Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới sự sinh trưởng của hỗn hợp chủng vi khuẩn khử sulfate nhằm ứng dụng xử lý nước thải ô nhiễm chì ở việt nam

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT ------TRẦN KIM GIANG ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SINH TRƯỞNG CỦA HỖN HỢP CHỦNG VI KHUẨN KHỬ

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT

- -TRẦN KIM GIANG

ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SINH TRƯỞNG CỦA HỖN HỢP CHỦNG VI KHUẨN KHỬ SULFATE NHẰM ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Ô NHIỄM CHÌ Ở VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội, tháng 12 năm 2014

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT

- -TRẦN KIM GIANG

ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SINH TRƯỞNG CỦA HỖN HỢP CHỦNG VI KHUẨN KHỬ SULFATE NHẰM ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Ô NHIỄM CHÌ Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành : Vi sinh vật

Mã số : 60420103

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn: TS Kiều Thị Quỳnh Hoa

LỜI CAM ĐOAN

Để đảm bảo tính trung thực của luận văn, tôi xin cam đoan:

Luận văn “Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới sự sinh trưởng của hỗn hợp chủng vi khuẩn khử sulfate nhằm ứng dụng xử lý nước thải ô nhiễm chì

ở Việt Nam” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, thực hiện dưới sự hướng

dẫn của TS Kiều Thị Quỳnh Hoa Các kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây

Hà Nội, ngày 12/ 12/ 2014

Học viên

Trần Kim Giang

LỜI CẢM ƠN !

nguyên sinh vật, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình

dưỡng đạo đức trong 2 năm học tập Kiến thức tiếp thu được trong quá trình

phòng Phòng Vi sinh vật dầu mỏ, Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành tốt luận văn này Em xin cảm ơn các cán bộ Phòng Vi sinh vật dầu mỏ, Viện Công nghệ Sinh học đã khuyến khích và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực tập tại đây

đã luôn bên cạnh động viên, chia sẻ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong cuộc sống và học tập

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2014

Học viên Trần Kim Giang

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 3

1.1 Ô nhiễm kim loại nặng 3

1.1.1 Nguồn thải của kim loại nặng 3

1.1.2 Tính độc của kim loại nặng 3

1.1.3 Ô nhiễm chì 7

1.2 Các phương pháp xử lý kim loại nặng 12

1.2.1 Phương pháp hóa học 13

1.2.2 Phương pháp hóa lý 14

1.2.3 Phương pháp sinh học 14

1.3 Xử lý kim loại nặng bằng vi khuẩn khử sulfate (KSF) 16

1.3.1 Đặc điểm của vi khuẩn khử sulfate 16

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng của vi khuẩn khử sulfate 18

1.3.3 Nguyên lý của phương pháp loại chì bằng vi khuẩn khử sulfate 21

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 21

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 21

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 22

CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1.Vật liệu 25

2.1.1.Vi khuẩn khử sulfate 25

2.1.2.Môi trường và điều kiện nuôi cấy vi khuẩn KSF 25

2.1.3.Hóa chất 26

2.1.4.Máy móc thiết bị 27

2.2 Phương pháp nghiên cứu 27

2.2.1 Xác định số lượng vi khuẩn KSF trong mẫu bằng phương pháp pha loãng tới hạn 27

2.2.2 Sàng lọc và lựa chọn hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF có khả năng chống chịu chì cao 28 2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới sinh trưởng và hiệu quả loại chì của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn 28 2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự sinh trưởng của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn 28 2.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn carbon tới sinh trưởng của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn 29 2.2.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của chì tới sinh trưởng của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn 29 2.2.7 Các phương pháp phân tích 30

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32 3.1 Nuôi cấy làm giàu các hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF từ các mẫu bùn

và nước nhiễm chì 32 3.2 Sàng lọc và lựa chọn hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF có khả năng chống chịu chì cao 32 3.3 Hình thái tế bào hỗn hợp chủng vi khuẩn DM10 dưới kính hiển vi điện tử quét 35 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới sự sinh trưởng của hỗn hợp chủng DM10 35 3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới sinh trưởng của hỗn hợp chủng DM10 37 3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn carbon tới sự sinh trưởng của hỗn hợp chủng DM10 38

DM10 38

chủng DM10 40

3.6.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ acetate/SO42- tới sinh trưởng của hỗn hợp chủng DM10 41

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) Phosphate Buffer Saline (Dung dịch rửa PBS)

Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Dòng chảy ngược kị khí)

Tiêu chuẩn Việt Nam Colony-Forming Unit (Đơn vị khuẩn lạc) volume/volume (Thể tích/thể tích)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tác hại của một số kim loại nặng đến sức khỏe con người 4

