1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- NÔNG MINH TUẤN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT MICROBIAL FUEL CELL SỬ DỤNG LÀM CẢM BIẾN SIN
Trang 11 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
NÔNG MINH TUẤN
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ PIN NHIÊN LIỆU
VI SINH VẬT (MICROBIAL FUEL CELL) SỬ DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC THẢI
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2014
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
NÔNG MINH TUẤN
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ PIN NHIÊN LIỆU
VI SINH VẬT (MICROBIAL FUEL CELL) SỬ DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC THẢI
Chuyên ngành: Vi sinh vật học
Mã số: 60420107
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM THẾ HẢI
Hà Nội – 2014
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, Em xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thế Hải, giảng viên bộ môn Vi sinh vật học, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên-Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp
Đồng thời em cũng xin cảm ơn Ths Nguyễn Thu Thủy, phòng Vi sinh vật học môi trường, và KTV Đỗ Minh Phương, phòng thí nghiệm bộ môn Vi sinh vật học đã giúp đỡ
trong thời gian em làm luận văn ở phòng
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô trong Khoa sinh học-Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên-Đại Học Quốc Gia Hà Nội, đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức chuyên môn, bổ ích cho em trong suốt thời gian học tập tại Trường
Tôi cũng vô cùng cảm ơn các bạn trong lớp và các em sinh viên phòng Vi sinh vật học môi trường đã động viên, hỗ trợ tôi trong thời gian học tập và làm đề tài
Cuối cùng, với tất cả lòng kính trọng và biết ơn vô hạn, con xin gửi lời cảm ơn tới
Bố, Mẹ và những người thân trong gia đình đã nuôi nấng, dậy dỗ, và luôn ủng hộ, động viên con trong suốt quá trình học làm người
Luận văn được thực hiện trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu mã số 08/HĐ - ĐT.08.14/CNMT thuộc “Chương trình nghiên cứu khoa học, ứng dụng và chuyển giao công nghệ phát triển ngành công nghiệp môi trường” của Bộ Công thương
Hà Nội, ngày….tháng….năm 2014
Học Viên
Nông Minh Tuấn
Trang 4MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH ẢNH
MỞ ĐẦU 1
Chương 1 – TỔNG QUAN 3
1.1 Ô NHIỄM NƯỚC TẠI VIỆT NAM 3
1.2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC THẢI SAU XỬ LÝ 5 1.3 CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC THẢI SAU XỬ LÝ 7
1.3.1 Cảm biến sinh học dựa trên hành vi của sinh vật 7
1.3.2 Cảm biến sinh học vi sinh vật 9
1.4 PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT 12
1.4.1 Các loại Thiết kế MFC 15
1.4.2 Vật liệu cấu tạo MFC 17
1.4.2.1 Vật liệu cho điện cực 17
1.4.2.2 Màng trao đổi ion 19
1.4.3 Vật liệu tạo khung cho MFC 22
1.4.4 Ứng dụng của MFC 23
1.5 HỆ VI SINH VẬT TRONG MFC 24
1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT TRONG MFC 27
Chương 2 – VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29
Trang 52.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 29
2.1.1 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ 29
2.1.2 Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu 30
2.2 CÁC THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31
2.2.1 Lựa chọn thiết kế tối ưu cho MFC 31
2.2.2 Thiết kế, lắp đặt hệ thống MFC 31
2.2.3 Quy trình làm giầu vi sinh vật trong các MFC: 32
2.2.4 Vận Hành Hệ Thống MFC 33
2.2.5 Đo đạc và xử lý số liệu 35
2.2.7 Phương pháp DGGE 38
Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43
3.1 LỰA CHỌN THIẾT KẾ MFC PHÙ HỢP 43
3.1.1 Lựa chọn vật liệu cho MFC 43
3.1.2 Lựa chọn thiết kế MFC nhằm phát triển cảm biến sinh học 44
3.1.3 Thử nghiệm để chọn lựa thiết kế thiết kế ưu việt hơn 47
3.1.3.1 Kết quả làm giàu hệ vi sinh vật điện hóa trong MFC 47
