Tổ chức hoạt động trải nghiệm cho học sinh trung học phổ thông trong dạy học chuyên đề công nghệ vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM BÙI THẾ CÔNG TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG TRẢI NGHIỆM CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TRONG DẠY HỌC CHUYÊN ĐỀ CƠNG NGHỆ VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ơ NHIỄM MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM BÙI THẾ CÔNG TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG TRẢI NGHIỆM CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TRONG DẠY HỌC CHUYÊN ĐỀ CƠNG NGHỆ VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ơ NHIỄM MÔI TRƯỜNG Ngành: Lý luận Phương pháp dạy học môn Sinh học Mã ngành: 8140111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thị Hằng THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Nguyễn Thị Hằng Các số liệu trích dẫn có nguồn gốc rõ ràng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm kết nghiên cứu luận văn Thái Nguyên, tháng năm 2019 Tác giả luận văn Bùi Thế Cơng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực hồn thiện luận văn, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân cịn có hướng dẫn nhiệt tình thầy cô, động viên, ủng hộ gia đình bạn bè Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến TS Nguyễn Thị Hằng tận tình giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành luận văn Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến thầy Khoa Sinh học trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên tận tình truyền đạt kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Ban giám hiệu, thầy cô giáo trường THPT Yên Ninh - tỉnh Thái Nguyên hỗ trợ tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian học tập thực luận văn Xin chân thành cảm ơn gia đình, anh chị bạn đồng nghiệp hỗ trợ, ủng hộ, giúp đỡ tơi q trình học tập hồn thiện đề tài Thái Nguyên, tháng năm 2019 Tác giả luận văn Bùi Thế Cơng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU 1 Lí lựa chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng, khách thể nghiên cứu 4 Nhiệm vụ nghiên cứu Giả thuyết khoa học Phương pháp nghiên cứu Đóng góp luận văn Chương CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Lược sử nghiên cứu hoạt động trải nghiệm dạy học trường phổ thông 1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.1.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 11 1.2 Một số vấn đề chung hoạt động trải nghiệm 13 1.2.1 Một số khái niệm 13 1.2.2 Đặc điểm hoạt động trải nghiệm 15 1.3 Đặc điểm chuyên đề học tập trường phổ thông 17 1.4 Thực trạng tổ chức hoạt động trải nghiệm dạy học trường THPT 19 1.4.1 Khái quát điều tra thực trạng 19 1.4.2 Kết nghiên cứu thực trạng 20 Kết luận chương 24 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Chương 2: THIẾT KẾ VÀ TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG TRẢI NGHIỆM CHO HỌC SINH THPT TRONG DẠY HỌC CHUYÊN ĐỀ CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG 25 2.1 Thiết kế nội dung chuyên đề Công nghệ vi sinh vật xử lí nhiễm mơi trường 25 2.1.1 Nguyên tắc thiết kế nội dung chuyên đề học tập 25 2.1.2 Quy trình thiết kế chuyên đề học tập 26 2.1.3 Nội dung chuyên đề Công nghệ vi sinh vật xử lí nhiễm mơi trường 28 2.2 Thiết kế hoạt động trải nghiệm dạy học chuyên đề Công nghệ vi sinh vật xử lí nhiễm mơi trường 29 2.2.1 Quy trình lập kế hoạch hoạt động trải nghiệm 29 2.2.2 Bản kế hoạch (giáo án) hoạt động trải nghiệm 30 2.3 Tổ chức hoạt động trải nghiệm dạy học chuyên đề Công nghệ vi sinh vật xử lí nhiễm mơi trường 38 2.3.1 Quy trình tổ chức hoạt động trải nghiệm dạy học chuyên đề 38 2.3.2 Tổ chức hoạt động trải nghiệm 39 Kết luận chương 40 Chương 3: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG TRẢI NGHIỆM TRONG DẠY HỌC CHUN ĐỀ CƠNG NGHỆ VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 41 3.1 Mục đích thực nghiệm 41 3.2 Phương pháp thực nghiệm 41 3.3 Đối tượng, thời gian địa điểm thực nghiệm sư phạm 43 3.4 Nội dung thực nghiệm sư phạm 43 3.5 Tiến trình thực nghiệm sư phạm 43 3.6 Kết thực nghiệm sư phạm 44 3.6.1 Hình ảnh 44 3.6.2 Phân tích kết thực nghiệm sư phạm 45 Kết luận chương 60 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 61 Kết luận 61 Đề nghị 61 