Nghiên cứu khả năng hấp thu một số kim loại nặng cu2 pb2 zn2 trong nước của nấm men saccharomyces cerevisiae

T ạp chí Khoa học Đại học Q uốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên C ông nghệ 23 (2007) 99-106 Nghiên cứu khả hấp thu sô' kim loại nặng (Cu2+ P b 2+, Z n 2+) nước nâm men Saccharomyces cerevisiae Nguyễn Thị Hà*, Trần Thị Hồng, Nguyễn Thị Thanh Nhàn Đỗ Thị Cẩm Vân, Lê Thị Thu Yên Khoa Môi trư ĩig , Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 334 Nguỵễĩi Trãi, Hà Nội, Việt Nam N h ậ n n g ày 20 th án g năm 2006 T ó m tắt C ác p h n g p h p tách kim loại nặn g tro n g nư ớc đ a n g đ ợ c áp d ụ n g th n g phải sử d ụ n g h o ch ất có chi p h í k h cao D o việc n g h iên u biện p h p h iệu q u ả n h p h n g p h p h ấ p th u sin h học đ ế tách kim loại n ặn g rấ t cần thiết T ro n g nghiên cử u đ ã k h ảo s t k h ả n ăn g h ấ p th u sin h học m ộ t sô' kim loại n ặn g (C u2*, Pb2* Z n 2*) Saccharomyces cerevisiae M ột s ố y ếu tô' ả n h h n g đ ế n k h ả n ăn g h ấ p th u n h pH , n ổ n g đ ộ ban đ ẩ u kim loại n ặn g đ ợ c k h ảo sát Kết q u ả cho th â y s cerevisiae sinh trư n g tốt tro n g m ôi trư n g pH = 5, kê't q u ả cũ n g p h ù h ợ p vói n g h iê n cứu tn ró c Khả n ă n g h ấ p th u ion C u 24, Pb2* Z n 2* chù y ếu xảy g iò đ ầ u b ắ t đ ẩ u q u trìn h h ấ p th u Khả n ă n g h ấp th u tăn g nông đ ộ ban đ ầu kim loại tăng Khả n ăn g h ấ p th u cự c đ ại cúa C u 2* đ t 63% sau 48 giò N đ ộ C u 2*còn lại tro n g d u n g d ịch g iảm từ 250 đ ế n 92,7m g/l; tro n g sin h khối 89m g/g K n ăn g h ấ p th u kim loại n ặn g s cerevisiae theo th ứ tự: Pb2*> C u2+> Z n 2*, vói n ổ n g đ ộ đ ẩ u v 50m g/l, sau 48 giò nổ n g đ ộ Pb2f, C u 2* Z n 2* tro n g d ịch giảm x u ống tư n g ứ n g 2,8; 37,5 39,5mg/l H iệu su ất h ấ p th u đ t tư n g ứ ng 95; 25 21% Kết q u ả cho thây s cerevỉsiae có khả n ăn g h ấ p thu kim loại n ặ n g k h t ố t tu y n h iên cẩn p h ải tiến h n h nghiên u v ề c h ế q u trìn h h ấp thu; k h ả n ăn g h ấ p th u kim loại k h ác n h C r, M n, Ni, C d, H g n ặn g tro n g n c th ải th ự c tế M đẩu Ơ nhiễm mơi trư ng nưóc bời kim loại nặng (KLN) h oạt đ ộ n g khai thác m ị, cơng nghiệp mạ, luyện kim, giao thô n g vận tải, hoạt động sản xuâ't tái c h ế kim loại nặng làng n g h ề nước ta vân đ ề râ't xúc Xử lý nưóc bị nhiễm KLN cơng nghệ sinh học - giải p h áp phù h ợ p đ ế làm môi trư ng đư ợc nhiều nước th ế • Tác giả liên hệ ĐT: 84-4*8584995 E-mail: hant_m t2#vnu.edu.vn khả n ăn g h ấ p thu kim loại giới áp dụng C ông nghệ tương đốì phù hợ p với nưóc đ ang p h át triển n h Việt N am n