nm tương ứng v i mức phú dưỡng giảm từ Hypertrophic xuống mức MesoEutrophic Eutrophic V i tảo độc chi Oscillatoria v i mật độ th nghiệm 5.7 x 109 t bào/ml nồng độ 4ppm sau 24h th nghiệm hiệu loại bỏ đạt 99,85% 99,73% v i dung dịch nano bạc k ch thư c 50 nm 20 nm Để đánh giá hiệu vật liệu nano bạc, nghiên cứu ti n hành so sánh v i ch phẩm sinh học Probio Aqua CuSO4.5H2O sản phẩm ứng dụng nhiều xử lý tảo NTTS K t nghiên cứu cho thấy v i ch phẩm Probio Aqua nồng độ 1ppm (theo khuy n cáo sử dụng) đạt hiệu cao 90,31% sau 72h tương đương v i hiệu đạt nồng độ thấp (0.05ppm) AgNPs sau 48h Đối v i kiểm soát phú dưỡng CuSO4.5H2O đạt hiệu cao 96.54% nồng độ 4ppm đạt sau 72h theo dõi không giảm mức phú dưỡng viii vực Việt Nam Loài VKL thường gặp M Eruginosa Nghiên cứu độc t nh độc tố mẫu VKL gây nở hoa nư c tự nhiên mẫu phân lập phòng th nghiệm phương pháp thử sinh học Artemia salina phương pháp HPLC cho thấy nhiều mẫu có độc t nh đối v i động vật th nghiệm Các mẫu VKL độc nghiên cứu thu thập từ thuỷ vực chứa loại MCs khác v i lượng MCs t ng số dao động từ 0,002 đ n 3,583 µg g-1 Những k t cho thấy khả ô nhiễm VKL độc độc tố chúng thuỷ vực nư c nội địa Việt Nam, đặc biệt vào thời điểm tàn lụi nở hoa VKL thành t bào bị phá vỡ độc tố bị thải khỏi t bào vào môi trường xung quanh, thực t , (Đặng Hoàng Phư c Hiền cs, 2005, Trần Văn Tựa cs, 2006) Liên quan đ n vi khuẩn lam gây hại, k t khảo sát số thuỷ vực nư c bao gồm số hồ chứa, Dương Đức Ti n cộng (2002) cho thấy VKL độc thuộc chi Microcystis diện tất thuỷ vực khảo sát, mật độ có lên t i 4-7x106 t bào/l t Tác giả đưa khố phân loại dựa vào hình thái t bào tập đoàn cho loài thuộc chi vi khuẩn lam độc 3.1 Tổng quan vật liệu nano bạc ứng dụng nano bạc xử lý tảo 3.1.1 Tổng quan vật liệu nano Khoa học nano: ngành khoa học nghiên cứu tượng can thiệp vào vật liệu quy mô nguyên tử, phân tử đại phân tử Tại quy mơ đó, t nh chất vật liệu khác hẳn v i t nh chất chúng quy mô l n Công nghệ nano: ngành liên quan đ n thi t k , phân t ch, ch tạo ứng dụng cấu trúc, thi t bị hệ thống phương pháp điều khiển trực quan hình dạng, k ch thư c quy mô nanomet (nm, nm = 10 -9 m) Ranh gi i công chúng công nghệ nano khoa học nano không rõ ràng, chúng có chung đối tượng vật liệu nano Vật liệu nano: vật liệu có t chiều v i k ch thư c nanomet Chúng có nhiều đặc t nh n i bật như: k ch thư c đặc biệt 50nm quan sát 10 ngày Sau đánh giá động thái tăng trưởng sinh khối chủng VKL bao gồm: đo mật độ quang (OD) bư c sóng 680 nm, đo hàm lượng chla xác định mật độ t bào Các thông số phân t ch vào ngày 0, 2, 10 Th nghiệm gồm công thức trình bày ảng 2.3 Bảng 2.3 Bảng bố trí thí nghiệm tảo độc VKL Microcystis aeruginosa KG Kích thƣớc hạt nano bạc (nm) Nhân tố thí nghiệm Mật độ tế bào (Tế bào/mL) < 10 30-40 > 50 2.0×106 CT0.1 CT1.1 CT2.1 CT3.1 4.0×106 CT0.2 CT1.2 CT2.2 CT3.2 6.0×106 CT0.3 CT1.3 CT2.3 CT3.3 8.0×106 CT0.4 CT1.4 CT2.4 CT3.4 75 * Thí nghiệm kiểm sốt phú dưỡng Để đánh giá hiệu vật liệu nano bạc kiểm soát phú dưỡng, lấy 50ml mẫu nư c phú dưỡng v i mật độ từ 2.0 ×106 T /mL - 8.0×106 T /mL vào cốc Duran 100 ml v i k ch thư c chọn < 10nm; 30-40nm > 50nm quan sát 10 ngày Sau đánh giá động thái tăng trưởng sinh khối chủng VKL bao gồm: đo mật độ quang (OD) bư c sóng 680 nm, đo hàm lượng chla xác định mật độ t bào Các thông số phân t ch vào ngày 0, 2, 10 Th nghiệm gồm công thức trình bày ảng 2.4 Bảng 2.4 Bảng bố trí thí nghiệm kiểm sốt phú dƣỡng Kích thƣớc hạt nano bạc (nm) Nhân tố thí nghiệm Mật độ tế bào (Tế bào/mL) < 10 30-40 > 50 2.0×106 CT0.1 CT1.1 CT2.1 CT3.1 4.0×106 CT0.2 CT1.2 CT2.2 CT3.2 6.0×106 CT0.3 CT1.3 CT2.3 CT3.3 8.0×106 