Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phát triển thiết bị pin nhiên liệu vi sinh vật (Microbial fuel cell) sử dụng làm cảm biến sinh học đánh giá chất lượng nước thải

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:111

Thêm vào BST

Báo xấu

167
lượt xem 23
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nhằm góp phần vào các nghiên cứu về pin nhiên liệu vi sinh cũng như phát triển một thiết bị cảm biến có khả năng đánh giá chất lượng nước thải với thời gian phân tích nhanh và khả năng sử dụng nhiều lần.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phát triển thiết bị pin nhiên liệu vi sinh vật (Microbial fuel cell) sử dụng làm cảm biến sinh học đánh giá chất lượng nước thải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NÔNG MINH TUẤN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT (MICROBIAL FUEL CELL) SỬ DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NÔNG MINH TUẤN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT (MICROBIAL FUEL CELL) SỬ DỤNG LÀM CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI Chuyên ngành: Vi sinh vật học Mã số: 60420107 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. PHẠM THẾ HẢI Hà Nội – 2014
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, Em xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Thế Hải, giảng viên bộ môn Vi sinh vật học, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên-Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Đồng thời em cũng xin cảm ơn Ths. Nguyễn Thu Thủy, phòng Vi sinh vật học môi trường, và KTV Đỗ Minh Phương, phòng thí nghiệm bộ môn Vi sinh vật học đã giúp đỡ trong thời gian em làm luận văn ở phòng. Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô trong Khoa sinh học- Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên-Đại Học Quốc Gia Hà Nội, đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức chuyên môn, bổ ích cho em trong suốt thời gian học tập tại Trường. Tôi cũng vô cùng cảm ơn các bạn trong lớp và các em sinh viên phòng Vi sinh vật học môi trường đã động viên, hỗ trợ tôi trong thời gian học tập và làm đề tài. Cuối cùng, với tất cả lòng kính trọng và biết ơn vô hạn, con xin gửi lời cảm ơn tới Bố, Mẹ và những người thân trong gia đình đã nuôi nấng, dậy dỗ, và luôn ủng hộ, động viên con trong suốt quá trình học làm người. Luận văn được thực hiện trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu mã số 08/HĐ - ĐT.08.14/CNMT thuộc “Chương trình nghiên cứu khoa học, ứng dụng và chuyển giao công nghệ phát triển ngành công nghiệp môi trường” của Bộ Công thương. Hà Nội, ngày….tháng….năm 2014 Học Viên Nông Minh Tuấn
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... MỤC LỤC ..................................................................................................................... DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 Chƣơng 1 – TỔNG QUAN .........................................................................................3 1.1 Ô NHIỄM NƢỚC TẠI VIỆT NAM .................................................................3 1.2 PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI SAU XỬ LÝ .5 1.3 CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI SAU XỬ LÝ.....................................................................................................................7 1.3.1 Cảm biến sinh học dựa trên hành vi của sinh vật...........................................7 1.3.2 Cảm biến sinh học vi sinh vật ........................................................................9 1.4 PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT ..................................................................12 1.4.1 Các loại Thiết kế MFC .................................................................................15 1.4.2 Vật liệu cấu tạo MFC ...................................................................................17 1.4.2.1 Vật liệu cho điện cực .................................................................................17 1.4.2.2 Màng trao đổi ion......................................................................................19 1.4.3 Vật liệu tạo khung cho MFC ........................................................................22 1.4.4 Ứng dụng của MFC ......................................................................................23 1.5 HỆ VI SINH VẬT TRONG MFC ..................................................................24 1.6 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT TRONG MFC ........27 Chƣơng 2 – VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................29
2.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU ............................................................................29 2.1.1 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ ........................................................................29 2.1.2 Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu ...............................................30 2.2 CÁC THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......31 2.2.1 Lựa chọn thiết kế tối ƣu cho MFC ...............................................................31 2.2.2 Thiết kế, lắp đặt hệ thống MFC ...................................................................31 2.2.3 Quy trình làm giầu vi sinh vật trong các MFC: ...........................................32 2.2.4 Vận Hành Hệ Thống MFC ...........................................................................33 2.2.5 Đo đạc và xử lý số liệu .................................................................................35 2.2.7 Phƣơng pháp DGGE ....................................................................................38 Chƣơng 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..............................................................43 3.1 LỰA CHỌN THIẾT KẾ MFC PHÙ HỢP......................................................43 3.1.1 Lựa chọn vật liệu cho MFC .........................................................................43 3.1.2 Lựa chọn thiết kế MFC nhằm phát triển cảm biến sinh học ........................44 3.1.3 Thử nghiệm để chọn lựa thiết kế thiết kế ƣu việt hơn .................................47 3.1.3.1 Kết quả làm giàu hệ vi sinh vật điện hóa trong MFC ...............................47 3.1.3.2 So sánh các MFC với dạng thiết kế khác nhau .........................................48 3.2 LỰA CHỌN NGUỒN VI SINH VẬT PHÙ HỢP ĐỂ LÀM GIÀU HỆ VI SINH VẬT ĐIỆN HÓA TRONG CÁC MFC ......................................................53 3.2.1 Dòng điện phát sinh bởi các MFC trong giai đoạn làm giàu hệ vi sinh vật điện hóa .................................................................................................................53 3.2.2 Độ ổn định của dòng điện phát sinh trong MFC sau khi làm giàu thành công hệ vi sinh vật điện hóa ...........................................................................................55
3.2.3 Kết quả phân lập hệ vi sinh vật trong điện cực anode của MFC sau khi làm giàu thành công .....................................................................................................57 3.2.4 Kết quả phân tích quần xã vi khuẩn bằng phƣơng pháp DGGE .................60 3.2.5 Kết quả phân tích trình tự các băng DNA thu đƣợc từ các quần xã trên DGGE ....................................................................................................................63 3.3 BƢỚC ĐẦU THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG MFC VỚI DUNG DỊCH MÔ PHỎNG NƢỚC THẢI SAU XỬ LÝ TRONG PHÕNG THÍ NGHIỆM .............66 KẾT LUẬN ...........................................................................................................68 KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................69 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................70 PHỤ LỤC ......................................................................................................................
