Nghiên cứu phát triển thiết bị pin nhiên liệu vi sinh vật (Microbial Fuel Cell) sử dụng làm cảm biến sinh học đánh giá chất lượng nước thải

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN




NÔNG MINH TUẤN


NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ PIN NHIÊN LIỆU
VI SINH VẬT (MICROBIAL FUEL CELL) SỬ DỤNG LÀM
CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC





Hà Nội - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN




NÔNG MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ PIN NHIÊN LIỆU
VI SINH VẬT (MICROBIAL FUEL CELL) SỬ DỤNG LÀM
CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI

Chuyên ngành: Vi sinh vật học
Mã số: 60420107

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. PHẠM THẾ HẢI


Hà Nội – 2014


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, Em xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Thế Hải, giảng viên bộ môn Vi sinh vật
học, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên-Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Đồng thời em cũng xin cảm ơn Ths. Nguyễn Thu Thủy, phòng Vi sinh vật học môi
trường, và KTV Đỗ Minh Phương, phòng thí nghiệm bộ môn Vi sinh vật học đã giúp đỡ
trong thời gian em làm luận văn ở phòng.
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô trong Khoa sinh học-
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên-Đại Học Quốc Gia Hà Nội, đã tận tình giảng dạy,
truyền đạt những kiến thức chuyên môn, bổ ích cho em trong suốt thời gian học tập tại
Trường.
Tôi cũng vô cùng cảm ơn các bạn trong lớp và các em sinh viên phòng Vi sinh vật
học môi trường đã động viên, hỗ trợ tôi trong thời gian học tập và làm đề tài.

Cuối cùng, với tất cả lòng kính trọng và biết ơn vô hạn, con xin gửi lời cảm ơn tới
Bố, Mẹ và những người thân trong gia đình đã nuôi nấng, dậy dỗ, và luôn ủng hộ, động
viên con trong suốt quá trình học làm người.
Luận văn được thực hiện trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu mã số 08/HĐ -
ĐT.08.14/CNMT thuộc “Chương trình nghiên cứu khoa học, ứng dụng và chuyển giao công
nghệ phát triển ngành công nghiệp môi trường” của Bộ Công thương.

Hà Nội, ngày….tháng….năm 2014
Học Viên


Nông Minh Tuấn

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH ẢNH
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1 – TỔNG QUAN 3
1.1 Ô NHIỄM NƢỚC TẠI VIỆT NAM 3
1.2 PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI SAU XỬ LÝ . 5
1.3 CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI SAU
XỬ LÝ 7
1.3.1 Cảm biến sinh học dựa trên hành vi của sinh vật 7
1.3.2 Cảm biến sinh học vi sinh vật 9
1.4 PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT 12
1.4.1 Các loại Thiết kế MFC 15
1.4.2 Vật liệu cấu tạo MFC 17
1.4.2.1 Vật liệu cho điện cực 17

1.4.2.2 Màng trao đổi ion 19
1.4.3 Vật liệu tạo khung cho MFC 22
1.4.4 Ứng dụng của MFC 23
1.5 HỆ VI SINH VẬT TRONG MFC 24
1.6 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT TRONG MFC 27
Chƣơng 2 – VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 29
2.1.1 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ 29
2.1.2 Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu 30
2.2 CÁC THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31
2.2.1 Lựa chọn thiết kế tối ƣu cho MFC 31
2.2.2 Thiết kế, lắp đặt hệ thống MFC 31
2.2.3 Quy trình làm giầu vi sinh vật trong các MFC: 32
2.2.4 Vận Hành Hệ Thống MFC 33
2.2.5 Đo đạc và xử lý số liệu 35
2.2.7 Phƣơng pháp DGGE 38
Chƣơng 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43
3.1 LỰA CHỌN THIẾT KẾ MFC PHÙ HỢP 43
3.1.1 Lựa chọn vật liệu cho MFC 43
3.1.2 Lựa chọn thiết kế MFC nhằm phát triển cảm biến sinh học 44
3.1.3 Thử nghiệm để chọn lựa thiết kế thiết kế ƣu việt hơn 47
3.1.3.1 Kết quả làm giàu hệ vi sinh vật điện hóa trong MFC 47
3.1.3.2 So sánh các MFC với dạng thiết kế khác nhau 48
3.2 LỰA CHỌN NGUỒN VI SINH VẬT PHÙ HỢP ĐỂ LÀM GIÀU HỆ VI
SINH VẬT ĐIỆN HÓA TRONG CÁC MFC 53
3.2.1 Dòng điện phát sinh bởi các MFC trong giai đoạn làm giàu hệ vi sinh vật
điện hóa 53
3.2.2 Độ ổn định của dòng điện phát sinh trong MFC sau khi làm giàu thành công
hệ vi sinh vật điện hóa 55

3.2.3 Kết quả phân lập hệ vi sinh vật trong điện cực anode của MFC sau khi làm
giàu thành công 57
3.2.4 Kết quả phân tích quần xã vi khuẩn bằng phƣơng pháp DGGE 60
3.2.5 Kết quả phân tích trình tự các băng DNA thu đƣợc từ các quần xã trên
DGGE 63
3.3 BƢỚC ĐẦU THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG MFC VỚI DUNG DỊCH MÔ
PHỎNG NƢỚC THẢI SAU XỬ LÝ TRONG PHÕNG THÍ NGHIỆM 66
KẾT LUẬN 68
KIẾN NGHỊ 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70
PHỤ LỤC




DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ
Tên tiếng anh
Tên tiếng việt
AEM
Anion exchange membrane
Màng anion
BH
-
Nguồn quần xã từ bùn hoạt tính
BOD
Biochemical oxigen demand
Nhu cầu oxy sinh hóa

