Ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lí kim loại nặng (bằng vi sinh vật và thực vật)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ---------- BÁO CÁO ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÍ KIM LOẠI NẶNG (BẰNG VI SINH VẬT VÀ THỰC VẬT) MÔN: Công nghệ sinh học môi trường GVHD: Nguyễn Phương Anh THÀNH VIÊN NHÓM: NHÓM 06 – THỨ 2– TIẾT 10 11 12 STT HỌ VÀ TÊN LỚP MSSV SỐ ĐIỆN THOẠI NGUYỄN THỊ THANH HÀ (TRƯỞNG) DH13QM 13149100 01662341895 NGUYỄN THỊ HẰNG DH13QM 13149114 NGÔ THỊ DUNG DH13QM 13149051 PHẠM MINH TRƯỜNG DH13MT 13127312 TRỊNH NGUYỄN THI THI DH13QM 13149376 NGUYỄN DUY NAM DH13QM 13149242 TRẦN QUỐC ĐỊNH DH13QM 13149086 NGUYỄN THỊ KIỀU OANH DH13QM 13149293 I. Mở 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 ô nhiễm môi trường tác động ngược môi trường đến sống người ngày rõ rệt hơn. 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, chuyển hoá dù chúng trạng thái nào. 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. Một ví dụ điển hình vụ việc người dân bị nhiễm độc chì hàng loạt làng tái chế ắc quy Hưng Yên. Ngôi làng sinh sống nghề tái chế chì từ pin ắc quy hỏng từ cuối thập niên 1970 đến nay. Tạm không nói đến loại chất thải độc hại khác, bụi chì bay lơ lửng đủ để gây nên ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ người vùng này. Khi trời mưa, phần bụi chì ngấm vào lòng đất, làm đất nhiễm chì. Những người làm nghề lại trang phục bảo hộ lao động, mặc nguyên quần áo dính bụi chì nhà. Người dân nơi bị phơi nhiễm chì từ nguồn khác nhiều năm trời. Theo báo Người lao động, 97% tổng số 500 trẻ em làng nghề Đông Mai tỉnh Hưng Yên bị phơi nhiễm chì - hàm lượng máu vượt ngưỡng cho phép 3-7 lần. Bốn năm nay, nhiều người chết ung thư. Có thời điểm, 50% người dân thôn bị bệnh đường ruột, đau dày; 30% mắc bệnh đường hô hấp, đau mắt; 100% người trực tiếp nấu chì bị nhiễm độc. Cách 10 năm, thôn có 40 người bị teo cơ, bại não, bại liệt, mù bẩm sinh ảnh hưởng bụi khói chì. Ngoài chì, kim loại nặng khác từ ngành sản xuất khác thải môi trường gây nhiều hậu nghiêm trọng. Không vậy, nồng độ kim loại nặng môi trường khó phát hiện. Chúng ta nhận biết nồng độ kim loại nặng cao triệu chứng nhiễm độc biểu thể sinh vật. Chính vậy, thiết phải có biện pháp xử lí kim loại nặng môi trường. Trong loại công nghệ xử lí, công nghệ sinh học biện pháp áp dụng nhiều nhất, tính sạch, triệt để, khả thi tiết kiệm chi phí nó. Kim loại nặng khó chuyển hoá, số loài thực vật vi sinh vật có khả hấp thụ hoà tan kim loại nặng để tích luỹ thân giảm độc tính chúng. Trong nghiên cứu này, nghiên cứu chủ yếu phương pháp ứng dụng công nghệ sinh học xử lí kim loại nặng, xử lí vi sinh vật thực vật. II. Những vấn đề nghiên cứu được: 1. Tìm hiểu chung kim loại nặng: a) Định nghĩa: - Kim loại nặng kim loại có khối lượng riêng lớn 5g/cm 3. Ví dụ: Hg, Cd, Pb, As, Sb, Cr, Cu, Zn, Mn, . - Một số kim loại nặng cần thiết cho sinh vật. Chúng xem nguyên tố vi lượng. Một số không cần thiết cho sống. Khi vào thể sinh vật không gây hại gì. Kim loại nặng gây độc hại với môi trường thể sinh vật hàm lượng chúng vượt tiêu chuẩn cho phép. b) 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 mòn. - Nguồn nhân tạo: + Nguồn nông nghiệp : việc sử dụng loại phân khoáng, loại hóa chất bảo vệ thực vật nông nghiệp đưa vào môi trường đất nhiều nguyên tố kim loại + nặng : As, Hg, Cu, Pb… Nguồn công nghiệp: trình công nghiệp, đặc biệt trình liên quan tới khai khoáng chế biến quặng kim loại, lò nấu kim loại, ngành công 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 thông, chất rác thải chứa kim loại nặng, đạn chì thợ săn . (Nguồn: Gs.TS Lê Huy Bá, 2006, 'Độc chất môi trường' trang 181-189) Ngoài ra, có số hợp chất kim loại nặng bị thụ động đọng lại đất, song có số hợp chất hoà 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 ô nhiễm kim loại nặng cho sông hồ. c) Trạng thái nhiễm độc: + Cấp tính: nguy hiểm tức thời thời gian ngắn, chịu tác động