Nghiên cứu chủng vi khuẩn có khả năng tạo chất hoạt động bề mặt sinh học cao nhằm ứng dụng xử lý đất nhiếm CADIMI

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ
NGH SINH HỌC

KHÓA LU
LUẬN TỐT NGHIỆP
P
ĐỀ TÀI
“NGHIÊN CỨU
U CHỦNG
CH
VI KHUẨN CÓ KHẢ NĂNG
NG T
TẠO CHẤT
HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
M
SINH HỌC CAO NHẰM ỨNG DỤ
ỤNG XỬ LÝ
ĐẤT NHIỄM CADIMI”

Giáo viên hướng
ng dẫn
d
: TS.KIỀU THỊ QUỲNH
NH HOA
Sinh viên thựcc hiện
hi

: NGUYỄN THỊ HUYỀN
N TRANG

Lớp

: 12_01

HÀ NỘI - 2016


VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI
“NGHIÊN CỨU CHỦNG VI KHUẨN CÓ KHẢ NĂNG TẠO CHẤT
HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT SINH HỌC CAO NHẰM ỨNG DỤNG XỬ LÝ
ĐẤT NHIỄM CADIMI”

Giáo viên hướng dẫn : TS.KIỀU THỊ QUỲNH HOA
Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN THỊ HUYỀN TRANG

Lớp

: 12_01

HÀ NỘI - 2016


Viện Đại học Mở Hà Nội

GVHD: TS.Kiều Thị Quỳnh Hoa
LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo Khoa Công nghệ
sinh học, Viện Đại học Mở Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo em trong
thời gian học tập tại trường.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS.Kiều Thị Quỳnh Hoa,
Trưởngphòng 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, dìu dắt và giúp đỡ
em trong quá trình nghiên cứu hoàn thành khóa luận này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể cán bộ Phòng Vi sinh vật Dầu
mỏ, Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian em thực hiện khóa luận.
Cuối cùng, em xin được bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè và
những người thân đã luôn ủng hộ, động viên khích lệ em trong suốt quá trình
học tập để em có được kết quả như ngày hôm nay.
Với tấm lòng biết ơn sâu sắc, em xin trân trọng cảm ơn tất cả những sự
giúp đỡ quý báu đó!

Hà Nội, tháng 5 năm 2016
Sinh viên

Nguyễn Thị Huyền Trang

Nguyễn Thị Huyền Trang


Viện Đại học Mở Hà Nội

GVHD: TS.Kiều Thị Quỳnh Hoa

CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
KLN

Kim loại nặng

CHĐBMSH

Chất hoạt động bề mặt sinh học

CHĐBM

Chất hoạt động bề mặt

CMC

Nồng độ mixen tới hạn

EPA(Environmental protection agency)

Cơ quan Bảo vệ Môi trường
Hoa Kỳ

HKTS

Hiếu khí tổng số

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

BTNMT

Bộ Tài nguyên môi trường

EEC(European Economic Community)

Cộng đồng kinh tế Châu Âu

DO (Diesel oil)

Dầu Diesel

VK

Vi khuẩn

VSV

Vi sinh vật

MSL

Muối sinh lý

HC

Hydrocarbon

Cd

Cadimi

Nguyễn Thị Huyền Trang


Viện Đại học Mở Hà Nội

GVHD: TS.Kiều Thị Quỳnh Hoa
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Phân loại CHĐBMSH theo nguồn gốc vi sinh vật tạo ra ...................... 11
Bảng 1.2. Một số ứng dụng của CHĐBMSH ........................................................ 14
Bảng 2.1. Máy móc và thiết bị .............................................................................. 19
Bảng 3.1. Kết quả thử KIT API 50 CHL (BioMerieux) của chủng MSP9-918 ..... 26
Bảng 3.2. Kết quả phân tích đất ............................................................................ 36

Nguyễn Thị Huyền Trang


Viện Đại học Mở Hà Nội

GVHD: TS.Kiều Thị Quỳnh Hoa
DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Cadimi ................................................................................................ 3
Hình 1.2. Lòng sông Hồng có những vùng đất bị biến màu do ô nhiễm Cd. ....... 5
Hình 1.3. Một phụ nữ Nhật Bản bị nhiễm bệnh itai itai gây biến dạng xương .... 7
Hình 1.4.Cơ chế loại kim loại nặng bằng CHĐBMSH ..................................... 17
Hình 3.1. Hình thái khuẩn lạc của chủng vi khuẩn MSP9-918 trên môi trường