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Thứ tự Viết tắt Chữ viết đầy đủ GD&ĐT Giáo dục Đào tạo HĐTN Hoạt động trải nghiệm GDPT Giáo dục phổ thông HĐGD Hoạt động giáo dục THPT Trung học phổ thông HS Học sinh THCS Trung học sở GV Giáo viên PPDH Phương pháp dạy học 10 TN Thực nghiệm 11 ĐC Đối chứng 12 SGK Sách giáo khoa Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân biệt môn học hoạt động trải nghiệm 15 Bảng 1.2 Hệ thống chuyên đề học tập môn Sinh học 18 Bảng 3.1 Kết phân loại kiến thức trước TN nhóm TN ĐC 46 Bảng 3.2 Thái độ học sinh trước việc làm liên quan đến môi trường 47 Bảng 3.3 Kết phân loại thái độ trước TN nhóm TN ĐC 48 Bảng 3.4 Mức độ thường xuyên thực hành vi liên quan đến môi trường học sinh 49 Bảng 3.5 Kết phân loại hành vi trước thực nghiệm nhóm TN ĐC 51 Bảng 3.6 Kết phân loại kiến thức sau TN nhóm TN ĐC 53 Bảng 3.7 Kết phân loại thái độ sau TN nhóm TN ĐC 54 Bảng 3.8 Kết phân loại hành vi sau TN nhóm TN ĐC 55 Bảng 3.9 Bảng so sánh kết phân loại kiến thức trước TN với sau TN 56 Bảng 3.10 Bảng so sánh kết phân loại thái độ trước TN với sau TN 57 Bảng 3.11 Bảng so sánh kết phân loại hành vi trước TN với sau TN 58 Bảng 3.12 Tầm quan trọng hoạt động trải nghiệm dạy học 59 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình học tập dựa vào kinh nghiệm Dewey Hình 1.2 Mơ hình học tập dựa vào kinh nghiệm Lewin Hình 1.3 Mơ hình học tập phát triển nhận thức Jean Piaget Hình 1.4 Chu trình học tập trải nghiệm theo Kolb Hình 1.5 Quan niệm GV hoạt động trải nghiệm 21 Hình 1.6 Thực trạng tổ chức HĐTN dạy học trường THPT 22 Hình 2.1 Quy trình thiết kế chuyên đề học tập 26 Hình 2.2 Quy trình tổ chức dạy học chuyên đề 38 Hình 3.1 Kết phân loại kiến thức trước thực nghiệm nhóm thực nghiệm đối chứng 46 Hình 3.2 Kết phân loại thái độ trước thực nghiệm nhóm thực nghiệm đối chứng 48 Hình 3.3 Thực trạng hành vi trước thực nghiệm nhóm thực nghiệm đối chứng 50 Hình 3.4 Kết phân loại hành vi trước thực nghiệm nhóm thực nghiệm đối chứng 51 Hình 3.5 Kết phân loại kiến thức sau thực nghiệm nhóm thực nghiệm đối chứng 53 Hình 3.6 Kết phân loại thái độ sau thực nghiệm nhóm thực nghiệm đối chứng 54 Hình 3.7 Kết phân loại hành vi sau thực nghiệm nhóm thực nghiệm đối chứng 55 Hình 3.8 Biểu đồ phân bố tỉ lệ xếp loại kiến thức trước sau TN 56 Hình 3.9 Biểu đồ phân bố tỉ lệ xếp loại thái độ trước sau TN 57 Hình 3.10 Biểu đồ phân bố tỉ lệ xếp loại hành vi trước sau TN 58 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn để người ta gọi tên loại lên men Ví dụ sản phẩm tích lũy chủ yếu lactic acid người ta gọi q trình lên men lactic Bảng 2.2 Sản phẩm số q trình lên men thơng thường [19] Sản phẩm Loại lên men Tên Công thức Carbon dioxide CO2 + + + + + + Hydrogen H2 - - - + + + Formic acid HCOOH - - - + + + Acetic acid CH3-COOH + - + + + + Lactic acid CH5-CHOH-COOH + - - + - - Propionic acid CH3-CH2-COOH - - + - - - Butyric acid CH3-CH2-CH2-COOH - - - - - + Succinic acid HOOC-CH2-CH2-COOH - - - + - - Ethanol CH3-CH2-OH + + - + + + Isobutanol CH3-CHOH-CH3 - - - - - + Butanol CH3-CH2-CH2-CH2-OH - - - - - + Acetone CH3CO-CH3 - - - - + + Acetyl methyl carbinol CH3CO-CHOH-CH3 - - - + + + - - - + + + + - + - - Butylene glycol Glycerin CH3-CHOH-CHOHCHOH-CH3 CH2OH-CH2OH-CH2OH Ghi chú: - lactic; - ethylic; - propionic; - butylen; - acetone - ethylic; acetone - butylic butyric 2.1.1 Lên men methane Vi khuẩn sinh methane loại vi khuẩn kị khí bắt buộc Chúng chuyển hóa rượu acid hữu thành CH4, CO2 sinh số acid hữu oxi hóa triệt để Methane sinh trình khử CO2 tác dụng Methanobacterium Đây chủng vi khuẩn sinh methane giống hỗn hợp Quá trình lên men đơn giản, chất cho hydrogen hydrogen phân tử: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Nguồn carbon để tạo thành CH4 CO2, methanol, formiate, nhóm methyl acetate… Cũng tùy loài vi khuẩn mà chất cho hydrogen q trình lên men khơng giống [19] p14 Bảng 2.3 Cơ chất lên men methane số loại vi khuẩn khác Loài vi khuẩn Cơ chất Nguồn carbon CH4 Methanobacterium H2 CO2 Methanosacina barkeri H2, CO, methanol, acetate CO2, CO Methanobacterium formicicum H2, CO, formiate CO2 Methanococcus vannielli H2, formiate CO2 Methanobacterium runinatlum H2, formiate CO2 Methanobacterium suboxidans Butyrate, valerate CO2 Methanobacterium sohngeni