tác nhân gây độc nồng độ cao. + Mãn tính: thường tiếp xúc với tác nhân độc chất tích tụ lại thể ngưỡng gây độc chưa gây chết hay ảnh hưởng mà lâu dài gây bệnh tật nguy hiểm. Biểu tiêu biểu bệnh ung thư. KLN + hóa chất từ nhà máy Tích tụ Thải thể sinh vật Chuỗi thức ăn môi trường Cơ thể người Quá trình xâm nhập kim loại nặng vào thể người. d) Một số kim loại nặng gây độc đến môi trường sức khỏe người điển hình: - Cadimi (Cd): Là kim loại sử dụng công nghiệp luyện kim, chế tạo đồ + nhựa; hợp chất cadimi sử dụng để sản xuất pin. Nguồn tự nhiên gây ô nhiễm cađimi bụi núi lửa, bụi vũ trụ, cháy rừng… Nguồn nhân tạo từ công nghiệp luyện kim, chế tạo pin - ắc quy…, Cd sử dụng nhiều công nghiệp mạ sơn làm chất ổn định công nghiệp chất dẻo; + nông nghiệp: phân bón, thuốc diệt nấm . Tác hại: kim loại coi nguy hiểm người, Cadimi xâm nhập vào thể người qua đường hô hấp, thực phẩm, nước uống. Theo nhiều nghiên cứu (Nguồn: Google Hình ảnh) người hút thuốc có nguy bị nhiễm cadimi. Cađimi phong tỏa số vi chất thể: canxi, kẽm, sắt .; xâm nhập vào thể tích tụ thận xương; gây nhiễu hoạt động số enzim. Biểu ngộ độc mãn tính: gây vàng chân răng, rối loạn chức gan – thận, loãng xương, thiếu máu, tăng huyết áp, thủng vách ngăn mũi, phá huỷ tuỷ xương, gây ảnh hưởng đến nội tiết, máu, tim mạch; ung thư phổi, ung thư tiền liệt tuyến . Biểu cấp tính: vòng 4-24h (tùy theo liều lượng, đường dẫn) gây đau thắt ngực, khó thở . Cá loại thủy sinh vật nhạy cảm với Cd. Ngưỡng gây tác hại Cd 200 µg/l. Tiêu chuẩn theo WHO cho Cd nước uống: £ 0,003 mg/l. + Ví dụ giới: ngộ độc Cd Pháp, bệnh Itai Itai Nhật . - Thuỷ ngân (Hg): Là KL chuyển tiếp nặng có dạng lỏng nhiệt độ thường. Tính + + độc phụ thuộc vào dạng hoá học nó. Ứng dụng: công nghiệp; y học sản xuất bảo quản văc xin; + phòng thí nghiệm; nông nghiệp: xử lí hạt giống nấm, chống sâu bệnh . Nguồn thải: Thuỷ ngân đưa vào môi trường từ chất thải, bụi khói nhà máy luyện kim, sản xuất đèn huỳnh quang, nhiệt kế, thuốc bảo vệ thực vật, bột giấy… + Tác hại: (Nguồn: Google Hình ảnh) Thủy ngân nguyên tố lỏng độc, hơi, hợp chất muối độc nguyên tố gây tổn thương não gan người tiếp xúc, hít thở hay ăn phải. Thủy ngân vô hữu chất độc mạnh sinh vật. Thủy ngân kìm hãm khả tự làm nước nồng độ 18 µg/l. Tảo số vi sinh vật nước biển có khả tích lũy Hg với hệ số 500 – 100000 lần. Đối tượng Hg gây hại thận hệ thần kinh trung ương, gây chết người số trường hợp đặc biệt. Dạng độc hợp chất thủy ngân metyl thủy ngân (CH3Hg+) độc đến mức vài micro lít rơi vào da gây tử vong. Liều gây chết 50% ( LC50 ) cá thí nghiệm nuôi 96 Hg 33 – 400 µg/l. Nếu nuốt phải thuỷ ngân kim loại sau thải mà không gây hậu nghiêm trọng. Nhưng thuỷ ngân dễ bay nhiệt độ thường nên hít phải độc. Thuỷ ngân có khả phản ứng với axit amin chứa lưu huỳnh, hemoglobin, abumin; có khả liên kết màng tế bào, làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân axit bazơ mô, làm thiếu hụt lượng cung cấp cho tế bào thần kinh. Trẻ em bị ngộ độc thuỷ ngân bị phân liệt, co giật không chủ động. Trong nước, metyl thủy ngân dạng độc nhất, làm phân liệt nhiễm sắc thể ngăn cản trình phân chia tế bào. Nồng độ Hg tối đa cho phép WHO nước uống 1mg/l; nước nuôi thuỷ sản 0,5mg/l. - Asen (As): Là kim loại tồn dạng tổng hợp chất vô hữu cơ. Trong tự nhiên tồn khoáng chất. Nồng độ thấp kích thích sinh trưởng, nồng độ cao gây độc cho động thực vật. - As có nguồn gốc từ đất quặng tự nhiên có loài nhuyễn thể than mềm, vỏ cứng ( trai, sò, ốc, hến ), cá thủy thực vật có khả tích tụ As thể. Nguồn tự nhiên gây ô nhiễm asen núi lửa, bụi đại dương. Nguồn nhân tạo gây ô nhiễm asen trình nung chảy đồng, chì, kẽm, luyện thép, đốt rừng, sử dụng + thuốc trừ sâu, sản xuất thuốc hóa học . Tác hại: Asen chất cực độc, có khả tích lũy gây ung thư. Với nồng độ lớn 0,76 mg/l, As có tác động kìm hãm khả tự làm (Nguồn: Google Hình ảnh) nước, từ – 10 mg/l Natri asenit đủ giết chết loài thực vật bậc cao. Asen gây 19 bệnh khác nhau. Các