HKTS ............................................................................................................... 24
Hình 3.2. Sinh trưởng của chủng nghiên cứu sau khi sốc nhiệt ......................... 25
Hình 3.3. Ảnh hưởng của nguồn carbon khác nhau đến khả năng tạo
CHĐBMSH của chủng MSP9-918 ................................................................... 28
Hình 3.4. Khả năng nhũ hóa với xylen của chủng MSP9-918 ở các nguồn
carbon khác nhau.............................................................................................. 28
Hình 3.5. Khả năng tạo CHĐBMSH của chủng MSP9-918 với nồng độ
glucose khác nhau ............................................................................................ 29
Hình 3.6. Khả năng nhũ hóa với xylen của chủng MSP9-918ở các nồng độ
glucose khác nhau. ........................................................................................... 30
Hình 3.7.Ảnh hưởng của nguồn nitơ khác nhau đến khả năng tạo CHĐBMSH
của chủng MSP9-918 ....................................................................................... 31
Hình 3.8. Khả năng nhũ hóa với xylen của chủng MSP9-918 ở các nguồn nitơ
khác nhau. ........................................................................................................ 31
Hình 3.9. Khả năng tạo CHĐBMSH của chủng MSP9-918 với các nồng độ
ure khác nhau ................................................................................................... 32
Hình 3.10. Khả năng nhũ hóa với xylen của chủng MSP9-918ở các nồng
độure khác nhau ............................................................................................... 33
Hình 3.11. Ảnh hưởng của pH đến khả năng tạo CHĐBMSH của chủng
MSP9-918 ........................................................................................................ 34
Hình 3.12. Khả năng nhũ hóa với xylen của chủng MSP9-918ở các giá trị pH
khác nhau. ........................................................................................................ 34
Hình 3.13. Ảnh hưởng của nồng độ NaCl đến khả năng tạo CHĐBMSH của
chủng MSP9-918.............................................................................................. 35
Hình 3.14. Khả năng nhũ hóa với xylen của chủng MSP9-918ở các nồng độ
muối khác nhau. ............................................................................................... 35
Nguyễn Thị Huyền Trang


Viện Đại học Mở Hà Nội

GVHD: TS.Kiều Thị Quỳnh Hoa

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................ 3
1.1. Ô nhiễm Cadimi ........................................................................................ 3
1.1.1. Tính độc hại của Cadimi (Cd).............................................................. 3
1.1.2. Nguồn thải của Cadimi ........................................................................ 4
1.1.3. Tác động của Cadimi đến môi trường và con người ............................ 5
1.2. Một số phương pháp xử lý Cadimi. ........................................................... 7
1.2.1. Xử lý bằng phương pháp hóa học ........................................................ 7
1.2.2. Xử lý bằng phương pháp hóa lý. .......................................................... 8
1.2.3. Xử lý bằng phương pháp sinh học. ...................................................... 9
1.3. Chất hoạt động bề mặt sinh học. ............................................................... 10
1.3.1. Khái niệm chất hoạt động bề mặt sinh học ......................................... 10
1.3.2. Phân loại chất hoạt động bề mặt sinh học ........................................... 10
1.3.3. Tính chất của CHĐBMSH .................................................................. 12
1.3.4. Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt sinh học .................................... 14
1.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng hợp CHĐBMSH. .............................. 15
1.4. Xử lý kim loại nặng bằng CHĐBMSH ..................................................... 16
CHƯƠNG 2 . VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................. 17
2.1. Vật liệu..................................................................................................... 18
2.1.1. Chủng vi khuẩn .................................................................................. 18
2.1.2. Môi trường nuôi cấy ........................................................................... 18
2.1.3. Máy móc và thiết bị ............................................................................ 18
2.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 19
2.2.1. Phương pháp xác định đặc điểm hình thái vi khuẩn ............................ 19
2.2.2. Phương pháp phân loại vi khuẩn có khả năng sử dụng hydrocacbon
bằng kit chuẩn sinh hoá API 50 CHL ........................................................... 20

Nguyễn Thị Huyền Trang


Viện Đại học Mở Hà Nội

GVHD: TS.Kiều Thị Quỳnh Hoa

2.2.3. Phương pháp đánh giá khả năng tạo CHĐBMSH của các chủng vi
khuẩn phân lập dựa trên chỉ số nhũ hoá E24................................................. 21
2.2.4. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện môi trường
nuôi cấy lên khả năng sinh trưởng và tạo CHĐBMSH ................................. 21
2.2.5. Nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm Cadimi bằng CHĐBMSH tạo ra từ
chủng vi khuẩn lựa chọn .............................................................................. 22
CHƯƠNG 3 . KẾT QUẢ.................................................................................. 24
3.1. Đặc điểm hình thái khuẩn lạc và tế bào của chủngMSP9-918 ................... 24
3.2. Xác định khả năng hình thành bào tử của chủng vi khuẩn nghiên cứu ...... 25
3.3. Phân loại chủng MSP9_918 bằng kit chuẩn sinh hóa API 50 CHL .......... 25
3.4. Ảnh hưởng của nguồn cacbon đến khả năng tạo CHĐBMSH ................... 27
3.5. Ảnh hưởng của nồng độ glucose đến khả năng tạo CHĐBMSH của
chủng MSP9-918............................................................................................. 29
3.6. Ảnh hưởng của nguồn nitơ đến khả năng tạo CHĐBMSH........................ 30
3.7. Ảnh hưởng của nồng độ Ure đến khả năng tạo CHĐBMSH ..................... 32
3.8. Ảnh hưởng của pH ................................................................................... 33
3.9. Ảnh hưởng của nồng độ NaCl .................................................................. 34
3.10. Nghiên cứu khả năng xử lý đất nhiễm Cd bằng CHĐBMSH tạo ra bởi
chủng MSP9-918............................................................................................. 36
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 37
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 38