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ Tên tiếng anh Tên tiếng việt AEM Anion exchange membrane Màng anion BH - Nguồn quần xã từ bùn hoạt tính BOD Biochemical oxigen demand Nhu cầu oxy sinh hóa BPM Bipolar membrane Màng phân cực BT - Nguồn quần xã từ bùn tự nhiên CEM Cation exchange membrane Màng cation COD Chemical oxigen demand Nhu cầu oxy hóa học DGGE Denaturing gradient gel Điện di gradient gel biến tính electrophoresis ĐT - Nguồn quần xã từ đất tự nhiên HH - Nguồn quần xã từ hỗn Hợp MFC Microbial fuel cell Pin nhiên liệu vi sinh vật NT - Nguồn quần xã từ nƣớc thải PCR Polymerase Chain Reaction Phản ứng chuỗi trùng hợp Rint Internal resistance Điện trở trong
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Nguyên lý hoạt động của một MFC ............................................................12 Hình 2: (a) Thiết kế MFC sử dụng chổi than chì là điện cực anode nhƣ là một bề mặt cho vi sinh vật phát triển và với điện cực cathode sử dụng vải carbon.. (b) Biểu diễn phƣơng thức truyền điện tử của trong màng biofilm: sản sinh nanowires, chất truyền điện tử trung gian, và tiếp xúc qua bề mặt tế bào .........................................13 Hình 3: Hai dạng thiết kế MFC ................................................................................14 Hình 4: Vật liệu carbon sử dụng cho điện cực anodes: (A) giấy carbon, (B) vải các bon, (C) lƣới carbon .................................................................................................18 Hình 5: Một vài vật liệu dùng làm điện cực cho MFC (A) Thanh than chì (B; C; D) Tấm than chì .............................................................................................................18 Hình 6: (A) Hạt than chì, (B; C) Chổi than chì (D) Sợ than chì ..............................19 Hình 7: Các loại màng đƣợc sử dụng trong MFC ....................................................21 Hình 8: Cơ chế hoạt động của các loại màng phân tách ...........................................21 Hình 9: MFC hai khoang-khung thủy tinh ...............................................................22 Hình 10: MFC một khoang-khung thủy tinh ............................................................22 Hình 11: MFC một khoang- khung polyacrylic .......................................................23 Hình 12: MFC hai khoang- khung polyacrylic .........................................................23 Hình 13: MFC dạng ống- khung polypropylen .........................................................23 Hình 14: MFC một khoang- khung Plexiglas ...........................................................23 Hình 15 : MFC khoang chữ nhật...............................................................................32 Hình 16 : MFC khoang trụ ........................................................................................32 Hình 17: Sơ đồ hoạt động hệ thống MFC .................................................................34 Hình 18: Hệ thống MFC vận hành trong phòng thí nghiệm .....................................34
Hình 19: Biểu đồ hiệu điện thế MFC trong quá trình làm giàu (BOD 50 ppm) .......47 Hình 20: Hiệu điện thế MFC khoang hình hộp chữ nhật sau quá trình làm giàu (BOD 50 ppm)...........................................................................................................49 Hình 21: Hiệu điện thế MFCs khoang hình trụ sau quá trình làm giàu ....................49 Hình 22: MFC khoang hình hộp chữ nhất ................................................................51 Hình 23: MFC khoang hình trụ .................................................................................51 Hình 24: MFC khoang hình hộp chữ nhất ................................................................52 Hình 25: MFC khoang hình trụ .................................................................................52 Hình 26: Quá trình làm giàu MFC với nguồn quần xã khác nhau ............................54 