Bảng 1.2 Mức độ tác động của các kim loại nặng đến các sinh vật 6

Bảng 1.3 Tác động của kim loại nặng đến các bộ phận của cơ thể người 6

Bảng 1.4 Phương pháp hóa học 13

Bảng 1.5 Phương pháp hóa lý 14

Bảng 1.6 Phương pháp sinh học 15

Bảng 1.7 Khả năng sử dụng các nguồn cơ chất khác nhau của vi khuẩn KSF 21 Bảng 2.1: Môi trường nuôi cấy làm giàu và thí nghiệm 25

Bảng 3.1 Khả năng chống chịu chì của 17 hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF sau 7 ngày thí nghiệm 33

Bảng 3.2 Hiệu quả loại chì sau 12 ngày thí nghiệm 49

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hoạt động nấu tái chế chì tại thôn Đông Mai 10

Hình 3.1 Vi khuẩn KSF thu được từ các mẫu bùn và nước nhiễm chì 32

Hình 3.2 Sinh trưởng của hỗn hợp chủng DM10 trên môi trường bổ sung chì với hàm lượng khác nhau sau 7 ngày thí nghiệm 33

Hình 3.3 Hàm lượng sulfide tạo ra từ 17 hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF sau 7 ngày nuôi cấy 34

Hình 3.4 Ảnh hưởng của chì tới hình thái tế bào hỗn hợp chủng DM10 35

Hình 3.5 Ảnh hưởng của pH lên khả năng tạo sulfide của hỗn hợp chủng DM10 36 Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH lên khả năng khử sulfate của hỗn hợp chủng DM10 36

Hình 3.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng tạo sulfide của hỗn hợp chủng DM10 37

Hình 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng khử sulfate của hỗn hợp chủng DM10 38

Hình 3.9 Hỗn hợp chủng DM10 trên môi trường với tỷ lệ ethanol/SO42- 39

khác nhau sau 12 ngày 39

Hình 3.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol/SO42- tới khả năng tạo sulfide 39

của hỗn hợp chủng DM10 39

Hình 3.11 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol/SO42- tới khả năng khử sulfate 40

của hỗn hợp chủng DM10 40

Hình 3.12 Ảnh hưởng của tỷ lệ lactate/SO42- tới khả năng tạo sulfide của hỗn hợp chủng DM10 41

Hình 3.13 Ảnh hưởng của tỷ lệ lactate/SO42- tới khả năng khử sulfate của hỗn hợp chủng DM10 41

2-Hình 3.15 Ảnh hưởng của tỷ lệ acetate/SO42- tới khả năng khử sulfate 42

của hỗn hợp chủng DM10 42

Hình 3.16 Ảnh hưởng của tỷ lệ benzoate/SO42- tới khả năng tạo sulfide 43

của hỗn hợp chủng DM10 43

Hình 3.17 Ảnh hưởng của tỷ lệ benzoate/SO42- tới khả năng khử sulfate 43

của hỗn hợp chủng DM10 43

Hình 3.18 Ảnh hưởng của tỷ lệ methanol/SO42- tới khả năng tạo sulfide 44

của hỗn hợp chủng DM10 44

Hình 3.19 Ảnh hưởng của tỷ lệ methanol/SO42- tới khả năng khử sulfate 44

của hỗn hợp chủng DM10 44

Hình 3.20 Ảnh hưởng của tỷ lệ glucose/SO42- tới khả năng tạo sulfide 45

của hỗn hợp chủng DM10 45

Hình 3.21 Ảnh hưởng của tỷ lệ glucose/SO42- tới khả năng khử sulfate 45

của hỗn hợp chủng DM10 45

Hình 3.22 Ảnh hưởng của tỷ lệ citrate/SO42- tới khả năng tạo sulfide 46

của hỗn hợp chủng DM10 46

Hình 3.23 Ảnh hưởng của tỷ lệ citrate/SO42- tới khả năng khử sulfate 46

của hỗn hợp chủng DM10 46

Hình 3.24: Ảnh hưởng của hàm lượng chì lên khả năng tạo sulfide của hỗn hợp chủng DM10 48

Hình 3.25: Ảnh hưởng của hàm lượng chì lên khả năng khử sulfate của hỗn hợp chủng DM10 48

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm kim loại nặng nói chung và ô nhiễm chì nói riêng từ quá trình khai thác mỏ, cơ sở sản xuất, tái chế pin, ắc quy, chất dẻo tổng hợp, sơn, thuốc nổ, mực in, bột màu, cơ sở mạ điện gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh vật sống

và con người Chì xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu qua đường hô hấp, tiêu hóa, 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 Vì vậy, việc tìm kiếm các giải pháp an toàn và hiệu quả để xử lý nước thải nhiễm chì đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu

Hiện nay có nhiều phương pháp được áp dụng để xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng nói chung và chì nói riêng như hóa học, hóa lý và sinh học Mặc dù xử

lý nước thải nhiễm kim loại nặng bằng các phương pháp hóa học và hóa lý (kết tủa hóa học, oxy hóa - khử, trao đổi ion, xử lý điện hóa, sử dụng màng…) đạt tiêu chuẩn môi trường cho phép nhưng các phương pháp này đều có chi phí xử

lý cao do sử dụng hóa chất, vật liệu đắt tiền, đồng thời tạo ra lượng cặn lớn từ kết tủa kim loại và hóa chất tồn dư gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường Hơn nữa, các phương pháp này không loại bỏ được các chất bẩn hữu cơ hòa tan trong nước Vì vâ ̣y, việc lựa cho ̣n phương pháp sinh ho ̣c, đặc biệt là loại chì từ nước

dạng muối sulfide chì bền vững (PbS↓), không độc hại bằng vi khuẩn khử sulfate (KSF) đang thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới bởi ưu điểm là hiệu quả xử lý cao, giá thành xử lý phù hợp, không tạo hóa chất

khoảng pH rộng dễ thu hồi và tái chế

Để khắc phục tình trạng ô nhiễm nước thải ở làng nghề, khu cụm công

Việt Nam, chúng tôi tiến hành nghiên cứu: “Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới

sự sinh trưởng của hỗn hợp chủng vi khuẩn khử sulfate nhằm ứng dụng xử

lý nước thải ô nhiễm chì ở Việt Nam”

* Mục tiêu của luận văn

- Lựa chọn hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF có khả năng chống chịu chì cao

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và khả năng loại chì của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn nhằm ứng dụng xử lý nước thải ô nhiễm chì ở Việt Nam

* Nội dung luận văn

- Nuôi cấy làm giàu các hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF từ các mẫu bùn và nước nhiễm chì

- Sàng lọc và tuyển chọn hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF có khả năng chống chịu chì cao

-Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới sinh trưởng của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự sinh trưởng của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn carbon tới sinh trưởng của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn

- Nghiên cứu ảnh hưởng của chì tới sinh trưởng của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Ô nhiễm kim loại nặng

1.1.1 Nguồn thải của kim loại nặng

Nguồn thải của kim loại được chia thành 2 nhóm chính là nguồn tự nhiên và nhân tạo:

* Nguồn tự nhiên:

- Kim loại trong đất đá, xâm nhập vào thủy vực qua quá trình tự nhiên, phong hóa xói mòn

- Sự rửa trôi từ nơi khai khoáng và những bãi chứa chất thải rắn

- Khi khí quyển bị ô nhiễm sẽ trở thành nguồn chính dẫn vào đất theo con đường lắng đọng: các sol khí của các kim loại trong khí quyển được khuyếch tán, các phần tử kim loại tỷ trọng lớn sẽ rơi xuống đất dưới dạng kết tủa khô hay kết tủa ướt khi mưa

* Nguồn nhân tạo

- Quá trình khai thác mỏ

- Hoạt động công nghiệp (dệt nhuộm, chất dẻo tổng hợp, sơn, thuốc nổ, mực in, bột màu, cơ sở mạ điện, thuộc da, công nghiệp giấy )

- Hoạt động nông nghiệp (phân bón, thuốc trừ sâu )

- Làng nghề sản xuất, tái chế đồ dùng bằng kim loại (tái chế chì, mạ, luyện thép, đúc đồng )

1.1.2 Tính độc của kim loại nặng

Chúng tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thủy quyển (các muối hòa tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng ) và sinh quyển (trong cơ thể con

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 [7] 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 enzym, gây cản trở sự chuyển hóa của các chất qua màng tế bào của người và sinh vật Hơn nữa, kim loại nặng có xu hướng tạo kết tủa với các muối hoặc làm xúc tác trong một số quá trình phân hủy các protein

kết với các kim loại nặng Các kim loại như Cd, Cu, Pb, Hg liên kết với màng tế bào ngăn cản quá trình vận chuyển chất qua màng, gây ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng kim loại nặng có thể:

- Gây rối loạn hành vi của con người do tác động trực tiếp đến chức năng tư duy

và thần kinh

- Gây độc cho các cơ quan trong cơ thể như máu, gan, thận, cơ quan sản xuất hoocmon, cơ quan sinh sản, hệ thần kinh

- Gây rối loạn chức năng sinh hóa trong cơ thể làm tăng khả năng dị ứng

gây biến đổi gen [3]

Khả năng gây độc của kim loại nặng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như hàm lượng, con đường xâm nhập, dạng tồn tại và thời gian gây ra mức độ nhiễm độc khác nhau