BPM
Bipolar membrane
Màng phân cực
BT
-
Nguồn quần xã từ bùn tự nhiên
CEM
Cation exchange membrane
Màng cation
COD
Chemical oxigen demand
Nhu cầu oxy hóa học
DGGE
Denaturing gradient gel
electrophoresis
Điện di gradient gel biến tính
ĐT
-
Nguồn quần xã từ đất tự nhiên
HH
-
Nguồn quần xã từ hỗn Hợp
MFC
Microbial fuel cell
Pin nhiên liệu vi sinh vật
NT
-
Nguồn quần xã từ nƣớc thải
PCR
Polymerase Chain Reaction

Phản ứng chuỗi trùng hợp
R
int
Internal resistance
Điện trở trong




DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 Nguyên lý hoạt động của một MFC 12
Hình 2: (a) Thiết kế MFC sử dụng chổi than chì là điện cực anode nhƣ là một bề
mặt cho vi sinh vật phát triển và với điện cực cathode sử dụng vải carbon (b) Biểu
diễn phƣơng thức truyền điện tử của trong màng biofilm: sản sinh nanowires, chất
truyền điện tử trung gian, và tiếp xúc qua bề mặt tế bào 13
Hình 3: Hai dạng thiết kế MFC 14
Hình 4: Vật liệu carbon sử dụng cho điện cực anodes: (A) giấy carbon, (B) vải các
bon, (C) lƣới carbon 18
Hình 5: Một vài vật liệu dùng làm điện cực cho MFC (A) Thanh than chì (B; C; D)
Tấm than chì 18
Hình 6: (A) Hạt than chì, (B; C) Chổi than chì (D) Sợ than chì 19
Hình 7: Các loại màng đƣợc sử dụng trong MFC 21
Hình 8: Cơ chế hoạt động của các loại màng phân tách 21
Hình 9: MFC hai khoang-khung thủy tinh 22
Hình 10: MFC một khoang-khung thủy tinh 22
Hình 11: MFC một khoang- khung polyacrylic 23
Hình 12: MFC hai khoang- khung polyacrylic 23
Hình 13: MFC dạng ống- khung polypropylen 23
Hình 14: MFC một khoang- khung Plexiglas 23
Hình 15 : MFC khoang chữ nhật 32

Hình 16 : MFC khoang trụ 32
Hình 17: Sơ đồ hoạt động hệ thống MFC 34
Hình 18: Hệ thống MFC vận hành trong phòng thí nghiệm 34

Hình 19: Biểu đồ hiệu điện thế MFC trong quá trình làm giàu (BOD 50 ppm) 47
Hình 20: Hiệu điện thế MFC khoang hình hộp chữ nhật sau quá trình làm giàu
(BOD 50 ppm) 49
Hình 21: Hiệu điện thế MFCs khoang hình trụ sau quá trình làm giàu 49
Hình 22: MFC khoang hình hộp chữ nhất 51
Hình 23: MFC khoang hình trụ 51
Hình 24: MFC khoang hình hộp chữ nhất 52
Hình 25: MFC khoang hình trụ 52
Hình 26: Quá trình làm giàu MFC với nguồn quần xã khác nhau 54
Hình 27: So sánh dòng điện sau quá trình làm của MFC tại hai thời điểm có khoảng
là cách 20 ngày 56
Hình 28: Ảnh phân lập mẫu điện cực anode từ MFC đã đƣợc làm giàu thành công 57
Hình 29: Tỷ lệ phần trăm số chủng vi khuẩn phân lập đƣợc từ điện cực anode tại
các MFC 59
Hình 30: Kết quả kiểm tra sản phẩm PCR gen 16s rRNA và vùng V3 60
Hình 31: Kết quả phân tích gen 16S rRNA bằng DGGE của các mẫu quần xã vi
khuẩn trong các nguồn khác nhau và các mẫu quần xã vi khuẩn từ điện cực anode
của các MFC làm giàu từ các nguồn 62
Hình 32: Kết quả phân tích tƣơng quan của các quần xã vi khuẩn đƣợc nghiên cứu
dựa trên kêt quả DGGE (bằng cách sử dụng phần mềm NTSYSpc 2.0) 63
Hình 33: Biểu đồ dòng điện trung bình của MFC thử nghiệm với các nồng độ BOD
khác nhau trong dung dịch nƣớc thải mô phỏng ở anode 67
Hình 34: Vị trí các băng DNA trên DGGE đƣợc thôi gel và đem giải trình tự 1


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Đặc trƣng thành phần nƣớc thải của một số ngành công nghiệp 3
Bảng 2: Tổng lƣợng nƣớc thải và lƣợng thải các chất ô nhiễm trong nƣớc thải từ
một số khu công nghiệp đồng bằng sông hồng 4
Bảng 3: Một số thông số ô nhiễm nƣớc thải trong công nghiệp theo tiêu chuẩn 5
Bảng 4: Theo dõi sự thay đổi hành vi của cá liên kết với điều kiện stress 8
Bảng 5: Tổng hợp nghiên cứu về cảm biến sinh học vi sinh vật quang học 10
Bảng 6: Các chủng vi khuẩn điện hóa trong MFC không sử dụng chất truyền điện tử
trung gian 26
Bảng 7: Môi trƣờng LB 35
Bảng 8: Môi trƣờng C 36
Bảng 9: Môi trƣờng PDA 36
Bảng 10: Môi trƣờng Hansen 37
Bảng 11: Môi trƣờng BG 11 37
Bảng 12: Thành phần của dung dịch Trace metal mix A5 38
Bảng 13: Thành phần và chu trình nhiệt phản ứng PCR nhân gen16s rRNA 39
Bảng 14: Thành phần và chu trình nhiệt phản ứng PCR nhân vùng V3 thuộc gen16s
rRNA 40
Bảng 15: Thành phần của dung dịch biến tính 0% và 60% 41
Bảng 16: Thành phần của “Working solution” 41
Bảng 17: Phân tích ƣu nhƣợc điểm của các vật liệu cấu tạo MFC 43
Bảng 18: Phân tích ƣu nhƣợc điểm vật liệu cấu tạo khung MFC 44
Bảng 19: Phân tích ƣu nhƣợc điểm của các loại màng phân tách 44
Bảng 20: Phân tích ƣu nhƣợc điểm các loại thiết kế MFC 45

Bảng 21: Tổng hợp các nghiên cứu về dạng MFC biosensor 46
Bảng 22: Bảng so sánh trình tự các băng DNA đƣợc thôi gel từ gel DGGE với dữ
liệu trình tự DNA trên NCBI 64
1
MỞ ĐẦU
Nƣớc là một phần thiết yếu trong quá trình sinh hoạt–sản xuất của con ngƣời.

