intTypePromotion=1
ADSENSE

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

Chia sẻ: Võ Minh Vương | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:26

186
lượt xem
33
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: 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

  1. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN  ­­­­­­­­    BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Công Nghệ Sinh Học Môi Trường Đề tài: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC  TRONG XỬ LÍ KIM LOẠI NẶNG  BẰNG VI SINH VẬT     Nhóm 5: Đỗ Minh Quân 14163216 Phan Nguyễn Phát 14163202 Phạm Hữu Thái Sơn 14163227 Lê Thị Thùy Loan 14163134 Nguyễn Thị Thanh Tâm 14163233
  2. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh
  3. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh MỤC LỤC 3Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  4. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh A. ĐẶT VẤN ĐỀ  Như  chúng ta đã biết, vấn đề  về  ô nhiễm kim loại nặng đang trở  nên   phổ  biến trên thế  giới. Trong tự nhiên, kim loại nặng tồn tại trong ba môi  trường là môi trường khí, môi trường nước, môi trường đất. Trong công  nghiệp, kim loại nặng được sử dụng rộng rãi trong một số hoạt động công  nghiệp trên hầu hết các quốc gia. Kim loại nặng có thể được coi là nguyên  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 quá mức nhu cầu sử dụng của vi sinh vật.  Trong sự  phát triển chung của nền kinh tế  nước nhà, ngành công nghiệp   đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Tuy nhiên, mặt trái của sự phát triển  này chính là vấn đề  ô nhiễm môi 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 môi trường cũng như  sức khỏe cộng đồng, làm  ảnh hưởng lớn  đến đời sống của các sinh vật.   Một trong những nguyên nhân gây ra sự tác hại đó chính là sự ô 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 công nghiệp với nồng độ  vượt quá giới hạn cho phép sẽ  gây những tác động tiêu cực tới môi trường. Đứng trước những thách thức  đó, việc đi tìm lời giải cho bài toán môi trường nói chung và vấn đề  xử  lý  nước thải ô 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 môi trường do ít hoặc không phải bổ sung các hóa chất  vào dòng thải nên không gây các ảnh hưởng thứ cấp tới môi trường mà còn  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  môi trường, người ta  đã sử  dụng vi sinh vật làm sạch môi  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. Ngoài ra phương pháp sử dụng vi sinh vật để xử lý  4Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  5. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh với giá thành khá thấp và thu nhận kim loại  ở  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 chuyên đề này. B.  NỘI DUNG I. Tìm hiểu chung về kim loại nặng 1. Định nghĩa: "Kim loại nặng" hay còn gọi là "nguyên 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 hòa tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng,...)  và sinh quyển (trong cơ thể con người, động thực vật). 2. Nguồn gốc: Hầu  hết   các   kim  loại   trong   nước  tồn   tại   dưới   dạng   ion,  chúng   có   nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo: 3. Ảnh hưởng đến sinh vật Một số  kim loại cần cho sự phát triển của sinh vật và chúng được coi   là nguyên tố vi lượng. Một số không cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể  sinh vật có thể không gây nguy hiểm gì. Kim loại nặng gây độc hại với môi   trường và cơ  thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt qua tiêu chuẩn cho  phép. 5Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  6. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh 4. 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 nguyên 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 quá 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 mô, 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 quá trình phân chia tế bào. Ä Nồng độ  tối đa cho phép của WHO trong nước uống là 1mg/l, nước  nuôi 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 quá trình photpho hóa, gây ung thư tiểu mô da, phổi, phế quản,   6Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  7. 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   ở  thận và  xương, gây nhiễu hoạt động của môt 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   trong   nước   uống  là   0,005mg/l II. Cơ sở khoa học của phương pháp  1. 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 quá 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 ̣ ́ ̣ 7Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  8. 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 quá trình bị  động, theo gradient nồng độ  mà  không sử  dụng năng lượng và có thể  trung gian qua các tế  bào không  hoạt động 2. 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. ́ ̣ ̣ ̉ ̣ ̣ ̣ ́ ̀ ờ hê thông  Hâp thu chu đông va tich tu ion kim loai trong tê bao nh ́ ̀ ́ ̣ ́   ̣ ̉ ̉ ̣ vân chuyên chu đông ngược Gradient nông đô. ̀ ̣ b. Cơ chế của phương pháp  þ Phương pháp sinh học là phương pháp sử dụng những vi sinh vật   đặc trưng chỉ  xuất hiện trong môi trường bị  ô nhiễm kim loại nặng  và có khả năng tích lũy kim loại nặng trong cơ thể.  þ Các vi  sinh vật thường sử  dụng như  tảo,nấm, vi khuẩn, v.v..   Ngoài ra còn có một số loài thực vật sống trong môi trường ô 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 môi 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 quá 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 môi trường nước. d. Một số vi sinh vât tham gia ̣  Chlorella vulgaris 8Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  9. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh ́ ̉ ử ly Ni, Cu: Co thê x ́ ̀ ̣ Nông đô 5ppm kêt qua x ́ ̉ ử ly đat trên 90% Cu va gân 70% Ni trong vong 60 ́ ̣ ̀ ̀ ̀   ́ ̉ ̣ ̉ ử  ly t phut đê tăng hiêu qua x ́ 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 ̀   ̉   36   giơ ̀ trong   khoang (theo   nghiên   cưú   cuả   Patricia  A.Terry)  Saccharomyces cerevisiae:  ̣ ̣ ́ ̣ ̣ Hâp thu môt sô Kim loai năng: Cu ́ 2+  ,  2+ 2+ ̉ Pb   , Zn   . Kha năng hâp thu theo ́   thứ  tự   Pb ,   Cu ,   Zn ,   trong   48h  2+ 2+ 2+ ̣ 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 nuôi cấy trong môi 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  môi trường có mặt các kim loại nặng này. Các kim loại Cu, Zn, Mn có  ảnh hưởng dương tính lên hoạt động hô hấp và tốc độ  phát triển của S.  9Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  10. 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 quá 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   sự   tạo   thành   liên   kết   kim   loại­protein   (metallo   thionein), sự khoáng hóa và sự tích tụ  tạm thời tại không 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 quá 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 Nguyên tố Lượng tích tụ ( %  khối lượng khô ) Vi khuẩn Vi khuẩn (170 chủng) Cadmium 0,2 Vi khuẩn ( 137 chủng ) Đồng