ảnh hưởng sức khoẻ người: làm keo tụ protein tạo phức với asen III phá huỷ trình photpho hoá; gây ung thư tiểu mô da, phổi, phế quản, xoang, … Tiêu chuẩn cho phép theo WHO nồng độ asen nước uống 50mg/l. - Chì (Pb): Là kim loại mềm, độc hại, có tính tạo hình, màu trắng. Chì tồn hai + dạng ion có hóa trị +2 +4. Các hợp chất hữu chứa chì độc gấp 100 lần so với hợp chất vô chứa chì. Hàm lượng chì phụ thuộc vào pH, độ cứng, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc. Dạng tồn chì nước hóa trị II, với nồng độ 0,1 mg/l kìm hãm trình oxi hóa vi sinh hợp chất hữu đầu độc sinh vật bậc thấp nước, nồng độ đạt tới 0,5 mg/l kìm hãm trình oxi + hóa ammoniac thành nitrat. (Nguồn: Nguồn phát thải: xây dựng công nghiệp. Chìbutnghien.com) có nước thải xí nghiệp sản xuất – tái chế pin, acquy, luyện kim, hóa dầu, sản xuất vật liệu xây + dựng, vật liệu điện… Con đường phơi nhiễm: Chì vào thể người qua nước uống, không khí thức ăn bị nhiễm chì. Chì tích tụ xương, kìm hãm trình chuyển hoá canxi cách kìm hãm chuyển hoá vitamin D. Tiêu chuẩn tối đa cho phép theo WHO nồng độ chì nước uống: £ 0,05 + mg/ml. Tác hại: ức chế enzim,tổng hợp máu,đầu đến phá vỡ hồng cầu,tương tác photphat xương thể tính độc truyền vào mô mềm thể. Là nguyên tố có độc tính cao sức khoẻ 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 hyđro. Người bị nhiễm độc chì bị rối loạn phận tạo huyết (tuỷ xương). Tuỳ theo mức độ nhiễm độc bị đau bụng, đau khớp, viêm thận, cao huyết áp, tai biến não, nhiễm độc nặng gây tử vong. Đặc tính bật sau xâm nhập vào thể, chì bị đào thải mà tích tụ theo thời gian gây độc. + Liều gây chết 50% (LC50) cá thí nghiệm nuôi 96 chì 1-27 mg/l. - Crom (Cr): Crom có độc tính cao người động vật. + Tồn nước với dạng Cr (III), Cr (VI). Cr (III) không độc Cr (VI) độc động thực vật. Với người Cr (VI) gây loét dày, ruột non, viêm gan, + viêm thận, ung thư phổi. Crom xâm nhập vào nguồn nước từ nguồn nước thải nhà máy mạ điện, + nhuộm, thuộc da, chất nổ, mực in, in tráng ảnh… Tiêu chuẩn WHO quy định hàm lượng crom nước uống £ 0,005 mg/l. (Nguồn: en.wikipedia.org) - Mangan (Mn): Là nguyên tố vi lượng, nhu cầu ngày khoảng 30 - 50 mg/kg trọng lượng thể. Nếu hàm lượng lớn gây độc cho thể; gây độc với nguyên sinh chất tế bào, đặc biệt tác động lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn + thương thận, máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng gây tử vong. Mangan vào môi trường nước trình rửa trôi, xói mòn, chất thải + công nghiệp luyện kim, acqui, phân hoá học. Tiêu chuẩn qui định WHO nước uống £ 0,1 mg/l. 2. Phương pháp xử lí kim loại nặng công nghệ sinh học: Công nghệ xử lý kim loại nặng thực vật: Thực vật có nhiều cách phản ứng khác có mặt ion a) (Nguồn: wikipedia) kim loại môi trường. Hầu hết, loài thực vật nhạy cảm với có mặt ion kim loại, chí nồng độ thấp. Tuy nhiên, có số loài thực vật khả sống môi trường bị ô nhiễm kim loại độc hại mà có khả hấp thụ tích kim loại phận khác chúng. Theo tài liệu nghiên cứu, giới có 400 loài thuộc 45 họ thực vật có khả hấp thụ kim loại. Các loài thực vật thân thảo thân gỗ, có khả 10 • Salix (Nguồn: davisla.wordpress.com gobotany.newenglandwild.org) • Populus (Nguồn: gobotany.newenglandwild.org en.wikipedia.org) 19 - Brassica: chi Cải (chi thực vật có hoa họ Cải). Gồm: B.Napus (cải dầu, cải củ Thuỵ Điển), B.Juncea (mù tạc Ấn Độ), B.Nigra (mù tạc đen). Nguồn: www.prota4u.org - Cannabis Sativa: Cần Sa, hay gọi Gai Dầu (Nguồn: Google) - Helianthus: chi Hướng Dương, gồm 67 loài vài phân loài họ Cúc. Ví dụ số loài: annuus (hướng dương), giganteus, petiolaris (hướng dương thảo nguyên), tuberosus (cúc vu) . Annuus (www.qjure.com ) Giganteus 20 Tuberosus (en.wikipedia.org) Petiolaris (swbiodiversity.org) - Typha sp. : Bồn Bồn, họ Hương bồ (Typhaceae). Bồn bồn có nhiều tên khác là: Thủy hương bồ, Hương bồ thảo, Cỏ nến, Cỏ lác … loại cỏ có hình dạng gần giống lác (cói) dệt chiếu, cao từ 1-2 mét. Lá dài hẹp. Hoa đơn