Tuy nhiên, với sự phát triển của dân số, quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa,
lƣợng nƣớc do con ngƣời sử dụng đang ngày càng gia tăng, đi kèm với nó là hậu
quả gây ô nhiễm nƣớc nghiêm trọng. Ảnh hƣởng của ô nhiễm nƣớc đối với sức
khỏe con ngƣời có thể thông qua hai con đƣờng: (i) ăn-uống phải nƣớc bị ô nhiễm
hay các loại rau quả và thủy sản đƣợc nuôi trong môi trƣờng nƣớc ô nhiễm, (ii) do
tiếp xúc với môi trƣờng nƣớc trong quá trình lao động và sinh hoạt. Ngoài ra ô
nhiễm nƣớc còn kéo theo các thiệt hại về kinh tế do bệnh tật, thiệt hại về thủy sản
và nông nghiệp, và ảnh hƣởng tới nguồn cung cấp nƣớc sạch [2, 4, 5].
Một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nƣớc hiện nay là
tình trạng nƣớc thải chƣa qua xử lý hoặc xử lý kém đƣợc trực tiếp xả vào môi
trƣờng. Để ngăn chặn nguy cơ này thì cần phải có các phƣơng pháp hợp lý để đánh
giá nhanh chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý, nhằm đáp ứng nhu cầu của ngƣời sản xuất
cũng nhƣ ngƣời quản lý [2].
Phƣơng pháp phân tích hóa-lý là phổ biến hiện nay đƣợc sử dụng cho việc
phân tích-đánh giá chất lƣợng nƣớc thải. Phƣơng pháp này sử dụng mối tƣơng tác
giữa chất cần phát hiện trong nƣớc với một loại hóa chất đƣợc thêm vào dùng làm
chỉ thị để định tính cũng nhƣ định lƣợng chất cần kiểm tra, hoặc áp dụng các kỹ
thuật nhƣ: sắc ký lỏng cao áp (HPCL), sắc ký phối khổ (GC – MS), hay phƣơng
pháp so màu Tuy nhiên, tất cả các kỹ thuật này đòi hỏi ngƣời phân tích phải có tay
nghề chuyên môn cao, tốn kém trong sử dụng, và thời gian phân tích dài. [1].
Những nghiên cứu gần đây đã tập trung phát triển phƣơng pháp sử dụng tác
nhân sinh học nhƣ một cảm biến hay một hệ thống cảnh báo sớm chất lƣợng nƣớc.
Cảm biến sinh học (biosensor) là hệ thống phân tích các tác nhân sinh học nhƣ
DNA, enzymes, mô, cơ thể sống kết hợp với việc đánh giá – đo lƣờng các dấu hiệu
hóa – lý các tác nhân sinh học đó. Các cảm biến sinh học tỏ ra thuận lợi trong việc
2

đánh giá chất lƣợng nƣớc nhƣ kiểm tra trực tiếp nguồn nƣớc, nhạy cảm với chất độc
và phát hiện nhiều độc tố cùng một thời điểm, cảnh báo chất độc, không chỉ theo
dõi độc tính mà còn theo dõi tốc độ thay đổi thành phần-nồng độ chất độc, có thể

theo dõi từ xa, dễ dàng sử dụng [9, 32, 66, 70, 73]. Trong đó, cảm biến sinh học
khai thác quá trình trao đổi chất của vi sinh vật đang đƣợc đặc biệt quan tâm nghiên
cứu và ứng dụng [32]. Pin nhiên liệu vi sinh vật là một dạng thiết bị cảm biến hoạt
động dựa trên hoạt tính điện hóa của vi sinh vật. Loại thiết bị này đƣợc nghiên cứu
tại nhiều quốc gia nhƣ Hàn Quốc, Hoa Kỳ, hay Châu Âu, chúng có ƣu điểm nhƣ có
khả năng chỉ dẫn BOD nƣớc thải, có thời gian phản ứng nhanh, dễ dàng sử dụng,
chi phí thấp [17, 25, 26, 29].
Tại Việt Nam hiện nay những nghiên cứu về pin nhiên liệu vi sinh vật cũng
nhƣ ứng dụng chúng làm cảm biến sinh học trong đánh giá chất lƣợng nƣớc thải còn
khá hạn chế [52]. Nhằm góp phần vào các nghiên cứu về pin nhiêu liệu vi sinh cũng
nhƣ phát triển một thiết bị cảm biến có khả năng đánh giá chất lƣợng nƣớc thải với
thời gian phân tích nhanh và khả năng sử dụng nhiều lần… chúng tôi tiến hành đề
tài “ Nghiên cứu phát triển thiết bị pin nhiên liệu vi sinh vật (Microbial fuel cell)
sử dụng làm cảm biến sinh học đánh giá chất lượng nước thải”.






