1

MỤC LỤC

Mở đầu………………………………………………………………………….………….….....3

I. Giới thiệu chung………………………………………………………………………….5

1. Khái niệm vi sinh vật và tầm quan trọng của vi sinh vật………………………….….5

a. Đặc điểm chung của Vi sinh vật…………………………………………..….......5

b. Vai trò của Vi sinh vật…………………………………………………….……...5

c. Tầm quan trọng của Vi sinh vật…………………………………………........…..6

2. Sơ lược về nước thải bị ô nhiễm kim loại nặng…………………………...…...…..…6

a. Giới thiệu chung về kim loại nặng.........................................................................7

b. Ô nhiễm kim loại trong nước thải công nghiệp......................................................7

II. Nội dung phương pháp……………………………………………………….......…....…9

1. Sơ lược các phương pháp khác……………………………………………...…...…...9

a. Các phương pháp Lý Hóa………………………………………………....…...…9

b. Các phương pháp Sinh Học……………………………………………..............10

2. Nội dung phương pháp Vi sinh dùng xử lý nước thải kim loại nặng……….……….10

Xét trường hợp với nấm men S. cerevisiae…………………….…..………..11

Trường hợp sử dụng sinh khối không sống – các loài Pseudomonas………16

3. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của phương pháp………….………………...23

a. Ưu nhược điểm………………………………………………………………….23

b. Phạm vi ứng dụng……………………………………………………………….24

III. Phần kết luận…………………………………………………………………………….25

1. Lợi ích của Công nghệ sinh học với đời sống con người…………………………....25

2. Áp dụng công nghệ Vi sinh trong xử lý nước thải kim loại nặng………..............….25

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………..…27

2

Mở đầu

Như chúng ta đã biết, từ xưa con người đã biết tới Công nghệ sinh học. Ví dụ như lên men để

tạo ra rượu. Tuy lúc đó con người chưa biết hiện tượng đó là gì họ chỉ làm theo bản năng hay

“cha truyền con nối”. Nhưng điều đó cũng đã hình thành và thôi thúc họ tìm tòi học hỏi. Công

nghệ sinh học bắt đầu từ sự nghiên cứu các vật nuôi và cây trồng, phức tạp và đẹp đẽ ngay từ

những nét nhỏ nhất của chúng. Từ khi giống cây trồng đầu tiên được phát triển thông qua lai tạo

do Thomas Fairchild vào năm 1719, cho đến khi Mendel tìm ra định luật di truyền vào năm

1866, xây dựng nền tảng di truyền học. Có thể coi Mendel là người đặt nền móng cho những

nghiên cứu quá trình phát triển tiến hóa của sinh giới ở mức độ vi mô. Phát minh của ông đã đặt

nền móng cho di truyền học. Tiếc rằng phát hiện này của ông đăng trên một tạp chí địa phương,

dù có mặt ở các thư viện lớn của châu Âu thời ấy, lại không được ai để ý tới. Cho tới khi cuộc

“Cách mạng xanh” ra đời đã giúp đẩy lùi nạn đói trên toàn cầu trong giai đoạn nửa cuối thế kỷ

20, thời điểm dân số bùng nổ mạnh ở các nước kém phát triển. Nhờ cuộc “Cách mạng xanh”, từ

năm 1960 – 1990 sản lượng nông nghiệp trên toàn thế giới đã tăng gấp đôi, cứu sống khoảng 1 tỉ

người ở những nước đang phát triển khỏi nguy cơ chết đói. Nhà khoa học Mỹ Norman

Borlaug chính là cha đẻ của cuộc cách mạng đó. Kể từ cuộc “Cách mạng xanh”, vai trò của Công

nghệ sinh học đã được toàn thể giới chú ý đến. Đầu những năm 1980, đã bắt đầu hình thành công

nghệ sinh học hiện đại là lĩnh vực công nghiệp sử dụng hoạt động sinh học của các tế bào đã

được biến đổi di truyền. Các nước có nền công nghiệp mới thì từ những năm 85 và các nước

đang phát triển trong khu vực thì chủ yếu từ những năm 90 trở lại đây. Đến nay hầu hết ở các

nước Công nghệ sinh học đều được coi là một hướng khoa học công nghệ ưu tiên đầu tư và phát

triển.

Trong bài tiểu luận này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về một phương pháp mới được nghiên

cứu để ứng dụng xử lý nước thải bị ô nhiễm kim loại nặng từ nguồn nước thải của các nhà máy

mạ điện, khai thác mỏ, chế biến quặng, gia công kim loại, pin, sản xuất acquy, …, nằm trong

chuỗi các phương pháp ứng dụng công nghệ Sinh học: PHƯƠNG PHÁP VI SINH.

Sau đây là nội dung bài tiểu luận, nhóm chúng em rất mong nhận được sự quan tâm và đóng

góp ý kiến của thầy cũng như các bạn về nội dung và cách trình bày bài tiểu luận.

Đ/c: Lớp CN Điện Hóa & BVKL K53 – Đại học Bách Khoa Hà Nội

hoặc hòm thư dhk53bkhn@gmail.com

3

I. Giới thiệu chung

1. Khái niệm vi sinh vật và tầm quan trọng của vi sinh vật

Vi sinh vật là những sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ, không quan sát được bằng mắt thường

mà phải sử dụng kính hiển vi. Thuật ngữ vi sinh vật không tương đương với bất kỳ đơn vị phân

loại nào trong phân loại khoa học. Nó bao gồm cả virus, vi khuẩn, archaea, vi nấm, vi tảo, động

vật nguyên sinh.

Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong tự nhiên cũng như trong cuộc sống của con

người. Nó biến đá mẹ thành đất trồng, nó làm giàu chất hữu cơ trong đất, nó tham gia vào tất cả

các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. Nó là các khâu quan trọng trong chuỗi thức ăn của hệ

sinh thái. Nó đóng vai trò quyết định trong quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên.

Trong bảo vệ môi trường, người ta đã sử dụng vi sinh vật làm sạch môi trường, xử lý các chất

thải độc hại. Sử dụng vi sinh vật trong việc chế tạo phân bón sinh học, thuốc bảo vệ thực vật

không gây độc hại cho môi trường, bảo vệ mối cân bằng sinh thái.

a. Đặc điểm chung của VSV:

- Kích thước nhỏ bé: kích thước vi sinh vật thường được đo bằng micromet.

- Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh. Vi khuẩn lactic (Lactobacillus) trong 1 giờ

có thể phân giải một lượng đường lactozơ nặng hơn 1000-10000 lần khối lượng của

chúng.

- Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh. So với các sinh vật khác thì vi sinh vật

có tốc độ sinh trưởng cực kì lớn.

- Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị.

- Phân bố rộng, chủng loại nhiều.

- Do tính chất dễ phát sinh đột biến nên số lượng loài vi sinh vật tìm được ngày càng tăng.

- VSV gồm nhiều nhóm phân loại khác nhau, là những cơ thể đơn bào hay tập hợp đơn bào, có

kích thước hiển vi.

b. Vai trò của VSV:

- Trong tự nhiên:

Tích cực:

+ Vi sinh vật là mắt xích quan trọng trong các chu trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong

tự nhiên.

4

+ Tham gia vào việc gìn giữ tính bền vững của hệ sinh thái và bảo vệ môi trường.

Tiêu cực:

+ Gây bệnh cho người, động – thực vật.32

+ Là nguyên nhân gây hư hỏng thực phẩm.

- Trong nghiên cứu di truyền: Là đối tượng lí tưởng trong công nghệ di truyền, công nghệ sinh

học…

- Bảo vệ môi trường: Vi sinh vật tham gia tích cực vào quá trình phân giải các phế thải nông

nghiệp, phế thải công nghiệp, rác sinh hoạt …

c. Tầm quan trọng của VSV:

Vi sinh vật sống trong đất và trong nước tham gia tích cực vào quá trình phân giải các xác hữu

cơ biến chúng thành CO2 và các hợp chất vô cơ khác dùng làm thức ăn cho cây trồng. Các vi

sinh vật cố định nitơ thực hiện việc biến khí nitơ (N2) trong không khí thành hợp chất nitơ (NH3,

NH4+) cung cấp cho cây cối. Vi sinh vật có khả năng phân giải các hợp chất khó tan chứa P, K,

S và tạo ra các vòng tuần hoàn trong tự nhiên. Vi sinh vật còn tham gia vào quá trình hình thành

chất mùn.Vi sinh vật có vai trò quan trọng trong năng lượng (sinh khối hoá thạch như dầu

hoả, khí đốt, than đá). Trong các nguồn năng lượng mà con người hy vọng sẽ khai thác mạnh mẽ

trong tương lai có năng lượng thu từ sinh khối. Sinh khối là khối lượng chất sống của sinh vật.

