Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm bằng enzyme laccase

Thực tế đã có rất nhiều các phương pháp xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm như phương pháp keo tụ với các tác nhân keo tụ truyền thống phèn nhôm, phèn sắt được ứng dụng nhiều và tỏ ra k

-* -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT

NHUỘM BẰNG ENZYME LACCASE

Hướng dẫn khoa học: PGS TS Tô Kim Anh

Hà Nội ngày 30 2 5 tháng 4 9 năm 20122013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC - CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Formatted: Indent: First line: 0", Right: 0.03"

Formatted: Not Highlight Formatted: Not Highlight Formatted: Not Highlight Formatted: Not Highlight Formatted: Not Highlight Comment [C1]: Xem lại ngày

Formatted: Not Highlight Formatted: English (U.S.)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc các tác giả khác công bố

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2013

Kiều Trung Đông

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS Tô Kim Anh – Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và dìu dắt cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu Bên cạnh đó, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Thị Lĩnh – Bộ môn Vật liệu và Công nghệ hóa Dệt đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại bộ môn

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Tuấn Anh – giảng viên bộ môn Hóa sinh-Vi sinh và Sinh học phân tử, Th.s Lê Tuân, Th.s Phạm Hoàng Nam – cán bộ nghiên cứu

bộ môn Hóa sinh-Vi sinh và Sinh học phân tử, cùng các học viên đã hướng dẫn tận tình

và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại bộ môn

Tôi xin được cảm ơn tất cả các cán bộ và các học viên tại Trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ sinh học - Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã động viên, hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC Error! Bookmark not defined. DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

MỞ ĐẦU 1

PHẦN I TỔNG QUAN T I LIỆU 2

1.1 SỰ Ô NHIỄM BỞI CÁC THUỐC NHUỘM 2

1.1.1 Các loại thuốc nhuộm thường dùng trong ngành dệt nhuộm 2

1.1.2 Cấu tạo chung tạo nên màu sắc của thuốc nhuộm 7

1.2 HIỆN TR NG V Đ C T NH CỦA NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM 8

1.2.1 Hiện trạng ô nhiễm nước thải dệt nhuộm ở Việt Nam 8

1.2.2 Đ c tính của nước thải dệt nhuộm 10

1.3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ L NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM HIỆN NA 13 1.3.1 Một số phương pháp xử lý hiện nay 13

1.3.1.1 Phương pháp hóa lý 13

1.3.1.2 Phương pháp hóa học 14

1.3.1.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 15

1.3.2 Ưu nhược điểm của các phương pháp đang sử dụng 17

1.4 LACCASE 18

1.4.1 Cấu trúc phân tử của laccase 18

1.4.2 Cơ chế xúc tác của enzyme laccase 19

1.4.2.1 Xúc tác chuyển hóa các hợp chất phenol 19

1.4.2.2 Xúc tác chuyển hóa các hợp chất khác 20

1.4.2.3 Xúc tác khử màu thuốc nhuộm 21

1.4.3 Tính chất của laccase 26

1.4.4 Nguồn thu laccase 26

1.4.5 Khả năng khử màu thuốc nhuộm bởi laccase 27

1.4.6 Khả năng khử màu thuốc nhuộm bởi laccase từ Pleurotus florida 29

PHẦN II VẬT LIỆU V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.1 VẬT LIỆU, HÓA CHẤT, THUỐC NHUỘM V NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM 31 2.1.1 Các mẫu vật nghiên cứu 31

2.1.2 Vi sinh vật 31

2.1.3 Các thiết bị 33

2.1.4 Môi trường nuôi cấy 34

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

2.2.1 Phương pháp phân tích 34

2.2.1.1 Xác định sinh khối nấm mốc 34

2.2.1.2 Xác định hoạt độ enyzme [41] 34

2.2.1.3 Phương pháp xác định hàm lượng thuốc nhuộm 36

2.2.1.4 Khảo sát các đ c tính cơ bản của enzyme 36

2.2.1.5 Phương pháp xác định COD 37

2.2.1.6 Phương pháp xác định BOD 38

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu 40

2.2.2.1.Thu nhận enzyme từ canh trường vi sinh vật 40

2.2.2.2 Thu nhận enzyme từ bã thải trồng nấm 40

2.2.2.3 Chọn lọc enzyme có khả năng khử màu thuốc nhuộm 40

2.2.2.4 Xác định điều kiện khử màu thuốc nhuộm bằng enzyme 40

2.2.2.5.Chọn lọc nấm có khả năng khử màu thuốc nhuộm 40

2.2.2.6 Xử lý nước thải với enzyme 41

PHẦN III KẾT QUẢ V THẢO LUẬN 45

3.1 THU NHẬN CÁC CHẾ PHẨM ENZ ME SỬ DỤNG CHO NGHIÊN CỨU 45

3.1.1 Enzyme từ canh trường Phomopsis sp N7.2 45

3.1.2 Enzyme từ canh trường của P florida 46

3.1.3 Các nguồn enzyme khác 46

3.1.4 Thành phần hệ enzyme của các enzyme nghiên cứu 47

3.2 S NG LỌC ENZ ME CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦ THUỐC NHUỘM 48

3.2.1 Khả năng khử màu thuốc nhuộm Reactive blue 19 48

3.2.2 Khả năng khử màu thuốc nhuộm Rb19 của canh trường P florida 49

3.2.2 Khả năng khử màu các thuốc nhuộm khác nhau bởi enzyme từ bã giá thể nấm 52 3.3 THU NHẬN V KHẢO SÁT Đ C T NH ENZ ME TỪ BÃ TRỒNG P FLORIDA 55

3.3.1 Thu nhận enzym 55

3.3.2 Khảo sát một số đ c tính của chế phẩm enzyme 55

3.3.3 Khảo sát điều kiện khử màu thuốc nhuộm bới laccase bã thải P florida 57

3.4 THỬ NGHIỆM KHỬ M U NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM NHỜ CHẾ PHẨM LACCASE THU TỪ BÃ THẢI TRỒNG NẤM P FLORIDA 65

3.4.1 Thành phần nước thải 65

3.4.2 Điều kiện khử màu nước thải 66

3.4.3 Xây dựng mô hình thí nghiệm cho khử màu nước thải dệt nhuộm Rb19 69

KẾT LUẬN 75

KIẾN NGHỊ 76

T I LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 84

DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT

TT Các từ hoặc

thuật ngữ viết

tắt

Giải thích các từ hoặc thuật ngữ viết tắt

1 ABTS 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid)

2 RBBR Remazol Brilliant Blue R

13 NTRb19 Nước thải chứa thuốc nhuộm Rb19

14 NTRr261 Nước thải chứa thuốc nhuộm Rr261

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phân bố các lớp hóa học trong thuốc nhuộm hoạt tính 3

Bảng 1.2 Tổn thất thuốc nhuộm sau khi nhuộm các loại xơ sợi [28] 4

Bảng 1.3 Nguồn phát sinh các chất ô nhiễm trong nước thải dệt nhuộm 8

Bảng 1.4 Các phân lớp chất màu đi vào dòng thải: 9

Bảng 1.5 Các công đoạn gây ô nhiễm và đ c tính nước thải [11] 10

Bảng 1.6 Đ c tính nước thải của một số xí nghiệp Dệt nhuộm ở Việt Nam [11] 10

Bảng 1.7 Tính chất nước thải của các nhà máy Dệt nhuộm ở TP Hồ Chí Minh [10] 11 Bảng 1.8 Tính chất nước thải của các nhà máy Dệt nhuộm ở Hà Nội [11] 11

Bảng 1.9 Số lượng hóa chất, thuốc nhuộm sử dụng của các xí nghiệp dệt nhuộm [12] 12

Bảng 2.1 Thể tích mẫu lựa chọn với khoảng giá trị BOD 38

Bảng 3.1 Thành phần hệ enzyme nghiên cứu 47

Bảng 3.2 Hiệu suất thu nhận enzyme từ bã trồng P florida 55

Bảng 3.4.Thành phần của các mẫu nước thải thí nghiệm 65

Bảng 3.5 Đ c tính của nước thải Rb sau khi xử lý 74

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cơ chế xúc tác phânhủy các tiểu phần phenol của lignin bởi laccase [15] 19