giản, giá thành thấp khơng địi hỏi tran g thiết bị quy trinh phức tạp n h công nghệ khác Saccharomyces cerevisiae (S cerevisiae) m ột chủng nâm m en có khả sinh trường p h át triển tốt, khơng có hại phát tán vào m trường C hủng nâm m en có th ể đư ợc p h â n lập từ bã thải nhà m áy bia, rư ợ u nên có khả ứ ng dụ n g vào thực t ế [1J Trong cơng trình nghiên cứu khả n ăn g h âp thu m ột s ố kim loại nặng nư ớc nấm m en s cerevisiae khảo 100 N g u y ễ n T h ị H v n n k / T p c h í K h o a h ọ c Đ H Q G H N , K hoa h ọ c T ự N h iê n v C ô n g n g h ệ 23 (2 0 ) 9 -1 sát yếu tô' ánh hường đến hiệu hâp thu kim loại làm sờ áp d ụ n g xử lý nước ô nhiễm kim loại nặng Sử d ụ n g nấm m en s cerevisiae tro n g hấp th u KLN 2.1 Sự hâp thu kim loại s cerevisiae [2] Nârn m en s cerevisiae sinh trưởng tốt nhâ't khoảng nhiệt độ 27-33°C, pH 4,5 5,5 N ấm m en chịu độ cổn, chịu m ặn tôt chịu pH thâ'p nên nuôi môi trường axit m ạnh có thê’ giảm khả nàng nhiễm vi khuẩn lạ chúng s cerevisiae tác nhân m ang tích lũy kim loại (Pb, Hg, Cr, Mn, Cu, Zn, Cd ) vào tê' bào thê’ với m ức độ khác sinh trưởng mơi trường có m ặt KLN Các kim loại Cu, Zn, M n có ảnh hường dương tính lên hoạt động hơ hấp tốc độ phát triển cùa s cerevisiae Tác động độc hại KLN đên th ể sinh vật giảm theo trật tự: H g2*> C d2> > Cu2*> N i2*> Z n2* > Pb2+ Sự hấp thu kim loại s cerevisiae diễn tê'bào sơng tế bào chết, q trình hấp thu Cu, Zn, Pb tê'bào nấm m en s cerevĩsiae giải thích n h sau: trước tiên, Cu tham gia vào trình tổng hợp m etallo thionein, sau m etallo thionein bao quanh kim loại bào vệ S.cerevisiae khịi độc tính cùa KLN Sức đ ề kháng s cerevisiae với ion Cu2+ liên quan đến tạo thành liên kết kim loại-protein (metallo thionein), khống hóa tích tụ tạm thời khơng bào Sự tích lũy kẽm nâm m en kẽm kích thích hình thành liên kết acetaldehyde với alcohol dehydrogenase Kẽm thúc đẩy tống hợp nhân bào, thiếu kẽm kìm hãm p h át triển tê' bào Theo quan điểm di truyền học, tích lũy liên quan đến q trình trao đối chất câu trúc cùa ion kim loại Vì vậy, Cu Zn có vai trị tham gia vào câu trúc cùa Cu, Zn - peoxit dism utase, enzim đám nhiệm vai trò khử độc tê'bào nấm men Chì ngun tố khơng cẩn thiết cho vi sinh vật Chì tích luỹ tê' bào sông t ế bào chết đểu liên quan đến h iện tượng bể m ặt mà khơng có râ't liên quan đêh tư ợng hấp thu nội bào (trao đổi châ't) trừ khuếch tán 2.2 Các yếu tô' ành hường đến hấp thu KJLN s cerevisiae Các yêu tố ánh hư ờng tới q trình hâ'p thu sinh học nói chung hâp thu KLN s cerevisiae nói riêng gồm [2]: - Nhiệt độ: Trong khoảng nhiệt độ 20 - 35°c hầu a h không ảnh