Nguyễn Thị Huyền Trang


MỞ ĐẦU
Kim loại nặng (Cd, Pb, Cr, Zn, Cu, Hg...) từ quá trình sản xuất công nghiệp,
nông nghiệp, khai khoáng, luyện kim, sản xuất tái chế đồ dùng bằng kim loại
gây tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường sống. Những
kim loại này tích tụ trong môi trường và xâm nhiễm vào cơ thể con người
thông qua hô hấp, tiêu hóa, da gây nên một số bệnh về đường hô hấp, ung thư
da, ung thư phổi, nhuyễn xương, rối loạn đường tiết niệu, viêm cầu thận...
Một số kim loại (Ca, Mg, Fe, Zn) là yếu tố vi lượng cần thiết cho sự sống, tuy
nhiên cũng có những kim loại (Cd, Hg, Pb...) không cần thiết cho sự sống mà
gây hại đến sức khỏe con người cũng như các sinh vật khác.
Hiện có nhiều phương pháp xử lý kim loại nặng nói chung và Cd nói riêng
như phương pháp kết tủa hóa học, phương pháp hấp phụ, phương pháp trao
đổi ion.Tuy nhiên, các phương pháp này thường gây ra ô nhiễm thứ cấp và chi
phí hoạt động lớn. Gần đây, phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng nói
chung và Cd nói riêng bằng chất hoạt độngbề mặt sinh học (CHĐBMSH) do
vi sinh vật tạo ra thu hút được nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế
giớiquan tâm nghiên cứu. CHĐBMSH là hợp chất sinh học do vi sinh vật (vi
khuẩn, nấm men, nấm mốc) tạo ra chứa hai nhóm chức ưa nước và kị nước
trong cùng một phân tử. Do đó, CHĐBMSH có thể làm giảm sức căng bề mặt
và lực hút tĩnh điện ở bề mặt tiếp xúc giữa hai pha (lỏng- lỏng; lỏng- rắn) giúp
CHĐBMSH (tích điện âm) dễ dàng tiếp xúc và tạo phức với kim loại nặng
(tích điện dương).
Phương pháp này được đánh giá cao bởi ưu điểm: giá thành phù hợp, xử lý
triệt để, an toàn với môi trường do khả năng phân hủy sinh học nên không gây
ô nhiễm thứ cấp, tạo bọt cao, chịu nhiệt, pH và chịu lực ion tốt.
Từ thực trạng ô nhiễm Cd ở Việt Nam cùng với nhu cầu tìm kiếm các giải
pháp xử lý môi trường nhiễm kim loại nặng an toàn và hiệu quả, chúng tôi

Nguyễn Thị Huyền Trang

1


tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu chủng vi khuẩn có khả năng tạo
chất hoạt động bề mặt sinh học cao nhằm ứng dụng xử lý đất nhiễm
Cadimi”
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu đặc điểm hình thái và các yếu tố ảnh hưởng đến sinh tổng hợp
chất hoạt độngbề mặt sinh học của chủng vi khuẩn lựa chọn nhằm ứng dụng
xử lý đất nhiễm cadimi.
Nội dung nghiên cứu:
-Nghiên cứu đặc điểm và hình thái của chủng vi khuẩn lựa chọn.
- Ảnh hưởng của các yếu tố (nguồn carbon, nguồn nitơ, pH, NaCl) tớikhả
năng tạo CHĐBMSH của chủng vi khuẩn lựa chọn.
- Nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm Cadimi bằng CHĐBMSH tạo ra từ chủng
vi khuẩn lựa chọn.

Nguyễn Thị Huyền Trang

2


CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.Ô nhiễm Cadimi
1.1.1.Tính độc hại củaCadimi (Cd)
Cadimi (Cd) là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn các nguyên tố; ký
hiệu là Cd; số nguyên tử bằng 48; khối lượng nguyên tử bằng 112,41; nóng
chảy ở 321,1oC; sôi ở 766,5oC; khối lượng riêng bằng 8,65 g/cm3. Cd là kim

loại mềm, màu trắng ánh xanh, có độc tính, tồn tại trong các quặng kẽm và
được sử dụng chủ yếu trong các loại pin [29](Hình 1.1).