Bảng 1.1 Tác hại của một số kim loại nặng đến sức khỏe con người[40]

học

Rất độc, gây ung thư

thải trong khai thác quặng,

mạ kim loại ống dẫn nước

Đảo ngược vai trò hóa sinh của enzyme, gây cao huyết

áp, hỏng thận, phá hủy

cácmô và hồng cầu, có tính độc với động vật

và công nghiệp vũ trụ

Độc tính mạnh và bền, gây ung thư

rửa, chất thải công nghiệp

Độc với một số loại cây

chất thải công nghiệp, chất bổ sung

Phá hủy xương, gây vết ở răng

ắc quy, chất dẻo tổng hợp, sơn, thuốc nổ, mực in, bột màu, bút chì, xăng pha chì

thương, thận, rối loạn thần kinh, sẩy thai

trung ương, thận và phổi

thuốc trừ sâu, than đá

Thủy ngân dễ bay hơi ở nhiệt độ thường nếu hít phải

Tính độc hại của các kim loại nặng đối với các sinh vật khác nhau là không giống nhau [6]

Bảng 1.2 Mức độ tác động của các kim loại nặng đến các sinh vật

Bảng 1.3 Tác động của kim loại nặng đến các bộ phận của cơ thể người

Đi lại phản xạ không bình thường

Tác động tới nơtron ngoại vi

Se

Nhuyễn xương Mục răng

Chì là kim loại màu xám nhạt, không mùi, không vị, không hòa tan trong nước, không cháy Chì rất mềm và nặng nhất trong tất cả các kim loại thông thường Do mềm nên chì rất dễ gia công (có thể dùng dao cắt) và nghiền thành bột Tuy nhiên, chỉ cần bổ sung một lượng nhỏ các nguyên tố như antimony, bismuth, asen, đồng hay kim loại kiềm thổ là có thể tăng độ cứng của chì lên đáng kể Vì vậy, trong công nghiệp chế tạo máy, chì thường được dùng dưới dạng hợp kim [1]

1.3.1.1 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 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 [10] Chì tồn tại trong

xâm nhập vào đất đặc biệt là các loại đá trầm tích có chứa lưu huỳnh; đá phiến sét Do vậy đất hình thành trên các loại đá này thường có hàm lượng chì giàu hơn đất khác 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%

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 nguồn chính gây ô nhiễm chì [1]

 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 cả ngành khai thác và tinh chế nhiều kim loại cũng phát sinh các 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 ac 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…gây ô nhiễm

 Trong hoạt động quân sự

Chì được sử dụng trong ngành chế tạo đạn dược phục 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, xe cộ như xe tăng, máy bay…

 Làng nghề tái chế kim loại

Ở Việt Nam, ngoài các nguồn phát sinh chì kể trên, các làng nghề cơ khí, sản xuất và tái chế kim loại thải ra môi trường lượng lớn kim loại nặng Trong

đó, phải kể đến làng nghề nấu và tái chế chì thôn Đông Mai, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên Tại đây có 61/529 hộ thu gom tái chế chì, số lao động tham gia

là trên 500 người Cả làng có khoảng 2 cơ sở và nhiều hộ gia đình nấu chì, công suất một ngày có thể nấu trên 10 tấn chì, nguồn nguyên liệu được người dân sử dụng để tái chế chì là những bình acquy đã qua sử dụng Do quy trình và công

cụ tái chế lạc hậu, nguyên liệu là phế liệu, các cơ sở sản xuất nằm xen kẽ các khu dân cư dẫn đến việc xử lý nước thải gặp nhiều khó khăn, nước thải và phế thải từ các quy trình tái chế này không qua xử lý đã đổ thẳng vào ao, hồ, sông ngòi tưới tiêu Cùng với ý thức bảo vệ môi trường của người dân chưa cao nên môi trường ở đây đã và đang ngày càng ô nhiễm nghiêm trọng Hàm lượng chì trong nước mặt ở thôn Đông Mai đều vượt quá mức cho phép từ 7,7 đến 15 lần Hàm lượng chì trong nước tiểu của dân trung bình từ 0,24 đến 0,54 mg/lít, cao

trực tiếp đến sức khỏe người dân trong vùng Dưới đây là một vài hình ảnh về hoạt động nấu tái chế chì ở Đông Mai, Văn Lâm, Hưng Yên (Hình 1.1)

Hình 1.1 Hoạt động nấu tái chế chì tại thôn Đông Mai

1.1.3.2 Tính độc của chì

Chì xâm nhập vào cơ thể người qua đường hô hấp, tiêu hóa gây ức chế một

số enzyme quan trọng, nhiễm độc chì gây hại đến hệ thần kinh, nhất là hệ thần kinh của trẻ sơ sinh, làm giảm lượng hồng cầu trong máu Chì tác động đếnhệ enzyme liên quan đến sự tạo máu và liên kết với sắt trong máu Khi cơ thể bị nhiễm độc chì gây thiếu máu trầm trọng đặc biệt là thiếu huyết cầu tố Ở người

bị nhiễm chì lượng Hemoglobin < 5mg và da đen xạm thiếu máu xanh xao Hàm lượng chì trong máu mà đạt đến 135mg/l có thể gây chết người Đối với phụ nữ mang thai, khi tiếp xúc với chì ở mức cao có thể bị sẩy thai Tiếp xúc lâu dài và liên tục với chì làm giảm khả năng sinh sản ở nam giới [20]