3

Chƣơng 1 – TỔNG QUAN
1.1 Ô NHIỄM NƢỚC TẠI VIỆT NAM
Ô nhiễm nƣớc xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau, tuy nhiên tại Việt
Nam hiện nay có bốn nguồn gây ô nhiễm nƣớc chính: nƣớc thải nông nghiệp, công
nghiệp, sinh hoạt và y tế. Theo Báo cáo môi trƣờng quốc gia 2012 của Việt Nam,
nƣớc thải sinh hoạt chiếm 30% tổng lƣợng nƣớc thải trực tiếp ra các sông hồ; kênh
rạch. Trong giai đoạn đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc, nhiều
ngành công nghiệp đƣợc mở rộng quy mô sản xuất, cũng nhƣ phạm vi phân bố. Tuy

nhiên mức đầu tƣ cho hệ thống xử lý nƣớc thải lại chƣa đáp ứng đƣợc nhƣ cầu này,
Số lƣợng nƣớc thải công nghiệp đƣợc xử lý là đang ở mức trung bình (50 – 60%),
nhƣng hơn 50% hệ thống xử lý đó vẫn chƣa hoạt động hiệu quả. Cũng theo báo cáo
của Sở Tài Nguyên Môi Trƣờng Hà Nội năm 2009, có tới 93% tổng lƣợng nƣớc thải
chƣa đƣợc xử lý xả thẳng vào hệ thống, lƣợng nƣớc còn lại chỉ đƣợc xử lý sơ bộ
trong các bể tự hoại, bể lắng trong tuyến thoát nƣớc. Bên cạnh đó, nƣớc thải nông
nghiệp cũng là vấn đề đáng quan tâm hiện nay. Nƣớc thải nông nghiệp thƣờng chứa
các chất hóa chất bảo vệ thực vật, hay thuốc trừ sâu gây hại cho sức khỏe con ngƣời
và hệ sinh thái nƣớc mặt [2, 4].
Bảng 1: Đặc trƣng thành phần nƣớc thải của một số ngành công nghiệp [2]
Ngành công nghiệp
Chất ô nhiễm chính
Chất ô nhiễn phụ
Chế biến đồ hộp, thủy sản, rau quả,
đông lạnh
BOD, COD, pH, SS
Màu, tổng P, N
Chế biến nƣớc uống có cồn, bia,
rƣợu
BOD, pH, SS, N, P
TDS, màu, độ đục
Chế biến thịt
BOD, pH, SS, độ đục
NH
4
+
,

P , màu
Sản xuất bột ngọt

BOD, SS, pH, NH
4+

Độ đục, NO
3
-
, PO
4
3-

Cơ khí
COD, dầu mỡ, SS, CN
-
,
Cr, Ni
SS, Zn, Pb, Cd
4

Bảng 2: Tổng lƣợng nƣớc thải và lƣợng thải các chất ô nhiễm trong nƣớc thải
từ một số khu công nghiệp đồng bằng sông hồng [4]
Khu Vực
Lƣợng
nƣớc thải
(m
3
/ ngày)
Tổng lƣợng các chất ô nhiễm (Kg/ ngày)
TSS
BOD
5

COD
Tổng N
Tổng P
Bắc Ninh
38946
8568
5336
12424
2259
3116
Hà Nội
36577
8047
5011
11668
2122
2926
Hải Phòng
14026
3086
1922
4474
814
1122
Quảng Ninh
8050
1771
1103
2568

467
644
Hải Dƣơng
23806
5237
3261
7594
1381
1904
Hƣng Yên
12350
2717
1692
3940
716
988
Ô nhiễm nƣớc đƣợc xem là một mối đe dọa cho sức khỏe cộng đồng, gây ra
thiệt hại lớn về kinh tế và phá hoại hệ sinh thái. Theo đánh giá của ngân hàng thế
giới, Việt Nam có thể chịu tổn thất do ô nhiễm môi trƣờng lên tới 5, 5 % GDP và
780 triệu USD trong lĩnh vực sức khỏe cộng đồng vì ô nhiễm môi trƣờng. Ô nhiễm
sông Thị Vải là một ví dụ điển hình: một đoạn sông dài khoảng 12 km (từ hợp lƣu
suối Cả-sông Thị Vải tới khu vực cảng Khú Mỹ, phía sau khu công nghiệp Mỹ
Xuân) hầu nhƣ không một loài tôm, cá, thủy sản nào có thể tồn tại và phát triển. Tại
khu vực này chỉ còn chứa các động-thực vật phù du. Ƣớc tính ban đầu diện tích
nông nghiệp bị thiệt hại là 1.438,5 ha, trong đó phần lớn là ao nuôi thủy sản và 29,5
ha là đất nông nghiệp. Một ví dụ khác, một nghiên cứu về ảnh hƣởng của hoạt động
sản xuất tại khu chế biến kim loại màu thuộc tỉnh Thái Nguyên chỉ ra rằng, hàm
lƣợng chì và arsen trong nƣớc thải sinh hoạt tại vùng này cao hơn 1,5 – 6 lần so với
vùng đối chứng. Qua xét nghiệm máu của phụ nữ trong độ tuổi sinh sản sống liên
tục ở vùng nghiên cứu 5 năm cho thấy hàm lƣợng chì và arsen trong máu của họ cao

hơn trong máu của ngƣời ở vùng đối chứng 3 – 80 lần [2, 4].
5

Từ các dẫn liệu trên có thể thấy việc xả nƣớc thải xử lý kém là một trong
những nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm nƣớc nghiêm trọng. Vì vậy, một nhu
cầu thực tế hiển nhiên đƣợc đặt ra là cần có các phƣơng pháp hiệu quả để đánh giá
nhanh chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý.
1.2 PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI SAU XỬ LÝ
Đánh giá chất lƣợng nƣớc cũng nhƣ mức độ ô nhiễm của nƣớc cần đựa vào
một số thống số cơ bản về thành phần hóa học và sinh học đối với từng loại nƣớc sử
dụng với các mục đích khác nhau và so sánh chúng với chỉ tiêu cho phép. Các thông
số cơ bản bao gồm: độ pH, màu sắc, độ đục, hàm lƣợng chất rắn, các chất lơ lửng
(huyền phù), các kim loại nặng, chỉ số COD (nhu cầu oxy hóa học-chemical oxygen
demand) và BOD (nhu cầu oxy sinh hóa-Biochemical oxygen demand)…
Bảng 3: Một số thông số ô nhiễm nƣớc thải trong công nghiệp theo tiêu chuẩn
Việt Nam QCVN40: 2011/BTNMT [3]
1
Thông số
Đơn vị
Giá trị C
A
B
1
Nhiệt độ
o
C
40
40
2
Màu