  11. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh  Đối với bùn có hàm lượng kim loại nặng cao, người ta có thể  dung   một số  chủng vi khuẩn  để  xử  lý, trong đó có các loài  Thiobacillus  ferrooxydans  và  Thiobacillus oxydans. Qua xử  lý bằng các vi khuẩn  này, nồng độ  kim loại nặng trong bùn giảm từ  25 – gần 100% và sử  dụng vi sinh vật khử kim loại nặng ở bùn. Ä T. ferrooxidans là các vi khuẩn hoạt động mạnh nhất trong chất thải  mỏ   do   ô   nhiễm   axit   và   kim   loại.  T.   ferrooxidans bắt   nguồn   năng  lượng từ quá trình oxy hóa của sắt II thành sắt III Ä Ferrooxidans khả   năng   oxy   hóa   kim   loại   từ   quặng. Về   cơ  bản, A. ferrooxidans trao đổi chất oxy hóa có  lợi vì nó có thể  tấn  công không hòa tan sulfide có chứa khoáng chất (ví dụ như đồng, chì,   kẽm và niken) và bí mật họ  sunfat kim loại hòa tan (19). Những dư  lượng bụi được biết đến có chứa hàm lượng giá trị của kim loại mà  không bị  huỷ, thải bỏ. Trong một thí nghiệm, trên 90% có sẵn Cu,   Zn, Ni và Al đã được lọc. 11Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  12. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh III. Cách tiếp cận phương pháp Trong nhiều biện pháp xử  lý ô nhiễm, biện pháp sinh học được mọi   người đặc biệt quan tâm sử dụng. So với các biện pháp vật lý, hoá học, biện   pháp sinh học chiếm vai trò quan trọng về quy mô cũng như giá thành đâu tư,   do chi phí năng lượng cho một đơn vị  khối lượng chất khử  là ít nhất. Đặc   biệt xử  lý bằng biện pháp sinh học sẽ  không gây tái ô nhiễm môi trường ­   một nhược điểm mà biện pháp hoá học hay mắc phải. Biện pháp sinh học sử   dụng một đặc điểm rất quý của vi sinh vật , đặc điểm đã thu hút sự chú ý của   các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất là khả năng đồng hoá được rất nhiều   nguồn cơ chất khác nhau của vi sinh vật, từ tinh bột, cellulose, cả nguồn dầu   mỏ và dẫn xuất của nó đến các hợp chất cao phân tử khác như protein, lipid,   cùng các kim loại nặng như chì, thuỷ ngân ... Thực chất của phương pháp này   là nhờ hoạt động sống của vi sinh vật (sử dụng các hợp chất hữu cơ và một   số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng) để   biến đổi các hợp chất hữu cơ cao phân tử  có trong nước thải thành các hợp   chất đơn giản hơn. Trong quá trình dinh dưỡng này vi sinh vật sẽ nhận được   các chất làm vật liệu để  xây dựng tế  bào, sinh trưởng và sinh sản, nên sinh   khối được tăng lên.  Nghiên cứu sự  hấp phụ  kim loại nặng bởi vi khuẩn   Bacillus subtilis  có  biểu hiện polyhistidine 6x trên bề mặt tế bào. Nghiên cứu sự  hấp phụ  Cu2+,  Ni2+  bởi vi khuẩn Bacillus subtilis  được  biến  đổi di truyền có mang polyhistidine trên bề  mặt tế  bào. Tác giả  đã   nghiên cứu đặc điểm ảnh hưởng của pH  dung dịch, nồng độ ban đầu của  ion trong dung dịch lên khả năng hấp phụ kim loại; khảo sát mô hình hấp  phụ đẳng nhiệt, đặc điểm gắn của ion và động học biểu kiến của sự hấp   phụ Cu2+, Ni2+  trong dung dịch bởi sinh khối vi khuẩn B. subtilis.   Nghiên cứu sự hấp phụ ion kim loại bởi sinh khối nấm mốc. 12Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  13. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh Tác giả đã thực hiện sàng lọc, phân lập và định danh được 5 chủng có  tính kháng  Cu2+   và  Ni2+   thuộc   5   loài   nấm   mốc   khác   nhau   là  Aspergillus    niger,    A.    oryzae,    Penicillium    chrysogenum, Trichoderma   harziamnum và Mucor racemosus.  Chủng A. niger có tính kháng cao nhất được chọn làm đối tượng cho  các nghiên cứu tiếp theo về  đặc điểm hấp phụ  kim loại của sinh khối  nấm mốc như:  ảnh hưởng của phương pháp tiền xử  lý sinh khối và ảnh  hưởng của cấu trúc, thành phần bề  mặt hệ  sợi của sinh khối theo thời   gian nuôi cấy đến khả  năng hấp phụ  ion kim loại;  ảnh hưởng của pH   dung dịch, nồng độ ban đầu của ion trong dung dịch lên khả năng hấp phụ  ion kim loại; khảo sát mô hình hấp phụ  đẳng nhiệt, và động học biểu   kiến của sự hấp phụ Cu2+ , Ni2+  trong dung dịch bởi sinh khối A. niger.  Nghiên cứu mô hình thực nghiệm sử  dụng màng sinh khối nấm mốc A.   niger để hấp phụ kim loại trong nước. Trong nội dung này, tác giả đã khảo sát hiệu quả xử lý Cu2+, Ni2+  bằng  mô   hình   1   lớp   và   2   lớp   màng   sinh   khối   A. niger và phân tích sự thay đổi cấu trúc bề mặt màng sinh khối trước và sau   khi hấp phụ Cu2+ , Ni2+  trong dung dịch.   Nghiên cứu mô hình thực nghiệm lớp cố định dựa trên sinh khối nấm mốc   A. niger và giá thể rơm để hấp phụ kim loại nặng trong nước. Trước tiên, tác giả  đã khảo sát các đặc điểm hấp phụ  kim loại nặng   của giá thể  rơm như  đường đẳng nhiệt hấp phụ,  ảnh hưởng của pH,   nhiệt độ của dung dịch, nồng độ  ban đầu của ion trong dung dịch đối với  sự hấp phụ Cu2+, Cd2+, phương trình động học biểu kiến của sự hấp phụ  Cu2+, Cd2+  bởi rơm. Tiếp theo, tác giả khảo sát mô hình thực nghiệm lớp   cố định hấp phụ kim loại nặng trong dung dịch bằng giá thể rơm với các  nội dung: ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, tốc độ dòng và kích thước rơm lên   hiệu quả  hấp phụ  ion kim loại của mô hình. Sau đó, tác giả  đã khảo sát  mô hình thực nghiệm lớp cố  định rơm –  A. niger  để  hấp phụ  kim loại  nặng trong dung dịch với các nội dung: khảo sát hiệu quả  loại bỏ  Ni 2+   của mô hình lớp cố định rơm – A. niger, ảnh hưởng của tốc độ dòng trong  mô hình cố định với giá thể rơm – nấm mốc, phân tích sự thay đổi về cấu   trúc và thành phần nguyên tố  bề  mặt lớp cố  định rơm – nấm mốc. Cuối  cùng, tác giả đã sử dụng phương pháp mô hình hóa thực nghiệm để tối ưu   hóa các điều kiện vận hành mô hình thực nghiệm lớp cố định dùng rơm –   A. niger để hấp phụ ion kim loại nặng trong dung dịch.  Nhóm nhà khoa học do tiến sĩ F.Reith dẫn đầu thu được những hạt  vàng có kích thước 0,1 ­ 2,5 mm nằm rải rác tại 2 mỏ  vàng ở  Úc và phát  hiện có dấu vết của vi khuẩn trên ở 80% số vàng thu thập. Từ đó, họ cho   rằng vi khuẩn Ralstonia metallidurans có công dụng như  các máy lọc đất  13Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  14. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh siêu nhỏ, hấp thu kim loại nặng ở trạng thái hòa tan và chuyển chúng sang   dạng cứng và ít độc hại hơn. Đây quả  là điều kỳ  diệu vì thông thường  kim loại nặng không những độc hại đối với con người mà còn ảnh hưởng   đến các vi sinh vật.   