3.1.3.2 So sánh các MFC với dạng thiết kế khác nhau 48
3.2 LỰA CHỌN NGUỒN VI SINH VẬT PHÙ HỢP ĐỂ LÀM GIÀU HỆ VI SINH VẬT ĐIỆN HÓA TRONG CÁC MFC 53
3.2.1 Dòng điện phát sinh bởi các MFC trong giai đoạn làm giàu hệ vi sinh vật điện hóa 53
3.2.2 Độ ổn định của dòng điện phát sinh trong MFC sau khi làm giàu thành công hệ vi sinh vật điện hóa 55
Trang 63.2.3 Kết quả phân lập hệ vi sinh vật trong điện cực anode của MFC sau khi làm
giàu thành công 57
3.2.4 Kết quả phân tích quần xã vi khuẩn bằng phương pháp DGGE 60
3.2.5 Kết quả phân tích trình tự các băng DNA thu được từ các quần xã trên DGGE 63
3.3 BƯỚC ĐẦU THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG MFC VỚI DUNG DỊCH MÔ PHỎNG NƯỚC THẢI SAU XỬ LÝ TRONG PHÕNG THÍ NGHIỆM 66
KẾT LUẬN 68
KIẾN NGHỊ 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70
PHỤ LỤC
Trang 7DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ Tên tiếng anh Tên tiếng việt
BOD Biochemical oxigen demand Nhu cầu oxy sinh hóa
DGGE Denaturing gradient gel
electrophoresis
Điện di gradient gel biến tính
PCR Polymerase Chain Reaction Phản ứng chuỗi trùng hợp
Trang 8DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 Nguyên lý hoạt động của một MFC 12
Hình 2: (a) Thiết kế MFC sử dụng chổi than chì là điện cực anode như là một bề mặt cho vi sinh vật phát triển và với điện cực cathode sử dụng vải carbon (b) Biểu diễn phương thức truyền điện tử của trong màng biofilm: sản sinh nanowires, chất truyền điện tử trung gian, và tiếp xúc qua bề mặt tế bào 13
Hình 3: Hai dạng thiết kế MFC 14
Hình 4: Vật liệu carbon sử dụng cho điện cực anodes: (A) giấy carbon, (B) vải các bon, (C) lưới carbon 18
Hình 5: Một vài vật liệu dùng làm điện cực cho MFC (A) Thanh than chì (B; C; D) Tấm than chì 18
Hình 6: (A) Hạt than chì, (B; C) Chổi than chì (D) Sợ than chì 19
Hình 7: Các loại màng được sử dụng trong MFC 21
Hình 8: Cơ chế hoạt động của các loại màng phân tách 21
Hình 9: MFC hai khoang-khung thủy tinh 22
Hình 10: MFC một khoang-khung thủy tinh 22
Hình 11: MFC một khoang- khung polyacrylic 23
Hình 12: MFC hai khoang- khung polyacrylic 23
Hình 13: MFC dạng ống- khung polypropylen 23
Hình 14: MFC một khoang- khung Plexiglas 23
Hình 15 : MFC khoang chữ nhật 32
Hình 16 : MFC khoang trụ 32
Hình 17: Sơ đồ hoạt động hệ thống MFC 34
Hình 18: Hệ thống MFC vận hành trong phòng thí nghiệm 34
Trang 9Hình 19: Biểu đồ hiệu điện thế MFC trong quá trình làm giàu (BOD 50 ppm) 47
Hình 20: Hiệu điện thế MFC khoang hình hộp chữ nhật sau quá trình làm giàu (BOD 50 ppm) 49
Hình 21: Hiệu điện thế MFCs khoang hình trụ sau quá trình làm giàu 49
Hình 22: MFC khoang hình hộp chữ nhất 51
Hình 23: MFC khoang hình trụ 51
Hình 24: MFC khoang hình hộp chữ nhất 52
Hình 25: MFC khoang hình trụ 52
Hình 26: Quá trình làm giàu MFC với nguồn quần xã khác nhau 54
Hình 27: So sánh dòng điện sau quá trình làm của MFC tại hai thời điểm có khoảng là cách 20 ngày 56
Hình 28: Ảnh phân lập mẫu điện cực anode từ MFC đã được làm giàu thành công 57 Hình 29: Tỷ lệ phần trăm số chủng vi khuẩn phân lập được từ điện cực anode tại các MFC 59
Hình 30: Kết quả kiểm tra sản phẩm PCR gen 16s rRNA và vùng V3 60
Hình 31: Kết quả phân tích gen 16S rRNA bằng DGGE của các mẫu quần xã vi khuẩn trong các nguồn khác nhau và các mẫu quần xã vi khuẩn từ điện cực anode của các MFC làm giàu từ các nguồn 62
Hình 32: Kết quả phân tích tương quan của các quần xã vi khuẩn được nghiên cứu dựa trên kêt quả DGGE (bằng cách sử dụng phần mềm NTSYSpc 2.0) 63
Hình 33: Biểu đồ dòng điện trung bình của MFC thử nghiệm với các nồng độ BOD khác nhau trong dung dịch nước thải mô phỏng ở anode 67
Hình 34: Vị trí các băng DNA trên DGGE được thôi gel và đem giải trình tự 1
Trang 10DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Đặc trưng thành phần nước thải của một số ngành công nghiệp 3
Bảng 2: Tổng lượng nước thải và lượng thải các chất ô nhiễm trong nước thải từ một số khu công nghiệp đồng bằng sông hồng 4
