Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xử lý kim loại nặng đồng (cu) và chì (pb) bằng vi tảo chlorella vulgaris

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.78 MB, 43 trang )

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA SINH - MƠI TRƯỜNG


ĐỖ THÙY TRANG

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH XỬ LÝ KIM LOẠI
NẶNG ĐỒNG (Cu) VÀ CHÌ (Pb) BẰNG VI TẢO CHLORELLA
VULGARIS

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường

Đà Nẵng - 2021

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA SINH - MƠI TRƯỜNG


ĐỖ THÙY TRANG

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH XỬ LÝ KIM LOẠI
NẶNG ĐỒNG (Cu) VÀ CHÌ (Pb) BẰNG VI TẢO CHLORELLA
VULGARIS

Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường
Mã số : 3150317026
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Người hướng dẫn : ThS. Trần Ngọc Sơn

Đà Nẵng - 2021

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan các dữ liệu trình bày trong khóa luận này là trung thực. Đây là kết quả
nghiên cứu của tác giả dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Ngọc Sơn – Khoa Sinh – Môi
trường, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng và chưa từng được cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác trước đây. Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm nếu vi phạm bất kì quy
định nào về đạo đức khoa học.
Tác giả

Đỗ Thùy Trang

i

LỜI CẢM ƠN
Từ tận sâu trái tim mình tơi xin trân thành cảm ơn tới:
Thầy hướng dẫn ThS. Trần Ngọc Sơn, thầy đã rất nhiệt tình, tận tâm giúp đỡ tơi trong
suốt q trình làm khóa luận tốt nghiệp. Khơng những thầy cung cấp các tài liệu và kiến
thức quý báu, thầy còn rèn luyện rất nhiều kỹ năng mềm như đọc báo tiếng anh, giao tiếp
tiếng anh, thuyết trình, làm việc nhóm, …Tơi xin trân thành cảm ơn thầy!
Tơi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Bộ môn trong khoa Sinh – Môi Trường. Thầy
cô đã tạo điều kiện tốt nhất để chúng tơi có thể hồn thành khóa luận nhanh nhất và chất
lượng.
Tơi xin chân thành cảm ơn tới em Nguyễn Tường Vy lớp 18CTM, đã giúp đỡ rất
nhiều trong khoảng thời gian khó khăn làm khóa luận.

Tơi xin cảm ơn đến các anh chị và các bạn trong phịng Cơng nghệ Mơi Trường đã
cùng chia sẻ và giúp đỡ em những khó khăn trong quá trình làm thí nghiệm.
Con xin cảm ơn bố mẹ đã tạo mọi điều kiện tốt nhất có thể để được học và phát triển
bản thân với ngành quản lý Tài Nguyên – Môi Trường trong Trường Đại học Sư Phạm Đà
Nẵng.
Xin trân thành cảm ơn đến tất cả mọi người!

ii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
1.

Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................1

2.

Mục tiêu đề tài ...........................................................................................................1

3.

Nội dung đề tài ...........................................................................................................2

4.

Ý nghĩa đề tài .............................................................................................................2

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................... 3

1.1.

Tổng quan về kim loại nặng .....................................................................................3

1.2.

Tình hình ơ nhiễm kim loại nặng trên Thế giới và Việt Nam ...................................4

1.3.

Nghiên cứu ứng dụng vi tảo xử lý kim loại nặng ......................................................5

1.4.

Tổng quan về mơ hình đáp ứng bề mặt RSM ............................................................6

1.5.

Đặc điểm sinh học của tảo Chlorella vulgaris ..........................................................7

1.6.

Cơ chế loại bỏ kim loại nặng của vi tảo ....................................................................8

1.7.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kim loại nặng ..........................................9

CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 12
2.1.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................12

2.2.

Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................12

2.2.1.

Phương pháp xác định mật độ tế bào vi tảo bằng buồng đếm Neubauer. ....... 12

2.2.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử Atomic Absorbtion Spectrometric
(AAS) theo TCVN 6193:1996 về chất lượng nước. ..................................................... 13
2.2.3.

Phương pháp xác định hiệu suất xử lý KLN ................................................... 13

2.2.4.

Phương pháp mơ hình đáp ứng bề mặt (RSM) ............................................... 13

2.2.5.

Phương pháp xử lý số liệu ............................................................................... 14

2.2.6.

Bố trí thí nghiệm.............................................................................................. 14

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ............................................................... 15

3.1.

Phân tích xây dựng mơ hình RSM ...........................................................................15

3.2.

Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu, pH và mật độ tảo đến việc loại bỏ kim loại nặng. .
.................................................................................................................................19

3.3.

Ảnh hưởng của quá trình hấp thụ kim loại lên mật độ tảo. .....................................23

3.4.

Xây dựng sự tương quan mơ hình đáp ứng bề mặt và thực nghiệm ........................24

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 26
1.

Kết luận ....................................................................................................................26

2.

Kiến nghị..................................................................................................................26

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 27
iii

PHỤ LỤC...................................................................................................................... 31

iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Số hiệu hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Vi tảo Chlorella vulgaris dưới kính hiển vi

7

Hình 1.2

Q trình sinh sản của vi tảo Chlorella vulgaris

8

Hình 2.1

Buồng đếm hồng cầu Neubauer

13

Hình 3.1

Biểu đồ 3D (a, c, e) và 2D (b, d, f) biểu thị tác động của
các tham số lên hiệu suất xử lý Cu (II) (Y)

21

Hình 3.2

Biểu đồ 3D (a, c, e) và 2D (b, d, f) biểu thị tác động của
các tham số lên hiệu suất xử lý Pb (II) (Y)

23

Hình 3.3

Biểu đồ mật độ tảo C. vulgaris trước và sau khi xử lý Cu
(II)

24

Hình 3.4

Biểu đồ mật độ tảo C. vulgaris trước và sau khi xử lý Pb
(II)

24

Hình 3.5

So sánh dữ liệu thực nghiệm (%) so với dữ liệu dự đốn
(%) bằng RSM cho kim loại Cu (II)

25

Hình 3.6

So sánh dữ liệu thực nghiệm (%) so với dữ liệu dự đoán
(%) bằng RSM cho kim loại Pb (II)

25

v

DANH MỤC BẢNG

Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Phạm vi và cấp độ của các biến độc lập đối với kim loại Cu,
Pb.

14

Bảng 3.1

Các phản hồi thử nghiệm (Yexp) và dự đoán (Ypre) dựa trên
mơ hình BBD đối với hiệu xuất loại bỏ Cu. Các kết quả dự
đốn được tính tốn bằng cách sử dụng công thức.

