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 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Để đảm bảo tính trung thực luận văn, xin cam đoan: Luận văn “Đánh giá yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng hỗn hợp chủng vi khuẩn khử sulfate nhằm ứng dụng xử lý nước thải ô nhiễm chì Việt Nam” công trình nghiên cứu cá nhân tôi, thực hướng dẫn TS Kiều Thị Quỳnh Hoa Các kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố công trình trước Hà Nội, ngày 12/ 12/ 2014 Học viên Trần Kim Giang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN ! Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầ y giáo, cô giáo Viện sinh thái Tài nguyên sinh vật, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam đã tận tình truyề n đạt kiế n thức và tạo điều kiện cho học tập, rèn luyê ̣n và tu dưỡng đạo đức năm học tập Kiế n thức tiế p thu quá trình học tập giúp hoàn thành tốt luận văn này Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Kiều Thi ̣ Quỳnh Hoa, phó Trưởng phòng Phòng Vi sinh vật dầu mỏ, Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình nghiên cứu để hoàn thành tố t luận văn này Em xin cảm ơn cán Phòng Vi sinh vật dầu mỏ, Viện Công nghệ Sinh học đã khuyến khích tạo điều kiện thuận lợi cho thực tập tại Tôi xin tỏ lòng biết ơn tới gia đình bạn bè, người thân yêu đã bên cạnh động viên, chia sẻ tạo điều kiện tốt cho sống học tập Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2014 Học viên Trần Kim Giang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Ô nhiễm kim loại nặng 1.1.1 Nguồn thải kim loại nặng 1.1.2 Tính độc kim loại nặng 1.1.3 Ô nhiễm chì 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 vi khuẩn khử sulfate (KSF) 16 1.3.1 Đặc điểm vi khuẩn khử sulfate 16 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng vi khuẩn khử sulfate 18 1.3.3 Nguyên lý phương pháp loại chì vi khuẩn khử sulfate 21 1.4 Tình hình nghiên cứu nước 21 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 21 1.4.2 Tình hình nghiên cứu 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 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 mẫu phương pháp pha loãng tới hạn 27 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 2.2.2 Sàng lọc lựa chọn hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF có khả chống chịu chì cao 28 2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng pH tới sinh trưởng hiệu loại chì hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn 28 2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tới sinh trưởng hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn 28 2.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng nguồn carbon tới sinh trưởng hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn 29 2.2.6 Nghiên cứu ảnh hưởng chì tới sinh trưởng 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 hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF từ mẫu bùn nước nhiễm chì 32 3.2 Sàng lọc lựa chọn hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF có khả chống chịu chì cao 32 3.3 Hình thái tế bào hỗn hợp chủng vi khuẩn DM10 kính hiển vi điện tử quét 35 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng pH tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 35 3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 37 3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng nguồn carbon tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 38 3.6.1 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol/SO42- tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 38 3.6.2 Ảnh hưởng tỷ lệ lactate/SO42- tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 40 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 3.6.3 Ảnh hưởng tỷ lệ acetate/SO42- tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 41 3.6.4 Ảnh hưởng tỷ lệ benzoate/SO42- tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 