Hình 1.1. Cadimi[34]
Cadimiđược xếp vào nhóm các chất gây ung thư: Nhóm 1 - theo Cơ quan
Nghiên cứu Quốc tế về Ung thư[13];Nhóm 2a - theo Cơ quan Bảo vệ Môi
trường Hoa Kỳ (EPA) và 1B chất gây ung thư được phân loại theo Cơ quan
hóa chất châu Âu [27] [28].
Cadimi và các hợp chất của nó là những chất cực độc, chỉ với nồng độ thấp
sẽ tích lũy sinh họctrong cơ thể cũng như trong các hệ sinh thái. Khi xâm
Nguyễn Thị Huyền Trang

3


nhiễm vào cơ thể, Cd được tích tụ chủ yếu ở thận và xương gây ung thư
xươngvà đường tiết niệu. Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, Cd có thể gây
trở ngại cho trao đổi chất, thay đổi cấu trúcAND, protein và các enzyme[16].
1.1.2.Nguồn thải của Cadimi
Trong công nghiệp:Các nguồn thải chủ yếu phát thảiCd là từ hoạt
động công nghiệp như khai khoáng, luyện kim, mạ điện, sản xuất pin, sản
xuất phân bón hóa học, chất màu, chất ổn định và các hoạt động sản xuất tái
chế đồ dùng bằng kim lọai [7]. Kết quả đánh giá mức độ ô nhiễm Cd trong đất
bởiảnh hưởng của nước thải từ nhà máy Hóa chất Lâm Thao cho thấy, hàm
lượng Cd trung bình từ năm 2006-2008 ở các điểm dao động từ 0,61-2,29
mgCd/kg đất. Đặc biệt tại điểm chịu ảnh hưởng trực tiếp của nước thải nhà
máy Hóa chất Lâm Thao có hàm lượng Cd trong đất lên đến 2,29 mgCd/kg
đất, vượt ngưỡng cho phép đối với hàm lượng Cd cho phép trong đất nông
nghiệp 1,15 lần(theo QCVN 03: 2008/BTNMT) [5].
Trong nông nghiệp:Một số phân phosphatehóa học chứa hàm lượng

Cd cao đang được sử dụng rộng rãi là nguyên nhân gây ô nhiễm Cd trong môi
trường đất, nước nông nghiệp.Theo ước tính của các nước thuộc Cộng đồng
kinh tế Châu Âu(EEC), lượng Cd đưa vào đất hàng năm qua phân bón
phosphat là 5g/ha [4].
Trong hoạt động sinh hoạt của con người:Theo nghiên cứu của Hà
Mạnh Thắng và cộng sự (cs), rác thải sinh hoạt cũng là một trong những
nguồn thải lớn của Cd. Nghiên cứu được thực hiện tại bãi rác Nam Sơn- Sóc
Sơn với tổng diện tích khoảng 83,5 ha, trong đó có 53,49 ha được sử dụng
vào việc chôn lấp rác thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội trong giai đoạn từ
năm 1999 đến 2020. Kết quả cho thấy hàm lượng Cd đạt giá trị cao nhất tại
vùng chịu ảnh hưởng trực tiếp của nguồn nước bãi thải với hàm lượng Cd
trung bìnhđạt 0,79 mgCd/kg đất, dao động từ 0,54-1,10 mgCd/kg đất từ năm

Nguyễn Thị Huyền Trang

4


2006-2010.Ở điểm cách xa nguồn nước và cách xa bãi thải, hàm lượng Cd
thấp dao động từ 0,29-0,48 mgCd/kg đất, trung bình đạt 0,33 mgCd/kg đất[5].
1.1.3.Tác động của Cadimi đến môi trường và con người
Tác động đến môi trường
Nồng độ Cd trong đất vượt ngưỡng cho phép gây ảnh hưởng xấu đến vi sinh
vật trong đất và hệ sinh thái. Giun đất và các sinh vật đất rất nhạy cảm với Cd
và có thể chết ở nồng độ Cd thấp,điều này gây ảnh hưởng xấu đến cấu trúc
đất. Khi nồng độ Cd trong đất ở mức cao có thể đe dọa đến toàn bộ hệ sinh
thái đất [35].
Trong các hệ sinh thái thủy sinh Cd có thể tích tụ trong trai, sò, tôm, tôm
hùm, cá... Từ đó, Cd có thể xâm nhiễm vào cơ thể người thông qua chuỗi thức
ăn. Mức độ nhạy cảm với Cd ở các sinh vật thủy sinh khác nhau rất nhiều, đối

với sinh vật nước mặn khả năng chống chịu với hàm lượng Cd trong môi
trường cao hơn các sinh vật nước ngọt [35].
Cadimi cũng chính là một trong các tác nhân làm suy thoái nguồn tài nguyên
nước mặt, nước ngầm, đất và gây mất mỹ quan môi trường(Hình 1.2).

Hình 1.2. Lòng sông Hồng có những vùng đất bị biến màu do ô nhiễm Cd[30].
Tác động đến con người
Nguyễn Thị Huyền Trang