Vi sinh vật là lực lượng sản xuất trực tiếp của ngành công nghiệp lên men bởi chúng có thể sản

sinh ra rất nhiều sản phẩm trao đổi chất khác nhau (các loại axit, enzim, rượu, các chất kháng

sinh, các axit amin, các vitamin...). Trong công nghiệp tuyển khoáng, nhiều chủng vi sinh vật đã

được sử dụng để hoà tan các kim loại quý từ các quặng nghèo hoặc từ các bãi chứa xỉ quặng.

2. Sơ lược về nước thải ô nhiễm kim loại nặng:

Công cuộc công nghiệp hoá được gắn với tình trạng ô nhiễm gia tăng. Ô nhiễm do kim loại

nặng thải ra từ các ngành công nghiệp là một mối đe doạ nghiêm trọng đối với sức khoẻ nhân

dân và sự an toàn của hệ sinh thái. Việt Nam là nước có nền kinh tế nông nghiệp nhưng hoạt

động công nghiệp đem lại 20% GDP. Nhịp độ phát triển công nghiệp nhanh, đạt trên 10%. Sự

phát triển trong hoạt động công nghiệp đang vượt sự phát triển của cơ sở hạ tầng. Hiện nay, các

ngành công nghiệp đều đổ trực tiếp chất thải chưa được xử lý vào môi trường. Kim loại nặng và

độc tố là các thành phần đặc trưng của các chất thải công nghiệp. Theo kết quả quan trắc và phân

tích môi trường, hàm lượng Đồng, Chì, Cátmi và Côban ở các vùng nước ven biển gần các thị

trấn và trung tâm công nghiệp lớn nhiều hơn so với mức tự nhiên của chúng trong nước biển.

5

Đặc biệt, Đồng và Kẽm được coi là hàm lượng cao không thể chấp nhận được, và Thuỷ Ngân,

mặc dù chưa đạt tới "mức ô nhiễm", nhưng đã đạt tới mức cho phép. Việt Nam đặt mục tiêu tăng

gấp đôi GNP vào năm 2000 và quá trình công nghiệp hoá có tầm quan trọng lớn đối với sự phát

triển kinh tế. Quá trình công nghiệp hoá dự kiến sẽ được tập trung ở các vùng thành thị, trong đó

có các trung tâm đô thị ven biển lớn của Việt Nam. Các ngành công nghiệp của Việt Nam đều

đang ở giai đoạn đầu của sự phát triển và hiện không có đủ các phương tiện cần thiết để giảm và

loại trừ các tác động môi trường do các hoạt động của mình gây ra. Đây là một nguy cơ gây ô

nhiễm tiềm tàng, đe doạ hệ sinh thái vùng ven bờ và biển.

a. Giới thiệu chung về kim loại nặng:

Kim loại nặng là những kim loại có phân tử lượng lớn hơn 52(g) bao gồm một số loại như As,

Cd, Cr, Cu, Pb,Hg,Se, Zn….. chúng có nguồn gốc từ các nguồn nước thải trong công nghiệp,

nông nghiệp cũng như trong tự nhiên

VD: cadimi có nguồn gốc từ chất thải công nghiệp,trong chất thải khi khai thác quặng.crôm

trong mạ kim loại nước thải của sản phẩm gốc crôm hay chì trong công nghiệp than ,dầu

mỏ.thuỷ ngân trong chất thải công nghiệp khai thác khoáng sản,thuốc trừ sâu.

Chúng đều có những tác hại nhất định như As có thể gây ung thư,Cd có thể gây ra huyết áp cao,

đau thận phá huỷ các mô và tế bào máu,chì rất độc ảnh hưởng tới thận và thần kinh hay thuỷ

ngân là một kim loại rất đôc.

Các kim loại này khi thải vào nước làm cho nước bị nhiễm bẩn mất đi một số tính chất hoá lý

đặc biệt cũng như những tính chất và thành phần thay đổi làm ảnh hưởng xấu đến môi trường

sinh thái và sức khoẻ con người.việc nhận biết nước bị ô nhiễm có thể căn cứ vào trạng thái hoá

học,vật lý, hoá lý, sinh học của nước .Ví dụ như khi nước bị ô nhiễm sẽ có mùi khó chịu,vị

không bình thường,màu không trong suốt ,số lượng cá và các thuỷ sinh vật khác giảm cỏ dại phát

triển, nhiều mùn,hoặc có váng dầu mỡ trên mặt nước.

Số lượng ngày càng tăng của kim loại nặng trong môi trường là nguyên nhân gây nhiễm độc đối

với đất, không khí và nước. Việc loại trừ các thành phần chứa kim loại nặng độc ra khỏi các

nguồn nước, đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọng bậc nhất phải

giải quyết hiện nay.

Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước thải trước khi thải ra

môi trường. Bên cạnh các phương pháp hóa - lý với những ưu thế không thể phủ nhận được

người ta đã bắt đầu nghiên cứu sử dụng các biện pháp sinh học vì nhiều loài sinh vật có khả năng

6

hấp thu kim loại nặng. Xử lý kim loại nặng dựa trên hiện tượng hấp thu sinh học (biosorption) có

thể là một giải pháp công nghệ của tương lai. Trong số các sinh vật có khả năng đóng vai trò là

chất hấp thu sinh học (biosorbent) thì các loài tảo được đặc biệt chú ý. Rất nhiều trong số đó là

các loài tảo có kích thước hiển vi hay còn gọi là vi tảo (microalgae).

b Ô nhiễm kim loại trong nước thải công nghiệp:

Hầu hết các kim loại nặng như Pb, Hg, Cd, As, Cu, Zn, Fe, Cr, Co, Mn, Se, Mo... tồn tại trong

nước ở dạng ion. Chúng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó chủ yếu là từ các hoạt

động công nghiệp.

Khác với các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong đa số trường hợp, các kim loại nặng khi

đã phóng thích vào môi trường thì sẽ tồn tại lâu dài. Chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗi

thức ăn mà ở đó con người là mắt xích cuối cùng.

Quá trình này bắt đầu với những nồng độ rất thấp của các kim loại nặng tồn tại trong nước hoặc

cặn lắng, rồi sau đó được tích tụ nhanh trong các động vật và thực vật sống trong nước. Tiếp đến

là các động vật khác sử dụng các thực vật và động vật này làm thức ăn, dẫn đến nồng độ các kim

loại nặng được tích lũy trong cơ thể sinh vật trở nên cao hơn. Cuối cùng ở sinh vật cao nhất trong

chuỗi thức ăn, nồng độ kim loại sẽ đủ lớn để gây ra độc hại. Con người, xét theo quan điểm sinh

thái, thường có vị trí cuối cùng trong chuỗi thức ăn, vì thế họ vừa là thủ phạm vừa là nạn nhân

của ô nhiễm kim loại nặng.

Nguồn ô nhiễm kim loại nặng từ các hoạt động công nghiệp là hết sức phong phú: công nghiệp

7

hóa chất, khai khoáng, gia công và chế biến kim loại, công nghiệp pin và ắc qui, công nghiệp

thuộc da...

Nước thải phát sinh trong quá trình mạ điện kim loại chứa hàm lượng các kim loại nặng rất cao,

là độc chất đối với sinh vật, gây tác hại xấu đến sức khỏe con người. Nhiều công trình nghiên

cứu cho thấy, với nồng độ đủ lớn, sinh vật có thể bị chết hoặc thoái hóa.Với nồng độ nhỏ, chúng

có thể gây ngộ độc mãn tính hoặc tích tụ sinh học, ảnh hưởng đến sự sống của chúng về lâu về

dài. Do đó, nước thải từ các quá trình mạ điện kim loại không được xử lý, qua thời gian tích tụ

trực tiếp hay gián tiếp, sẽ tồn đọng trong cơ thể con người gây ra các bệnh nghiêm trọng, như

viêm loét da, viêm đường hô hấp, eczima, ung thư ....

II. NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP

Trước khi nghiên cứu sâu hơn về phương pháp vi sinh xử lý nước thải chứa kim loại

nặng, chúng ta sẽ cùng nhau xem xét một vài phương pháp khác đã và đang được áp

dụng dưới đây, xem xét những ưu nhược điểm của chúng và chỉ ra khả năng thay thế của

phương pháp xử lý bằng vi sinh so với các phương pháp đó.