43 3.6.5 Ảnh hưởng tỷ lệ methanol/SO42- tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 44 3.6.6 Ảnh hưởng tỷ lệ glucose/SO42- tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 45 3.6.7 Ảnh hưởng tỷ lệ citrate/SO42- tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 46 3.7 Nghiên cứu ảnh hưởng chì tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 47 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ KSF Khử sulfate PB Postgate B (Môi trường B) PC Postgate C (Môi trường B) OD Optical density (Mật độ quang) AAS Atomic Absorption Spectrophotometer (Quang phổ hấp thụ nguyên tử) SEM Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) PBS Phosphate Buffer Saline (Dung dịch rửa PBS) UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Dòng chảy ngược kị khí) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam CFU Colony-Forming Unit (Đơn vị khuẩn lạc) v/v volume/volume (Thể tích/thể tích) Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tác hại số kim loại nặng đến sức khỏe người Bảng 1.2 Mức độ tác động kim loại nặng đến sinh vật Bảng 1.3 Tác động kim loại nặng đến phận thể người 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 sử dụng nguồn chất khác vi khuẩn KSF 21 Bảng 2.1: Môi trường nuôi cấy làm giàu thí nghiệm 25 Bảng 3.1 Khả chống chịu chì 17 hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF sau ngày thí nghiệm 33 Bảng 3.2 Hiệu loại chì sau 12 ngày thí nghiệm 49 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hoạt động nấu tái chế chì thôn Đông Mai 10 Hình 3.1 Vi khuẩn KSF thu từ mẫu bùn nước nhiễm chì 32 Hình 3.2 Sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 môi trường bổ sung chì với hàm lượng khác sau ngày thí nghiệm 33 Hình 3.3 Hàm lượng sulfide tạo từ 17 hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF sau ngày nuôi cấy 34 Hình 3.4 Ảnh hưởng chì tới hình thái tế bào hỗn hợp chủng DM10 35 Hình 3.5 Ảnh hưởng pH lên khả tạo sulfide hỗn hợp chủng DM10 36 Hình 3.6 Ảnh hưởng pH lên khả khử sulfate hỗn hợp chủng DM10 36 Hình 3.7 Ảnh hưởng nhiệt độ lên khả tạo sulfide hỗn hợp chủng DM10 37 Hình 3.8 Ảnh hưởng nhiệt độ lên khả khử sulfate hỗn hợp chủng DM10 38 Hình 3.9 Hỗn hợp chủng DM10 môi trường với tỷ lệ ethanol/SO 42- 39 khác sau 12 ngày 39 Hình 3.10 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol/SO42- tới khả tạo sulfide 39 hỗn hợp chủng DM10 39 Hình 3.11 Ảnh hưởng tỷ lệ ethanol/SO 42- tới khả khử sulfate 40 hỗn hợp chủng DM10 40 Hình 3.12 Ảnh hưởng tỷ lệ lactate/SO42- tới khả tạo sulfide hỗn hợp chủng DM10 41 Hình 3.13 Ảnh hưởng tỷ lệ lactate/SO42- tới khả khử sulfate hỗn hợp chủng DM10 41 Hình 3.14 Ảnh hưởng tỷ lệ acetate/SO 42- tới khả tạo sulfide hỗn hợp chủng DM10 42 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 12 ngày nuôi cấy mức thấp nhiều so với hỗn hợp chủng nuôi cấy môi trường bổ sung nguồn carbon lactate ethanol Ở ngày thứ 8, hỗn hợp chủng DM10 sinh trưởng tốt nhất, nhiên, hàm lượng sulfide tạo (41- 89 mg/l) sulfate khử (15 - 21%) mức thấp Hình 3.14 Ảnh hưởng tỷ lệ acetate/SO 42- tới khả tạo sulfidecủa hỗn hợp chủng DM10 Hình 3.15 Ảnh hưởng tỷ lệ acetate/SO 42- tới khả khử sulfate hỗn hợp chủng DM10 42 3.6.4 Ảnh hưởng tỷ lệ benzoate/SO42- tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 Hỗn hợp chủng DM10 sinh trưởng không tốt môi trường bổ sung benzoate (Hình 3.16 3.17) Hàm lượng sulfide tạo (16 - 68 mg/l) hàm lượng sulfate khử (12 - 24%) suốt 12 ngày nuôi cấy mức thấp Hình 3.16 Ảnh hưởng tỷ lệ benzoate/SO 42- tới khả tạo sulfide hỗn hợp chủng DM10 Hình 3.17 Ảnh hưởng tỷ lệ benzoate/SO 42- tới khả khử sulfate hỗn hợp chủng DM10 43 3.6.5 Ảnh hưởng tỷ lệ methanol/SO42- tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 Kết hình 3.18 3.19 cho thấy, hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF DM10 sinh trưởng không tốt môi trường bổ sung methanol