Đánh giá khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học của vi khuẩn, ứng dụng xử lý môi trường nhiễm kim loại nặng

Với những đặc tính như tính hòa tan, ổn định và tạo được phức bền với kim loại, chất hoạt hóa bề mặt sinh học CHHBMSH tạo bởi vi sinh vật có tiềm năng xử lý hiệu quả kim loại từ môi trườ

CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Hàm lượng KLN trong chất thải của một số mỏ vàng điển hình tại Úc…….5 Bảng 1.2 Phân loại CHHBMSH tạo ra từ vi sinh vật……….… 14 Bảng 1.3 Một số loài vi sinh vật có khả năng tạo CHHBMSH……….… 19 Bảng 3.1 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc và tế bào của 24 chủng vi khuẩn nghiên

cứu 38 Bảng 3.2 Khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của các chủng vi khuẩn

nghiên cứu……….40 Bảng 3.3 Khả năng loại Cd và Pb của CHHBMSH tạo ra từ chủng CB5a………… 55

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Mối quan hệ giữa nồng độ CHHBMSH và sự hình thành các mixen,

sức căng bề mặt……….26 Hình 1.2 Cơ chế loại kim loại nặng từ đất của CHHBMSH……… 27 Hình 3.1 Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn CB5a……….42 Hình 3.2 Hình thái tế bào của chủng CB5a dưới kính hiển vi điện tử quét ……….42Hình 3.3 Ảnh hưởng của các nguồn carbon khác nhau đến sinh trưởng và tạo

CHHHBMSH của chủng CB5a……….44 Hình 3.4 Khả năng tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các nguồn carbon khác

nhau……… ….44 Hình 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ glycerol đến sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a……… 46 Hình 3.6 Khả năng tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các hàm lượng glycerol

nuôi cấy khác nhau……….47 Hình 3.7 Ảnh hưởng của các nguồn nitơ khác nhau đến quá trình sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a……….48 Hình 3.8 Khả năng tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các nguồn nitơ khác nhau….48 Hình 3.9 Ảnh hưởng của hàm lượng Urea đến sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a………50 Hình 3.10 Khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các hàm lượng Urea khác nhau………50 Hình 3.11 Ảnh ưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a……….51 Hình 3.12 Khả năng tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các nhiệt độ khác nhau… 52 Hình 3.13 Ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a………53 Hình 3.14 Khả năng tạo CHHBMSH của chủng CB5a ở các điều kiện pH môi trường

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU……….3

1.1 Ô nhiễm kim loại nặng……… 3

1.1.1 Khái niệm kim loại nặng………3

1.1.2 Tính độc hại của kim loại nặng……… 4

1.1.3 Ô nhiễm Chì (Pb)………6

1.1.3.1 Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong môi trường………6

1.1.3.2 Nguồn ô nhiễm………7

1.1.3.3 Tính độc của Chì……… 9

1.1.4 Ô nhiễm Cadimi (Cd)……… 10

1.1.4.1 Sự phân bố - dạng tồn tại của cadimi trong môi trường……… 10

1.1.4.2 Nguồn ô nhiễm……… 11

1.1.4.3 Tính độc của Cadimi……… 11

1.1.5 Hiện trạng ô nhiễm Chì và Cadimi ở Việt Nam……….12

1.2 Chất hoạt hóa bề mặt sinh học (CHHBMSH)……… 13

1.2.1 Khái niệm chất hoạt hóa bề mặt sinh học……….13

1.2.2 Phân loại chất hoạt hóa bề mặt sinh học……… …….13

1.2.3 Tính chất của chất hoạt hóa bề mặt sinh học……… 16

1.2.3.1 Hoạt tính bề mặt……… 16

1.2.3.2 Khả năng chịu nhiệt, pH và chịu lực ion……….….….17

1.2.3.3 Khả năng phân hủy sinh học và tính độc thấp……….…….17

1.2.3.4 Sự hình thành nhũ hóa chủa CHHBMSH……… 17

1.2.3.5 Đa dạng về cấu trúc hóa học……… 18

1.2.4 Vi sinh vật có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học……… 18

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học……… 20

1.2.5.1 Ảnh hưởng của nguồn cacbon……… 20

1.2.5.2 Ảnh hưởng của nguồn nitơ……… 21

1.2.5.3 Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường……… … 22

1.2.6 Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong công nghiệp và xử lý ô nhiễm môi

trường……….22

1.3 Một số phương pháp xử lý kim loại nặng……… 23

1.3.1 Xử lý bằng phương pháp hóa học……….23

1.3.2 Xử lý bằng phương pháp hóa lý……… 23

1.3.3 Xử lý bằng phương pháp sinh học……… 24

1.4 Xử lý kim loại nặng bằng chất hoạt hóa bề mặt sinh học……… 25

1.4.1 Cở chế xử lý đất nhiễm kim loại nặng bằng CHHBMSH……… 25

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam………27

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………29

2.1 Vật liệu………29

2.1.1 Chủng giống……… 29

2.1.2 Hóa chất……… 29

2.1.3 Thiết bị máy móc……… 30

2.1.4 Môi trường nuôi cấy……… 30

2.2 Phương pháp nghiên cứu……… 31

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu đặc điểm hình thái của vi khuẩn……… 31

2.2.2 Phương pháp xác định Gram của vi khuẩn……… 32

2.2.3 Phương pháp quan sát hình thái tế bào dưới kính hiển vi quang học 32

2.2.4 Phương pháp quan sát hình thái tế bào bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope) 32

2.2.5 Phương pháp phân lập vi khuẩn tạo CHHBSMH trên môi trường chọn lọc 33

2.2.6 Phương pháp đánh giá khả năng sinh tổng hợp CHHBMSH của các chủng vi khuẩn phân lập thông qua chỉ số nhũ hoá E24 33

2.2.7 Đánh giá khả năng sinh trưởng của vi khuẩn dựa vào phương pháp đo độ đục của dung dịch nuôi cấy (OD) 34

2.2.8 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện môi trường nuôi cấy lên khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH 34

2.2.9 Lên men, tách chiết và tinh sạch CHHBMSH 35

2.2.10 Loại Cd và Pb từ đất ô nhiễm bằng CHHBMSH……… …35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc, đặc điểm gram các chủng vi khuẩn phân lập 38

3.2 Khả năng tạo CHHBMSH của các chủng vi khuẩn 40

3.3 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc, hình thái tế bào chủng vi khuẩn CB5a………41

3.4 Định tên loài chủng CB5a…….……….43

3.5 Ảnh hưởng các yếu tố môi trường đến khả năng tạo CHHBMSH của chủng vi khuẩn nghiên cứu……… 43

3.5.1 Ảnh hưởng của nguồn cacbon lên quá trình sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng vi khuẩn nghiên cứu……… 43

3.5.2 Ảnh hưởng của nồng độ Glycerol……… 45

3.5.3 Ảnh hưởng của nguồn nitơ ……… 47

3.5.4 Ảnh hưởng của nồng độ Urea đến quá trình sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a……… 49

3.5.5 Ảnh hưởng của nhiêt độ nuôi cấy……… 51

3.5.6 Ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh trưởng và tạo CHHBMSH của chủng CB5a……….52

3.6 Nghiên cứu khả năng xử lý đất nhiễm Cd và Pb từ đất bằng CHHBMSH tạo ra bởi chủng CB5a……… 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 57

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm kim loại nặng đang là vấn đề môi trường được quan tâm ở Việt Nam

và trên thế giới Ô nhiễm kim loại nặng gia tăng cùng với sự phát triển của quá trình công nghiệp hóa cũng như các hoạt động khai thác khoáng sản Kim loại nặng như Pb,

Cd, Cr, Cu, As, Zn, Hg và Ni được xem là những nguyên tố chính gây ô nhiễm Sự tích tụ của những kim loại nặng độc hại này trong đất và nước gây ảnh hưởng tiêu cực tới con người, sinh vật cũng như môi trường xung quanh Đặc biệt, ở người, các bệnh thường gặp ở những vùng ô nhiễm kim loại nặng là bệnh viêm đường hô hấp, quái thai, gan, thận, ung thư, sẩy thai, thai chết lưu

Các phương pháp thường được sử dụng để xử lý đất nhiễm kim loại nặng bao gồm: kết tủa, hấp phụ, trao đổi ion, ổn định hóa, chôn lấp Tuy nhiên, phương pháp kết tủa, hấp phụ, trao đổi ion thường có giá thành cao, gây ô nhiễm thứ cấp do sử dụng nhiều hóa chất, phương pháp ổn định hóa và chôn lấp lại đòi hỏi nhiều diện tích để xử

lý Với những đặc tính như tính hòa tan, ổn định và tạo được phức bền với kim loại, chất hoạt hóa bề mặt sinh học (CHHBMSH) tạo bởi vi sinh vật có tiềm năng xử lý hiệu quả kim loại từ môi trường ô nhiễm CHHBMSH là hợp chất sinh học do vi sinh vật (vi khuẩn, nấm men, nấm mốc) tạo ra chứa cả hai nhóm chức ưa nước và kị nước trong cùng một phân tử Vì vâỵ, chúng có thể tập trung tác động tương hỗ với nhau làm giảm sức căng bề mặt, đồng thời làm giảm lực hút tĩnh điện ở bề mặt tiếp giáp giữa hai pha (lỏng –lỏng; lỏng – rắn) giúp CHHBMSH (tích điện âm) dễ dàng tiếp xúc và tạo phức bền vững với kim loại nặng (tích điện dương) Ưu điểm của việc ứng dụng CHHBMSH

để xử lý kim loại nặng là tính tương hợp, khả năng phân hủy sinh học, an toàn với môi trường, giá thành rẻ do có thể tận dụng được các chất thải làm nguồn carbon, nitơ, không tạo nhiều cặn dư thừa gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường và chịu được các yếu

tố môi trường (pH, nhiệt độ, .) khắc nghiệt Do những ưu điểm vượt trội kể trên, nghiên cứu xử lý kim loại nặng bằng CHHBMSH hiện thu hút được sự quan tâm của

nhiều nhà khoa học trên thế giới Tuy nhiên, ở Việt Nam hướng nghiên cứu này vẫn còn mới mẻ

Từ thực trạng ô nhiễm kim loại nặng nói chung, cũng như cadimi (Cd) và chì (Pb) nói riêng, cùng với nhu cầu tìm kiếm các giải pháp phù hợp để xử lý môi trường

nhiễm kim loại nặng hiệu quả ở Việt Nam, chúng tôi thực hiện đề tài luận văn “Đánh

giá khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học của vi khuẩn, ứng dụng xử lý môi trường nhiễm kim loại nặng”

 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:

• Lựa chọn được một chủng vi khuẩn có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học cao, cùng các điều kiện sinh trưởng và tạo CHHBMSH tối ưu

• Đánh giá được khả năng loại chì (Pb) và cadimi (Cd) trong đất ô nhiễm bằng CHHBMSH tạo bởi chủng vi khuẩn lựa chọn

 Đưa ra các phương pháp tiếp cận mới nhằm xử lý đất ô nhiễm KLN

• Tìm được điều kiện tối ưu cho sinh tổng hợp CHHBMSH của chủng vi khuẩn

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Ô nhiễm kim loại nặng

1.1.1 Khái niệm kim loại nặng

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều quan điểm về kim loại nặng, như:

- Quan điểm phân loại theo tỉ trọng: cho rằng kim loại nặng là các kim loại có tỉ trọng (ký hiệu d) lớn hơn 5, bao gồm: Pb (d = 11,34), Cd ( d = 8,6), As (d = 5,72), Zn (d = 7,10) Co (d = 8,9), Cu (d = 8,96), Cr (d = 7,1), Fe (d = 7,87), Mn ( d = 7,44) Trong số các nguyên tố này có một số nguyên tố được coi là nguyên tố vi lượng cần cho dinh dưỡng của con người, cây trồng và sinh vật ở liều lượng thấp, ví dụ: Mn,

Co, Cu, Zn, Fe….Tuy nhiên, với hàm lượng cao các nguyên tố này sẽ gây độc [53]

- Theo quan điểm độc học: kim loại nặng là các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề về môi trường, bao gồm: Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, Co, Vn, Ti, Fe, Mn, Ag,

Sn, As, Se Có 4 nguyên tố được quan tâm nhiều là Pb, Cd, As và Hg Bốn nguyên tố này gây độc cho sinh vật và con người kể cả ở liều lượng thấp [7]

Một định nghĩa khác cho rằng, kim loại nặng là những nguyên tố có đặc tính kim loại và có số nguyên tử lớn hơn 20 Các nguyên tố này thường ở dạng vết trong môi trường đất tự nhiên [43] Các kim loại nặng phổ biến nhất là: Cd, Cr, Cu, Zn, Pb,

Hg Các KLN nói chung ở nồng độ cao là yếu tố cực kì độc hại đối với quá trình trao đổi chất của tế bào Ô nhiễm KLN có thể dẫn đến mất cân bằng của các loài động, thực vật bậc cao, đặc biệt trong môi trường đất chứa hàm lượng KLN cao thực vật phát triển kém dẫn đến độ che phủ bề mặt thấp, hậu quả là các KLN từ đất sẽ xâm nhập vào nguồn nước mặt và nước ngầm [43]

1.1.2 Tính độc hại của kim loại nặng

Trong số 70 kim loại nặng tồn tại trong tự nhiên, chỉ có một số nguyên tố là các nguyên tố vi lượng (<10-4) như: Cu, Zn, Mn, B, Mo…Những nguyên tố này cần thiết cho cơ thể ở lượng rất nhỏ, cần dùng trong các chức năng trao đổi chất quan trọng cho cuộc sống Đa số các kim loại nặng như Pb, Hg, Cd, As…không cần thiết cho sự sống, với đặc tính bền vững trong môi trường, khả năng gây độc ở liều lượng thấp và tích lũy lâu dài ở chuỗi thức ăn, những kim loại nặng này được xem như chất thải nguy hại tác động tiêu cực đến môi trường sống của sinh vật và con người Kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể người và sinh vật chủ yếu qua đường hô hấp, tiêu hóa và da Chúng tác động đến gốc sulfate làm vô hiệu hóa các enzyme, gây cản trở sự chuyển hóa của các chất qua màng tế bào của người và sinh vật Độ độc của kim loại nặng không chỉ phụ thuộc vào bản thân kim loại mà nó còn liên quan đến hàm lượng trong đất, trong nước và các yếu tố hoá học, vật lý cũng như sinh vật Trong tự nhiên kim loại nặng thường tồn tại ở dạng tự do, khi ở dạng tự do thì độc tính của nó yếu hơn so với dạng liên kết, ví dụ khi

Cu tồn tại ở dạng hỗn hợp Cu - Zn thì độc tính của nó tăng gấp 5 lần khi ở dạng tự do [20]

