sáng kiến kinh nghiệm ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật

Tuy nhiên, mặt trái của sự phát triển này chính là vấn đề ô nhiễm môi trường, một lượng lớn chất thải khí thải, nước thải, chất thải rắn là nguy cơ phát sinh và nguy cơ tiềm tàng tác độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN



BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ

Công Nghệ Sinh Học Môi Trường

Đề tài:

Nhóm 5:

Nguyễn Thị Thanh Tâm 14163233

GVHD:ThS Nguyễn Thị Phương Anh

Tháng 4 năm 2016

MỤC LỤC

A ĐẶT VẤN ĐỀ 2

I Tìm hiểu chung về kim loại nặng 3

1 Định nghĩa: 3

2 Nguồn gốc: 3

II Cơ sở khoa học của phương pháp 5

1 Cơ sở khoa học chung 6

2 Phương pháp sinh học 6

III Cách tiếp cận phương pháp 10

IV Ưu điểm, nhược điểm 12

V Phương pháp xử lí kim loại nặng bằng việc kết hợp thực vật và vi sinh vật 13 1 Công nghệ xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật 13

2 Công nghệ xử lí kim loại nặng bằng thực vật 14

3 Mối quan hệ giữa thực vật và vi sinh vật 15

4 Một số công nghệ xử lí nước thải có chứa kim loại nặng bằng vi sinh vật 17 C KẾT LUẬN 23

D TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

A ĐẶT VẤN ĐỀ

 Như chúng ta đã biết, vấn đề về ô nhiễm kim loại nặng đang trở nên phổ biến trên thế giới Trong tự nhiên, kim loại nặng tồn tại trong ba môi trường là môi trường khí, môi trường nước, môi trường đất Trong công nghiệp, kim loại nặng được sử dụng rộng rãi trong một số hoạt động công nghiệp trên hầu hết các quốc gia Kim loại nặng có thể được coi là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cây trồng và súc vật và cũng được coi là chất độc khi tồn tại ở nồng độ vượt quá mức nhu cầu sử dụng của vi sinh vật

 Trong sự phát triển chung của nền kinh tế nước nhà, ngành công nghiệp đóng một vai trò vô cùng quan trọng Tuy nhiên, mặt trái của sự phát triển này chính là vấn đề ô nhiễm môi trường, một lượng lớn chất thải ( khí thải, nước thải, chất thải rắn) là nguy cơ phát sinh và nguy cơ tiềm tàng tác động đến môi trường cũng như sức khỏe cộng đồng, làm ảnh hưởng lớn đến đời sống của các sinh vật

 Một trong những nguyên nhân gây ra sự tác hại đó chính là sự ô nhiễm các kim loại nặng trong nước làm ảnh hưởng trực tiếp đến các sinh vật dưới nước cũng như sức khỏe con người Kim loại nặng tồn tại trong nước thải của nhiều ngành công nghiệp với nồng độ vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây những tác động tiêu cực tới môi trường Đứng trước những thách thức đó, việc đi tìm lời giải cho bài toán môi trường nói chung và vấn đề xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng nói riêng đang được quan tâm sâu sắc Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu loại bỏ các kim loại trong nước bằng các vật liệu tự nhiên là một trong những hướng nghiên cứu mới, thân thiện với môi trường do ít hoặc không phải bổ sung các hóa chất vào dòng thải nên không gây các ảnh hưởng thứ cấp tới môi trường mà còn có thể thu hồi kim loại

 Một trong những phương pháp đang được chú trọng nhất là dùng vi sinh vật

để xử lý kim loại nặng trong nước

Tại Sao Nên Dùng Vi Sinh Vật Để Xử Lý Kim Loại Nặng ?