hư ờng tới hiệu hâ'p thu; - pH: pH coi u tơ' quan trọng nhât q trình h âp thu Giá trị pH ảnh hư ờng tới tính chất hoá học kim loại d u n g dịch, hoạt động nhóm chức sinh khơ! cạnh tranh cùa ion kim loại; - Hàm lượng sinh khôi dung dịch: hâ'p thu sinh học tăng ti lệ thuận với lượng sinh khôi vi sinh mơi trường; - Sự có mặt ion kim loại khác: Sự loại bó m ột ion kim loại có thê’ chịu tác động bời có m ặt ion kim loại khác, ví dụ, hâ'p thu U r bời sinh khôi vi khuẩn, nấm môc nârn m en bị ảnh hư ởng bời có m ặt Mg, Co, Cu, Cd, H g Pb du n g dịch; - Sự tiếp xúc tế bào nấm men ion kim loại: khả h âp thu tăng lên tăng tần sô' tiếp xúc sinh khôi tế bào vi sinh vật ion KLN P h n g p h p n g h iên cứu N ghiên cứu đư ợc thực Phịng thí nghiệm Khoa Mơi trư ờng- Đại học khoa học N g u y ễ n T h ị H v n n k / T p c h í K h o a h ọ c Đ H Q G H N , K hoa học T ự N h iê n v C ô n g n g h ệ 23 (2 0 ) 9 -1 Tự nhiên Hà Nội Viện Công nghệ Sinh học-Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam H àm lượng kim loại nặng xác định phư ơng pháp trắc q u an g phổ hấp thụ nguyên tử (máy AAS-6800- Shim adzu, Nhật) Xác định sô' nấm m en phương pháp đếm đĩa chuẩn (cây đĩa betri, mơi trư ng thạch Hasen) Các thí nghiệm lặp lại 2-3 lẩn, lây giá trị trung bình M au nước n g h iên cứu: Các m ẫu nước thải tự tạo có m ặt KLN với nồng độ tương ứng: C u 2* (50, 100, 150, 250, 300mg/l); Pb2+ (50 mg/1); Zn2+ (50mg/l) pha chê'sử d ụ n g m uôi C u S 4.5H20 ; P b (N 3)2 Z n S 4.7H20 nưóc cất hai lần bình tam giác vơ trùng Vi sin h vật n g h iên cứu: C hủng s cerevisiae Viện Công nghệ Sinh học - Viện K h o a học Công nghệ Việt Nam cung cấp, bảo quàn nhiệt độ 4°c Môi trường H ansen ni vi sinh pha nưóc cất lẩn bình tam giác vơ trùng, điều chinh pH 4,5-5 d u n g dịch PhSOi, bổ sung nưóc thải tự tạo, n ú t bơng bao kín lại giây báo, đư a vào hâp khử trùng Môi trường H ansen dịch th ể (g/1): Glucosa: 50g; Pepton: 5g; M g S 4.7H20 : 3g; KH2P 4: 3g; K2H P 4: 3g; Cao nấm men: lg Khi cấy đĩa thạch, môi trư ng bố sung 20g thạch/1 3.2 Phương pháp nuôi vi sinh môi trường dịch thể C hủng nấm m en hoạt hoá tù ấm 28°c trưóc Ni cấy cấp 1: C húng nấm m en hoạt hố vào 50ml mơi trường dinh dư ơng bình tam giác 250ml, tiên hành điểu kiện vô trùng (tủ h ú t với đèn cực tím); n ú t bơng bao kín lại giây báo, lắc (300 vịng/phút) nhiệt độ phịng 48 giị Ni cấy cấp 2: 01 C huyển 50ml sinh khơi cấp vào bình tam giác vơ trùng có chứa 500ml mơi trường dinh d ỡ ng (ti lệ 1:10), tiến hành tương tự qúa trình ni cấp 1, thu dịch sinh khôi cãp _ Ạ ' / » 3.2 Phiỉơng pháp khảo sát ảnh hường cùa pH đến trình