Hình 27: So sánh dòng điện sau quá trình làm của MFC tại hai thời điểm có khoảng là cách 20 ngày ..........................................................................................................56 Hình 28: Ảnh phân lập mẫu điện cực anode từ MFC đã đƣợc làm giàu thành công 57 Hình 29: Tỷ lệ phần trăm số chủng vi khuẩn phân lập đƣợc từ điện cực anode tại các MFC ....................................................................................................................59 Hình 30: Kết quả kiểm tra sản phẩm PCR gen 16s rRNA và vùng V3 ....................60 Hình 31: Kết quả phân tích gen 16S rRNA bằng DGGE của các mẫu quần xã vi khuẩn trong các nguồn khác nhau và các mẫu quần xã vi khuẩn từ điện cực anode của các MFC làm giàu từ các nguồn .........................................................................62 Hình 32: Kết quả phân tích tƣơng quan của các quần xã vi khuẩn đƣợc nghiên cứu dựa trên kêt quả DGGE (bằng cách sử dụng phần mềm NTSYSpc 2.0) ..................63 Hình 33: Biểu đồ dòng điện trung bình của MFC thử nghiệm với các nồng độ BOD khác nhau trong dung dịch nƣớc thải mô phỏng ở anode .........................................67 Hình 34: Vị trí các băng DNA trên DGGE đƣợc thôi gel và đem giải trình tự ..........1
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Đặc trƣng thành phần nƣớc thải của một số ngành công nghiệp ..................3 Bảng 2: Tổng lƣợng nƣớc thải và lƣợng thải các chất ô nhiễm trong nƣớc thải từ một số khu công nghiệp đồng bằng sông hồng ...........................................................4 Bảng 3: Một số thông số ô nhiễm nƣớc thải trong công nghiệp theo tiêu chuẩn .......5 Bảng 4: Theo dõi sự thay đổi hành vi của cá liên kết với điều kiện stress .................8 Bảng 5: Tổng hợp nghiên cứu về cảm biến sinh học vi sinh vật quang học .............10 Bảng 6: Các chủng vi khuẩn điện hóa trong MFC không sử dụng chất truyền điện tử trung gian ..................................................................................................................26 Bảng 7: Môi trƣờng LB .............................................................................................35 Bảng 8: Môi trƣờng C ...............................................................................................36 Bảng 9: Môi trƣờng PDA .........................................................................................36 Bảng 10: Môi trƣờng Hansen ....................................................................................37 Bảng 11: Môi trƣờng BG 11 .....................................................................................37 Bảng 12: Thành phần của dung dịch Trace metal mix A5........................................38 Bảng 13: Thành phần và chu trình nhiệt phản ứng PCR nhân gen16s rRNA ..........39 Bảng 14: Thành phần và chu trình nhiệt phản ứng PCR nhân vùng V3 thuộc gen16s rRNA .........................................................................................................................40 Bảng 15: Thành phần của dung dịch biến tính 0% và 60% ......................................41 Bảng 16: Thành phần của “Working solution” .........................................................41 Bảng 17: Phân tích ƣu nhƣợc điểm của các vật liệu cấu tạo MFC ...........................43 Bảng 18: Phân tích ƣu nhƣợc điểm vật liệu cấu tạo khung MFC .............................44 Bảng 19: Phân tích ƣu nhƣợc điểm của các loại màng phân tách .............................44 Bảng 20: Phân tích ƣu nhƣợc điểm các loại thiết kế MFC .......................................45
Bảng 21: Tổng hợp các nghiên cứu về dạng MFC biosensor ...................................46 Bảng 22: Bảng so sánh trình tự các băng DNA đƣợc thôi gel từ gel DGGE với dữ liệu trình tự DNA trên NCBI ....................................................................................64