Trong bảo vệ môi trường, người ta đã sử dụng vi sinh vật làm sạch môi trường,

xử lý các chất thải độc hại Nhờ khả năng hấp thụ kim loại nặng trên bề mặt tế bào đã làm thay đổi trạng thái oxy hóa khử của kim loại sẽ tách bỏ kim loại trong nước thải Ngoài ra phương pháp sử dụng vi sinh vật để xử lý với giá thành khá thấp và thu nhận kim loại ở mức độ cao Chính vì thế, người ta đã dùng vi sinh vật để xử lý kim loại nặng Đây cũng là lí do nhóm mình nghiên cứu và tìm hiểu về chuyên đề này

2 Nguồn gốc:

Hầu hết các kim loại trong nước tồn tại dưới dạng ion, chúng có nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo:

NGUỒN GỐC TỰ NHIÊN

Kim loại trong đất đá,

xâm nhập vào thủy

Từ ô nhiễm không khí

3 Ảnh hưởng đến sinh vật

Một số kim loại cần cho sự phát triển của sinh vật và chúng được coi là nguyên tố vi lượng Một số không cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật có thể không gây nguy hiểm gì Kim loại nặng gây độc hại với môi trường

và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt qua tiêu chuẩn cho phép

NGUỒN GỐC NHÂN TẠO

- Mỹ phẩm

4 Tác hại của kim loại nặng đến con người:

Các chất quan trọng nhất mà chúng ta cần nghiên cứu đến như: Chì (Pb), Thủy ngân (Hg), Asen (As), Cadimi (Cd), Crom (Cr), Niken (Ni), Đồng (Cu), Mangan (Mn),

 Chì (Pb): Là nguyên tố có độc tính cao đối với sức khỏe con 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 ở xương, kìm hãm quá trình chuyển hóa canxi bằng cách kìm hãm sự chuyển hóa vitamin D

 Tiêu chuẩn tối đa cho phép theo WHO nồng độ chì trong nước uống là

0,005mg/ml

 Thủy ngân (Hg): Tính độc của thủy ngân phụ thuộc vào dạng hóa học

của nó Thủy ngân có khả năng làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân bằng axit bazo của các mô, làm thiếu hụt năng lượng cung cấp cho tế bào thần kinh Trong nước, metyl thủy ngân là dạng độc nhất, nó làm phân liệt nhiễm sắc thể và ngăn cản quá trình phân chia tế bào

 Nồng độ tối đa cho phép của WHO trong nước uống là 1mg/l, nước

nuôi thủy sản là 0,5mg/l

 Asen (As): Nồng độ thấp thì kích thích sinh trưởng, nồng độ cao gây độc

cho động thực vật Asen có thể gây ra 10 căn bệnh khác nhau Các ảnh hưởng chính đối với sức khỏe con người là làm keo tụ protein và phá hủy quá trình photpho hóa, gây ung thư tiểu mô da, phổi, phế quản, xoang,

 Tiêu chuẩn cho phép theo WHO nồng độ asen trong nước uống là

50mg/l

 Cadimi (Cd): Cadimi xâm nhập vào cơ thể được tích tụ ở thận và xương,

gây nhiễu hoạt động của môt số enzim, gây tăng huyết áp, ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, làm rối loạn chức năng thận, phá hủy tủy xương, gây ảnh hưởng tới nội tiết, máu, tim mạch

 Tiêu chuẩn theo WHO cho nước uống là 0,003mg/l

 Crom (Cr): Cr (III) không độc nhưng Cr (VI) độc đối với động thực vật

Với người Cr (VI) gây loét dạ dày, ruột non, viêm gan, viêm thận, ung thư phổi

 Tiêu chuẩn WHO quy định hàm lương Crom trong nước uống là

0,005mg/l

II Cơ sở khoa học của phương pháp

1 Cơ sở khoa học chung

 Nhờ khả năng hấp thụ các kim loại lên bề mặt tế bào vi sinh vật trong các

hệ thống xử lý gây tác động lên trạng thái oxy hóa khử của các ion kim loại

nhờ đó có thể tách bỏ các ion kim loại nặng trong nước thải

 Hiệu quả của quá trình lọc kim loại phụ thuộc vào hệ vi khuẩn trong nước Nhiều vi sinh vật 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

 Tiếp cận hướng nghiên cứu mới: sử dụng vật liệu có nguồn gốc là VSV thân thiện với môi trường đồng thời có thể thu hồi kim loại và tái sử dụng