Pt/Co
50
150
3
pH
-
6-9
5,5-9
4
BOD
5
(20
o
C)
mg/lít
30
50
5
COD
mg/lít
75
150
6
Chất rắn lơ lửng
mg/lít
50
100
7
Asen
mg/lít

0,05
0,1
8
Thủy ngân
mg/lít
0,005
0,01
9
Chì
mg/lít
0,1
0,5
10
Cadimi
mg/lít
0,05
0,1
11
Crom (VI)
mg/lít
0,05
0,1
12
Crom (III)
mg/lít
0,2
1
Hàm lƣợng chất rắn có trong nƣớc bao gồm: các chất vô cơ ở dạng muối hòa
tan hoặc không hòa tan đƣợc nhƣ đất đá, các chất hữu cơ nhƣ xác của vi sinh vật,
6

tảo, nấm, động vật nguyên sinh…Tổng chất rắn (TS) đƣợc xác định bằng trọng
lƣợng khô thành phần còn lại sau khi cho bay hơi 1 lít mẫu nƣớc rồi sấy khô ở
103
o
C, hay chất rắn huyền phù (SS) là trọng lƣợng khô của chất rắn sau khi cho 1 lít
mẫu nƣớc đi qua giấy lọc sợi thủy tinh rồi sấy ở 103 – 105
o
C tới khối lƣợng không
đổi [1, 3, 54].
Các kim loại nặng trong nƣớc hay các chất độc hữu cơ (nhƣ phenol, DDT,
thuốc diệt cỏ…) có thể đƣợc đánh giá bằng các phƣơng pháp so màu với thuốc thử,
sắc ký, hoặc chuẩn độ theo thể tích với một chất hóa học. Ví dụ, để xác định hàm
lƣợng phenol có thể sử dụng một trong hai phƣơng pháp sau: (1) Phƣơng pháp xác
định phenol bằng phƣơng pháp đo màu theo nguyên tắc là tách phenol ra khỏi nƣớc
và cho tác dụng với 2-6 dicloroquinon diclorimmid để tạo phức màu xanh của
indophenol, và qua cƣờng độ màu thu đƣợc ta biết đƣợc hàm lƣợng phenol (đo bƣớc
sóng 610 nm). (2) phƣơng pháp chuẩn độ thể tích theo phép đo iot bằng cách cho
phenol trong nƣớc tác dụng với brom tạo thành tribromophenol, khi thêm kali iodua
vào dung dịch, lƣợng brom phản ứng thừa với phenol sẽ đẩy iot ra khỏi muối
kaliiodua, sau đó ta tiến hành định lƣợng iot bằng natri thiosunfat và qua đó ta tính
đƣợc hàm lƣợng phenol. Một ví dụ khác là phƣơng pháp xác định hàm lƣợng asen
trong nƣớc thải bằng cách so màu trên quang sắc kế với bạc dietylthiocacbamat:
dùng hydro mới sinh để khử muối asen thành khí asin (AsH
3
); asin sau khi đi qua
một ống chứa bông thủy tinh hoặc giấy lọc tẩm chì axetat rồi đi vào ống hấp thụ có
chứa bạc dietylthiocacbamat hòa tan trong pirindin. Trong ống hấp phụ asen phản
ứng với muối bạc tạo thành một phức tan màu đỏ sử dụng để so màu, cƣờng độ màu
sẽ tỷ lệ với hàm lƣợng asen có trong nƣớc (đo ở bƣớc sóng 350 - 540 nm) [1, 3].

Chỉ số COD là lƣợng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa toàn bộ các chất
hữu cơ có trong nƣớc thải thành CO
2
và H
2
O. Để xác định chỉ số này ngƣời ta
thƣờng xử dụng chất oxy hóa mạnh trong môi trƣờng axit (thƣờng là bicromat-
K
2
Cr
2
O
7
). Lƣợng bicromat dƣ đƣợc chuẩn độ bằng dung dịch muối Mohrp-
Fe(NH
4
)
2
(SO
4
)
2
với chỉ thị là dung dịch Ferroin (chỉ thị sẽ chuyển từ màu xanh lam
sang màu đỏ nhạt) [1, 3, 54].
7

Chỉ số BOD là nhu cầu oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ có trong
nƣớc bằng vi sinh vật (thƣờng là vi khuẩn) dị dƣỡng, hiếu khí. Quá trình oxy hóa
chất hữu cơ này đòi hỏi thời gian dài ngày, phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ,
các chủng loại vi sinh vật, hay nhiệt độ và thành phần độc tính của nƣớc. Phƣơng

