Bài tập lớn tên đề tài vi sinh vật môi trường nhiễm kim loại nặng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN TÊN ĐỀ TÀI: VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG NHIỄM KIM LOẠI NẶNG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS Đặng Vũ Bích Hạnh Th.S Trịnh Thị Bích Huyền LỚP: L02, NHÓM: 03 Tp.HCM, 4/2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MƠI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN TÊN ĐỀ TÀI: VI SINH VẬT MÔI TRƯỜNG NHIỄM KIM LOẠI NẶNG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS Đặng Vũ Bích Hạnh Th.S Trịnh Thị Bích Huyền LỚP: L02, NHĨM: 03 Tp.HCM, 4/2022 Danh sách sinh viên: LÊ TRUNG KIÊN 2113816 KHA HẢI LÝ 2114007 NGUYỄN HOÀNG TRÀ MY 2111783 NGUYỄN TRỌNG NGHĨA 2114181 ĐẶNG NGỌC PHÚ 2114410 LỚP: L02 NHÓM: 03 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU I GIỚI THIỆU CHUNG: Định nghĩa Nguồn gốc phát sinh: Ảnh hưởng tiêu cực đến người: .5 Tác hại số kịm loại nặng: II Nguyên lí xử lí kim loại nặng thực vật vi sinh vật: Xử lý ô nhiễm thực vật (Phytoremediation): .6 1.1 Nguyên lý: .6 1.2 Các trình xử lý 1.3 Các phương pháp xử lý: Xử lý kim loại nặng vi sinh vật: 11 III Các vi sinh vật tham gia: 12 Xử lý thực vật (PHYTOREMEDIATIO) 12 2, Xử lý vi sinh vật: .13 IV Ưu nhược điểm xử lý kim loại nặng thực vật vi sinh vật: 14 Xử lý thực vật: 14 Xử lí vi sinh vật: 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 16 LỜI NÓI ĐẦU  Chúng ta sống thời kì mà nhu cầu người coi trọng hàng đầu Để đáp ứng nhu cầu sống sinh hoạt người, ngành công nghiệp tập trung phát triển vượt bậc, công nghệ khoa học, đặc biệt hoá học đưa vào sử dụng cách tràn lan ngành sản xuất Theo đó, tượng nhiễm mơi trường tác động ngược môi trường đến sống người ngày rõ rệt Đơn cử ngành sản xuất sử dụng hợp chất kim loại nặng Các ion kim loại vốn nguyên tố vi lượng cần thiết cho thể sinh vật Nhưng với nồng độ cao mức cần thiết, chúng trở thành độc chất hàng đầu Kim loại nặng nguyên tố siêu bền, khơng thể chuyển hố dù chúng trạng thái Cho dù trạng thái ion, oxid, baz hay muối, kim loại kim loại Theo độc chất học, điều có nghĩa nhiễm vào thể sinh vật, kim loại nặng có khả gây độc cực cao Ở thực vật động vật, kim loại nặng hàm lượng cao gây chết Ở người, kim loại nặng với hàm lượng vượt ngưỡng cho phép gây bệnh ung thư, chứng ngộ độc thực phẩm, bệnh xương khớp, gan, thận Chính vậy, thiết phải có biện pháp xử lí kim loại nặng mơi trường I GIỚI THIỆU CHUNG: Định nghĩa - Kim loại nặng (KLN)  là kim loại có khối lượng riêng lớn 5g/cm3, có số nguyên tử cao thường thể tính kim loại nhiệt độ phòng KLN chia làm loại: kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn…), kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…), kim loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am,…) - Ở dạng ngun tố kim loại nặng khơng có hại, tồn dạng ion kim loại nặng