Độc tính của KLN đối với sinh vật liên quan đến cơ chế oxy hóa và độc tính gen Tác hại của KLN đối với động vật và con người là làm giảm chức năng của hệ thần kinh trung ương, giảm năng lượng sinh học, tổn hại đến cấu trúc của máu, phổi, thận, gan, và các cơ quan khác Tiếp xúc với KLN trong thời gian dài có thể ảnh hưởng mãn tính đến thể chất, cơ và quá trình thoái hóa hệ thần kinh dẫn đến biểu hiện các bệnh Parkinson, bệnh teo cơ, bệnh đa xơ cứng…Hơn nữa KLN còn làm tăng các tương tác dị ứng và gây nên đột biến gen, cạnh tranh với các kim loại cần thiết trong cơ thể ở các vị trí liên kết sinh hóa và phản ứng như các kháng sinh giới hạn rộng chống lại cả

vi khuẩn có lợi và có hại

Bảng 1.1 Tác động của kim loại nặng đến các bộ phận của cơ thể người

As -Rối loạn đường tiết niệu

+Hệ thống máu Pb -Kìm hãm sinh tổng hợp của máu

As -Loét, lên nhọt, hói đầu

Hg -Gây tác động đến cuống phổi

Se -Sưng hoặc viêm đường hô hấp

Se -Mục răng +Hệ thống tim mạch Cd, As -Mỡ tim

+Hệ thống sinh sản Hg, As -Sảy thai

+Phổi, da, tuyến tiết niệu Cd, As -Ung thư

1.1.3 Ô nhiễm chì (Pb)

Chì (tên Latin là Plumbum, gọi tắt là Pb) là nguyên tố hóa học nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev; số thứ tự nguyên tử là 82; khối lượng nguyên tử bằng 207,2; nóng chảy ở 327, 4oC; sôi ở 1725oC; khối lượng riêng bằng 11,34 g/cm3

Chì là nguyên tố màu xám xanh, rất mềm, có thể cắt bằng dao Là nguyên tố KLN có khả năng linh động kém, có thời gian bán phân hủy trong đất từ 800-6000 năm Chì là nguyên tố độc hại đối với con người và hầu hết các sinh vật Sự có mặt của chì làm giảm hoạt động của vi sinh vật đất, gây rối loạn quá trình tuần hoàn nitơ trong đất [1, 4]

1.1.3.1 Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong môi trường

Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong đất

* Chì (Pb): là nguyên tố kim loại nặng có khả năng linh động kém, có thời gian

bán phân huỷ trong đất từ 800 - 6000 năm Theo thống kê của nhiều tác giả hàm lượng chì trong đất trung bình từ 15 – 25 ppm [13] Chì thường nằm ở dạng phức chất bền với các anion (CO32-; Cl¯; SO32-; PO43-) ở trong đất Hàm lượng chì bị hấp phụ trao đổi chiếm tỷ lệ nhỏ (< 5%) tổng hàm lượng chì có trong đất Chì cũng có khả năng kết hợp với các chất hữu cơ hình thành các chất dễ bay hơi như (CH3)4Pb Trong đất chì có tính độc cao, hạn chế hoạt động của các vi sinh vật và tồn tại khá bền vững dưới dạng phức

hệ với các chất hữu cơ [13]

Chì trong đất có khả năng thay thế ion K+ trong các phức hệ hấp phụ có nguồn gốc hữu cơ hoặc khoáng sét Khả năng hấp thu chì tăng dần theo thứ tự sau [13]:

Montmorillonit < Axit humic < Kaolinit < Allophane < Ôxyt Sắt Theo các nhà khoa học Mỹ, chì trong đất được chia thành 10 dạng bao gồm: hòa tan trong nước, trao đổi, có khả năng bị thay thế bởi bạc, cacbonat, dạng dễ khử, tạo phức với chất hữu cơ, kết hợp với oxit Fe ở dạng vô định hình, kết hợp với oxit Fe ở

dạng tinh thể, dạng sulfit….Dạng không tan của Pb bao gồm: Pb(OH)2, PbCO3, PbS, PbO, Pb3(PO4)2, Pb5(PO4)3OH, PbSO4, Pb4O(PO4)2 [2]

Phần lớn các hợp chất của chì đều ít tan Các anion có ảnh hưởng nhiều nhất đến tính tan của chì là CO32-, OH-, S2-, PO42- và SO42- Ở môi trường đất trung tính hoặc kiềm, chì dễ kết tủa ở dạng Pb(OH)2 Nếu trong đất có chứa photphat hòa tan thì Pb(OH)2 sẽ dần dần chuyển thành Pb3(PO4)2 hay các photphat khó tan khác như plumbogumit PbAl3H(OH)6(PO4)2 Các hợp chất này xác định trực tiếp mức nồng độ linh động của Pb trong dung dịch đất [3]

Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong nước

Trong nước chì thường tồn tại ở 3 dạng là hoà tan, lơ lửng ở dạng keo và phức chất Tính năng của hợp chất chì được xác định chủ yếu thông qua độ tan Tính tan của chì phụ thuộc vào pH, khi pH tăng thì tính tan giảm Ngoài ra tính tan của chì còn phụ thuộc vào các yếu tố như hàm lượng các ion khác và điều kiện ôxy-hoá khử trong nước Chì thường tồn tại ở dạng keo trong nước mặt sử dụng cho sản xuất nông nghiệp (pH 7) và ít tồn tại ở dạng keo trong nước sinh hoạt (pH 6) Nhờ tác dụng ngoại lực của chất hữu cơ mà các phức keo của Pb ở dạng Pb(CH3)32+ ; Pb(CH3)4 và Pb(CH3)22+thường lắng đọng ở bùn cặn đáy, Pb trong nước tự nhiên chủ yếu tồn tại dưới dạng hoá trị +2 [7]

1.1.3.2 Nguồn ô nhiễm

Chì được thải ra từ mỏ quặng chì, cơ sở sản xuất pin, ắc quy, chất dẻo tổng hợp, sơn, thuốc nổ, mực in, bột màu… Chì tích đọng trong xương và hồng cầu gây rối loạn tủy xương, đau khớp, viêm thận, liệt, thần kinh… Nhiễm độc chì có thể gây tử vong cho người thậm chí chỉ với liều lượng nhỏ

Trong tự nhiên, chì là nguyên tố vi lượng có trong thành phần của vỏ trái đất Hàm lượng chì trong vỏ trái đất khoảng 13,0 µg/g [2] Chì tồn tại trong khoảng 84 khoáng chất, điển hình là galen PbS, ngoài ra còn có cernsute PbCO3, cunglesite PbSO4…Tuy nhiên, nguồn phát sinh tự nhiên này chỉ gây ô nhiễm một lượng không đáng kể Chính các hoạt động nhân tạo của con người mới là những nguồn chủ yếu nhất phát thải chì ra ngoài môi trường, gây tình trạng ô nhiễm và nhiễm độc chì Trong tổng lượng chì phát sinh ra ngoài môi trường, chì từ các hoạt động nhân tạo chiếm tới 95% [2]

Chì được sử dụng hầu như ở mọi lĩnh vực trong đời sống con người, do đó nguồn gây ô nhiễm chì xảy ra trên diện rộng ở hầu hết loại hình sản xuất và sinh hoạt của xã hội Sau đây là một số những nguồn chính gây ô nhiễm chì [2, 43]

 Trong công nghiệp

Công nghiệp khai khoáng và luyện kim là nguồn phát thải chì lớn nhất Không chỉ riêng ngành khai thác và tinh chế chì, mà nhiều ngành khai thác và tinh chế các kim loại khác cũng phát sinh chất thải chứa chì Những dòng thải chứa chì trong loại hình công nghiệp này bao gồm:

- Chất thải rắn từ các khu khai thác và tuyển quặng

- Nước thải ở các khu vực mỏ, khu tuyển quặng, luyện quặng

- Nước thải tại các lò luyện quặng

Chất thải, chủ yếu là nước thải của một số ngành công nghiệp khác như sản xuất ác quy, sản xuất sơn, bột màu… cũng là nguồn phát thải rất đáng kể chì ra môi trường

 Trong nông nghiệp

Nguồn phát thải chì trong nông nghiệp chủ yếu là từ thuốc trừ sâu và từ khói thải của các máy nông nghiệp chạy bằng nhiên liệu xăng pha chì Qua quá trình sa lắng ướt, chì sẽ xâm nhập vào nguồn nước ngầm, nước mặt, đất… gây ô nhiễm

 Trong hoạt động quân sự

Chì được sử dụng trong ngành chế tạo đạn dược phuc vụ cho mục đích quân sự chiếm một lượng không nhỏ tổng lượng chì được con người sử dụng Ngoài ra, chì còn được phát thải từ việc sử dụng xăng pha chì trong các động cơ, như xe tăng, máy bay…

1.1.3.3 Tính độc của chì

Chì có độc tính cao Sau khi đi vào cơ thể, chì ít bị đào thải mà tích tụ theo thời gian rồi mới gây độc Chì xâm nhập vào cơ thể người gián tiếp qua chuỗi thức ăn hoặc trực tiếp qua đường hô hấp, tiêu hóa, da… gây ức chế một số enzyme quan trọng, làm rối loạn quá trình tạo huyết ở tủy, phá vỡ quá trình tạo hồng cầu, gây hại đến hệ thần kinh, nhất là hệ thần kinh của trẻ sơ sinh Đối với phụ nữ mang thai, khi tiếp xúc với chì ở mức cao có thể bị sẩy thai Nam giới tiếp xúc lâu dài với chì sẽ làm giảm khả năng sinh sản [1, 20]

Một số dạng nhiễm độc chì được biết đến là: nhiễm độc mãn tính và nhiễm độc cấp tính Nhiễm độc chì thường làm rối loạn trí óc, nhức đầu, co giật, có thể dẫn đến động kinh, hôn mê, thậm chí tử vong Độc chất chì còn làm viêm thận, thấp khớp Cơn đau bụng chì là biểu hiện của sự nhiễm độc nghiêm trọng: đau bụng kèm với buồn nôn Chì tích lũy và làm tổn hại nghiêm trọng đến xương Nhiễm độc chì mãn tính là một trong những tác nhân gây ung thư [1]

Triệu chứng thể hiện nhiễm độc chì là mệt mỏi, ăn không ngon, đau đầu do chì tác dụng lên hệ thần kinh trung ương và ngoại vi Tác dụng sinh hoá quan trọng của chì

là can thiệp vào hồng cầu, ức chế một số enzym quan trọng của quá trình tổng hợp máu Chì kìm hãm việc sử dụng O2 và glucoza để sản xuất năng lượng cho quá trình sống Sự kìm hãm này có thể nhận thấy khi nồng độ chì trong máu khoảng 0,3 mg/l Khi nồng độ chì trong máu cao hơn 0,8ppm có thể gây hiện tượng thiếu máu do thiếu Hemoglobin, sẽ gây rối loạn chức năng thận và phá hủy não [21]

1.1.4 Ô nhiễm Cadimi ( Cd)

Cadimi (tên Latin là Cadmium, viết tắt là Cd), là nguyên tố hóa học nhóm IIB trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev; số thứ tự nguyên tử là 48; khối lượng nguyên tử bằng 112,41; nóng chảy ở 321,1oC; sôi ở 766,5oC; khối lượng riêng bằng 8,65 g/cm3

Cd là nguyên tố màu trắng xanh, mềm, dễ nóng chảy, dễ tan trong HNO3 Trong

tự nhiên Cd thường tồn tại cùng với kẽm, đồng cadimi độc hại đối với con người và hầu hết các sinh vật [20]

1.1.4.1 Sự phân bố - dạng tồn tại của cadimi trong môi trường

Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong đất

* Cadmium (Cd): là kim loại nằm sâu trong lòng đất, tồn tại ở dạng Cd2+ Trong các điều kiện oxy hoá Cd thường ở các dạng hợp chất rắn như CdO, CdCO3,

Cd3(PO4)2 Trong điều kiện khử (Eh ≤ - 0,2V) thì Cd thường tồn tại ở dạng CdS, ngoài

ra Cd có thể tồn tại dạng phức như CdCl+ ; CdHNO3+ ; CdHClˉ ; CdCl4ˉ ; Cd(OH)4ˉ Trong đất chua, Cd tồn tại ở dạng linh động hơn, tuy nhiên nếu đất chứa nhiều Fe, Al,

Mn và chất hữu cơ thì Cd sẽ liên kết với các nguyên tố này dẫn tới giảm khả năng linh động Trong đất trung tính hoặc kiềm do bón vôi, Cd bị kết tủa dưới dạng CdCO3 Thông thường Cd tồn tại trong đất ở dạng hấp phụ trao đổi chiếm 20 - 40%, dạng các hợp chất cacbonat là 20%, hyđrôxit và ôxit là 20%, phần liên kết các hợp chất hữu cơ chiếm tỷ lệ nhỏ [13]

Quá trình hấp phụ Cd trong đất xảy ra khá nhanh, 80 % Cd đưa vào đất bị hấp phụ trong vòng 10 - 15 phút và 100 % trong vòng 1 giờ Khả năng hấp phụ Cd của các chất trong đất giảm dần theo thứ tự: Hyđrôxit và ôxit sắt, nhôm, halloysit > Allphane > kaolinit, axit humic > montmorillonit [13]

Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong nước

Trong nước Cd tồn tại chủ yếu ở dạng hoá trị +2 và rất dễ bị thuỷ phân trong môi trường kiềm Ngoài dạng hợp chất vô cơ, Cd còn liên kết với các hợp chất hữu cơ đặc biệt là axit humic tạo thành phức chất có khả năng hấp phụ tốt trên các hạt sa lắng, chiếm 60 - 75% nồng độ tổng số của Cd trong nước

1.1.4.2 Nguồn ô nhiễm

Nguồn gây ô nhiễm Cd chủ yếu là do các chất thải từ công nghiệp mỏ, mạ điện, ống dẫn plastic, sơn…Theo Phạm Quang Hà (2002) [6] khi nghiên cứu hàm lượng Cd trong đất ở những vùng ven thành phố, nơi chịu ảnh hưởng của rác thải, nước thải sinh hoạt và công nghiệp hay từ các làng nghề truyền thống như gò đúc nhôm, đồng có hàm lượng Cd khá cao

Cadimi có trong nguyên liệu dùng để sản xuất phân lân và vôi Việc sử dụng phân bón trong ngành nông nghiệp, nhất là phân bón có chứa photphat lâu dài là yếu tố chủ yếu làm gia tăng hàm lượng Cd trong đất Hàm lượng Cd trong đá photphat được

sử dụng làm nguyên liệu sản xuất phân lân thay đổi theo nguồn gốc địa chất và loại đá : 0,15mg – 5mg Cd/kg ở đá có nguồn gốc núi lửa và 5 – 300mg Cd/kg ở các đá trầm tích Trong sản xuất phân bón công nghiệp, khoảng 60 – 80% Cd trong đá photphat nằm lại trong thành phần của phân hóa học [5] Cadimi từ phân bón sẽ xâm nhập vào môi trường qua nước thải và phát tán vào đất…Theo ước tính của các nước EEC lượng

Cd đưa vào đất hàng năm qua phân bón phosphat là 5g/ha (Nguyễn Đình Mạnh, 2000 [11])

1.1.4.3 Tính độc của cadimi (Cd)

Cadimi là nguyên tố độc hại đặc biệt khi xâm nhập vào cơ thể người.Cadimi có thể tích tụ trong cơ thể người bằng nhiều cách khác nhau nhưng chuỗi thức ăn là con đường chính đưa Cd vào cơ thể Việc hút thuốc lá cũng là nguồn tích lũy Cd với lượng

từ 20 - 35μg Cd/ngày

Cadimi có thời gian bán phân hủy sinh học dài từ 10-35 năm, chủ yếu tích tụ ở thận Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy Cd gây chứng bệnh loãng xương, nứt xương, Cd tích lũy trong cơ thể sẽ cản trở việc cố định Ca Khi cơ thể tích lũy một lượng Cd đủ lớn, Cd sẽ thay thế Zn ở các enzym quan trọng và gây rối loạn tiêu hóa Ở nồng độ cao, Cd gây đau thận, thiếu máu và phá hủy tủy xương [21] Tổ chức Lương Nông của Liên Hợp Quốc (FAO) và Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đề nghị lượng Cd

có thể chấp nhận được tối đa là 400 – 500 μg/tuần Nó tương đương khoảng 70 μg/ngày [1]

1.1.5 Hiện trạng ô nhiễm Chì, Cadimi ở Việt Nam

Năm 1998, Trần Kông Tấu, Trần Kông Khánh đã khảo sát mức độ ô nhiễm chì của 5 nhóm đất chính trên phạm vi toàn quốc Kết quả cho thấy, đất phù sa thuộc đồng bằng Sông Hồng có hàm lượng Pb cao nhất và hầu hết các loại đất có tỷ lệ hàm lượng các kim loại nặng dạng linh động so với dạng tổng số rất cao [16 ]

Kết quả điều tra khảo sát của Maqsud (1998) từ 8/1995 đến 8/1997 tại một số kênh rạch của Thành phố Hồ Chí Minh cho thấy hàm lượng Cd và Pb ở hầu hết các kênh rạch đều vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần ( Cd cao gấp 16 lần, Pb gấp 700 lần) Hàm lượng các kim loại nặng trong trầm tích cũng ở mức báo động với As, Cd và Pb lần lượt vượt quá TCVN là 11,7 ; 36 và 61 lần [12]

Năm 2000, Trần Kông Tấu và cộng sự theo dõi hiện tượng nhiễm kim loại nặng cũng như sự thay đổi hàm lượng của chúng trong 16 ao, hồ trên địa bàn Hà Nội so sánh với TCVN 5942 – 1995 loại A đối với nước mặt thì tất cả các ao hồ của Hà Nội đều đã

bị ô nhiễm KLN, đến 90 % mẫu kiểm tra bị ô nhiễm Pb [17]

Phạm Quang Hà (2002) khi phân tích hàm lượng Cd trong các mẫu đất trồng lúa, và các mẫu bùn của Huyện Văn Môn, Yên Phong, Bắc Ninh, đã phát hiện được có mẫu có hàm lượng Cd là 3,1mg/kg cao gấp 1,1 lần TCVN, còn lượng Cd trong các mẫu bùn rất cao gấp 5 lần TCVN [6]

1.2 Chất hoạt hóa bề mặt sinh học

1.2.1 Khái niệm chất hoạt hóa bề mặt sinh học

CHHBMSH là một nhóm các phân tử đa dạng về cấu trúc, có tính chất hoạt động bề mặt do các vi sinh vật tạo ra Các phân tử này có tác dụng làm giảm sức căng

bề mặt, khả năng tạo đám ở nồng độ mixen tối thiểu (CMC-Critical Micelle Concentration) và hấp phụ ở bề mặt trung gian giữa hai pha khác nhau [8, 31]

Cấu tạo của CHHBMSH gồm hai phần: một phần ưa nước (hydrophilic) và một phần kị nước (hydrophobic) Phần kị nước là các axit béo chuỗi dài hoặc các dẫn xuất của các axit béo, phần ưa nước có thể là một amino axit, mono-, oligo-, hoặc polysaccharides, peptit, protein [45] Những đặc tính này cho phép các phân tử CHHBMSH tập trung lại và tác dụng bề mặt tương hỗ với nhau làm giảm sức căng bề mặt, đồng thời làm giảm lực hút tĩnh điện ở bề mặt tiếp giáp giữa hai pha (lỏng –lỏng; lỏng – rắn) [52] Điều này có thể giúp CHHBMSH (tích điện âm) dễ dàng tiếp xúc và tạo phức bền vững với kim loại nặng (tích điện dương )

CHHBMSH thu được nhờ lên men vi sinh vật Cũng giống như chất hoạt hóa bề mặt được tổng hợp hóa học, CHHBMSH cũng được đặc trưng bởi khả năng làm giảm sức căng bề mặt, khả năng hình thành, phá hủy mixen ở nồng độ tối thiểu Chúng tạo thành sản phẩm công nghệ sinh học quan trọng, thân thiện với môi trường, có tiềm năng rất lớn trong thương mại và ứng dụng bảo vệ sức khỏe con người Nhờ khả năng giữ ẩm, tạo bọt và là chất phân tán CHHBM được ứng dụng trong các ngành công nghiệp như : sơn, mỹ phẩm, dệt may, thực phẩm, dược phẩm, khai thác mỏ và chế biến khoáng sản, tăng cường thu hồi dầu và xử lý ô nhiễm môi trường

1.2.2 Phân loại chất hoạt hóa bề mặt sinh học

Không giống như chất hoạt hóa bề mặt hóa học (CHHBMHH) thường được phân loại theo bản chất của các nhóm phân cực, CHHBMSH chủ yếu được phân loại

dựa vào thành phần hóa học và nguồn gốc các loại vi sinh vật Rosenberg và Ron đã chia các CHHBMSH thành hai nhóm: Các CHHBMSH có khối lượng phân tử thấp và các CHHBMSH có khối lượng phân tử cao CHHBMSH có khối lượng phân tử thấp bao gồm các glycolipids (rhamnolipids, sophorolipids, mannosylerythritol lipids…), lipopeptide và photpholipid, các CHHBMSH khối lượng phân tử cao là các chất cao phân tử và các CHHBM dạng hạt (như thực phẩm nhũ tương và biodispersan)

Ngoài cách phân loại nói trên, CHHBMSH từ vi sinh vật tạo ra được chia làm 7 loại chính như Bảng 1.5 [15, 22, 45]

Bảng 1.2 Phân loại CHHBMSH tạo ra từ vi sinh vật

1 Glycolipids

Trehalose lipids Rhodococcus erthropolis

Surfactan/iturin/fengycin Bacillus subtilis

Corynebacterium lepus

4 CHHBM có hoạt tính kháng kháng

sinh

5 Axit béo

Corynomicolic acids Corynebacterium insidibasseosum

6 CHHBMSH trùng hợp

7 CHHBMSH dạng hạt

Toàn bộ tế bào vi khuẩn Cyanobacteria

Glycolipids là CHHBMSH được biết đến nhiều nhất Nó có cấu trúc là mạch hydratcarbon liên kết với một chuỗi các aliphatic axit hoặc hydroxyaliphatic axit Liên kết này được tạo bởi một nhóm ete hoặc este Các glycolipids được quan tâm và nghiên cứu nhiều nhất là rhamnolipids, sophorolipids và gần đây là mannosylerythritol lipids [42]

Lipopeptides là CHHBMSH được tạo bởi chi vi khuẩn Bacillus, bao gồm 7

amino axit liên kết với các nhóm cacboxyl và hydroxyl Đây là CHHBMSH có hoạt tính làm giảm sức căng bề mặt rất tốt, chỉ cần bổ sung CHHBMSH với nồng độ rất thấp, chỉ 0,005%, đã có thể làm giảm sức căng bề mặt từ 72 xuống 27 mN/m [35, 47] Chủng tiêu biểu được nghiên cứu nhiều nhất có khả năng sinh tổng hợp nhóm

CHHBMSH này là Bacillus subtilis ATCC 21332

Phospholipids là một dạng CHHBMSH được cấu thành từ màng vi sinh vật Mức độ tổng hợp phospholipids tăng lên khi vi khuẩn hay nấm men có khả năng phân hủy hydrocarbon sinh trưởng trên nguồn cơ chất alkane Các phospholipids này có thể làm giảm sức căng bề mặt giữa nước và hexadecan xuống dưới 1 mN/m và CMC là 30 mg/l [35, 47]

CHHBM có hoạt tính kháng sinh là các CHHBMSH có tính kháng khuẩn như gramicidin, polymixin và chất kháng sinh TA [42]

Axit béo là các axit béo được vi sinh vật tạo ra trong quá trình oxy hoá các cơ chất alkane Các axit béo này có chứa các nhóm hydroxyl và các gốc alkine, do đó chúng cũng có hoạt tính bề mặt như các sản phẩm CHHBMSH khác

CHHBMSH trùng hợp là polymeric heterasaccharide có chứa protein CHHBMSH polymeic được nghiên cứu nhiều nhất là emulsan, liposan, alasan,

lipomanan và các phức hợp polysaccharide – protein [42]

CHHBMSH dạng hạt là CHHBMSH có cấu trúc dạng hạt, các khoang ngoài màng tế bào phân chia các gốc HC thành các hạt nhũ tương và các hạt nhũ này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thu alkane bởi tế bào vi sinh vật [42]

1.2.3 Tính chất của chất hoạt hóa bề mặt sinh học

1.2.3.1 Hoạt tính bề mặt

Chất hoạt hóa bề mặt có hoạt tính tốt, có thể làm giảm sức căng bề mặt của nước

từ 72 mN/m xuống 1 mN/m [48] Ví dụ Sophorolipid (do Torulopsis bombicola tạo ra)

làm giảm sức căng bề mặt của nước xuống 33 mN/m và làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha nước và hexandecan xuống 5 mN/m [30] Rhamnolipid làm giảm sức căng bề mặt của nước xuống 26 mN/m và sức căng bề mặt giữa pha nước với hexadecan xuống dưới 1mN/m [47]

1.2.3.2 Khả năng chịu nhiệt, pH và chịu lực ion

Nhiều CHHBMSH và hoạt tính bề mặt của chúng không bị ảnh hưởng bởi các

điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH Ví dụ chất lychenysin từ Bacillus licheniformis

JF-2 không bị tác động bởi nhiệt độ (trên 500C), pH (4,5-9,0), nồng độ NaCl lên tới 50 g/l và nồng độ Ca2+ lên đến 25 g/l [38] Một lipopeptide từ Bacillus subtilis LB5a vẫn

giữ được ổn định sau khi khử trùng (1210C/20 phút) và sau 6 tháng bảo quản ở -180C, hoạt tính bề mặt không thay đổi khi pH từ 5-11 và chịu được nồng độ NaCl lên tới 20% [46]

1.2.3.3 Khả năng phân hủy sinh học và tính độc thấp

Không giống như các chất hoạt hoá bề mặt hoá học, các CHHBMSH được phân huỷ dễ dàng Do đó, chúng đặc biệt thích hợp với các ứng dụng liên quan đến môi trường như phục hồi sinh học và xử lý ô nhiễm môi trường [38, 46 ]

Nhìn chung, các CHHBMSH là các sản phẩm có độc tính rất thấp hoặc không độc Do đó, chúng rất thích hợp trong các ngành công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm Các nhà khoa học đã chứng minh CHHBMSH Corexit có giá trị LC50(nồng độ tối thiểu gây chết 50% số cá thể nghiên cứu) đối với vi khuẩn chỉ thị

Photobacterium phosphoreum thấp hơn 10 lần so với rhamnolipids được tổng hợp hoá

học Chất hoạt hóa bề mặt sinh học do Pseudomonas aeruginosa được so sánh với chất

hoạt hoá bề mặt hoá học Marlon A-350 về phương diện gây độc và gây đột biến Các phân tích đều cho thấy Marlon A-350 có khả năng gây độc và gây đột biến, còn

CHHBMSH do Pseudomonas aeruginosa được đánh giá là tác nhân không gây độc,

không gây đột biến [36]

1.2.3.4 Sự hình thành nhũ hóa của CHHBMSH

Các CHHBMSH có thể làm ổn định hoặc làm mất ổn định dạng nhũ hoá Nói chung, các CHHBMSH khối lượng phân tử cao có khả năng nhũ hoá tốt hơn so với các

CHHBMSH khối lượng phân tử thấp Sophorolipid từ T bombicola có khả năng làm giảm

sức căng bề mặt, tuy nhiên khả năng nhũ hoá của chúng lại không cao Ngược lại, liposan không làm giảm sức căng bề mặt nhưng có khả năng nhũ hoá dầu ăn rất tốt Các CHHBMSH cao phân tử có nhiều lợi thế hơn bởi vì chúng bao phủ các giọt dầu, do đó hình thành dạng nhũ hoá ổn định [35]

1.2.3.5 Đa dạng về cấu trúc hóa học

Mỗi loài vi sinh vật khác nhau có thể tạo ra các loại CHHBMSH có bản chất hóa học và trọng lượng phân tử khác nhau, do đó CHHBMSH rất đa dạng về mặt cấu trúc Tính đa dạng về mặt hóa học của CHHBMSH tạo ra một sự đa dạng về các chất

có hoạt tính bề mặt với các thuộc tính như tạo nhũ, giữ ẩm, tạo bọt, làm ướt…có liên quan chặt chẽ tới các ứng dụng của CHHBMSH [10]

1.2.4 Vi sinh vật có khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh học

Lần đầu tiên Bayer và Gutnik (1950) đã phát hiện vi khuẩn Acinetotacter

calcoaceticus RAG - 1 có khả năng tạo CHHBMSH Sau đó La Rivie (1955) phát hiện

ra khả năng ứng dụng các chất này trong khai thác dầu khí [8, 9] Và hiện nay là ứng dụng CHHBMSH trong các ngành công nghiệp và xử lý môi trường Từ những năm 50 đến nay, nhiều nhà khoa học đã không ngừng tìm kiếm và phát hiện ra những loài vi sinh vật có khả năng tạo CHHBMSH [9]

Các loài vi sinh vật khác nhau có thể tạo ra các loại CHHBMSH có bản chất hóa học và trọng lượng phân tử khác nhau Các nhà khoa học đã tách chiết và mô tả được bản chất hóa học của các CHHBMSH do một số chủng vi sinh vật tạo ra Banat (1992)

đã tổng kết được một số vi sinh vật có khả năng sinh CHHBMSH và bản chất hóa học của từng chất do các chủng tương ứng tạo ra ở Bảng 1.6