pháp thƣờng sử dụng hiện nay để đo chỉ số BOD của nƣớc là chỉ số BOD
5
: tức là
xác định lƣợng oxy cần thiết để oxy hóa chất hữu cơ trong 5 ngày tại nhiệt độ 20
o
C
trong bóng tối [1, 3, 54].
Các phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng nƣớc thải ở trên có ƣu điểm là: định
lƣợng chính xác nồng độ chất gây ô nhiễm, đã đƣợc áp dụng rộng rãi tại nhiều nƣớc
trong thời gian dài. Tuy nhiên chúng lại có những nhƣợc điểm nhƣ: không thể chi ra
nhiều tác nhân gây ô nhiễm cùng một lúc, thời gian phân tích khá dài, giá thành đắt,
quy trình phân tích đòi hỏi ngƣời có chuyên môn cao và máy móc-hóa chất đắt
tiền… Vậy nhằm hƣớng tới sự thuận tiện và hiệu quả (đặc biệt là về mặt thời gian)
trong việc đánh giá chất lƣợng nƣớc thải của ngƣời quản lý hay các công ty tƣ nhân,
việc đƣa ra đƣợc một phƣơng pháp đánh giá nhanh chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý,
với chi phí cạnh tranh và dễ sử dụng đang là một nhu cầu bức thiết.
1.3 CẢM BIẾN SINH HỌC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI SAU
XỬ LÝ
Một cảm biến sinh học (Biosensor) là một hệ thống phân tích sử dụng các tác
nhân sinh học nhƣ DNA, enzymes, mô, cơ thể sống kết hợp với việc đánh giá – đo
lƣờng các dấu hiệu hóa – lý của các tác nhân sinh học đó. Các dạng cảm biến sinh
học hay đƣợc sử dụng hiện nay để đánh giá chất lƣợng nƣớc thải thƣờng thuộc hai
dạng: (i) cảm biến dựa trên hành vi của sinh vật, hoặc (ii) cảm biến sử dụng vi sinh
vật [8, 32, 65, 66].
1.3.1 Cảm biến sinh học dựa trên hành vi của sinh vật
Nghiên cứu hành vi của sinh vật cung cấp các hiểu biết liên quan đến sinh lý
và sinh thái của sinh vật và môi trƣờng của chúng. Các đặc tính hành vi này gồm
8

chuỗi của hành động có thể xác định. . Việc nghiên cứu các đặc tính này cần dựa

trên những hiểu biết về hệ thống thần kinh ngoại vi, và sự tích lũy - biểu hiện của
gen, các phản ứng sinh hóa, quá trình sinh lý cần thiết cho cơ thể sống, nhƣ việc ăn,
sinh sản, tránh xa động vật ăn thịt Các đặc tính hành vi này cho phép các sinh vật
có thể điều chỉnh các nhân tố bên trong và bên ngoài cơ thể nhằm giúp cho chúng
có thể thích nghi với những biến đổi của môi trƣờng. Nhờ có các đặc tính hành vi
này và sự ổn định của chúng mà sinh vật có thể sống sót, thích nghi, và sinh sản với
môi trƣờng sống. Năm 1985 Rand đã công bố về hành vi phản ứng với độc tố của
sinh vật trong nƣớc, và sau 20 năm đã có nhiều nghiên cứu quan tâm về số hành vi
phản ứng của nhiều loài với độc tố, cũng nhƣ các cách thức chọn lựa xử lý số liệu
và đánh giá chúng. Năm 1986 chính phủ Hoa Kỳ đã chấp nhận hành vi tránh xa chất
độc là bằng chứng hợp pháp của tổn thƣơng sinh vật. Rất nhiều sinh vật đƣợc
nghiên cứu về các đặc điểm biến đổi hành vi nhằm ứng dụng để đánh giá chất lƣợng
nƣớc nhƣ: cua, bọ nƣớc, cá, sò… [8].
Bảng 4: Theo dõi sự thay đổi hành vi của cá liên kết với điều kiện stress
khác nhau
Loài
Tác nhân stress
Hành vi
Tác giả
Cá hồi Đại Tây
Dƣơng
Cu và Zn
Tránh xa
Sprague, 1964
Cá hồi đốm đen
Thuốc diệt cỏ
Khả năng bơi lội, hoạt
động ăn,
Little và cộng sự
1990

Cá thái dƣơng
Cd, Cr, Zn
Trạng thái kích động
Ellgaard 1978
Cá vàng
Cu
Sự nhanh nhẹn, sự
thay đổi góc bơi
Kleerekoper và
cộng sự 1972
Cá thái dƣơng
DDT
Trạng thái kích động
Ellgaard 1977
Cá hồi đốm đem
Hỗn hợp kim loại
nặng
Hành vi tránh xa
Svecevicius 2001
9

Mô hình cá trong kiểm tra đặc tính hành vi độc tố (Bảng 4): Cá là một mô
hình lý tƣởng cho việc nghiên cứu các hành vi của động vật với các tác nhân stress
và các độc tố bởi vì: (i) cơ thể cá tiếp xúc trực tiếp với nƣớc của môi trƣờng có chứa
nhiều chất hóa học cần thử nghiệm, (ii) môi trƣờng sống của cá khá đa dạng, (iii) cá
dễ dàng nuôi; có khả năng sinh sản; và đƣợc nghiên cứu nhiều với các độc tố. Bất
cứ nghiên cứu nào hƣớng tới phát triển một mô hình cảm biến dựa trên phản ứng
hành vi của cá cần phải dựa trên những nghiên cứu về đặc điểm sinh thái của loài
tƣơng ứng [8].
Mô hình Bọ nước (Daphnia) phát hiện độc tố trong nước: Bọ nƣớc đƣợc sử

dụng nhƣ một cảm biến sinh học hữu ích trong việc phát hiện độc tố trong nƣớc.
Chúng có kích thƣớc cơ thể nhỏ, vòng đời ngắn, dễ nuôi và có thể sinh sản trong
phòng thí nghiệm và phản ứng nhanh với sự thay đổi của thành phần hóa học trong
nƣớc. Bọ nƣớc khi đƣợc thử nghiệm độc tố sẽ có những thay đổi về đặc điểm hành
vi và sinh lý cơ thể. Các chỉ tiêu đánh giá bọ nƣớc trong việc đánh giá chất lƣợng
nƣớc gồm: tốc độ - chiều cao – góc – chuyển động bơi, vị trí phân bố [73].
1.3.2 Cảm biến sinh học vi sinh vật
Cảm biến sinh học sử dụng tập tính hành vi của sinh vật có một số nhƣợc
điểm nhƣ: thời gian đáp trả dài, nghiên cứu về tập tính sinh vật phức tạp đòi hỏi
ngƣời nghiên cứu phải có kiến thức chuyên môn sâu, bị ảnh hƣởng bởi yếu tố bên
ngoài (gây kết quả sai lệch)… Vì vậy, nhiều nghiên cứu gần đây đã tập trung sử
dụng vi sinh vật nhƣ một mô hình cảm biến sinh học. Các vi sinh vật cũng có phản
ứng sinh học tốt giống nhƣ động vật hay thực vật đôi với tác nhân stress. Ngoài ra
chúng còn có khả năng phát hiện nhiều chất hóa học hơn, có thể dễ dàng cải biến
vật chất di truyền, hoạt động với phổ nhiệt độ và pH rộng, thời gian phản ứng
nhanh… Một vài dạng cảm biến sinh học sử dụng vi sinh vật đã đƣợc nghiên cứu và
phát triển nhƣ: các cảm biến dựa trên sự phát quang, sự phát huỳnh quang của vi
sinh vật, hoặc cảm biến dựa trên sự điện hóa của vi sinh vật…[32]
10