Bảng 3: Một số thông số ô nhiễm nước thải trong công nghiệp theo tiêu chuẩn 5
Bảng 4: Theo dõi sự thay đổi hành vi của cá liên kết với điều kiện stress 8
Bảng 5: Tổng hợp nghiên cứu về cảm biến sinh học vi sinh vật quang học 10
Bảng 6: Các chủng vi khuẩn điện hóa trong MFC không sử dụng chất truyền điện tử trung gian 26
Bảng 7: Môi trường LB 35
Bảng 8: Môi trường C 36
Bảng 9: Môi trường PDA 36
Bảng 10: Môi trường Hansen 37
Bảng 11: Môi trường BG 11 37
Bảng 12: Thành phần của dung dịch Trace metal mix A5 38
Bảng 13: Thành phần và chu trình nhiệt phản ứng PCR nhân gen16s rRNA 39
Bảng 14: Thành phần và chu trình nhiệt phản ứng PCR nhân vùng V3 thuộc gen16s rRNA 40
Bảng 15: Thành phần của dung dịch biến tính 0% và 60% 41
Bảng 16: Thành phần của “Working solution” 41
Bảng 17: Phân tích ưu nhược điểm của các vật liệu cấu tạo MFC 43
Bảng 18: Phân tích ưu nhược điểm vật liệu cấu tạo khung MFC 44
Bảng 19: Phân tích ưu nhược điểm của các loại màng phân tách 44
Bảng 20: Phân tích ưu nhược điểm các loại thiết kế MFC 45
Trang 1170
TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT
1 Tổng Cục Đo Lường Chất Lượng Việt Nam Bộ khoa học và công nghệ (1988)
TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 4566:1988 Về nước thải
2 Trung tâm quan trắc môi trường Tổng cục môi trường Việt Nam (2009) Báo
cáo môi trường quốc gia-Báo cáo môi trường khu công nghiệp Việt Nam
3 Tổng Cục Đo Lường Chất Lượng Việt Nam Bộ khoa học và công nghệ (2011)
QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP QCVN 40:2011/BTNMT
4 Trung tâm quan trắc môi trường Tổng cục môi trường Việt Nam (2012) Báo
cáo môi trường nước mặt Việt Nam
TÀI LIỆU TIẾNG ANH
5 Aelterman, P., và cộng sự (2008), “The anode potential regulates bacterial
activity in microbial fuel cells” Applied Microbiology and Biotechnology
78(3): pp 409-418
6 Afkar, E., và cộng sự (2005), “A novel Geobacteraceae-specific outer
membrane protein J (OmpJ) is essential for electron transport to Fe (III)
and Mn (IV) oxides in Geobacter sulfurreducens” Bmc Microbiology 5
7 Amann, R.I., W Ludwig, và K.H Schleifer (1995), “Phylogenetic identification
and in situ detection of individual microbial cells without cultivation” Microbiol Reviews 59(1): pp 143-69
8 Andrew, S.K., D.S James, và K.B Sandra (2005), “Fish models in behavioral
toxicology” Techniques in Aquatic Toxicology, Volume 2, CRC Press
9 Bae, M.-J và Y.-S Park (2014), “Biological early warning system based on the
responses of aquatic organisms to disturbances: A review” Science of The Total Environment 466–467(0):p p 635-649
10 Beveridge, T.J (2004), “Composition, Reactivity and Regulation of
Extracellular Metal-Reducing Structures (Bacterial Nanowires) Produced
by Dissimilatory Metal - Reducing Bacteria” pp Medium: ED
11 Bond, D.R và D.R Lovley (2005), “Evidence for involvement of an electron
shuttle in electricity generation by Geothrix fermentans” Applied and Environmental Microbiology 71(4): p 2186-2189
12 Chakravorty, S., và cộng sự (2007), “A detailed analysis of 16S ribosomal RNA
gene segments for the diagnosis of pathogenic bacteria” Journal Microbiol Methods 69(2): pp 330-9
Trang 1271
13 Chang, I.S., và cộng sự (2004), “Continuous determination of biochemical
oxygen demand using microbial fuel cell type biosensor” Biosensors & Bioelectronics 19(6): pp 607-613
14 Chang, I.S., và cộng sự (2006), “Electrochemically active bacteria (EAB) and
mediator-less microbial fuel cells” Journal of Microbiology and Biotechnology 16(2): pp 163-177
15 Cheng, S., B.A Dempsey, và B.E Logan (2007), “Electricity generation from
synthetic acid-mine drainage (AMD) water using fuel cell technologies”
Environmental Science & Technology 41(23): pp 8149-8153
16 Choo, Y.F., Lee, J., Chang, I S và Kim, B H., (2006), “Bacteria Communities
in microbial fuel cells enriched with high concentrations of glucose and