MỞ ĐẦU Nƣớc là một phần thiết yếu trong quá trình sinh hoạt–sản xuất của con ngƣời. Tuy nhiên, với sự phát triển của dân số, quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa, lƣợng nƣớc do con ngƣời sử dụng đang ngày càng gia tăng, đi kèm với nó là hậu quả gây ô nhiễm nƣớc nghiêm trọng. Ảnh hƣởng của ô nhiễm nƣớc đối với sức khỏe con ngƣời có thể thông qua hai con đƣờng: (i) ăn-uống phải nƣớc bị ô nhiễm hay các loại rau quả và thủy sản đƣợc nuôi trong môi trƣờng nƣớc ô nhiễm, (ii) do tiếp xúc với môi trƣờng nƣớc trong quá trình lao động và sinh hoạt. Ngoài ra ô nhiễm nƣớc còn kéo theo các thiệt hại về kinh tế do bệnh tật, thiệt hại về thủy sản và nông nghiệp, và ảnh hƣởng tới nguồn cung cấp nƣớc sạch [2, 4, 5]. Một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nƣớc hiện nay là tình trạng nƣớc thải chƣa qua xử lý hoặc xử lý kém đƣợc trực tiếp xả vào môi trƣờng. Để ngăn chặn nguy cơ này thì cần phải có các phƣơng pháp hợp lý để đánh giá nhanh chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý, nhằm đáp ứng nhu cầu của ngƣời sản xuất cũng nhƣ ngƣời quản lý [2]. Phƣơng pháp phân tích hóa-lý là phổ biến hiện nay đƣợc sử dụng cho việc phân tích-đánh giá chất lƣợng nƣớc thải. Phƣơng pháp này sử dụng mối tƣơng tác giữa chất cần phát hiện trong nƣớc với một loại hóa chất đƣợc thêm vào dùng làm chỉ thị để định tính cũng nhƣ định lƣợng chất cần kiểm tra, hoặc áp dụng các kỹ thuật nhƣ: sắc ký lỏng cao áp (HPCL), sắc ký phối khổ (GC – MS), hay phƣơng pháp so màu... Tuy nhiên, tất cả các kỹ thuật này đòi hỏi ngƣời phân tích phải có tay nghề chuyên môn cao, tốn kém trong sử dụng, và thời gian phân tích dài. [1]. Những nghiên cứu gần đây đã tập trung phát triển phƣơng pháp sử dụng tác nhân sinh học nhƣ một cảm biến hay một hệ thống cảnh báo sớm chất lƣợng nƣớc. Cảm biến sinh học (biosensor) là hệ thống phân tích các tác nhân sinh học nhƣ DNA, enzymes, mô, cơ thể sống kết hợp với việc đánh giá – đo lƣờng các dấu hiệu hóa – lý các tác nhân sinh học đó. Các cảm biến sinh học tỏ ra thuận lợi trong việc 1
đánh giá chất lƣợng nƣớc nhƣ kiểm tra trực tiếp nguồn nƣớc, nhạy cảm với chất độc và phát hiện nhiều độc tố cùng một thời điểm, cảnh báo chất độc, không chỉ theo dõi độc tính mà còn theo dõi tốc độ thay đổi thành phần-nồng độ chất độc, có thể theo dõi từ xa, dễ dàng sử dụng...[9, 32, 66, 70, 73]. Trong đó, cảm biến sinh học khai thác quá trình trao đổi chất của vi sinh vật đang đƣợc đặc biệt quan tâm nghiên cứu và ứng dụng [32]. Pin nhiên liệu vi sinh vật là một dạng thiết bị cảm biến hoạt động dựa trên hoạt tính điện hóa của vi sinh vật. Loại thiết bị này đƣợc nghiên cứu tại nhiều quốc gia nhƣ Hàn Quốc, Hoa Kỳ, hay Châu Âu, chúng có ƣu điểm nhƣ có khả năng chỉ dẫn BOD nƣớc thải, có thời gian phản ứng nhanh, dễ dàng sử dụng, chi phí thấp [17, 25, 26, 29]. Tại Việt Nam hiện nay những nghiên cứu về pin nhiên liệu vi sinh vật cũng nhƣ ứng dụng chúng làm cảm biến sinh học trong đánh giá chất lƣợng nƣớc thải còn khá hạn chế [52]. Nhằm góp phần vào các nghiên cứu về pin nhiêu liệu vi sinh cũng nhƣ phát triển một thiết bị cảm biến có khả năng đánh giá chất lƣợng nƣớc thải với thời gian phân tích nhanh và khả năng sử dụng nhiều lần… chúng tôi tiến hành đề tài “ Nghiên cứu phát triển thiết bị pin nhiên liệu vi sinh vật (Microbial fuel cell) sử dụng làm cảm biến sinh học đánh giá chất lượng nước thải”. 2
Chƣơng 1 – TỔNG QUAN 1.1 Ô NHIỄM NƢỚC TẠI VIỆT NAM Ô nhiễm nƣớc xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau, tuy nhiên tại Việt Nam hiện nay có bốn nguồn gây ô nhiễm nƣớc chính: nƣớc thải nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt và y tế. Theo Báo cáo môi trƣờng quốc gia 2012 của Việt Nam, nƣớc thải sinh hoạt chiếm 30% tổng lƣợng nƣớc thải trực tiếp ra các sông hồ; kênh rạch. Trong giai đoạn đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc, nhiều ngành công nghiệp đƣợc mở rộng quy mô sản xuất, cũng nhƣ phạm vi phân bố. Tuy nhiên mức đầu tƣ cho hệ thống xử lý nƣớc thải lại chƣa đáp ứng đƣợc nhƣ cầu này, Số lƣợng nƣớc thải công nghiệp đƣợc xử lý