1. Sơ lược các phương pháp khác

Tác hại của nhiễm môi trường do nước thải nói chung và nước thải KLN nói riêng, chúng ta đã

thấy rất rõ trong các phân tích của phần I. Chính vì thế, xử lý nước thải luôn là vấn đề được các

quốc gia đặt song song với việc phát triển các ngành công nghiệp. Những nỗ lực đó đã đưa đến

cho chúng ta các phương pháp sau:

a. Các phương pháp Lý Hóa:

Phương pháp này sử dụng hiện tượng bay hơi, kết tủa hóa học, trao đổi ion, hấp phụ,

màng, điện hoá để loại bỏ kim loại nặng ra khỏi môi trường nước.

Ví dụ dùng Ca(OH)2: Các KLN như Hg, Cr, Cd, Zn, Pb, Cu, Ni, As được loại ra bằng

dung dịch Ca(OH)2. Bản chất loại bỏ các chất này là chuyển các chất hòa tan thành

dạng không tan, và thu ở dạng cặn lắng. kết quả hàm lượng kim loại năng giảm rất lớn

đạt 80 - 90%, tuy nhiên để giảm hàm lượng KLN mức rất nhỏ thì phương án này không

có khả thi

8

Trong trường hợp nồng độ kim loại trong nước thải cao, khối lượng nước thải không

quá lớn thì phương pháp lý hóa tỏ ra rất hiệu quả. Tuy nhiên, phương pháp này tỏ ra

không hiệu quả hoặc quá đắt khi nồng độ khởi đầu của kim loại trong nước thải chỉ vào

khoảng 10-100 mg/l.

Người ta có thể sử dụng các chất để phản ứng KLN tạo thành sản phẩm có độ hòa tan

thấp hơn sử dụng Cacbonat, hydroxyt..

Ví dụ như: NaS, Pirit...

Ngoài ra, người ta có thể sử dụng các phương pháp, điện hóa, hấp phụ, vi sinh chuyển

hóa một số KLN...

Tùy mức độ xử lý đến mức nào mà chúng ta lựa chọn phương pháp.

Tuy nhiên, việc xử lý phụ thuộc dạng hòa tan KLN, thành phần, độ acid....

Phương pháp kết tủa hóa học Phương pháp màng

Phương pháp hấp phụ Phương pháp điện hóa

Phương pháp trao đổi ion Phương pháp sinh học

Các phương pháp xử lý trên thông thường mắc phải một số nhược điểm chung là

sinh ra một số lượng bùn thải lớn do sử dụng khá nhiều hóa chất để khử Cr(VI), trung

hòa và kết tủa; công nghệ phức tạp, phải kết hợp nhiều phương pháp (sử dụng cả nhựa

cation và anion mới có thể loại bỏ được anion Cr(VI) và cation Cr(III); tính không ổn

định của hạt nhựa và màng do tính oxy hóa cao của Cr(VI); giá đầu tư và chi phí vận

hành quá cao và đòi hỏi tay nghề vận hành. Do đó, việc ứng dụng với quy mô công

nghiệp các phương pháp trên đây vẫn còn nhiều khác biệt ở các nước.

Trong những điều kiện như vậy thì người ta tìm kiếm các phương pháp sinh học.

b. Các phương pháp Sinh Học:

Xử lý bằng sinh học tức là dùng các chế phẩm sinh học để xử lý nước. Trong những

năm gần đây, xử lý nước thải chứa kim loại bằng phương pháp này đang dần trở nên

chiếm ưu thế. Ví dụ:

cỏ Vetiver, bộ rễ của cây chứa nhiều vi khuẩn và nấm có khả năng xử lý chất

thải gây ô nhiễm cho môi trường.

Chitosan có trong vỏ tôm, là sản phẩm biến tính của chitin - một polysaccharid

xuất hiện nhiều trong thiên nhiên, Chitosan có khả năng hấp phụ tốt các kim

9

loại nặng. Do đặc tính của nhóm amino tự do trong cấu trúc chitosan được tạo

thành khi deacetyl hóa chitin, các phức chelat của nó làm cho khả năng hấp phụ

kim loại tăng gấp 5 đến 6 lần so với chitin. Khi ghép một số nhóm chức vào

khung cấu trúc của chitosan sẽ làm tăng khả năng hấp phụ kim loại của chitosan

lên nhiều lần. Để tạo điều kiện tốt cho quá trình chuyển khối, đồng thời tăng

dung lượng hấp phụ kim loại của chitosan,biến tính chitosan hấp phụ kim loại

nặng trên mạng lưới liên kết mạch thẳng và chéo nhau. Kết quả là đã tạo ra

được nhiều loại chitosan biến tính có dung lượng hấp phụ kim loại cao

...

Các phương pháp lý hóa, chẳng hạn như kết tủa hóa học, giảm quá trình oxy hóa hóa học hoặc

điện hóa điều trị, phục hồi bay hơi, lọc, trao đổi ion, và công nghệ màng đã được sử dụng rộng

rãi để loại bỏ các ion kim loại nặng từ nước thải công nghiệp. Những quá trình này có thể không

hiệu quả hoặc đắt tiền, đặc biệt là khi các ion kim loại nặng có trong dung dịch vào khoảng 1 -

100 mg hòa tan các ion kim loại nặng / L (Volesky, 1990a; Volesky, 1990b).

Phương pháp sinh học như hấp thụ sinh học / tích lũy sinh học để loại bỏ các ion kim loại nặng

có thể cung cấp một phương pháp thay thế hấp dẫn thay cho các phương pháp lý hóa (Kapoor và

Viraraghavan, 1995). Tuy nhiên, trong các phương pháp sử dụng chế phẩm có nguồn gốc sinh

học để xử lý nước thải, hiện nay người ta đang nghiên cứu chuyên sâu hơn về một phương pháp

hoàn toàn mới, nó có nhiều đặc điểm tỏ ra là ưu việt hơn nhiều so với các phương pháp cũ –

phương pháp Vi Sinh – mà chúng ta sẽ xem xét cụ thể hơn dưới đây.

2. Phương pháp Vi sinh xử lý nước thải chứa kim loại nặng

Như đã phân tích ở trên, các phương pháp tách kim loại nặng trong nước đang được áp dụng

thường phải sử dụng hoá chất và có chi phí khá cao. Do vậy việc nghiên cứu các biện pháp hiệu

quả hơn như phương pháp hấp thu sinh học để tách kim loại nặng là rất cần thiết.

Biosorption (hấp phụ sinh học) là một thuộc tính của một số loại vi sinh vật không hoạt động,

để ràng buộc và tập trung các kim loại nặng từ thậm chí rất loãng dung dịch nước. Nó tính chất

và các tác động tương tự như một chất hóa học, một quá trình trao đổi ion có nguồn gốc sinh

học.

10

Tiên phong nghiên cứu trên biosorption của các kim loại nặng tại Đại học McGill ở Montreal đã

dẫn đến việc xác định một số các loại sinh khối vi sinh vật cực kỳ hiệu quả trong việc tập trung

kim loại. Một số các loại nhiên liệu sinh học đó trước đây vẫn được coi như sản phẩm của quá

trình lên men công nghiệp quy mô lớn (Rhizopus nấm mốc hoặc vi khuẩn Bacillus subtilis) . Vài

loại khác (đặc biệt là tảo nâu như Sargassum, Ecklonia), có thể dễ dàng thu thập từ các đại

dương. Những loại nhiên liệu sinh học, phục vụ như là một cơ sở cho quá trình hấp phụ sịnh học

kim loại, có thể tích lũy các kim loại nặng vượt quá 25% trọng lượng khô của chúng : Pb, Cd, U,

Cu, Zn, thậm chí Cr và những kim loại khác. Các nghiên cứu cho thấy rằng quá trình trên đôi

khi là một hiện tượng phức tạp, nơi mà các loài kim loại có thể được gửi vào chất hấp phụ rắn

thông qua quá trình trao đổi ion, complexation, chelation, microprecipitation.

