Báo cáo chuyên đề Công nghệ sinh học môi trường: Ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật cung cấp đến các bạn những kiến thức về tìm hiểu chung về kim loại nặng, cơ sở khoa học của phương pháp, cách tiếp cận phương pháp, ưu điểm nhược điểm, phương pháp xử lí kim loại nặng bằng việc kết hợp thực vật và vi sinh vật 13. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết tài liệu.
GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP.HCM KHOA MƠI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUN BÁO CÁO CHUN ĐỀ Cơng Nghệ Sinh Học Mơi Trường Đề tài: ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÍ KIM LOẠI NẶNG BẰNG VI SINH VẬT Nhóm 5: Đỗ Minh Quân Phan Nguyễn Phát Phạm Hữu Thái Sơn Lê Thị Thùy Loan Nguyễn Thị Thanh Tâm 14163216 14163202 14163227 14163134 14163233 GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh MỤC LỤC 3Chun đề: Ứng dụng cơng nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh A ĐẶT VẤN ĐỀ Như chúng ta đã biết, vấn đề về ơ nhiễm kim loại nặng đang trở nên phổ biến trên thế giới. Trong tự nhiên, kim loại nặng tồn tại trong ba mơi trường là mơi trường khí, mơi trường nước, mơi trường đất. Trong cơng nghiệp, kim loại nặng được sử dụng rộng rãi trong một số hoạt động cơng nghiệp trên hầu hết các quốc gia. Kim loại nặng có thể được coi là ngun 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 q mức nhu cầu sử dụng của vi sinh vật Trong sự phát triển chung của nền kinh tế nước nhà, ngành cơng nghiệp đóng một vai trị vơ cùng quan trọng. Tuy nhiên, mặt trái của sự phát triển này chính là vấn đề ơ nhiễm mơi 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 mơi trường cũng như sức khỏe cộng đồng, làm ảnh hưởng lớn đến đời sống của các sinh vật. Một trong những ngun nhân gây ra sự tác hại đó chính là sự ơ 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 th ải của nhiều ngành cơng nghiệp với nồng độ vượt q giới hạn cho phép sẽ gây những tác động tiêu cực tới mơi trường. Đứng trước những thách thức đó, việc đi tìm lời giải cho bài tốn mơi trường nói chung và vấn đề xử lý nước thải ơ 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 mơi trường do ít hoặc khơng phải bổ sung các hóa chất vào dịng thải nên khơng gây các ảnh hưởng thứ cấp tới mơi trường mà cịn có thể thu hồi kim loại. Ä 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 mơi trường, người ta đã sử dụng vi sinh vật làm sạch mơi 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. Ngồi ra phương pháp sử dụng vi sinh vật để xử lý 4Chun đề: Ứng dụng cơng nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh với giá thành khá thấp và thu nhận kim loại 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 chun đề này B I NỘI DUNG Tìm hiểu chung về kim loại nặng Định nghĩa: "Kim loại nặng" hay cịn gọi là "ngun tố vết" là những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm3. Chúng có thể tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thủy quyển (các muối hịa tan), địa quyển (dạng rắn khơng tan, khống, quặng, ) và sinh quyển (trong cơ thể con người, động thực vật) Nguồn gốc: Hầu hết kim loại nước tồn dạng ion, chúng có nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo: Ảnh hưởng đến sinh vật Một số kim loại cần cho sự phát triển của sinh vật và chúng được coi là ngun tố vi lượng. Một số khơng cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật có thể khơng gây nguy hiểm gì. Kim loại nặng gây độc hại với mơi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt qua tiêu chuẩn cho phép 5Chun đề: Ứng dụng cơng nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh 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 ngun 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 q trình chuyển hóa canxi bằng cách kìm hãm sự chuyển hóa vitamin D Ä 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 mơ, 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 q trình phân chia tế bào Ä Nồng độ tối đa cho phép của WHO trong nước uống là 1mg/l, nước ni 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 q trình photpho hóa, gây ung thư tiểu mơ da, phổi, phế quản, 6Chun đề: Ứng dụng cơng nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh xoang, Ä 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 thận và xương, gây nhiễu hoạt động của mơt 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 Ä 