lại độc hại cho sức khỏe - Kim loại nặng chia thành nhóm, dựa theo tính chất nhiệt độ thường sau: + Nhóm kim loại độc: Hg, Zn, Cr, Pb, Ni, Cu, As, Cd, Sn, Co, + Nhóm kim loại quý: Ru, Au, Ag, Pd, Pt,… + Nhóm kim loại phóng xạ: Am, Th, Ra, U,… Nguồn gốc phát sinh: - Nguồn tự nhiên: Kim loại nặng phát nơi đất đá xâm nhập vào thủy vực qua trình tự nhiên, phong hóa xói mịn - Nguồn nhân tạo: + Nguồn nơng nghiệp : việc sử dụng loại phân khống, loại hóa chất bảo vệ thực vật nơng nghiệp đưa vào môi trường đất nhiều nguyên tố kim loại nặng : As, Hg, Cu, Pb + Nguồn cơng nghiệp: q trình cơng nghiệp, đặc biệt q trình liên quan tới khai khống chế biến quặng kim loại, lò nấu kim loại, ngành cơng nghiệp chế biến có sử dụng hợp chất chứa kim loại sơn, thuốc nhuộm, thuộc da, dệt, giấy + Từ hoạt động người: nước thải sinh hoạt chứa hợp chất tẩy rửa, bùn cống rãnh, khói thải phương tiện giao thơng, chất rác thải chứa kim loại nặng, đạn chì thợ săn… (Nguồn: Gs.TS Lê Huy Bá, 2006, 'Độc chất mơi trường' trang 181-189) Ngồi ra, có số hợp chất kim loại nặng bị thụ động đọng lại đất, song có số hợp chất hồ tan tác động nhiều yếu tố khác nhau, độ chua đất, nước mưa Điều tạo điều kiện để kim loại nặng phát tán rộng vào nguồn nước ngầm, nước mặt gây ô nhiễm đất Mưa axit có chứa kim loại nặng chất rắn lơ lửng hấp phụ kim loại nặng xâm nhập vào thủy vực gây nhiễm kim loại nặng cho sông hồ Ảnh hưởng tiêu cực đến người: - Cơ thể tích lũy hàm lượng lớn kim loại nặng dẫn đến nhiều biến chứng nặng nề, gây tổn thương não, co rút bó cơ, kim loại nặng tiếp xúc với màng tế bào ảnh hưởng đến trình phần chia DNA, dẫn đến thai chết, dị dạng, quái thai hệ sau - Một số kim loại nặng bệnh ung thư như: ung thư da, ung thư vòm họng, ung thư dày Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) và Cơ quan Quốc tế Nghiên cứu Ung thư (IARC) coi kim loại nặng tác nhân gây ung thư lớn người - Nhiễm kim loại gây cản trở trình trao đổi chất thể, việc hấp thụ chất dinh dưỡng trình tiết trở nên khó khăn Kìm hãm sinh trưởng phát triển Làm rối loạn tiêu hóa, rối loạn tim mạch, rối loạn chức hệ thống thần kinh Tác hại số kịm loại nặng: - Chì (Pb): Là ngun tố có độc tính cao sức khỏe người Chì gây độc cho hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh ngoại biên, tác động lên hệ enzim có nhóm hoạt động chứa hydro Chì tích tụ xương, kìm hãm q trình chuyển hóa canxi cách kìm hãm chuyển hóa vitamin D  Tiêu chuẩn tối đa cho phép theo WHO nồng độ chì nước uống 0,005mg/ml - Thủy ngân (Hg): Tính độc thủy ngân phụ thuộc vào dạng hóa học Thủy ngân có khả làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân axit bazo mô, làm thiếu hụt lượng cung cấp cho tế bào thần kinh Trong nước, metyl thủy ngân dạng độc nhất, làm phân liệt nhiễm sắc thể ngăn cản trình phân chia tế bào  Nồng độ tối đa cho phép WHO nước uống 1mg/l, nước nuôi thủy sản 0,5mg/l - Asen (As): Nồng độ thấp kích thích sinh trưởng, nồng độ cao gây độc cho động thực vật Asen gây 10 bệnh khác Các ảnh hưởng sức khỏe người làm keo tụ protein phá hủy q trình photpho hóa, gây ung thư tiểu mơ da, phổi, phế quản, xoang,  Tiêu chuẩn cho phép theo WHO nồng độ asen nước uống 50mg/l - Cadimi (Cd): Cadimi xâm nhập vào thể tích tụ thận xương, gây nhiễu hoạt động môt số enzim, gây tăng huyết áp, ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, làm rối loạn chức thận, phá hủy tủy xương, gây ảnh hưởng tới nội tiết, máu, tim mạch  Tiêu chuẩn theo WHO cho nước uống 0,003mg/l II Nguyên lí xử lí kim loại nặng thực vật vi sinh vật: Xử lý ô nhiễm thực vật (Phytoremediation): 1.1 Ngun lý: Thực vật kích thích phân hủy chất hữu vùng rễ thơng qua việc giải phóng chất tiết rỉ rễ, enzyme tạo thành cacbon hữu đất Cơ chế việc xử lý ô nhiễm thực vật Đối với chất ô nhiễm kim loại, thực vật sử dụng khả tinh lọc, nghĩa hấp thụ, biến đổi kim loại vào sinh khối khí sinh thực vật bãi thải (Salt,1995) Thực vật có nhiều cách phản ứng khác có mặt ion kim loại mơi trường Hầu hết, loài thực vật nhạy cảm với có mặt ion kim loại, chí nồng độ thấp Tuy nhiên, có số lồi thực vật khơng có khả sống môi trường bị ô nhiễm kim loại độc hại mà cịn có khả hấp thụ tích kim loại phận khác chúng 1.2 Các trình xử lý ⁎ Quá trình hấp thụ Rễ hấp thụ Khi chất ô nhiễm dung dịch đất nước ngầm tiếp xúc với rễ, chúng rễ hấp thụ liên kết với cấu trúc rễ thành tế bào Hemiselluoza thành tế bào lớp lipid kép màng thực vật tạo thành chất hữu kỵ nước mạnh (Hemixenluloza: là polisacarit cấu tạo yừ gốc pentozan (C5H8O4)n hecxozan (C6H10O)n Hemixenluloza khơng hịa tan nước hịatan kiềm) ⁎ Q trình phân hủy chuyển hóa Bên thực vật, tùy thực vật mà trình xảy phậnkhác nhau.Là trình thực vật phân hủy chất nhiễm thơng qua q trình trao đổi chất chuyển hóa bên thực vật, phân hủy chất ô nhiễm nhỡ enzyme rễ thực vật tiết chúng từ bên xâm nhập vào bên thực vật Xung quanh vùng rễ trồng cạn hay trồng nước ln tồn vùng oxy hố Đó do: Sự giải phóng ơxy rễ gây ơxy hố Fe 2+, đồng thời làm tăng độ axit theo phản ứng: Fe2+ + O2 + 10H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+ Giải phóng ion H+ và CO2 từ rễ qua q trình hơ hấp dẫn đến làm thay đổi pH đất Những chất tiết thải rễ có chứa enzyme, vitamin, đường nhiều loại axit hữu phân tử bé hấp dẫn cho nhiều lồi vi sinh vật Do đó, vùng quyễn rễ nơi có mật độ vi sinh vật cao, hoạt tính sinh học lớn vùng khác ngun nhân xảy nhiều q trình chuyển hố chất nguyên lý cho việc sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm đất, nước ⁎ Q trình tích tụ Xảy rễ, quan khí sinh Khi chất nhiễm rễ hấp thụ, số di chuyển vào tế bào xong bi tiết ngoài, số đọng lại bên thực vật 1.3 Các phương pháp xử lý: Trong thực tế, công nghệ xử lý nhiễm thực vật địi hỏi phải đáp ứng số điều kiện dễ trồng, có khả vận chuyển