Acetate, butyrate Nhóm -CH3 Methanobacterium methanica Acetate, butyrate, methanol Nhóm -CH3 2.1.2 Lên men cellulose Trong phế thải đô thị rác thải sinh hoạt Việt Nam, thành phần chất hữu chiếm tỉ lệ khoảng 55 - 65% [23], [24], thành phần khó phân hủy cellulose Cellulose loại polysaccharide có khối lượng phân tử lớn, có cấu tạo bền vững gốc β-glucose liên kết chặt chẽ với liên kết β-1,4-glycosidic Trong tự nhiên, có nhiều chủng vi sinh vật có khả sản xuất enzyme cellulase để xúc tác cho q trình chuyển hóa cellulose thành sản phẩm cuối số acid hữu đường đơn Điều có ý nghĩa lớn việc thực vịng tuần hồn vật chất tự nhiên, góp phần quan trọng việc nâng cao độ phì nhiêu đất vào việc tiêu hóa thức ăn động vật nhai lại Các vi sinh vật thường gặp số vi khuẩn hiếu khí thuộc chi Achromobacter, Pseudomnas, Cellulomonas, Vibria, Cellvibrio, Bacillus; số vi khuẩn sống ruột loài động vật ăn cỏ Ruminococcus, Flavefaciens, Butyrivibrio, Bacteroides; loại nấm Trichoderma, Penicillium, Sporotrichum, Aspergillus; xạ khuẩn Actinomyces, Streptomyces Những loài ý Cellulomonas fimi, Trichoderma viride, Penicillium variable, Rhizoctonia solani, Micromonospora chaleca, Streptomyces cellulosae [19], [23] Cơ chế trình phân giải cellulose tóm tắt sau: Cellulose tự nhiên C1 Cellulose hoạt động Cx Trong đó: Đường hòa tan Glucosidases Glucose C1: phức hệ enzyme exocellulase Cx: phức hệ enzyme endocellulase Trong vi sinh vật tìm thấy có khả phân giải cellulose, vi khuẩn kị khí có hiệu sử dụng enzyme vi khuẩn hiếu khí Trong vi khuẩn hiếu khí sản sinh lượng lớn enzyme, vi khuẩn kị khí lại tiết kiệm vi khuẩn kị khí có hình thành p15 quan bên ngồi tế bào chúng gọi cellulosome, thể giúp phân giải cellulose Các vi sinh vật có khả lên men hemicellulose Phần lớn hemicellulose có tính chất tương đồng với cellulose, nhiên hemicellulose có khối lượng phân tử nhỏ cấu trúc đơn giản Như hemicellulose bền vững dễ phân giải cellulose Vi sinh vật phân giải hemicellulose nhanh cellulose [24] Vi sinh vật phân giải hemicellulose thường có dày động vật nhai lại trâu bò, chủ yếu giống như: Ruminococcus, Bacillus, Bacteroides, Butyvibrio, Clostridium số nấm sợi như: Aspegillus, Penicillium, Trichoderma… Trong thành phần thực vật ngồi cellulose hemicellulose cịn có lignin Lignin khác với cellulose hemicellulose chỗ hàm lượng carbon tương đối nhiều Lignin bị phân hủy số nấm vi khuẩn có khả tiết enzyme lignin peroxidase, mangan peroxidase, laccase Vi sinh vật phân giải lignin bao gồm nấm như: Basidiomycetes, Acomycetes; hay vi khuẩn như: Pseudomonas, Xanthomonas, Acinebacter, xạ khuẩn: Streptomyces [24] 2.2 Sự phân giải protein (Quá trình thối rữa) Khác với lên men, chất trình thối rữa protein Protein thành phần quan trọng xác động vật, thực vật vi sinh vật Protein thường chứa khoảng 15,0-17,6% nitrogen Sự phân giải hợp chất hữu chứa nitrogen có ý nghĩa lớn nơng nghiệp vịng tuần hồn vật chất tự nhiên Người ta cịn gọi trình phân giải trình amon hóa Muốn phân giải protein, giống hợp chất cao phân tử khác, vi sinh vật phải tiết enzyme phân giải protein ngoại bào làm chuyển hóa protein thành hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ (các polypeptide oligopeptide) Các chất tiếp tục phân hủy thành amino acid nhờ protease ngoại bào, xâm nhập vào tế bào vi sinh vật sau chuyển hóa thành amino acid Một phần amino acid vi sinh vật sử dụng trình tổng hợp protein chúng, phần khác tiếp tục phân giải theo đường khác để sinh NH4, CO2 nhiều sản phẩm trung gian khác [19] Protein Enzyme phân giải protein ngoại bào Polypeptide, oligopeptide Protease Amino acid Các amino acid nội bào Khử amin phân giải mạch carbon Khử amin Chuyển amin carbon p16 Trực tiếp sử dụng trình sinh tổng hợp protein Rất nhiều loại vi sinh vật khác tham gia vào trình amon hóa tự nhiên Đáng ý loại sau đây: - Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B.meentericus, B.subtilis, B.cereus, B.megaterium, B histoliticus, Proteus vulgaris, Chromobacterium prodigiosum, Pseudomonas fluoreseens, P.aeruginosa, P.putreficans, E.coli, Cl.sporogenes, Cl.welchii - Xạ khuẩn nấm: Streptomyces griseus, S.rimosus, S.fradiac, Aspergillus oryzac, A.flavus, A.terricola, A.niger, A.saitoi, A.awamori, A.alliaceus, Penicillium camemberti, Ceplialothecium spp Trong thể vi sinh vật, amino acid thường chuyển hóa nhờ trình khử amin trình khử carboxyl đồng thời vừa khử amin vừa khử carboxyl Các enzym xúc tác q trình khử amin oxi hóa thường đặc hiệu đồng phân L D amino acid Một số enzyme (các oxidase hiếu khí) flavoprotein oxygen phân tử đóng vai trị chất nhận hydrogen Một số enzyme khác (oxidase kị khí dehydrogenase) thực q trình vận chuyển electron làm sinh liên kết giàu lượng nhờ q trình phosphoryl hóa oxi hóa Bảng 2.4 Các kiểu phân giải amino acid Đặc tính phản ứng Không khử amin Sản phẩm phân giải amino acid Khơng khử carboxyl Có khử carboxyl R-CH(NH2)-COOH R-CH2(NH2)-CO2 Có khử amin Trực tiếp R=CH-COOH + NH3 Thủy phân + H2O → R-CO-COOH + NH3 Oxi hóa hiếu khí 1/2→R- COOH + NH3 Oxi hóa kị khí + H2O → R-CO-COOH + NH3 + 2H + H2O → R-CH2 + CO2 + NH3 + O2→ R-COOH + CO2 +NH3 + 2H2O →R-COOH + NH3 + 4H Khử +2H→R-CH2-COOH + NH3 +2H→R-CH2-CO2+NH3 Nhiều sản phẩm sinh trình phân giải amino acid (rượu, acid hữu ) tham gia vào trình phân giải sinh lượng Một số vi sinh vật có chế sinh lượng đặc biệt dựa vào trình phân giải amino acid Chẳng hạn trình phân giải arginine thành ornithine Tham gia vào q trình có ba loại enzyme khác Đầu tiên enzyme arginine deiminase xúc tác việc chuyển hóa arginine thành citrulline, sau citrulline tiếp tục chuyển hóa thành ornithine kèm theo việc hình thành ATP: Citrulline + ADP + Pi  Ornithine + CO2 + NH3 + ATP p17 Khi trình thối rữa xảy điều kiện thống khí q trình oxi hóa thường tiến hành đến cùng, hầu hết carbon chuyển thành CO2 Ngược lại trình thối rữa xảy điều kiện kị khí thường có tích lũy nhiều sản phẩm trung gian Ngoài khả phân giải protein, vi sinh vật cịn có khả phân giải số hợp chất hữu chứa nitơ khác Đáng ý khả phân giải nitrogen base, urea, uric acid, calcium cyanamide chitin Purine, pyrimidine sinh trình thủy phân nucleic acid Nhiều vi sinh vật Clotridium, E.coli, Proteus…có khả sinh enzyme xúc tác trình phân giải nitrogen base làm sinh sản phẩm CO2, NH3… Các chất tiếp tục tham gia vào trình trao đổi chất để sinh lượng Urea chất hữu chứa nitơ chủ yếu nước tiểu người động vật, nước tiểu có khoảng 2% urea Con người tìm thấy nhiều lồi vi khuẩn tham gia tích cực vào q trình phân giải urea, đáng ý là: - Cầu khuẩn: Planosarcina ureae, Micrococcus urea, Sarcina hanseni - Trực khuẩn: Bacillus pasteuri (hay Urobacillus pasteuri), Bacillus mequeli, Bacillus psichrocatericus, Bacillus amylovorvum, Pseudobacteri, Uerolyticum, Chromobacterium prodiogiosum, Proteus vulgaris… Nhiều loại nấm sợi xạ khuẩn sống đất có khả phân giải mạnh urea Quá trình phân giải urea xảy cách đơn giản với xúc tác urease: CO(NH2)2 + 2H2O → (NH4)2CO Urease (NH4)2CO2 bền vững phân giải tiếp (NH4)2CO2 = NH3 + CO2 + H2O Uric acid chất hữu chứa đạm có nước tiểu (mỗi lít nước tiểu có khoảng 0,5 g uric acid) Vi khuẩn có khả phân giải urea thường phân giải ln uric acid Chúng làm chuyển hóa uric acid thành urea 2-hydroxypropanedioic acid Urea sinh tiếp tục phân giải theo phản ứng nói Chitin hợp chất bền vững Chúng có mặt thành phần màng tế bào nhiều vi sinh vật, đồng thời thành phần quan trọng vỏ côn trùng nhiều động vật khác Chitin thường hay gặp đất chuyển hóa chúng vấn đề đáng ý Vi khuẩn Bacterium chitinovorum hay Chromobacterium chitinochroma có khả phân giải chitin mạnh nhờ chitinase Ngoài ra, số vi khuẩn khác Bacillus chitinophilum nhiều xạ khuẩn có khả phân giải chitin CHƯƠNG p18 MỘT SỐ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG 3.1 Cơng nghệ vi sinh vật xử lí nước thải Trong nước thải thường chứa nhiều chất hữu giàu dinh dưỡng nên có nhiều vi sinh vật khác nhau, phải kể đến vi khuẩn gây thối, vi khuẩn gây bệnh đường ruột, tảo số động vật nguyên sinh, có nhiều mầm bệnh truyền nhiễm nguy hại cho người động vật Tác nhân gây ô nhiễm cho nguồn nước bao gồm tác nhân hóa học kim loại nặng, anion 𝑁𝑂3− , 𝑃𝑂43− , 𝑆𝑂42− , thuốc bảo vệ thực vật; tác nhân sinh học phân, rác, nước thải sinh hoạt, xác chết sinh vật, nước rác thải bệnh viện… trình phú dưỡng sinh vật bậc thấp [12] Trong biện pháp xử lý nước thải, biện pháp sinh học quan lâm nhiều cho hiệu cao So với biện pháp vật lý hóa học biện pháp sinh học chiếm vai trò quan trọng quy mô giá thành đầu tư Đặc biệt xử lý nước thải phương pháp sinh học không gây