là đang ở mức trung bình (50 – 60%), nhƣng hơn 50% hệ thống xử lý đó vẫn chƣa hoạt động hiệu quả. Cũng theo báo cáo của Sở Tài Nguyên Môi Trƣờng Hà Nội năm 2009, có tới 93% tổng lƣợng nƣớc thải chƣa đƣợc xử lý xả thẳng vào hệ thống, lƣợng nƣớc còn lại chỉ đƣợc xử lý sơ bộ trong các bể tự hoại, bể lắng trong tuyến thoát nƣớc. Bên cạnh đó, nƣớc thải nông nghiệp cũng là vấn đề đáng quan tâm hiện nay. Nƣớc thải nông nghiệp thƣờng chứa các chất hóa chất bảo vệ thực vật, hay thuốc trừ sâu gây hại cho sức khỏe con ngƣời và hệ sinh thái nƣớc mặt [2, 4]. Bảng 1: Đặc trƣng thành phần nƣớc thải của một số ngành công nghiệp [2] Ngành công nghiệp Chất ô nhiễm chính Chất ô nhiễn phụ Chế biến đồ hộp, thủy sản, rau quả, BOD, COD, pH, SS Màu, tổng P, N đông lạnh Chế biến nƣớc uống có cồn, bia, BOD, pH, SS, N, P TDS, màu, độ đục rƣợu Chế biến thịt BOD, pH, SS, độ đục NH4+, P , màu Sản xuất bột ngọt BOD, SS, pH, NH4+ Độ đục, NO3-, PO43- Cơ khí COD, dầu mỡ, SS, CN-, SS, Zn, Pb, Cd Cr, Ni 3
Bảng 2: Tổng lƣợng nƣớc thải và lƣợng thải các chất ô nhiễm trong nƣớc thải từ một số khu công nghiệp đồng bằng sông hồng [4] Lƣợng Tổng lƣợng các chất ô nhiễm (Kg/ ngày) Khu Vực nƣớc thải TSS BOD5 COD Tổng N Tổng P (m3/ ngày) Bắc Ninh 38946 8568 5336 12424 2259 3116 Hà Nội 36577 8047 5011 11668 2122 2926 Hải Phòng 14026 3086 1922 4474 814 1122 Quảng Ninh 8050 1771 1103 2568 467 644 Hải Dƣơng 23806 5237 3261 7594 1381 1904 Hƣng Yên 12350 2717 1692 3940 716 988 Ô nhiễm nƣớc đƣợc xem là một mối đe dọa cho sức khỏe cộng đồng, gây ra thiệt hại lớn về kinh tế và phá hoại hệ sinh thái. Theo đánh giá của ngân hàng thế giới, Việt Nam có thể chịu tổn thất do ô nhiễm môi trƣờng lên tới 5, 5 % GDP và 780 triệu USD trong lĩnh vực sức khỏe cộng đồng vì ô nhiễm môi trƣờng. Ô nhiễm sông Thị Vải là một ví dụ điển hình: một đoạn sông dài khoảng 12 km (từ hợp lƣu suối Cả-sông Thị Vải tới khu vực cảng Khú Mỹ, phía sau khu công nghiệp Mỹ Xuân) hầu nhƣ không một loài tôm, cá, thủy sản nào có thể tồn tại và phát triển. Tại khu vực này chỉ còn chứa các động-thực vật phù du. Ƣớc tính ban đầu diện tích nông nghiệp bị thiệt hại là 1.438,5 ha, trong đó phần lớn là ao nuôi thủy sản và 29,5 ha là đất nông nghiệp. Một ví dụ khác, một nghiên cứu về ảnh hƣởng của hoạt động sản xuất tại khu chế biến kim loại màu thuộc tỉnh Thái Nguyên chỉ ra rằng, hàm lƣợng chì và arsen trong nƣớc thải sinh hoạt tại vùng này cao hơn 1,5 – 6 lần so với vùng đối chứng. Qua xét nghiệm máu của phụ nữ trong độ tuổi sinh sản sống liên tục ở vùng nghiên cứu 5 năm cho thấy hàm lƣợng chì và arsen trong máu của họ cao hơn trong máu của ngƣời ở vùng đối chứng 3 – 80 lần [2, 4]. 4
Từ các dẫn liệu trên có thể thấy việc xả nƣớc thải xử lý kém là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm nƣớc nghiêm trọng. Vì vậy, một nhu cầu thực tế hiển nhiên đƣợc đặt ra là cần có các phƣơng pháp hiệu quả để đánh giá nhanh chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý. 1.2 PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI SAU XỬ LÝ Đánh giá chất lƣợng nƣớc cũng nhƣ mức độ ô nhiễm của nƣớc cần đựa vào một số thống số cơ bản về thành phần hóa học và sinh học đối với từng loại nƣớc sử dụng với các mục đích khác nhau và so sánh chúng với chỉ tiêu cho phép. Các thông số cơ bản bao gồm: độ pH, màu sắc, độ đục, hàm lƣợng chất rắn, các chất lơ lửng (huyền phù), các kim loại nặng, chỉ số COD (nhu cầu oxy hóa học-chemical oxygen demand) và BOD (nhu cầu oxy sinh hóa-Biochemical oxygen demand)… Bảng 3: Một số thông số ô nhiễm nƣớc thải trong công nghiệp theo tiêu chuẩn Việt Nam QCVN40: 2011/BTNMT [3] 1 Thông số Đơn vị Giá trị C A B o 1 Nhiệt độ C 40 40 2 Màu Pt/Co 50 150 3 pH - 6-9 5,5-9 4 BOD5 (20oC) mg/lít 30 50 5 COD mg/lít 75 150 6 Chất rắn lơ lửng mg/lít 50 100 7 Asen mg/lít 0,05 0,1 8 Thủy ngân mg/lít 0,005 0,01 9 Chì mg/lít 0,1 0,5 10 Cadimi mg/lít 0,05 0,1 11 Crom (VI) mg/lít 0,05 0,1 12 Crom (III) mg/lít 0,2 1 Hàm lƣợng chất rắn có trong nƣớc bao gồm: các chất vô cơ ở dạng muối hòa tan hoặc không hòa tan đƣợc nhƣ đất đá, các chất hữu cơ nhƣ xác của vi sinh vật, 5