glutamate” Journal of Microbiology and Biotechnology 16(9): pp
1481-1484
17 Di Lorenzo, M., và cộng sự (2009), “A single-chamber microbial fuel cell as a
biosensor for wastewaters” Water Research 43(13): pp 3145-3154
18 Du, Z., H Li, và T Gu (2007), “A state of the art review on microbial fuel
cells: A promising technology for wastewater treatment and bioenergy”
Biotechnology Advances 25(5): pp 464-482
19 Fantroussi, E.S., và cộng sự (1999), “Effect of phenylurea herbicides on soil
microbial communities estimated by analysis of 16S rRNA gene
fingerprints and community-level physiological profiles” Applied and Environmental Microbiology 65(3): pp 982-8
20 Gorby, Y.A., và cộng sự (2006), “Electrically conductive bacterial nanowires
produced by Shewanella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms” Proceedings of the National Academy of Sciences of
the United States of America 103(30): pp 11358-63
21 Heijne ter, A., và cộng sự (2006), “A Bipolar Membrane Combined with Ferric
Iron Reduction as an Efficient Cathode System in Microbial Fuel Cells”
Environmental Science & Technology 40(17): pp 5200-5205
22 Huang, J.S., và cộng sự (2014), “Performance evaluation and bacteria analysis
of AFB-MFC enriched with high-strength synthetic wastewater” Water Science Technol 69(1): pp 9-14
23 Kang, K.H., và cộng sự (2003), “A microbial fuel cell with improved cathode
reaction as a low biochemical oxygen demand sensor” Biotechnology Letters 25(16): pp 1357-1361
Trang 1372
24 Kim, B.H., I.S Chang, và G.M Gadd (2007), “Challenges in microbial fuel cell
development and operation” Applied Microbiology and Biotechnology
76(3): pp 485-494
25 Kim, B.H., và cộng sự (2003), “Novel BOD (biological oxygen demand) sensor
using mediator-less microbial fuel cell” Biotechnology Letters 25(7): pp
541-545
26 Kim, B.H.C và H I S Moon (2006), “Microbial fuel cell-type biochemical
oxygen demand sensor” Encylopedia of Sensors X: pp 1-12
27 Kim, G.T., và cộng sự (2006), “Bacterial community structure,
compartmentalization and activity in a microbial fuel cell” Applied and Environmental Microbiology 101(3): pp 698-710
28 Kim, J.R., và cộng sự (2011), “Spatiotemporal development of the bacterial
community in a tubular longitudinal microbial fuel cell” Applied Microbiology and Biotechnology 90(3): pp 1179-91
29 Kim, M., và cộng sự (2007), “A novel biomonitoring system using microbial
fuel cells” Journal of Environmental Monitoring 9(12): pp 1323-1328
30 Kozdrój, J và J.D van Elsas (2000), “Application of polymerase chain
reaction-denaturing gradient gel electrophoresis for comparison of direct and indirect extraction methods of soil DNA used for microbial
community fingerprinting” Biology and Fertility of Soils 31(5): pp
372-378
31 Lee, S.W., B.Y Jeon, và D.H Park (2010), “Effect of bacterial cell size on
electricity generation in a single-compartmented microbial fuel cell” Biotechnol Letter 32(4): pp 483-7
32 Lei, Y., W Chen, và A Mulchandani (2006), “Microbial biosensors” Analytica
Chimica Acta 568(1–2): pp 200-210
33 Liu, H., S.A Cheng, và B.E Logan (2005), “Power generation in fed-batch
microbial fuel cells as a function of ionic strength, temperature, and
reactor configuration” Environmental Science & Technology 39(14): pp
5488-5493
34 Liu, H., R Ramnarayanan, và B.E Logan (2004), “Production of electricity
during wastewater treatment using a single chamber microbial fuel cell”
Environmental Science & Technology 38(7): pp 2281-2285
35 Liu, J., G Olsson, và B Mattiasson (2004), “Short-term BOD (BODst) as a
parameter for on-line monitoring of biological treatment process: Part I A novel design of BOD biosensor for easy renewal of bio-receptor”
Biosensors and Bioelectronics 20(3): pp 562-570
36 Liu, J., G Olsson, và B Mattiasson (2004), “Short-term BOD (BODst) as a
parameter for on-line monitoring of biological treatment process: Part II: