nghien cuu kha nang hap phu kim loai nang ion ni2 va cu2 tro

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt luận văn này tôi đã được sự giúp
đỡ của mọi người.
Trước tiên con xin cảm ơn bố mẹ, người luôn luôn giúp
đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để con hoàn thành tốt
việc học tập trên giảng đường đại học. Người luôn động
viên, an ủi, luôn bên con khi con cần lời khuyên hay khi con
vấp ngã.
Em xin cảm ơn tất cả các Thầy Cô trong khoa Môi
Trường - Trường Đại Học Bách Khoa đã tận tình chỉ dạy,
cho em những kiến thức bổ ích trong suốt thời gian học tập.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Th.S Đặng Vũ Bích
Hạnh đã hướng dẫn em tận tình trong suốt quá trình thực hiện
luận văn này.
Em xin cảm ơn quý Thầy Cô phản biện đã dành thời
gian quan tâm đến luận văn này.
Xin cảm ơn tập thể lớp Kỹ thuật Môi trường khóa 2002
đã cho tôi những ngày khó quên. Đặc biệt, các bạn sinh
viên cùng làm việc trong Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường
đã giúp đỡ tôi rất nhiều .

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm KLN đang ngày càng cùng với
sự phát triển của nền công nghiệp hiện đại, đặc biệt là
trong nước ô nhiễm. Các phương pháp xử lý KLN bằng biện
pháp hoá lý thường có chi phí cao và không xử lý hiệu quả
khi nồng độ các ion KLN ô nhiễm ở mức thấp. Đề tài này

sẽ góp phần xây dựng nên một loại vật liệu hấp phụ sinh
học mới và rẻ tiền, ứng dụng để xử lý KLN trong nước, đó
là nấm mốc.
Với đối tượng nghiên cứu là ion Ni 2+ và Cu2+, luận văn
này đã nghiên cứu được một số kết quả sau :
• Thời gian thu sinh khối nấm mốc hiệu quả là 7 ngày
và sinh khối Aspergillus spp. có lượng sinh khối tăng
trưởng cao nhất.
• Giống nấm mốc có khả năng hấp phụ ion Ni2+ và
Cu2+ cao nhất trong 5 giống Aspergillus niger, Aspergillus
oryzae, Mucor hiemalis, Penicillium citrium, Trichoderma
lignorum là giống Aspergillus niger.
• Phương pháp xử lý sinh khối bằng bột giặt làm gia
tăng đáng kể hiệu quả hấp phụ và bất hoạt sinh
khối Asp.niger.
• Quá trình hấp phụ đạt được hiệu quả cao nhất tại mức
pH = 5 đối với ion Ni2+ và pH = 6 đối với ion Cu2+.
• nồng độ 10 mg/l, pH hiệu quả, hiệu quả của quá
trình hấp phụ đạt trên 90% đối với ion Cu2+ và 80% ion
Ni2+. Khi nồng độ ion Ni2+ và Cu2+ càng cao thì hiệu quả
hấp phụ càng thấp và khi nồng độ từ ion Ni 2+ và Cu2+
từ 200 mg/l trở lên thì hiệu quả hấp phụ sẽ thấp hơn
10%.
• Biofilm Asp.niger dai và lọc được ion Ni 2+ hiệu quả (59%
đối với biofilm 1 lớp và 87% đối với biofilm 2 lớp, ở
nồng độ 50mg/l), tốc độ lọc đạt được là 0.133 ml/s ứng
với diện tích bề mặt là 9.62cm2.
ii

• Asp.niger có thể sử dụng kết hợp với rơm để gia tăng
hiệu quả hấp phụ và đồng thời sử dụng rơm làm
giá thể lọc.

iii


MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN................................................................i
TÓM TẮT LUẬN VĂN.................................................ii
MỤC LỤC.....................................................................iii
DANH SÁCH BẢNG.....................................................xii
DANH SÁCH HÌNH.......................................................xiii
KÝ HIỆU VIẾT TẮT..................................................xv

PHẦN 1 : GIỚI THIỆU
Chương 1 : MỞ ĐẦU....................................................1
1.1 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................2
1.2 Phạm vi nghiên cứu ...................................................................2
1.3 Đối tượng nghiên cứu ..............................................................2
1.4 Nội dung nghiên cứu ................................................................2

PHẦN 2 : TỔNG QUAN
Chương 2 : KIM LOẠI NẶNG..................................................4
2.1 Khái niệm ...................................................................................4
2.1.1 Tính chất hoá lý của đồng (Cu) .....................................4
2.1.2 Tính chất hoá lý của nikel (Ni).........................................6
2.2 Nguồn gốc gây ô nhiễm KLN ................................................6
2.2.1 Từ các hoạt động công nghiệp .....................................6

iv


2.2.2 Từ các hoạt động công nghiệp khai thác kim loại .....7
2.2.2.1 Chu trình kim loại công nghiệp....................................7
2.2.2.2 Ô nhiễm KLN từ chất thải khai thác mỏ.............7

