Cơ chế và ứng dụng của các nhóm vi sinh vật đặc trưng trong quá trình xử lý kim loại nặng tiêu biểu là Hg I.. Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng
Trang 1Cơ chế và ứng dụng của các nhóm vi sinh vật đặc trưng trong quá trình xử lý kim loại nặng
( tiêu biểu là Hg )
I Giới thiệu về kim loại Hgvà các nhóm vi sinh vật xử lý kim loại Hg
1 Giới thiệu về kim loại Hg
Theo từ điển KHKT do NXBKH&KT Hà Nội năm 2000, kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm 3 Ví dụ: Hg, Cd, Pb, As, Sb, Cr, Cu, Zn, Mn, Một số kim loại nặng có thể cần thiết cho sinh vật, chúng được xem là nguyên
tố vi lượng Một số không cần thiết cho sự sống Khi đi vào cơ thể sinh vật có thể không gây độc hại gì Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép
Thủy ngân là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký
hiệu Hg và số nguyên tử 80 Là một kim loại nặng có ánh bạc, thủy ngân là một nguyên tố kim loại được biết có dạng lỏng ở nhiệt độ thường.Ứng dụng trong công nghiệp, trong y học như sản xuất và bảo quản văc xin trong phòng thí nghiệm, trong nông nghiệp: xử lí hạt giống nấm, chống sâu bệnh
Nguồn thải: Thuỷ ngân đưa vào môi trường từ các chất thải, bụi khói của
các nhà máy luyện kim, sản xuất đèn huỳnh quang, nhiệt kế, thuốc bảo vệ thực vật, bột giấy…
Tác hại: Thủy ngân là nguyên tố lỏng ít độc, nhưng hơi, các hợp chất và
muối của nó là rất độc và là nguyên tố gây ra các tổn thương não và gan khi con người tiếp xúc, hít thở hay ăn phải
Thủy ngân vô cơ và hữu cơ đều là các chất độc mạnh đối với sinh vật Thủy ngân kìm hãm khả năng tự làm sạch của nước ngay ở nồng độ 18 µg/l Tảo và một
số vi sinh vật trong nước biển có khả năng tích lũy Hg với hệ số 500 – 100000 lần Đối tượng Hg gây hại là thận và hệ thần kinh trung ương, có thể gây chết người trong một số trường hợp đặc biệt Dạng độc của hợp chất thủy ngân là metyl thủy ngân (CH3Hg+) độc đến mức chỉ vài micro lít rơi vào da có thể gây tử vong
Liều gây chết 50% ( LC50 ) đối với cá thí nghiệm nuôi trong 96 giờ của Hg
là 33 – 400 µg/l Nếu nuốt phải thuỷ ngân kim loại thì sau đó sẽ được thải ra mà không gây hậu quả nghiêm trọng Nhưng thuỷ ngân dễ bay hơi ở nhiệt độ thường nên nếu hít phải sẽ rất độc Thuỷ ngân có khả năng phản ứng với axit amin chứa lưu huỳnh, các hemoglobin, abumin; có khả năng liên kết màng tế bào, làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân bằng axit bazơ của các mô, làm thiếu hụt năng lượng cung cấp cho tế bào thần kinh Trẻ em bị ngộ độc thuỷ ngân sẽ bị phân liệt, co giật không chủ động 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 Hg tối đa cho phép của WHO trong nước uống là 1mg/l; nước nuôi thuỷ sản là 0,5mg/l
Ứng dụng: trong
Trang 22 Các nhóm vi sinh vật xử lý kim loại Hg ( hấp thụ và chuyển hóa Hg )
Nhờ khả năng hấp thụ các kim loại của nhóm vi khuẩn khử sulfate lên bề mặt tế bào VSV 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 Một số VSV đại diện có thể hấp thụ và chuyển hóa Hg:
Vi khuẩn escherichia coli ( E.coli ) Vi khuẩn pseudomonas
Vi khuẩn