sinh trường s cerevissiae Cho lOOml nước thài tự tạo vào bình tam giác (6 bình); cho vào bình khác lOOml nước cất lần làm đơì chứng; điều chinh pH d u n g dịch đêh giá trị: 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5; (sừ đ ụ n g du n g dịch H 2S 0,5M NaOH loãng) Bổ sung 50ml sinh khơi câp vào bình tam giác (tương đư ng 0,26g sinh khơi khơ) Khi đó, thê’ tích mơi trường 150ml, nồng độ Cu^SOmg/l, lắc nhiệt độ phòng (150 vòng/phút) Lây từ m ỗi bình tam giác lOml dịch, ly tâm (4000rpm, 20 phút); tách phần dịch trên; p hần sinh khối v s v lắng đáy sây 105°c đến khôi lượng không đổi 48 3.3 Nghiên cíeu khả hấp thu KLN nẩm men C huẩn bị bình chứa 50ml sinh khôi câ'p lOOml du n g dịch C u2* có nồng độ Cu2* tương ứ n g là: 50, 150, 250, 300mg/l Điều chinh pH v ề 5; lắc (150 vịng/phút) Lây 2ml m ẫu từ bình sau khoảng thời gian: 1; 3; 6; 12; 24 48 giờ, ly tâm (4000rpm, 20 phút) Phần dịch tách riêng đê’ xác định hàm lượng KLN cịn lại Phần sinh khơi lắng đáy sây đên khôi lượng không đổi (105°c, 48 giờ) Tiên hành tương tự với d u n g dịch chứa Zn2* Pb2* 50mg/l 3.4 Phương pháp thu hồi KLN sinh khôi sau hâp thu Phần sinh khôi lắng đáy ống ly tâm rửa 2-3 lần nước cất, chuyên vào 102 N g u y ễ n T h ị H v n n k / T p c h í K h o a h ọ c Đ H Q G H N , K h o a h ọ c T ự N h iê n v C ô n g n g h ệ 23 (2 0 ) 9 -1 c h ế sinh trư n g s cerevisiae cùa ion C u 2+, sinh trư ng tế bào nấm m en m ôi trư ng khô n g có ion C u24 lớn mơi trư ng có m ặt ion C u2+ (nồng độ 50 mg/1) Trong hai trư n g hợp, sinh khôĩ tế b o sau đ ạt giá trị lớn môi trư ng pH = 5; khôi lư ợng sinh khôi đ t 2,71 g/1 mơi trư ng có C u 2+ 50mg/l Kê't cho thấy pH có ản h h n g đán g k ế tới p hát triển tế bào nâín m en Ảnh hư ởng có th ể giải thích tạo thành ATPase-H*, liên quan đ êh h âp thu cation tê'bào thông qua thiết lập liên kết plasm a m àng tế bào Kết quà cung p h ù hợp với nghiên cứu trưóc [3-5] T kết này, thí nghiệm đư ợc tiên hành môi trường p H =5, giá trị pH ưu cho sinh trưởng s cerevisiae chén sứ, cô cạn n u n g 500°c 24 giờ; phần tro trắng chén n u n g (oxit kim loại) hoà tan 5ml d u n g dịch axit HC1 20%, định m ức đêh 50ml nước cất hai lần xác định hàm lượng C u2* Tiên hành tương tự với m ẫu đơì chứng: lây 5ml HC1 Ĩ0% cho vào bình định m ức 50ml, định mức nưóc cất lần phân tích nơng độ ion Cu2*trong m ẫu Kết thảo luận 4.1 Kêí khảo sát khả sinh trưởĩig 5.cerevisiae phụ thuộc vào pH môi trường Ành hưởng p H môi trư ng (dung dịch khơng có có m ặt ion C u2+ 50mg/l) đến trình sinh trư ng s cerevisiae (sau giờ) chi đổ thị Đổ thị cho thây ức & JD '«D '8 £ % -5 u 73 § ị