15

Bảng 3.2

Các phản hồi thử nghiệm(Yexp) và dự đốn(Ypre) dựa trên
mơ hình BBD đối với hiệu suất loại bỏ Pb. Các kết quả dự
đốn được tính tốn bằng cách sử dụng cơng thức

16

Bảng 3.3

ANOVA cho các tham số RSM được trang bị cho phương
trình đa thức bậc hai đối với loại bỏ Cu

17

Bảng 3.4

ANOVA cho các tham số RSM được trang bị cho phương
trình đa thức bậc hai đối với loại bỏ Pb

18

vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

KLN

Kim loại nặng

MT

Mơi trường

Cu

Đồng

Zn

Kẽm

Pb

Chì

As

Asen

Mn

Mangan

Ni

Niken

Hg

Thủy ngân

Cd

Cadimi

Cr

Crom

Mg

Magie

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

KCN

Khu cơng nghiệp

UBND

Ủy Ban Nhân Dân

Al

Nhơm

Sn

Thiết

RSM

Mơ hình đáp ứng bề mặt

vii

TÓM TẮT
Vi tảo Chlorella vulgaris (C. vulgaris) được xem là giải pháp sinh học có hiệu quả
cao trong việc loại bỏ kim loại nặng trong nước thải. Trong số các nguyên tố học độc hại
cho môi trường, Đồng (Cu) và Chì (Pb) là các loại hóa chất độc hại phổ biến có thể gây ra
vấn đề nghiêm trọng cho sức khỏe con người và hệ sinh thái. Do đó, nghiên cứu này đã
được thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khác nhau bao gồm
nồng độ, mật độ tế bào và pH đối với khả năng loại bỏ Cu (II) và Pb (II) của C.vulgaris.
Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu suất xử lý trung bình cao nhất đạt 85,33%, 95% của Cu
và Pb. Được ghi nhận từ mơi trường có mật độ tế bào là 2,5 x 106 tế bào / mL, nồng độ Cd
là 50 ppm và pH là 4 đối với cả Cu và Pb. Dựa trên bề mặt phản hồi và đường viền ô, điều

kiện tối ưu để xử Cu tốt nhất lần lượt là: nồng độ 59,9 ppm và pH 4,41 với mật độ 2,67x106
tế bào/ml với hiệu suất tối đa là 89,07%. Bên cạnh đó với điều kiện tối ưu xử lý Pb tốt nhất
lần lượt là nồng độ 66 ppm và pH 4,45 với mật độ là 3,34x106 tế bào/ml có hiệu suất tối đa
95%. Từ đó cho tảo C.vulgaris một vật liệu hấp thụ hiệu quả để loại bỏ các ion kim loại.
Từ khóa – Chlorella vulgaris; sự hấp thụ; RSM; loại bỏ kim loại nặng; nước thải.
Keywords - Chlorella vulgaris; Sorption; response surface methodology; metal
removal; wastewater.

viii

MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, sự ơ nhiễm của môi trường bởi các kim loại nặng (KLN) độc hại là một
vấn đề đang được các nhà khoa học quan tâm. Nước thải công nghiệp được coi là nguồn ơ
nhiễm kim loại nặng chính. Sự hiện diện của các kim loại nặng độc hại trong nước thải
công nghiệp làm dấy lên lo ngại về độc tính cấp tính của chúng đối với sức khỏe con người
(Kumar, & Mohd, 2018). Một số kim loại (Zn, Cu, Mn, Ni) là các vi lượng cần thiết cho
sự phát triển của thực vật, một số kim loại khác dù nồng độ thấp vẫn gây độc (Pb, Cd và
Hg) (A. Gaur & Adholeya 2018). Vì sự tích tụ kim loại Cu và Pb trong chuỗi thức ăn và
sự tồn tại của chúng trong nước thải đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con
người cũng như hệ sinh thái xung quanh (Griffiths 1963).
Trên thế giới khá nhiều nghiên cứu về sử dụng tảo cho vấn đề xử lý kim loại nặng và
đạt được nhiều thành công. Bishnoi (2004) cho thấy hiệu suất xử lý kim loại Cu cao nhất
đạt 85% khi sử dụng 0,5g/l thì hiệu suất sẽ giảm từ 85% xuống 58% (Lau et al. 1999). Theo
Mehta (2001) Sự hấp thụ tối đa của Ni và Cu xảy ra ở pH 5,5 và 3,5, tương ứng với các tế
bào khô cho thấy tiềm năng hấp thụ kim loại lớn hơn các tế bào sống, có thể loại bỏ tối đa

của Ni và Cu, 93 và 96% ở nồng độ 2,5mg/l. Vì vậy C.vulgaris có tiềm năng lớn để loại
bỏ Ni và Cu đặc biệt là khi nồng độ các kim loại này đang ở mức thấp trong mơi trường
bên ngồi (Mehta & Gaur 2001b).
Hiện tại đã có nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để tách các ion kim loại ra
khỏi dung dịch nước như: kết tủa hoá học, chiết bằng dung môi, trao đổi ion, thẩm thấu
ngược, hấp phụ… (Demiral 2016). Trong những năm gần đây, việc ứng dụng phương pháp
sinh học sử dụng các loại thực vật, tảo, nấm xử lý kim loại nặng hiện nay đang được quan
tâm vì giá thành thấp, hiệu quả cao và thời gian xử lý ngắn. Trên thế giới, việc sử dụng vi
tảo trong xử lý KLN đã được nghiên cứu và đạt được những thành công nhất định. Nghiên
cứu của Edris (2012) đã sử dụng tảo Chlorella vulgaris hấp phụ tối đa 6.7943 mg Pb trên
1g sinh khối vi tảo và 14,932 mg Cd trên 1 g sinh khối tảo (Edris, Alhamed, & Alzahrani
2014). Bên cạnh đó Shen (2018) đã nghiên cứu loại bỏ Cd (II) với hiệu suất tối đa 92,5%
trong nước bằng Chlorella vulgaris (Shen et al. 2018).
Mơ hình đáp ứng bề mặt RSM là một kỹ thuật hữu ích để phát triển và tối ưu hóa q
trình hấp thụ sinh học. RSM có thể được sử dụng để giảm số lượng thí nghiệm cần thiết để
tìm ra các điều kiện tối ưu. Để tìm ra các giá trị tối ưu mơ hình đáp ứng bề mặt có vai trị
to lớn nên RSM đã được sử dụng phổ biến trong những năm gần đây cho những vi tảo
Chlorella coloniales, tảo biển… Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu sử dụng RSM cho vi tảo
Chlorella vulgaris xử lý kim loại nặng.
Vì vậy, tôi quyết định chọn đề tài “ Nghiên cứu tối ưu hóa q trình xử lý kim loại
nặng Đồng (Cu) và Chì (Pb) bằng vi tảo Chlorella vulgaris ”.
2.

Mục tiêu đề tài

2.1.

Mục tiêu tổng quát

Tối ưu hóa được các yếu tố mơi trường trong q trình xử lý Chì (Pb) và Đồng (Cu)

bằng vi tảo Chlorella vulgaris.
2.2.

Mục tiêu cụ thể
1

Xác định ảnh hưởng của các yếu tố nồng độ, pH và mật độ tảo tối ưu đến việc xử lý
kim loại nặng.
Xác định ảnh hưởng của quá trình hấp thụ kim loại lên mật độ tảo
Đánh giá tương quan giữa mơ hình thực nghiệm và mơ hình đáp ứng bề mặt trong xử
lý kim loại nặng Cu và Pb của vi tảo C. vulgaris
3.

Nội dung đề tài

Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố nồng độ, pH và mật độ tảo tối ưu đến việc xử lý
kim loại nặng.
Đánh giá ảnh hưởng quá trình hấp thụ kim loại lên mật độ tảo C. vulgaris.
Đánh giá tương quan hiệu suất giữa mơ hình thực nghiệm (Yexp) và mơ hình đáp ứng
bề mặt (Ypre) trong xử lý kim loại nặng của vi tảo C. vulgaris.
4.

Ý nghĩa đề tài

4.1.

Ý nghĩa khoa học
Đánh giá được khả năng xử lý Cu và Pb của vi tảo C. vulgaris bằng mơ hình RSM.

Là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo trong việc ứng dụng vi tảo xử lý kim loại nặng
ở quy mô lớn..
4.2.

Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của đề tài là cơ sở cho việc ứng dụng vi tảo C. vulgaris xử lý kim loại nặng
tại các cơ sở có nguy cơ gây ra ô nhiễm môi trường.

2

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.

Tổng quan về kim loại nặng

KLN được định nghĩa là các kim loại có tỉ khối lớn hơn 4 hoặc 5. Đối với các nhà
độc tố học, thuật ngữ “kim loại nặng” chủ yếu được dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ
gây nên các vấn đề về môi trường, bao gồm: Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, Co, V, Ti, Fe,
Mn,Ag, Sn (Rainbow, 1995). Ngoài ra các á kim như As và Se cũng được xem là các KLN.
Kim loại nặng xuất hiện như những thành phần tự nhiên của vỏ trái đất, và là chất gây ơ
nhiễm mơi trường khó phân hủy vì chúng khơng thể bị phân hủy hoặc phá hủy (Bishnoi et
al., 2004). Ở một mức độ nhỏ, chúng xâm nhập vào hệ thống cơ thể qua thức ăn, khơng
khí, nước và tích lũy sinh học trong một khoảng thời gian. Trong đá, chúng tồn tại dưới
dạng quặng của chúng ở các dạng hóa học khác nhau, từ đó chúng được thu hồi dưới dạng
khoáng chất. Quặng kim loại nặng bao gồm sunfua như sắt, asen, chì, chì-kẽm, coban, vàng
bạc và niken sunfua; oxit như nhôm, mangan, vàng, selen và antimon. Một số tồn tại và có
thể được phục hồi dưới dạng cả quặng sunfua và oxit như sắt, đồng và coban. Khống sản
quặng có xu hướng xuất hiện trong các gia đình, theo đó kim loại tồn tại tự nhiên dưới dạng

sunfua hầu hết sẽ xảy ra quá trình tạo nhiệt, tương tự như vậy đối với oxit. Do đó, sunfua
của chì, cadmium, asen và thủy ngân sẽ được tìm thấy một cách tự nhiên cùng với sunfua
của sắt (pyrit, FeS2) và đồng (chalcopyrit, CuFeS2) ở dạng phụ, chúng thu được dưới dạng
sản phẩm phụ của các quá trình luyện kim thủy lực khác nhau hoặc một phần khói thải
trong pyrometallur-gical và các q trình khác xảy ra sau khi khai thác để thu hồi chúng.
Trong quá trình khai thác, một số kim loại bị bỏ lại dưới dạng quặng đuôi nằm rải rác trong
các hố hở và được che phủ một phần; một số được vận chuyển qua gió và lũ lụt, tạo ra
nhiều vấn đề mơi trường khác nhau (Duruibe, J. O.1*, Ogwuegbu, M. O. C.2 and
Egwurugwu 2007).
Trong những năm gần đây, số lượng người phơi nhiễm KLN đã gia tăng đột ngột, đó
là kết quả của việc sử dụng KLN trong công nghiệp gia tăng theo cấp lũy thừa. KLN xâm
nhập vào cơ thể người bằng nhiều con đường khác nhau như thực phẩm, nước uống, khơng
khí và hấp thụ thơng qua da. Trong xã hội cơng nghiệp hiện nay, con người khó có thể
tránh khỏi tiếp xúc với KLN độc hại (Khan, Ali, Rao, & Ajmal 2008).
a.

Độc chất của Chì (Pb)

Chì là độc tố quan trọng nhất trong số các kim loại nặng, và các dạng vơ cơ được hấp
thụ qua đường tiêu hóa qua thức ăn và nước uống, và đường hô hấp (Pahlsson 1989). Một
ảnh hưởng nghiêm trọng đáng chú ý của độc tính chì là tác dụng gây qi thai của nó.
Nhiễm độc chì cịn gây ức chế tổng hợp huyết sắc tố; rối loạn chức năng ở thận, khớp và
hệ thống sinh sản, hệ thống tim mạch và tổn thương cấp tính và mãn tính đối với hệ thần
kinh trung ương (CNS) và hệ thần kinh ngoại vi (PNS) (Sheng, Ting, Chen, & Hong 2004).
Chì ảnh hưởng đến trẻ em bằng cách dẫn đến kém phát triển chất xám của não, do đó dẫn
đến chỉ số thơng minh (IQ) kém (Length 2007). Chì được thải ra trong các hoạt động khai
thác và nấu chảy của nó, từ ơ tơ khí thải (bằng cách đốt nhiên liệu dầu mỏ được xử lý với
tetraethyl chì chống bám) và từ các loại sơn chì cũ (Duruibe, J. O.1*, Ogwuegbu, M. O.
C.2 and Egwurugwu 2007). Nhiễm độc chì (Pb) có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người
và phơi nhiễm với Pb tiếp tục là một vấn đề sức khỏe môi trường quan trọng trên tồn thế

giới. Người ta ước tính rằng 3–4 triệu người ở Mỹ có biểu hiện quá nhiều (10mg/dl) máu
ở mức dẫn đầu và được xác định bởi cả hai Trung tâm Kiểm soát Dịch bệnh và Tổ chức Y
3

tế Thế giới (Jr, Singh, & Jr 1999). EPA yêu cầu chì trong nước uống khơng được vượt q
0,015mg /l-1 (Tunali & Ahmet 2006) .
b.

Độc chất của Đồng (Cu)

Ngồi Chì ra, Đồng (Cu) cũng là nguyên tố kim loại nặng có tính độc khơng cao
nhưng các nghiên cứu y học cho thấy khi nồng độ đồng cao hơn mức cho phép một số
người có dấu hiệu mắc bệnh do đồng lắng đọng trong gan, thận, não như bệnh về thần kinh
schizophrenia. Đồng là kim loại vượt xa các kim loại khác về tính dẻo dai: dễ dát mỏng và
dễ kéo sợi. Mặc dù có độ cứng khơng cao (3,0) nhưng đồng lại có khả năng chống mài mịn
tốt. Đồng kết tinh ở dạng tinh thể lập phương tâm diện. Trong thiên nhiên có 2 đồng vị bền
là 63Cu (70,13%) và 65Cu (29,87%). Đồng được xem là một trong những nguyên tố cần
thiết đối với sự phát triển của con người, tuy nhiên sự tích tụ đồng với hàm lượng cao có
thể gây độc cho cơ thể. Cumings (1948) trích trong WHO (1998) phát hiện đồng thực sự
là tác nhân độc. Đồng là nguyên tố vi lượng cần thiết trong cơ thể người, có nhiều vai trị
sinh lí, nó tham gia vào quá trình tạo hồng cầu, bạch cầu và là thành phần của nhiều enzyme
(Gaetke & Kuang 2003). Mọi hợp chất của đồng đều là những chất độc, khoảng 30g CuSO4
có khả năng gây chết người. Nồng độ an tồn của đồng trong nước uống đối với con người
dao động theo từng nguồn, khoảng 1,5- 2 mg/l. Lượng đồng đi vào cơ thể người theo đường
thức ăn mỗi ngày khoảng 2 – 4 mg. Đồng tham gia tạo sắc tố hô hấp hemoglobin. Các
nghiên cứu y học cho thấy khi nồng độ đồng cao hơn mức cho phép một số người có dấu
hiệu mắc bệnh do đồng lắng đọng trong gan, thận, não như bệnh về thần kinh
schizophrenia. Ngược lại, khi nồng độ đồng quá thấp, cơ thể phát triển khơng bình thường,
đặc biệt là với trẻ em (Gaetke & Kuang 2003).