Vi sinh vật chuyển hoá kim loại có thể là lời giải cho một trong những  vấn đề môi trường lớn nhất nước Mỹ:  Hàng trăm tỷ  lít nước ngầm bị  ô nhiễm bởi uranium và các loại hoá  chất độc hại khác. Mỏ uranium lộ thiên lớn nhất thế giới tại Mỹ. Vi sinh   vật trên được đặt tên là  Geobacter. Chúng có cơ  chế  trao đổi chất độc  nhất vô nhị: chuyển các electron cho kim loại để  lấy năng lượng từ  thức  ăn, giống như cách con người hít thở oxy để phân huỷ thức ăn. Trong quá   trình chuyển electron, Geobacter biến kim loại từ dạng hoà tan thành dạng  rắn, làm cho kim loại tách khỏi nước ngầm. Vào năm 1987, Derek Lovley,   một   nhà  vi   sinh   vật   tại   Đại   học   Massachusetts   Amherst,   đã   phát  hiện   Geobacter sử  dụng sắt oxide ­ đặc biệt là gỉ  sắt ­ để  tồn tại. Kể  từ  đó,  ông đã tìm ra khoảng 30 loài vi sinh vật khác nhau cũng như phương pháp   kích thích chúng ""hít thở"" mọi kim loại. Cùng với Bộ  Năng lượng Mỹ,  Lovley và đồng nghiệp đang triển khai một sự án làm cho Geobacter phát  triển mạnh và chuyển hoá uranium trong nước ngầm  ô nhiễm. Teresa  Fryberger, giám đốc Cơ quan Khoa học Môi trường thuộc Bộ Năng lượng  Mỹ, cho biết phương pháp sử dụng Geobacter để làm sạch nước ngầm ô  nhiễm  ưu việt hơn so với các công nghệ  hiện nay. Hiện Bộ  Năng lượng   phải bơm nước ô nhiễm lên bề  mặt, xử  lý nó để  tách chất gây ô nhiễm  rồi lại bơm nước trở lại lòng đất. Tuy nhiên, phương pháp đó không thể  loại bỏ  hoàn toàn ô nhiễm cũng như  không thể  giải quyết vấn đề  nước  ngầm bị nhiễm uranium tại nhiều địa điểm do Bộ quản lý. Vấn đề  nước   ngầm nhiễm uranium có từ  thời kỳ  Chiến tranh lạnh, khi các mỏ  và nhà  máy nghiền trên toàn nước Mỹ sản xuất hàng triệu tấn uranium oxide để  chế tạo bom hạt nhân. Khi các mỏ bị đóng cửa vào những năm 1970, chất   thải phóng xạ  vẫn nằm tại đó. Chúng ngấm xuống đất và làm ô nhiễm   nước ngầm. Mọi người uống phải thứ nước này có nguy cơ  bị  hỏng gan  và ung thư. Tình trạng đất và nước ngầm bị  nhiễm uranium lan rộng bởi  chất phóng xạ này được khai thác, nghiền, tinh lọc, làm giàu, và được tái  xử lý ở các địa điểm riêng. Khó có thể đưa ra con số chính xác về mức độ  ô nhiễm song nó rất lớn. IV. Ưu điểm, nhược điểm Nhược Điểm: o Thiết bị làm sạch sinh học chỉ hoạt động sau một thời gian nhất định do  các vi khuẩn cần có thời gian thích ứng và phải phát triển với số  lượng   14Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  15. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh đủ lớn. o Khi chế  độ  công nghệ  làm sạch bị  phá vỡ  đột ngột (sự  tăng đột ngột   lượng nước thải nồng độ chất thải cao) quá trình làm sạch bị ngừng. Để  khôi phục lại chế  độ  công tác  ổn định của thiết bị  làm sạch sinh học,   cần có thời gian xem xét nguyên nhân để rồi bắt đầu lại từ đầu. V.  Phương pháp xử lí kim loại nặng bằng việc kết hợp  thực vật và vi sinh vật 1. Công nghệ xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật. Qua quá trình nghiên cứu người ta đã chỉ ra rằng có nhiều sinh vật có khả  năng tích luỹ  KLN trong quá trình sinh trưởng và phát triển. Do đó, phương   pháp này được  ứng dụng trong thực tiễn nhằm khử  độc, làm sạch các kim  loại nặng dựa trên nguyên tắc một số loại thực vật, vi sinh vật trong nước sử  dụng kim loại nặng như chất vi lượng trong phát triển sinh khối.  Theo Widerrman và Updegraff, một số sinh vật có khả năng chuyển hóa  kim loại nặng  bởi cơ chế sau: Tại Việt Nam, việc xử lý nước thải tại các khu công nghiệp, các làng   nghề  bằng phương pháp sinh học đang rất được quan tâm. Như  vậy phương  pháp xử lý bằng vi sinh vật có nhiều ưu thế hơn các phương pháp xử lý bằng  cơ chế lý hóa ở nhiều điểm như:  Phương   pháp   này   phù   hợp   với   với   điều   kiện   làng   nghề   Việt  Nam.  