Hình 1.2 Cơ chế xúc tác phân hủy các tiểu phần không có bản chất phenol bởi laccase [14; 17] 21

Hình 1.3 Cơ chế đề xuất sự phân hủy thuốc nhuộm I bởi laccase 23

Hình 1.4 Cơ chế đề xuất sự phân hủy thuốc nhuộm II bởi laccase 25

Hình 2.1 Các mẫu bãthải trồng nấm được sử dụng trong nghiên cứu 31

Hình 2.2 Hệ thống thí nghiệm xử lý nước thải dệt nhuộm 43

Hình 3.1 Động thái sinh trưởng và tổng hợp laccase của Phomopsis sp N7.2 45

Hình 3.2 Sinh trường và tổng hợp laccase của P florida 46

Hình 3.3 Khả năng khử màu thuốc nhuộm Rb19 50mg/L bởi các enzyme nghiên cứu 48

Hình 3.4 Khả năng khử màu thuốc nhuộm Rb19 của canh trường P florida 50

Hình 3.5 Hiệu quả khử màu thuốc nhuộm Rb19 bởi canh trường P.florida 51

Hình 3.6 Sự khử màu các loại thuốc nhuộm khác nhau bởi các hệ enzyme nghiên cứu 53 Hình 3.7 Hiệu quả khử màu các thuốc nhuộm bởi lacccase 54

Hình 3.8 Ảnh hưởng của pH (A) và độ bền pH (B)củalaccase từ bã trồng P florida 56

Hình 3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hoạt độ (A) và độ bền (B) bã thải P florida 57

Hình 3.10 Hiệu quả khử màu thuốc nhuộm Rb19 50 mg/l của chế phẩm enzym tại các pH khác nhau sau 24h 58

Hình 3.11 Hiệu quả xử lý các loại thuốc nhuộm ở nhiệt độ khác nhau bởi laccase từ bã trồng P florida 59

Hình 3.12 Sự khử màu thuốc nhuộm Rb19 bởi laccase từ bã thải P.florida với nồng độ oxy khác nhau 60

Hình 3.13 Mức độ khử màu thuốc nhuộm theo thời gian 61

Hình 3.14 Hiệu quả khử màu các loại thuốc nhuộm ở các nồng độ laccase P florida khác nhau 62

Hình 3.15 Ảnh hưởng của nồng độ oxy tới khả năng khử màu nước thải Rb 66

Hình 3.16 Sự khử màu nước thải bởi các nồng độ enzyme khác nhau sau 24h 67

Formatted: Heading 1, Space After: 10 pt,

Tab stops: Not at 6.33"

Hình 3.17 Hiệu quả khử màu nước thải Rb (A) và nước thải Rr (B)tại các nồng độ enzym khác nhau 68Hình 3.18 Ảnh hưởng thời gian xử lý và nồng độ enzym tới tốc độ khử màu thuốc nhuộm nước thải Rb (A) và nước thải Rr (B) 69Hình 3.19 Diễn biến quá trình khử màu nước thải NTRb với tốc độ dòng vào 225 ml/h 71Hình 3.20 Diễn biến quá trình khử màu nước thải NTRb với tốc độ dòng vào 300 ml 72Hình 3.21 Diễn biến quá trình khử màu nước thải NTRb với tốc độ dòng vào 400 ml 73

MỞ ĐẦU

Nước thải dệt có chứa chất màu, độc tới môi trường sinh thái.Xử lý nước thải công nghiệp dệt nhuộm nói riêng đang trở thành vấn đề cấp bách đối với nước ta nhằm thực hiện nghiêm chỉnh Luật Bảo vệ môi trường

Thực tế đã có rất nhiều các phương pháp xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm như phương pháp keo tụ với các tác nhân keo tụ truyền thống (phèn nhôm, phèn sắt) được ứng dụng nhiều và tỏ ra khá phù hợp khi xử lý nước thải chứa các thuốc nhuộm không tan (thuốc nhuộm hoàn nguyên, phân tán) nhưng lại không hiệu quả với nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính Các phương pháp khác như keo tụ điện hóa, oxy hóa có chi phí

xử lý khá cao Trong khi đó các phương pháp xử lý sinh học chưa thực sự phân hủy các thuốc nhuộm bền vững (chất hữu cơ khó phân hủy sinh học) hay dễ tạo ra các hợp chất trung gian độc hai hơn gây ung thư [22; 21; 43] Hơn nữa các vi sinh vật dễ bị chết bởi hàm lượng hàm lượng thuốc nhuộm cao trong nước thải.Người ta vẫn đang tiếp tục tìm tòi các phương pháp khác nhau để có thể xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính

Ở Việt Nam, các nghiên cứu ứng dụng phương pháp khử màu nước thải dệt nhuộm được nhiều tác giả quan tâm [3; 4; 1; 8].Tuy vậy vẫn chưa có phương pháp nào được xem là có ưu thế.Trong những năm gần đây, việc sử dụng enzyme trong xử lý nước thải Dệt nhuộm đã được bắt đầu nghiên cứu Để góp phần phát triển phương pháp xử lý

chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm bằng enzyme laccase”

Mục tiêu của nghiên cứu:

- Nghiên cứu khả năng khử màu thuốc nhuộm bằng enzyme laccase

- Ứng dụng laccase từ giá thể trồng nấm trong xử lý nước thải dệt nhuộm

PHẦN I TỔNG QUAN TÀI LIỆU1.1

SỰ Ô NHIỄM BỞI CÁC THUỐC NHUỘM

1.1.1.Các loại thuốc nhuộm thường dùng trong ngành dệt nhuộm

Thuốc nhuộm dùng trong ngành dệt nhuộm là những hợp chất hữu cơ hấp thụ mạnh

một phần nhất định của quang phổ ánh sáng nhìn thấy và có khả năng gắn kết vào các

vật liệu dệt trong những điều kiện xác định Có hai loại thuốc nhuộm: thiên nhiên và

tổng hợp nhưng hiện nay người ta hầu như chỉ sử dụng thuốc nhuộm tổng hợp

Thuốc nhuộm bao gồm nhiều loại có cấu trúc hóa học khác nhau và được phân loại

một cách có hệ thống (Colour Index), trong đó chất màu được phân theo hai cách: theo

đ c tính áp dụng, bao gồm các thuốc nhuộm axit, bazơ (cation), trực tiếp, phân tán,

cầm màu, pigment, hoạt tính, lưu hóa, hoàn nguyên; theo cấu trúc hóa học, bao gồm

nhiều lớp hóa học mang màu trong phân tử thuốc nhuộm, chủ yếu là, thuốc nhuộm azo

với một hay nhiều nhóm azo (-N=N) và các thuốc nhuộm stinben, tiazol, antraquinon

và indigoit; quin-acridon, quinophtalon, aminoxeton và hydroxixeton; phtaloxianin,

phomazan, xianin, nitro và nitroso; diphenylmetan và triarylmetan; xanten, acridin,

azin, oxazin và thiazin…

Shore [29] đã chỉ ra rằng nếu loại trừ các tiền chất màu (như các thành phần azo và

bazơ oxy hóa) cũng như thuốc nhuộm lưu hóa không có cấu tạo xác định thì 2/3 các

màu hữu cơ trong Colour Index là thuốc nhuộm azo và 1/6 trong đó là phức kim loại

Lớp thuốc nhuộm antraquinon đứng thứ hai (chiếm 15%), tiếp theo là triarylmetan

(3%) và phtaloxianin (2%)

Thuốc nhuộm hoạt tính

Thuốc nhuộm hoạt tính(TNHT)ra đời và đưa vào thị trường cách đây hơn 50 năm

Là một trong những thuốc nhuộm phát triển mạnh mẽ trong thời gian qua do chúng có

nhiều ưu điểm như màu sắc tươi sang, phong phú, có độ bền gi t cao, nhuộm dễ dàng

Formatted: Space After: 10 pt

Formatted: Heading 2

và dễ điều màu TNHT là một trong những nhóm thuốc nhuộm quan trong nhất dung nhuộm vải sợi bông và thành phần bông trong vải sợi pha