tái ô nhiễm môi trường - nhược điểm biện pháp hóa học hay mắc phải Biện pháp sinh học lợi dụng khả đồng hóa nhiều nguồn chất khác vi sinh vật: tinh bột, cellulose, nguồn dầu mỏ dẫn xuất đến hợp chất cao phân tử protein, lipid, kim loại nặng như: chì, thuỷ ngân, arsen Thực chất phương pháp sinh học nhờ hoại động sống vi sinh vật (sử dụng hợp chất hữu số chất khoáng có nước thải làm nguồn dinh dưỡng lượng) để biến đổi hợp chất hữu cao phân tử nước thải thành hợp chất đơn giản Trong trình dinh dưỡng vi sinh vật nhận chất làm nguyên liệu để xây dựng thể sinh khối vi sinh vật tăng lên Xử lý nước thải biện pháp sinh học có nhiều ưu điểm sử dụng rộng rãi Tuy nhiên việc áp dụng biện pháp cần điều kiện định: thành phần hợp chất hữu nước thải phải chất dễ bị oxi hóa, nồng độ chất độc hại kim loại nặng phải nằm giới hạn cho phép Chính xử lý nước thải cần điều chỉnh nồng độ chất cho phù hợp Ngồi ra, điều kiện mơi trường lượng O2, pH, nhiệt độ nước thải phải nằm giới hạn định để bảo đảm sinh trưởng, phát triển bình thường vi sinh vật tham gia trình xử lý Bảng 3.1 Nồng độ giới hạn cho phép chất nước thải để xử lý theo biện pháp sinh học [22], [24] Tên chất C cp* Tên chất C cp* Acid acrylic 100 Mỡ bôi trơn 100 Rượu amylic Acid butyric 500 Đồng (ion) 0,4 Aniline 100 p19 Tên chất C cp* Tên chất C cp* Acetaldehyde 750 Metacrylamide 300 Acid benzoic 150 Rượu metylic 200 Benzene 100 Acid monochloacetic 100 Arsen (ion) 0,2 Vinyl acetate 250 Nickel (ion) Vinilinden chlorua 1000 Sản phẩm dầu 100 Vanadium (ion) Hydroquinol 15 Pyridine 400 Acid dichloacetic 100 Triethylamine 85 Dichlocyclohexane 12 Trinitrotoluene 12 Diethylamine 100 Triphenylphosphate 10 Diethyleneglycol 300 Phenol 1000 Caprolactan 100 Formaldehyde 160 Rezorcin 100 Chlobenzene 10 Amon rodanua 500 Toluene 200 Sulphanole 10 Chì (ion) Acid stearic 300 Antimon (ion) 0,2 Sulfur (theo H2S) 20 Crezol 100 Kerosene (dầu lửa) 500 Tributylphosphate 100 Lactonitryl 160 * Ghi : C cp* nồng giới hạn cho phép chất (g/m3 nước thải) 3.1.1 Xử lí nước thải điều kiện hiếu khí Để xử lí nước thải cơng nghệ vi sinh vật điều kiện hiếu khí, người ta sử dụng bùn hoạt tính màng sinh vật Bùn hoạt tính màng sinh vật thực chất tập hợp vi sinh vật khác bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, số động vật nguyên sinh Khi vi sinh vật bùn hoạt tính màng sinh vật hoạt động, chúng sử dụng hợp chất hữu chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng nguồn lượng, trình giúp phân giải chất hữu nước thải thành chất hữu đơn giản [22], [24] Khi nước thải tiếp xúc với bùn hoạt tính, chất thải có mơi trường chất hữu hòa tan, chất keo phân tử nhỏ chuyển hóa cách hấp phụ keo tụ sinh học bề mặt tế bào vi sinh vật Tiếp sau giai đoạn khuếch tán hấp phụ chất bẩn từ mặt tế bào vào tế bào qua màng bán thấm Các chất vào tế bào tác động hệ enzyme nội bào phân hủy Quá trình phân giải chất bẩn hữu xảy tế bào chất tế bào sống phản ứng oxi hóa khử biểu diễn dạng tổng quát sau: p20 Sản phẩm Các chất tổng hợp + O2 + bẩn hữu (tế bào VSV + Các chất dinh dưỡng sản phẩm khác) Sự oxi hóa hợp chất hữu số chất khoáng tế bào vi sinh vật thực nhờ vào q trình hơ hấp, nhờ lượng vi sinh vật khai thác q trình hơ hấp mà chúng tổng hợp chất để phục vụ cho trình sinh trưởng, sinh sản… Kết số lượng tế bào vi sinh vật không ngừng tăng lên [22] Vi sinh vật Sản phẩm trình oxi hóa (đường, rượu…, CO2, H2O) a Bể lọc sinh học (Biofilter) Là thiết bị xử lí nước thải dựa nguyên tắc lọc với tham gia vi sinh vật Thiết bị làm bê-tơng có dạng trịn hay hình chữ nhật có hai đáy Đáy gọi đáy dẫn lưu, cấu tạo bê-tơng cốt thép có lỗ thủng với tổng diện tích lỗ thủng nhỏ - 6% diện tích đáy Đáy xây kín, có độ dốc định để nước dễ dàng chảy phía thơng với bể lắng thứ cấp, nơi chứa nước thải sau xử lí xong Ở bể nước lưu lại thời gian ngắn để lắng cặn trước hịa vào hệ thống nước sở Chiều cao bể lọc hay cột nguyên liệu phụ thuộc vào thành phần nước thải khả oxi hóa màng sinh vật Hình 3.1 Bể lọc nước thải sinh học (Biofilter) [24] Để tạo điều kiện hiếu khí cho q trình xử lí, từ phía đáy dẫn lưu người ta cho khơng khí lên qua vật liệu lọc mang thơng khí tự nhiên hay thổi khí quạt Nước thải có chứa vi sinh vật tham gia xử lí tưới từ xuống lớp vật liệu lọc hay mang theo nguyên tắc chênh