1.2.

Tình hình ơ nhiễm kim loại nặng trên Thế giới và Việt Nam

1.2.1. Tình hình ơ nhiễm kim loại nặng trên Thế giới
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm KLN trên thế giới đã và đang ngày càng diễn biến theo
chiều hướng xấu. Nguyên nhân dẫn đến vấn đề này là hoạt động công nghiệp, nông nghiệp,
giao thông vận tải, hoạt động sinh hoạt của người dân đã trực tiếp hoặc gián tiếp đưa vào
môi trường một lượng lớn KLN. Sự cố nhiễm độc KLN đã được ghi nhận tại nhiều nơi trên
thế giới, tuy nhiên mức độ trầm trọng thường xảy ra cục bộ tại một số khu vực.
Châu phi là lục địa chịu nhiều ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường, đặt biệt là kim loại
nặng. Nghiên cứu của Buamah và cộng sự (2008) trong nước ngầm trong khu vực khi khai
thác vàng của Ghana. Họ đã thu thập và phân tích 290 mẫu nước giếng và tuyên bố rằng 5
đến 12% số giếng được lấy mẫu có hàm lượng As vượt quá giá trị cho phép của WHO và
80% giếng vượt quá 0,3 mg/L Fe và 42% vượt quá 0,1 mg/L Mn, giá trị hướng dẫn dựa
trên sức khỏe của WHO. Dzoma và cộng sự (2010) cho biết mẫu nước từ Koekemoerspruit
có mức As và Cd của 12 và 10μg/L tương ứng, cao hơn mức tối đa cho phép của WHO
mức nước uống lần lượt 10 và 3 μg/L.
Viện nghiên cứu Blacksmith, New York đã liệt kê danh sách 10 thành phố ô nhiễm
nhất trên thế giới thì có 8 thành phố liên quan đến ơ nhiễm KLN đó là Lâm Phần, Thiên
An (Trung Quốc); Sukindan, Vapi (Ấn Độ); La Oroya (Peru); Dzerzhinsk, Norilsk (Nga);
Chernoby (Ukraine); Sumgayit (Azerbaijan); Kabwe (Zambia). Điển hình như Lâm Phần,
Tianying (Trung Quốc) là nơi bị ô nhiễm nặng KLN. Những KLN độc đã ngấm vào máu
nhiều thế hệ trẻ em ở Tianying và làm giảm chỉ số thông minh. Ngay cả lúa mì ở Tianying
cũng chứa Pb với nồng độ gấp 24 lần mức cho phép của Trung Quốc. Trung Quốc còn là
nước đứng đầu về ô nhiễm Hg. Theo kết quả phân tích thủy sản ở 4 hồ nước ngọt và khu
4

vực biển phía đơng tỉnh Giang Tơ, có rất nhiều kim loại khác nhau trong đó Hg, Cd, Cr,

Zn và Pb tồn tại trong 41% thủy sản (Tong-Bin et al. 2007).
Ơ nhiễm KLN ở nhiều vùng cửa sơng, ven biển trên thế giới đã được biết từ lâu bởi
tính độc hại đe dọa đến sự sống của sinh vật thủy sinh, gây hại cho sức khỏe con người.
Trong đó ơ nhiễm Pb và Zn là một trong những điều đáng quan tâm do ảnh hưởng độc hại
của chúng. Tại vùng cửa sơng Úc với hàm lượng 1000 µg/g Pb, 2000 µg/g Zn có thể tìm
thấy trong trầm tích bị ơ nhiễm.
1.2.2. Tình hình ơ nhiễm kim loại nặng tại Việt Nam
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình cơng nghiệp hóa đất nước, chất thải
cơng nghiệp cũng đang ngày một gia tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại gây ơ nhiễm
mơi trường nói chung và mơi trường đất nói riêng. Ơ nhiễm KLN do nước thải công nghiệp
đang là một vấn đề rất bức xúc của mơi trường Việt Nam. KLN rất khó xử lí để loại bỏ ra
khỏi nguồn đất bị ơ nhiễm, đây chính là nguy cơ tiềm ẩn đe dọa đến sức khỏe của con
người và hệ sinh thái xung quanh. Qua nghiên cứu đánh giá hàm lượng KLN (As, Cd,
Pb,Cu, Zn) trong mơi trường đất tại làng nghề đúc nhơm, chì ở Văn Môn – Yên Phong –
Bắc Ninh. Hàm lượng Cu có 8 mẫu đất trong tổng số 23 mẫu vượt quá TCVN. Hàm lượng
Zn có 7 mẫu vượt TCVN trong tổng số 23 mẫu.
Tại thành phố Đà Nẵng, tại các khu vực xung quanh khu cơng nghiệp Hịa Khánh
như Hịa Khánh Bắc, Hòa Hiệp Nam, Đa Phước I cũng đã có những dấu hiệu ơ nhiễm
KLN. Đây là khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp từ những hoạt động xả thải của khu cơng
nghiệp Hịa Khánh. Theo báo cáo của UBND TP.Đà Nẵng cho biết trên địa bàn thành phố
có năm khu vực bị ô nhiễm nghiêm trọng đều do chất thải của nhà máy sản xuất cơng
nghiệp trong đó nặng nhất là sông Cu Đê với hàm lượng KLN vượt 1 – 10 lần. Cụ thể Cd
vượt 1,4 – 1,6 lần, Cr vượt 3 lần, nồng độ Pb trong khơng khí vượt tiêu chuẩn đến 11 lần.
Theo số liệu vào tháng 10/2014 của Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật môi trường
Đồng Nai, môi trường đất tại một số KCN và vùng phụ cận các bãi chôn lấp chất thải rắn
trên địa bàn đã bị ô nhiễm KLN cụ thể khu vực đất tại vị trí tiếp nhận nguồn nước thải của
KCN Biên Hịa có hàm lượng Zn, Pb vượt mức 2.56 đến 3.55 lần so với tiêu chuẩn cho
phép, tại vị trí tiếp nhận nước thải của KCN Loteco cũng phát hiện hàm lượng Zn vượt tiêu
chuẩn 1.2 lần, vị trí tiếp nhận nước của KCN Long Thành chỉ tiêu Zn cũng vượt 1.2 lần.
Khu vực đất phụ cận khu xử lý chất thải rắn xã Quang Trung, huyện Thống Nhất hàm

lượng As và KLN cũng vượt tiêu chuẩn. Trong đó, hàm lượng Cu vượt tiêu chuẩn cho phép
4,8 lần.
1.3.