 Nhiễm độc chì được chia làm 2 mức:

Trẻ em: nồng độ chì trong máu vượt quá 80 µg/100ml, thường kèm đau bụng, kích thích sau đó li bì ngủ lịm, chán ăn, nhợt nhạt (do thiếu máu) mất máu phối hợp với vận động, nói líu nhíu không rõ Trẻ có thể lên cơn co giật mê man gọi hỏi không biết gì và chết do não bị phù nề và suy thận trong những trường hợp rất nặng

Ở người trưởng thành, triệu chứng nhiễm độc thường xuất hiện khi nồng độ chì vượt quá 80 µg/100ml máu trong thời gian một tuần và biểu hiện như đau bụng, đau đầu, cáu gắt, đau các khớp, mệt mỏi, thiếu máu, viêm dây thần kinh vận động ngoại biên, trí nhớ kém và mất khả năng tập trung tư tưởng

Trẻ em có nồng độ chì trong máu từ 30 µg/100ml trở lên, người lớn nếu tiếp xúc kéo dài và nồng độ chì trong máu thấp hơn, có khi từ 7-35 µg/100ml sẽ tác hại đến cơ quan tạo máu

 Hệ thần kinh: bệnh não do chì, thần kinh ngoại biên

 Tim mạch: động mạch thận biến đổi,xơ hóa, tăng huyết áp, viêm cơ tim

 Sinh sản: đẻ non, chết yểu, giảm khả năng sinh sản ở nam giới

 Nội tiết: suy giảm chức năng tuyến giáp, thượng thận

 Phân bố chì trong cơ thể:

 Máu: chì tích chứa trong cả huyết tương và hồng cầu

 Thận: các muối chì tích chứa ở thận (nhiễm độc chì cấp tính)

 Tủy xương, lông tóc, móng: nhiễm độc mãn tính chì

1.1.3.3 Cơ chế gây độc của chì trong cơ thể người

Chì ức chế tổng hợp porphobilinogen synthase và ferrochelatase, chống lại

sự hình thành cả hai chất porphobilinogen và kết hợp với sắt tạo thành protoporphyrin IX, giai đoạn cuối cùng trong sự tổng hợp heme Quá trình này làm cho sự tổng hợp heme không hiệu quả và sau đó làm microcytic [17] Ở các mức thấp hơn, nó có vai trò tương tự canxi, can thiệp vào các kênh ion trong quá trình truyền dẫn thần kinh Đây là một trong những cơ chế mà theo đó nó can thiệp vào nhận thức

1.2 Các phương pháp xử lý kim loại nặng

Các phương pháp thường được sử dụng xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng nói chung và chì nói riêng là phương pháp hóa học, hóa lý và sinh học [9,

10, 13, 15, 39]

bởi các quá trình hấp phụ và kết tủa Oxy hóa và thủy

ngân

Kết tủa của kim loại như oxit, hydroxit, oxi hydroxit sử

kim loại hoặc Co, Fe, Ni và Zn kết tủa trong oxit mangan

từ dạng hòa tan độc hại thành dạng không hòa tan

làm đông tụ

mật độ của kim loại khi chúng nổi lên chất lỏng hoặc

bề mặt

1.2.3 Phương pháp sinh học

Xử lý kim loại nặng bằng phương pháp sinh học hiện đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới bởi ưu điểm vượt trội như xử lý hiệu quả, chi phí đầu tư thấp, thân thiện và an toàn với môi trường Sau đây là các phương pháp sinh học thường được ứng dụng để xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng [16]

Vi khuẩn, nấm men, nấm thực vật, than bùn, phụ phẩm nông nghiệp, nhựa sinh học

Tích lũy sinh

học

Kim loại nặng cũng có thể đi qua màng vào tế bào thông qua chu trình trao đổi chất

Vi khuẩn, nấm men, tảo, thực vật

- Kim loại có thể liên kết với bề mặt tế bào, lớp chất nhờn hoặc chất nền ngoại bào

- Kim loại được đưa đến nội bào

Vi sinh vật, tảo, than bùn

hóa chuyển nhóm methyl vào các kim loại

Hg, As, Se, Te, và Pb methyl hóa vi sinh vật và nấm

trong môi trường đủ Fe và điều kiện giúp cho sự tăng trưởng của

vi khuẩn

Vi sinh vật oxy hóa Fe2+

Giảm sự phân ly Một vài vi khuẩn có khả năng làm

giảm độc tố của kim loại nặng bằng vận chuyển cặp điện tử

Vi khuẩn khử As5+, Cr5+,

Fe3+, Mn4+, Pb2+, U6+,

Sử dụng thực

vật

Một số thực vật có khả năng hấp thụ và tích các kim loại này trong các bộ phận khác nhau của chúng