Các loại thuốc nhuộm thuộc nhóm này có công thức cấu tạo tổng quát là S-F-T-X trong đó: S là nhóm làm cho thuốc nhuộm có tính tan; F là phần mang màu, thường là các hợp chất Azo (-N=N-), antraquinon, axit chứa kim loại ho c ftaloxiamin; T là gốc mang nhóm phản ứng; X là nhóm phản ứng Loại thuốc nhuộm này khi thải vào môi trường có khả năng tạo thành các amin thơm được xem là tác nhân gây ung thư TNHTlà thuốc nhuộm Anion tan, có khả năng phản ứng hóa học với các xơ sợi trong những điều kiện áp dụng nhất định, tạo thành liên kết cộng hóa trị với xơ sợi

Đ c điểm cấu tạo của thuốc nhuộm là có một hay nhiều nhóm hoạt tính khác nhau Các nhóm hoạt tính quan trọng nhất là vinylsunfon, halotriazin và haloporomidin

Ngoại trừ các nhóm mang màu antraquinon, diozazin, fomazan và phtaloxianin có trong các màu xanh – xanh lá cây thì trong tất cả các màu còn lại có trên 95% thuốc nhuộm azo trong các cấu trúc TNHT

Bảng 1.1 Phân bố các lớp hóa học trong thuốc nhuộm hoạt tính

Lớp hóa học

Phân bố theo màu sắc (%)

Tỷ lệ

% trong tổng

số TNHT Vàng Da

Bảng 1.1 ở trên cho thấy, nhóm mang màu azo có tỷ lệ lớn nhất, chiếm tới 81%

trong tổng số TNHT Tiếp theo là các nhóm mang màu antraquinon (10%) và

phataloxianin (8%) [29]

TNHT là loại thuốc nhuộm duy nhất có liên kết cộng hóa trị với xơ sợi Nhờ có sự

gắn kết đ c biệt này mà có thể đạt được độ bền màu gi t và độ bền màu ướt rất

cao.Tuy nhiên TNHT có một nhược điểm là phản ứng giữa thuốc nhuộm và xơ sợi

không thể đạt hiệu suất 100% vì chúng không hấp thụ hoàn toàn lên xơ sợi mà còn

tham gia vào phản ứng thủy phân Cụ thể là TNHT không chỉ có phản ứng với

anioncủa xơ sợi xenlulo(Xen - 0-)theo ví dụ ở dưới, là phản ứng chủ yếu tạo ra liên kết

cộng hóa trị với xơ của xơ sợi, mà còn phản ứng phụ thủy phân không tránh khỏi với

ion hydroxyl (OH-) trong dung dịch nhuộm Để đạt độ bền màu gi t và độ bền màu tối

ưu, hàng nhuộm được gi t hoàn toàn để loại bỏ các phần thuốc nhuộm dư thừa, thuốc

nhuộm không phản ứng và thuốc nhuộm bị thủy phân Màu thuốc nhuộm thủy phân

giống như màu thuốc nhuộm gốc Do vậy thuốc nhuộm khi sử dụng có độ tổn hao khá

cao, chúng gây ra vấn đề màu nước thải và làm ô nhiễm nước thải (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Tổn thất thuốc nhuộm sau khi nhuộm các loại xơ sợi [28]

STT Loại thuốc nhuộm Loại xơ sợi Tổn thất vào dòng thải (%)

Formatted: Font: 13 pt, Not Bold, Not

Highlight

Dưới đây là ví dụ minh họa các phản ứng chính và phụ của TNHT lần lượt với xơ

sợi xenlulo với nước trong quá trình nhuộm [38]

Thuốc nhuộm Diclotriazin Thuốc nhuộm thủy phân (X là OH)

(D: nhóm mang màu của thuốc nhuộm) hay xơ sợi nhuộm màu (X là O-

Xenlulo)

Phản ứng giữa TNHT với nhóm hydroxyl ion hóa trong vật liệu xenlulo thông qua

cơ chế thế haycộng ái nhân (nucleophilic subititytion or addition mechanism) Các

thuốc nhuộm trên dựa trên cơ sở dị vòng có chứa nitơ mang các nhóm thế halogen sẽ

phản ứng theo cơ chế thế ái nhân Nhờ điện tích âm cao hơn các nguyên tử khác kim

loại trong vòng acryl, các nhóm halogen đã hoạt hóa toàn bộ hệ thống thích hợp cho

phản ứng thế ái nhân Các nhóm ái nhân có thể là anion xenlulolat (đi liền với phản

ứng gắn màu vào xơ sợi) hay ion hydroxyl (gắn liền với phản ứng thủy phân TNHT)

Những thuốc nhuộm như Remazol (DyeStar) dựa trên cơ sở tiền chất

2-sunfatoetylsunfon thuộc hệ thống vinylsunfon phản ứng theo cơ chế cộng ái nhân Tuy

nhiên trước khi xảy ra cơ chế này, cần thiết loại bỏ nhóm tiền chất 1,2 bởi kiềm để giải

phóng hệ thống vinylsunfon hoạt tính Trong hệ thống này, liên kết đôi không no

cacbon-cacbon bị phân cực bởi nhóm thế sunfon hút điện tử Sự phân cực này làm cho

các nguyên tử cacbon cuối mạch có điện tích dương cao hơn Cơ chế cộng ái nhân xảy

Formatted: Font: Not Bold Formatted: Danh mục bảng, Left, Indent: First

line: 0", Add space between paragraphs of the same style, Line spacing: single

ra ho c với nhóm xenlulolat dẫn đến sự gắn màu ho c với Ion hydroxyl làm thủy phân thuốc nhuộm

Thuốc nhuộm Sunfatoetylsunfon Thuốc nhuộm Vinylsunfon

Thuốc nhuộm Vinylsunfon Thuốc nhuộm thủy phân (X là OH)(D:

nhóm mang màu của thuốc nhuộm)hay xơ được

nhuộm (X làO-Xenlulo)

Trên đây đã điểm lại các lớp thuốc nhuộm chính, được sử dụng phổ biến hiện nay trong nhuộm (in hoa) vải sợi bông, len, tơ tằm và xơ sợi tổng hợp (polyester, poliamit, acrylic) có trong nước thải dệt nhuộm cần phải xử lý màu Còn thuốc nhuộm pigment cũng được dùng nhiều, đ c biệt là để in hoa vải sợi pha polyeste / bông, nhưng sau in hoa và nhuộm đều không gi t nên hầu như không có m t trong nước thải

Thuốc nhuộm trực tiếp

Đây là thuốc nhuộm bắt màu trực tiếp với xơ sợi không qua giai đoạn xử lý trung gian, thường sử dụng để nhuộm sợi 100% cotton, sợi protein (tơ tằm) và sợi poliamid, phần lớn thuốc nhuộm trực tiếp có chứa nhóm azo (mono, di và poliazo) và một số là dẫn xuất của dioxazin Ngoài ra, trong thuốc nhuộm còn có chứa các nhóm làm tăng độ bắt màu như triazin và salicylic axit có thể tạo phức với các kim loại để tăng độ bền màu

Thuốc nhuộm hoàn nguyên

Thuốc nhuộm hoàn nguyên gồm 2 nhóm chính: nhóm đa vòng có chứa nhân antraquinon và nhóm indigoit có chứa nhân indigo Công thức tổng quát là R=C-O; trong đó R là hợp chất hữu cơ nhân thơm, đa vòng Các nhân thơm đa vòng trong loại thuốc nhuộm này cũng là tác nhân gây ung thư, vì vậy khi không được xử lý, thải ra môi trường, có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Thuốc nhuộm phân tán

Nhóm thuốc nhuộm này có cấu tạo phân tử tư gốc azo và antraquinon và nhóm amin (NH2, NHR, NR2, NR-OH), dùng chủ yếu để nhuộm các loại sợi tổng hợp (sợi axetat, sợi polieste…) không ưa nước

Thuốc nhuộm lưu huỳnh

Là nhóm thuốc nhuộm chứa mạch dị hình như tiazol, tiazin, zin… trong đó có cầu nối –S-S- dùng để nhuộm các loại sợi cotton và viscose

Thuốc nhuộm axit

Là các muối sunfonat của các hợp chất hữu cơ khác nhau có công thức là R-SO3Na khi tan trong nước phân ly thành nhóm R-SO3 mang màu Các thuốc nhuộm này thuộc nhóm mono, diazo và các dẫn xuất của antraquinon, triaryl metan…