5


Tùy theo con đường xâm nhập vào cơ thể, tình trạng sức khỏe của từng người
và hàm lượng Cd mà có thể gây nhiễm độc cấp tính. Nếu xâm nhiễm qua
đường hô hấp thì trong vòng 4-20 giờ sẽ cảm thấy đau thắt ngực, khó thở, tím
tái, sốt cao, nhịp tim chậm, hơi thở nặng mùi. Biểu hiện lâm sàng của nhiễm
Cd qua đường tiêu hoá như buồn nôn, đau bụng, đi ngoài.
Tiếp xúc hàng ngày với môi trường có chứa Cd hoặc ăn các loại hạt (gạo,
ngô), rau quả nhiễm Cd sẽ gây nhiễm độc mãn tính. Triệu chứng của nhiễm
Cd mãn tính là men răng vàng, tăng men gan, đau xương, loãng xương, xanh
xao, thiếu máu, dị dạng cho thai nhi, trường hợp nặng hơn gây sẩy thai và ung
thư [28].
Năm 1950, người dân sống ở lưu vực sông Jinzu (Toyama-Nhật Bản) mắc
phải một chứng bệnh lạ có thể dẫn đến tử vong mau chóng mà họ gọi là bệnh
"itai-itai" (đau quá-đau quá). Đây là căn bệnh nguy hiểm, gây biến dạng
xương, dễ gãy xương, đau cơ, rối loạn thận, nhất là ở phụ nữ lớn tuổi và ở độ
tuổi sinh đẻ( Hình 1.3).Cho đến năm 1968, chính phủ Nhật mới chính thức
nhìn nhận là do nhiễm độc Cdtừ chất thải của Nhà máy Thép Mitsui ở thượng
nguồn con sông này[14].

Nguyễn Thị Huyền Trang

6


Hình 1.3. Một phụ nữ
ữ Nhật
Nh Bản bị nhiễm bệnh itai itai gây biến
ến ddạng
xương[36]
1.2.Một số phương
ương pháp xử
x lý Cadimi.
Hiện nay, có rất nhiều
ều ph
phương pháp xử lý KLN nói chung cũng
ũng nh
như Cd nói
riêng như phương
ng pháp hóa học,
h hóa lý và sinh học:
1.2.1.Xử lý bằng
ng phương
ph
pháp hóa học
Phương pháp hóa học
ọc là
l phương
ng pháp dùng các tác nhân hóa hhọc để loại bỏ
hoặc chuyển hóa (làm

àm thay đổi bản chất) KLN trong môi trườ
ờng. Khi xử lý
trong môi trường nước,
ớc, bbản chất của phương pháp này là thêm các tác nhân

Nguyễn Thị Huyền
n Trang

7


hóa học vào để chuyển các chất tan trong nước thành chất không tan hoặc ở
dạng tan ít độc hoặc không độc. Sau đó tách chúng ra dưới dạng kết tủa bằng
phương pháp lắng.
1.2.2.Xử lý bằng phương pháp hóa lý
Các phương pháp hóa lý được sử dụng phổ biến trong xử lý KLN cũng như
Cd bao gồm: phương pháp kết tủa, phương pháp hấp phụ, phương pháp trao
đổi ion, phương pháp oxy hóa- khử…
Phương pháp kết tủa
Phương pháp kết tủa dựa vào phản ứng hóa học giữa anion đưa vào và cation
kim loại có trong đất ở giá trị pH thích hợp. Do đó, để nâng cao hiệu quả
phương pháp này người ta phải thay đổipH của môi trường. Đây là biện pháp
nhằm hạn chế sự linh động của kim loại nặng trong môi trường đất [32].
Trong đất trung tính hoặc kiềm, Cd bị kết tủa dưới dạng CdCO3 và trở nên ít
linh động hơn.Bón vôi vào đất có tác dụng làm giảm tính linh động của Cd
nên cây trồng khó hấp thụ, giúp giảm khả năng gây độc của Cd[20].
Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ là quá trình hấp phụ chất ô nhiễm hòa tan ở bề mặt ranh
giới giữa pha lỏng và pha rắn. Thông thường quá trình hấp phụ là quá trình
tỏa nhiệt. Tùy theo lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mà

người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học[33].

Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hóa
học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn. Phương pháp này sử dụng
ion là nhựa hữu cơ, các chất cao phân tử có gốc hydrocacbon và các nhóm
chức trao đổi ion. Quá trình trao đổi ion được tiến hành trong cột Cationit và

Nguyễn Thị Huyền Trang

8


Anionit. Các vật liệu nhựa này có thể thay thế được mà không làm thay đổi
tính chất vật lý của các chất trong dung dịch[31].
Phương pháp oxy hóa- khử
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên sự chuyển từ dạng này sang
dạng khác bằng cách thêm electron khử hoặc bớt đi electron một cặp bởi sự
cho nhận electron. Dựa trên các tính chất vật lý và hóa học của đất để tiến
hành phản ứng oxy hóa- khử tạo kết tủa làm giảm tính linh động và cố định
Cd.
1.2.3.Xử lý bằng phương pháp sinh học
Các phương pháp sinh học để xử lý kim loại nặng bao gồm:
Sử dụng các vi sinh vật
Kim loại nặng nói chung hay Cd nói riêng không có khả năng tự phân hủy
sinh học, chỉ có thể chuyển từ trạng thái hóa học này sang một trạng thái hóa
học khác làm thay đổi tính di động và giảm độc tính. Quá trình xử lý Cd ở vi
sinh vật bao gồm 2 pha, pha thứ nhất là sự hấp phụ sinh học, pha thứ hai là sự
tích tụ sinh học hay hấp thu nội bào [10][15].
Sử dụng thực vật thủy sinh

Đa số các loài thực vật rất nhạy cảm với sự có mặt của các ion kim loại trong
môi trường. Tuy nhiên vẫn có một số loài thực vật có khả năng sống trong
môi trường bị ô nhiễm kim loại nặng, hơn thế chúng còn có khả năng hấp thụ
và tích lũy ở các bộ phận khác nhau của chúng[9].
- Phương pháp làm giảm nồng độ kim loại trong đất bằng cách trồng các loài
thực vật có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân [32].
- Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại trong đất hoặc bùn bởi
sự hấp thụ của rễ hoặc kết tủa trong vùng rễ. Quá trình này giảm sự linh động

Nguyễn Thị Huyền Trang

9


của KLN, ngăn chặn ô nhiễm nước ngầm và giảm hàm lượng kim loại
khuyếch tán vào chuỗi thức ăn [32].
Sử dụng các vật liệu sinh học: Những vật liệu sinh học thường được
sử dụng như phụ phẩm nông nghiệp, nhựa sinh học, các sản phẩm sinh học do
vi sinh vật tạo ra…
1.3.Chất hoạt động bề mặt sinh học
1.3.1.Khái niệm chất hoạt động bề mặt sinh học
Chất hoạt động bề mặt sinh học (CHĐBMSH) là những hợp chất có cấu trúc
đa dạng về hoạt tính bề mặt được tổng hợp bởi vi sinh vật. Tất cả CHĐBMSH
là hợp chất lưỡng cực, có cấu tạo gồm một nhóm ưa nước (thường là phân tử
đường hoặc amino acid) và một nhóm kị nước (thường là acid béo)có khả
năng làm giảm sức căng bề mặt giữa các phân tử[18][19].
Các CHĐBMSH có cấu trúc hóa học và kích thước phân tử khác nhau từ đơn
giản như các acid béo đến phức tạp như hợp chất polymer. Các CHĐBMSH
thường tiết ra bên ngoài tế bào phổ biến nhất là glycolipid trong đó
carbohydrates được gắn liền với một chuỗi dài axit béo, trong khi những chất

khác như lipopeptides, lipoprotein, và heteropolysaccharides phức tạp hơn.
1.3.2.Phân loại chất hoạt động bề mặt sinh học
Không giống như chất hoạt động bề mặt hóa học thường được phân loại theo
bản chất của các nhóm phân cực, CHĐBMSH chủ yếu được phân loại dựa
vào thành phần hóa học và nguồn gốc các loại vi sinh vật.
Rosenberg và Ron đã chia các CHĐBMSH thành hai nhóm: Các CHĐBMSH
có khối lượng phân tử thấp và các CHĐBMSH có khối lượng phân tử cao.
CHĐBMSH có khối lượng phân tử thấp bao gồm các glycolipids
(rhamnolipids, sophorolipids, mannosylerythritol lipids…), lipopeptide và

Nguyễn Thị Huyền Trang

10


photpholipid.Các CHĐBMSH khối lượng phân tử cao là các chất cao phân tử
và các CHĐBM dạng hạt (như thực phẩm nhũ tương và biodispersan).
Ngoài cách phân loại nói trên, dựa vào nguồn gốc vi sinh vật tạo ra,
CHĐBMSH từ vi sinh vật được phân loại như bảng 1.1[21].
Bảng 1.1. Phân loại CHĐBMSH theo nguồn gốc vi sinh vật tạo ra
Loại CHĐBMSH

Vi sinh vật
Arthrobacter paraffineus
Corynebacterium spp

Trehalose lipids

Mycobacterium spp
Rhodococus erythropolis

Pseudomonas aeruginosa

Rhamnolipids

Pseudomomas sp
Serratia rubidea
Candida lipolytica
Candida bombicola

Sophorose lipids

Candida apicola
Candida bogoriensi
Serratia marcescens
Alcanivorax borkumensis

Glycolipids

Arthrobacter sp
Corynebacterium sp
R. erythropolis
Tsukamurella sp

Nguyễn Thị Huyền Trang

11


Arthrofactin

Arthrobacter sp
Thiobacillus thiooxidans

Ornithine, lysine peptides

Streptomyces sioyaensis
Gluconobacter cerinus

Diglycosyl diglycerides

Lactobacillus fermentii

Cellobiose lipids

Ustilago maydis
Rhodotorula glutinous

Polyol lipids

Rhodotorula graminus

Surfactin

Bacillus subtilis

Phospholipids

Acinetobacter sp
Capnocytophaga sp
Penicillium spiculisporum

Corynebacterium lepus

Axit béo

Arthrobacter paraffineus
Talaramyces trachyspermus
Nocardia erythropolis
Acinetobacter calcoaceticus (RAG1)

Lipopolysaccharides

Pseudomonas sp
Candida lipolytica

Streptofactin

Streptomyces tendae

1.3.3.Tính chất của CHĐBMSH
CHĐBMSH tạo ra bởi vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh
vực như công nghiệp, nông nghiệp, dược phẩm…Vì vậy, việc hiểu rõ về tính
Nguyễn Thị Huyền Trang

12


chất của CHĐBMSH là cơ sở để ứng dụng CHĐBMSH vào thực tế hiệu quả
hơn.
Hoạt tính bề mặt
Hoạt tính bề mặt của CHĐBMSH tạo ra từ VSV có thể làm giảm sức căng bề

mặt của nước từ 72 mN/m xuống còn 1mN/m. Một số chủng như
Pseudomonas aeruginosa có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của nước từ
28,6 mN/m xuống 4 mN/m. Còn glycolipid do vi khuẩn biển sinh ra có thể
làm giảm sức căng bề mặt của nước từ 72mN/m xuống 29 mN/m[1].
Khả năng hình thành nhũ hóa
Các CHĐBMSH có thể làm ổn định hoặc làm mất ổn định dạng nhũ hoá. Các
CHĐBMSH khối lượng phân tử cao có khả năng nhũ hoá tốt hơn so với các
CHĐBMSH khối lượng phân tử thấp.

Khả năng chịu nhiệt, chịu pH, chịu mặn và lực ion
Một số CHĐBMSH có khả năng chịu những điều kiện khắc nghiệt của môi
trường như nhiệt độ và pH cao, chịu mặn tốt và chịu lực ion. Thậm chí trong
điều kiện khắc nghiệt như trong các giếng khai thác dầu khí (ở điều kiện nhiệt
độ và áp suất cao)thì CHĐBMSH vẫn hoạt động tốt.
Khả năng phân hủy sinh học và tính độc thấp
So với các chất hoạt động bề mặt hóa học (CHĐBMHH), các CHĐBMSH an
toàn,dễ dàng phân hủy và giá thành sản xuất lại rẻ hơn nên được ứng dụng
trong nhiềungành công nghiệp như thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm và xử lý
môi trường.
Đa dạng về cấu trúc hóa học

Nguyễn Thị Huyền Trang

13


CHĐBMSH là nhóm đa cấu trúc, mỗi loài vi sinh vật khác nhau có thể tạo ra
các loại CHĐBMSH khác nhau có bản chất và trọng lượng phân tử khác
nhau. Với sự đa dạng này mà chúng có những đặc tính như tạo bọt, giữ ẩm,
hòa tan, khả năng hoạt động bề mặt và khả năng nhũ hóa. Đây cũng là lý do vì

sao CHĐBMSH được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp cũng
như xử lý ô nhiễm môi trường [3].
1.3.4.Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt sinh học
CHĐBMSH được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, nông
nghiệp, thực phẩm, mỹ phẩm, khai thác dầu khí, xử lý ô nhiễm môi trường...
Một số ứng dụng cơ bản của CHĐBM được liệt kê trong bảng sau:

Bảng 1.2.Một số ứng dụng của CHĐBMSH
Lĩnh vực sử dụng

Chức năng

Phụ gia thực phẩm

Nhũ hóa và bền hóa cho bánh kẹo, bơ, sữa

Xây dựng

Nhũ hóa nhựa đường, tăng độ rắn của bê tông

Xử lý môi trường

Ứng dụng xử lý kim loại nặng, xử lý ô nhiễm dầu

Dệt

Tẩy giặt, thấm ướt và đều màu, trợ phân tán, làm mềm
vải

Mỹ phẩm

Chất nhũ hóa, tạo bọt, xà phòng, chất tẩy rửa

Nông nghiệp

Chất nhũ hóa, thấm ướt, chất dễ gia công thuốc bảo vệ
thực vật

Chất tẩy rửa

Tẩy rửa, thấm ướt, kiểm soát bọt, nhũ hóa

Công nghiệp in

Chất trợ ngấm và phân tán mực in

Nguyễn Thị Huyền Trang

14


1.3.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng hợp CHĐBMSH
Quá trình tạo CHĐBMSH của vi khuẩn chịu nhiều ảnh hưởng của các yếu tố
môi trường như nguồn carbon, nitơ, pH, NaCl,thành phần dinh dưỡng, nhiệt
độ…[22]. Sự ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến tổng hợp CHĐBMSH sẽ
được trình bày sau đây:
Ảnh hưởng của nguồn carbon
Nguồn carbon khác nhau có ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo CHĐBMSH của
vi khuẩn cũng như thành phần cấu tạo của CHĐBMSH tạo thành
[11][12].Nguồn carbon sử dụng cho vi khuẩn sinh tổng hợp CHĐBMSH như

carbohydrate (glycerol, các loại đường...), hydrocarbon và dầu thực vật. Một
số loài vi khuẩn chỉ sử dụng một loại carbon cho sinh tổng hợp CHĐBMSH,
một số khác có thể sử dụng cả ba nguồn carbon kể trên [2].
Ảnh hưởng của nguồn nitơ
Nguồn nitơ trong môi trường là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình
sinh tổng hợp CHĐBMSH của vi khuẩn. Nguồn nitơ sử dụng cho vi khuẩn
tạo CHĐBMSH như gluten, natri nitrat, kali nitrat, nấm men thủy phân, mầm
ngũ cốc, urê, ammonium nitrate, ammonium sulphate,...
Ảnh hưởng của pH
Sinh trưởng của vi khuẩn bị tác động mạnh bởi pH môi trường nuôi cấy, do
đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sinh tổng hợp CHĐBMSH. Các
nghiên cứu trước đây đều chỉ ra rằng, pH thích hợp cho sinh trưởng và tạo
CHĐBMSH của vi khuẩn nói chung đều nằm trong khoảng trung tính đến hơi
kiềm [6].
Ảnh hưởng của nồng độ muối
Nồng độ muối cũng là yếu tố ảnh hưởng đến sinh tổng hợp CHĐBMSH của
vi khuẩn. Sutthivanitchakul cho thấy rằng, khi bổ sung 5% NaCl sẽ giúp tăng
khả năng hoạt động bề mặt của CHĐBMSH từ vi khuẩn Bacillus
Nguyễn Thị Huyền Trang

15


licheniformis F2.2 nhưng khi bổ sung 10 % NaCl sẽ khiến khả năng làm giảm
sức căng bề mặt của CHĐBMSH giảm xuống [24].
1.4.Xử lý kim loại nặng bằng CHĐBMSH
Nước thải từ quá trình khai thác mỏ, sản xuất công nghiệp và nông nghiệp
thường chứa hàm lượng kim loại nặng cao (As, Cd, Pb, Cu, Hg, Cr, Ni...) tác
động tiêu cực đến môi trường sống của sinh vật và con người. Chúng xâm
nhập vào cơ thể người chủ yếu qua đường hô hấp, tiêu hóa, da làm biến tính

và bất hoạt các enzyme, phá vỡ màng tế bào, cấu trúc ADN gây ảnh hưởng
nghiêm trọng đến sức khỏe của con người. Sự nhiễm độc một số kim loại
nặng như Pb, As, Cd, Hg... có thể gây tử vong cho người thậm chí chỉ với
hàm lượng rất nhỏ. Vì vậy, việc xử lý bùn và nước nhiễm kim loại nặng đang
là vấn đề mang tính cấp bách hiện nay.
Hiện có nhiều phương pháp được áp dụng để xử lý nước và bùn thải nhiễm
kim loại nặng như phương pháp hóa học, hóa lý và sinh học. Trong đó,
phương pháp xử lý kim loại nặng bằng chất hoạt độngbề mặt sinh học
(CHĐBMSH) đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu bởi những ưu điểm
như xử lý hiệu quả, giá thành thấp, an toàn và thân thiện với môi trường.
Không giống như hầu hết các chất gây ô nhiễm khác, kim loại nặng không
phân hủy sinh học. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã chứng minh vi sinh vật có
thể loại kim loại nặng từ đất, trầm tích hay nước ô nhiễm bởi khả năng chuyển
hóa các ion kim loại nặng hòa tan độc hại sang dạng kết tủa bền vững trực
tiếp với enzyme hay gián tiếp với các sản phẩm trao đổi chất của chúng tạo ra.
Chất hoạt độngbề mặt sinh học (CHĐBMSH) là những hợp chất lưỡng cực
có hoạt tính bề mặt do vi sinh vật (vi khuẩn, nấm men và nấm mốc), thực vật,
động vật tạo ra bằng con đường lên men. CHĐBMSH được ứng dụng rộng rãi
không những trong các lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, dược phẩm, mỹ
phẩm mà còn trong lĩnh vưc xử lý ô nhiễm môi trường như xử lý ô nhiễm
dầu, ô nhiễm kim loại nặng…
Nguyễn Thị Huyền Trang

16


Nguyên lý của việc loại kim loại nặng bằng CHĐBMSH
Do CHĐBMSH chứa cả hai nhóm chức ưa nước và kị nước trong cùng một
phân tử. Vì vậy, chúng có thể tập trung tác động tương hỗ với nhau làm giảm
sức căng bề mặt, đồng thời làm giảm lực hút tĩnh điện ở pha tiếp giáp giữa hai

pha (lỏng-lỏng và lỏng-rắn) giúp CHĐBMSH (tích điện âm) dễ dàng tiếp xúc
và tạo phức bền vững với kim loại nặng (tích điện dương) [18][19][26].
Do đó, CHĐBMSH giúp hòa tan, phân tán và tách các chất ô nhiễm nói
chung và kim loại nặng nói riêng từ đất ô nhiễm [8] [23][25]. Cơ chế loại kim
loại nặng bằng chất hoạt hóa bề mặt sinh học được minh họa ở hình 1.4.

Hình 1.4.Cơ chế loại kim loại nặng bằng CHĐBMSH
(1). Sự tích lũy CHĐBMSH ở bề mặt phân giới của đất
(2). Kim loại nặng được tách từ đất bởi sự giảm sức căng bề mặt pha phân
giới và lực hút tĩnh điện
(3). Sự hợp nhất của kim loại và mixen

CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguyễn Thị Huyền Trang

17