lệch Khi dòng nước thải chảy qua vật liệu lọc hay mang, vi sinh vật phát triển tạo thành màng sinh vật bám vào khắp bề mặt nguyên liệu lọc mang khu trú Như nước thải theo dòng chảy từ xuống tiếp xúc với màng sinh vật Khi xảy q trình oxi hóa chất bẩn có nước thải, để cuối đến bể lắng thứ cấp, nước thải có số nhiễm giảm nhiều so với nước thải chưa xử lí p21 Trong q trình vận hành bể lọc sinh học, sinh trưởng chết màng sinh vật xảy không ngừng Khi màng sinh vật bị chết bị tách khỏi nơi bám bị theo dòng nước chảy khỏi bể lọc, cuối lắng đọng bể lắng thứ cấp với cặn bùn [22], [23], [24] b Bể sục khí (Aeroten) Bể sục khí hệ thống bể oxi hóa có dạng hình chữ nhật ngăn làm nhiều buồng (3 - buồng) nối với bể lắng Giống bể lọc sinh học, q trình xử lí nước thải bể sục khí tiến hành nhờ hoạt động hệ vi sinh vật bùn hoạt tính Nhưng q trình sục khí thực điều kiện có thơng khí mạnh nhờ hệ thống sục khí từ đáy bể lên Cường độ thơng khí mạnh bảo đảm oxygen tối đa cho q trình oxi hóa Ở bể oxi hóa, bùn hoạt tính lấy từ bùn gốc sau qua giai đoạn khởi động hay lấy từ bể lắng cặn chuyển vào Ở bùn hoạt tính gặp oxygen khơng khí bơm vào tiến hành q trình oxi hóa khống hóa chất bẩn nước thải cách triệt để Sau chảy suốt qua buồng bể oxi hóa, nước thải chảy vào bể lắng Ở xảy trình lắng cặn xuống đáy bể, phần nước nước xử lí dẫn ngồi Trong q trình vận hành, bể oxi hóa, theo thời gian lượng bùn hoạt tính tăng lên, đồng thời tích lũy nhiều tế bào vi sinh vật già cỗi khiến hoạt tính bùn giảm Vì cho bùn hoạt tính thu bể lắng trở lại bể oxi hóa, khơng thiết cho tồn số bùn có bể lắng, mà cho phần để bảo đảm nồng độ bùn hoạt tính đạt khoảng 2- g/lít [22], [23], [24] Hình 3.2: Bể sục khí [22], [24] Xử lí nước thải bể aeroten phức tạp đòi hỏi nhiều công sức so với bể lọc sinh học Người ta phải theo dõi liên tục để kịp thời điều chỉnh số: - Nồng độ bùn hoạt tính - Chế độ thơng khí - Nồng độ chất bẩn nước thải - Nồng độ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật 3.1.2 Xử lí nước thải điều kiện kị khí p22 Quy trình xử lí nước thải biện pháp sinh học điều kiện kị khí quy trình phân huỷ sinh học kị khí hợp chất hữu chứa nước thải để tạo thành khí methane sản phẩm vơ kể CO2, NH3 * Các q trình chuyển hóa chủ yếu kị khí: + Q trình thủy phân (Hydrolysis): Muốn hấp thụ chất hữu nước thải, vi sinh vật phải thực cơng đoạn chuyển hóa Việc phải thủy phân chất có khối lượng phân tử cao thành polimer có khối lượng phân tử thấp monomer, chất hữu hấp thụ qua màng tế bào vi sinh vật Để thực trình thủy phân, vi sinh vật phải tiết hệ enzyme protease, lipase, cellulase Sau thủy phân, sản phẩm tạo thành amino acid, đường, rượu, acid béo mạch dài Quá trình thủy phân xảy chậm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhiệt độ, pH, cấu trúc chất hữu cần phân giải + Q trình acid hóa (Acidogesis): Các sản phẩm q trình thủy phân tiếp tục phân giải tác động vi sinh vật lên men acid để tạo thành acid béo dễ bay acetic acid, formic acid, propionic acid Ngồi cịn có số dạng khác methanol, ethanol, acetone, NH3, CO2 + Q trình acetate hóa (Acetogenesis): Các acid sản phẩm trình lại tiếp tục thủy phân để tạo lượng acetic acid cao Sản phẩm trình phụ thuộc vào áp suất riêng phần H2 môi trường Áp suất riêng phần H2 giữ < 103 atm để vi sinh vật biến đổi H2 thành CH4 theo phản ứng: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O Thực tế cho thấy áp suất riêng phần H2 lớn sản phẩm trình chứa nhiều acid béo trung gian propionic acid, butyric acid Do làm chậm trình tạo methane + Quá trình methane hóa (Methangenesis): Đó giai đoạn cuối trình phân huỷ sản phẩm hữu đơn giản giai đoạn trước để tạo CH4, CO2 nhờ vi khuẩn lên men methane Gồm có nhóm sau: - Nhóm biến đổi acetate: Nhóm có tốc độ phát triển chậm, địi hỏi cơng trình phải lưu chất thải thời gian dài - Nhóm biến đổi hydrogen: Nhóm có tốc độ phát triển nhanh nhiều, khả giữ áp suất riêng phần H2 thấp, tạo điều kiện tốt cho trình biển đổi acetate từ acid béo [22] a Bể tự hoại Bể tự hoại loại cơng trình xử lí nước thải loại nhỏ dùng cho hộ gia đình Loại cơng trình thực hai chức năng: lắng chuyển hóa cặn lắng nước thải (chủ yếu từ nhà vệ sinh) trình phân giải kị khí [23], [24] p23 Hình 3.3: Bể tự hoại ngăn (Nguồn: Internet) Bể bao gồm ngăn: ngăn chứa nước