 Đóng góp các vật liệu mới vào danh sách những vật liệu mới có khả năng loại bỏ kim loại nặng

 Góp phần làm rõ nguyên lý và động học của quá trình xử lý kim loại nặng bằng sinh khối của vi sinh vật

 Các kết quả nghiên cứu về khả năng loại bỏ Pb(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II), Ni(II) và Cr(VI) có hiệu quả rõ rệt về mặt xử lý kim loại nặng cũng như hiệu quả về kinh tế

 Vật liệu sinh học có ưu thế lớn là dễ hình thành, giá thành thấp, ít độc hại, hiệu quả xử lý tốt, ít hóa chất, chất lượng thải tạo ra nhỏ và dễ xử lý, có thể tái tạo lại vật liệu hấp phụ

 Nhiều loại vi khuẩn, nấm men, tảo có thể hấp thu chủ động và tích tụ các ion kim loại trong tế bào nhờ hệ thống vận chuyển chủ động có thể hoạt động ngược với gradient nồng độ và tiêu tốn năng lượng Ngược lại sự hấp thụ bề mặt là quá trình bị động, theo gradient nồng độ mà không sử dụng năng lượng và có thể trung gian qua các tế bào không hoạt động

b Cơ chế của phương pháp

 Phương pháp sinh học là phương pháp sử dụng những vi sinh vật đặc trưng chỉ xuất hiện trong môi trường bị ô nhiễm kim loại nặng và có khả năng tích lũy kim loại nặng trong cơ thể

 Các vi sinh vật thường sử dụng như tảo,nấm, vi khuẩn, v.v Ngoài ra còn có một số loài thực vật sống trong môi trường ô nhiễm kim loại nặng có khả năng hấp thụ và tách các kim loại nặng độc hại như: Cỏ Vertiver, cải xoong, cây dương xỉ, cây thơm ổi, v.v Thực vật có nhiều phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường

c Cơ chế hấp thụ kim loại nặng ở sinh vật như sau:

 Giai đoạn 1: Tích tụ các kim loại nặng và sinh khối, làm giảm nồng

độ các kim loại này ở trong nước

 Giai đoạn 2: Sau quá trình phát triển ở mức tối đa sinh khối, vi sinh vật thường lắng xuống đáy bùn hoặc kết thành mảng nổi trên bề mặt

và cần phải lọc hoặc thu sinh khối ra khỏi môi trường nước

d Một số vi sinh vật tham gia

trong khoảng 36 giờ (theo nghiên

cứu của Patricia A.Terry)

 Saccharomyces cerevisiae:

Chlorella vulgaris

Scendesmus abudans

Hấp thụ một số Kim loại nặng: Cu2+ , Pb2+ , Zn2+ Khả năng hấp thu theo thứ tự Pb2+, Cu2+, Zn2+, trong 48h nồng độ giảm xuống tương ứng còn 37.5,

3905 mg/l

 Nấm men S cerevisiae

 Sinh trưởng tốt nhất trong khoảng nhiệt độ 27-330C, pH 4,5 – 5,5

 Chịu được độ cồn, chịu mặn tốt và chịu được pH thấp

 Nên khi nuôi cấy trong môi trường axit mạnh có thể giảm khả năng

nhiễm vi khuẩn lạ của chúng

 S cerevisiae là tác nhân mang và tích lũy kim loại (Pb, Hg, Cr, Mn, Cu, Zn, Cd ) vào tế bào cơ thể với mức độ khác nhau khi sinh trưởng trong môi trường có mặt các kim loại nặng này Các kim loại Cu, Zn, Mn có ảnh hưởng dương tính lên hoạt động hô hấp và tốc độ phát triển của S cerevisiae