Thuốc in, nhuộm pigmen

Có chứa nhóm azo, hoàn nguyên đa vòng, ftaoxianin, dẫn suất của antraquinon…[7]

Dựa vào các đ c tính áp dụng, người ta quan tâm nhiều nhất tới các thuốc nhuộm hay được sử dụng nhiều cho xơ sợi xenlulo (bông, vixco…) Đó là các thuốc nhuộm hoàn nguyên, lưu hóa, hoạt tính và trực tiếp Tiếp theo là các thuốc nhuộm cho xơ sợi tổng hợp và len, tơ tằm, bao gồm: phân tán, bazơ (cation), axit [5]

1.1.2 Cấu tạo chung tạo nên màu sắc của thuốc nhuộm

Theo quan điểm của Butlervo và Alektsev O Witt năm 1876 thì hợp chất hữu cơ mang màu là do trong phân tử của chúng có chứa những nhóm mang màu, đó là những nhóm nguyên tử chưa bão hòa hóa trị Những nhóm mang màu quan trọng là:

CH=CH nhóm etylen

Cơ chế khử màu thuốc nhuộm????Như vậy để có thể khử được màu của thuốc

nhuộm có trong nước thải thì các tác nhân xử lý phải tấn công phá hủy ho c làm thay

đổi cấu trúc của các nhóm màu

HIỆN TRẠNG VÀ Đ C T NH CỦA NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM

1.2.1 Hiện trạng nhi m nước thải dệt nhuộm iệt Nam

Ngành dệt nhuộm thải ra môi trường một lượng nước thải lớn và khó xử lý, thành

phần nước thải rất đa dạng: một số các kim loại n ng tồn tại trong phẩm nhuộm, các

hóa chất phụ trợ nguy hại, nước thải ở công đoạn nhuộm và xử lý hoàn tất chứa màu do

trogn quá trình nhuộm chỉ có một phần màu được lưu lại trên vải, phần màu dư còn lại

(chiếm từ 1 ÷50%) được thải ra cùng dòng thải Các hóa chất này thường là những hợp

chất rất bền trong môi trường tự nhiênđều được thải vào dòng thải[6]

Bảng 1 2.13 Nguồn phát sinh các chất nhi m trong nước thải dệt nhuộm

Thông số chất ô

nhiễm

Nguồn phát sinh

Kiềm pH Nhuộm bằng các loại thuốc nhuộm hoạt tính, thuốc

nhuộm hoàn nguyên không tan, thuốc nhuộm sunphua

Axit pH Nhuộm bằng thuốc nhuộm axit và thuốc nhuộm phân

tán

Màu Thuốc nhuộm hoạt tính và thuốc nhuộm sunphua

Kim loại n ng Thuốc nhuộm phức chất kim loại và pigment

Hydrocacbon chứa

halogen

Chất tẩy rửa, chất khử nhờn, chất tải, tẩy trắng clo

Formatted: English (U.S.)

Formatted: Space Before: 8 pt, Line spacing:

Dầu khoáng Làm hồ in, chất khử và chống tạo bọt

Muối trung tính Thuốc nhuộm hoạt tính

Thêm vào đó, trong thành phần nước thải chứa hàm lượng chất hoạt động bề m t

đôi khi khá cao lên 10÷12 mg/l, khi thải vào nguồn nước như sông, kênh rạch, tạo

màng nổi trên bề m t, ngăn cản sự khuếch tán của oxy vào môi trường gây nguy hại

cho hoạt động sống của thuỷ sinh vật, m t khác một số hoá chất khác có chứa kim

loạin ng như crom, nhân thơm benzen, các phần chứa độc tố không những có thể tiêu

diệt thủy sinh vật mà còn gây hại trực tiếp đến dân cư ở khu vực lân cận

Điều quan trọng nữa đó là do độ màu của nước thải quá cao, việc xả liên tục vào

nguồn nước đã làm cho độ màu tăng dần, dẫn đến hiện trạng nguồn nước bị vẩn đục

gây mất mỹ quan, ngăn cản sự khuếch tán của ánh sáng vào nước ảnh hưởng trực tiếp

đến khu hệ sinh vật trong thuỷ vực

Các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng các độc chất tồn tại trong nước thải nhuộm là

những chất có thể gây tử vong, gây ung thư và biến đổi gen đối với loài thủy sinh và

động vật có vú Đồng thời các màu nhuộm và những chất có trong dòng thải nhuộm

ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của các vi sinh vật (VSV) kỵ khí và hiếu khí trong

hệ thống xử lý nước thải [6]

Bảng 1 3 4 Các phân lớp chấtmàu đi vào dòng thải:

Lớp màu nhuộm Loại vải Tỷ lệ trong vải Tỷ lệ trong nước thải

Phân tán Polyester, nilon,

Formatted: Space Before: 8 pt, Line spacing:

Axit Len, lụa 95 ÷98% 2 ÷5%

Từ bảng trên ta thấy rõ chất màu hoạt tính có độ bắt màu trong vải thấp nhất, do

vậy, chúng tồn dư trong môi trường nhiều nhất[23]

1.2.2 c tính của nước thải dệt nhuộm

Mỗi công đoạn của công nghệ dệt nhuộm đều có các dạng nước thải đ c trưng và

của chúng, các chất ô nhiễm đ c trưng được liệt kê trong bảng 1.4 5 - 1.78

Bản g g 1 45 Các c ng đoạn gây nhi m và đ c tính nước thải [11]

Công đoạn Chất ô nhiễm trong nước thải Đặc tính của nước thải

Hồ sợi,

giũ hồ

Tinh bột, glucozo, carboxy metyl xelulozo, polyvinyl alcol, nhựa, chất béo và sáp

BOD cao (34-50% tổng sản lượng BOD)

Nấu, tẩy NaOH, chất sáp và dầu mỡ,

tro, soda, silicat natri và xo sợi

vụn

Độ kiềm cao, màu tối, BOD cao (30% tổng BOD)

Tẩy trắng Hipoclorit, hợp chất chứa clo,

NaOH, AOX, axit…

Độ kiềm cao, chiếm 5%BOD

Làm bong NaOH, tạp chất Độ kiềm cao, BOD thấp

(dưới 1% tổng BOD)

Nhuộm Các loại thuốc nhuộm,

axitaxetic và các muối kim

loại

Độ màu rất cao, BOD khá cao (6% tổng BOD), TS cao

In Chất màu, tinh bột, dầu, đất

sét, muối kim loại,axit…

Độ màu cao, BOD cao

và dầu mỡ

Hoàn thiện Vệt tinh bột, mỡ động vật,

muối

Kiềm nhẹ, BOD thấp, lượng nhỏ

Bảng1 56 c tính nước thải của một số xí nghiệp Dệt nhuộm iệt Nam [11]

Formatted: Space After: 10 pt

Đặc tính sản

phẩm Đơn vị

Hàng bông dệt thoi

Hàng pha dệt kim Dệt len Sợi

COD (mg/l)

BOD (mg/l)

SS (mg/l)

SO4 (mg/l)

2-PO4 (mg/l)

Bảng1 78 Tính chất nước thải của các nhà máy Dệt nhuộm Hà Nội [11]

Tên nhà máy BOD

(mg/l)

COD (mg/l)

(Pt -Co)

Q (m 3 /t)

Công ty Dệt 8/3 70 – 135 15 – 380 400 – 1000 8 – 11 350 - 600 394

Công ty dệt Hà

Nội 90 – 120 230 – 500 950 – 1000 9 – 10 250 – 500 264

Ô nhiễm nước thải dệt nhuộm đang ngày càng trở nên nhức nhối với các cơ sở Dệt nhuộm, đ c biệt là màu trong nước thải.Vì vậy nên cần phải có một phương pháp có thể khử màu trong nước thải loại này

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM HIỆN NAY Một số phương pháp xử lý hiện nay

Phương pháp keo tụ

Đây là phương pháp thông dụng để xử lý màu thuốc nhuộm Trong phương pháp này người ta dùng phèn nhôm hày phèn sắt cùng với sữa vôi như sunfat sắt, sunfat nhôm hay hỗn hợp của hai loại phèn này và hydroxyt canxi Ca(OH)2 để khử màu Về nguyên lý, khi dùng phèn nhôm hay sắt sẽ tạp thành các bông hydroxyt nhôm hay hydroxyt sắt III Các chất màu sẽ bị hấp phụ vào các bông c n này và lắng xuống tạo bùn của quá trình đông keo tụ Phương pháp này có hiệu suất khử màu cao đối với thuốc nhuộm phân tán.Nếu dùng sunfat sắt II thì hiệu quả đạt tốt nhất ở độ pH = 10, người ta có thể dùng Ca(OH)2 để điều chỉnh pH Hàm lượng muối sunfat sắt II đưa vào

Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ có khả năng dùng để xử ký các chất không có khả năng phân hủy sinh học và các chất hữu cơ không ho c khó xử lý bằng phương pháp sinh học Phương pháp này được dùng để khử màu nước thải chứa thuốc nhuộm hòa tan và thuốc nhuộm hoạt tính Cơ sở của quá trình là hấp phụ chất tan lên bề m t chất rắn (chất hấp phụ) Các chất hấp phụ thường là than hoạt tính, than nâu, đất sét, cacbonat,

Mg, trong đó than hoạt tính là chất có bề m t riêng lớn 400 đến 1500 m2/g Nhu cầu lượng than họat tính để xử lý nước thải có màu rất lhác nhau, cần phải kiểm tra lượng

sử dụng sao cho kinh tế nhất, trong đó cần phải tính đến sự tổn thất cho quá trình hoạt hóa nhiệt cho than từ 5 đến 10% Chẳng hạn, khi thí nghiệm cho nhu cầu than là 0,5 kg/1m3 nước thải, như vậy phải tính thêm sự tổn thất là 0,025 đến 0,05 kg/1m3 nước thải

Phương pháp lọc

Các kỹ thuật lọc thông thường là quá trình tách chất rắn ra khỏi nước khi cho nước

đi qua vật liệu lọc có thể giữ c n và cho nước đi qua Các kỹ thuật lọc thông thường không xử lý được các tạp chất tan nói chung và thuốc nhuộm nói riêng

Kỹ thuật lọc màng xử lý màu thuốc nhuộm đã bắt đầu từ thập niên 1970, với các loại màng siêu lọc (ultrafiltration), màng vi lọc (microfiltration) và thẩm thấu ngược Tuy vậy, các nghiên cứu lọc nano trong ngành này chỉ mới bắt đầu thực hiện từ những năm 1990, nhằm loại bỏ một số ion và các hợp chất hữu cơ trong thuốc nhuộm Hiệu suất lọc màu của màng lọc nano 93% và tương đối ổn định và không phụ thuộc vào nhiệt độ

Ngoài ra người ta còn sử dụng các phương pháp lọc màng như vi lọc và siêu lọc với các áp suất chênh lệch từ hai phía của màng và kích thước màng bán thấm khác nhau Tuy vậy, kỹ thuật này thường có chi phí màng lọc cao

- Sử dụng Clo: Dùng khí Clo là phương pháp kinh tế nhất để xử lí nước thải dệt nhuộm Xử lí vi sinh tiếp theo sẽ làm giảm đáng kể tải lượng COD và độ độc Khi clo tác dụng với nước thải xảy ra phản ứng:

Cl2 + H2O = HOCl + HCl HOCl = H+ + OCl-Tổng clo, HOCl và OCl- được gọi là clo tự do hay clo hoạt tính

- Sử dụng Peoxit: Xử lí nước thải dệt nhuộm bằng H2O2 (hydropeoxit) trong môi trường axit với xúc tác muối Fe(II) thì gốc hydroxyl (OH-) trung gian được tạo ra có thể oxy hóa cao hơn cả ozon Các sản phẩm cuối cùng là nước và oxy vô hại đối với môi trường Để hoàn thành phản ứng, trung hòa nước thải bằng xút hay vôi tôi, kết tủa tạo thành được tách ra trong bể lắng

- Điện phân: Nước thải dệt nhuộm sau khi được đưa vào 1 – 30 g/l muối NaCl cho chảy vào bình điện phân, sử dụng dòng điện một chiều dẫn đến hình thành các tác nhân oxy hóa như ozon, natrihypoclorit, clodioxit và gốc hydroxyl Những chất này khử màu nước thải và tác động lên các chất trong nước thải, biến chúng thành CO2 và

H2O Tuy nhiên, quá trình này cũng tạo ra các hợp chất clo hữu cơ trong các phản ứng phụ

- Sử dụng Ozon: Sử dụng khí Ozon để xử lý nước thải là một trong những phưong pháp hiện đại nhưng đòi hỏi chi phí kỹ thuật và giá thành cao Hiện tại phương pháp này chưa đựơc sử dụng nhiều như các phương pháp khác

1.3.1.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Sử dụng vi sinh vật

Phương pháp này dựa trên cơ sở hoạt động phân hủy chất hữu cơ có trong nước thải của các vi sinh vật Các vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Trong quá trình phát triển, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản Phương pháp này được sử dụng để xử lý hoàn toàn các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong nước thải Công trình xử lý sinh học thường được đ t sau khi nước thải đã qua xử lý sơ bộ qua các công trình xử lý cơ học, hóa học, hóa lý

Quá trình sinh học gồm các bước:

- Chuyển các hợp chất có nguồn gốc cacbon ở dạng keo và dạng hòa tan thành thể khí và các vỏ tế bào vi sinh

- Tạo ra các bông c n sinh học gồm các tế bào vi sinh vật và các chất keo vô cơ trong nước thải

- Loại các bông c n ra khỏi nước thải bằng quá trình lắng

Thuốc nhuộm trong nước thải có độc tính cao.Phương pháp sử dụng vi sinh vật thường được áp dụng sau phương pháp keo tụ và lắng do vậy hệ thống cồng kềnh, chi phí xử lý cao Tuy nhiên sau màu của nước thải không được xử lý mà chỉ được cô đ c lại trong các chất keo tụ và bông bùn nên vẫn cần phải có phương pháp xử lý tiếp

Sử dụng enzyme

Có rất nhiều những đề xuất về việc sử dụng enzyme trong xử lý nước thải của

ngành Dệt nhuộm Theo Zucca và cs., laccase tách chiết từ Pleurotus sajor-cajucó khả

năng khử màu thuốc nhuộm trong nước thải Nghiên cứu của Pakshirajan và cs., [44]chỉ ra rằng enzyme manganase peroxidase và lignin peroxidase từ nấm

Phanerochaete chrysosporium có thể khử màu hiệu quả thuốc nhuộm tổng hợp có

trong nước thải Một nghiên cứu khác của Asgher và cs., [16] cũng chứng minh laccase

từ Pleurotus ostreatus có khả năng khử tốt các màu thuốc nhuộm có trong nước thải

của ngành công nghiệp Dệt nhuộm

Ở nước ta hiện nay, các công ty Dệt cũng g p khó khăn trong việc giải quyết được vấn đề màu của một số dung dịch thải có màu, đ c biệt là dòng thải từ các thiết bị nhuộm sử dụng thuốc nhuộm hoạt tính (thuốc nhuộm Remazol, nhất là màu đỏ đậm) Hiện nay vẫn chưa có công trình xử lý nước thải dệt nhuộm nào sử dụng vi sinh vật hay enzyme để xử lý nước thải dệt nhuộm ở quy mô công nghiệp Việc nhập khẩu enzyme thương mại làm chi phí xử lý tăng, do vậy lợi nhuận của các doanh nghiệp giảm Còn nhập ngoại vi sinh vật thì cũng g p nhiều khó khăn, vi sinh vật phải thích ứng các điều kiện sống mới của nước ta, vi sinh vật khó thích nghi với các quy trình hiện nay vì các quy trình đó thường thiết kế cho xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học hay lý học.Với đ c thù riêng của ngành dệt nhuộm, khâu xử lý nước thải mà đ c

biệt là vấn đề xử lý màu của nước còn rất nhiều hạn chế.Các hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp đông keo tụ bộc lộ nhược điểm là không xử lý được chất màu có nguồn gốc từ thuốc nhuộm, đ c biệt là thuốc nhuộm hoạt tính Lượng chất màu này tuy không lớn về khối lượng (ước tính nhỏ hơn 0.5 kg/1000 lít nước thải) nhưng lại làm cho nước thải có màu không đạt tiêu chuẩn gây mất mỹ quan và rất dễ nhận biết Chính

vì vậy việc xử lý triệt để được lượng chất màu này có một ý nghĩa rất quan trọng[2]