thải, ngăn lắng ngăn lọc: - Ngăn chứa: nước thải, chất thải xả trực tiếp trình sử dụng vào ngăn chứa lưu lại thời gian tương đối dài để chờ xử lí Các chất carbohydrate, lipid, protein có nước thải vi sinh vật lên men kị khí để phân hủy thành bùn, loại rác thải khó phân hủy đọng lại Người ta thường sử dụng vi khuẩn Bacillus subtilies, Aspergillus, Nocardia bể tự hoại Do thời gian xử lí tương đối dài nên ngăn chứa thường có khơng gian lớn nhất, chiếm khoảng 1/2 thể tích bể - Ngăn lắng: Đây nơi chứa loại chất thải khó phân hủy như: nhựa, kim loại, tóc… tầng ngăn lắng nước chúng chuyển sang ngăn lọc Các chất hữu khó phân hủy sau thời gian người chủ động nạo vét ngồi để trả lại khơng gian bể Ngăn lắng thường chiếm 1/4 thể tích bể - Ngăn lọc: Nước thải sau xử lí ngăn lắng chuyển sang ngăn lọc để lọc chất thải cịn lơ lửng trước thải mơi trường Vật liệu lọc sử dụng loại đá dăm, sỏi nhỏ Ngăn lọc chiếm khoảng 1/4 thể tích bể Hình 3.4 Một số dạng bể tự hoại ngăn thực tế (Nguồn: Internet) Sau thời gian hoạt động (thường khoảng đến năm) người ta phải hút bùn lắng bể ngoài, bùn hút sử dụng làm phân bón cho trồng trọt Tùy theo địa p24 phương gia đình, cấu tạo bể thay đổi để nâng cao hiệu suất phân giải chất thải, nhiên nguyên lí hoạt động chung loại bể tương tự b Phương pháp sản xuất khí sinh học (Biogas) Hình 3.5: Sơ đồ chế hoạt động bể Biogas (Nguồn: Theo tiếng Anh XiaoZhi Lim) Cơ sở phương pháp nhờ hoạt động vi sinh vật mà chất khó tan (cellulose, hemicellulose, lignin chất cao phân tử khác) chuyển hóa thành chất dễ tan sau tiếp tục chuyển hóa thành chất khí chủ yếu methane [23], [24] Phương pháp giúp thu số chất khí có khả cháy cho nhiệt lượng cao, sử dụng làm chất đốt gia đình Phế thải sau lên men chuyển hóa thành phân hữu có chất dinh dưỡng cao để bón cho trồng Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm là: khó lấy chất thải sau lên men; trình kị khí bắt buộc nên thiết kế bể ủ phức tạp, chi phí đầu tư lớn; suất thấp sinh trưởng chậm vi khuẩn sinh methane có mặt rác (a) (b) Hình 3.6 Bể Biogas xây gạch (a) bể composite (b) (Nguồn: Internet) p25 3.2 Cơng nghệ vi sinh vật xử lí chất thải rắn 3.2.1 Sản xuất phân hữu sinh học (compost) Phân hữu sinh học loại sản phẩm phân bón tạo thành thơng qua q trình lên men vi sinh vật hợp chất hữu có nguồn gốc khác (phế thải nơng, lâm nghiệp, phế thải chăn nuôi; phế thải chế biến; phế thải thị; phế thải sinh hoạt ), hợp chất hữu phức tạp tác động vi sinh vật hoạt chất sinh học chúng chuyển hóa thành mùn Nguyên liệu sản xuất phân hữu sinh học kể đến phế thải người, động vật, phế thải chế biến thủy hải sản, tồn dư trồng nông, lâm nghiệp (thân lá, rễ, cành cây), phế thải sinh hoạt, phế thải đô thị, phế thải sở chế biến nông, lâm sản than bùn Thông thường tồn dư ngũ cốc chứa 0,5% N, 0,6% P2O5 1,5% K2O Với phương pháp chế biến truyền thống để tạo phân hữu đảm bảo độ hoai chín cần thiết, thời gian ủ kéo dài từ đến tháng, ứng dụng công nghệ vi sinh vật chế biến phân hữu vừa giúp rút ngắn thời gian ủ, vừa nâng cao giá trị dinh dưỡng sản phẩm tạo [23], [24] Để chế biến, phế thải hữu thường cắt ngắn khoảng 5-8cm làm ẩm đưa vào hố ủ, bổ sung 5kg urea, 5kg lân super lân nung chảy cho nguyên liệu, 750ml sinh khối vi sinh vật sau 10 ngày ni cấy hồ vào 30 lít nước trộn với khối nguyên liệu Độ ẩm cuối khối nguyên liệu điều chỉnh nước để đạt 60% Để đảm bảo oxygen cho vi sinh vật hoạt động nên đảo trộn khối ủ khoảng 20 ngày lần Thời gian chế biến kéo dài khoảng đến tháng tùy thuộc thành phần nguyên liệu Hình 3.7 Quy trình sản xuất phân hữu sinh học [24] p26 Vi sinh vật trợ giúp trình chế biến phân ủ vi sinh vật lựa chọn có khả thúc đẩy nhanh q trình chuyển hóa phế thải hữu thành phân bón Thơng thường loại vi sinh vật chuyển hóa cellulose hemicellulose, loài Aspergillus niger, Trichoderma reesei, Penicillium sp, Paeceilomyces sp 3.2.2 Xử lí chất thải cơng nghiệp chế biến Theo Nguyễn Xuân Thành (2003), sử dụng số chủng giống vi sinh vật kị khí nấm: Chladomyces, Penicilium, Trichderma, Fusarium oxysporium; vi khuẩn: Sporocytophaga methanogenes; Rudbeckia hirta L để xử lí đống ủ vỏ cà phê sau 2-3 tháng làm giảm 60 - 80% cellulose so với đống ủ đối chứng Sản phẩm ủ đem phối trộn với nguyên tố khoáng vi sinh vật khác để làm phân bón cho