clostridium
Vi khuẩn Saccharomyces cerevisiae
II Cơ chế và ứng dụng của nhóm vi sinh vật đặc trưng trong quá trình xử lý kim
loại nặng ( kim loại Hg )
1 Cơ chế của các nhóm vi sinh vật đặc trưng trong quá trình xử lý kim loại nặng ( kim loại Hg )
- Hấp thụ sinh học : gồm 2 pha
o Pha thứ nhất : pha hấp thụ sinh học Nồng độ kim loại nằm trên bề mặt tế bào có mối quan hệ tuyến tính với nồng độ kim loại nằm trong nước thải, tức là ion kim loại sẽ bị hút trên bề mặt của VSV và kết nối các kim loại nặng vào mạch của chúng
o Pha thứ hai : pha hấp thụ nội bào hay sự tích tụ sinh học
Sự hấp thụ nội bào này liên kết tạo phúc của kim loại trong nhân tế bào, các kim loại này được giữ trong nhân tế bào ( nó hấp thu vào trong nhân để thực hiện quá trình chuyển hóa sinh học bằng 2 con đường chuyển hóa trực tiếp hoặc chuyển hóa gián tiếp)
Ví dụ: các chủng vi khuẩn có khả năng tách kim loại bằng cơ chế hấp thụ sinh học
bao gồm :
Trang 3Bacillus sp Actinomycetes
Thiobacillus ferrooxidans
- Chuyển hóa sinh học:
Vi Sinh Vật Trực tiếp
Chuyển hóa
sinh học
Gián tiếp
Chuyển hóa một chất khác
Enzyme
Trang 4- Chuyển hóa trực tiếp :
Sử dụng các vi sinh vật, enzyme có chức năng Oxh-khử để trực tiếp chuyển hóa kim loại ở dạng độc về dạng ít độc hơn hoặc không độc
Ví dụ : vi khuẩn E.coli và Thiobacillus ferrooxydans sử dụng ion kim loại
làm chất nhận điện tử cho quá trình hô hấp kị khí (Hg0 ít độc )
Hg2+ + H2 Hg0 + 2H+
- Chuyển hóa gián tiếp :
Ví dụ: vi khuẩn Thiobacillus có khả năng tạo ra ion S2-, SO32- để tạo kết tủa với Hg2+ thành kết tủa HgS, HgSO3,…
Cả 2 con đường chuyển hóa giúp cho quá trình tách Hg được dể dàng và ngăn chặn phản ứng metyl hóa ( Hg2+ tạo thành HgCH3+ ( metyl thủy ngân) hoặc Hg(CH3)2 (dimetyl thủy ngân) có xúc tác enzym Methylcobalamin) trong điều kiện hiếu khí hoặc khử sulfate
2 Ứng dụng ứng dụng của nhóm vi sinh vật đặc trưng trong quá trình xử lý kim loại nặng ( kim loại Hg )
Trong số những vi sinh vật ở môi trường đất và nước có những loài chịu đựng được tính độc của các ion kim loại ở những nồng độ nhất định và phát triển được bình thường Như chúng ta đã biết, vi sinh vật phát triển sẽ dần làm sạch môi trường Quá trình phát triển của chúng sẽ dung các chất hữu cơ làm thức ăn,
sử dụng NH4 + hoặc NO3 - và PO4 3+ vào xây dựng tế bào, đồng thời hấp thu các 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 khuẩn… Quá trình hấp thu các ion kim loại nặng có thể chia thành các giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1:
o Tích tụ các kim loại nặng và lắng sinh khối, làm giảm nồng độ kim loại trong nước
- Giai đoạn 2:
o Sau quá trình phát triển ở mức tối đa sinh khối, vi sinh vật thường láng xuống đáy bùn hoặc kết thành mảng nổi trên bề mặt và phải lọc hoặc thu sinh khối ra khỏi môi trường nước
Việc xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật đã giải quyết được những khó khăn, lo lắng về môi trường, khi mà nó vừa mang lại hiệu quả cao, chi phí thấp hơn rất nhiều so với các phương pháp khác, mà lại đảm bảo than thiện với môi trường