tảo, nấm, động vật nguyên sinh…Tổng chất rắn (TS) đƣợc xác định bằng trọng lƣợng khô thành phần còn lại sau khi cho bay hơi 1 lít mẫu nƣớc rồi sấy khô ở 103oC, hay chất rắn huyền phù (SS) là trọng lƣợng khô của chất rắn sau khi cho 1 lít mẫu nƣớc đi qua giấy lọc sợi thủy tinh rồi sấy ở 103 – 105oC tới khối lƣợng không đổi [1, 3, 54]. Các kim loại nặng trong nƣớc hay các chất độc hữu cơ (nhƣ phenol, DDT, thuốc diệt cỏ…) có thể đƣợc đánh giá bằng các phƣơng pháp so màu với thuốc thử, sắc ký, hoặc chuẩn độ theo thể tích với một chất hóa học. Ví dụ, để xác định hàm lƣợng phenol có thể sử dụng một trong hai phƣơng pháp sau: (1) Phƣơng pháp xác định phenol bằng phƣơng pháp đo màu theo nguyên tắc là tách phenol ra khỏi nƣớc và cho tác dụng với 2-6 dicloroquinon diclorimmid để tạo phức màu xanh của indophenol, và qua cƣờng độ màu thu đƣợc ta biết đƣợc hàm lƣợng phenol (đo bƣớc sóng 610 nm). (2) phƣơng pháp chuẩn độ thể tích theo phép đo iot bằng cách cho phenol trong nƣớc tác dụng với brom tạo thành tribromophenol, khi thêm kali iodua vào dung dịch, lƣợng brom phản ứng thừa với phenol sẽ đẩy iot ra khỏi muối kaliiodua, sau đó ta tiến hành định lƣợng iot bằng natri thiosunfat và qua đó ta tính đƣợc hàm lƣợng phenol. Một ví dụ khác là phƣơng pháp xác định hàm lƣợng asen trong nƣớc thải bằng cách so màu trên quang sắc kế với bạc dietylthiocacbamat: dùng hydro mới sinh để khử muối asen thành khí asin (AsH3); asin sau khi đi qua một ống chứa bông thủy tinh hoặc giấy lọc tẩm chì axetat rồi đi vào ống hấp thụ có chứa bạc dietylthiocacbamat hòa tan trong pirindin. Trong ống hấp phụ asen phản ứng với muối bạc tạo thành một phức tan màu đỏ sử dụng để so màu, cƣờng độ màu sẽ tỷ lệ với hàm lƣợng asen có trong nƣớc (đo ở bƣớc sóng 350 - 540 nm) [1, 3]. Chỉ số COD là lƣợng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa toàn bộ các chất hữu cơ có trong nƣớc thải thành CO2 và H2O. Để xác định chỉ số này ngƣời ta thƣờng xử dụng chất oxy hóa mạnh trong môi trƣờng axit (thƣờng là bicromat- K2Cr2O7). Lƣợng bicromat dƣ đƣợc chuẩn độ bằng dung dịch muối Mohrp- Fe(NH4)2(SO4)2 với chỉ thị là dung dịch Ferroin (chỉ thị sẽ chuyển từ màu xanh lam sang màu đỏ nhạt) [1, 3, 54]. 6
Chỉ số BOD là nhu cầu oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ có trong nƣớc bằng vi sinh vật (thƣờng là vi khuẩn) dị dƣỡng, hiếu khí. Quá trình oxy hóa chất hữu cơ này đòi hỏi thời gian dài ngày, phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, các chủng loại vi sinh vật, hay nhiệt độ và thành phần độc tính của nƣớc. Phƣơng pháp thƣờng sử dụng hiện nay để đo chỉ số BOD của nƣớc là chỉ số BOD5: tức là xác định lƣợng oxy cần thiết để oxy hóa chất hữu cơ trong 5 ngày tại nhiệt độ 20oC trong bóng tối [1, 3, 54]. Các phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng nƣớc thải ở trên có ƣu điểm là: định lƣợng chính xác nồng độ chất gây ô nhiễm, đã đƣợc áp dụng rộng rãi tại nhiều nƣớc trong thời gian dài. Tuy nhiên chúng lại có những nhƣợc điểm nhƣ: không thể chi ra nhiều tác nhân gây ô nhiễm cùng một lúc, thời gian phân tích khá dài, giá thành đắt, quy trình phân tích đòi hỏi ngƣời có chuyên môn cao và máy móc-hóa chất đắt tiền… Vậy nhằm hƣớng tới sự thuận tiện và hiệu quả (đặc biệt là về mặt thời gian) trong việc đánh giá chất lƣợng nƣớc thải của ngƣời quản lý hay các công ty tƣ nhân, việc đƣa ra đƣợc một phƣơng pháp đánh giá nhanh chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý, với chi phí cạnh tranh và dễ sử dụng đang là một nhu cầu bức thiết. 1.3 CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI SAU XỬ LÝ Một cảm biến sinh học (Biosensor) là một hệ thống phân tích sử dụng các tác nhân sinh học nhƣ DNA, enzymes, mô, cơ thể sống kết hợp với việc đánh giá – đo lƣờng các dấu hiệu hóa – lý của các tác nhân sinh học đó. Các dạng cảm biến sinh học hay đƣợc sử dụng hiện nay để đánh giá chất lƣợng nƣớc thải thƣờng thuộc hai dạng: (i) cảm biến dựa trên hành vi của sinh vật, hoặc (ii) cảm biến sử dụng vi sinh vật [8, 32, 65, 66]. 1.3.1 Cảm biến sinh học dựa trên hành vi của sinh vật Nghiên cứu hành vi của sinh vật cung cấp các hiểu biết liên quan đến sinh lý và sinh thái của sinh vật và môi trƣờng của chúng. Các đặc tính hành vi này gồm 7