Nghiên cứu ứng dụng vi tảo xử lý kim loại nặng

1.3.1. Tình hình nghiên cứu sử dụng vi tảo xử lý kim loại nặng trên Thế giới
Trên thế giới, ứng dụng vi tảo để loại bỏ KLN ra khỏi môi trường nước đã được
nghiên cứu rộng rãi. Nhiều chủng vi tảo được lựa chọn, nuôi trồng và xử lý có chủ đích
cho các ứng dụng sinh học cụ thể, có khả năng mang lại những cải tiến đáng kể trong việc
xử lý các vấn đề ô nhiễm kim loại trên tồn thế giới. Khoảng 43% q trình hấp phụ Cd
(II) diễn ra trong vòng 30 phút và phần còn lại, 12% được hấp phụ trong 72 giờ tiếp theo
với tốc độ chậm. Tuy nhiên, khi tăng mật độ tảo lên 2.5 mg/ml thì hiệu suất loại bỏ Cd lên
đến 90% (Cho, Lee, Park, & Chung 2017).
Nghiên cứu so sánh hai loại tảo xanh đơn bào là Chlorella vulgaris và Chlorella
miniata trong việc loại bỏ khỏi dung dịch với khoảng nồng độ 10 đến 40 mg/ml. Hiệu suất
5

loại bỏ của C. vulgaris (khoảng 33 - 41%). Sự hấp thu tối đa của Chlorella vulgaris và
Chlorella miniata trong thí nghiệm lần lượt là 641,76 và 1367,62µg/g. Theo phương pháp
Langmuir hấp phụ đẳng nhiệt, khả năng hấp phụ của Chlorella miniata (2985,07µg/g) và
với Chlorella vulgaris (1282,05µg/g). Những kết quả này đã chứng minh rằng Chlorella
vulgaris và Chlorella miniata là có khả năng loại bỏ KLN ra khỏi mơi trường (Wong,
Wong, & Tam 2000).
Một nghiên cứu về tảo Chlorella miniata khả năng hấp thụ sinh học được đánh giá
cao cho việc loại bỏ KLN ra khỏi môi trường nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khả
năng hấp thụ qmax là 23,26 mg/g đối với Cu và 20,37 mg/g đối với Ni (Lau et al. 1999).
Theo nghiên cứu của Edris và cộng sự, khả năng hấp thụ Cd và Pb trong môi trường nước
đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng tảo C. vulgaris ở nhiệt độ phòng và ở pH 7. Dữ

liệu thực nghiệm từ mơ hình Langmuir đã cho thấy rằng khả năng hấp phụ tối đa của Cd
và Pb lần lượt là 149,9 và 178,5 mg/g sinh khối (Edris et al. 2014).
1.3.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng vi tảo xử lý kim loại nặng tại Việt Nam
Gần đây, việc sử dụng vi tảo xử lý môi trường ở Việt Nam đang được các nhà nghiên
cứu trong nước quan tâm. Nghiên cứu của Trần Ngọc Sơn (2020) loại bỏ ion Mangan (Mn)
bằng tảo C. vulgaris kết quả cho thấy hiệu suất xử lý ion Mn của C. vulgaris đạt cao nhất
đạt 80% được ghi nhận từ môi trường có mật độ tế bào ở mật độ 10,5 x 106 tế bào/ml, nồng
độ ion Mn ban đầu 35 mg/l và pH = 6. Nghiên cứu của Phạm Thanh Duy (2020) về việc
loại bỏ kim loại nặng (Pb, Zn) từ môi trường nước sử dụng vi tảo Spirulina platensis đạt
hiệu quả cao với với 1,5 mg/L, 4,0 mg/L.
1.4.

Tổng quan về mơ hình đáp ứng bề mặt RSM

Phương pháp mơ hình đáp ứng bề mặt (RSM) đưa ra thiết kế thống kê của các công
cụ thử nghiệm dẫn đến hiệu suất q trình cao nhất. RSM tạo ra chính xác bản đồ dựa trên
các mơ hình tốn học. Nó kết hợp các phản hồi thông qua các phương pháp tối ưu hóa để
cuối cùng dẫn đến điểm tối ưu trong đó tất cả các thông số kỹ thuật đều được đáp ứng các
kỹ thuật dành cho việc đánh giá mối quan hệ tồn tại giữa một nhóm các yếu tố thử nghiệm
được kiểm soát và các phản hồi được đo lường theo một hoặc nhiều tiêu chí đã chọn. RSM
là một kỹ thuật hữu ích để phát triển và tối ưu hóa q trình hấp thụ sinh học. Các nghiên
cứu tối ưu hóa được thực hiện bằng cách nghiên cứu ảnh hưởng của các biến bao gồm mật
độ, nồng độ ban đầu và thời gian của dung dịch với chi phí tối thiểu (Agardh 2015). Nói
chung, một số bước được thực hiện theo triển khai RSM, bắt đầu với việc lựa chọn các
biến độc lập có ảnh hưởng đáng kể đến mong muốn phản ứng. Bước tiếp theo là chọn một
thiết kế thí nghiệm và tiến hành các thí nghiệm. Bước thứ ba là phân tích thống kê dữ liệu
thu được và điều chỉnh chúng thành một hàm đa thức. Bước thứ tư là đánh giá sự phù hợp
của mơ hình và cuối cùng xác định các giá trị tối ưu. RSM có thể được sử dụng để giảm số
lượng thử nghiệm cần thiết để tìm ra các điều kiện tối ưu. RSM bao gồm toán học và thống
kê các kỹ thuật dựa trên việc điều chỉnh dữ liệu thực nghiệm với các mơ hình thực nghiệm.

Nghiên cứu của Mubeen Isam và đồng đội (2019 ) về Tối ưu hóa và mơ hình hóa Pb
(II) và Cu (II) hấp thụ sinh học lên Tảo đỏ (Gracilaria changii) bằng cách Sử dụng phương
pháp mơ hình đáp ứng bề mặt đạt hiệu suất 96.3% and 44.77% được ghi nhận từ môi trường
pH 4,5 và 5, nồng độ ban đầu là 40mg / L, thời gian tiếp xúc là 115 và 45 phút, và sinh
khối tảo là 1 g / L (Response, U., & Methodology, S. (2019)). Ngoài ra, nghiên cứu của
Sultana và đồng đội (2020) về nghiên cứu thử nghiệm và tối ưu hóa các thơng số quy trình
loại bỏ kim loại nặng dựa trên vi tảo bằng cách sử dụng phương pháp đáp ứng bề mặt đạt
6

được hiệu suất 99,54% đối với các yếu tố tối ưu tìm được: pH là 6.34, sinh khối tảo 1 g/l
và nhiệt độ là 27,710C (Sultana, Hossain, Mohammed, Irfan, & Haq 2020).
Thiết kế mơ hình Boh-Benhen (BBD) là thiết kế thử nghiệm được sử dụng phổ biến
nhất thực hiện trong phạm vi thử nghiệm. Nghiên cứu này đã khảo sát ảnh hưởng của bốn
yếu tố hấp thụ khác nhau, đó là nồng độ ban đầu, pH, mật độ tảo, về việc loại bỏ các ion
kim loại Pb (II) và Cu (II). RSM đã được sử dụng để tối ưu hóa ảnh hưởng của ion kim
loại ban đầu, thời gian tiếp xúc và sinh khối chất hấp thụ sinh học đối với quá trình hấp thụ
sinh học (Sultana, Hossain, Mohammed, Irfan, & Haq 2020).
1.5.

