CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.2. Chất hoạt hóa bề mặt sinh học (CHHBMSH)
1.2.3. Tính chất của chất hoạt hóa bề mặt sinh học
1.2.3.1. Hoạt tính bề mặt
Chất hoạt hóa bề mặt có hoạt tính tốt, có thể làm giảm sức căng bề mặt của nước
từ 72 mN/m xuống 1 mN/m [48]. Ví dụ Sophorolipid (do Torulopsis bombicola tạo ra)
làm giảm sức căng bề mặt của nước xuống 33 mN/m và làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha nước và hexandecan xuống 5 mN/m [30]. Rhamnolipid làm giảm sức căng bề mặt của nước xuống 26 mN/m và sức căng bề mặt giữa pha nước với hexadecan xuống dưới 1mN/m [47].
1.2.3.2. Khả năng chịu nhiệt, pH và chịu lực ion
Nhiều CHHBMSH và hoạt tính bề mặt của chúng khơng bị ảnh hưởng bởi các
điều kiện mơi trường như nhiệt độ, pH. Ví dụ chất lychenysin từ Bacillus licheniformis
JF-2 không bị tác động bởi nhiệt độ (trên 500C), pH (4,5-9,0), nồng độ NaCl lên tới 50 g/l và nồng độ Ca2+ lên đến 25 g/l [38]. Một lipopeptide từ Bacillus subtilis LB5a vẫn
giữ được ổn định sau khi khử trùng (1210C/20 phút) và sau 6 tháng bảo quản ở -180C, hoạt tính bề mặt khơng thay đổi khi pH từ 5-11 và chịu được nồng độ NaCl lên tới 20% [46].
1.2.3.3. Khả năng phân hủy sinh học và tính độc thấp
Khơng giống như các chất hoạt hố bề mặt hoá học, các CHHBMSH được phân huỷ dễ dàng. Do đó, chúng đặc biệt thích hợp với các ứng dụng liên quan đến môi trường như phục hồi sinh học và xử lý ơ nhiễm mơi trường [38, 46 ].
Nhìn chung, các CHHBMSH là các sản phẩm có độc tính rất thấp hoặc khơng độc. Do đó, chúng rất thích hợp trong các ngành cơng nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm. Các nhà khoa học đã chứng minh CHHBMSH Corexit có giá trị LC50 (nồng độ tối thiểu gây chết 50% số cá thể nghiên cứu) đối với vi khuẩn chỉ thị
Photobacterium phosphoreum thấp hơn 10 lần so với rhamnolipids được tổng hợp hoá
học. Chất hoạt hóa bề mặt sinh học do Pseudomonas aeruginosa được so sánh với chất
hoạt hoá bề mặt hoá học Marlon A-350 về phương diện gây độc và gây đột biến. Các phân tích đều cho thấy Marlon A-350 có khả năng gây độc và gây đột biến, còn
CHHBMSH do Pseudomonas aeruginosa được đánh giá là tác nhân không gây độc,
không gây đột biến [36].
1.2.3.4. Sự hình thành nhũ hóa của CHHBMSH
Các CHHBMSH có thể làm ổn định hoặc làm mất ổn định dạng nhũ hố. Nói chung, các CHHBMSH khối lượng phân tử cao có khả năng nhũ hố tốt hơn so với các
CHHBMSH khối lượng phân tử thấp. Sophorolipid từ T. bombicola có khả năng làm giảm
sức căng bề mặt, tuy nhiên khả năng nhũ hố của chúng lại khơng cao. Ngược lại, liposan không làm giảm sức căng bề mặt nhưng có khả năng nhũ hoá dầu ăn rất tốt. Các CHHBMSH cao phân tử có nhiều lợi thế hơn bởi vì chúng bao phủ các giọt dầu, do đó hình thành dạng nhũ hố ổn định [35].