chuỗi của hành động có thể xác định. . Việc nghiên cứu các đặc tính này cần dựa trên những hiểu biết về hệ thống thần kinh ngoại vi, và sự tích lũy - biểu hiện của gen, các phản ứng sinh hóa, quá trình sinh lý cần thiết cho cơ thể sống, nhƣ việc ăn, sinh sản, tránh xa động vật ăn thịt... Các đặc tính hành vi này cho phép các sinh vật có thể điều chỉnh các nhân tố bên trong và bên ngoài cơ thể nhằm giúp cho chúng có thể thích nghi với những biến đổi của môi trƣờng. Nhờ có các đặc tính hành vi này và sự ổn định của chúng mà sinh vật có thể sống sót, thích nghi, và sinh sản với môi trƣờng sống. Năm 1985 Rand đã công bố về hành vi phản ứng với độc tố của sinh vật trong nƣớc, và sau 20 năm đã có nhiều nghiên cứu quan tâm về số hành vi phản ứng của nhiều loài với độc tố, cũng nhƣ các cách thức chọn lựa xử lý số liệu và đánh giá chúng. Năm 1986 chính phủ Hoa Kỳ đã chấp nhận hành vi tránh xa chất độc là bằng chứng hợp pháp của tổn thƣơng sinh vật. Rất nhiều sinh vật đƣợc nghiên cứu về các đặc điểm biến đổi hành vi nhằm ứng dụng để đánh giá chất lƣợng nƣớc nhƣ: cua, bọ nƣớc, cá, sò… [8]. Bảng 4: Theo dõi sự thay đổi hành vi của cá liên kết với điều kiện stress khác nhau Loài Tác nhân stress Hành vi Tác giả Cá hồi Đại Tây Cu và Zn Tránh xa Sprague, 1964 Dƣơng Khả năng bơi lội, hoạt Little và cộng sự Cá hồi đốm đen Thuốc diệt cỏ động ăn, 1990 Cá thái dƣơng Cd, Cr, Zn Trạng thái kích động Ellgaard 1978 Sự nhanh nhẹn, sự Kleerekoper và Cá vàng Cu thay đổi góc bơi cộng sự 1972 Cá thái dƣơng DDT Trạng thái kích động Ellgaard 1977 Hỗn hợp kim loại Cá hồi đốm đem Hành vi tránh xa Svecevicius 2001 nặng 8
Mô hình cá trong kiểm tra đặc tính hành vi độc tố (Bảng 4): Cá là một mô hình lý tƣởng cho việc nghiên cứu các hành vi của động vật với các tác nhân stress và các độc tố bởi vì: (i) cơ thể cá tiếp xúc trực tiếp với nƣớc của môi trƣờng có chứa nhiều chất hóa học cần thử nghiệm, (ii) môi trƣờng sống của cá khá đa dạng, (iii) cá dễ dàng nuôi; có khả năng sinh sản; và đƣợc nghiên cứu nhiều với các độc tố. Bất cứ nghiên cứu nào hƣớng tới phát triển một mô hình cảm biến dựa trên phản ứng hành vi của cá cần phải dựa trên những nghiên cứu về đặc điểm sinh thái của loài tƣơng ứng [8]. Mô hình Bọ nước (Daphnia) phát hiện độc tố trong nước: Bọ nƣớc đƣợc sử dụng nhƣ một cảm biến sinh học hữu ích trong việc phát hiện độc tố trong nƣớc. Chúng có kích thƣớc cơ thể nhỏ, vòng đời ngắn, dễ nuôi và có thể sinh sản trong phòng thí nghiệm và phản ứng nhanh với sự thay đổi của thành phần hóa học trong nƣớc. Bọ nƣớc khi đƣợc thử nghiệm độc tố sẽ có những thay đổi về đặc điểm hành vi và sinh lý cơ thể. Các chỉ tiêu đánh giá bọ nƣớc trong việc đánh giá chất lƣợng nƣớc gồm: tốc độ - chiều cao – góc – chuyển động bơi, vị trí phân bố [73]. 1.3.2 Cảm biến sinh học vi sinh vật Cảm biến sinh học sử dụng tập tính hành vi của sinh vật có một số nhƣợc điểm nhƣ: thời gian đáp trả dài, nghiên cứu về tập tính sinh vật phức tạp đòi hỏi ngƣời nghiên cứu phải có kiến thức chuyên môn sâu, bị ảnh hƣởng bởi yếu tố bên ngoài (gây kết quả sai lệch)… Vì vậy, nhiều nghiên cứu gần đây đã tập trung sử dụng vi sinh vật nhƣ một mô hình cảm biến sinh học. Các vi sinh vật cũng có phản ứng sinh học tốt giống nhƣ động vật hay thực vật đôi với tác nhân stress. Ngoài ra chúng còn có khả năng phát hiện nhiều chất hóa học hơn, có thể dễ dàng cải biến vật chất di truyền, hoạt động với phổ nhiệt độ và pH rộng, thời gian phản ứng nhanh… Một vài dạng cảm biến sinh học sử dụng vi sinh vật đã đƣợc nghiên cứu và phát triển nhƣ: các cảm biến dựa trên sự phát quang, sự phát huỳnh quang của vi sinh vật, hoặc cảm biến dựa trên sự điện hóa của vi sinh vật…[32] 9