chất nhiễm từ đất lên thân nhanh, chống chịu với nồng độ chất ô nhiễm cao cho sinh khối nhanh Tuy nhiên, hầu hết loài thực vật có khả tích luỹ KLN cao lồi phát triển chậm có sinh khối thấp, thực vật cho sinh khối nhanh thường nhạy cảm với mơi trường có nồng độ kim loại cao Xử lý KLN đất thực vật thực nhiều phương pháp khác phụ thuộc vào chế loại bỏ KLN như: - Phương pháp làm giảm nồng độ kim loại đất cách trồng lồi thực vật có khả tích luỹ kim loại cao thân Các lồi thực vật phải kết hợp yếu tố tích luỹ kim loại thân cho sinh khối cao Có nhiều lồi đáp ứng điều kiện thứ (bảng 1), không đáp ứng điều kiện thứ hai Vì vậy, lồi có khả tích luỹ thấp cho sinh khối cao cần thiết (bảng 2) Khi thu hoạch lồi thực vật chất nhiễm loại bỏ khỏi đất kim loại quý Ni, Tl, Au, chiết tách khỏi - Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại đất bùn hấp thụ rễ kết tủa vùng rễ Quá trình làm giảm khả linh động kim loại, ngăn chặn ô nhiễm nước ngầm làm giảm hàm lượng kim loại khuếch tán vào chuỗi thức ăn Bảng Một số lồi thực vật có khả tích luỹ kim loại nặng cao Nồng độ kim loại tích luỹ thân (g/g trọng lượng khô) Tác giả năm công bố 13.600 Zn Ernst, 1968 Thlaspi caerulescens 10.300 Zn Ernst, 1982 Thlaspi caerulescens 12.000 Cd Mádico et al, 1992 8.200 Pb Reeves & Brooks, 1983 11.000 Pb Ernst, 1974 12.000 Ni Reeves & Brooks, 1983 13.400 Ni Brooks & Radford, 1978 9.000 Ni Brooks & Radford, 1978 Berkheya codii 11.600 Ni Brooks, 1998 Psychotria douarrei 47.500 Ni Baker et al., 1985 Miconia lutescens 6.800 Al Bech et al., 1997 Melastoma malabathricum 10.000 Al Watanabe et al., 1998 Tên loài Arabidopsis halleri (Cardaminopsis halleri) Thlaspi rotundifolium Minuartia verna Thlaspi geosingense Alyssum bertholonii Alyssum pintodasilvae Bảng Một số loài thực vật cho sinh khối nhanh sử dụng để xử lý kim loại nặng đất Tên loài Khả xử lý Tác giả năm công bố Salix KLN đất, nước Greger Landberg, 1999 Populus Ni đất, nước nước ngầm Punshon Adriano, 2003 Brassica napus, B Juncea, B nigra Chất phóng xạ, KLN, Se đất Brown, 1996 Banuelos et al, 1997 Cannabis sativa Chất phóng xạ, Cd đất Ostwald, 2000 Helianthus Pb, Cd đất EPA, 2000 Elkatib et al., 2001 Typha sp Mn, Cu, Se nước thải mỏ khoáng sản Horne, 2000 Phragmites australis KLN chất thải mỏ khoáng sản Massacci et al., 2001 Glyceria fluitans KLN chất thải mỏ khoáng sản MacCabe Otte, 2000 Lemna minor KLN nước Zayed et al., 1998 10 Xử lý kim loại nặng vi sinh vật: Qua trình nghiêm cứu người ta có nhiều sinh vật có khả tích luỹ KLN q trình sinh trưởng phát triển Do đó, phương pháp ứng dụng thực tiễn nhằm khử độc, làm KLN dựa nguyên tắc số loại vi sinh vật nước sử dụng KLN chất vi lượng phát triển sinh khối.Theo Widerrman Updegraff, số sinh vật có khả chuyển hóa KLN chế sau: - Tạo kết tủa dạng hydroxit - Tạo kết tủa dạng sunfit - Tạo phản ứng phức hữu Cơ chế hoạt động vi sinh