Đặc điểm sinh học của tảo Chlorella vulgaris

+ Đặc điểm phân loại
Về phân loại khoa học, vi tảo Chlorella vulgaris thuộc:
Giới (Domain): Plantae (Thực vật)
Ngành (Phylum): Chlorophyta
Lớp (Class): Chlorophyceae
Bộ (Ordo): Chlorococcales
Họ (Familia): Occystaceae
Chi (Genus): Chlorella

Lồi (Species): Chlorella vulgaris

Hình 1. 1. Vi tảo Chlorella vulgaris dưới kính hiển vi
+ Hình thái và đặc điểm sinh học
Chlorella vulgaris là một vi tảo đơn bào, có dạng trịn, với kích thước chỉ khoảng 210 µm (Wang 1987). Chlorella vulgaris có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp
chlorophyll a và b trong lục lạp. Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, có khả năng chịu
được những tác động cơ học.
+ Sinh sản
Chlorella vulgaris khơng có khả năng di chuyển, nên hình thức sinh sản là vơ tính.
Trong điều kiện dinh dưỡng tốt (mơi trường dinh dưỡng thích hợp, nhiệt độ, độ ẩm, ánh
sáng) mỗi tế bào tảo có thế cho từ 4 – 32 bào tử. Trong quá trình phân chia tạo tế bào con
khi các tế bào này trưởng thành tế bào mẹ vỡ ra giải phóng các tế bào con, các mảnh vụn
của tế bào mẹ vỡ ra sẽ thành thức ăn cho các tế bào con mới hình thành (Sa, Zebib, Merah,
& Pontalier, 2014), (Yamamoto, Fujishita, & Hirata 2004), (Yamamoto, Kurihara, &
Kawano 2005).
7

Hình 1. 2. Quá trình sinh sản của vi tảo Chlorella vulgaris
Trong nghiên cứu về vòng đời của vi tảo Chlorella vulgaris đã chia vòng đời của
tảo làm 4 giai đoạn (Griffiths 1963):
Giai đoạn tăng trưởng: Ở giai đoạn này các bào tử sẽ tăng nhanh về kích thước nhờ
các sản phẩm sinh tổng hợp.
Giai đoạn bắt đầu chín: Tế bào mẹ chuẩn bị q trình phân chia.
Giai đoạn chín mùi: Tế bào nhân lên trong điều kiện có ánh sáng hoặc trong bóng
tối.
Giai đoạn phân cắt: Màng tế bào mẹ bị vỡ ra, các bào tử được phóng thích ra ngoài.
+ Thành phần dinh dưỡng:
Các nhà nghiên cứu đã xác minh trong Chlorella vulgaris có chứa rất nhiều chất dinh
dưỡng. Thành phần dinh dưỡng của tảo tùy thuộc theo tốc độ sử dụng mơi trường dinh

dưỡng trong q trình phát triển. Chlorella vulgaris là nguồn thức ăn giàu Protein và chất
béo, Carbohydrat, chất xơ, chất khoáng và Vitamin.
Thành phần dinh dưỡng của tảo: Có chứa 65-68% protein, 17% đường (glucan), 6%
chất béo (Axit béo) …
Tế bào Chlorella có chứa 23 amino acid trong đó có các amino acid khơng thay thế
như lysine, methionine, tryptophan, leucine…
1.6.

Cơ chế loại bỏ kim loại nặng của vi tảo

Các q trình sinh học tích lũy KLN thường rơi vào một trong hai loại dựa trên mức
độ và sự phụ thuộc của quá trình trao đổi chất (Ferraro et al. 2018). Đặc biệt, các cơ chế
mà vi sinh vật loại bỏ KLN khỏi dung dịch bao gồm: (1) Tích lũy / kết tủa ngoại bào, (2)
Sự hấp phụ trên bề mặt tế bào, (3) Tích lũy nội bào (Ahluwalia & Goyal, 2007). Vi tảo có
khả năng hấp phụ các chất độc hại từ môi trường (Priyadarshani, Sahu, & Rath, 2012). Hấp
phụ sinh học của KLN là một hiện tượng phức tạp, tuy nhiên Monterio và cộng sự (2012)
nhấn mạnh rằng sự tích lũy của KLN bằng vi tảo thường bao gồm hai giai đoạn: (1) Loại
bỏ kim loại ban đầu (thụ động) nhanh chóng, xảy ra tại bề mặt tế bào; (2) Loại bỏ kim loại
ban đầu (chủ động) chậm, xảy ra bên trong tế bào. Quá trình đầu tiên (thụ động), xảy ra ở
cả tế bào sống và không sống. Ở đây các ion KLN được hấp phụ vào các nhóm chức hiện
diện trên bề mặt tế bào bằng các tương tác tĩnh điện. Tuy nhiên, những nhóm chức này
khác nhau về ái lực và tính đặc hiệu với từng kim loại. Q trình này bao gồm hấp phụ vật
lý, trao đổi ion, hấp phụ hóa học, kết hợp, tạo phức, khuếch tán qua thành tế bào và màng
(Monteiro, Castro, Malcata, et al. 2012). Tuy nhiên, giai đoạn thứ hai (xảy ra trong tế bào)
là một quá trình thụ thuộc vào quá trình trao đổi chất, liên quan đến việc vận chuyển các
ion kim loại qua màng tế bào và sự tích lũy tiếp theo bên trong tế bào, với sự gắn kết sau
với kết hợp với các chất nội bào. Quá trình hấp thụ kim loại này chỉ giới hạn ở tế bào vi
tảo sống và thời gian lâu (Mehta & Gaur 2001b). Theo Al – Qunaibit (2004) cho thấy giai
đoạn thứ hai này có thể là do một số cơ chế như liên kết cộng hóa trị, kết tủa bề mặt, phản
8

ứng oxi hóa khử, kết tinh trên bề mặt tế bào hoặc thường thấy nhất là khuếch tán vào bên
trong tế bào (Al-qunaibit, 2014). Khi nồng độ ngoại bào của các ion kim loại là cao hơn
đáng kể so với nồng độ nội bào của nó, liên kết các nhóm trên bề mặt có thể cho phép vận
chuyển các cation đó qua màng tế bào và tế bào chất. Theo đó, các ion kim loại cạnh tranh
để liên kết với các chất mang ion đa hóa trị hoặc các ion kim loại liên kết với các protein.
Cơ chế kháng KLN của vi tảo bao gồm các giai đoạn sau: liên kết các ion kim loại ở bề
mặt tế bào; sự kết tủa của các phức kim loại khơng hịa tan trên đó; thay đổi trạng thái oxi
hóa, vì vậy một dạng độc hại của kim loại có thể được chuyển đổi thành một loại ít độc
hơn (Monteiro, Castro, Malcata, et al. 2012).
1.7.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kim loại nặng

Mặc dù các tế bào vi tảo có một số cơ chế tự bảo vệ để tồn tại trong môi trường chứa
kim loại nhưng các yếu tố khác nhau cũng ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng. Nói
chính xác, độc tính của KLN đối với sinh vật dưới nước có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu
tố sinh học và phi sinh học. Các yếu tố sinh học bao gồm: Kích thước, giai đoạn sống, lồi,
diện tích bề mặt, tùy thuộc vào sự phân chia của vi tảo và dinh dưỡng trong quá trình sống.
Các yếu tố phi sinh học bao gồm kích thước ion, trọng lượng nguyên tử hoặc khả
năng khử của kim loại, các chất hữu cơ, pH, nhiệt độ, độ mặn, độ cứng (Monteiro, Castro,
Malcata, et al. 2012). Không phân biệt bản chất của tế bào, tương tác kim loại, sự hấp thụ
kim loại của vi tảo ảnh hưởng bởi một số thông số chẳng hạn như nhiệt độ, pH, nồng độ
kim loại ban đầu sự hiện diện của các kim loại khác, nồng độ sinh khối (Monteiro, Castro,
Malcata, et al. 2012). Ngoài ra, một điều quan trọng cần lưu ý là sự hiện diện của axit amin,
chất hữu cơ, axit humic, axit fulvic và EDTA có thể tạo phức với các ion KLN và khiến
chúng khơng cịn khả dụng. Hơn nữa, nước cứng cũng được biết đến là làm giảm độc tính
KLN. Ngược lại, sự hiện diện của một số ion như Ca, Mg, P có thể làm giảm độc tính kim
loại (S. K. M. J. P. Gaur 1999).