Dương xỉ Pteris vittata, Dương xỉ Pityrogramma calomelanos và cỏ mần trầu Eleusine indica, ngổ dại và cỏ Voi lai, cỏ Vetiver và cải xanh…

Kết tủa sulfide Sulfide được tạo ra từ quá trình

trao đổi chất của vi khuẩn khử sulfate phản ứng với các cation kim loại tạo ra muối sulfide kim loại bền vững

Vi khuẩn khử sulfate

Trong số các phương pháp sinh học được đề cập ở bảng 1.6, phương pháp loại kim loại nặng bằng vi khuẩn KSF đang được quan tâm nghiên cứu bởi những ưu điểm[19,21]:

thể thu hồi và tái chế

1.3 Xử lý kim loại nặng bằng vi khuẩn khử sulfate (KSF)

1.3.1 Đặc điểm của vi khuẩn khử sulfate

Vi khuẩn khử sulfate là vi khuẩn kỵ khí bao gồm cả vi khuẩn thật (Bacteria)

và vi khuẩn cổ (Archea) Chúng thường sống trong môi trường thiếu khí oxy

như ở đáy sông, hồ, biển, bùn thải, suối nước nóng, nước thải mỏ, thậm chí trong đường ruột bò, cừu, sâu bọ…Vi khuẩn KSF đóng vai trò quan trọng đối với môi trường sống, các quá trình công nghiệp, và quá trình sinh địa hóa của

lưu huỳnh Trong điều kiện kỵ khí, vi khuẩn KSF có thể loại bỏ các ion kim loại nặng hòa tan trong nước bằng cách chuyển các ion kim loại sang dạng muối sulfide (MeS↓) có tính tan nhỏ hơn nhiều lần và bền vững trong khoảng pH rộng

Vi khuẩn KSF thực hiện trao đổi chất oxy hóa các chất hữu cơ sử dụng sulfate làm chất nhận điện tử cuối cùng [29] Để khử sulfate thành sulfide cần tiêu thụ 8 điện tử và các quá trình sinh hóa thông qua nhiều bước trung gian với

sự tham gia của nhiều enzyme:

SO42- → SO32- → HSO3- → HS- → S

2-Vi khuẩn KSF được biết đến do Beijerinck phân lập vào năm 1895 từ các

ống dẫn nước có tên là Spirillum Desulfuricans [38], vi khuẩn này có hình xoắn,

di động, có khả năng sử dụng sulfate (SO42-) và các chất khác làm chất nhận điện tử Năm 1926, các nhà khóa học Nga và Mỹ đã đồng thời phát hiện ra vi khuẩn KSF trong các giếng khoan dầu khí “Một số đặc điểm sinh lý sinh hóa của một số chủng vi khuẩn KSF phân lập từ mẫu dầu Bạch Hổ” [4] Vi khuẩn KSF là loại kị khí nghiêm ngặt Tuy nhiên, thỉnh thoảng cũng phát hiện thấy chúng trong các lắng cặn thủy vực hiếu khí do chúng có khả năng hình thành những ổ nhỏ kị khí và phát triển khá tốt trong điều kiện đó Như vậy, vi khuẩn KSF có thể tổn tại trong điều kiện vi hiếu khí, cả trên cạn và dưới nước, chúng sẵn sàng trở thành dạng hoạt động bất cứ lúc nào khi điều kiện môi trường xung quanh ở dạng kị khí [35] Từ đó đến nay, vi khuẩn KSF được nhiều tác giả quan tâm vì vai trò quan trọng của chúng trong quá trình chuyển hóa lưu huỳnh, hình thành dầu mỏ, khả năng làm sạch nước thải loại bỏ các hợp chất có độc tính cao, khả năng sử dụng dầu thô trong điều kiện kỵ khí…

Nhu cầu dinh dưỡng của vi khuẩn KSF: Hầu hết các vi khuẩn KSF có nhu cầu dinh dưỡng đơn giản và sinh trưởng tốt trong môi trường có nguồn

Phụ thuộc vào cách oxy hóa chất hữu cơ mà vi khuẩn KSF có thể được phân chia thành hai nhóm trao đổi chất chính như sau:

Thuộc nhóm này chủ yếu là các loài thuộc chi Desulfovibrio spp

 Nhóm 2: Oxy hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ (bao gồm cả acetate) hoàn toàn thành CO2 Trong nhóm này có sự đa dạng các loài vi khuẩn

KSF khác nhau như Desulfobacter spp., Desulfobacterium spp.,

Desulfosarcina spp…

Hầu hết các loài thuộc nhóm 1 sinh trưởng nhanh hơn nhóm 2, trong khi các

loài thuộc nhóm 2 đặc biệt là Desulfobacter có thể hợp tác với các loài thuộc

nhóm 1 bằng cách sử dụng acetate do các loài nhóm 1 sinh ra [15]

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng của vi khuẩn khử sulfate 1.3.2.1 Oxy