1.3.2 Ưu nhược đi m của các phương pháp đang sử dụng

u đi m:

 Hầu hết các phương pháp đều có khả năng năng xử lý BOD, COD

 Các phương phápvật lý, hóa học hay phương pháp sinh học đều đang được các

cơ sở áp dụng

 Dùng enzyme cho xử lý màu trong nước thải Dệt nhuộm có thể khử một phần màu trong nước thải

Nhược đi m:

 Phương pháp hóa học gây ô nhiễm thứ cấp do thải vào một lượng hóa chất

 Không có một biện pháp nào có thể xử lý triệt để nước thải dệt nhuộm, đ c biệt

xử lý màu Phương pháp sinh học có khả năng khử màu một số loại thuốc nhuộm tuy nhiên một số lại thuốc màu không xử lý được Các chất sau xử lý có thể cóc độc tính cao, đ c biệt là các chất có khả năng gây ung thư[52; 21]

 Xử lý màu bằng phương pháp màng và phương pháp oxy hóa tỏ ra hiệu quả khi

cô đ c được các loại thuốc nhuộm trong nước thải tuy nhiên cần phải cân nhắc vì chi phí đắt đỏ của các phương pháp m c dù xử lý nước thải là không triệt để

 Phương pháp dùng enzyme có tính an toàn môi trường nhưng chi phí enzym cao

Do vậy, cần thiết phải có một phương pháp xử lý nước thải ngành Dệt nhuộm có chi phí thấp và khử được màu thuốc nhuộm trong nước thải mà lại thân thiện với môi trường sinh thái

1.4 LACCASE

Laccase (p- benzenediol:oxygen oxidoreductase, E.C.1.10.3.2) thuộc nhóm enzyme oxidase, cụ thể là polyphenol oxidase Các loại enzyme laccase tách chiết từ các nguồn khác nhau rất khác nhau về mức độ glycosyl hóa, khối lượng phân tử và tính chất động học[34]

1.4.1 Cấu trúc phân tử của laccase

Một loài sinh vật có thể có nhiều dạng isozyme của laccase, các dạng isozyme này khác nhau về trình tự axít amine và một số tính chất về động học xúc tác Nấm có thể tạo ra nhiều dạng isozyme laccase khác nhau cả về mức độ glycosyl hóa và cả thành

phần các gốc carbonhydrate Trametes versicolor có 5 dạng isozyme chỉ khác nhau về

thành phần carbonhydrate, thành phần carbonhydrate của chúng thay đổi từ 10 – 45%

so với khối lượng của thành phần protein Phân tử laccase thường là monomeric protein, chỉ một số là oligomeric protein, có khối lượng phân tử dao động trong khoảng

60 – 90 kDa Phần lớn laccase của nấm có bản chất là glycoprotein với hàm lượng carbonhydrate chiếm khoảng 10 – 25% [46]

Tuy vậy, tất cả laccase đều giống nhau về cấu trúc trung tâm xúc tác với 4 nguyên

tử đồng Những nguyên tử đồng này được chia thành 3 nhóm:loại 1 (T1), loại 2 (T2) và loại 3 (T3), chúng khác nhau về tính chất hấp thụ ánh sáng và thế điện tử Các nguyên

tử đồng T1 và T2 có tính chất hấp phụ điện tử và tạo thành phổ điện tử mạnh, trong khi

c p nguyên tử đồng T3 không tạo phổ hấp thụ điện tử, và có thể được hoạt hóa khi liên kết với anion mạnh

Thế oxi hóa khử của trung tâm T1 trong laccase từ các loại nấm là khác nhau

Laccase của Myceliophthora thermophila có thế oxi hóa khử khoảng 0,465 V Thế oxi hóa khử của laccase từ T versicolor cao nhất, đạt 0,780 V, làm cho chúng có khả năng phản ứng lớn nhất trong các loại laccase Thế oxi hóa khử của trung tâm T1 của T versicolor cũng được Xu và cs [57] chứng minh là cao nhất đạt 0,5 – 0,8 V, do đó

chúng có khả năng xúc tác oxi hóa cơ chất và chuyển điện tử mạnh mẽ, có khả năng xúc tác phân hủy các hợp chất không có bản chất phenol

1.4.2 Cơ chế xúc tác của enzyme laccase

1.4.2.1 Xúc tác chuy n hóa các hợp chất phenol

Laccase xúc tác oxy hóa cơ chất điển hình là p-dihydroxy phenol ho c là hợp chất phenol khác đồng thời khử oxy thành nước Laccase xúc tác phổ cơ chất rất rộng bao gồm các diphenol, các polyphenol ho c các hợp chất có bản chất tương tự phenol như các diamine, amin thơm, hợp chất mạch vòng thơm dễ oxi hóa khác và các benzenethiol [56] Một số loại cơ chất phenol thông dụng cho laccase bao gồm 3,5-dimethoxy-4-hydroxybenzaldehyde azine (syringaldazine, SYR), 1-naphtol, p-cresol (1-hydroxy-4-methylbenzene), 2,6-dimethoxyphenol (DMP) và 2-methoxyphenol (guaiacol, GUA) ho c hợp chất được sản sinh khi tham gia phân huỷ hợp chất lignin Thurston [54] đã chứng minh rằng hydroquinone và catechol là những cơ chất chính

của laccase, guaicol và DMP thường phản ứng tốt hơn, P-phenylene diamine là cơ chất

được sử dụng rộng rãi còn syringaldazine là cơ chất đ c hiệu của laccase Vì vậy, laccase có khả năng xúc tác oxi hóa các monophenol, các diamine và một loạt các hợp chất mạch vòng phenol

Hình 1.1 Cơ chế xúc tác phânhủy các ti u phần phenol của lignin b i laccase[15]

Khi bị oxy hoá bởi laccase, cơ chất bị mất một điện tử và hình thành một gốc tự do Sau đó gốc không bền này có thể tiếp tục bị oxi hóa bởi laccase (biến đổi phenol thành quinine) ho c tiếp tục tham gia phản ứng không được xúc tác bởi enzyme như hydrat

hóa, phản ứng oxi hóa khử ho c phản ứng trùng hợp [54] Quá trình oxy hóa lignin bởi laccase được mô tả như trong hình 1.4.2.1, theo đó, các tiểu phần phenol trong cấu trúc phân tử lignin bị oxy hóa bởi laccase và tạo ra các gốc tự do phenoxy Các gốc oxy hóa này có thể tiếp tục bị cắt khỏi mạch, được cacbonyl hóa ho c polyme hóa [54]

Laccase từ Cerrena unicolor và T versicolor oxy hoá các hợp chất meta-phenol ở mức độ khác nhau Trong khi laccase từ C unicolor oxi hoá mạnh các hợp chất para- phenol [24] thì laccase từ T versicolor có khả năng oxi hoá các hợp chất ortho-phenol

[31] Các nghiên cứu so sánh về tính chất laccase của nấm cho thấy tất cả các laccase đều có khả năng oxy hoá axit methoxyphenolic nhưng ở các mức độ khác nhau Hai hợp chất có nguồn gốc từ các hydroquinone là 2-methoxy-1,4-benzohydroquinone và 2,6-dimethoxy-1,4-benzohydroquinone cũng đã được chứng minh là bị oxy hoá bởi

laccase từ nấm Pleurotus eryngii [27]

Nhiều thuốc nhuộm sử dụng hiện nay thuộc nhóm phenolic, chúng có khả năng bị oxy hóa bởi laccase