tính, nằm trục, hoa đực có lông ngắn màu vàng nâu, hoa có lông màu nâu nhạt. Quả nhỏ hình thoi. Bồn bồn vốn loài cỏ mọc hoang, thường mọc đồng lầy ruộng thấp, nhiều Cà Mau Bạc Liêu (Trần Ngọc Minh, 2008). Ở Hàm Tân (Bình Thuận), Nhơn Trạch (Đồng Nai),(commons.wikimedia.org) Đồng Tháp hay vùng Tứ giác Long Xuyên, bồn bồn mọc hoang thể sậy, với chiều cao vượt mét, hoa đặc trưng hình nến, ngành đông y khai thác tên vị thuốc hương bồ. Theo báo khoa học đời sống, Tiến sĩ J.D. Jackson giới thiệu công trình thực nghiệm nhiều năm tờ Civil Engineering tháng 4/2007 rễ cỏ nến có khả hấp thu 89% hàm lượng thạch tín nước giếng khoan 38 microgram nước dùng cho việc ăn uống. 21 - Phragmites australis: sậy (Nguồn: davisla.wordpress.com ) - Glyceria fluitans: thực vật có hoa họ Hoà Thảo (www.plant-identification.co.uk ) - Lemna minor: thực vật có hoa họ Ráy (Nguồn: florawww.eeb.uconn.edu glaerkasterin.deviantart.com ) 22 - Các hướng tiếp cận việc sử dụng thực vật xử lý môi trường: Như phần giới thiệu, để thương mại hoá công nghệ xử lý môi trường thực vật, cần phải tìm kiếm loài thực vật có khả cho sinh khối nhanh tích luỹ nồng độ kim loại cao quan dễ dàng thu hoạch. Có hai hướng tiếp cận chủ yếu việc sử dụng thực vật để xử lý môi trường: - Nhập nội nhân giống loài có khả siêu hấp thụ kim loại (hyperaccumulator). - Ứng dụng kỹ thuật di truyền để phát triển loài thực vật cho sinh khối nhanh cải tiến khả hấp thụ, chuyển hoá, chống chịu tốt điều kiện môi trường. Hướng tiếp cận thứ nhất, phát triển chủ yếu Mỹ nhóm nghiên cứu đứng đầu Chaney, bao gồm bước như: chọn loài thực vật, thu thập hạt hoang dại thử nghiệm khả xử lý môi trường, nhân giống, cải tiến điều kiện trồng tiến hành áp dụng đại trà. Hiệu hệ thống công bố việc xử lý Co Ni. Tuy nhiên, tác giả cho loài thực vật tự nhiên không đủ tạo sản phẩm mang tích chất thương mại. Điều này, nói lên rằng, công nghệ sinh học triển vọng lớn việc dung hợp đặc tính khả siêu hấp thụ tăng sinh khối. Chương trình nghiên cứu cộng đồng châu Âu bao gồm dự án thực vật chuyển gen phục vụ cho hướng tiến hành. Dự án thứ chuyển gen có khả siêu hấp thụ kim loại Thlaspi caerulescens vào Thuốc Mù tạc loài cho sinh khối nhanh. Trong dự án thứ hai tập 23 trung cải tiến khả chống chịu hấp thụ kim loại. Đến nay, kết nghiên cứu thành công sử dụng gen merA9 vi khuẩn chuyển vào Arabidopsi để xử lý Hg (II). Công nghệ xử lí kim loại nặng vi sinh vật: Nhờ khả hấp thụ kim loại lên bề mặt tế bào VSV hệ b) thống xử lý gây tác động lên trạng thái oxy hóa khử ion kim loại nhờ tách bỏ ion kim loại nặng nước thải. Nhiều loại vi khuẩn, nấm men, tảo hấp thu chủ động tích tụ ion kim loại tế bào nhờ hệ thống vận chuyển chủ động hoạt động ngược với gradient nồng độ tiêu tốn lượng. ngược lại hấp thụ bề mặt trình bị động, theo gradient nồng độ mà không sử dụng lượng trung gian qua tế bào không hoạt động. Sau chuyển dạng sinh học kim loại nước thải, cần phải tách sinh khối chứa kim loại để xử lý tiếp đốt tách thu kim loại từ sinh khối. Hiệu trình lọc kim loại phụ thuộc vào hệ vi khuẩn nước. Nhiều VSV phân hủy khung cacbon phức kim loại làm cố định, giảm khả phát tán ion kim loại lần nữa. - Để giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng, người ta kết hợp xử lý phương pháp hóa lý sinh học. Các phương pháp hóa lý dung tác nhân kết tủa ion kim loại oxi hóa chuyển ion kim loại có hóa trị cao ( có độc tính lớn ) sang ion có hóa trị thấp lắng ( có độc tính thấp ). Sau tiếp tục xử lý sinh học nhờ hệ enzyme oxi hóa khử khả hấp thu ion kim loại vào tiểu phần tế bào vi sinh vật, tảo loài thực vật thủy sinh. 24 Trong số vi sinh vật môi trường đất nước có loài chịu đựng tính độc ion kim loại nồng độ định phát triển bình thường. Như biết, vi sinh vật phát triển dần làm môi trường. Quá trình phát triển chúng dung chất hữu làm thức ăn, sử dụng NH4 + NO3- PO43+ vào xây dựng tế bào, đồng thời hấp thu ion kim loại. - Đồng thời với phát triển vi sinh vật môi trường