trồng đem lại lợi ích kinh tế cao 3.3 Công nghệ vi sinh vật xử lí nhiễm mơi trường đất 3.3.1 Cơng nghệ vi sinh vật xử lí đất nhiễm độc dioxin Trong năm 2016 - 2017, nhà khoa học thuộc Hội Bảo vệ Thiên nhiên Môi trường Việt Nam (VACNE) phối hợp với Công ty BJC Hàn Quốc, Viện Khoa học Công nghệ đại dương Hàn Quốc (KIOST), Viện Độc học Hàn Quốc (KIT) tiến hành khảo sát, nghiên cứu trường thử nghiệm khả tẩy độc đất ô nhiễm dioxin sân bay A Sho, huyện A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế chủng vi khuẩn hiếu khí kị khí có hoạt tính dioxygenase Novosphingobium pentaromativorans US6-1 Corynebacterium variabile IC10 Trong thử nghiệm, khối đất bị ô nhiễm xử lí theo giai đoạn liên tục * Giai đoạn 1- Xử lí kị khí: Khối đất nhiễm nhào trộn để tạo ô nhiễm dioxin tương đối đồng khối đất Hai chủng vi sinh (khối lượng 5kg) Sodium Acetate (100kg), dưỡng chất phân NPK (20kg) phân hữu ủ từ phân chuồng (1.000kg) pha loãng với 2m3 nước khuấy trộn để phun vào khối đất cần xử lí máy phun áp lực Máy xúc liên tục đảo trộn khối đất trình phun để bảo đảm cho vi sinh phân bổ khối đất, bảo đảm độ ẩm 25-30% ủ bể kín để cách ly với mơi trường bên ngồi khoảng tháng * Giai đoạn - Xử lí hiếu khí: Sau xử lí kị khí, đất ủ bãi dỡ ra, xới trộn đều, lấy mẫu để phân tích kết xử lí kị khí, đánh thành luống Hai chủng vi sinh (5kg) phân NPK (20kg) hòa với 2m3 nước để phun dung dịch vi sinh vật vào luống đất trình xới trộn; luống đất sau phun vi sinh để ngỏ trời, cách ly với xung quanh Sau đó, tuần liên tục, định kỳ ngày/1 lần luống đất xới trộn thủ công để tiếp xúc tốt với khơng khí nhằm cung cấp đủ oxygen bổ sung nước cần thiết để giữ độ ẩm đất khoảng 25-30% Sau ủ hiếu khí tiến hành lấy mẫu để phân tích đánh giá kết Kết nghiên cứu cho thấy tổng lượng độc TEQ đất giảm khoảng 1/3 so với ban đầu, đạt hiệu suất phân hủy dioxin khoảng 35% [21] 3.3.2 Công nghệ vi sinh vật xử lí đất nhiễm độc kim loại nặng Phan Quốc Hưng (2012) tiến hành phân lập chủng vi sinh vật bao gồm vi khuẩn Bacillus subtilis, nấm men Saccharomyces cerevisea, nấm mốc Giberella moniliformis nấm p27 rễ Glomus australe có khả chống chịu tốt điều kiện đất nhiễm độc kim loại nặng Sử dụng chế phẩm bao gồm chủng vi sinh vật nói bón cho trồng thí nghiệm cho thấy chế phẩm vi sinh vật giúp tăng lượng kim loại nặng lấy khỏi đất thông qua việc nâng cao hàm lượng kim loại nặng tích lũy tăng sinh khối Sau trồng 90 ngày, hướng dương (Helianthus annuus L.) loại bỏ khỏi đất lượng kim loại nặng sau: 5,88 kg Pb/ha, 1,85 kg Zn/ha 0,45 kg Cu/ha; mương đứng (Jussiaea fissendocarpa Haines) lấy khỏi đất 5,24 kg Pb/ha, 2,07 kg Zn/ha 0,69 kg Cu/ha [11] IV Phương pháp, phương tiện, hình thức dạy học chuyên đề - Vận dụng PPDH phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo HS: Kết hợp phương pháp truyền thống với sử dụng PPDH, kỹ thuật dạy học.hiện đại (học trải nghiệm, dạy học giải vấn đề, dạy học phân hóa,…) - Phương tiện dạy học: Phù hợp với hoạt động dạy học (đã ghi chi tiết kế hoạch dạy học - mục 2.2.2 luận văn) - Hình thức dạy học: Kết hợp hình thức học cá nhân với học nhóm, học lớp với dạy ngồi lớp học V Kiểm tra, rà sốt, điều chỉnh chuyên đề Nội dung chuyên đề, kế hoạch dạy học chuyên đề tham khảo ý kiến giảng viên có chun mơn Vi sinh vật học, giáo viên dạy học Sinh học, thực nghiệm tổ chức dạy học trường THPT Yên Ninh, huyện Phú Lương, tỉnh Thái Nguyên Dựa góp ý kết thực chuyên đề, đối chiếu với yêu cầu cần đạt chương trình giáo dục phổ thơng môn Sinh học, nội dung chuyên đề chỉnh sửa cho phù hợp p28 ... VÀ TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG TRẢI NGHIỆM CHO HỌC SINH THPT TRONG DẠY HỌC CHUYÊN ĐỀ CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG 2.1 Thiết kế nội dung chuyên đề Công nghệ vi sinh vật xử lí nhiễm. ..ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM BÙI THẾ CÔNG TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG TRẢI NGHIỆM CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG TRONG DẠY HỌC CHUYÊN ĐỀ CƠNG NGHỆ VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ơ NHIỄM MÔI TRƯỜNG... thiết kế chuyên đề học tập 26 2.1.3 Nội dung chuyên đề Công nghệ vi sinh vật xử lí nhiễm mơi trường 28 2.2 Thiết kế hoạt động trải nghiệm dạy học chuyên đề Công nghệ vi sinh vật xử lí nhiễm