1.2.3.5. Đa dạng về cấu trúc hóa học
Mỗi lồi vi sinh vật khác nhau có thể tạo ra các loại CHHBMSH có bản chất hóa học và trọng lượng phân tử khác nhau, do đó CHHBMSH rất đa dạng về mặt cấu trúc. Tính đa dạng về mặt hóa học của CHHBMSH tạo ra một sự đa dạng về các chất có hoạt tính bề mặt với các thuộc tính như tạo nhũ, giữ ẩm, tạo bọt, làm ướt…có liên quan chặt chẽ tới các ứng dụng của CHHBMSH [10].
1.2.4. Vi sinh vật có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học
Lần đầu tiên Bayer và Gutnik (1950) đã phát hiện vi khuẩn Acinetotacter
calcoaceticus RAG - 1 có khả năng tạo CHHBMSH. Sau đó La Rivie (1955) phát hiện
ra khả năng ứng dụng các chất này trong khai thác dầu khí [8, 9]. Và hiện nay là ứng dụng CHHBMSH trong các ngành công nghiệp và xử lý môi trường. Từ những năm 50 đến nay, nhiều nhà khoa học đã khơng ngừng tìm kiếm và phát hiện ra những lồi vi sinh vật có khả năng tạo CHHBMSH [9].
Các lồi vi sinh vật khác nhau có thể tạo ra các loại CHHBMSH có bản chất hóa học và trọng lượng phân tử khác nhau. Các nhà khoa học đã tách chiết và mơ tả được bản chất hóa học của các CHHBMSH do một số chủng vi sinh vật tạo ra. Banat (1992) đã tổng kết được một số vi sinh vật có khả năng sinh CHHBMSH và bản chất hóa học của từng chất do các chủng tương ứng tạo ra ở Bảng 1.6.
Hiện nay, Vi khuẩn là đối tượng được quan tâm nhiều nhất trong các vi sinh vật tạo CHHBMSH vì dễ ni cấy, chu kỳ sinh trưởng ngắn, tạo ra lượng sinh khối lớn…[10]
Bảng 1.3: Một số lồi vi sinh vật có khả năng tạo CHHBMSH
Tên vi sinh vật Bản chất hoá học của CHHBMSH
Acinetobacter sp. Phospholipid
ArthrobacterRAG-1 Hetropolysaccharide
ArthrobacterMIS38 Lipopeptide
Arthrobacter Trechalose, saccharose, fructose
Bacillus licheniformisJF-2 Lipopeptide
Bacillus subtilis Sufactin
Bacillus pumilusA1 Sufactin
Bacillus sp.AB-2 Rhamnolipid
Bacillussp. C-14 Hydrocarbon-lipid-protein
Candida antarctica Mannosylethritol lipid
Candida bombicola Sophorose lipid
Candida tropicalis Mannan
Candida lipolyticaY-917 Sophorose lipid
Clostridium pasteuriannum Lipid trung tính
Corynebacterium insidiosum Phospholipid
Corynebacterium lepus Axit béo
Chủng MM1 Glucose, lipid & axit hydroxydecanoic
Nocardia erythropolis Lipid trung tính
Ochrobactrum anthropii Protein
Penicillum spiculisporum Axit spiculosporic
Pseudomonas aeruginosa Rhamnolipid
Pseudomonas fluorescens Lipopeptide
Phaffia rhodozyma Hydratecarbon-lipid
Rhodococcus erythropolis Trehalose dicorynomycolat
Rhodococcussp.ST-5 Glycolipid
Rhodococcussp.H13-A Glycolipid
Rhodococcussp. Polysaccharide
Torulopsis bombicola Sophorose lipid
1.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học học
1.2.5.1. Ảnh hưởng của nguồn cacbon
Nguồn cacbon rất quan trọng trong quá trình tạo CHHBMSH của vi khuẩn. Nguồn cacbon thường được dùng để tổng hợp CHHBMSH bao gồm: cacbonhydrate, hydrocacbon và dầu thực vật. Một số vi khuẩn chỉ tổng hợp CHHBMSH trên nguồn cơ chất là cacbonhydrate, một số khác chỉ tổng hợp CHHBMSH trên nguồn cơ chất là hydrocacbon, cịn một số khác có thể tổng hợp trên cả hai nguồn cơ chất trên.