Hàm lượng sulfide tạo (14 - 60 mg/l) hàm lượng sulfate khử (10 - 19%) không đáng kể sau 12 ngày thí nghiệm Hình 3.18 Ảnh hưởng tỷ lệ methanol/SO42- tới khả tạo sulfide hỗn hợp chủng DM10 Hình 3.19 Ảnh hưởng tỷ lệ methanol/SO42- tới khả khử sulfate hỗn hợp chủng DM10 44 3.6.6 Ảnh hưởng tỷ lệ glucose/SO42- tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 Tương tự với môi trường bổ sung acetate, methanol benzoate, hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF DM10 sinh trưởng yếu môi trường bổ sung glucose nguồn carbon với hàm lượng sulfide tạo 18 - 100 mg/l hàm lượng sulfate khử 12 - 24% suốt 12 ngày thí nghiệm (hình 3.20 3.21) Hình 3.20 Ảnh hưởng tỷ lệ glucose/SO 42- tới khả tạo sulfide hỗn hợp chủng DM10 Hình 3.21 Ảnh hưởng tỷ lệ glucose/SO42- tới khả khử sulfate hỗn hợp chủng DM10 45 3.6.7 Ảnh hưởng tỷ lệ citrate/SO42- tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 Trong môi trường bổ sung citrate, hỗn hợp chủng DM10 sinh trưởng yếu môi trường bổ sung lactate acetate lại tốt sovới môi trường bổ sung acetate, methanol, benzoate glucose Hàm lượng sulfide tạo sau ngày nuôi cấy hỗn hợp chủng DM10 môi trường 134 - 206 mg/l hàm lượng sulfate khử 22 - 36% (Hình 3.22 3.23) Hình 3.22 Ảnh hưởng tỷ lệ citrate/SO42- tới khả tạo sulfide hỗn hợp chủng DM10 Hình 3.23 Ảnh hưởng tỷ lệ citrate/SO 42- tới khả khử sulfate hỗn hợp chủng DM10 46 Từ kết nghiên cứu cho thấy, hỗn hợp chủng DM10 phát triển mạnh hai nguồn chất lactate ethanol Đặc biệt, hỗn hợp chủng tạo sulfide khử sulfate tốt với tỷ lệ lactate/sulfate tỷ lệ ethanol/sulfate 2,5 Có thể thấy, lactate ethanol hai nguồn chất có ảnh hưởng lớn tới sinh trưởng hỗn chủng DM10 (lượng sulfide tạo môi trường bổ sung lactate lớn so với hàm lượng sulfide tạo môi trường bổ sung ethanol không đáng kể) (Hình 3.10, 3.11, 3.12 3.13) Tuy nhiên, giá thành ethanol rẻ so với lactate , lựa chọn ethanol làm nguồn chất với tỷ lệ ethanol/SO42- 2,5 cho hỗn hợp chủng DM10 nghiên cứu 3.7 Nghiên cứu ảnh hưởng chì tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 Nghiên cứu ảnh hưởng chì tới sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 vô quan trọng Biết hàm lượng chì cao mà vi khuẩn KSF có khả sinh trưởng loại chì tốt giúp đưa chế độ vận hành phù hợp để nâng cao hiệu xử lý nước thải nhiễm chì Để xác định hàm lượng chì phù hợp, hỗn hợp chủng DM10 nuôi cấy 12 ngày môi trường PC cải tiến có bổ sung chì với hàm lượng khác (0, 50, 100, 150, 200, 300 mg/l) Hỗn hợp nuôi cấy điều kiện tối ưu với tỷ lệ ethanol/SO42- 2,5, hàm luợng SO42- 2000 mg/l 30oC, pH 7,5 Kết (hình 3.24 3.25) cho thấy, hiệu loại chì môi trường có bổ sung 50 150 mg/l chì hỗn hợp chủng DM10 cao với 100% chì loại bỏ Hàm lượng chì lại sau 12 ngày thí nghiệm mức nồng độ dao động từ < 0,05 đến 0,3 mg/l Cũng thời điểm này, 15,5 - 83,8% hàm lượng SO42- ban đầu khử hàm lượng sulfide tạo 54 - 459 mg/l Hỗn hợp chủng DM10 bị ức chế hiệu loại chì hỗn hợp chủng bắt đầu giảm hàm lượng chì ban đầu bổ sung vào môi trường lớn 150 mg/l Hiệu loại chì giảm đáng kể hàm lượng chì ban đầu bổ sung vào môi trường 200 - 300 mg/l Sau 12 ngày, hàm lượng chì lại môi 47 trường có bổ sung 200 - 300 mg Pb2+/l 28 176 mg/l (Bảng 3.2) Hiệu xử lý chì mức nồng độ đạt 86% (200 mg/l) 41% (300 mg/l) Sự sinh trưởng chủng DM10 bị suy giảm minh chứng hiệu khử sulfate hàm lượng sulfide tạo giảm đáng kể so với môi trường bổ sung 50 - 150 mg/l sau 12 ngày thí nghiệm (Hình 3.24 3.25) Kết cho thấy, chì bổ sung vào môi trường với hàm lượng ban đầu ≤ 150 mg/l xem phù hợp cho sinh trưởng hỗn hợp chủng DM10 Hình 3.24: Ảnh hưởng hàm lượng chì lên khả tạo sulfide hỗn hợp chủng DM10 Hình 3.25: Ảnh hưởng hàm lượng chì lên khả khử sulfatecủa hỗn hợp chủng DM10 48 Bảng 3.2 Hiệu loại chì sau 12 ngày thí nghiệm Hàm lượng Pb Hàm lượng Hiệu loại Pb bổ sung vào môi trường Pb sau 12 ngày sau 12 ngày (mg/l) (mg/l) (%) 50 mg/l