Xét trường hợp với nấm men S. cerevisiae

a. Sự hấp thu kim loại của S. cerevisiae

Cơ chế hoạt động

Nấm men S. cerevisiae sinh trưởng tốt nhất trong khoảng nhiệt độ 27-33oC, pH 4,5 – 5,5. Nấm

men 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 KLN này. Các kim loại Cu, Zn, Mn có ảnh hưởng

dương tính lên hoạt động hô hấp và tốc độ phát triển của S. cerevisiae. Tác động độc hại của

KLN đến cơ thể sinh vật giảm theo trật tự: Hg2+ > Cd2+ > Cu2+ > Ni2+ > Zn2+ > Pb2+. Sự hấp

thu kim loại ở S. cerevisiae diễn ra ở cả tế 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: trước tiên, Cu sẽ tham gia vào quá tr.nh

tổng hợp metallo thionein, sau đó metallo thionein bao quanh kim loại và bảo vệ S.cerevisiae

khỏi độc tính của KLN. Sức đề kháng của S. cerevisiae với ion Cu2+ liên quan đến sự tạo thành

liên kết kim loại-protein (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

11

trúc của ion kim loại. V. vậy, Cu và Zn có vai trò tham gia vào cấu trúc của Cu, Zn – peoxit

dismutase, đây là enzim đảm nhiệm vai trò khử độc của tế bào nấm men. Ch. là nguyên tố không

cần thiết cho vi sinh vật. Ch. được tích luỹ ở cả tế bào sống và tế bào chết và đều liên quan đến

hiện tượng bề mặt mà không có hoặc rất ít liên quan đến hiện tượng hấp thu nội bào (trao đổi

chất) trừ khi khuếch tán.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thu KLN của S. cerevisiae

Các yếu tố ảnh hưởng tới quá tr.nh hấp thu sinh học nói chung và sự hấp thu KLN

của S. cerevisiae nói riêng gồm:

- Nhiệt độ:Trong khoảng nhiệt độ 20 – 35oC hầu như không ảnh hưởng tới hiệu quả hấp thu;

- pH: pH được coi là yếu tố quan trọng nhất trong quá tr.nh hấp thu. Giá trị pH ảnh hưởng tới

tính chất hoá học của kim loại trong dung dịch, hoạt động của các nhóm chức trong sinh khối và

sự cạnh tranh của các ion kim loại;

- Hàm lượng sinh khối trong dung dịch: sự hấp thu sinh học tăng tỉ lệ thuận với lượng sinh khối

vi sinh trong môi trường;

- Sự có mặt của các ion kim loại khác: Sự loại bỏ một ion kim loại có thể chịu tác động bởi sự

có mặt của các ion kim loại khác, ví dụ, sự hấp thu Ur bởi sinh khối vi khuẩn, nấm mốc và nấm

men bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của Mg, Co, Cu, Cd, Hg và Pb trong dung dịch;

- Sự tiếp xúc của tế bào nấm men và ion kim loại: khả năng hấp thu tăng lên khi tăng tần số tiếp

xúc giữa sinh khối tế bào vi sinh vật và ion KLN.

b. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường- Đại học khoa học Tự nhiên

Hà Nội và Viện Công nghệ Sinh học-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hàm lượng kim

loại nặng được xác định bằng phương pháp trắc quang và phổ hấp thụ nguyên tử (máy AAS-

6800- Shimadzu, Nhật). Xác định số nấm men bằng phương pháp đếm đĩa chuẩn (cấy trong đĩa

betri, môi trường thạch Hasen). Các thí nghiệm được lặp lại 2-3 lần, lấy giá trị trung bình.

Mẫu nước nghiên cứu:

Các mẫu nước thải tự tạo có mặt KLN với các nồng độ tương ứng:

12

- Cu2+ (50, 100, 150, 250, 300mg/l);

- Pb2+ (50 mg/l); Zn2+ (50mg/l)

được pha chế sử dụng các muối CuSO4.5H2O; Pb(NO3)2 và ZnSO4.7H2O và nước cất hai lần

trong các bình tam giác vô trùng.

Vi sinh vật nghiên cứu:

Chủng S. cerevisiae do Viện Công nghệ Sinh học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

cung cấp, được bảo quản ở nhiệt độ 4oC. Môi trường Hansen nuôi cấy vi sinh được pha bằng

nước cất 2 lần trong các b.nh tam giác vô trùng, điều chỉnh pH về 4,5-5 bằng dung dịch H2SO4,

bổ sung nước thải tự tạo, nút bông và bao kín lại bằng giấy báo, đưa vào nồi hấp khử trùng. Môi

trường Hansen dịch thể (g/l): Glucosa: 50g; Pepton: 5g; MgSO4.7H2O: 3g; KH2PO4: 3g;

K2HPO4: 3g; Cao nấm men: 1g. Khi cấy trên đĩa thạch, môi trường được bổ sung 20g thạch/l.

b.1. Phương pháp nuôi cấy vi sinh trong môi trường dịch thể

Chủng nấm men được hoạt hoá trong tủ ấm ở 28oC trong 2 giờ trước khi cấy.

Nuôi cấy cấp 1: Chủng nấm men đ. hoạt hoá được cấy vào 50ml môi trường dinh dưỡng trong

b.nh tam giác 250ml, tiến hành ở điều kiện vô trùng (tủ hút với đèn cực tím); nút bông và bao kín

lại bằng giấy báo, lắc (300 v.ng/phút) ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ.

Nuôi cấy cấp 2: Chuyển 50ml sinh khối cấp 1 vào bình tam giác vô trùng có chứa 500ml môi

trường dinh dưỡng (tỉ lệ 1:10), tiến hành tương tự qúa trình nuôi cấy cấp 1, thu được dịch sinh

khối cấp 2.

b.2. Phương pháp khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình sinh trưởng của S. cerevissiae

Cho 100ml nước thải tự tạo vào các b.nh tam giác (6 b.nh); cho vào 6 b.nh khác 100ml

nước cất 2 lần làm đối chứng; điều chỉnh pH của các dung dịch đến giá trị: 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5;

6 (sử dụng dung dịch H2SO4 0,5M và NaOH lỏng). Bổ sung 50ml sinh khối cấp 2 vào mỗi

bình tam giác (tương đương 0,26g sinh khối khô). Khi đó, thể tích môi trường là 150ml,

nồng độ Cu2+50mg/l, lắc ở nhiệt độ phòng trong 6 giờ (150 vòng/phút).

Lấy từ mỗi bình tam giác 10ml dịch, lytâm (4000rpm, 20 phút); tách phần dịch trong ở trên;

phần sinh khối VSV lắng ở đáy được sấy ở 105oC đến khối lượng không đổi trong 48 giờ.

b.3. Nghiên cứu khả năng hấp thu KLN của nấm men

Chuẩn bị 4 bình chứa 50ml sinh khối cấp 2 và 100ml dung dịch Cu2+ có nồng độ Cu2+ tương

ứng là: 50, 150, 250, 300mg/l. Điều chỉnh pH về 5; lắc (150 v.ng/phút). Lấy 2ml mẫu từ các bình

13

sau các khoảng thời gian: 1; 3; 6; 12; 24 và 48 giờ, ly tâm (4000rpm, 20 phút). Phần dịch trong

được tách riêng ra để xác định hàm lượng KLN c.n lại. Phần sinh khối lắng ở đáy được sấy đến

khối lượng không đổi (105oC, 48 giờ). Tiến hành tương tự với dung dịch chứa Zn2+ và Pb2+

50mg/l.

b.4. Phương pháp thu hồi KLN trong sinh khối sau hấp thu

Phần sinh khối lắng ở đáy ống ly tâm được rửa 2-3 lần bằng nước cất, chuyển vào chén sứ, cô

cạn và nung ở 500oC trong 24 giờ; phần tro trắng trong chén nung (oxit kim loại) được hoà tan

bằng 5ml dung dịch axit HCl 20%, định mức đến 50ml bằng nước cất hai lần và xác định hàm

lượng Cu2+. Tiến hành tương tự với mẫu đối chứng: lấy 5ml HCl 20% cho vào b.nh định mức

50ml, định mức bằng nước cất 2 lần và phân tích nồng độ ion Cu2+ trong mẫu.

c. Kết quả và thảo luận

c.1. Kết quả khảo sát khả năng sinh trưởng của S.cerevisiae phụ thuộc vào pH môi trường

Ảnh hưởng của pH môi trường (dung dịch không có và có mặt ion Cu2+ 50mg/l) đến quá tr.nh

sinh trưởng S. cerevisiae (sau 6 giờ) được chỉ ra ở đồ thị 1. Đồ thị cho thấy sự ức chế sinh trưởng

của S. cerevisiae của ion Cu2+, sinh trưởng của tế bào nấm men trong môi trường không có ion

Cu2+ lớn hơn trong môi trường có mặt ion Cu2+ (nồng độ 50 mg/l). Trong cả hai trường hợp,

sinh khối tế bào sau 6 giờ đạt giá trị lớn nhất ở môi trường pH = 5; khối lượng sinh khối đạt

2,71g/l trong môi trường có Cu2+ 50mg/l. Kết quả này cho thấy pH có ảnh hưởng đáng kể tới sự

phát triển của tế bào nấm men. Ảnh hưởng này có thể giải thích do sự tạo thành ATPase-H+, liên

quan đến sự hấp thu cation của tế bào thông qua thiết lập liên kết plasma màng tế bào. Kết quả

này cũng phù hợp với các nghiên cứu trước đây [3-5]. Từ kết quả này, các thí nghiệm tiếp theo

được tiến hành trong môi trường pH =5, giá trị pH tối ưu cho sinh trưởng của S. cerevisiae.

14

c.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp thu Cu2+ của S.cerevisiae

Khả năng hấp thu Cu2+ khi bổ sung 50ml sinh khối cấp 2 vào mỗi b.nh chứa 100ml dung dịch

Cu2+ nồng độ tương ứng 50; 100; 250mg/l; thời gian hấp thu 48 giờ. Kết quả ở Đồ thị 2 cho thấy

khi thời gian hấp thu tăng th. nồng độ Cu2+ trong dung dịch giảm dần, đặc biệt rõ rệt trong

khoảng 6 giờ đầu. Hiệu suất hấp thu Cu2+ của S. cerevisiae tỉ lệ thuận với nồng độ ion Cu2+ ban

đầu, tương ứng đạt 25; 40; và 60% với nồng độ ban đầu là 50; 100; và 250mg/l (sau 48 giờ). Kết

quả này có thể do trong thời gian đầu nồng độ ion KLN trong dung dịch và dinh dưỡng cho vi

sinh vật c.n lớn, số lượng nấm men tiếp xúc với ion KLN c.n cao nên hiệu suất hấp thu tốt hơn.

Kết quả cũng cho thấy ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+ trong môi trường đến quá trình sinh

trưởng của S. cerevisiae, khối lượng sinh khối tế bào tỉ lệ nghịch với nồng độ Cu2+ trong môi

trường.

Có thể thấy sự ức chế sinh trưởng đáng kể hơn ở môi trường có nồng độ Cu2+ 300mg/l so với

nồng độ 50mg/l Hve

c.3. Kết quả so sánh khả năng hấp thu ion Cu2+,Pb2+, Zn2+ trong dung dịch của S. cervisiae

Khả năng hấp thu sinh học với ion Cu2+, Pb2+ và Zn2+ (nồng độ 50mg/l) cho thấy khả năng

hấp thu của nấm men S. cerevisiae là khác nhau đối với mỗi kim loại. Khả năng hấp thu ion

Pb2+ của S. cerevisiae là lớn nhất, nồng độ trong dung dịch sau hấp thu 2,8 mg/l (hiệu suất ~

95%), hiệu suất hấp thu Cu2+ và Zn2+ tương ứng là 25 và 21%. Kết quả này là do trong môi

trường có mặt Pb2+ khả năng sinh trưởng của S. cerevisiae tốt hơn nhiều so với trong môi

15

trường có mặt Cu2+. Điều này cũng thể hiện qua số lượng nấm men trong dịch cấy cấp 2; trong

môi trường sau khi hấp thu ion Zn2+, Cu2+; và Pb2+ tương ứng là 6,4×108; 7,6×108 và

12,6×108MPN/100ml (Đồ thị 4).

Như vậy khả năng hấp thu của nấm men S. cerevisiae có thể sắp xếp theo trật tự: Pb2+ > Cu2+

> Zn2+. Kết quả này cũng phù hợp với một số nghiên cứu trước đây [6, 7]. Ngoài ra, các nghiên

cứu cũng cho thấy độc tính đối với vi sinh vật của Cu2+ lớn hơn so với Pb2+.

d. Kết luận

Saccharomyces cerevisiae có khả năng sinh trưởng tốt trong môi trường pH = 5, điều này

16

cũng phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Saccharomyces cerevisiae trong môi trường có

mặt Cu2+, Pb2+ và Zn2+ không những vẫn sinh trưởng tốt mà còn có khả năng hấp thu hiệu

quả các kim loại này. Quá trình hấp thu chủ yếu trong 6 giờ đầu tiên. Khi thay đổi nồng độ Cu2+

ban đầu từ 50 đến 250mg/l, hiệu suất hấp thu tỉ lệ thuận với nồng độ. Với nồng độ Cu2+ ban đầu

250mg/l khả năng hấp thu cao nhất, sau 48 giờ nồng độ Cu2+ còn lại trong dung dịch là

92,7mg/l, trong sinh khối khô là 89mg/g sinh khối tế bào khô, hiệu suất hấp thu đạt 63%. Khả

năng hấp thu của S. cerevisiae có trình tự: Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ với cùng nồng độ ban đầu là

50mg/l, sau 48 giờ hấp thu nồng độ Pb2+, Cu2+ và Zn2+ trong dung dịch tương ứng giảm xuống

còn 2,8; 37,5 và 39,5 mg/l; hiệu suất hấp thu đạt khoảng 95; 25 và 21%. Để làm cơ sở để cho

ứng dụng xử lý kim loại nặng trong nước thải, các nghiên cứu tiếp theo cần xem xét đầy đủ hơn

các yếu tố ảnh hưởng đến quá tr.nh, cơ chế hấp thu KLN của S. cerevissiae; khả năng hấp thu

của S. cerevisiae đối với những kim loại khác như Cr, Mn, Ni, Cd, Hg... và sự hấp thu kim loại

nặng trong mẫu nước thải thực tế.

Trường hợp sử dụng sinh khối không sống – các loài Pseudomonas

Thí nghiệm Hấp thụ sinh học cho Cr (VI), Cu (II), Cd (II) và Ni (II) đã được xem xét đến trong

nghiên cứu này bằng cách sử dụng sinh khối không sống của các loài Pseudomonas. Các ứng

dụng của mô hình Langmuir và Freundlich đã được thử nghiệm cho các chất hấp thụ sinh học

khác nhau. Hệ số xác định (R2) của cả hai mô hình chủ yếu là lớn hơn 0,9. Trong trường hợp của

Ni (II) và Cu (II), hệ số được tìm thấy là gần 1. Điều này cho thấy rằng cả hai mô hình mô tả đầy

đủ các dữ liệu thử nghiệm của hấp thụ sinh học với các kim loại. Khả năng hấp thụ tối đa được

tìm thấy là cao nhất cho Ni (II), Cd (II), Cu (II) và Cr (VI). Trong khi đó, hằng số k trong trường

hợp của Cd (II) đã được tìm thấy là lớn nhất so với các kim loại khác. Khả năng loại bỏ Cr (VI)

lớn nhất đạt khoảng 38%. Cu (II) được loại bỏ tối đa đạt 93% với sự hiện diện của Cr (VI).

Tương tự, với Cd (II) và Ni (II) tỷ lệ loại bỏ đã đạt được dao động từ 35 đến 88% và mức độ loại

bỏ tối đa thu được trong trường hợp riêng với Cd (II) và Ni (II) ...

Sự hiện diện của kim loại nặng trong môi trường nước được biết là gây thiệt hại nghiêm trọng

đến đời sống thuỷ sinh, bên cạnh đó, các kim loại này cũng tiêu diệt các vi sinh vật trong quá

trình xử lý sinh học nước thải và gây một sự chậm trễ với quá trình lọc nước. Hầu hết các muối

kim loại nặng hòa tan lẫn vào dung dịch nước và do đó không thể được tách ra bằng các phương

17

pháp vật lý bình thường.

Vi sinh vật hấp thụ kim loại hoặc là chủ động (tích lũy sinh học) và / hoặc thụ động (hấp thụ

sinh học) (Shumate và Strandberg, 1985; Andres et al 1992;. Fourest và Roux năm 1992;

Hussein và các cộng sự năm 2001;. Hussein et al 2003). Các nghiên cứu khả thi áp dụng trên

quy mô lớn đã chứng minh rằng, quá trình hấp thụ sinh học áp dụng tốt hơn so với các quá trình

tích lũy sinh học, bởi vì các hệ sống (hoạt động hấp thu) thường đòi hỏi việc bổ sung các chất

dinh dưỡng và do đó tăng nhu cầu oxy sinh học (BOD) hoặc nhu cầu oxy hóa học (COD) trong

dòng thải. Ngoài ra, việc bảo đảm cho vi khuẩn khỏe mạnh là khó khăn do kim loại có độc tính

cao và các yếu tố môi trường khác không phù hợp. Ngoài ra, khả năng giải hấp phụ kim loại là

hạn chế do nó bị ràng buộc bởi nội bào, các sản phẩm của quá trình chuyển hóa có thể được tính

toán với các phương pháp và mô hình hóa toán học của một hệ thống được xác định là không quá

khó khăn (Brown và Lester, năm 1982, Ajmal et al 1996; Dilek et al 1998).

Việc sử dụng các chất hút bám có nguồn gốc sinh học đã được nghiên cứu rộng rãi trong thập

kỷ qua là một trong những lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn nhất để tách và thu hồi kim loại nặng

thông thường (Shumate và Standberg, 1985; Eccles, 1990; Macaskie năm 1990; Tsezos và

Deutschmann năm 1992).

Hấp thụ sinh học các kim loại nặng bởi các tế bào vi khuẩn đã được công nhận như là một giải

pháp thay thế tiềm năng cho các công nghệ hiện có để thu hồi các kim loại nặng từ các dòng thải

công nghiệp. Hầu hết các nghiên cứu về các phương pháp hấp thụ sinh học để loại bỏ kim loại

được thực hiện trong các phòng thí nghiệm phát triển vi sinh vật hoặc sinh khối của ngành dược,

ngành công nghiệp chế biến thực phẩm hay các đơn vị xử lý nước thải (Tsezos và Volesky năm

1981; Townsley et al 1986; Rome và Gadd, 1987; Macaskie, năm 1990; Costa và Leite, 1991;

Rao et al 1993). Nhiều vi sinh vật dưới nước, chẳng hạn như men, vi khuẩn và tảo có thể hấp thu

kim loại hoà tan từ môi trường xung quanh vào cơ thể của chúng và có thể sử dụng để loại bỏ

các ion kim loại nặng thành công (Asku et al. 1991). Các nghiên cứu về vấn đề này cho các khả

năng hấp thụ và mối quan hệ cân bằng giữa hấp thụ và giải hấp thụ được mô tả bằng hấp phụ

isotherms thường là tỷ lệ giữa số lượng kim loại đã được hấp thụ và số còn lại trong dung dịch ở

nhiệt độ không đổi và tại trạng thái cân bằng. Freundlich và Langmuir isotherms là các mối quan

hệ được biết đến sớm nhất và đơn giản mô tả các phương trình hấp phụ (Muhamad et al 1998;

Jalali et al 2002..). Theo đó, nghiên cứu này nhằm mục đích điều tra khả năng hấp thụ liên tục

của các loài Pseudomonas phân lập từ nhà máy xử lý chất thải bị ô nhiễm.

18

Vật liệu và phương pháp

a. Sinh khối chuẩn bị

Bốn chủng Pseudomonas, cho thấy một khả năng tốt để chống lại và tích lũy các ion kim loại

khác nhau, cụ thể là, Cr (VI), Cu (II), Cd (II), Ni (II) (phân lập từ nhà máy xử lý nước thải phía

tây Alexandria, Alexandria, Ai Cập). Các dòng được đặc trưng và xác định là Pseudomonas

fluorescens chống Cr (VI), ba giống khác từ các loài P. putida, đề kháng với Cu (II), Cd (II) và

Ni (II). (Hussein et al 2003). Các giống được nuôi trong các casamino axit (CAA), bao gồm

casamino acid (Oxoid) 5 g / L; K2HPO4 (Merck) và 0,25 g / L MgSO4 (Merck). pH của môi

trường đã được điều chỉnh ở mức tối ưu (5.5) (Hussein et al 2003). Trừ khi có chỉ định khác,

precultures được thực hiện trong 100 cm3 Erlenmeyer bình chứa 20 ml trung CAA vô trùng và ủ

trên một thùng quay tại 200 rpm ở 30 º C.

Tế bào vi khuẩn của từng dòng kim loại chống lại dòng, thu được bằng cách ly tâm ở 25 º C và

7959 g trong 15 phút và rửa sạch hai lần với nước cất. Các tế bào chỉ còn lơ lửng trong nước tại

nồng độ cuối cùng khoảng 5 g / L.

b. Dung dịch chứa kim loại

Nồng độ kim loại khác nhau đã được chuẩn bị bằng cách hòa tan CuCl2, CdCl2, NiSO4 và

K2Cr2O7 muối trong nước deionised có nồng độ kim loại 1, 2, 5 hoặc 10 mmol / L từ mỗi kim

loại. Tất cả các dụng cụ thủy tinh được rửa sạch với HCl 0,1M trước và sau mỗi thí nghiệm để

tránh ảnh hưởng của kim loại tới kết quả thực nghiệm.

Quá trình hấp thụ sinh học

Các dung dịch chứa kim loại được lưu trữ trong những bình thủy tinh và một máy bơm để điều

chỉnh tốc độ dòng chảy của dung dịch kim loại tới nơi xảy ra phản ứng. Mặt khác sinh khối dùng

cho việc hấp phụ kim loại được cung cấp từ một bình lưu trữ khác và máy bơm hoạt động liên

tục chuyển sinh khối từ các bình lưu trữ đến lò phản ứng. Các máy bơm điều tiết dòng chảy của

sinh khối và dung dịch kim loại từ lò phản ứng đã được hiệu chỉnh để kiểm soát tốc độ dòng

chảy thực tế. Các mẫu được thu thập sau 20 phút và xác định kim loại đã được mang ra ngoài.

Các thử nghiệm thiết lập được thể hiện trong Hình 1

19

Lò phản ứng bao gồm bình thủy tinh 0,2 L. Một điện cực pH kết nối với một đồng hồ đo pH

được sử dụng để giám sát độ pH của dung dịch. Hỗn hợp trộn được tiến hành với việc sử dụng

một máy khuấy từ, khuấy với tốc độ 700 rpm.

Xác định nồng độ kim loại

Nồng độ kim loại nặng được xác định bằng việc sử dụng quang phổ hấp thụ nguyên tử, Perkin

Elmer phân tích 300. xác định đồng, cadmium, chromium và nickel đã được thực hiện bằng cách

sử dụng đèn cụ thể của nó đối với mỗi kim loại và tại một bước sóng cụ thể.

Đánh giá số liệu

Số lượng kim loại bị hấp thụ bởi các chất hấp thụ sinh học được tính như sau:

Q = v(Ci-Cf)/m

20

Trong đó:

. Q là sự hấp thu kim loại (số mg kim loại/ g biosorbent).

. v thể tích mẫu chất lỏng (ml).

. Ci nồng độ ban đầu của kim loại trong dung dịch (mg / L).

. Cf (cân bằng) nồng độ kim loại cuối cùng trong các dung dịch(mg / L) và số lượng của

biosorbent thêm vào ở dạng khô (mg).

Các mô hình đã được chọn để so sánh với dữ liệu thử nghiệm:

Mô hình Langmuir: Q = Q max bCf / 1+bCf

Q tối đa sự hấp thu kim loại tối đa theo các điều kiện nhất định, ba liên tục liên quan đến mối

quan hệ giữa biosorbent và sorbate.

Mô hình Linearized Langmuir : 1/Q= 1/Qmax (1/b Cf +1)

Mô hình Freundlich : Q = k Cf (1/n)

Ở đây k và n là hằng số Freundlich, tương quan với khả năng hấp thụ tối đa và cường độ hấp

phụ tương ứng.

Phương trình Linearized Freundlich : Log Q = Log k +1/n Log Cf

Kết quả

Trong chất hấp thụ sinh học ứng với các kim loại được kiểm tra bởi các loài Pseudomonas khác

nhau, hầu hết của các ion kim loại được cô lập rất nhanh từ các dung dịch trong vòng 10 phút

đầu tiên và hầu như không có sự gia tăng trong mức độ kim loại bị hấp thụ sau khoảng thời gian

này. Việc so sánh việc thực hiện hấp thụ của các chất hấp thụ sinh học khác nhau khác nhau đã

đạt được dưới các điều kiện môi trường giống nhau (ví dụ như pH, nhiệt độ, tốc độ, vv). Hấp thụ

sinh học isotherms cân bằng được vẽ với lượng kim loại đã được hấp thụ Q so với nồng độ kim

loại còn lại trong dung dịch. Q so với Cf được mô tả toán học Langmuir linearized và các mô

hình Freundlich. Ái lực cao hơn các giá trị của k và n và thấp hơn giá trị của b, cao hơn của sinh

21

khối (Asku et al 1991; Jalaliet al năm 2002.).

Các Bảng 1, Bảng 2, Bảng 3 và Bảng 4 mô tả tóm tắt các dữ liệu hồi quy tuyến tính isotherms

Langmuir và Freundlich cho hấp thụ sinh học Cr (VI), Cu (II), Cd (II) và Ni (II) bằng cách sử

dụng sinh khối không sống khác nhau thuộc loài Pseudomonas sp . Các giá trị 1/Cf được vẽ ứng

với các giá trị của 1 / Q biểu diễn các mối quan hệ theo đường thẳng cho mỗi loại Cr (VI), Cu

(II), Cd (II) và Ni (II) là các ion từng kim loại và cũng như là hỗn hợp 2 kim loại. Tương tự như

vậy các giá trị của log(Cf) được vẽ phụ thuộc vào giá trị log(Q), cũng cho dạng đường thẳng với

tất cả các kim loại. Q max (khả năng hấp phụ tối đa) có nguồn gốc từ đường đẳng nhiệt

Langmuir và Freundlich k liên tục được lấy từ các phương trình tuyến tính của cả hai mô hình.

Như được chỉ ra từ các bảng, các hệ số xác định (R2) của cả hai mô hình được nhiều hơn hoặc ít

hơn 0,9 và trong trường hợp của Ni (II) và Cu (II) hệ số của chúng là gần 1, cho thấy rằng cả hai

mô hình mô tả đầy đủ số liệu thực nghiệm của những thực nghiệm về hấp thụ sinh học với ion

kim loại.

Các dữ liệu được trình bày trong Bảng 1, cho thấy rằng các giá trị của Qmax và k trong quá trình

hấp thụ sinh học Cr (VI) chỉ ra rằng, sự hiện diện của bất kỳ của một hệ hai kim loại với Cr (VI)

có tác dụng đối nghịch mạnh mẽ trong sự hấp thu chỉ Cr (VI), trong khi sự hiện diện của các ion

kim loại có tác dụng tương đối thấp hơn.

Trong bảng 2, từ các giá trị của Qmax và k, nó là rõ ràng chỉ ra rằng hấp thụ sinh học với Cu

(II) bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sự hiện diện của Cr (VI), vì sự hiện diện của Cr (VI) là một ion

kim loại nhị phân mạnh hiệp đồng có hiệu lực. Điều này có thể được giải thích về quá trình oxy

hóa một phần và bổ sung proton của nhóm carboxylate và phosphate trong lipopolysaccharide

22

màng ngoài của K2Cr2O7 mà sau đó làm tăng các nhóm chức tích điện âm, tăng cường

biosorption Cu (II) sinh khối (Geiger năm 1996; và Tebo, 1998) Trong khi sự hiện diện của các

ion kim loại khác có hoặc không có Cr trong hỗn hợp Cu (II) có một ảnh hưởng đáng kể với quá

trình hấp thụ sinh học (II) Cu.

Hấp thụ sinh học với Cd (II) và Ni (II), sự hiện diện của bất kỳ ion kim loại trong hỗn hợp hấp

thụ của chúng là nhị phân hoặc như là một hỗn hợp của tất cả các đã ảnh hưởng mạnh mẽ đối

kháng trên quy trình hấp thụ sinh học của chúng.

23

Từ tất cả các kết quả thu được, ta đi đến kết luận rằng Cd (II) và Ni (II) có thể xử lý bởi các loài

Pseudomonas với giới hạn 500 và 556 mg / g sinh khối tương ứng với nó. Trong khi có một sự

biến đổi đáng kể trong phạm vi hấp thu kim loại tối đa trong các loại khác. Mức độ hấp thụ Cu

(II) và các giá trị Cr (VI) dao động từ 8,9 đến 238 mg / g sinh khối.

Các nghiên cứu loại bỏ kim loại được minh họa đồ họa trong hình 2, hình 3, hình 4 và hình 5 cho

thấy rằng sự di chuyển của chúng khác nhau với mỗi loại kim loại và với điều kiện hoạt động

khác nhau. Khả năng loại bỏ tối đa Cr (VI) đã được xác địch tại khoảng 38%, tỷ lệ này tăng lên

với sự thêm vào của Cr (VI). Mặt khác, Cu (II) bị loại bỏ đạt giá trị tối đa trong sự hiện diện của

kim loại Cr (VI), đạt 93%.Tỷ lệ Cu (II) loại bỏ dao động từ 50 đến 93%.

Trong trường hợp của Cd (II) và Ni (II) các tỷ lệ loại bỏ tương tự đã thu được dao động từ 35

đến 88% và giá trị tối đa của nó được thu thập cho mỗi ion kim loại Cd (II)

24

Các kết quả đạt được cho thấy khả năng hấp thụ sinh học với nhiều kim loại trong một hệ thống

thấp hơn so với một hệ thống kim loại duy nhất (Chang và Hồng năm 1994; Figueira et al 1997;

Utigikar et al 2000), cho thấy rằng hấp thụ sinh học với Cu (II) đạt công suất tối đa 39,84 mgCu

(II) / g trọng lượng khô của tế bào Thiobacillus thiooxidans ở pH 5.0. Làm việc với một trong

các loại sinh khối sorbing kim loại tốt nhất, phổ biến là Sargassum rong biển. Người ta đã so

sánh ba loài khác nhau của sinh khối không sống Sargassum cho Cd trạng thái cân bằng và tách

lấy Cu từ dung dịch nước bằng cách sử dụng isotherms sorption thử nghiệm. Xét tai môi trường

tối ưu của Cd tại pH4.5 thu được Qmax = 87 mg / g cho Sargassum vulgare, 80 mg Cd / g đối

với S. fluitans, và 74 mg / g S. filipendula. Uptakes của Cu ở pH 4.5 đã Qmax = 59 mg / g cho S.

vulgare 56 mgCu / g S. filipendula và 51 mg Cu / g S. fluitans. Ngoài ra, Kaewchai và Prasertsan

năm 2002 nghiên cứu Ni và Cd hấp thụ bởi các tế bào khô E. agglomerans SM 38 và thấy rằng ở

pH tối ưu loại bỏ đạt 25,2% và 32%. Trong khi đó B. subtilis WD 90 loại bỏ tương ứng là 27%

và 25%.

Ngoài các phương pháp thực nghiệm nhóm em sưu tầm đã nêu trên, hiện nay nước

ta cũng đang tiến hành nghiên cứu sâu hơn về phương pháp này và đã đạt được

những thành tựu nhất định. Nội dung các nghiên cứu đó được thể hiện trong các

luận văn về đề tài nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng của VSV.

Nội dung tóm tắt: Luận án gồm 4 nội dung thực nghiệm chính. (1) 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. (2) Nghiên cứu sự hấp phụ ion kim loại bởi sinh khối nấm mốc. 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

25

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. (3) 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. (4)

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.

NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN:

- Đã nghiên cứu và xác định được các đặc trưng của quá trình hấp phụ Ni2+, Cu2+ bởi vi khuẩn

B. subtilis và B. subtilis có polyhistidine trên bề mặt tế bào.

- Đã phân lập và định danh được 5 loài nấm mốc A. oryzae, A. niger, P. chrysogenum, T.

harziamnum, M. racemosus có tính kháng kim loại nặng dùng làm đối tượng nghiên cứu sự hấp

phụ ion kim loại nặng bởi nấm mốc.

- Đã nghiên cứu và xác định được các đặc trưng của quá trình hấp phụ Ni2+, Cu2+ bởi sinh khối

khuẩn ty nấm mốc A . niger ở các thời điểm nuôi cấy khác nhau.

- Đã nghiên cứu mô hình thực nghiệm lớp cố định sử dụng sinh khối A. niger và rơm làm giá thể

để hấp phụ Ni2+ trong nước và xác định được các thông số vận hành tối ưu của mô hình là: tốc

độ dòng là 0,003 m3.m-1.s-1, pH 4,4, thời gian lưu là 195 phút với khả năng hấp phụ ion Ni2+ là

36,5ppm (0,63mmol).

CÁC ỨNG DỤNG/KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN HAY NHỮNG VẤN ĐỀ

CÒN BỎ NGỎ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU:

Tiếp tục nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng với mô hình lớp cố định trên nước thải thực

và tái sử dụng vật liệu hấp phụ sinh học và hoàn nguyên các kim loại sau hấp phụ.

26

3. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của phương pháp

a. Ưu nhược điểm

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp sử dụng Vi sinh để xử lý nước thải kim loại nặng là nó khắc

phục được nhược điểm của các phương pháp trước đó, có thể xử lý nước thải bị nhiễm độc kim

loại nặng ở một nồng độ cao hơn nhiều, ngoài ra nó còn là một biện pháp thân thiện với môi

trường, trong hoàn cảnh môi trường bị ô nhiễm trầm trọng như hiện nay do các hoạt động của

con người, thì những giải pháp“xanh” trong sản xuất và xử lý ô nhiễm càng tỏ rõ tầm quan trọng

của nó. Một lí do nữa để phương pháp vi sinh chiếm ưu thế hơn là giá thành của chúng thấp hơn

so với các phương pháp khác, Như đã nói ở trên, các Vi sinh vật dùng cho quy trình này có thể

lây từ nhiều nguồn rẻ và an toàn, như tảo, vi nấm, …và sản phẩm sinh khối lấy từ các ngành

công nghiệp lên men hiện có.

Đó là một cách hoàn toàn mới có thể được sử dụng trong quá trình loại bỏ kim loại và giải độc

của nước thải công nghiệp chứa kim loại. Chất hấp phụ sinh học đóng gói sẵn dạng cột là

phương thức hiệu quả nhất ứng dụng cho mục đích này. Mặt khác, thu hồi các kim loại đã được

hấp phụ này khỏi chất hấp phụ sinh học đã bão hòa có thể được thực hiện, bởi vì chúng thường

có thể dễ dàng tách khỏi từ chất hấp phụ sinh học trong một dung dịch rửa tập trung và trả lại

chất hấp phụ để tái sử dụng nhiều tiếp theo. Đặc điểm này và chi phí rất thấp của chất hấp phụ

sinh học làm cho chúng có tính kinh tế và cạnh tranh, đặc biệt là cho các ứng dụng khử độc nước

thải trong môi trường.

Tuy nhiên phương pháp này còn đang rất mới, vẫn đang tiếp tục tiến hành nghiên cứu và áp

dụng thử nghiệm. Ở nước ta, phương pháp này vẫn chưa được đưa vào sử dụng. Hy vọng trong

tương lai, các phương pháp truyền thống sẽ được thay thế bời phương pháp sinh học để giảm

thiểu chi phí xử lý nước và an toàn với môi trường.

b. Phạm vi ứng dụng

Phương pháp này có thể ứng dụng rộng rãi cho các quy trình xử lý nước thải, có và không có

nhiễm độc kim loại nặng. Với đặc tính quý giá là có thể xử lý ô nhiễm kim loại, phương pháp

này có thể áp dụng nhiều trong các lĩnh vực sau:

27

-Nước thải từ kết thúc hoạt động mạ kim loại.

-Khai thác mỏ và hoạt động chế biến quặng,

-Gia công kim loại, pin và sản xuất ắc quy.

-Nhiệt điện (nhà máy điện đốt than đặc biệt),

-Điện hạt nhân.

28

III. PHẦN KẾT LUẬN

1. Lợi ích của Công nghệ sinh học với đời sống con người.

Theo các nhà khoa học thì chúng ta mới chỉ biết khoảng 10% các loại vi sinh vật. Thế giới vi

sinh vật còn muôn điều kỳ thú để chúng ta tìm khám phá. Việc ứng dụng vẫn còn hạn chế do đó

việc tìm kiếm và tìm hiểu vai trò của nó trong môi trường sống là tối cần thiết.

Trong môi trường nước: chúng ta đã biết khá nhiều loài đặc trưng và vai trò chủ yếu của

nó, đặc biệt là trong đời sống.

Trong lĩnh vực nông nghiệp: nghiên cứu ứng dụng các chế phẩm sinh học trong sản xuất,

mang lại hiệu quả, như thuốc trừ sâu bệnh vi sinh, các loại phân bón vi sinh…

Trong lĩnh vực công nghiệp chế biến: Các doanh nghiệp ứng dụng công nghệ vi sinh

trong chế biến rượu, bia, tương, chao, nước chấm, bánh mì, chế biến thực phẩm…

Trong y tế: Triển khai hiệu quả các loại vaccine trong công tác tiêm phòng các loại bệnh

lao, ho gà, uốn ván, bại liệt, bạch hầu, bệnh dại, sốt rét, viêm gan B, sản xuất kháng sinh,

axit amine...

Trong lĩnh vực môi trường: Sử dụng kỹ thuật biogas xử lý chất thải chăn nuôi, góp phần

bảo vệ môi trường nông thôn và cung cấp chất đốt, chạy máy phát điện. Đặc biệt là ứng

dụng công nghệ vi sinh trong xử lý nước thải.

Trong lĩnh vực nông – lâm nghiệp: ứng dụng Công nghệ sinh học trong trồng trọt và

chăn nuôi để tạo, nhân và triển khai ứng dụng trên diện rộng các giống cây trồng, vật

nuôi mới có năng suất, chất lượng và hiệu quả kinh tế cao; phục tráng và cải tiến cây,

con giống truyền thống của địa phương; sản xuất các chế phẩm bảo vệ cây trồng, vật

nuôi…

Tuy nhiên, việc ứng dụng Công nghệ sinh học chưa đáp ứng được yêu cầu của sản xuất và

đời sống, còn hạn chế về quy mô và trình độ. Công nghệ sinh học chưa thực sự phát triển,

thể hiện ở chỗ số lượng doanh nghiệp sản xuất các chế phẩm sinh học và các sản phẩm có

ứng dụng thành tựu của sinh học, Công nghệ sinh học còn hạn chế. Trong lĩnh vực y

tế,chúng ta cần nghiên cứu sử dụng nguồn dược liệu địa phương, trong và ngoài nước, kết

hợp với y học cổ truyền để sản xuất một số loại dược phẩm. Trong lĩnh vực bảo vệ môi

trường: Nghiên cứu, ứng dụng và chuyển giao các giải pháp Công nghệ sinh học trong xử lý

ô nhiễm, khắc phục suy thoái và sự cố môi trường. Ứng dụng Công nghệ sinh học giải quyết

29

các vấn nạn ô nhiễm do nguồn nước thải công nghiệp, cải tạo tài nguyên đất, nước bị ô

nhiễm do nước thải công nghiệp; xây dựng mô hình xử lý nước thải, bảo đảm an toàn trước

khi xả bỏ; xử lý các chất thải rắn.... Công nghệ sinh học giữ vai trò rất quan trọng trong đời

sống con người.

2. Áp dụng công nghệ Vi sinh trong xử lý nước thải kim loại nặng

Công nghệ Vi sinh xử lý nước thải của các ngành công nghiệp chứa kim loại nặng, là một

phương pháp hoàn toàn mới. Nội dung, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của phương pháp,

chúng ta đã cùng nhau nghiên cứu ở các phần trên. Có thể nói, tiềm năng ứng dụng của phương

pháp trên trong tương lai là vô cùng lớn mà chúng ta còn phải tìm hiểu thêm. Vì thế, ngoài việc

thử nghiệm những thành tựu đã có, ta cần tiếp tục nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng

với mô hình lớp cố định trên nước thải thực và tái sử dụng vật liệu hấp phụ sinh học và hoàn

nguyên các kim loại sau hấp phụ.

30

*************************

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trong quá trình thực hiện bài tiểu luận, nhóm chúng em có tìm kiếm và sử dụng các tài liệu tham

khảo nằm trong danh mục sau:

Keywords:

1. biosorption, Freundlich isotherm, heavy metals, Langmuir isotherm.

2. biosorption, non-living microbial biomass, wasteswater, heavy metal.

Link: www.ejbiotechnology.info/content/vol7/.../index.html

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16427277

www.khoahoc.com.vn

Sách:

1. Microbial and plant derived biomass for removal of heavy metals from wastewater -

S.S. Ahluwalia, D. Goyal / Bioresource Technology 98 (2007) 2243–2257

2. Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 23 (2007)

99-106

3. Vi sinh vật học môi trường – chương 6, 7, 8, 9 – Lê Xuân Phương

Và tài liệu tổng hợp từ một số báo, bài viết tại các diễn đàn.

…………………………………………………………………………………………………………………

…………

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm và góp ý của thầy dành cho bài tiểu luận của

chúng em!