vật khử KLN diễn sau: + Hấp thụ KLN: khả thuộc sinh khối nấm mốc Rhizopusarrhizus, chúng hấp phụ Cr là 31mg/g, Ni 18mg/g, Pb 373mg/g Chitin chất hấp phụ sinh học đạt 40 mg Ni/ g 99mg Cr/g Trong vi khuẩn  Bacillus có khả hấp thụ tới 178gCr/g Các sinh vật hấp thụ theo chế tích lũy KLN chủ yếu bề mặt tế bào, sử dụng chúng chất vi lượng trình phát triển sinh khối + Oxy hóa KLN :Thio bacillus có khả oxy hóa KLN từ dạng hòa tan sang dạng kết tủa, làm giảm tính độc chúng nước Thiobacillus đóng vai trị quan trọng q trình oxy hóa quặng pyrite, số ngun tố Al, Cu, Zn, Pb, Cd, Mn… chuyển chúng sang dạng oxyhidroxit, hydroxit, sunfit kim loại + Vi khuẩn khử sunfat : nhóm vi khuẩn kị khí dị dưỡng phân bố rộng rãi tự nhiên Nguồn lượng cung cấp cho trình sinh trưởng phát triển tạo từ q trình oxy hóa hợp chất hidrocacbon, chúng khử SO4 điều kiện kị khí thành H2S Vi khuẩn khử sunfat tác động trực tiếp đến nồng độ kim loại hòa tan việc tạo kết tủa dạng sunfit kim loại III Các vi sinh vật tham gia: Xử lý thực vật (PHYTOREMEDIATIO) - Cỏ Vetiver:  Cỏ Vetiver biết có mức độ chịu đựng cao số điều kiện đất khí hậu khắc nghiệt, thử nghiệm khả chịu 11 đựng số kim loại nặng phổ biến khai thác mỏ chất thải công nghiệp Queensland  Hơn 70 nước giới trồng cỏ vetiver với mục đích chống sạt lở, xói mịn… bờ sông, vùng đồi dốc Đồng thời làm môi trường nước  Cỏ Vetiver phù hợp với đất nước có hàm lượng Al, Mn cao kim loại nặng As, Cd, Cr, Ni, Pb, Hg, Se Zn  Vetiver thích nghi với nhiều loại đất có độ pH dao động từ 3,3 đến 12,5 mà không cần đến biện pháp cải tạo đất  Vetiver sử dụng chếtách chiết thực vật (Phytoextraction) cố định thực vật (Phytostabilization) - Cây sậy (Phragmites maxinus):  Sử dụng chế cố định thực vật (Phytostabilization)  Cây sậy sửu dụng để làm giảm lượng nước ngầm chảy kéo theo chất ô nhiễm - Cải xanh (Brassica juncea):  Cải xanh hấp thụ kim loại từ đất Trong thân loại hấp thụ lượng lớn kẽm, nickel Khi hấp thụ kim loại nặng chúng không chết mà ngược lại lớn nhanh  Sử dụng chế tách chiết thực vật (Phytoextraction) - Cỏ ling lăng (Medicago sativa):  Khi chất hóa học thực vật hấp thụ số chúng không biến đổi nhiều mà di chuyển qua gỗ mô thực vật chất bay chúng tồn dạng khí qua mơ Nhưng số trường hợp định, có số thứ xảy gây nguy hiểm Ví dụ Thủy ngân ngun bay bay hồn tồn qua mơ lá, Hg khí bền vững bị tích lũy sinh học  Sử dụng chế bay nhờ thực vật (Phytovolatilization) - Cây dương xỉ:  Cây dương xỉ mọc nhiều tự nhiên có có khả hấp thụ kim loại nặng: đồng, thạch tín Trên lồi dương xỉ có tới 0,8% hàm lượng thạch tín, cao hàng trăm lần so với bình thường.Thạch tín dương xỉ lưu lớp lông tơ thân Cây phát triển “nhu cầu” thạch tín lớn  Sử dụng chế cố định thực vật (Phytostabilization) - Cây thơm ổi (Cosmos bipinnuatus): hấp thu lượng chì cao gấp 500 - 1.000 lần so với lồi bình thường mà khơng bị ảnh hưởng - Cây đơn buốt (Biden pilosa L): đơn buốt có khả sinh trưởng phát 12 triển bình thường điều kiện hàm lượng As đất đến 1.500 mg/kg đất hàm lượng Pb đất đến 3.000 mg/kg đất - Ngoài kể trên, số lồi thực vật thơng thường khác có khả hấp thụ kim loại nặng bèo tây, rau muống,… Đến nay, nhà khoa học thống kể khoảng 400 lồi thuộc 45 họ thực vật có khả hấp thụ kim loại nặng ( nồng độ tích lũy thân cao gấp hàng trăm lần so với binh thường) mà không bị tác động đến đời sống Khi tích lũy hàm lượng kim loại nặng cao, khơng có lồi sâu bọ dám ăn chúng 2, Xử lý vi sinh vật: - Chlorella vulgaris Có thể xử lý Ni, Cu: Nồng độ 5ppm kết xử lý đạt 90% Cu gần 70% Ni vòng 60 phút để tăng hiệu xử lý từ 5pp đến 50ppm hiệu xử lý khoảng 10 – 20% vòng 120 phút Chlorella vulgaris - Scendesmus abudans Khả hấp thụ cadimi 62mg/l khoảng 36 (theo nghiên cứu Patricia A.Terry) Scendesmus abudans - Vi khuẩn Desulfovibrio oxamicus: 13 Sử dụng chế chịu pH thấp (tới pH = 2) Có khả khử đồng thời S O42 − As Desulfovibrio oxamicus - Vi khuẩn Bacillus subtilis: + Có khả hấp thụ ion kim loại nặng Cu2+ hay Ni2+ + Các nhà nghiên cứu thấy chúng làm mềm nước cứng giảm nồng độ kim loại nặng + Sử dụng có chế hấp phụ ion kim loại thông qua khả gắn kiềm nối chelate Bacillus subtilis IV Ưu nhược điểm xử lý kim loại nặng thực vật vi sinh vật: Xử lý thực vật: 14 Xử lí vi sinh vật: * Nhược điểm: - Thiết bị làm sinh học hoạt động sau thời gian định vi khuẩn cần có thời gian thích ứng phải phát triển với số lượng đủ lớn - Khi chế độ công nghệ làm bị phá vỡ đột ngột (sự tăng đột ngột lượng nước thải nồng độ chất thải cao) trình làm bị ngừng Để khôi phục lại chế độ công tác ổn định thiết bị làm sinh học, cần có thời gian xem xét nguyên nhân để bắt đầu lại từ đầu * Ưu điểm: - Đảm bảo mặt sinh thái - Không gây ô nhiễm mơi trường - Rẻ an tồn - So với phương pháp hoá lý giảm tới 80 % nhu cầu hoá chất, gi ảm tới lần chi phí điện năng, vận hành đơn giản, TÀI LIỆU THAM KHẢO: https://tincay.com/tac-hai-cua-kim-loai-nang-va-cach-xu-ly/ 15 https://vi.m.wikipedia.org/wiki/X%E1%BB%AD_l%C3%BD_m%C3%B4i_tr %C6%B0%E1%BB%9Dng_b%E1%BA%B1ng_th%E1%BB%B1c_v%E1%BA%ADt? fbclid=IwAR0Yq0waT9ehOJ2ygtdFeo0l1zMRJiT7j5BucXKGR2LCbiNMeRmliG5tD2E https://www.academia.edu/35482459/X%E1%BB%AD_ly_o_nhi %E1%BB%85m_kim_lo%E1%BA%A1i_n%E1%BA%B7ng_trong_d %E1%BA%A5t_nh%E1%BB%9D_th%E1%BB%B1c_v%E1%BA %ADt http://www.zun.vn/tai-lieu/co-che-lam-sach-moi-truong-nuoc-bangthuc-vat-43736/ http://luanvan.co/luan-van/ung-dung-cong-nghe-sinh-hoc-trong-xu-likim-loai-nang-bang-vi-sinh-vat-va-thuc-vat-61913/ https://123docz.net/document/3939564-bao-cao-chuyen-de-cong-nghesinh-hoc-moi-truong-ung-dung-cong-nghe-sinh-hoc-trong-xu-li-kimloai-nang-bang-vi-sinh-vat.htm https://123docz.net/document/1396719-nguon-goc-va-anh-huong-cuadoc-chat-kim8 http://hus.vnu.edu.vn/sites/default/files/AnnFiles/Du%20thao%20tom %20tat%2 16