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 Ä Tiêu chuẩn WHO quy định hàm lương Crom nước uống 0,005mg/l II. Cơ sở khoa học của phương pháp 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 q 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 Tiêp cân h ́ ̣ ương nghiên c ́ ưu m ́ ơi: s ́ ử dung vât liêu co nguôn gôc la VSV ̣ ̣ ̣ ́ ̀ ́ ̀ thân thiên v ̣ ơi môi tr ́ ương đông th ̀ ̀ ời co thê thu hôi kim loai va tai s ́ ̉ ̀ ̣ ̀ ́ ử dung ̣ Đong gop cac vât liêu m ́ ́ ́ ̣ ̣ ơi vao danh sach nh ́ ̀ ́ ưng vât liêu m ̃ ̣ ̣ ới co kha năng ́ ̉ loai bo kim loai năng ̣ ̉ ̣ ̣ Gop phân lam ro nguyên ly va đông hoc cua qua trinh x ́ ̀ ̀ ̃ ́ ̀ ̣ ̣ ̉ ́ ̀ ử ly kim loai năng ́ ̣ ̣ băng sinh khôi cua vi sinh v ̀ ́ ̉ ật Cac kêt qua nghiên c ́ ́ ̉ ứu vê kha năng loai bo Pb(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II), ̀ ̉ ̣ ̉ Ni(II) va Cr(VI) co hiêu qua ro rêt vê măt x ̀ ́ ̣ ̉ ̃ ̣ ̀ ̣ ử ly kim loai năng cung nh ́ ̣ ̣ ̃ ư hiêu qua vê kinh tê ̣ ̉ ̀ ́ Vât liêu sinh hoc co ̣ ̣ ̣ ́ưu thê l ́ ớn la dê hinh thanh, gia thanh thâp, it đôc hai, ̀ ̃ ̀ ̀ ́ ̀ ́ ́ ̣ ̣ hiêu qua x ̣ ̉ ử ly tôt, it hoa chât, chât l ́ ́ ́ ́ ́ ́ ượng thai tao ra nho va dê x ̉ ̣ ̉ ̀ ̃ ử ly, co ́ ́ thê tai tao lai vât liêu hâp phu ̉ ́ ̣ ̣ ̣ ̣ ́ ̣ 7Chun đề: Ứng dụng cơng nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh 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 q trình bị động, theo gradient nồng độ mà khơng sử dụng năng lượng và có thể trung gian qua các tế bào không hoạt động Phương pháp sinh học a. Nguyên lý Hâp thu lên bê măt tê bao nh ́ ̣ ̀ ̣ ́ ̀ ờ cac nhom ch ́ ́ ưc trên thanh tê bao: ́ ̀ ́ ̀ COOH, OH, phenol,… co thê tao ph ́ ̉ ̣ ưc v ́ ơi ion kim loai ́ ̣ Hâp thu chu đông va tich tu ion kim loai trong tê bao nh ́ ̣ ̉ ̣ ̀ ́ ̣ ̣ ́ ̀ ờ hê thông ̣ ́ vân chuyên chu đông ng ̣ cGradientnụngụ b.Cchcaphngphỏp ỵ Phngphỏpsinhhclphngphỏpsdngnhngvisinhvt ctrngch xuthintrongmụitrngb ụnhimkimloinng vcúkhnngtớchlykimloinngtrongcth. ỵ Cỏcvi sinhvtthngs dngnh to,nm,vikhun,v.v Ngồi ra cịn có một số lồi thực vật sống trong mơi trường ơ 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 mơi 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 q 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 mơi trường nước d. Một số vi sinh vât tham gia ̣ Chlorella vulgaris 8Chun đề: Ứng dụng cơng nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh Co thê x ́ ̉ ử ly Ni, Cu: ́ Nông đô 5ppm kêt qua x ̀ ̣ ́ ̉ ử ly đat trên 90% Cu va gân 70% Ni trong vong 60 ́ ̣ ̀ ̀ ̀ phut đê tăng hiêu qua x ́ ̉ ̣ ̉ ử ly t ́ ừ 5pp đên 50ppm hiêu qua x ́ ̣ ̉ ử ly con khoang ́ ̀ ̉ 10 – 20% trong vong 120 phut ̀ ́ Scendesmus abudans Kha năng hâp thu cadimi la 62mg/l ̉ ́ ̣ ̀ (theo nghiên cưú cuả Patricia A.Terry) khoang ̉ 36 giơ ̀ Saccharomyces cerevisiae: 2+ Hâp thu môt sô Kim loai năng: Cu ́ ̣ ̣ ́ ̣ ̣ , 2+ 2+ Pb , Zn Kha năng hâp thu theo ̉ ́ 2+ 2+ 2+ thứ tự Pb , Cu , Zn , 48h nông đô giam xuông t ̀ ̣ ̉ ́ ương ưng con ́ ̀ 37.5, 3905 mg/l Nấm men S. cerevisiae Sinh trưởng tốt nhất trong khoảng nhiệt độ 27330C, pH 4,5 – 5,5. Chịu được độ cồn, chịu mặn tốt và chịu được pH thấp Nên khi ni cấy trong mơi 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 mơi trường có mặt các kim loại nặng này. Các kim loại Cu, Zn, Mn có ảnh hưởng dương tính lên hoạt động hơ hấp và tốc độ phát triển của S. 9Chun đề: Ứng dụng cơng nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh cerevisiae. Tác động độc hại của KLN đến cơ thể sinh vật giảm theo trật tự: Hg 2+ > Cd2+ > Cu2+ > Ni2+ > Zn2+ > Pb2+ . Sự hấp thu kim loại ở S. cerevisiae diễn ra ở cả t ế 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 q 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 tạo thành liên kết kim loạiprotein (metallo thionein), sự khống hóa và sự tích tụ tạm thời tại khơng 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 q 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 Ngun tố Lượng tích tụ ( % khối lượng khơ ) Vi khuẩn Vi khuẩn (170 chủng) Cadmium Vi khuẩn ( 137 chủng ) Đồng Vi khuẩn ( 19 chủng ) Bạc Vi khuẩn ( 3 chủng) Uranium 89 Actinomyceles ( 5 chủng ) Uranium 89 Streptomyces ( 12 chủng ) Uranium 214 S. viridochromogenes Uranium 30 S. lonwoodensis Uranium 44 Bacillus sp.( 9 chủng ) Uranium 35 Hỗn hợp vi khuẩn Cadmium 0,22 Hỗn hợp vi khuẩn Đồng 30 Hỗn hợp vi khuẩn Bạc 32 Citrobacter sp Chì 3440 Citrobacter sp Cadmium 0,2