1.7.1. Các yếu tố sinh học ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng
+ Loài vi tảo
Khả năng xử lý KLN ở mỗi loại tảo là khác nhau. Ví dụ, theo nghiên cứu của Monterio
báo cáo ảnh hưởng của Cd đến sinh trưởng của Scenedesmus obliquus và Desmodesmus
pleiomorphus tương ứng với giá trị EC50 = 0.058 là 1.92 mg/l (Monteiro, Fonseca, Castro,
& Malcata 2011) . Các loài vi tảo thuộc cùng một chi có thể có khả năng hấp phụ khác
nhau như Chlorella miniata, Chlorella vulgaris được nghiên cứu để loại bỏ các KLN hóa
trị hai (Hg, Cd, Pb, Ni, Cu và Zn), trong khi các KLN hóa trị ba (Fe và Cr) được loại bỏ
bởi Chlorella vulgaris và Spirulina platensis.
+ Sinh khối vi tảo
Một số tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc tăng sinh khối để loại bỏ kim loại.
Quan sát lượng KLN được loại bỏ đã được cải thiện rõ ràng bằng cách tăng nồng độ sinh
khối điều này có thể giải thích là vì khi tăng nồng độ sinh khối sẽ làm tăng các liên kết kim
loại có sẵn.
Ngược lại, trong một vài trường hợp, việc loại bỏ kim loại giảm thường là ở mức sinh
khối rất cao. Điều này có thể giải thích là do khi mật độ tế bào quá cao làm giảm diện tích
bề mặt cho sự hấp phụ vì khoảng cách giữa các vị trí hấp phụ trên bề mặt vi tảo giảm trên
cùng một đơn vị thể tích (Monteiro, Castro, Malcata, et al. 2012), (Bishnoi, Pant, & Garima
2004). Bishnoi (2004) cho thấy hiệu suất xử lý kim loại Cu cao nhất đạt 85% khi sử dụng
9

0,5g/l sinh khối vi tảo. Tuy nhiên khi tăng khối lượng sinh khối vượt quá 0,5 g/l thì hiệu
suất sẽ giảm từ 85% xuống 58% (Bishnoi et al. 2004).
1.7.2. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng
+ Yếu tố pH
pH của dung dịch nước (nước thải) là một trong những yếu tố bắt buộc nhất mà trực
tiếp ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ để loại bỏ kim loại nặng trong nước thải (Ahmad,
Pandey, & Pathak, 2020). pH có thể ảnh hưởng đến độ hịa tan và độc tính của KLN trong
nước. Nó ảnh hưởng đến sự liên kết của kim loại với vi tảo (Brinza, Dring, & Gavrilescu

2007). Khi pH giảm bề mặt tế bào trở nên nhiều điện tích dương làm giảm sức hút giữa
sinh khối và ion kim loại. Do đó, khi pH cao hơn dẫn đến bề mặt được tích điện âm hơn
làm tăng khả năng gắn kết các cation kim loại trên bề mặt (Monteiro, Castro, Malcata, et
al. 2012).
Theo nghiên cứu của Pascucci (2015) thì ở các kim loại khác nhau sẽ đạt một giá trị
tối ưu khác nhau Pb= 4,5, Cu= 4,1, Zn=5,0, giá trị pH tối ưu là 4,45 đã được tìm thấy cho
ba yếu tố Pb, Zn và Cu. Bên cạnh đó khi ở độ pH 3.00 phần trăm hấp thụ không đáng kể
của bất kỳ kim loại bằng C.vulgaris (Pascucci & Sneddon, n.d. 2015). Bên cạnh đó Mehta
(2001) cũng cho thấy. Sự hấp phụ tối đa của Ni và Cu xảy ra ở pH 5,5 và 3,5 tương ứng,
các tế bào khô cho thấy tiềm năng hấp thụ kim loại lớn hơn các tế bào sống, có thể loại bỏ
tối đa của Ni và Cu, 93 và 96% ở nồng độ 2,5 mg/l. Vì vậy C. vulgaris có một tiềm năng
lớn để loại bỏ Ni và Cu đặc biệt là khi nồng độ các kim loại này đang ở mức thấp trong
mơi trường bên ngồi (Mehta & Gaur 2001a). Do đó pH có tiềm năng đáng kể để thay đổi
tiềm năng hấp phụ thông qua các q trình khác nhau như ảnh hưởng hóa học ion và các
kim loại có sẵn trong mơi trường và ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo trong trường hợp
sinh khối tảo (Ahmad et al. 2020).
+ Yếu tố nhiệt độ
Theo Mehta và cộng sự (2002), vi tảo C.vulgaris có khả năng hấp phụ Cu2+ đạt tối đa
420,67 mg/L ở 25°C và trong vòng 180 phút trong khi ở 96°C. Do đó, q trình hấp phụ
của kim loại nặng thơng qua tảo không bị ảnh hưởng trong phạm vi nhiệt độ từ 20-35°C
trong khi tại 40-50°C hiệu quả hấp phụ tăng nhưng nhiệt độ cao như vậy có thể hư hại về
cấu trúc vĩnh viễn (Ahmad et al. 2020). Sự hấp phụ của các ion đồng (II) đối với các tế bào
khô của C.vulgaris và Zoogloea ramigera đã được nghiên cứu. Nhìn chung, sự hấp phụ
cao hơn được quan sát thấy ở 25°C (Taylor, Aksu, Sag, & Kutsal 2008).
Do đó nhiệt độ ảnh hưởng đến một số yếu tố quan trọng đối với sự hấp thụ ion kim
loại. Chúng bao gồm sự ổn định của kim loại, phối tử và phức chất phối tử cũng như độ
hòa tan của các ion kim loại. Nó ảnh hưởng quan trọng đến sự hình thành kim loại, bởi vì
hầu hết các tốc độ phản ứng hóa học là rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Nhiệt độ cao
dẫn đến độ hòa tan lớn hơn của các ion kim loại trong dung dịch và do đó làm giảm sự hấp
thụ sinh học của các ion kim.

+ Yếu tố hóa trị
Sự liên kết của cation kim loại lên vi tảo phụ thuộc vào hình thức của chúng và tích
điện trong dung dịch phụ thuộc vào pH (Monteiro, Castro, Malcata, et al. 2012). Pagnanelli
đã báo cáo một số ảnh hưởng của các hóa trị kim loại đến sự hấp phụ bởi Sphaerotilus
natans (Pagnanelli, Esposito, & Toro 2003). Khả năng hấp phụ của Spirulina sp. Với Cr3+
và Cr6+ lần lượt là 304 mg/g và 333 mg/g cho thấy cùng một loại vi tảo nhưng với mỗi hóa
10

trị khác thì khả năng xử lý của vi tảo là khác nhau (Pagnanelli et al. 2003). Mặc dù thực tế
là kim loại có nhiều dạng hóa trị khác nhau (các ion tự do, phức chất với các phối tử vơ cơ/
hữu cơ…) trong nước thải, trong đó ion KLN tự do trong là dạng độc hại nhất đối với các
sinh vật sống (Gonza, Ferna, & Legane 2009).