CT0.4 CT1.4 CT2.4 CT3.4 2.4.3 Các phương pháp xác định sinh trưởng tảo a) Phương pháp xác định mật độ quang OD - Lấy ml mẫu nư c sau xử lý công thức th nghiệm đo mật độ quang máy đo quang ph UV-VIS bư c sóng 680 nm khoa Mơi trường, Học viện nông nghiệp Việt Nam b) Phương pháp xác định mật độ tế bào thành phần - Để đánh giá ảnh hưởng vật liệu nano đ n sinh trưởng hai loại tảo, mật độ t bào thực vật n i ml mẫu đ m buồng đ m thực vật n i dư i k nh hiểm vi quang học có độ phóng đại vật k nh 10-40x Mật độ tảo (tế bào/ml) = (T x1000x Vcđ x 1000)/(A x N x Vmt) Trong đó: T: số cá thể đ m (t bào) A: diện t ch ô đ m (mm²) 76 N: số ô thực đ m (N = 10) Vcđ: thể t ch mẫu cô đặc (ml) Vmt: thể t ch mẫu thu (l) - Thành phần tảo (phân loại đ n chi): xác định trư c sau th nghiệm k nh hiển vi v i độ phóng đại vật k nh 40-100x Phân loại tảo đ n chi thực khóa định loại tảo n i nư c (Nguyễn Văn Tuyên, 2003) Cấu trúc thành phần tảo trư c sau xử lý xác định tỷ lệ (về số lượng t bào) chi tảo có mặt trư c sử lý c) Phương pháp xác định hàm lượng Chla - Để đánh giá bi n động mật độ tảo ảnh hưởng vật liệu nano đ n sinh trưởng hai loại tảo, hàm lượng Chla thông số xác định thời điểm khảo sát Lấy lượng thể t ch định dịch nuôi cấy VKL M.aeruginosa KG, tảo lục C vulgaris nư c ao nuôi trồng thuỷ sản lọc qua giấy lọc GF/C v i k ch thư c lỗ 45 µm (Whatman GF/C, Anh) Mẫu chi t acetone (90%) Hàm lượng t nh theo công thức Lorezen (1967) sau: - Trư c axit: A665na = (Ab665na - bc665 ) – (Ab750na- bc750 ) - Sau axit: A665a = (Ab665a - bc665 ) – (Ab750a- bc750 ) Chlo a (μg/L) = 26.7 x ((A665na - Ab665a) x v)/(V x l) Trong đó: Ana: Hấp thụ bư c sóng khơng có axit Aa: Hấp thụ bư c sóng có axit v : thể t ch axeton ngâm mẫu (10mL) V: thể t ch lọc mẫu (l) I : khoảng cách quang học cuvet (1cm) 2.4.4 Phương phân tích mẫu nước Tại ao nuôi trồng thuỷ sản ti n hành lấy mẫu phương pháp lấy mẫu hỗn hợp 03-05 vị tr ao, hồ phụ thuộc diện t ch hư ng gió Mẫu nư c 77 thu thập phương pháp lấy mẫu nư c mặt ven bờ Phân t ch mẫu nư c dựa thông số DO, pH, NH4+, NO3-, PO43-, N P t ng số, OD theo phương pháp phân t ch hành Bảng 2.5 Phƣơng pháp phân tích, đánh giá thơng số Thơng số Phƣơng pháp phân tích Tiêu chuẩn, Nhiệt độ Đo đạc trực ti p nhiệt k APHA 2550 B pH Đo đạc trực ti p pH meter TCVN 6492:2010, EPA 9040 COD Phương pháp chuẩn độ HACH bi n đ i DO Đo đạc trực ti p máy đo oxy TCVN 7325:2004 N-NH4+ Phương pháp so màu indophenol TCVN 5988:1995 N-NO3- Phương pháp so màu salisilic TCVN 6180:1996 P-PO43- Phương pháp so màu molipdat amon TCVN 6202:2008 Pt Phương pháp so màu molipdat amon TCVN 6202:1996 Nt Phương pháp cất Kjeldahl APHA 4500N 2.4.5 Phương pháp thống kê xử lý số liệu Sử dụng phương pháp thống kê để xử lý số liệu th nghiệm số liệu thực nghiệm phần mềm Microsoft Offical Các số liệu biểu diễn dạng biểu đồ bảng Tất th nghiệm lặp lại lần 78 Chƣơng Dự kiến kết nghiên cứu - Ảnh hưởng nồng độ nano bạc đ n hiệu xử lý tảo độc kiểm soát phú dưỡng - Ảnh hưởng k ch thư c hạt nano bạc đ n hiệu xử lý tảo độc kiểm soát phú dưỡng - Ảnh hưởng vật liệu nano bạc đối v i mẫu nư c nuôi trồng thuỷ sản thực t 79 PHẦN 3: KẾ HOẠCH THỰC HIỆN STT Nội dung công việc Vi t đề cương chỉnh sửa Đánh giá ảnh hưởng nồng độ nano bạc đ n hiệu xử lý tảo độc kiểm soát phú dưỡng Thời gian thực 3/2021-4/2021 Đánh giá ảnh hưởng k ch thư c hạt nano bạc đ n hiệu xử lý tảo độc kiểm soát phú 4/2021-5/2021 dưỡng Đánh giá ảnh hưởng vật liệu nano bạc đối v i mẫu nư c nuôi trồng thuỷ sản thực t 5/2021-7/2021 Đánh giá k t 6/2021-7/2021 Vi t báo cáo k t 6/2021-7/2021 Hoàn thiện khoá luận 6/2021-7/2021 Nộp bảo vệ khoá luận 6/2021-7/2021 80