Đối với cacbonhydrate, hầu hết CHHBMSH được tạo thành trên các nguồn đường tinh khiết, đắt tiền. Ví dụ như để tạo CHHBSMH có chứa các phân tử đường như glucose, fructose, succrose (liên kết với lipid để tạo CHHBMSH) thì vi khuẩn
Corynebacterium, Brevibacterium phải được nuôi cấy trong mơi trường có đường
tương ứng. Một số chất hòa tan trong nước như mannitol, glycerol và ethanol cũng đã
được dùng cho tổng hợp rhamnolipid nhờ vi khuẩn Pseudomonas sp. [36].
Chiều dài mạnh cacbon của cơ chất hydrocacbon cũng tác động đến sự tạo
CHHBMSH. Sản phẩm CHHBMSH tối ưu thu được khi nuôi cấy Corynebacterium
hydrocacboclastus với các alkane mạnh thẳng có số lượng phân tử cacbon từ 12 đến
14. Trong khi đó, Rhodococcus erythropolis tạo CHHBMSH tốt nhất với các alkane có
mạch cacbon từ 12 đến 18 [48].
Tổng kết từ nhiều nghiên cứu khác nhau về ảnh hưởng của nguồn cacbon đến sự tạo CHHBMSH cho thấy nguồn cacbon khác nhau có thể quyết định thành phần cấu
tạo của CHHBMSH và cách chúng được tổng hợp như thế nào. Arthrobacter tạo ra
75% CHHBMSH ngoại bào khi nuôi cấy trên mơi trường có acetate hoặc ethanol, nhưng CHHBMSH hồn tồn là chất tiết ngoại bào khi ni chủng này phát triển trên mơi trường có chứa hydrocacbon [48].
1.2.5.2. Ảnh hưởng của nguồn nitơ
Nguồn nitơ trong môi trường cũng ảnh hưởng lớn đến sự tạo CHHBMSH. Chúng cũng góp phần vào điều khiển pH của mơi trường. Nguồn nitơ hữu cơ bao gồm gluten, nấm men thủy phân, mầm ngũ cốc, urê... nguồn nitơ vô cơ như ammonium
nitrate, ammonium sulphate… Arthrobacter paraffineus sử dụng muối ammonium để tổng hợp CHHBMSH, còn muối nitrate lại được Pseudomonas aeruginosa sử dụng để tạo lượng CHHBMSH rất lớn. Bacillus subtilis cũng sử dụng ammonium nitrate là
nguồn cơ chất và tạo lượng CHHBMSH lớn hơn khi dùng ammonium chloride hay sodium nitrate [36].
1.2.5.3. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường
Điều kiện phát triển và các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH, tốc độ khuấy và ôxy sẽ ảnh hưởng đến sự tạo CHHBMSH.
Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến sự thay đổi trong thành phần của CHHBMSH
tạo ra bởi Pseudomonas sp. DSM-2874. Chủng ưa nhiệt Bacillus sp. có thể phát triển
và tạo CHHBMSH ở nhiệt độ trên 400C. Tuy vậy, khi xử lý nhiệt một số CHHBMSH khơng làm thay đổi hoạt tính bề mặt cũng như khả năng nhũ hóa của các chất này [ 27].
pH trong mơi trường đóng vai trị quan trọng trong quá trình tổng hợp
sophorolipid bởi Torulopsis bambicola. Tuy nhiên, sự tạo thành penta-và disaccharide lipid bởi Nocardia corynebacteroides không bị ảnh hưởng trong dải pH từ 6,5 đến 8,0
[35, 47].
1.2.6. Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong công nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trường
Chất hoạt hóa bề mặt được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, khai thác khống sản, dầu khí và xử lý ơ nhiễm môi trường, và mới đây là xử lý môi trường ô nhiễm kim loại nặng. Sau đây là một số ví dụ về ứng dụng của CHHBMSH trong đời sống.
- Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mềm cho vải sợi, chất trợ nhuộm,
- Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa cho bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp,
-Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa, chất tạo bọt,
- Trong ngành in: Chất trợ ngấm và phân tán mực in,
- Trong nông nghiệp: Chất dễ gia công thuốc bảo vệ thực vật,
- Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ đóng rắn của bê tơng.
- Trong dầu khí: chất nhũ hóa dung dịch khoan,…
- Trong cơng nghiệp khống sản: Làm chất tuyển nổi, chất nhũ hóa, chất tạo bọt để làm giàu khống sản.
- Trong xử lý ô nhiễm môi trường: xử lý ô nhiễm dầu, ô nhiễm kim loại nặng trong đất, nước và trầm tích.
Gần đây, nghiên cứu ứng dụng CHHBMSH trong xử lý môi trường ô nhiễm kim loại nặng đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Tuy nhiên, ở Việt Nam chưa có nghiên cứu nào được cơng bố.
1.3. Một số phương pháp xử lý kim loại nặng
Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý đất nhiễm kim loại nặng nói chung cũng như nhiễm Chì và Cadimi nói riêng, như các phương pháp hóa học, hóa lý và sinh học được trình bày dưới đây.
1.3.1. Xử lý bằng phương pháp hóa học: Phương pháp hóa học là phương pháp
dùng các tác nhân hóa học để loại bỏ hoặc chuyển hóa (làm thay đổi bản chất) kim loại nặng trong đất.
1.3.2. Xử lý bằng phương pháp hóa lý
Các phương pháp hóa lý phổ biến được ứng dụng để xử lý kim loại nặng bao gồm: phương pháp kết tủa, phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, phương pháp oxy hóa – khử …
Phương pháp kết tủa
Phương pháp kết tủa hóa học là phương pháp dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào đất với kim loại nặng, ở pH thích hợp kim loại nặng được kết tủa. Đây là biện pháp nhằm hạn chế sự linh động của KLN trong đât.
Trong đất trung tính hoặc kiềm do bón vơi, Cd bị kết tủa dưới dạng CdCO3 và trở nên ít linh động hơn. Theo Zupan và cs (1997), khi bón vơi và khống cho cây trồng ở vùng đất bị ô nhiễm đã làm giảm sự hấp thu Cd vào cây [61]. Biện pháp này cũng được ứng dụng với Pb, bón vơi có thể làm giảm độ hồ tan của Pb. Ở pH cao, Pb có thể bị kết tủa dưới dạng hyđrôxyt, phosphate, carbonate và có khuynh hướng tạo thành phức hữu cơ khá ổn định [41].
Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là q trình chuyển khối và trong đó các phần tử chất ô nhiễm trong pha lỏng chuyển dịch đến bề mặt pha rắn và được liên kết vào pha rắn. Sự liên kết giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ có thể là liên kết vật lý hay hóa học.
Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hóa học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc sử dụng ion là nhựa hữu cơ để tổng hợp các chất cao phân tử, có gốc hydrocacbon và các nhóm chức trao đổi ion.
Phương pháp oxy hóa – khử
Phương pháp oxy hóa – khử là phương pháp dựa trên các tính chất vật lý, hóa học của đất để tiến hành các phản ứng oxy hóa – khử tạo kết tủa, giảm tính linh động và cố định các KLN.
1.3.3. Xử lý bằng phương pháp sinh học
Cơ sở của phương pháp này là hiện tượng nhiều loài sinh vật (thực vật thủy sinh, tảo, nấm, vi khuẩn...) có khả năng giữ lại trên bề mặt hoặc thu nhận vào bên trong các tế bào của cơ thể chúng các kim loại nặng tồn tại trong đất và nước.
Các phương pháp sinh học để xử lý kim loại nặng bao gồm:
Sử dụng các vi sinh vật: Quá trình hấp thu KLN ở vi sinh vật bao gồm 2 pha, pha thứ nhất là sự hấp phụ sinh học. Thể hiện ở mối tương quan theo cân bằng tuyến tính giữa nồng độ KLN trong dung dịch và KLN liên kết với bề măt tế bào. Pha thứ 2: là sự tích tụ sinh học hay hấp thu nội bào.