1.4.2.2 Xúc tác chuy n hóa các hợp chất khác

Laccase cũng có thể oxy hóa các hợp chất không có bản chất phenol (non-phenolic) khi có m t chất chuyển điện tử trung gian (mediator) thích hợp (Hình 1.24.2.2A) Cơ chế xúc tác của hệ thống laccase - mediator bắt đầu bằng việc laccase oxy hóa chất trung gian chuyển chất trung gian về dạng oxy hóa; sau đó các hợp chất trung gian đã được oxy hóa tiếp tục thực hiện phản ứng oxy hóa khử với cơ chất tạo sản phẩm (Hình 1.4.2.2B2) Hiện nay, có hơn 200 chất chuyển điện tử trung gian đã được tìm thấy trong đó ABTS, HBT (1-hydroxybenzotriazole), guaiacol, syringaldazine là các chất chuyển điện tử trung gian được sử dụng rộng rãi nhất Các chất chuyển điện tử trung gian lý tưởng phải là một cơ chất tốt của laccase, cấu trúc dạng oxi hóa và dạng khử của chúng phải ổn định nhưng không ức chế hoạt tính enzyme Các chất chuyển điện tử trung gian phải có thế oxi hóa khử cao và có thể thực hiện các phản ứng xúc tác phức tạp mà không bị giảm hoạt tính hóa học Theo nghiên cứu của Sa´nchez và cs cho thấy syringaldazine và ABTS có thế oxi hóa khử cao nhất tương ứng khoảng từ 800 – 873mV [49] Laccase thường hoạt động phối hợp với các enzyme khác, làm tăng hiệu quả của quá trình phân giải Các nghiên cứu vẫn

đang đƣợc tiếp tục tiến hành để làm sáng tỏ vai trò của laccase trong quá trình phân giải

này, đ c biệt là trong quá trình phân giải lignin Bên cạnh đó, vai trò khử độc của dịch

thủy phân cho mục tiêu lên men ethanol của laccase cũng đƣợc khẳng định Laccase có

khả năng loại bỏ các hợp chất phenol trong dịch thủy phân cao nhất trong số các enzyme

thử nghiệm, chỉ sau nhựa trao đổi ion [20]

A

B

Hình 1.2 Cơ chế xúc tác phân hủy các ti u phần kh ng có bản chất phenol b i laccase

[14; 17]

A Cơ chế xúc tác oxi hóa của laccase với chất chuyển điện tử trung gian (mediator),

B Oxy hóa tiểu đơn vị không có bản chất phenol của lignin với sự tham gia của chất

chuyển điện tử trung gian

1.4.2.3 Xúc tác khử màu thuốc nhuộm

Laccase đƣợc nghiên cứu là có khả năng khử màu thuốc nhuộm sử dụng trong

ngành công nghiệp dệt may dệt may từ những năm 1995 bởi Chivukula và

Renganathan[18] Năm 2005, cơ chế đề xuất sự phân hủy của hai loại thuốc nhuộm của

laccase đƣợc đƣa ra bởi Andrea Zille[59]

Với thuốc nhuộm I, ban đầu laccase thực hiện quá trình oxy hóa một điện tử của

amin thứ ba và loại hoàn toàn hydro (Hình 1.34.2.3.2) Sau đó laccase khử methyl và

oxy hóa min thứ hai trong nhóm azo của thuốc nhuộm chứa các nhóm này Nước tấn công vào ái nhân ở vòng cacbon phenolic mang nhóm liên kết azo gây ra sự phân tách của liên kết N – C và tạo ra axit 3-diazenylbenzenesulfonic và 4-methylimino-cyclohexa-2,5-dienone 3 - axit diazenyl-benezenesulfonic mất một phân tử nitơ để sinh ra gốc axit benzensulfonic, tại đây có thể hydro của phân tử oxy bị cắt để bổ sung sang cho phân tử nitơ ho c quá trình trùng hợp xảy ra giữa các phân từ thuốc nhuộm với nhau Tuy nhiên cơ chế này vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn

Hình 1.3 Cơ chế đề xuất sự phân hủy thuốc nhuộm I b i laccase

Với thuốc nhuộm II (Muối natri axit sulfonic 3 - phenylazo) – benzen), laccase oxy hóa nhóm phenolic của thuốc nhuộm azo với sự tham gia của một electron để tạo ra một gốc phenoxy, nơi này tiếp tục xảy ra quá trình oxy hóa để oxy hóa một ion cacbonium (Hình 1.4.2.3.3) Các ái nhân bị tấn công bởi nước vào vòng phenolic cacbon mang liên kết azo để tạo ra axit 3-diazenyl-benzensulfonic và 1,2-naphthoquinone Lúc này vai trò của laccase không được thể hiện mà thay vào đó là vai trò của các gốc tự do, chúng có thể được sinh ra từ quá trình oxy hóa một điện tử của thuốc nhuộm II bởi laccase Các gốc tự do sẽ phản ứng với 1,2-naphthoquinone, chứ không phải là bị oxy hóa.Các gốc hình thành có thể trải qua quá trình oxy hóa để mang lại chất VIII, X ho c vừa trùng vừa oxy hóa để tạo thành hợp chất IX

(2-hydroxy-naphthalen-1-Hình 1.4 Cơ chế đề xuất sự phân hủy thuốc nhuộm II b i laccase

4 Tính chất của laccase

Laccase hoạt động tối thích trong khoảng pH 4 – 6 đối với cơ chất phenolic Khi tăng pH sang vùng trung tính ho c vùng kiềm thì hoạt tính của laccase bị giảm, nguyên nhân do anion nhỏ là ion hydroxide đã ức chế laccase M t khác, tăng pH còn làm giảm thế oxy hóa khử của các cơ chất phenolic do đó cơ chất phenolic dễ bị oxy hóa bởi laccase hơn Do vậy, hoạt tính laccase ở các pH khác nhau là kết quả của hai tác dụng đối lập của pH là sự tăng chênh lệch thế oxy hóa khử laccase – cơ chất và tác dụng ức chế trung tâm đồng ba nguyên tử của ion hydroxide Đối với các cơ chất không phải phenolic như ABTS thì phản ứng oxy hóa không liên quan đến sự vận chuyển ion và do đó pH tối thích nằm trong khoảng 2 – 3 Ngược lại, tính bền của laccase cao nhất đa phần trong khoảng pH kiềm nằm trong khoảng 8 – 9 Độ bền nhiệt của laccase dao động đáng kể, phụ thuộc vào nguồn gốc của vi sinh vật Nhìn chung, laccase bền ở 30 – 50oC và nhanh chóng mất hoạt tính ở nhiệt độ trên 60oC Laccase bền nhiệt nhất được phân lập chủ yếu từ các loài thuộc prokaryotae, ví dụ thời gian bán

hủy của laccase của Streptomyces lavendulae là 100 phút ở 70oC và của protein cotA

từ loài Bacillus subtilis là 112 phút ở 80oC Thời gian bán hủy của laccase có nguồn gốc nấm thường là nhỏ hơn 1 giờ ở 70oC và dưới 10 phút ở 80oC [34; 37]

1.4.4 Nguồn thu laccase

Laccase được phân bố rộng rãi trong tự nhiên trong các loại thực vật, nấm và vi khuẩn

Laccase từ thực vật được phát hiện lần đầu tiên ở Rhus vernicifera (ở cây sơn mài Nhật

Bản) vào năm 1883 [58] Sau đó, laccase được nghiên cứu ở rất nhiều các loại thực vật

khác như ở Ficus racemosa L (cây sung), Weeping willow (cây thùy dương), Nicotiana tabacum (cây thuốc lá) và Prunus persica (cây đào) Laccase thực vật đóng vai trò

trong sự hình thành thân gỗ, có vai trò polyme hóa các monolignol hình thành các

dimer và trimer trong quá trình lignin hóa Laccase từ cây R vernicifera là một laccase

thực vật đầu tiên được nghiên cứu về đ c tính lý hoá và đ c tính quang phổ, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cơ chế phản ứng chung của laccase [30] M c

dù laccase được phát hiện đầu tiên ở thực vật, nhưng nhìn chung laccase có nguồn gốc

thực vật ít được nghiên cứu vì phần lớn chúng là các enzyme có thế oxy hóa khử thấp Việc tách chiết và tinh chế laccase từ thực vật thường rất khó vì dịch chiết từ thực vật chứa một số lượng lớn enzyme oxy hóa khử với phổ cơ chất rộng Đây là lý do chính khiến cho các nghiên cứu về laccase từ thực vật bị hạn chế

Ngoài các nguồn laccase từ thực vật, sinh tổng hợp laccase trong vi khuẩn cũng được khảo sát trong các nghiên cứu gần đây Vi khuẩn đầu tiên được phát hiện có khả

năng tổng hợp laccase là Azospirillum lipoferum [25] Laccase từ vi khuẩn này có khả năng tham gia vào việc hình thành hợp chất melanin Các loài vi khuẩn Bacillus subtilis gần đây cũng được phát hiện là nguồn sinh tổng hợp laccase Tuy nhiên,

laccase trong vi khuẩn thường thu được hoạt tính rất thấp và khó có khả năng ứng dụng trong thực tiễn sản xuất