2.2.2.3 Các lò nấu kim loại ..........................................8
2.2.3 Từ các chất trừ sâu vô cơ.............................................8
2.2.4 Từ bùn cống rãnh.............................................................9
2.3 Các tác động của việc ô nhiễm KLN .................................9
2.3.1 Tác hại của đồng (Cu) ...................................................10
2.3.2 Tác hại của nikel (Ni) ........................................................10
2.3.3 Tác hại của một số KLN quan trọng khác như thuỷ
ngân, cadimi, asen, chì, crôm .........................................................10

Chương 3 : CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KLN.............12
3.1 Các phương pháp hoá lý .......................................................12
3.1.1 Phương pháp hấp phụ ......................................................12
3.1.2 Trao đổi ion .........................................................................13
3.1.3 Các quá trình tách bằng màng ...................................14
3.1.3.1 Thẩm thấu ngược (màng RO) .................................14
3.1.3.2 Điện thẩm tách ........................................................14
3.1.4 Phương pháp kết tủa hóa học.......................................15
3.2 Các phương pháp sinh học ......................................................15
3.2.1. Ứng dụng thực vật trong xử lý KLN trong nước.........16
3.2.2 Ứng dụng vi sinh vật trong xử lý KLN trong nước.......17

v

3.2.2.1 Tảo................................................................................17
3.2.2.2 Nấm mốc ...................................................................17

Chương 4 : NẤM MỐC................................................21
4.1 Cấu tạo tế bào nấm mốc ...................................................21
4.1.1 Màng bảo vệ (cell wall) ...................................................22
4.1.2 Màng sinh chất (cell membrane) ......................................23
4.1.2.1 Lớp lipid kép ..............................................................23
4.1.2.2 Các protein của màng sinh chất ............................25
4.1.2.3 Carbonhydrat của màng ...........................................27
4.1.2.4 Tính không đối xứng của màng sinh chất ..........27
4.1.3 Bào tương (cytoplasm) .......................................................28
4.1.4 Nhân tế bào (nucleus) .....................................................28
4.2 Tổng quan một số giống nấm mốc ....................................29
4.2.1 Aspergillus spp......................................................................29
4.2.1.1 Phân loại .....................................................................29
4.2.1.2 Hình thức sinh sản .....................................................30
4.2.1.3 Đặc điểm cấu tạo của Aspergillus niger ...............31
4.2.1.4 Đặc điểm cấu tạo của Aspergillus oryzae..............31
4.2.2 Mucor spp..............................................................................31
4.2.2.1 Phân loại .....................................................................31
4.2.2.2 Hình thức sinh sản......................................................32
4.2.2.3 Đặc điểm cấu tạo của Mucor hiemalis...................32
vi


4.2.3 Penicillium spp.......................................................................33
4.2.3.1 Phân loại .....................................................................33
4.2.3.2 Hình thức sinh sản......................................................33

4.2.3.3 Đặc điểm cấu tạo của Penicillium citrium..............34
4.2.4 Trichoderma spp....................................................................34
4.2.4.1 Phân loại .....................................................................34
4.2.4.2 Hình thức sinh sản......................................................35
4.2.4.3 Đặc điểm cấu tạo của Trichoderma lignorum........35

Chương 5 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH XỬ
LÝ KLN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC...................36
5.1 Cơ chế thụ động .....................................................................36
5.1.1 Qúa trình trao đổi ion ........................................................36
5.1.2 Qúa trình hấp phụ........................................................37
5.2 Cơ chế chủ động ....................................................................38
5.2.1 Cơ chế vận chuyển vật chất qua màng tế bào ......38
5.2.1.1 Đặc điểm chung ........................................................38
5.2.1.2 Tính thấm của màng sinh chất ..............................40
a. Tính thấm của lớp lipid kép ......................................40
b. Các phân tử protein vận chuyển ............................40
5.2.1.2 Sự vận chuyển các phân tử nhỏ qua màng sinh
chất ...................................................................................................42
a. Khuếch tán đơn thuần ................................................42

vii


b. Khuếch tán trung gian .................................................43
c. Vận chuyển tích cực .....................................................44
5.2.2 Một số quá trình khác ...................................................46
5.2.2.1 Qúa trình kết tủa .....................................................46
5.2.2.2 Qúa trình oxi hoá........................................................47