 Tác động độc hại của KLN đến cơ thể sinh vật giảm theo trật tự: Hg2+ >

Cd2+ > Cu2+ > Ni2+ > Zn2+ > Pb2+

 Sự hấp thu kim loại ở S cerevisiae diễn ra ở cả tế bào sống và tế bào chết

 Quá trình hấp thu Cu, Zn, Pb ở tế bào nấm men S cerevisiae được giải thích như sau: Đầu tiên, Cu sẽ tham gia vào quá trình tổng hợp metallo thionein, sau đó metallo thionein bao quanh kim loại và bảo vệ S.cerevisiae khỏi độc tính của kim loại nặng Sức đề kháng của S cerevisiae với ion Cu2+ liên quan đến sự tạo thành liên kết kim loại-protein (metallo thionein), sự khoáng hóa và sự tích tụ tạm thời tại không bào Sự tích lũy kẽm trong nấm men do kẽm kích thích sự hình thành liên kết acetaldehyde với alcohol dehydrogenase Kẽm thúc đẩy sự tổng hợp nhân bào, thiếu kẽm sẽ kìm hãm

sự phát triển của tế bào Theo quan điểm di truyền học, sự tích lũy liên quan đến quá trình trao đổi chất và cấu tạo tế bào

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 )

0,2

< 0,05 – 0,5 0,7 – 4,4 8-9

Saccharomyces cerevisiae

8-9 2-14

30

44 3-5 0,22

30

32 34-40 13,5

 Đối với bùn có hàm lượng kim loại nặng cao, người ta có thể dung một

số chủng vi khuẩn để xử lý, trong đó có các loài 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

 T ferrooxidans là các vi khuẩn hoạt động mạnh nhất trong chất thải mỏ

do ô nhiễm axit và kim loại T ferrooxidans bắt nguồn năng lượng từ

quá trình oxy hóa của sắt II thành sắt III

 Ferrooxidans khả năng oxy hóa kim loại từ quặng Về cơ bản, A ferrooxidans trao đổi chất oxy hóa có lợi vì nó có thể tấn công

không hòa tan sulfide có chứa khoáng chất (ví dụ như đồng, chì, kẽm

và niken) và bí mật họ sunfat kim loại hòa tan (19) Những dư lượng bụi được biết đến có chứa hàm lượng giá trị của kim loại mà không bị huỷ, thải bỏ Trong một thí nghiệm, trên 90% có sẵn Cu, Zn, Ni và Al

đã được lọc

III Cách tiếp cận phương pháp

Trong nhiều biện pháp xử lý ô nhiễm, biện pháp sinh học được mọi người đặc biệt quan tâm sử dụng So với các biện pháp vật lý, hoá học, biện pháp sinh học chiếm vai trò quan trọng về quy mô cũng như giá thành đâu tư, do chi phí năng lượng cho một đơn vị khối lượng chất khử là ít nhất Đặc biệt xử lý bằng biện pháp sinh học sẽ không gây tái ô nhiễm môi trường - một nhược điểm mà biện pháp hoá học hay mắc phải Biện pháp sinh học sử dụng một đặc điểm rất quý của vi sinh vật , đặc điểm đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất là khả năng đồng hoá được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau của

vi sinh vật, từ tinh bột, cellulose, cả nguồn dầu mỏ và dẫn xuất của nó đến các hợp chất cao phân tử khác như protein, lipid, cùng các kim loại nặng như chì, thuỷ ngân Thực chất của phương pháp này là nhờ hoạt động sống của vi sinh vật (sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng) để biến đổi các hợp chất hữu cơ cao phân tử

có trong nước thải thành các hợp chất đơn giản hơn Trong quá trình dinh dưỡng này vi sinh vật sẽ nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản, nên sinh khối được tăng lên

 Nghiên cứu sự hấp phụ kim loại nặng bởi vi khuẩn Bacillus subtilis có biểu

hiện polyhistidine 6x trên bề mặt tế bào

Nghiên cứu sự hấp phụ Cu2+, Ni2+ bởi vi khuẩn Bacillus subtilis được

biến đổi di truyền có mang polyhistidine trên bề mặt tế bào Tác giả đã nghiên cứu đặc điểm ảnh hưởng của pH dung dịch, nồng độ ban đầu của ion trong dung dịch lên khả năng hấp phụ kim loại; khảo sát mô hình hấp phụ đẳng nhiệt, đặc điểm gắn của ion và động học biểu kiến của sự hấp phụ