Hiện nay, Vi khuẩn là đối tượng được quan tâm nhiều nhất trong các vi sinh vật tạo CHHBMSH vì dễ nuôi cấy, chu kỳ sinh trưởng ngắn, tạo ra lượng sinh khối lớn…[10]

Bảng 1.3: Một số loài vi sinh vật có khả năng tạo CHHBMSH

Tên vi sinh vật Bản chất hoá học của CHHBMSH

Arthrobacter Trechalose, saccharose, fructose

Corynebacterium hydrocarbolastus Protein-lipid-hydratecarbon

Corynebacterium insidiosum Phospholipid

Chủng MM1 Glucose, lipid & axit hydroxydecanoic

Penicillum spiculisporum Axit spiculosporic

Rhodococcus erythropolis Trehalose dicorynomycolat

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo chất hoạt hóa bề mặt sinh

học 1.2.5.1 Ảnh hưởng của nguồn cacbon

Nguồn cacbon rất quan trọng trong quá trình tạo CHHBMSH của vi khuẩn Nguồn cacbon thường được dùng để tổng hợp CHHBMSH bao gồm: cacbonhydrate, hydrocacbon và dầu thực vật Một số vi khuẩn chỉ tổng hợp CHHBMSH trên nguồn cơ chất là cacbonhydrate, một số khác chỉ tổng hợp CHHBMSH trên nguồn cơ chất là hydrocacbon, còn một số khác có thể tổng hợp trên cả hai nguồn cơ chất trên

Đối với cacbonhydrate, hầu hết CHHBMSH được tạo thành trên các nguồn đường tinh khiết, đắt tiền Ví dụ như để tạo CHHBSMH có chứa các phân tử đường như glucose, fructose, succrose (liên kết với lipid để tạo CHHBMSH) thì vi khuẩn

Corynebacterium, Brevibacterium phải được nuôi cấy trong môi trường có đường

tương ứng Một số chất hòa tan trong nước như mannitol, glycerol và ethanol cũng đã

được dùng cho tổng hợp rhamnolipid nhờ vi khuẩn Pseudomonas sp [36]

Chiều dài mạnh cacbon của cơ chất hydrocacbon cũng tác động đến sự tạo

CHHBMSH Sản phẩm CHHBMSH tối ưu thu được khi nuôi cấy Corynebacterium

hydrocacboclastus với các alkane mạnh thẳng có số lượng phân tử cacbon từ 12 đến

14 Trong khi đó, Rhodococcus erythropolis tạo CHHBMSH tốt nhất với các alkane có

mạch cacbon từ 12 đến 18 [48]

Tổng kết từ nhiều nghiên cứu khác nhau về ảnh hưởng của nguồn cacbon đến sự tạo CHHBMSH cho thấy nguồn cacbon khác nhau có thể quyết định thành phần cấu

tạo của CHHBMSH và cách chúng được tổng hợp như thế nào Arthrobacter tạo ra

75% CHHBMSH ngoại bào khi nuôi cấy trên môi trường có acetate hoặc ethanol, nhưng CHHBMSH hoàn toàn là chất tiết ngoại bào khi nuôi chủng này phát triển trên môi trường có chứa hydrocacbon [48]

1.2.5.2 Ảnh hưởng của nguồn nitơ

Nguồn nitơ trong môi trường cũng ảnh hưởng lớn đến sự tạo CHHBMSH Chúng cũng góp phần vào điều khiển pH của môi trường Nguồn nitơ hữu cơ bao gồm gluten, nấm men thủy phân, mầm ngũ cốc, urê nguồn nitơ vô cơ như ammonium

nitrate, ammonium sulphate… Arthrobacter paraffineus sử dụng muối ammonium để tổng hợp CHHBMSH, còn muối nitrate lại được Pseudomonas aeruginosa sử dụng để tạo lượng CHHBMSH rất lớn Bacillus subtilis cũng sử dụng ammonium nitrate là

nguồn cơ chất và tạo lượng CHHBMSH lớn hơn khi dùng ammonium chloride hay sodium nitrate [36]

1.2.5.3 Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường

Điều kiện phát triển và các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH, tốc độ khuấy và ôxy sẽ ảnh hưởng đến sự tạo CHHBMSH

Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến sự thay đổi trong thành phần của CHHBMSH

tạo ra bởi Pseudomonas sp DSM-2874 Chủng ưa nhiệt Bacillus sp có thể phát triển

và tạo CHHBMSH ở nhiệt độ trên 400C Tuy vậy, khi xử lý nhiệt một số CHHBMSH không làm thay đổi hoạt tính bề mặt cũng như khả năng nhũ hóa của các chất này [ 27]

pH trong môi trường đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp

sophorolipid bởi Torulopsis bambicola Tuy nhiên, sự tạo thành penta-và disaccharide lipid bởi Nocardia corynebacteroides không bị ảnh hưởng trong dải pH từ 6,5 đến 8,0

[35, 47]

1.2.6 Ứng dụng của chất hoạt hóa bề mặt sinh học trong công nghiệp và xử lý

ô nhiễm môi trường

Chất hoạt hóa bề mặt được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, khai thác khoáng sản, dầu khí và xử lý ô nhiễm môi trường, và mới đây là

xử lý môi trường ô nhiễm kim loại nặng Sau đây là một số ví dụ về ứng dụng của CHHBMSH trong đời sống

- Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mềm cho vải sợi, chất trợ nhuộm,

- Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa cho bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp, -Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa, chất tạo bọt,

- Trong ngành in: Chất trợ ngấm và phân tán mực in,

- Trong nông nghiệp: Chất dễ gia công thuốc bảo vệ thực vật,

- Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ đóng rắn của bê tông

- Trong dầu khí: chất nhũ hóa dung dịch khoan,…

- Trong công nghiệp khoáng sản: Làm chất tuyển nổi, chất nhũ hóa, chất tạo bọt

1.3 Một số phương pháp xử lý kim loại nặng

Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý đất nhiễm kim loại nặng nói chung cũng như nhiễm Chì và Cadimi nói riêng, như các phương pháp hóa học, hóa lý và sinh học được trình bày dưới đây

1.3.1 Xử lý bằng phương pháp hóa học: Phương pháp hóa học là phương pháp

dùng các tác nhân hóa học để loại bỏ hoặc chuyển hóa (làm thay đổi bản chất) kim loại nặng trong đất

1.3.2 Xử lý bằng phương pháp hóa lý

Các phương pháp hóa lý phổ biến được ứng dụng để xử lý kim loại nặng bao gồm: phương pháp kết tủa, phương pháp hấp phụ, phương pháp trao đổi ion, phương pháp oxy hóa – khử …

 Phương pháp kết tủa

Phương pháp kết tủa hóa học là phương pháp dựa trên phản ứng hóa học giữa chất đưa vào đất với kim loại nặng, ở pH thích hợp kim loại nặng được kết tủa Đây là biện pháp nhằm hạn chế sự linh động của KLN trong đât

Trong đất trung tính hoặc kiềm do bón vôi, Cd bị kết tủa dưới dạng CdCO3 và trở nên ít linh động hơn Theo Zupan và cs (1997), khi bón vôi và khoáng cho cây trồng ở vùng đất bị ô nhiễm đã làm giảm sự hấp thu Cd vào cây [61] Biện pháp này cũng được ứng dụng với Pb, bón vôi có thể làm giảm độ hoà tan của Pb Ở pH cao, Pb

có thể bị kết tủa dưới dạng hyđrôxyt, phosphate, carbonate và có khuynh hướng tạo thành phức hữu cơ khá ổn định [41]