Sử dụng thực vật thủy sinh: Xử lý KLN trong đất bằng thực vật có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào từng cơ chế loại bỏ các KLN như:
- Phương pháp làm giảm nồng độ kim loại trong đất bằng cách trồng các lồi thực vật có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân.
- Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại trong đất hoặc bùn bởi sự hấp thụ của rễ hoặc kết tủa trong vùng rễ.
Sử dụng các vật liệu sinh học: như phụ phẩm nông nghiệp, nhựa sinh học, các sản phẩm sinh học do vi sinh vật tạo ra…
1.4. Xử lý kim loại nặng bằng chất hoạt hóa bề mặt sinh học
Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đã minh chứng có thể loại kim loại nặng từ đất, trầm tích hay nước ơ nhiễm bằng CHHBMSH do các vi sinh vật tạo ra, bởi đặc điểm ưu việt là có tính tương hợp, khả năng phân hủy sinh học, an toàn với môi trường, giá thành rẻ do có thể tận dụng được các chất thải làm nguồn carbon, nitơ, không tạo nhiều cặn dư thừa gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường và chịu được các yếu tố môi trường (pH, nhiệt độ, ...) khắc nghiệt.
1.4.1. Cơ chế xử lý đất nhiễm kim loại nặng bằng CHHBMSH
Hoạt động của CHHBMSH phụ thuộc vào nồng độ của chúng, và chúng có khả năng hoạt động tốt nhất khi đạt được nồng độ mixen tối thiểu (CMC) (là nồng độ các CHHBMSH bắt đầu tạo đám). Ở nồng độ cao hơn CMC, các phân tử CHHBMSH kết
hợp với nhau để tạo thành các mixen (Hình 1.1). Sự hình thành các mixen cho phép CHHBMSH tăng khả năng làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha [59, 36]
Hình 1.1: Mối quan hệ giữa nồng độ CHHBMSH và sự hình thành các mixen,
sức căng bề mặt [39]
CHHBMSH chứa cả hai nhóm chức ưa nước và kị nước trong cùng một phân tử. Vì vậy, chúng có thể tập trung tác động tương hỗ với nhau làm giảm sức căng bề mặt, đồng thời làm giảm lực hút tĩnh điện ở bề mặt tiếp giáp giữa hai pha (lỏng-lỏng và lỏng-rắn) giúp CHHBMSH (tích điện âm) dễ dàng tiếp xúc và tạo phức bền vững với kim loại nặng (tích điện dương)[45, 48]. Lực liên kết này mạnh hơn so với lực liên kết của kim loại với các phức hợp đất, và phức kim loại - CHHBMSH được tách ra từ đất và di chuyển vào trong dung dịch đất do sự giảm sức căng bề mặt (Hình 1.2). Do đó, CHHBMSH giúp phân tán và tách kim loại nặng từ đất sang pha nước [49, 57].
Cơ chế loại kim loại nặng ra khỏi đất [48]:
Hình 1.2. Cơ chế loại kim loại nặng từ đất của CHHBMSH
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam
Ứng dụng CHHBMSH để tách kim loại nặng (Cd, Cu, Pb, Zn…) ra khỏi đất hiện đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới do những ưu điểm vượt trội như xử lý hiệu quả, an tồn và thân thiện với mơi trường.
Năm 2000, Fraser đã nghiên cứu khả năng loại cadimi (Cd) và chì (Pb) từ đất ơ nhiễm nhân tạo bằng CHHBMSH (surfactin). Kết quả là 80-100% hàm lượng chì và cadimi được tách ra từ đất [39]. Hong và cộng sự (2002) đã nghiên cứu loại cadimi và kẽm (Zn) ra khỏi đất bằng CHHBMSH chiết xuất từ thực vật (saponin). Hiệu quả loại cadimi là 90-100% và kẽm là 85-98% khi sử dụng CHHBMSH (3% saponin) [39].