11

CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Vi tảo Chlorella vulgaris phân lập từ phịng Cơng nghệ Tảo Khoa Sinh – Môi trường,
trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng. Được nuôi cấy trong môi trường BBM, nhiệt
độ 25 ± 10C, cường độ chiếu sáng 1000 Lux.
Kim loại nặng Cu2+ và Pb2+ nồng độ chuẩn 1000 mg/L của Merck (CHLB Đức).
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp xác định mật độ tế bào vi tảo bằng buồng đếm Neubauer.
- Pha lỗng mẫu đảm bảo trong mỗi ơ vng khơng lớn hơn 10 tế bào và không nhỏ
hơn 2 tế bào.

- Lắc đều ống nghiệm pha loãng mẫu.
- Nhỏ 1 giọt dung dịch mẫu vào giữa phòng đếm và đậy lại bằng lá kính, chú ý khơng
để tạo bọt khí.
- Đặt buồng đếm lên bàn kính hiển vi, để yên 3 – 5 phút, sau đó tiến hành đếm số
lượng tế bào trong 5 ô lớn chéo nhau (chọn 4 ô ở 4 góc và một ơ ở chính giữa).
Cách đếm số tế bào trong mỗi ô lớn như sau: mỗi ô nhỏ có 4 cạnh giới hạn, đếm số
lượng tế bào nằm trọn trong ô và những tế bào nằm trên 2 cạnh liên tiếp cùng chiều, ví dụ:
đếm cạnh bên dưới và cạnh bên phải. Đếm các ô từ trái sang phải, từ hàng trên xuống hàng
dưới rồi đổi chiều.
Đếm như vậy cho đến ô cuối cùng của 16 ô con (Quantitative & Analysis 2010).
Số lượng tb/mL = (X x 1000) / (Y x W2 x d)
Trong đó:
X: số lượng tế bào được đếm
Y: số lượng ô vuông nhỏ nhất được đếm
D: độ dày của lớp nước trong buồng đếm
W: cạnh của một ơ vng
W2 x d: thể tích của dung dịch trong một ô vuông nhỏ nhất

12

Hình 2. 1. Buồng đếm hồng cầu Neubauer
2.2.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử Atomic Absorbtion Spectrometric
(AAS) theo TCVN 6193:1996 về chất lượng nước.
Hàm lượng KLN được xác định bằng phương pháp hóa hơi nguyên tử ngọn lửa
(flame) trên hệ thống hấp thụ nguyên tử Analytik Jena 700P để đo nồng độ kim loại nặng
có trong mẫu nước.
2.2.3. Phương pháp xác định hiệu suất xử lý KLN
Sau từng khoảng thời gian các nghiệm thức được rút ra 2ml ly tâm 10000 vòng/ phút
trong 10 phút để thu phần dung dịch sau đó đem đi hàm lượng kim loại nặng còn lại để xác

định hiệu suất. Hiệu suất xử lý được xác định theo công thức (Schlu 2013).
R (%) = (Co-Ct)/Co x 100
Trong đó:
R: là hiệu suất xử lý kim loại nặng (%)
Co: Nồng độ kim loại nặng ban đầu (mg/l)
Ct: Nồng độ kim loại nặng theo thời gian (mg/l)
2.2.4. Phương pháp mơ hình đáp ứng bề mặt (RSM)
Phương pháp của mơ hình đáp ứng bề mặt được giải thích bằng phương trình đa thức
bậc hai (Sultana, Hossain, Mohammed, Irfan, & Haq 2020):
Y= 𝛽0 + ∑𝑁𝑖=1 𝛽0 𝑥𝑖 + ∑𝑁𝑖=1 𝛽𝑖𝑗 𝑥𝑖2 + ∑ 𝑖 < 𝑗 ∑ 𝛽𝑖𝑗 𝑥𝑖 𝑥𝑗 + 𝜀
Trong đó:
Y: biểu thị phản hồi
xi: biểu thị các tham số được mã hóa,
βo: biểu thị thuật ngữ chặn
βi: biểu thị hiệu ứng tuyến tính
βii: biểu thị hiệu ứng bình phương
βij: biểu thị hiệu ứng tương tác
13

ɛ : là thuật ngữ sai số
Tối ưu hóa với tham số RSM-DF: Trong hiệu quả xử lý kim loại, loại bỏ cao hơn thì
tốt hơn. Trong mức độ loại bỏ tối đa DF (di, biểu thị đầu ra yếu tố thứ i) được tích hợp
với RSM và trình bày bằng phần mềm minitab (phiên bản 19), khả năng mức độ mong
muốn đơn lẻ d và mong muốn tổng hợp D (Yaghmaeian & Jaafari 2018):
0
di= {(

𝑦𝑖 < 1

𝑦𝑖−𝐿
𝑈−𝐿

)^𝑤

𝐿≤𝑖≤𝑈

1

𝑦𝑖 > 𝑈
1

D = (𝑑1𝑥𝑑2𝑥. . . . . 𝑥𝑑𝑛)𝑛 = ∏𝑛𝑖=1 𝑑𝑖

1/𝑛

Trong đó: W là trọng lượng. L và U lần lượt là giá trị dưới và giá trị trên và yi là
phản hồi thứ y.
2.2.5. Phương pháp xử lý số liệu
Dữ liệu được thống kê mơ tả, phân tích phương sai Anova với mức ý nghĩa (α = 0.01)
và vẽ biểu đồ bằng phần mềm Minitab (phiên bản 19).
Xây dựng mô hình phi tuyến tính bậc 2 đầy đủ tìm điểm tối ưu hiệu suất xử lý Cu và
Pb bởi vi tảo Chlorella vulgaris bằng phần mềm Minitab (phiên bản 19).
2.2.6. Bố trí thí nghiệm
Mơ hình được thiết kế thử nghiệm bắt nguồn từ thiết kế Box-Behnken (BBD) được
thể hiện trong ba tham số (A:nồng độ, B: pH và C:mật độ) được lấy làm biến đầu vào trong
thiết kế Box- Behnken và 15 thí nghiệm đã được thực hiện để thu được dữ liệu. Mỗi biến
số tiến hành tại 3 mức (-1, 0, +1) được trình bày trong Bảng 1.1.
Bảng 1. 1. Phạm vi và cấp độ của các biến độc lập đối với kim loại Cu, Pb.
Biến

Phạm vi và cấp độ

Hệ số
-1

0

1

Nồng độ ban đầu
(mg/l)

A

30

50

70

pH

B

3

4

5

Mật độ tảo (tế bào/ml)

C

1,5x106

2,5x106

3,5x106

14

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
3.1.

Phân tích xây dựng mơ hình RSM

Kết quả thực nghiệm được sử dụng như trong bảng 3.1 và 3.2 để xây dựng mơ hình
đáp ứng bề mặt RSM dùng để dự đoán tương quan hiệu suất xử lý (hiệu suất loại bỏ Cd,
Y) với ba yếu tố độc lập: nồng độ ban đầu (A), pH (B) và mật độ tảo (C).
YCu= -644,4+3,37A+226,5B+100C-0,0399A2-30,22B225,11C2+0,319AB+0,002AC+7,76BC
YPb= -451+0,61A+261,1B-32,8C-0,0073A2-33,66B23,07C2+0,028AB+0,068AC+10,93BC
Bảng 3. 1. Các phản hồi thử nghiệm (Yexp) và dự đoán (Ypre) dựa trên mơ hình BBD đối
với hiệu suất loại bỏ Cu. Các kết quả dự đốn được tính tốn bằng cách sử dụng cơng
thức
Thứ tự
thí
nghiệm