Vi khuẩn KSF là nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc (không thể sinh trưởng trong điều kiện có oxy) Tuy nhiên, các nhà khoa học đã chứng minh rằng, một

số loài vi khuẩn KSF có thể sống ở điều kiện vi hiếu khí nhờ khả năng hình thành ổ nhỏ kỵ khí để chống chịu oxy Sự tạo thành và duy trì các ổ này được giải thích bởi hai yếu tố: (1) các vi khuẩn hiếu khí có sẵn trong môi trường đã sử dụng oxy, tạo điều kiện cho vi khuẩn KSF phát triển; (2) sulfide do vi khuẩn KSF tạo ra là một chất khử, nó sẽ phản ứng với oxy ở nhiệt độ thường để tạo môi trường kỵ khí Khi vi khuẩn KSF có khả năng sinh trưởng thì chúng có thể

tự bảo vệ chống lại oxy Khi tăng nguồn dinh dưỡng thì các ổ nhỏ kị khí sẽ dần phát triển mạnh Nếu trong môi trường có sự thông khí đồng nhất thì vi khuẩn KSF trở nên bất hoạt Tuy nhiên, chúng có thể sống nhiều giờ hoặc nhiều ngày trong nước được thông khí Nếu đưa chúng trở lại môi trường kỵ khí thì vi khuẩn KSF lại được phục hồi [31]

1.3.2.2 Nhiệt độ

Nhiệt độ là yếu tố môi trường quan trọng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của sinh vật Nhiệt độ ảnh hưởng đến vi sinh vật theo một trong hai cách trái ngược nhau Khi nhiệt độ tăng trong một giới hạn nào đó thì sẽ làm cho các phản ứng hóa học và enzyme trong tế bào tăng nhanh hơn và quá trình sinh trưởng trở nên nhanh hơn Tuy nhiên nếu nhiệt độ tăng vượt quá một giới hạn nhất định nào đó thì các protein sẽ bị phân hủy Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ cực đại, nếu nhiệt độ cao hơn giới hạn này làm sinh vật chết Khoảng nhiệt độ mà vi sinh vật sinh trưởng mạnh nhất gọi là nhiệt độ tối ưu Nhiệt độ tối thiểu là điểm nhiệt độ mà nếu thấp hơn điểm này thì quá trình sinh trưởng sẽ không xảy ra Dựa vào nhiệt độ, vi sinh vật chia làm bốn nhóm khác nhau: ưa lạnh, ưa ấm, và

ưa nhiệt Vi khuẩn khử sulfate cũng vậy, nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến sự sinh trưởng của vi khuẩn KSF

Trong tự nhiên, vi khuẩn KSF sống ở điều kiện nhiệt độ khác nhau, từ 0 -

75oC Một số chủng thuộc chi Desulfovibrio có khả năng sinh trưởng và phát

65oC trong đó nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng trong khoảng 29 - 42oC Vi

trong khoảng nhiệt độ từ 46 - 110oC, nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng của

thì chúng không thể sống được [28]

1.3.2.3 pH

Môi trường pH trung tính là môi trường thích hợp nhất cho vi khuẩn nói chung cũng như vi khuẩn KSF nói riêng Tuy nhiên, vi khuẩn KSF có thể sống

khuẩn KSF khác nhau là không giống nhau Ví dụ, Desulfotomaculum

alkaliphilum phát triển trong khoảng pH kiềm từ 8 - 9, phát triển tối ưu ở pH

8,5 Desulfobacter vibrioformis lại phát triển tối ưu ở pH trung tính 6,7 - 7 Trên

thực tế, một số loại vi khuẩn KSF phân lập từ nước thải mỏ có thể sinh trưởng

và phát triển trong môi trường pH từ 2 - 4 [27]

1.3.2.4 Độ muối (NaCl)

Vi khuẩn KSF tồn tại ở những nơi có nồng độ muối rất khác nhau từ nước ngọt 0% NaCl đến nước biển 2 - 3% NaCl Ngay cả những nơi có nồng độ NaCl bão hòa cũng phát hiện thấy sự có mặt của chúng Nhu cầu NaCl của vi khuẩn KSF cũng rất đa dạng Các vi khuẩn KSF nước ngọt không cần NaCl, chúng có thể bị ức chế nếu nồng độ NaCl trên 2 - 3% Trong khi đó những loài ưa mặn

sống ở biển như Desulfacinum hydrothermale phát triển tối ưu ở nồng độNaCl

3,2 - 3,6% và không thể sống trong môi trường nước ngọt Tuy nhiên, một số nhóm chịu mặn sống được trong cả môi trường nước ngọt và nước biển như

Desulfovibrio vietnamsis có thể sống ở môi trường có hàm lượng NaCl 0 - 30%,

tối ưu cho sinh trưởng phát triển là 5% [18, 32]

1.3.2.5 Các nguồn cơ chất

Vi khuẩn KSF có thể sử dụng nhiều nguồn cơ chất khác nhau Chúng có khả năng khử ion sulfate đồng thời oxy hóa các hợp chất hữu cơ (lactate, pyruvate, malate, succinate, formate, ethanol) đường đơn (glucose, sucrose), axit béo mạch ngắn (acetate), acid béo mạch dài và các hợp chất vòng thơm (benzoate, phenol, toluene, ethylbenzen, và hydrocacbon mạch ngắn (ethanol, propane, và butane))

Bảng 1.7 Khả năng sử dụng các nguồn cơ chất khác nhau của vi khuẩn KSF

1.3.3 Nguyên lý của phương pháp loại chì bằng vi khuẩn khử sulfate

Nguyên lý của phương pháp loại chì bằng vi khuẩn KSF là dựa trên khả năng khử ion sulfate (SO42-) đồng thời oxy hóa các hợp chất hữu cơ (CH2O) trong điều kiện kỵ khí tạo ra ion sulfide (H2S hòa tan, S2-, HS-) và bicarbonate (HCO3-) (1) Ion sulfide tạo ra phản ứng với ion chì hòa tan (Pb2+) tạo thành kết tủa chì dưới dạng sulfide bền vững (PbS↓) (2) [24]

CH2O + SO42- → 2HCO3- + H2S (1)

Pb2+ + H2S → PbS↓ + 2H+ (2)

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu và chứng minh được vai trò của vi khuẩn KSF trong xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng nói chung và chì nói riêng Ở Mỹ, năm 1988 - 2000, Zaluski và Canty đã ứng dụng thành công vi khuẩn KSF để xử lý nước thải nhiễm Cr [39] Tại Slovakia, năm 1999, Sottnik

và Sucha đã ứng dụng vi khuẩn KSF để xử lý nước nhiễm Cu, Fe và Mg tại mỏ Sobov [26] Harithsa và cs (2002) đã thông báo vi khuẩn KSF phân lập từ hồ muối tại Ấn Độ có thể sinh trưởng trong môi trường chứa 200 µg/ml Hg và 500

Viggi và cs (2010) đã thành công trong việc loại bỏ hoàn toàn 0,1 mM Cd; 0,1

mM Cr(VI); 0,1 mM Cu; 0,1 mM Zn và 27 µM As trong cột phản ứng lọc kị khí sử du ̣ng vi khuẩn KSF [37].Khả năng loại kim loại nặng từ nước thải khu vực khai thác mỏ chứa 55 mg/l Al, 90 mg/l Co, 49 mg/l Cu, 435 mg/l Fe, 38 mg/l Ni, 7,5 mg/l Pb và 6,6 mg/l Zn cũng đã đạt được với hiệu quả cao (99%) trong nghiên cứu của Sahinkaya và cs, 2011[33]

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Ở nước ta, cùng với quá trình công nghiệp hóa ở các nhà máy xí nghiệp là sự phát triển của các làng nghề Cả nước hiện có tới 4.575 làng nghề khác nhau, trong đó có hàng trăm làng nghề sản xuất, tái chế kim loại như đúc đồng, tái chế chì, mạ, gia công cán thép…Do phần lớn các làng nghề đều sản xuất thủ công chưa tập trung, chưa có hê ̣ thống thoát nước và xử lý nước thải nên nước thải nhiễm kim loại nặng gây ảnh hưởng nghiêm tro ̣ng đến sức khỏe của con người

và môi trường sinh thái Nghiên cứu địa hóa ban đầu ở hai làng nghề cơ khí truyền thống điển hình của Nam Định là Vân Chàng và Đồng Côi đã cho thấy hàm lượng chì trong bùn từ đáy sông, ao hồ, và trong tóc người ở đây rất cao Đặc biệt hàm lượng chì trong bùn ao hồ và sông Vân Chàng cao gấp nhiều lần hàm lượng cho phép Tại Bắc Ninh, theo kết quả điều tra, phân tích các mẫu đất trên địa bàn tỉnh của Trung tâm quan trắc tài nguyên và Môi trường (2011) cho thấy hàm lượng chì vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, đặc biệt là tại các làng nghề, cụm khu công nghiệp mức độ ô nhiễm tăng theo từng năm

Làng nghề tái chế chì của thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên là địa chỉ đại diện cho các làng nghề ô nhiễm chì cần được đặc biệt quan tâm Theo thống kê của tiến sĩ Lê Đức, năm 2011, hàm lượng chì trong nguồn nước trung bình là 0,77 mg/l, vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 7,7 - 15 lần Ở ao hồ đãi và đổ xỉ, hàm lượng chì là 3,278 mg/l, vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 32-65 lần Do bề mặt nước bị ô nhiễm, thực vật ở đây cũng bị ảnh hưởng Trong đó, bèo tích lũy tới 430 mg/kg; rau muống tích lũy từ 168 - 430