 Phương pháp hấp phụ

Hấp phụ là quá trình chuyển khối và trong đó các phần tử chất ô nhiễm trong pha lỏng chuyển dịch đến bề mặt pha rắn và được liên kết vào pha rắn Sự liên kết giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ có thể là liên kết vật lý hay hóa học

 Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hóa học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn Phương pháp này dựa trên nguyên tắc sử dụng ion là nhựa hữu cơ để tổng hợp các chất cao phân tử, có gốc hydrocacbon và các nhóm chức trao đổi ion

 Phương pháp oxy hóa – khử

Phương pháp oxy hóa – khử là phương pháp dựa trên các tính chất vật lý, hóa học của đất để tiến hành các phản ứng oxy hóa – khử tạo kết tủa, giảm tính linh động

và cố định các KLN

1.3.3 Xử lý bằng phương pháp sinh học

Cơ sở của phương pháp này là hiện tượng nhiều loài sinh vật (thực vật thủy sinh, tảo, nấm, vi khuẩn ) có khả năng giữ lại trên bề mặt hoặc thu nhận vào bên trong các tế bào của cơ thể chúng các kim loại nặng tồn tại trong đất và nước

Các phương pháp sinh học để xử lý kim loại nặng bao gồm:

 Sử dụng các vi sinh vật: Quá trình hấp thu KLN ở vi sinh vật bao gồm 2 pha, pha thứ nhất là sự hấp phụ sinh học Thể hiện ở mối tương quan theo cân bằng tuyến tính giữa nồng độ KLN trong dung dịch và KLN liên kết với bề măt tế bào Pha thứ 2: là sự tích tụ sinh học hay hấp thu nội bào

 Sử dụng thực vật thủy sinh: Xử lý KLN trong đất bằng thực vật có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào từng cơ chế loại bỏ các KLN như:

- Phương pháp làm giảm nồng độ kim loại trong đất bằng cách trồng các loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân

- Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại trong đất hoặc bùn bởi sự hấp thụ của rễ hoặc kết tủa trong vùng rễ

 Sử dụng các vật liệu sinh học: như phụ phẩm nông nghiệp, nhựa sinh học, các sản phẩm sinh học do vi sinh vật tạo ra…

1.4 Xử lý kim loại nặng bằng chất hoạt hóa bề mặt sinh học

Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đã minh chứng có thể loại kim loại nặng từ đất, trầm tích hay nước ô nhiễm bằng CHHBMSH do các vi sinh vật tạo ra, bởi đặc điểm ưu việt là có tính tương hợp, khả năng phân hủy sinh học, an toàn với môi trường, giá thành rẻ do có thể tận dụng được các chất thải làm nguồn carbon, nitơ, không tạo nhiều cặn dư thừa gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường và chịu được các yếu

tố môi trường (pH, nhiệt độ, ) khắc nghiệt

1.4.1 Cơ chế xử lý đất nhiễm kim loại nặng bằng CHHBMSH

Hoạt động của CHHBMSH phụ thuộc vào nồng độ của chúng, và chúng có khả năng hoạt động tốt nhất khi đạt được nồng độ mixen tối thiểu (CMC) (là nồng độ các CHHBMSH bắt đầu tạo đám) Ở nồng độ cao hơn CMC, các phân tử CHHBMSH kết

hợp với nhau để tạo thành các mixen (Hình 1.1) Sự hình thành các mixen cho phép CHHBMSH tăng khả năng làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha [59, 36]

Hình 1.1: Mối quan hệ giữa nồng độ CHHBMSH và sự hình thành các mixen,

sức căng bề mặt [39]

CHHBMSH chứa cả hai nhóm chức ưa nước và kị nước trong cùng một phân tử

Vì vậy, chúng có thể tập trung tác động tương hỗ với nhau làm giảm sức căng bề mặt, đồng thời làm giảm lực hút tĩnh điện ở bề mặt tiếp giáp giữa hai pha (lỏng-lỏng và lỏng-rắn) giúp CHHBMSH (tích điện âm) dễ dàng tiếp xúc và tạo phức bền vững với kim loại nặng (tích điện dương)[45, 48] Lực liên kết này mạnh hơn so với lực liên kết của kim loại với các phức hợp đất, và phức kim loại - CHHBMSH được tách ra từ đất

và di chuyển vào trong dung dịch đất do sự giảm sức căng bề mặt (Hình 1.2) Do đó, CHHBMSH giúp phân tán và tách kim loại nặng từ đất sang pha nước [49, 57]

Cơ chế loại kim loại nặng ra khỏi đất [48]:

Hình 1.2 Cơ chế loại kim loại nặng từ đất của CHHBMSH

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam

Ứng dụng CHHBMSH để tách kim loại nặng (Cd, Cu, Pb, Zn…) ra khỏi đất hiện đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới do những ưu điểm vượt trội như xử lý hiệu quả, an toàn và thân thiện với môi trường

Năm 2000, Fraser đã nghiên cứu khả năng loại cadimi (Cd) và chì (Pb) từ đất ô nhiễm nhân tạo bằng CHHBMSH (surfactin) Kết quả là 80-100% hàm lượng chì và cadimi được tách ra từ đất [39] Hong và cộng sự (2002) đã nghiên cứu loại cadimi và kẽm (Zn) ra khỏi đất bằng CHHBMSH chiết xuất từ thực vật (saponin) Hiệu quả loại cadimi là 90-100% và kẽm là 85-98% khi sử dụng CHHBMSH (3% saponin) [39]

Neilson và cộng sự (2003), Dahr Azma và Mulligan (2004) đã sử dụng CHHBMSH (rhamnolipids) để xử lý kim loại ở mỏ [32, 51] Vai trò loại kim loại nặng của CHHBMSH tách chiết từ chủng vi khuẩn biển đã được Das và cộng sự (2009) nghiên cứu Kết quả cho thấy, 100 mg/l Pb và 100 mg/l Cd được loại khỏi nước ô nhiễm [33]

Ở Việt Nam, những năm gần đây, Viện Công nghệ sinh học đã nghiên cứu ứng dụng CHHBMSH để xử lý ô nhiễm dầu [9, 10] Tuy nhiên, xử lý ô nhiễm kim loại nặng bằng CHHBMSH vẫn còn mới mẻ, lần đầu tiên được nghiên cứu ở Việt Nam

Chương 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vật liệu

2.1.1 Chủng giống

Hai tư (24) chủng vi khuẩn nghiên cứu được lấy từ bộ sưu tập chủng giống của phòng Vi sinh vật dầu mỏ, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Trong đó, chủng CB5a được phân lập từ nước biển Vịnh Lan Hạ, Cát Bà Hai

mươi ba chủng còn lại được phân lập từ các mẫu đất và nước nhiễm chì tại làng nghề tái chế chì Đông Mai, Hưng Yên

2.1.2 Hóa chất

Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu:

- Cao nấm men (Merck, Đức)

- Pb (NO3)2, 3Cd (SO4).8H2O (Sigma (Mỹ)

- KH2PO4, NH4NO2, Na2CO3, KCl, (NH4)2 SO4, FeSO4, KNO3, MgSO4, MnSO4, CaCl2…(Trung Quốc)

- Cặp mồi 27F và 1492R (Invitrogen, Mỹ)

- Bộ kit tinh sạch sản phẩm PCR của Quiagen (Đức)

- Các hóa chất, dung môi sử dụng tách chiết AND (Merck, Đức và Sigma, Mỹ)