Laccase từ nấm đã được hai nhà khoa học là Bertrand và Laborde nghiên cứu từ năm 1896 [54] Laccase trong nấm là các enzyme ngoại bào có chứa nhiều nguyên tử đồng xúc tác các phản ứng oxy hoá, tham gia chủ yếu vào quá trình phân giải lignin

Đây là đ c điểm nổi bật của laccase trong nấm đảm thuộc họ Basidiomycetes Một số

loại nấm đảm đã được nghiên cứu kỹ về đ c tính cũng như khả năng sinh tổng hợp

laccase trong tự nhiên như Pleurotus ostreatus, Phlebia radiate, Coriolus (Trametes, Polyporus) versicolor Bên cạnh đó, laccase cũng được thu nhận từ các nấm thuộc họ Ascomycetes, Deuteromycetes cũng như trong nấm men [32]

Ngoài thực vật, nấm và vi khuẩn, hoạt tính của laccase cũng được tìm thấy trong

lớp biểu bì của một số loại côn trùng như Anopheles gambiae, Aedes aegypti, Tribolium castanem, Manduca sexta, N cincticeps [26] Tuy vậy, nguồn enzyme này

không được khai thác nhiều do đ c tính không nổi trội của chúng

Hiện nay trong các nguồn laccase trong tự nhiên thì laccase trong nấm được nghiên cứu kỹ về đ c tính xúc tác, cơ chất đ c hiệu, khả năng xúc tác cũng như sự đa dạng trong nguồn gen nhờ khả năng xúc tác lớn của chúng

4 5 Khả n ng khử màu thuốc nhuộm bởi laccase

Với phổ rộng cơ chất, laccase có khả năng tham gia vào các quá trình phân hủy, đa dạng các loại thuốc nhuộm Tuy nhiên, một số màu không thể bị oxy hóa ho c chỉ bị

oxy hóa một phần bởi laccase do chúng có cấu trúc quá cồng kềnh ho c thế oxy hóa

khử quá cao để có thể gắn kết với trung tâm hoạt động của enzyme

Theo kết quả phân tích LC – MS, laccase từ Polyporus sp S113 có khả năng phân

hủy màu RBBR thành hai sản phẩm nhỏ là sodium 1 – amino – 9, 10 – dioxo – 9, 10

dihydroanthracene – 2 – sulfonate và sodium 2 – (3 – aminophenyl) sulfonyl) ethyl

sullfat Tuy khối lượng phân tử của những sản phẩm phân hủy nhỏ hơn nhưng độc tính

không ít hơn so với ban đầu Vì vậy hiệu quả loại màu có thể cao nhưng quá trình xử lý

thuốc nhuộm vẫn cần được tiếp tục nghiên cứu cho đến khi loại bỏ được hoàn toàn các

sản phẩm trung gian nguy hại với sức khỏe con người

Campos và cs [19] đã nghiên cứu quá trình oxy hóa indigo sử dụng laccase từ T

hirsuta (THL1, THL2) và Sclerotium rolfsii (SRL1) Kết quả thu được cho thấy

laccase từ hai loài này đều có khả năng oxy hóa indigo tạo thành sản phẩm ít độc hơn

là isatin (indole-2,3-dione) và hợp chất này có thể bị thủy phân thành axit anthranilic

(2-aminobenzoic) (vitamin L1) Kết quả nghiên cứu so sánh khả năng xúc tác của

laccase xúc tác phân hủy indigo khi có m t các chất chuyển điện tử trung gian gồm

acetosyringone, 1-hydroxybenzotriazole (HOBT) và 4-hydroxybenzenesulfonic acid

(PHBS) cho thấy 30% indigo bị chuyển hóa bởi laccase của S rolfsii (SRL1) và

Acetosyringone

Nước thải dệt nhuộm là sự tổng hợp các nguồn thải phát sinh từ các công đoạn hồ

sợi, nấu tẩy, tẩy trắng, làm bóng sợi, nhuộm in và hoàn tất sản phẩm Các chất ô nhiễm

chủ yếu có trong nước thải dệt nhuộm là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy bao gồm:

Thuốc nhuộm, các chất hoạt động bề m t, các hợp chất hữu cơ Trong số các chất ô

nhiễm có trong nước thải dệt nhuộm, thuốc nhuộm là thành phần khó xử lý nhất, đ c

biệt là thuốc nhuộm azo không tan Theo nghiên cứu của Abadulla và cs [39] sử dụng

laccase từ T hirsutakhử màu các hợp chất màu indigo, azo và thuốc nhuộm

anthraquinonic trong nước thải dệt nhuộm, hiệu suất 80% Laccase từ P ostreatus,

Schizophyllum commune, N crassa, Polyporus sp, S rolfsii, T villosa và Mycelioph

tora thermophila cũng được sử dụng trong xử lý các chất màu trong nước thải dệt

nhuộm Hiệu suất khử màu phụ thuộc vào từng loại laccase từ các chủng nấm khác

Formatted: Space Before: 0 pt, After: 0 pt

nhau, laccase từ Polyporus sp và T villosa đạt hiệu suất khử màu 20%, S communechohiệu suất khử màu tăng trên 25% [39]

Trong nghiên cứu của Ana và cs., 2007 [53] laccase từ Novozyme có thể khử màu

3 loại thuốc nhuộm hoạt tính chỉ khi có m t chất chuyển điện tử trung gian ABTS azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid với hiệu quả khử màu Reactive blue, Rbl5 và Ry15 ở nồng độ 50 mg/l tương ứng là 70%, 42% và 21%.Tương tự, trong một nghiên cứu khác của Kumarasamy Murugesan và cs., 2006 [42], hệ enzyme laccase và

(2,2-mangan peroxydase của nấm Ganoderma lucidum KMK2 chỉ thể hiện khả năng khử màu thuốc nhuộm Remazol Black 5 với hiệu quả 73% khi có chất trung gian HBT (N-

Hydroxybenzotriazole) Hiện nay sử dụng enzyme laccase trong xử lý nước thải dệt nhuộm được đánh giá tăng hiệu quả xử lý, hiệu quả kinh tế, giảm nồng độ và thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải

4 6 Khả n ng khử màu thuốc nhuộm bởi laccase từ Pleurotusflorida

Theo Kummer[36](1871) P florida (nấm sò trắng) là một loại nấm mục trắng nằm trong phân lớp Agaricomycetes, thuộcngành Basidiomycota[36] Trong quá trình sinh trưởng P floridasinh ra hai loại enzyme laccase ngoại bào L1 và L2 với khối lượng phân tử tương ứng là 73 kDa và 70 kDa [50]

Việc nghiên cứu sử dụng laccase từ P florida trong khử màu nước thải dệt nhuộm

được Sathiya và cs [45] thực hiện lần đầu tiên, đạt hiệu quả khử màu trong nghiên cứu cao nhất 56.86% trong 5 ngày với nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính Tương

tự với nghiên cứu của Shanmugam và cs[48] chỉ ra rằng, có tới hơn 90% màu của

thuốc nhuộm trong nước thải bị khử bởi laccase từ P florida sau 24h Một nghiên cứu mới nhất của Krishnaveni[35] cũng đồng chỉ ra rằng, laccase từ P floridacó khả năng

khử hoàn toàn màu thuốc nhuộm trong nước thải sau 24h

Với sản lượng nấm sò trắngđược sản xuất ra ở nước ta tăng mạnh hàng năm, 60.000 tấn 2012, ước tính 90.000 tấn 2015[9], ước tính mỗi năm có hàng trăm nghìn tấn giá thể trồng nấm được thải ra môi trường ho c làm phân bón Đây có thể là một

nguồn thu laccase từ P floridalâu dài với giá thành rẻ

Nội dung đề tài:

- Chọn lọc hệ enzyme có khả năng khử màu thuốc nhuộm

- Khảo sát khả năng sinh tổng hợp laccase của nấm sò trắngP florida

- Khảo sát khả năng khử màu thuốc nhuộm của lacccase từ nấm sò trắng

- Nghiên cứu mô hình khử màu nước thải dệt nhuộm trong phòng thí nghiệm nhờ laccase từ bã thải trồng nấm