Phần 3 :VẬT LIỆU – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chương 6 :VẬT LIỆU...................................................48
6.1 Giống nấm mốc nghiên cứu ................................................48
6.2 Kim loại nặng ............................................................................48
6.3 Vật liệu làm mô hình biofilm.................................................48
6.4 Vật liệu làm giá thể ............................................................48

Chương 7 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................49
7.1 Phương pháp nuôi cấy nấm mốc .......................................49
7.1.1 Nuôi cấy nấm mốc ở trên thạch nghiêng ...............49
7.1.2 Nuôi cấy nấm mốc trên môi trường lỏng ...............49
7.2 Xác đònh đường cong tăng trưởng .......................................49
7.2.1 Mục tiêu .............................................................................49
7.2.2 Hoá chất và thiết bò .....................................................50
7.2.3 Phương pháp .......................................................................50
7.3 Nghiên cứu chọn lọc giống nấm mốc có khả năng hấp
phụ ion Cu2+ và Ni2+ tốt...................................................................51
7.3.1 Đối với sinh khối nấm mốc sống................................51

viii


7.3.1.1 Mục tiêu......................................................................51
7.3.1.2 Hoá chất và thiết bò ..............................................51
7.3.1.3 Phương pháp ...............................................................51
7.3.2 Đối với sinh khối nấm mốc đã được xử lý .............52
7.3.2.1 Mục tiêu......................................................................52
7.3.2.2 Hoá chất và thiết bò ..............................................52
7.3.2.3 Phương pháp xử lý sinh khối ..................................52
7.3.2.4 Phương pháp nghiên cứu hiệu quả hấp phụ......53

7.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình
hấp phụ ion Ni2+ và Cu2+ .................................................................53
7.4.1 Yếu tố pH theo thời gian...................................................53
7.4.1.1 Mục tiêu .....................................................................53
7.4.1.2 Hoá chất và thiết bò ..............................................54
7.4.1.3 Phương pháp................................................................54
7.4.2 Yếu tố nồng độ theo thời gian......................................55
7.4.2.1 Mục tiêu .....................................................................55
7.4.2.2 Hoá chất và thiết bò ..............................................55
7.4.2.3 Phương pháp...............................................................55
7.5 Khảo sát sự hình thành biofilm Aspergillus spp......................56
7.5.1 Phương pháp nuôi cấy tạo biofilm Aspergillus spp..........56
7.5.2 Phương pháp nghiên cứu ................................................56
7.6 Khảo sát khả năng phát triển của Aspergillus spp. trên
vật liệu làm giá thể của biofilter...............................................57
ix


7.6.1 Rơm ......................................................................................57
7.6.2 Ống nhựa ...........................................................................57

Phần 4 : KẾT QUẢ – BÀN LUẬN
Chương 8 : KẾT QUẢ – BÀN LUẬN...........................58
8.1............................ Đường tốc độ tăng trưởng của nấm mốc 58
8.1.1 Kết quả..............................................................................58
8.2 Nghiên cứu hiệu quả hấp phụ của các phương pháp xử lý
của 5 giống nấm mốc ..................................................................59
8.2.1 Kết quả của ion Ni2+.........................................................59
8.2.2 Kết quả của ion Cu2+........................................................60
8.3 Xác đònh các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ

của Asp.niger ....................................................................................61
8.3.1 pH..........................................................................................61
8.3.1.1 Kết quả của ion Ni2+.................................................61
8.3.1.2 Kết quả của ion Cu2+................................................62
8.3.2 Nồng độ.............................................................................63
8.3.2.1 Kết quả của ion Ni2+..................................................63
8.3.2.2 Kết quả của ion Cu2+................................................64
8.4 Khảo sát hiệu quả xử lý của biofilm Asp.niger đối với ion
Ni2+.......................................................................................................65
8.5 Khảo sát khả năng phát triển của Asp.niger trên vật liệu
biofilter.................................................................................................65
8.5.1 Đối với rơm........................................................................65

x


8.5.1 Đối với ống nhựa.............................................................65
8.6 Bàn luận kết quả...................................................................66
8.6.1 Kết quả nghiên cứu tốc độ tăng trưởng của 5 giống
nấm mốc..........................................................................................66
8.6.2 Kết quả nghiên cứu hiệu quả hấp phụ của các
phương pháp xử lý của 5 giống nấm mốc...............................66
8.6.3 Kết quả nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến
hiệu quả hấp phụ..........................................................................66
8.6.4 Kết quả khảo sát biofilm Asp.niger ...............................67
8.6.5 Kết quả khảo sát khả năng phát triển của Asp.niger
trên vật liệu biofilter.......................................................................67

Phần 5 : KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
Chương 9 : KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ..........................68

9.1 Kết luận ....................................................................................68
9.2 Kiến nghò...................................................................................68

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................69
PHỤ LỤC.....................................................................73
Phụ lục 1 : Kết quả nghiên cứu đường cong tăng trưởng..73
Phụ lục 2 : Kết quả nghiên cứu hiệu quả hấp phụ của các
phương pháp xử lý của 5 giống nấm mốc..............................74
Phụ lục 3 : Kết quả nghiên cứu các thông số ảnh hưởng
đến hiệu quả hấp phụ..................................................................75
Phụ lục 4 : Kết quả khảo sát biofilm Asp.niger.......................77
Phụ lục 5 : Tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 5945 – 1995...............77

xi


Phuù luùc 6 : Hỡnh aỷnh sửỷ duùng trong luaọn vaờn........................80

xii


DANH SÁCH BẢNG

Bảng 3.1 Các kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ
KLN của một số giống nấm mốc...............................................18
Bảng 4.1 Phân loại của Aspergillus spp........................................29
Bảng 4.2 Phân loại của Mucor spp................................................31
Bảng 4.3 Phân loại của Penicillium spp........................................33
Bảng 4.4 Phân loại của Trichoderma spp......................................34
Bảng 5.1 So sánh nồng độ một số ion trong và ngoài tế bào

.............................................................................................................39
Bảng p.1 : Bảng giá trò giới hạn các thông số và nồng độ
các chất ô nhiễm trong nước thải công nghiệp.....................78

xiii


DANH SÁCH HÌNH

Hình 4.1 Cấu tạo tế bào Eukaryote...............................................22
Hình 4.2 Phân tử Phospholipid.........................................................25
Hình 4.3 Phân tử Cholesterol...........................................................25
Hình 4.4 Cấu trúc phân tử màng sinh chất..............................26
Hình 5.1 Quang phổ SEM của tế bào nấm mốc ban đầu........37
Hình 5.2 Quang phổ SEM của tế bào nấm mốc sau khi trao đổi
ion với Pb...........................................................................................37
Hình 5.3 Công thức cấu tạo của chitin........................................38
Hình 5.4 Các hình thức hoạt động của protein tải....................41
Hình 5.5 Sơ đồ các cơ chế vận chuyển phân tử nhỏ qua
màng sinh chất.................................................................................42
Hình 5.6 Sơ đồ cơ chế đóng mở cửa kênh của các protein
kênh xuyên màng...........................................................................43
Hình 5.7 Sơ đồ cơ chế hoạt động của protein tải......................44
Hình 5.8 Sơ đồ cơ chế hoạt động của Na+K+ATPase...................46
Hình 5.9 Cơ chế của những phản ứng giữa KL và tế bào. . .47
Hình 8.1 Đồ thò tốc độ tăng trưởng của 5 chủng nấm mốc58
Hình 8.2 Đồ thò hiệu quả hấp phụ của các phương pháp xử
lý của 5 giống nấm mốc đối với ion Ni2+, ở pH = 5, NĐ ban
đầu = 50 mg/l, thời gian = 180phút..............................................59
Hình 8.3 Đồ thò hiệu quả hấp phụ của các phương pháp xử

lý của 5 giống nấm mốc đối với ion Cu2+ ở pH = 5, NĐ ban
đầu = 50 mg/l, thời gian = 180phút..............................................60

xiv


Hình 8.4 Đồ thò biến thiên hiệu quả hấp phụ ở các mức pH
khác nhau của Asp.niger đối với ion Ni2+, NĐ ban đầu = 50ml/l.61
Hình 8.5 Đồ thò biến thiên hiệu quả hấp phụ ở các mức pH
khác nhau của Asp.niger đối với ion Cu2+, NĐ ban đầu = 50ml/l62
Hình 8.6 Đồ thò biến thiên hiệu quả hấp phụ ở các mức
nồng độ khác nhau của Asp.niger đối với ion Ni2+, pH = 5.......63
Hình 8.7 Đồ thò biến thiên hiệu quả hấp phụ ở các mức
nồng độ khác nhau của Asp.niger đối với ion Cu2+, pH = 6......64
Hình 8.8 Đồ thò biểu hiện hiệu quả xử lý ion Ni2+ của biofilm
Asp.niger ở nồng độ 50 mg/l, pH = 5, thời gian là 2 phút........65
Hình p.6.1 : Mô hình nghiên cứu trên Erlen..................................80
Hình p.6.2 : SK Asp.oryzae...................................................................81
Hình p.6.3 : SK Asp.niger......................................................................81
Hình p.6.4 : Asp. niger. phát triển trên rơm.................................82
Hình p.6.5 Độ dày của biofilm Asp.niger........................................82
Hình p.6.6 : Biofilm của Asp.oryzae..................................................83
Hình p.6.7 : Biofilm Asp.niger sau khi được xử lý bằng bột giặt 83
Hình p.6.8 : Mô hình khảo sát hiệu quả xử lý của biofilm
Asp.niger..............................................................................................84

xv


KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Asp.niger
Asp.oryzae

Aspergillus niger
Aspergillus oryzae

Dd

Dung dòch

KL

Kim loại

KLN

Kim loại nặng

M.hiemalis Mucor hiemalis
P.citrium

Penicillium citrium

SEM

Scanning electronic microscopy

SK

Sinh khối

T.lignorum Trichoderma lignorum

xvi


Chương 1 : MỞ ĐẦU

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm kim loại nặng trên thế giới
nói chung và ở nước ta nói riêng đang ngày càng gia tăng
cùng với sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp sản
xuất, gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường
và con người. Vì vậy việc loại bỏ các thành phần kim loại
nặng ra khỏi các nguồn ô nhiễm, đặc biệt là trong nước
thải công nghiệp là một trong những vấn đề quan trọng cần
phải giải quyết hiện nay.
Những phương pháp hoá lý dùng để loại bỏ KLN ra khỏi
nước thải như kết tủa, đông tụ, trao đổi ion, các quá trình
lọc màng và hấp phụ. Các công nghệ xử lý thông thường
như kết tủa và đông tụ thì tạo ra hiệu quả thấp và chi phí
cao khi nồng độ kim loại nằm trong khoảng từ 1 – 100 mg/l. Chi
phí cao, quá trình vận hành phức tạp và hiệu quả loại bỏ
thấp của các quá trình lọc màng là sự giới hạn khi sử dụng
nó để loại bỏ KLN. Hấp phụ trên carbon hoạt tính cũng là
một phương pháp dùng để loại bỏ KLN từ nước thải, nhưng
chi phí cao của than hoạt tính là một trong những nhược điểm
của nó. Nghiên cứu về các chất hấp phụ rẻ tiền và có
thể tìm kiếm dễ dàng đang được ưu tiên trong quá trình khảo
sát một số chất có nguồn từ nông nghiệp và sinh học,

các sản phẩm phụ trong công nghiệp, là những chất hấp
phụ có tiềm năng. Các chất hấp phụ đó bao gồm than đá
Girdish, vỏ dừa được nghiền nhỏ, than bùn, vỏ cây, rơm, lốp
cao su thải ra và tóc con người. Cùng với những phát triển
trong lónh vực công nghệ sinh học môi trường gần đây, các
nhà khoa học cũng đã nghiên cứu về các chất hấp phụ kim
loại nặng bằng vi sinh vật [12].

1


Vi khuẩn, nấm mốc, nấm men và tảo đều có thể loại
bỏ các KLN trong nước thải [20, 21, 24]. Quá trình tách KLN ra
khỏi dung dòch bằng sinh khối có thể được thực hiện bởi cơ
chế chủ động (phụ thuộc vào hoạt động trao đổi chất) được
biết đến như quá trình tích luỹ sinh học hay bởi cơ chế thụ
động (không phụ thuộc vào hoạt động trao đổi chất) được
biết đến như quá trình hấp phụ sinh học [12, 24].
Nấm mốc là một trong số loài vi sinh vật có tiềm
năng được sử dụng làm chất hấp phụ vì khả năng hấp phụ
kim loại cao [23]. Trong số các giống nấm mốc thì giống
Aspergillus spp. được xem là một giống lớn có nhiều ứng
dụng trong công nghiệp và quan trọng là có khả năng hấp
phụ kim loại cao. Vì vậy nghiên cứu của đề tài này sẽ góp
phần tạo ra một ứng dụng mới của Aspergillus spp. trong lónh
vực môi trường là xử lý các ion kim loại nặng trong nước
thải.
1.1

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng trong nước
của vi sinh vật và xác đònh các thông số ảnh hưởng đến
hiệu quả của quá trình hấp phụ .
1.2

Phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi các giống nấm mốc Aspergillus niger,
Aspergillus oryzae, Mucor hiemalis, Penicillium citrium, Trichoderma
lignorum. Nghiên cứu trong phạm vi mô hình phòng thí nghiệm.
1.3

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nước giả thải
của ion kim loại nặng Cu2+ và Ni2+.
1.4

Nội dung nghiên cứu

2


- Tổng hợp tài liệu về nghiên cứu khả năng loại bỏ
KLN của vi sinh vật.
- Nghiên cứu đường cong tăng trưởng của các giống
nấm mốc Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Mucor hiemalis,
Penicillium citrium, Trichoderma lignorum để chọn thời gian thu sinh
khối hiệu quả.

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cu 2+
và Ni2+ của các giống Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Mucor
hiemalis, Penicillium citrium, Trichoderma lignorum để chọn lựa
chủng có tiềm năng ứng dụng làm chất hấp phụ sinh học
trong xử lý ion Cu2+ và Ni2+ trong nước.
- Nghiên cứu hiệu quả của việc xử lý tế bào nấm
mốc trước khi sử dụng để loại bỏ ion Cu 2+ và Ni2+ nhằm gia
tăng khả năng xử lý của tế bào.
- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến quá trình
hấp phụ ion Cu2+ và Ni2+ trong nước của Aspergillus spp.
- Khảo sát khả năng ứng dụng biofilm của Aspergillus
spp.
- Khảo sát khả năng phát triển của Aspergillus spp. trên
vật liệu biofilter.

3


4


Chương 2 : KIM LOẠI NẶNG

2.1 Khái niệm [19]
KLN là những kim loại có tỷ trọng (so với nước) lớn hơn
5g/cm3, vì vậy những nguyên tố chuyển tiếp từ V (nhưng trừ Sc
và Ti) đến á kim As, từ Zr (trừ Y) đến Sb, từ La đến Po, các
nguyên tố trong họ latan và các nguyên tố trong họ actin có
thể được xem là các KLN. Trong 90 nguyên tố tìm thấy trong tự
nhiên có 21 nguyên tố không phải làkim loại, 16 nguyên tố

là kim loại nhẹ, 53 nguyên tố còn lại (bao gồm cả As) là các
KLN.
Phần lớn những KLN là những nguyên tố chuyển tiếp
với các orbitan d chưa được đầy (chưa đủ 16e) . Các orbitan d đó
làm cho những cation KLN khả năng về hình dạng các hợp chất
phức tạp có thể có hoặc không có hoạt động oxy hoá khử.
Vì vậy, những cation KLN giữ một vai trò quan trọng như “những
nguyên tố dạng vết” trong các phản ứng sinh hoá phức tạp.
Tuy nhiên, ở hàm lượng cao hơn, những ion KLN không đặc trưng
cho các hợp chất phức tạp trong tế bào thì gây ra độc tính.
Một vài cation KLN như Hg 2+, Cd2+, và Ag+ có độc tính rất mạnh
nên gây ra nguy hiểm đối với bất kì cấu trúc sinh lý học
nào. Mặc dù những nguyên tố rất cần thiết khi ở dạng vết
như Zn2+ hoặc Ni2+ và đặc biệt là Cu 2+ nhưng lại gây độc khi ở
hàm lượng cao hơn. Vì vậy, hàm lượng các ion KLN trong tế bào
phải được kiểm soát chặt chẽ, và khả năng chòu đựng KLN ở
những trường hợp đặc trưng của nhu cầu thông thường của
mọi tế bào sống đối với một vài hệ thống ổn đònh KLN.
2.1.1 Tính chất hoá lý của đồng (Cu) [4]
Đồng là một chất quan trọng , là nguyên tố vi lượng cần
thiết cho cây trồng và động vât. Ở trạng thái kim loại, đồng
có màu hơi đỏ, sáng bóng ánh kim, mềm dễ dát mỏng và

4


là một chất dẫn nhiệt, dẫn điện tốt. Công dụng chủ yếu
của đồng là để sản xuất dây kim loại và hợp kim của nó,
đồng thau và đồng thiếc. Trong thiên nhiên, đồng ở nhiều
dạng: sulfides, chất sulfate, muối sulfate, carbonate, hợp chất

khác và còn tìm thấy đồng trong môi trường như là kim loại tự
nhiên. Mức trung bình cho sự dư thừa của Cu trong sinh quyển là
70 mg/kg, trong khi những đánh giá gián tiếp cho vỏ trái đất
có khoảng 25 - 35 mg/kg. Đất của thế giới, theo tài liệu cũ,
giá trò của đồng là 20mg/kg, có bò thay đổi gần đây và được
ghi lại là 30mg/kg. Đồng có liên kết với chất hữu cơ trong đất
như oxyt Fe và Mn, đất sét silicate và chất vô cơ khác.
Cu (II) được sắp đặt với 4 phân tử nước trong mặt phẳng
XY và 2 oxy silicate, đối xứng theo trục Z thẳng góc với một
lớp silicate. Nếu có nhiều lớp của phân tử nước của màng
thủy hóa chiếm xen kẽ với khu vực của Cu hectorite,
[Cu(H2O)6]2+ trong dung dòch H2O, từ đó, Cu2+ sẽ qui thành ion
[Cu(H2O)6]2+ và Cu sẽ được sử dụng trong sự nghiên cứu “yếu
tố ngoài” của trạng thái hóa trò. Trong môi trường đất, chúng
ta cần quan tâm đến nồng độ thấp của Cu, với xấp xỉ trung
bình 24 - 25 mg/kg trong phần vỏ trái đất và 20 – 30 mg/kg Cu
tổng cộng trong đất, Cu2+ được coi như là loại Cu tự do trong đất.
Hợp chất hữu cơ trong đất gắn liền với đồng, nhóm COO - có
mặt trong cả hai pha rắn và lỏng ở hình thức liên kết chặt
với Cu. Sự hình thành pha rắn được xem như nguyên nhân gây
sự thiếu hụt Cu, đó là do chất hữu cơ đất đã tạo phức với Cu
làm lượng đồng tự do giảm xuống. Thêm vào đó, than bùn
có tính độc đối với cây trồng và các nguồn khác của chất
liệu hữu cơ từ chất nền có Cu cao.
Với số nguyên tử 29, Cu là nguyên tố đầu tiên của
phân nhóm 13 của bảng tuần hoàn. Cấu trúc electron của
nguyên tố Cu là 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. Có 4 electron đơn ở
ngoài, lớp vỏ 3d đã đầy đủ, vì thế bền chặt hơn. Giống như
tất cả các nguyên tố đầu tiên khi chuyển tiếp sang một
chuỗi (Cr, Mn, Fe, Co, Ni) và không giống Li, Na, K và Pb của dãy

thứ nhất, hai điện tử đã dễ dàng di chuyển liên quan đến

5


nguyên tử Cu[3]. Trong khi Cu 2+ hầu hết đều bền nên vững.
Lớp ion thứ hai của Cu điện thế cao hơn lớp thứ nhất cho Cu(I)
bền vững tồn tại trong môi trường. Cu bền vững trong dung
dòch nước với số ion ở mức cao không đổi, ion aceton, ion
pyridine hay ion cyanide… Theo Parker, lượng Cu trong đất giàu độ
ẩm là 10-6 – 10-7 M, ví dụ như Cu có thể tồn tại ở 1.10 -7 M và
Cu2+ ở 3.10-7M .Mối liên hệ này có được đối với nồng độ ion
[Cu+] trong phản ứng mà ion Cu+ thiếu cân đối.
2Cu+(aq) → Cu2+(aq) + Cu(s)

K= 106M-1 ở 250C

Nồng độ Cu trong dung dòch hòa tan là 10-2 – 10-3 M, có rất
ít ion Cu+ . Sau đó, trong cuộc thảo luận về tính chất vật lý và
hóa học của Cu trong những môi trường khác nhau, dùng
năng lượng tụ do của các ion đơn lan truyền trong các dung môi
khác nhau, Parker kết luận rằng, ion Cu 2+ , [Cu(H2O)6]2+ là loại Cu
thích hợp nhất cho các nghiên cứu về đất. Tuy nhiên, ở vùng
đất bò ngập lụt có thể tạo ion Cu + và trong một số trường
hợp Cu0 có thế nhiệt động hơn là Cu 2+. Chalcopyrite có số
lượng nhiều hơn chất khoáng Cu, nó được tìm thấy nhiều trong
đá và tập trung thành một lượng Cu lớn nhất ở các chất
lắng của nó. Thêm vào đó, trong các chất vô cơ tự nhiên,
Cu được tìm thấy ở dạng phân tán trong các loại đá trầm tích.
2.1.2 Tính chất hoá lý của nikel (Ni) [4]

Nikel là một kim loại thuộc nhóm VIII của bảng tuần
hoàn. Số nguyên tử là 28 và khối lượng nguyên tử 58.71.
Trong số bảy đồng vò phóng xạ biết 63Ni (chu kỳ bán phân rã
là 92 năm) được dùng nhiều nhất trong các nghiên cứu đất
cây trồng. Ni có thể xuất hiện trong một số trạng thái oxi
hóa nhưng chỉ có nikel(II) bền vững trên dãy pH rộng và
điều kiện oxy hóa – khử trong môi trường đất. Bán kính ion
của Ni (II) là 0.065nm (gần với bán kính ion của Fe, Mg, Cu và
Zn). Nikel có thể thay thế các kim loại thiết yếu trong các
enzym kim loại và gây ra sự đứt gãy các đường trao đổi chất.

6


Đặc tính cơ học: cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, dễ kéo
sợi. Trong tự nhiên, nikel xuất hiện ở dạng hợp chất với lưu
hùnh trong khóng chất millerit, với asenic trong khóng chất
niccolit, và với asenic cùng lưu huỳnh trong quặng nikel.
Ở điều kiện bình thường, nó ổn đònh trong không khí và
trơ với ôxi nên thường được dùng làm tiền xu nhỏ, bảng kim
loại, đồng thau, v.v.., cho các thiết bò hóa học, và trong một số
hợp kim, như bạc Đức. Nikel có từ tính, và nó thường được
dùng chung với Co, cả hai đều tìm thấy trong sắt từ sao băng.
Nó là thành phần chủ yếu có giá trò cho hợp kim nó tạo
nên. Nikel là một trong năm nguyên tố sắt từ.
2.2 Nguồn gốc gây ô nhiễm KLN [4]
Ô nhiễm là sự phóng thích của các chất hoá học, vật
lý, sinh học và chất phóng xạ ngoài môi trường. Hiện nay
vấn đề ô nhiễm môi trường đang là mối quan tâm hàng
đầu của toàn nhân loại. Ô nhiễm môi trường có thể là

hậu quả của các hoạt động tự nhiên như hoạt động núi lửa,
thiên tai lũ lụt,… hoặc các hoạt động do con người thực hiện
trong công nghiệp, giao thông và trong sinh hoạt, một trong
những tác nhân gây ô nhiễm môi trường đang được chú ý
là các kim loại nặng.
2.2.1 Từ các hoạt động công nghiệp
Trong các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng thì hoạt động
công nghiệp là nguồn gây ô nhiễm nhiều nhất. Có thể kể
đến một vài ngành công nghiệp tiêu biểu như: công nghiệp
thuộc da, sành sứ, hóa chất, thuốc trừ sâu, luyện kim gây ô
nhiễm asen; công nghiệp luyện kim, lọc dầu, khai khoáng, mạ
kim loại, ống dẫn nước gây ô nhiễm cadimi; công nghiệp
nhuộm len, mạ, thuộc da, sản xuất đồ gốm, sản xuất chất
nổ gây ô nhiễm crôm; công nghiệp mỏ, than đá, sản xuất
ắc quy, xăng, điện tử gây ô nhiễm chì; công nghiệp sản
xuất pin, đèn huỳng quang, nhiệt kế gây ô nhiễm thủy
ngân... Chính điều này làm cho môi trường gần các khu công
7


nghiệp có hàm lượng kim loại nặng tương đối cao. Theo kết
quả quan trắc và phân tích môi trường, hàm lượng đồng, chì,
cadimic và coban ở trong nguồn nước gần các thò trấn và
trung tâm công nghiệp lớn nhiều hơn so với mức bình thường.
2.2.2
loại

Từ các hoạt động công nghiệp khai thác kim

2.2.2.1 Chu trình kim loại công nghiệp

Ô nhiễm KLN cũng có nguồn gốc từ sản xuất công
nghiệp và khai thác mỏ. Quặng được đưa lên một sàng, được
nghiền và tách các thành phần nhỏ, tạo thành một sản
phảm giàu KLN ( quá trình làm giàu), cộng với một số lượng
lớn trong chất thải .Các chất thải thường được thải ra dưới
dạng bùn than xuống một đầm, thường là các lòng chảo tự
nhiên hay một hồ. Quặng sau khi sàng được đưa đến một lò
nấu chính. Chất thải lò bao gồm chất thải nóng chảy gọi là
xỉ, được phân tán trong đất, kèm theo sự phóng thích SO 2, các
khí khác và kim loại ứng với quặng đó. Thành phần từ các
lò luyện chảy được đưa đến các lò luyện tinh để sản xuất
các kim loại tinh khiết kèm theo sự phóng thích một lần nữa
của khí và kim loại tương ứng ra khí quyển. Kim loại tinh đã được
luyện tinh được dùng trong nhiều ngành công nghiệp khác
nhau. Từ đây, nó có thể tạo ra sự ô nhiễm một lần nữa
vào đất, nước và không khí. Sau một thời gian hữu dụng, các
sản phẩm có thể được tái sinh bằng cách ấy và luyện tinh
lại lần 2 có thể bò thải hồi thành rác thải hay, đáng tiếc
hơn, nó có thể tập trung vào các đống rác ở các vùng đất
tốt . Tấc cả các quá trình trên đều gây ra ô nhiễm môi
trường.
2.2.2.2 Ô nhiễm KLN từ chất thải khai thác mỏ
Sự ô nhiễm quanh các khu vực mỏ là do các đống chất
thải trong quá trình khai mỏ, các rác tập trung thành hố… Do
hàm lượng độc chất KLN lớn, sự phát triển của thực vật trên

8