Cu2+, Ni2+ trong dung dịch bởi sinh khối vi khuẩn B subtilis

 Nghiên cứu sự hấp phụ ion kim loại bởi sinh khối nấm mốc

Tác giả đã thực hiện sàng lọc, phân lập và định danh được 5 chủng có tính kháng Cu2+ và Ni2+ thuộc 5 loài nấm mốc khác nhau là

Aspergillus niger, A oryzae, Penicillium chrysogenum, Trichoderma harziamnum và Mucor racemosus

Chủng A niger có tính kháng cao nhất được chọn làm đối tượng cho các

nghiên cứu tiếp theo về đặc điểm hấp phụ kim loại của sinh khối nấm mốc như: ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh khối và ảnh hưởng của cấu trúc, thành phần bề mặt hệ sợi của sinh khối theo thời gian nuôi cấy đến khả năng hấp phụ ion kim loại; ảnh hưởng của pH dung dịch, nồng độ ban đầu của ion trong dung dịch lên khả năng hấp phụ ion kim loại; khảo sát mô hình hấp phụ đẳng nhiệt, và động học biểu kiến của sự hấp phụ Cu2+ , Ni2+ trong

dung dịch bởi sinh khối A niger

 Nghiên cứu mô hình thực nghiệm sử dụng màng sinh khối nấm mốc A niger

để hấp phụ kim loại trong nước

Trong nội dung này, tác giả đã khảo sát hiệu quả xử lý Cu2+, Ni2+ bằng

mô hình 1 lớp và 2 lớp màng sinh khối A niger và phân tích sự thay đổi cấu trúc bề mặt màng sinh khối trước và sau khi hấp phụ Cu2+ , Ni2+ trong dung dịch

 Nghiên cứu mô hình thực nghiệm lớp cố định dựa trên sinh khối nấm mốc A niger và giá thể rơm để hấp phụ kim loại nặng trong nước

Trước tiên, tác giả đã khảo sát các đặc điểm hấp phụ kim loại nặng của giá thể rơm như đường đẳng nhiệt hấp phụ, ảnh hưởng của pH, nhiệt độ của dung dịch, nồng độ ban đầu của ion trong dung dịch đối với sự hấp phụ

Cu2+, Cd2+, phương trình động học biểu kiến của sự hấp phụ Cu2+, Cd2+ bởi rơm Tiếp theo, tác giả khảo sát mô hình thực nghiệm lớp cố định hấp phụ kim loại nặng trong dung dịch bằng giá thể rơm với các nội dung: ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, tốc độ dòng và kích thước rơm lên hiệu quả hấp phụ ion kim loại của mô hình Sau đó, tác giả đã khảo sát mô hình thực nghiệm lớp

cố định rơm – A niger để hấp phụ kim loại nặng trong dung dịch với các nội

dung: khảo sát hiệu quả loại bỏ Ni2+ của mô hình lớp cố định rơm – A

niger, ảnh hưởng của tốc độ dòng trong mô hình cố định với giá thể rơm –

nấm mốc, phân tích sự thay đổi về cấu trúc và thành phần nguyên tố bề mặt lớp cố định rơm – nấm mốc Cuối cùng, tác giả đã sử dụng phương pháp mô hình hóa thực nghiệm để tối ưu hóa các điều kiện vận hành mô hình thực

nghiệm lớp cố định dùng rơm – A niger để hấp phụ ion kim loại nặng trong

dung dịch

 Nhóm nhà khoa học do tiến sĩ F.Reith dẫn đầu thu được những hạt vàng có kích thước 0,1 - 2,5 mm nằm rải rác tại 2 mỏ vàng ở Úc và phát hiện có dấu vết của vi khuẩn trên ở 80% số vàng thu thập Từ đó, họ cho rằng vi khuẩn Ralstonia metallidurans có công dụng như các máy lọc đất siêu nhỏ, hấp thu