nước, ta thấy tảo phát triển. Vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng tảo vật hội sinh quan hệ làm cho hai phía có lợi điều đặc biệt quan trọng tảo phát triển - hấp thu kim loại đáng kể. Các loại vi sinh vật áp dụng: Các loại vi khuẩn: vi khuẩn Actinomyceles, vi khuẩn bacillus sp, hay hỗn hợp vi khuẩn… Quá trình hấp thu ion kim loại nặng + chia thành giai đoạn sau: Giai đoạn I: tích tụ kim loại nặng sinh khối, làm giảm nồng độ kim loại + có nước. Giai đoạn II: sau trình phát triển mức tối đa sinh khối, vi sinh vật thường lắng xuống đáy bùn kết thành mảng bề mặt cần phải lọc thu sinh khối khỏi môi trường nước. - Trong bùn có nhiều sinh khối vi sinh vật, hàm lượng ion kim loại nặng không giới hạn cho phép ta xử lý làm phân bón cho trồng tốt trộn lẫn với mùn để nuôi cá. Trường hợp nồng độ kim loại nặng chứa sinh khối cao, biện pháp xử lý tốt thiêu đốt ta cần chọn kĩ tránh ô nhiễm ion cho nước ngầm. Đối với bùn có hàm lượng kim loại nặng cao, người ta dung số chủng vi khuẩn để xử lý, có loài Thiobacillus ferrooxydans Thiobacillus oxydans. Qua xử lý vi khuẩn này, nồng độ kim loại nặng bùn giảm từ 25 – gần 100% sử dụng vi sinh vật khử kim loại nặng bùn. 25 Bảng 3. Sự tích tụ kim loại nặng vi sinh vật tảo Vi sinh vật Nguyên tố Lượng tích tụ ( % khối lượng khô ) Vi khuẩn Vi khuẩn (170 chủng) Vi khuẩn ( 137 chủng ) Vi khuẩn ( 19 chủng ) Vi khuẩn ( chủng) Actinomyceles ( chủng ) Streptomyces ( 12 chủng ) S. viridochromogenes s. lonwoodensis bacillus sp.( chủng ) hỗn hợp vi khuẩn hỗn hợp vi khuẩn hỗn hợp vi khuẩn citrobacter sp. Citrobacter sp Cadmium Đồng Bạc Uranium Uranium Uranium Uranium Uranium Uranium Cadmium Đồng Bạc Chì Cadmium 0,2 < 0,05 – 0,5 0,7 – 4,4 8-9 8-9 2-14 30 44 3-5 0,22 30 32 34-40 13,5 - Nấm men Saccharomyces cerevisiae có khả hấp thụ số kim loại nặng Cu2+ , Pb2+ Zn2+. S. cerevisiae sinh trưởng tốt môi trường pH = 5, khả hấp thu ion Cu2+, Pb2+ Zn2+ chủ yếu xảy đầu bắt đầu trình hấp thu. Khả hấp thu tăng nồng độ ban đầu kim loại tăng. Khả hấp thu cực đại Cu2+ đạt 63% sau 48 giờ. Nồng độ Cu 2+ lại dung dịch giảm từ 250 đến 92,7mg/l; sinh khối 89mg/g. Khả hấp thu kim loại nặng S. cerevisiae theo thứ tự: Pb 2+ > Cu2+ > Zn2+ , với nồng độ đầu vào 50mg/l, sau 48 nồng độ Pb2+, Cu2+ Zn2+ dịch giảm xuống tương ứng 2,8; 37,5 39,5mg/l. Hiệu suất hấp thu đạt tương ứng 95; 25 21%. 26 3. Ưu, nhược điểm ứng dụng công nghệ sinh học xử lí kim loại nặng: a) Ưu điểm: - Ứng dụng sinh học vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín, xử lí kim loại nặng hiệu mà không mang lại ảnh hưởng xấu biến đổi bất lợi khác cho môi trường. Chất lượng nước đầu có tính chất nước tự nhiên, đất cải tạo rõ rệt. - Xử lí nguồn nước thải nồng độ cao, có khả thu nhận kim loại nặng mức độ cao. - Hệ thống xử lí sinh học không cần thiết bị hóa chất đắt tiền, dễ vận hành, phù hợp với điều kiện lý hóa khác nên tiết kiệm chi phí cho việc xử lí so với phương pháp khác. Bên cạnh chi phí quản lí thấp việc quản lí đơn giản. b) Nhược điểm: - Sử dụng thực vật phải có diện tích mặt lớn, không thích hợp cho nhà máy nội vi khu vực chứa nước thải khu công nghiệp. - Mặt khác sinh khối phát sinh chứa toàn kim loại nặng, khó giải quyết. 4. Một số thành tựu Việt Nam xử lí kim loại nặng công nghệ sinh học: a) Mô hình xử lí đất ô nhiễm Asen mỏ thiếc núi Pháo (Hà Thượng): Trong năm đầu, bước cải tạo đất tiến hành nhằm mục đích tạo điều kiện tốt để hai loài dương xỉ phát triển đạt hiệu xử lý ô nhiễm As cao. Phân NPK, phân hữu vi sinh vôi bột bón vào đất thí nghiệm với mục đích làm tăng hàm lượng dinh dưỡng cải tạo pH đất. Trồng mồi cải tạo đất điền cốt khí. Một số tính chất đất sau cải tạo xác định. 27 Sau nhiều bước nghiên cứu, nhà nghiên cứu đề xuất quy trình xử lý As dương xỉ hình đây: Xác định hàm lượng As đất thành ph n khác đất pH, N, P, CHC, CEC, số kim loại khác,… Cải tạo đất để tr ng (cày xới, điều chỉnh pH , phân bón, bổ sung chế phẩm vi sinh vật, điều chỉnh hàm