Dễ vận hành, dễ áp dụng.  Có thể áp dụng để xử lý dòng chất thải.  Nguyên liệu sử  dụng sẵn có trong tự  nhiên ( không sử  dụng hóa  chất) không gây ô nhiễm môi trường.  Các sinh vật có khả năng chuyển hóa kim loại nặng là các vi sinh  vật nội tại có sẵn trong tự nhiên.  Qua đó ta thấy rằng, mặc dù sự  phát triển các khu công nghiệp, làng   nghề  đã đạt được nhiều thành tựu và có những đóng góp nhất định cho   quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước nhưng vấn đề ô nhiễm   do nước thải, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng đang rất bức xúc và cần   được xử  lý triệt để. Việc đẩy mạnh xây dựng các hệ  thống xử  lý nước   thải tập trung là rất cần thiết, liên quan trực tiếp đến chất lượng nước   15Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  16. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh thải khi xả vào môi trường. Đồng thời cần chú trọng vào phương pháp xử   lý bằng vi sinh vật để  tăng hiệu quả, tiết kiệm và tham gia bảo vệ  môi   trường. Ngoài ra cũng cần phải đề  ra những chính sách phù hợp khuyến   khích các khu công nghiệp, làng nghề  xây dựng tốt, kịp thời, nâng cao   hiệu quả  các khu xử  lý nước thải đạt tiêu chuẩn môi trường nhằm phát   triển bền vững các khu công nghiệp, làng nghề trong tương lai. 2. Công nghệ xử lí kim loại nặng bằng thực vật.  Thực vật có nhiều cách phản  ứng khác nhau đối với sự  có mặt  của các ion kim loại trong môi trường. Hầu hết, các loài thực vật rất  nhạy cảm với sự có mặt của các ion kim loại, thậm chí ở nồng độ rất   thấp. Tuy nhiên, vẫn có một số  loài thực vật không chỉ  có khả  năng   sống được trong môi trường bị  ô nhiễm bởi các kim loại độc hại mà  còn có khả  năng hấp thụ  và tích các kim loại này trong các bộ  phận  khác nhau của chúng  Trong thực tế, công nghệ  xử  lý ô nhiễm bằng thực vật đòi hỏi  phải đáp ứng một số điều kiện cơ bản như dễ trồng, có khả năng vận  chuyển các chất ô nhiễm từ đất lên thân nhanh, chống chịu được với   nồng độ  các chất ô nhiễm cao và cho sinh khối nhanh Tuy nhiên, hầu   hết các loài thực vật có khả năng tích luỹ KLN cao là những loài phát   triển chậm và có sinh khối thấp, trong khi các thực vật cho sinh khối  nhanh thường rất nhạy cảm với môi trường có nồng độ kim loại cao.  Xử  lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật có thể  thực hiện  bằng nhiều phương pháp khác nhau phụ  thuộc vào từng cơ  chế  loại   bỏ các kim loại nặng như:  Phương pháp làm giảm nồng độ kim loại trong đất bằng cách trồng các loài  thực vật có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân. Các loài thực vật này   phải kết hợp được 2 yếu tố  là có thể  tích luỹ  kim loại trong thân và cho  sinh khối cao. Khi thu hoạch các loài thực vật này thì các chất ô nhiễm   cũng được loại bỏ ra khỏi đất và các kim loại quý hiếm như Ni, Tl, Au,...   có thể được chiết tách ra khỏi cây.         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. Quá trình này làm giảm khả  năng linh động của kim loại, ngăn chặn ô nhiễm nước ngầm và làm giảm  hàm lượng kim loại khuếch tán vào trong các chuỗi thức ăn. 3. Mối quan hệ giữa thực vật và vi sinh vật.  Trong sự  tương tác giữa thực vật và vi sinh vật, hệ  thống rễ của thực   vật hình thành mối quan hệ  tương hỗ  , cộng sinh với một số  lớn các vi   sinh vật khác nhau sống quanh nó. Các mối quan hệ  này được coi là các  16Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  17. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh nhân tố  chủ  yếu xác đinh sự  tồn tại, phát triển của các thực vật lẫn vi   sinh vật trong đó.  Trong mối quan hệ cộng sinh, tương hỗ này , thực vật cung cấp cho vi   sinh vật vùng rễ  những nguồn cacbon hữu cơ  khác nhau giúp cho vi sinh  vật được tiến hành các hoạt động trao đổi chất cũng như chuyển hó năng  lượng. Đến lượt mình, vi sinh vật ngoài việc cung cấp dinh dưỡng cho  cây trồng còn sinh ra các chất kích thích sinh trưởng thực vật, làm giảm ,   khử tính độc của kim loại, giúp cho thực vật sinh trưởng và phát triển tốt  hơn. Như  vậy, bổ  sung thêm chế  phẩm vi sinh vật thử  nghiệm hoặc là   giữ  nguyên khả  năng sinh trưởng của loài thực vật hoặc là kích thích  chúng sinh trưởng tốt hơn.  Qua đó ,việc kết hợp giữa thực vật và vi sinh vật trong xử  lí kim loại   nặng đang là một xu hướng phổ  biến được úng dụng nhiều trên thế   giới. Phương pháp này còn giúp cho việc tăng cường sự  hoạt động   cũng như  sự  đa dạng của các vi sinh vật, giữ  cho hệ  sinh thái được   cân bằng. Ví dụ  về   ảnh hưởng của sự  kết hợp vi sinh vật và thực vật đến dinh   trưởng nhóm thực vật bản địa trồng trên đất nông nghiệp bị ô nhiễm: Trong quá trình thực nghiệm, đánh giá hiệu quả xử lý đất nông nghiệp  bị ô nhiễm kim loại nặng bằng kết hợp thực vật với vi sinh vật thì việc lựa   chọn các  chủng  làm tăng kích thích sinh trưởng của thực vật bản địa thường   là tiêu chí lựa chọn đầu tiên (Baker, A. J. M, R. D. Reeves and A. S. M. Hajar,   1994; Rufes L Chaney và cộng sự, 2007). Bảng 1. Sinh khối thu hoạch của các cây trồng thí nghiệm stt C Sinh khối tổng số  khi  thu   hoạch  1 CTR01: Đơn buốtô 5233,80 17Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  18. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh 2 CTR02: Đơn buốt + Hỗn  5912,30 hợp 4 chủng vi sinh vật 3 CTR03: Dừa nước 3375,40 4 CTR04: Dừa nước + Hỗn  3491,70 hợp 4 chủng vi sinh vật 5 CTR05: Mương đứng 9218,90 6 CTR06:   Mương   đứng   +  9986,50 Hỗn hợp 4 chủng vi sinh  7 CTR07:   Mương   đứng   +  11277,0 Dừa nước 0 8 CTR08:   Mương   đứng   +  11631,0 Dừa nước + Hỗn hợp 4  0 9 CTR09: Ngổ dại 6041,70 10 CTR10:  Ngổ  dại  +  Hỗn  7708,30 hợp 4 chủng vi sinh vật 11 CTR11:   Ngổ   dại   +  13766,8 Mương đứng 9 12 CTR12:   Ngổ   dại   +  14877,4 Mương đứng + Hỗn hợp  5 13 CTR13: Hướng dương 8079,10 14 CTR14: Hướng dương +  8976,50 Hỗn hợp 4 chủng vi sinh  CV (%) 9,23 LSD 0,05 178,89 Số liệu bảng 1 cho thấy: Ảnh hưởng của kết hợp 4 chủng vi sinh tuyển chọn đến sinh trưởng  của  thực  vật  bản địa trong điều kiện đồng ruộng sau thời gian 45 ngày   kể từ khi trồng, thì một số loại thực vật bản địa có khả năng hấp thu kim   loại nặng trong đất nông nghiệp bị ô nhiễm   ở thôn Đông Mai, Chỉ Đạo,   Văn   Lâm,   Hưng Yên được ghi nhận với các mức độ  phản  ứng khác  nhau. Ngổ  dại có phản  ứng dương tính nhất với mức tăng 27,59%, sau đó   đến đơn buốt (12,96%),hướng dương(11,11%)và mương đứng (8,33%). Bổ  sung hỗn hợp chủng vi sinh vật vẫn không   gây hiệu   quả    tăng   sinh     khối  cây   dừa  nước     so     với     đối    chứng    (CTR04      so    với CTR03) Với mô hình sử dụng cùng lúc 2 loài thực vật, hỗn hợp chủng vi sinh   18Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  19. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh vật thử nghiệm tỏ ra không có hiệu quả đáng kể với dừa nước ­ mương  đứng, tuy nhiên với ngổ  dại ­ mương đứng thì cũng có biểu hiện dù  mức tăng sinh khối không cao (8,07% so với đối chứng). Khi có bổ sung vi sinh vật, mô hình ngổ dại ­ mương đứng cho tổng  sinh khối thực vật thử nghiệm lớn nhất, đạt 14877,45 kg/ha sau đó đến   mương   đứng   (9986,5   kg/ha),   hướng   dương   (8976,5   kg/ha),   ngổ   dại   (7708,3  kg/ha),  đơn  buốt  (5912,3  kg/ha)   và   thấp   nhất   là   dừa   nước  (3491,67 kg/ha). So sánh hiệu lực kích thích sinh trưởng của chế phNm  vi sinh với loài cây mà các tác giả nước ngoài đã công bố (Hambuckers­  Berhin, F., and J. Remacle, 1990; Isao. Hasegawa, 2002) cho th ấy m ức   tăng sinh thực vật trồng trên các vùng đất nông nghiệp   bị    ô   nhiễm  kim   loại  nặng   của  4 chủng vi sinh vật phân lập được là khá ngang  bằng. 4. Một số công nghệ xử lí nước thải có chứa kim loại  nặng bằng vi sinh vật    Công   nghệ   AFBR   (Advance   Fixed   Bed   Reactor)  là   một   công   nghệ  được GREE phát  triển từ  công nghệ  FBR (Fixed  Bed Reactor)   được  bổ  sung hệ  thống sensor cảm biến DO và hệ  thống điều khiển tự  động hệ  thống cung cấp dưỡng khí gíup điều chỉnh hàm lượng oxi trong nước luôn  ở  nồng độ  tối  ưu đem lại hiệu quả  xử  lý vượt trội đồng thời tiết kiệm  điện năng tiêu thụ.  Công   nghệ   FBR   (Fixed   Bed   Reactor)  là   một   công   nghệ  của GREE được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước  thải cũng như  một số  chất vô cơ  như   H2S, sunfit, ammonia, nitơ…Dựa  trên cơ  sở  hoạt động của vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ  gây ô nhiễm   làm   thức   ăn   để   sinh   trưởng   và   phát   triển,   hệ   thống   FBR   (Fixed   Bed   Reactor) áp dụng tích hợp cả 3 quá trình sinh học bùn hoạt tính lơ lửng, quá  trình tuỳ nghi khử nitơ phốt pho và quá trình vi sinh vật sinh trưởng ở dạng  dính bám trên vật liệu tiếp xúc đặt trong hệ thống. Quá trình xử  lí sinh học bằng công nghệ  AFBR bao gồm ba giai đoạn   sau: Các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải và thu   năng lượng để chuyển hóa thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị  oxy hóa hoàn toàn thành CO2, H2O, NO3­, SO42, … Một cách tổng quát, vi  19Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
  20. GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh sinh vật tồn tại trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm nhiều loại vi khuẩn   khác nhau cùng tồn tại.  Công nghệ xử lí nước thải bằng bể Aerotank.  Bể  Aerotank cũng là một trong những phương pháp xử  lý sinh học hiếu   khí.   Ưu   điểm   của   bể   là   rất   dễ   xây   dựng   và   vận   hành. Bể  Aerotank có nhiều loại như  bể  Aerotank truyền thống, bể Aerotank  nhiều bậc,… Tuy nhiên bể  Aerotank truyền thống sử  dụng  đơn giản  nhất.  Nguyên tắc hoạt động của bể Aerotank: Công nghệ Aerotank là công nghệ được sử dụng nhiều nhất và lâu đời nhất  bởi tính  hiệu  quả  của  nó. Aerotank là qui trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo, các chất hữu cơ dễ  bị phân hủy sinh học được vi sinh vật hiếu khí sử dụng như một chất dinh   dưỡng để sinh trưởng và phát triển. Qua đó thì sinh khối vi sinh ngày càng  gia tăng và nồng độ  ô nhiễm của nước thải giảm xuống. Không khí trong  bể  Aerotank được tăng cường bằng các thiết bị  cấp khí: máy sục khí bề  mặt, máy thổi khí… Bể Aerotank  Công nghệ xử lí nước thải bằng SBR 20Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2