Cảm biến sinh học vi sinh vật quang học: là cảm biến dựa trên sự biến đổi
đặc tính quang học nhƣ sự hấp thụ tia cực tím, sự phát quang sinh-hóa, gây sự phản
xạ hoặc phát huỳnh quang bởi các phản ứng nội sinh của vi sinh vật (Bảng 5) [32].
Bảng 5: Tổng hợp nghiên cứu về cảm biến sinh học vi sinh vật quang học [32]
Chất ô nhiễm
Vi khuẩn
Dạng cảm biến
Độc tố của chlorophenol
P. fluorescens 10586r pUCD607
Phát quang

Ni
2+
và Co
2+

Ralstonia eutropha AE2515
Phát quang
Arsenite
E. coli DH5α (pPR-arsR-ABS,
biểu hiện gen egfp
Phát quang
Toluen
P. fluorescens A506 (pTolLHB)
Huỳnh quang
BOD
P. putida
Huỳnh quang
Sự phát quang sinh học có liên kết với ánh sáng phát ra từ tế bào vi sinh vật
và đóng vai trò quan trọng trong sự chỉ thị trực tiếp chất ô nhiễm. Gen phát quang
lux đã đƣợc phát hiện ở Vibrio fischeri và nghiên cứu ứng dụng rộng rãi. Có thể
thông qua sự biểu hiện của gen lux để đánh giá nồng độ của chất độc ta quan tâm,
bằng cách khai thác quá trình điều hòa của gen này; và qua đó có thể dễ dàng phân
tích số lƣợng nồng độ chất độc dựa vào cƣờng độ phát quang sinh học của sinh vật
chứa gen lux. Ngoài ra các gen có khả năng tạo protein huỳnh quang cũng đã đƣợc
ứng dụng trong việc thiết kế cảm biến sinh học vi sinh vật phát quang nhƣ: gen gfp
mã hóa protein phát huỳnh quang màu xanh lá cây [32].
Cảm biến sinh học vi sinh vật điện-hóa: Các cảm biến này hoạt động dựa
trên sự biến đổi của dòng điện (amperometric), điện thế (potentiometric) hay độ dẫn
điện (conductometric) trong mối tƣơng quan đến hoạt động trao đổi chất của vi sinh
vật [32].

Cảm biến sinh học vi sinh vật điện hóa dựa trên dòng điện (amperometric
microbial biosensor) hoạt động với hiệu điện thế cố định, và tiến hành phân tích
11

dòng điện phát sinh bởi quá trình vi sinh vật oxy hóa hoặc khử cơ chất xung quanh
bề mặt điện cực. Cảm biến này đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng trong việc đánh giá
nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) trong nƣớc. Một số chủng vi sinh vật đã đƣợc nghiên
cứu sử dụng: Torulopsis candida, Trichosporon cutaneum, Pseudomonas putida,
Bacillus subtilis… Ngoài ra, cảm biến sinh học vi sinh vật dựa trên dòng điện phát
sinh còn đƣợc sử dụng để đánh giá các chất độc trong nƣớc, ví dụ nhƣ: Moraxella
sp và P. putida phát hiện chất hữu cơ có chứa gốc phosphate là độc tố thần kinh
[32].
Cảm biến sinh học vi sinh vật điện hóa dựa trên điện thế (potentiometric
microbial biosensor) có điện cực chọn lọc ion (pH, ammonium, chloride) hoặc điện
cực cảm biến khí (PCO
2
và PNH
3
); đƣợc bao phủ bởi lớp màng vi sinh vật. Các vi
sinh vật này sử dụng chất cần phân tích và tạo ra sự thay đổi hiệu điện thế từ sự tích
lũy hoặc loại bỏ các ion. Nguyên lý cảm biến dựa trên việc đo sự chuyển đổi của
điện cực đang hoạt động so với điện cực đối chứng, qua đó xác định đƣợc mối
tƣơng quan với nồng độ chất cần phân tích. Ví dụ để phát hiện hợp chất hữu cơ có
chứa phosphate có thể sử dụng một số chủng vi khuẩn Flavobacteium sp. với dạng
điện cực pH, hay có thể hiện urea nhờ chủng Bacillus sp. với dạng điện cực chọn
lọc ion NH
4
+
, hay có thể phát hiện trichloroethylene nhờ chủng P. aeruginosan
JI104 có dạng điện cực chọn lọc ion chloride [32].

Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) là dạng cảm biến sinh học đã đƣợc nghiên
cứu nhƣ một cảm biến đo BOD trong một thời gian dài, từ khi Karube và cộng sự
công bố cảm biến BOD kiểu MFC đƣợc sử dụng sản xuất khí hydro bởi Clostridium
butyricum vào năm 1977 [32]. Cảm biến MFC trong việc đánh giá BOD ngày càng
đƣợc phát triển và tối ƣu nhằm mục đích dễ dàng sử dụng, phát hiện nhanh-trực tiếp
nồng độ BOD [17, 25, 26, 35, 36, 45]. Ngoài ra hệ thống MFC có thể sử dụng làm
cảm biến phát hiện độc tố, nhờ dựa vào sự ức chế cơ chế di chuyển electron hoặc
quá trình trao đổi chất của vi khuẩn bởi các thành phần độc tố có trong môi trƣờng.
Theo Mia và cộng sự khi thử nghiệm MFC với các chất độc nhƣ: Pb, Hg, PCB, có
thể dễ dàng nhận thấy sự sụt giảm dòng điện phát sinh trong MFC [29].
12

1.4 PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT
Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) là hệ thống có khả năng phát sinh dòng điện
từ sự oxy hóa cơ chất bằng cách sử dụng vi sinh vật. Nghiên cứu sớm nhất về MFC
đƣợc thực hiện bởi Potter vào năm 1911, khi tác giả đã thu đƣợc dòng điện phát
sinh trong MFC khi nuôi cấy Escherichia coli và Saccharomyces. Tuy nhiên, MFC
không gây đƣợc sự chú ý cho đến những năm 1980 khi có những phát hiện rằng mật
độ dòng điện và năng lƣợng đầu ra có thể đƣợc tăng lên cao bằng cách thêm vào
MFC chất truyền điện tử trung gian (electron mediator), là chất có thể mang điện
tích từ ngoài tế bào tới điện cực âm (anode). Phần lớn các vi sinh vật có các thành
phần màng lipid, peptidoglycans, lipopolysaccharides và không dẫn điện, có thể cản
trở việc di chuyển của electron tới anode [37, 38].

Hình 1 Nguyên lý hoạt động của một MFC [38]
Ghi chú: Bacterium: vi khuẩn; Anode: cực âm; Cathode: cực dƣơng:
MED: chất truyền điện tử trung gian: e-: điện tử
Hiện nay, các nghiên cứu về hệ vi sinh vật nằm trong màng biofilm tại anode
của MFC cho thấy có hai phƣơng cơ chế vận chuyển điện tử: thông qua kết nối trực
tiếp giữa bề mặt điện cực với màng ngoài tế bào nhờ các cytochrome (vận chuyển e

-

trên bề mặt tế bào hoặc nhờ nanowire) hoặc thông qua các chất truyền điện tử trung
gian (đƣợc bổ sung từ ngoài hoặc do vi khuẩn tự sinh ra). [38, 39].
13


Hình 2: (a) Thiết kế MFC sử dụng chổi than chì là điện cực anode nhƣ là một
bề mặt cho vi sinh vật phát triển và với điện cực cathode sử dụng vải carbon.
Tại đây sử dụng màng khếch tán polytetrafluoroethylene. (b) Biểu diễn
phƣơng thức truyền điện tử của trong màng biofilm: sản sinh nanowires, chất
truyền điện tử trung gian, và tiếp xúc qua bề mặt tế bào [39]
Gorby và đồng nghiệp đã công bố về phƣơng tiện truyền điện tử của hai loài
Geobacter sulfurreducens và Shewanella oneidensis và gọi chúng là“nanowires”.
Tiếp đến tác giả nghiên cứu đột biến thiếu hụt cytochrome trong hô hấp với giả
thuyết rằng những giới hạn từ sự vận chuyển electron của nanowires, những đột
biến (mtrC và omcA) đó hầu hết làm suy yếu khả năng sản sinh điện trong MFC
[10, 20]. Những quan sát về nanowires trong sự truyền điện tử của G.
sulfurreducens báo cáo bởi một tác giả khác là Reguera hoàn toàn giống với những
công bố của Gorby, nhƣng cấu trúc của nanowires sản sinh bởi G. sulfurreducens
xuất hiện ít sai khác hơn so với S. oneidensis. Nanowires của G. sulfurreducens
đƣợc coi là một dạng dây đơn, trong khi nanowires của S. oneidensis đƣợc cho là có
thể tạo thành một bó dây [61].
Ngoài khả năng sử dụng phƣơng thức vận chuyển điện tử thông qua
nanowires, một vài vi khuẩn còn có một khả năng khác là vận chuyển điện tử thông
qua bề mặt tế bào. Một vài nghiên cứu đã chứng minh rằng, tại bề mặt tế bào có các
14

phân tử protein nhỏ lồi ra có chức năng vận chuyển điện tử, tuy nhiên chúng không
phải là nanowires [38, 42].

Các chất truyền điện tử trung gian thƣờng đƣợc đƣa vào MFC với mục đích
nhằm tăng khả năng sản sinh dòng điện của chúng. Những nhiên cứu của Poster,
Bond và Lovley đã nhận thấy đối với E. coli khi đƣợc nuôi cấy thuần trong MFC
mà không bổ sung chất truyền điện tử trung gian sẽ không có khả năng phát sinh
dòng điện trong MFC. Một số chất đóng vai trò làm chất truyền điện tử trung gian
thƣờng đƣợc bổ xung vào MFC nhƣ là: đỏ trung tính, anthraquinone-2-6,
disulfonate [37, 38].
Rabaey và cộng sự đã chứng minh rằng các chất truyền điện tử trung gian có
thể đƣợc vi sinh vật trong MFC tự sản xuất, ví dụ nhƣ pycoanin và một vài thành
phần tƣơng tự sản xuất bởi Pseudomonas aeruginosa. Chúng có thể vận chuyển
electron tới điện cực và sản xuất dòng điện trong MFC. Việc sản xuất nồng độ cao
chất truyền điện tử trung gian bằng cách nuôi cấy hỗn hợp có P. aeruginosa là loài
chủ yếu, trong thiết kế MFC sử dụng ferricyanide ở cathode ( thay cho oxy), sản
xuất 3.1 tới 4.2 W/m
2
trong MFC [38, 59].


Hình 3: Hai dạng thiết kế MFC [38]