lượng As dễ tiêu ≤ 1500 mg/kg đất trồng P.vittata ≤ 900 mg/kg P.calomelanos … ) Trồng dương xỉ P. vittata P.calomelanos đất ô nhiễm As sau cải tạo b) Nghiên cứu lựa chọn số thực vật có khả hấp thụ kim loại nặng (Cr, Cu, Zn) bùn nạo vét kênh Tân Hoá – Lò Gốm: - Giai đoạn 1: Sau tuần trồng trực tiếp mô trường nghiên cứu (bùn Tân Hóa – Lò Gốm), tỷ lệ sống sót bắp cỏ voi đạt 100%; cỏ nến, sậy so đũa thấp, đạt 66,7% 34,6%. Dựa vào kết trên, chọn loài có tỷ lệ sống sót tốc độ tăng trưởng cao Cây Bắp Cây Cỏ Voi để tiến hành nghiên cứu bước tiếp theo, theo dõi hiệu xử lý KLN chúng thời gian 12 tuần. 28 - Giai đoạn 2: Để xác định khả hấp thu kim loại nặng (Cr, Cu, Zn) Cây Bắp Cây Cỏ Voi, nhóm tác giả tiến hành trồng hai loại môi trường bùn kênh Tân Hóa – Lò Gốm có chứa 2656 mg/kg Cr, 1551 mg/kg Cu 2463 mg/kg Zn tuần 12 tuần, đồng thời trồng hai loại môi trường bùn không ô nhiễm KLN để làm đối chứng. Sau tuần 12 tuần trồng môi trường thí nghiệm, tốc độ phát triển hai tăng theo thời gian. Cây Cỏ Voi có tốc độ gia tăng sinh khối trung bình chiều cao trung bình lớn Bắp hai môi trường. Trong hai giai đoạn, Cỏ Voi tích lũy Cr Cu cao Cây Bắp, ngược lại khả tích lũy Zn Cỏ Voi lại thấp Cây Bắp. So sánh với kết tác giả giới công bố, hai loài Bắp Cỏ Voi tích lũy KLN rễ nhiều thân, điều tìm thấy tương tự kết nghiên cứu đề tài này. Ở Việt Nam, Bắp Cỏ Voi phổ biến. Với kết nghiên cứu đạt đề tài, Bắp Cỏ Voi hai thực vật có triển vọng lĩnh vực công nghệ sinh học môi trường sử dụng thực vật (phytotechnology) để xử lý bùn đất bị ô nhiễm KLN (Cr, Cu, Zn) nước ta. Không giảm rủi ro cho sức khỏe người từ ô nhiễm KLN môi trường mà sản phẩm sinh sau trình xử lý đem đến lợi ích khác. Ví dụ, sinh khối sau thu hoạch sử dụng trực tiếp nguồn nhiên liệu (thân cây) sinh lượng hay dùng làm nguyên liệu (hạt bắp) ngành sản xuất ethanol sinh học ,làm giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Sau nhóm nghiên cứu kết luận: Cây Bắp Cỏ Voi sử dụng để xử lí ô nhiễm môi trường bùn nạo vét kênh Tân Hóa – Lò Gốm bị ô nhiễm kim loại nặng (Cr, Cu, Zn). 29 5. Một số hạn chế việc ứng dụng công nghệ sinh học để xử lí kim loại nặng nước ta: Ứng dụng công nghệ sinh học việc xử lí, loại bỏ kim loại nặng công nghệ hấp dẫn năm gần đây. Việc xử lí kim loại nặng vi sinh vật thực vật giải khó khăn, lo lắng môi trường, mà vừa mang lại hiệu cao, chi phí thấp nhiều so với phương pháp khác, mà lại đảm bảo than thiện với môi trường. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ sinh học để xử lí kim loại nặng củng gặp phải số khó khăn:  a) Về phương pháp xử lí: o Xử lí thực vật: Không phải loài thực vật có khả hấp thụ chuyển hóa kim loại nặng. Một số loài thực vật có khả sống môi trường bị ô nhiễm  kim loại độc hại,nhungđa số loài khác lại nhạy cảm với kim loại nặng. Các loài thực vật phải kết hợp yếu tố tích luỹ kim loại thân cho sinh khối cao. Tuy nhiên có số loài đáp ứng điều  kiện trên. Công nghệ xử lý ô nhiễm thực vật đòi hỏi phải đáp ứng số điều kiện dễ trồng, có khả vận chuyển chất ô nhiễm từ đất lên thân nhanh, chống chịu với nồng độ chất ô nhiễm cao cho sinh khối nhanh. Nhưng hầu hết loài thực vật có khả tích luỹ KLN cao loài phát triển chậm có sinh khối thấp. Vì xem công nghệ xử lý tức  thời phổ biến nơi. Một lượng lớn kim loại nặng thải từ sở sản xuất, nhà máy, khu công nghiệp. Nhưng Sử dụng thực vật phải có diện tích mặt lớn, không thích hợp cho nhà máy nội vi khu công nghiệp, mặc khác, sinh khối phát sinh từ thực vật chứa toàn kim loại nặng, khó giải quyết. o Xử lí vi sinh vật: 30   Hàm lượng kim loại nặng cao làm chết hoàn toàn hệ vi sinh vật. Quan tâm nhiều đến nhiệt độ, độ pH để đảm bảo trì sinh trưởng phát triển sinh vật. b) Về nguồn lực: Số lượng cán nghiên cứu nhân viên kĩ thuật Công nghệ sinh học ta ít, công nghệ gen. Ngoài ra, hầu hết lĩnh vực Công nhệ sinh học nước ta hạn chế, hoàn thành khâu nghiên cứu bản, tính ứng dụng thực tế không cao, khó mở rộng thành đại trà. Thậm chí có nhiều chương trình vừa nghiên cứu xong, chua kịp tìm hiểu tính thực tiển lại bỏ để tìm khác, lĩnh vực nông nhiệp. Riêng kim loại nặng, độc hại chưa quan tâm, khó xác định phương pháp thông thường.  c) Về sách nhà nước: Nhà nước chưa đưa nhiều giải pháp khuyến khích áp dụng công nghệ sinh  học việc xử lí kim loại nặng. Các nước phát triển giới nghiên cứu tiếp cận công nghệ sớm,  song nước ta giai đoạn thử nghiệm. Nguồn lực kinh tế nước ta yếu, nên chưa thể tạo điều kiện tốt để nhà khoa học nghiên cứu sâu công nghệ. III. Kết luận kiến nghị: Như thấy, hợp chất kim loại nặng thực gây hại nghiêm trọng đến tồn sinh trưởng thực vật, động vật người. Càng nguy hiểm hơn, tích luỹ lâu dài hợp chất này. Chính thế, không hành động từ bây giờ, hệ mai sau lãnh chịu hậu nghiêm trọng. Chúng ta sống sản xuất cho mà phải nghĩ đến tương lai. Xử lí ô nhiễm kim loại nặng quan trọng không việc 31 xử lí loại hình ô nhiễm khác hành tinh này. Cần có biện pháp, sách nhằm phát triển bền vững ngành sản xuất liên quan đến kim loại nặng. Như tìm hiểu trên, ứng dụng công nghệ sinh học để xử lí kim loại nặng phương pháp tốt, dễ thực hiện, tiết kiệm chi phí sử dụng lâu dài. Phương pháp cần ý, tập trung nghiên cứu đề sách thực hiện. Cùng với phát triển ngành khoa học khác, công nghệ sinh học nên quan tâm đầu tư cách. Các quan quyền nên đề sách cụ thể triệt để cho vấn đề này. Công nghệ sinh học, hay công nghệ khác không tồn tách biệt. Nó dẫn xuất nhờ nỗ lực người chịu tác động xã hội, văn hóa bầu không khí trị. Công nghệ sinh học phương thuốc cho vấn đề toàn cầu, công cụ đầy hứa hẹn sử dụng cách thích hợp. Đầu tư vào công nghệ sinh học tiến hành nước phát triển vào sản phẩm cho phép hoàn vốn. Ứng dụng công nghệ sinh học vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín, đặc biệt việc xử lí kim loại nặng, vừa hiệu mà vừa tránh ảnh hưởng bất lợi tới môi trường. Xử lí kim loại nặng công nghệ sinh học hướng đầy triển vọng. IV. Tài liệu tham khảo: - DiệpThị Mỹ Hạnh - Khảo sát số loài thực vật có khả tích lũy chì (Pb) Cadmium (Cd) từ môi trường đất - Trường Đại học Khoa học tự nhiên Tp. HCM (2003). - Hoàng Thị Thanh Thủy - Nghiên cứu khả ứng dụng cỏ vetiver vào xử lý trầm tích sông rạch bị ô nhiễm Tp. HCM, Viện Môi trường Tài nguyên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (2005). 32 - Nguyễn Đình Tuấn, Chất lượng nước kênh rạch tạ iTp. Hồ Chí Minh – Hiện trạng thách thức, Báo cáo hội thảo “Phát triển bền vững thành phố xanh lưu vực sông”, 5/2005, pp. - (2005). - Lâm Minh Triết - Nghiên cứu biện pháp bảo vệ môi trường hoạt động nạo vét, vận chuyển đổ bùn lắng Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Môi trường Tài nguyên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (2000). - PGS.TS. Bùi Cách Tuyến, TS. Lê Quốc Tuấn – Giáo trình Độc chất học môi trường - Trường đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh. - Võ Văn Minh, Võ Châu Tuấn, 2005, Công nghệ xử lý kim hại nặng đất thực vật – Hướng tiếp cận triển vọng. 33 Mục lục 34 [...]... thể sử dụng để xử lí ô nhiễm trên môi trường bùn nạo vét kênh Tân Hóa – Lò Gốm bị ô nhiễm các kim loại nặng (Cr, Cu, Zn) 29 5 Một số hạn chế trong vi c ứng dụng công nghệ sinh học để xử lí kim loại nặng ở nước ta: Ứng dụng công nghệ sinh học trong vi c xử lí, loại bỏ kim loại nặng là một công nghệ mới và hấp dẫn trong những năm gần đây Vi c xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật và thực vật đã giải quyết... nhiên, vi c ứng dụng công nghệ sinh học để xử lí kim loại nặng củng gặp phải một số khó khăn:  a) Về phương pháp xử lí: o Xử lí bằng thực vật: Không phải loài thực vật nào cũng có khả năng hấp thụ và chuyển hóa kim loại nặng Một số loài thực vật có khả năng sống được trong môi trường bị ô nhiễm bởi  các kim loại độc hại,nhungđa số các loài khác lại rất nhạy cảm với kim loại nặng Các loài thực vật này... là một công cụ đầy hứa hẹn nếu sử dụng một cách thích hợp Đầu tư vào công nghệ sinh học đã được tiến hành đầu tiên ở các nước phát triển và vào những sản phẩm cho phép hoàn vốn Ứng dụng công nghệ sinh học như một vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín, đặc biệt là trong vi c xử lí kim loại nặng, vừa hiệu quả mà vừa tránh được sự ảnh hưởng bất lợi tới môi trường Xử lí kim loại nặng bằng công nghệ sinh học là... Thiobacillus ferrooxydans và Thiobacillus oxydans Qua xử lý bằng các vi khuẩn này, nồng độ kim loại nặng trong bùn giảm từ 25 – gần 100% và sử dụng vi sinh vật khử kim loại nặng ở bùn 25 Bảng 3 Sự tích tụ các kim loại nặng bằng vi sinh vật và tảo Vi sinh vật Nguyên tố Lượng tích tụ ( % khối lượng khô ) Vi khuẩn Vi khuẩn (170 chủng) Vi khuẩn ( 137 chủng ) Vi khuẩn ( 19 chủng ) Vi khuẩn ( 3 chủng) Actinomyceles... Pb 2+ > Cu2+ > Zn2+ , với nồng độ đầu vào 50mg/l, sau 48 giờ nồng độ của Pb2+, Cu2+ và Zn2+ trong dịch giảm xuống tương ứng còn 2,8; 37,5 và 39,5mg/l Hiệu suất hấp thu đạt tương ứng 95; 25 và 21% 26 3 Ưu, nhược điểm của ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lí kim loại nặng: a) Ưu điểm: - Ứng dụng sinh học như một vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín, xử lí kim loại nặng hiệu quả mà không mang lại ảnh hưởng... khó giải quyết o Xử lí bằng vi sinh vật: 30   Hàm lượng kim loại nặng cao có thể làm chết hoàn toàn hệ vi sinh vật Quan tâm nhiều đến nhiệt độ, độ pH để đảm bảo duy trì sự sinh trưởng và phát triển của sinh vật b) Về nguồn lực: Số lượng cán bộ nghiên cứu và nhân vi n kĩ thuật Công nghệ sinh học của ta còn quá ít, nhất là trong công nghệ gen Ngoài ra, hầu hết các lĩnh vực Công nhệ sinh học ở nước ta... chuyển dạng sinh học các kim loại trong nước thải, cần phải tách sinh khối chứa kim loại để xử lý tiếp như đốt và tách thu kim loại từ sinh khối Hiệu quả của quá trình lọc kim loại phụ thuộc vào hệ vi khuẩn trong nước Nhiều VSV có thể phân hủy bộ khung cacbon của các phức kim loại và như vậy làm cố định, giảm khả năng phát tán các ion kim loại một lần nữa - Để giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng, người... nhanh Trong khi đó dự án thứ hai tập 23 trung cải tiến khả năng chống chịu và hấp thụ kim loại Đến nay, kết quả nghiên cứu thành công nhất là sử dụng gen merA9 của vi khuẩn chuyển vào cây Arabidopsi để xử lý Hg (II) Công nghệ xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật: Nhờ khả năng hấp thụ các kim loại lên bề mặt tế bào VSV trong các hệ b) thống xử lý gây tác động lên trạng thái oxy hóa khử của các ion kim loại. .. ion kim loại - Đồng thời với sự phát triển của vi sinh vật trong môi trường nước, ta còn thấy tảo cũng phát triển Vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng và tảo là những vật hội sinh và quan hệ này làm cho hai phía đều có lợi và điều đặc biệt quan trọng là tảo phát triển cũng - hấp thu kim loại đáng kể Các loại vi sinh vật được áp dụng: Các loại vi khuẩn: vi khuẩn Actinomyceles, vi khuẩn bacillus sp, hay hỗn hợp vi. .. b) Nhược điểm: - Sử dụng thực vật thì phải có diện tích mặt bằng rất lớn, không thích hợp cho các nhà máy trong nội vi khu vực chứa nước thải các khu công nghiệp - Mặt khác sinh khối phát sinh ra sẽ chứa toàn kim loại nặng, khó giải quyết 4 Một số thành tựu ở Vi t Nam về xử lí kim loại nặng bằng công nghệ sinh học: a) Mô hình xử lí đất ô nhiễm Asen ở mỏ thiếc núi Pháo (Hà Thượng): Trong một năm đầu, . ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN  BÁO CÁO ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÍ KIM LOẠI NẶNG (BẰNG VI SINH VẬT VÀ THỰC VẬT) MÔN: Công nghệ sinh học. pháp ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lí kim loại nặng, nhất là xử lí bằng vi sinh vật và thực vật. II. Những vấn đề nghiên cứu được: 1. Tìm hiểu chung về kim loại nặng: a) Định nghĩa: - Kim. Phương pháp xử lí kim loại nặng bằng công nghệ sinh học: a) Công nghệ xử lý kim loại nặng bằng thực vật: Thực vật có nhiều cách phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi