Tài liệu Thu thập và tuyển chọn một số dòng vi tảo có khả năng hấp thu kim loại nặng trong nước ao hồ ở tỉnh vĩnh long

TÓM LƯỢC Đề tài nghiên cứu “Thu thập và tuyển chọn một số dòng vi tảo có khả năng hấp thu kim loại nặng trong nƣớc ao hồ ở tỉnh Vĩnh Long” được tiến hành nhằm mục đích thu thập một số dòng vi tảo trong thủy vực nước ao hồ để định danh, nhân sinh khối và bố trí thí nghiệm về khả năng hấp thu kim loại Đồng. Kết quả đề tài, dựa vào khóa phân loại của Dương Đức Tiến và Võ Hành định danh được 7 dòng. Trong đó có dòng VL1 có khả năng nhân sinh khối cao và có khả năng hấp thu được kim loại Đồng. Từ khóa: thu thập, vi tảo, nước, Vĩnh Long. i MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN ................................................ Lỗi! Thẻ đánh dấu không được xác định. TÓM LƢỢC ....................................................................................................................i MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii DANH SÁCH BẢNG ..................................................................................................... v DANH SÁCH HÌNH .....................................................................................................vi Chƣơng 1: GIỚI THIỆU............................................................................................... 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................................ 2 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................... 2 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ............................................................................................. 2 Chƣơng II: LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU ..................................................................... 3 2.1 VI TẢO .................................................................................................................. 3 2.1.1 Khái niệm..............................................................................................................................3 2.1.2 Vị trí tảo trong sinh giới ...................................................................................................3 2.1.3 Các ngành chính .................................................................................................................5 2.1.4 Hình thái cấu tạo của tảo .................................................................................................6 2.1.5 Vai trò của vi tảo trong tự nhiên và trong đời sống nhân loại ..............................6 2.1.6 Khả năng sử dụng vi tảo để xử lý kim loại nặng trong nước thải ..........................7 2.1.7 Nghiên cứu sinh học và kĩ thuật nuôi trồng vi tảo và tảo ở Việt Nam .................8 2.2 PHÂN LẬP VI TẢO ......................................................................................... 10 2.2.1 Thu mẫu ..............................................................................................................................10 2.2.2 Kỹ thuật phân lập vi tảo...................................................................................................10 2.3 TINH SẠCH MẪU TẢO .................................................................................. 11 2.3.1 Phương pháp ly tâm ..........................................................................................................11 2.3.2 Phương pháp chiếu tia cực tím ......................................................................................11 2.3.3 Phương pháp lọc................................................................................................................12 2.3.4 Sử dụng kháng sinh ...........................................................................................................12 2.4 KIM LOẠI NẶNG ............................................................................................ 12 ii 2.5 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ....................................................... 14 2.5.1 Một số nghiên cứu trong nước .......................................................................................14 2.5.2 Một số nghiên cứu trên thế giới ...................................................................................16 Chƣơng III: PHƢƠNG TIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP ........................................ 18 3.1 THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM THỰC HIỆN .................................................... 18 3.2 PHƢƠNG TIỆN THÍ NGHIỆM...................................................................... 18 3.2.1 Nguyên vật liệu .................................................................................................................18 3.2.2 Dụng cụ và thiết bị ...........................................................................................................18 3.2.3 Môi trường và hóa chất .................................................................................................18 3.3 PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM .................................................................... 20 3.3.1 Phân lập vi tảo....................................................................................................................20 3.3.2 Phương pháp làm sạch tảo bằng chất kháng sinh ....................................................23 3.3.3 Nhân sinh khối ..................................................................................................................24 3.3.3 Khảo sát khả năng hấp thu kim loại nặng của các dòng tảo phân lập được ..27 3.3.4 Xử lý số liệu. ........................................................................................................................27 CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 28 4.1 THU MẪU........................................................................................................... 28 4.2 KẾT QUẢ PHÂN LẬP VI TẢO TỪ CÁC MẪU NƢỚC ............................... 28 4.2.1 Dòng 1 ..................................................................................................................................29 4.2.2 Dòng 2 ..................................................................................................................................30 4.2.3 Dòng 3 ..................................................................................................................................31 4.2.4 Dòng 4 ..................................................................................................................................32 4.2.5 Dòng 5 ..................................................................................................................................33 4.2.6 Dòng 6 ..................................................................................................................................34 4.2.7 Dòng 7 ..................................................................................................................................35 4.3 MẬT SỐ VI TẢO SAU KHI THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG HẤP THU KIM LOẠI ĐỔNG............................................................................................................. 36 CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................... 37 5.1 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 37 5.2 ĐỀ NGHỊ............................................................................................................. 37 iii TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 38 Tài liệu tiếng Việt....................................................................................................... 38 Tài liệu tiếng Anh....................................................................................................... 38 Tài liệu đọc trên Internet ............................................................................................ 40 iv DANH SÁCH BẢNG Trang Bảng 1. Môi trường f2 (Guillard, 1975). .................................................................... 18 Bảng 2: Thành phần vi lượng trong môi trường f2 (Guillard, 1975). ........................ 18 Bảng 3: Thành phần Vitamin trong môi trường f2 (Guillard, 1975).......................... 19 Bảng 4: Các nghiệm thức xử lý kháng sinh với các nồng độ khác nhau ................... 23 Bảng 5: Số mẫu thu được tại các huyện của tỉnh Vĩnh Long ..................................... 28 Bảng 6: Các dòng vi tảo phân lập được ở ao hồ Vĩnh Long ...................................... 28 Bảng 7: Mật số tế bào vi tảo khảo sát sau khi thử nghiệm khả năng hấp thu kim loại đồng qua 3 ngày.......................................................................................................... 36 v DANH SÁCH HÌNH Trang Hình 1: Sinh sản hữu tính ở vi tảo Chlamydomon ..................................................... 5 \ Hình 2: Pasteur pipette trước khi kéo ......................................................................... 20 Hình 3: Pasteur pipette trước khi kéo ......................................................................... 21 Hình 4: Chuẩn bị Pasteur pipette ............................................................................... 21 Hình 5: Pasteur pipette sau khi kéo ............................................................................ 22 Hình 6: vi tảo được nuôi trong ống nghiệm ............................................................... 25 Hình 7: Vi tảo được nuôi trong erlen 250 ml ............................................................ 25 Hình 8: Vi tảo được nuôi trong chai 1500 ml............................................................. 25 Hình 9: Vi tảo được nuôi trong bịch nilông 4000 ml ................................................. 26 Hình 10: Hình dạng vi tảo dòng VL1 ở độ phóng đại 400 lần .................................. 29 Hình 11: Hình dạng dòng vi tảo VL2 ở độ phóng đại 100 lần (a) và 400 lần (b) ..... 30 Hình 12: Hình dạng dòng vi tảo VL3 ở độ phóng đại và 400 lần .............................. 31 Hình 13: Hình dạng dòng tảo VL4 ở độ phóng đại 400 lần ..................................... 32 Hình 14: Hình dạng dòng VL5 ở độ phóng đại 400 lần ............................................. 33 Hình 15: Hình thái dòng VL6 ở độ phóng đại 400 lần .............................................. 34 Hình 16: Hình thái dòng VL7 ở độ phóng đại 100 lần .............................................. 35 vi Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm nguồn nước nói riêng là một trong những vấn đề đang được cả thế giới quan tâm. Việt Nam và các nước đang phát triển luôn phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm nước ngày một tăng và một trong những nguyên nhân ô nhiễm nước được chú ý là kim loại nặng từ nước thải công nghiệp không qua xử lý. Nhiều nguồn ô nhiễm môi trường nước từ các công ty sản xuất giấy, acqui, sơn, xăng dầu, chế tạo máy, khai thác mỏ, xi mạ, thuộc da, phim ảnh... chứa các kim loại nặng như Hg, Pb, Cd, Cr, Ni, Zn, Cu, As... Thông thường để loại bỏ kim loại nặng khỏi môi trường nước, người ta thường dùng các phương pháp kết tủa hóa học, ôxy hóa khử, xử lý điện hóa, trao đổi ion... Các phương pháp này đòi hỏi chi phí đầu tư, vận hành cao và tỏ ra kém hiệu quả khi xử lý các nguồn nước thải có lưu lượng lớn nhưng nồng độ kim loại không cao lắm. Trong trường hợp sử dụng các vật liệu sinh học để làm chất hấp thu kim loại nặng thì các ion kim loại nặng sẽ liên kết với các pôlyme sinh học như cacboxyl, phốtphat, sunphát, amin... Hiện tượng hấp thu sinh học chính là cơ sở để phát triển một công nghệ mới nhằm loại bỏ hoặc thu hồi kim loại nặng từ môi trường lỏng. Công nghệ này tương đối phù hợp với các nước đang phát triển như Việt Nam vì đơn giản, giá thành thấp và không đòi hỏi trang thiết bị và quy trình phức tạp như các công nghệ khác. Tảo chính là một trong số các vật liệu sinh học được nghiên cứu và sử dụng. Theo Wilde & Benemann (1993) một số chủng vi tảo có tiềm năng rất lớn trong việc giảm ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải. Một số tảo hấp thu kim loại nặng như tảo Silic (hấp thu Zn), Chroococcus pais (hấp thu Zn, Cu, Cd), Cholorella sp (hấp thu Cu, Cd, Ni)… (Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999). Đề tài “Thu thập và tuyển chọn một số dòng vi tảo có khả năng hấp thu các kim loại nặng trong nƣớc” nhằm góp phần tìm ra giải pháp xử lý kim loại nặng trong nước đạt hiệu quả cao. 1 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Tuyển chọn được một số vi tảo có khả năng hấp thu kim loại nặng. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Phân lập một số dòng vi tảo. Nhân nuôi sinh khối vi tảo ở quy mô phòng thí nghiệm Khảo sát khả năng hấp thu kim loại nặng của các dòng vi tảo phân lập được. 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Trong phạm vi đề tài này chỉ thí nghiệm với ion kim loại nặng phổ biến là Cu2+. 2 Chƣơng II: LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 VI TẢO 2.1.1 Khái niệm Vi tảo (Microalgae) là tất cả các tảo (Algae) có kích thước hiển vi. Muốn quan sát chúng phải sử dụng tới kính hiển vi. Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm đến khoảng 2/3 (Nguyễn Lân Dũng và Nguyễn Hoài Hà, 2006). Tảo là thực vật bậc thấp, nghĩa là những thực vật bào tử, có tản (cơ thể không phân ra thành rễ lá), tế bào chứa diệp lục và sống chủ yếu trong nước. Những tảo đang tồn tại không phải là nhóm cơ thể đồng nhất về cấu tạo và nguồn gốc. Hiện nay tảo được xác nhận là tập hợp một số ngành thực vật đặc biệt, độc lập về nguồn gốc tiến hóa. Như vậy từ “tảo” có ý nghĩa sinh học lớn, bao gồm các thực vật bậc thấp có diệp lục, sống chủ yếu ở trong nước và chiếm tới 1/3 sinh khối thực vật trên trái đất. 2.1.2 Vị trí tảo trong sinh giới Năm 1969 R.H. Whitake đưa ra hệ thống phân loại 5 giới, trong đó toàn bộ Tảo được xếp trong giới Nguyên sinh. Sau khi đề xuất việc phân chia sinh giới thành 3 lĩnh giới (domain) Carl R. Woese đề xuất hệ thống phân loại 6 giới (Vi khuẩn, Cổ khuẩn, Nguyên sinh, Nấm, Thực vật, Động vật) thì toàn bộ Tảo vẫn được xếp trong giới Nguyên sinh. Gần đây, theo P.H. Raven và G.B. Johnson (2002) còn có hệ thống phân loại chia lĩnh giới Sinh vật nhân thật (Eukarya hay Eukaryotic Kingdoms) ra thành 6 giới, gồm có: - Giới Archezoa: gồm các Nguyên sinh chưa có ty thể, bao gồm Pelomyxa, Giardia. - Giới Protozoa (Động vật nguyên sinh): bao gồm 14 ngành Nguyên sinh- trong đó có Hypermastigotes, Euglenoides, Slime molds (Nấm nhầy), Choanoflagellates, Dinoglagellates, Ciliates, Apicomplexans, Rhizopods, Heliozoans, Foraminiferans, và Radiolarians. - Giới Chromista: gồm 10 ngành Nguyên sinh, trong đó có Tảo nâu (Phaeophyta) và Tảo silic (Diatoms). - Giới Fungi (Nấm): Bao gồm nấm và 1 ngành Nguyên sinh sống hoại sinh là ngành Chytridiomycota. - Giới Plantae (Thực vật): bao gồm Thực vật và 5 ngành Nguyên sinh (nhiều Tảo lục như Volvox, Ulva, Spirogyra và Tảo đỏ (Rhodophyta). - Giới Animalia (Động vật). 3 Vi tảo thường thuộc về 2 bộ là Volvocales và Chlorococcales - Bộ Volvocales gồm các vi tảo có lông roi, đơn bào hay thành nhóm, có dạng phân cắt bắc cầu (desmoschisis). - Bộ Chlorococcales gồm các vi tảo không có tiên mao, đơn bào hay thành nhóm, có dạng phân cắt tách rời (eleutheroschisis). Vi tảo trong bộ Volvocales là những đơn bào di động hay những nhóm di động đa bào có hình dạng nhất định. Quần thể tế bào là bội số của 2. Tế bào dinh dưỡng có lông roi, di động tự do. Tế bào hình cầu, hình trứng, hình tim, hình bầu dục, hình viên trụ, hình thoi... cũng có loại có hình vô quy tắc. Một số loài không có thành tế bào, chỉ là khối nguyên sinh chất trần. Phần lớn có thành tế bào vững chãi - tầng trong là cellulose, tầng ngoài là pectin. Một số loại có bao keo liên kết các tế bào thành quần thể. Tế bào thường có 2 lông roi dài bằng nhau, một số ít có 4 lông roi, một số rất ít có 1, 6 hay 8 lông roi. Tế bào có 1 hay nhiều sắc lạp, thường có hình chén, cũng có thể có hình phiến, hình đĩa, hình sao. Rất ít loài vô màu. Sắc lạp có 1 hay vài pyrenoid. Thường có điểm mắt ở một phía phần trên của tế bào, một số ít có điểm mắt ở giữa hay ở cuối tế bào. Tế bào dinh dưỡng có nhân đơn bội. Khi sinh sản vô tính mỗi tế bào mất đi lông roi, nguyên sinh chất trong tế bào bắt đầu phân cắt tạo ra 2, 4, 8, 19 tế bào. Trong điều kiện môi trường bất lợi lông roi mất đi hay co lại, đình chỉ di động. Tế bào tiết ra một tầng keo sau đó phân cắt liên tiếp tạo ra một quần thể keo, đa bào, vô định hình, đó là giai đoạn quần thể keo (palmella stage). Khi môi trường thích hợp trở lại thì mọc ra lông roi, chuyển sang giai đoạn di động. Các loài nguyên thủy thì mỗi tế bào đều có thể sinh ra quần thể con. Ở các loài đã phân hóa thành tế bào dinh dưỡng và tế bào sinh sản thì chỉ có tế bào sinh sản mới có thể sinh ra quần thể con. Khi sinh sản hữu tính có loại đẳng giao, dị giao hay noãn giao. Sau khi giao tử kết hợp sẽ hình thành hợp tử. Hợp tử nảy mầm sẽ sinh ra tế bào con hay quần thể con. 4 Hình 1: Sinh sản hữu tính ở vi tảo Chlamydomon (Nguyễn Lân Dũng và Nguyễn Hoài Hà, 2006) Trong bộ Volvales có cả thảy 6 họ, đều là vi tảo. Đáng chú ý là các chi Dunaliella, Tetraselmis, Haematococcus, Chlamydomonas... Tảo thuộc bộ Chlorococcales là các tảo lục đơn bào hay quần thể không di động. Tế bào có thể có hình cầu, hình thoi, hình đa giác. Sắc lạp chỉ có 1 hay nhiều, hình chén, hình phiến, đĩa hay hình lưới. Có 1, nhiều hay không có pyranoid, tế bào 1 nhân, có lúc có nhiều nhân. Các chi có nhiều ứng dụng thực tiễn là Chlorella, Scenedesmus,... 2.1.3 Các ngành chính Theo Nguyễn Lân Dũng và Nguyễn Hoài Hà (2006) vi tảo chủ yếu thuộc về các chi trong các ngành sau đây: - Ngành Tảo lục (Chlorophyta) Các chi Closterium, Coelastrum, Dyctyosphaerium, Scenedesmus, Pediastrum, Staurastrum, Dunaliella, Chlamydomonas, Haematococcus, Tetraselmis, Chlorella,... - Ngành Tảo lông roi lệch (Heterokontophyta) Các chi Melosira, Asterionella, Cymatopleurra, Somphonema, Stephanodiscus, Navicula, Malomonas, Dinobryon, Peridinium, Chaetoceros, Phaeodactylum, Skeletonema, Nitzschia... - Ngành Tảo mắt (Euglenophyta) Các chi Phacus, Trachelomonas, Ceratium... 5 Fragilaria, Isochrysis, - Ngành Tảo đỏ (Rhodophyta) Các chi Porphyridium, Rhodella... 2.1.4 Hình thái cấu tạo của tảo Tảo có hình thái cơ thể rất đa dạng. Có thể chia thành 8 kiểu hình thái như sau (Nguyễn Lân Dũng và Nguyễn Hoài Hà, 2006): 1) Kiểu Monad: Tảo đơn bào, sống đơn độc hay thành tập đoàn, chuyển động nhờ lông roi. 2) Kiểu Pamella: Tảo đơn bào, không có lông roi, cùng sống chung trong bọc chất keo thành tập đoàn dạng khối có hình dạng nhất định hoặc không. Các tế bào trong tập đoàn không có liên hệ phụ thuộc nhau. 3) Kiểu Hạt: Tảo đơn bào, không có lông roi, sống đơn độc. 4) Kiểu Tập đoàn: Các tế bào sống thành tập đoàn và giữa các tế bào có liên hệ với nhau nhờ tiếp xúc trực tiếp hay thông qua các sợi sinh chất. 5) Kiểu Sợi: Cấu tạo thành tản (thallus) đa bào do tế bào chỉ phân đôi theo cùng một mặt phẳng ngang, sợi có phân nhánh hoặc không. 6) Kiểu Bản: Tản đa bào hình lá do tế bào sinh trưởng ở đỉnh hay ở gốc phân đôi theo các mặt phẳng cả ngang lẫn dọc. Bản cấu tạo bởi một hay nhiều lớp tế bào. 7) Kiểu Ống: Tản là một ống chứa nhiều nhân, có dạng sợiphân nhánh hay dạng cây có thân , lá và rễ giả (rhizoid). các tế bào thông với nhau vì tuy phân chia nhưng không hình thành vách ngăn. 8) Kiểu Cây: Tản dạng sợi hay dạng bản phân nhánh, hoặc có dạng thân - lá - rễ giả. Thường mang cơ quan sinh sản có mức độ phân hóa cao. 2.1.5 Vai trò của vi tảo trong tự nhiên và trong đời sống nhân loại Tảo nói chung và vi tảo nói riêng có vai trò rất quan trọng trong tự nhiên và trong đời sống nhân loại. Chúng ta biết rằng đại dương chiếm 71% diện tích bề mặt Trái đất. Một số tác giả Hoa Kỳ cho rằng hàng năm tảo có thể tổng hợp ra trong đại dương 70280 tỷ tấn chất hữu cơ. Trong các thủy vực nước ngọt tảo cung cấp ôxy và hầu hết thức ăn sơ cấp cho cá và các động vật thủy sinh khác. Tảo góp phần bảo vệ môi trường nuôi thủy sản bằng cách tiêu thụ bớt lượng muối khoáng dư thừa. Canh tác biển là nhằm trồng và thu hoạch các tảo sinh khối lớn và có hàm lượng dinh dưỡng cao. Nhiều tảo biển còn khai thác để sản xuất thạch (agar), alginate, sản phẩm giàu iod... Nhiều tảo đơn bào được nuôi trồng công nghiệp để tạo ra những nguồn thức ăn cho ngành nuôi tôm hay thuốc bổ trợ giàu protein, vitamin và vi khoáng dùng cho người. 6 Một số vi tảo được dùng để sản xuất carotenoid, astaxanthin, các acid béo không bão hòa... Tảo silic tạo ra các mỏ diatomid, đó là loại nguyên liệu xốp, nhẹ, mịn được dùng trong nhiều ngành công nghiệp. Tảo phân bố hết sức rộng rãi khắp mọi nơi, từ đỉnh núi cao đến đáy biển sâu. Những tảo sống ở lớp nước phía trên được gọi là Tảo phù du (Phytoplankton) còn những tảo sống bám dưới đáy thủy vực, bám trên các vật sống hay thành tàu thuyền được gọi là Tảo đáy (Phytobentos). Dạng tảo cộng sinh với nấm thành Địa y cũng là dạng phân bố rất rộng rãi và nhiều loài đã được khai thác dùng làm dược phẩm, nước hoa, phẩm nhuộm và các mục đích kinh tế khác (hiện đã biết tới 20000 loài Địa y thuộc 400 chi khác nhau) (Nguyễn Lân Dũng và Nguyễn Hoài Hà, 2006). 2.1.6 Khả năng sử dụng vi tảo để xử lý kim loại nặng trong nước thải Người ta đã phát hiện rằng nhiều loại sinh khối có thể hấp thu kim loại nặng trong nước, trong số đó có sinh khối vi tảo. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng sinh khối sống và chết của các loại vi tảo để hấp thu kim loại nặng có những ưu thế đặc biệt (Lâm Ngọc Tuấn, 2004): - Nhiều loại vi tảo có khả năng thu nhận kim loại nặng ở mức độ cao, nồng độ kim loại nặng tích lũy bên trong các cấu trúc tế bào của chúng có thể cao gấp hàng nghìn lần nồng độ trong tự nhiên. - Diện tích bề mặt riêng của sinh khối vi tảo vô cùng lớn làm cho chúng rất hiệu quả trong việc loại trừ và tái thu hồi kim loại nặng trong nước thải. - Sự hấp thu sinh học các ion kim loại nhờ tảo tốt hơn so với sự kết tủa hóa học ở khả năng thích nghi với sự thay đổi pH và nồng độ kim loại nặng; tốt hơn phương pháp trao đổi ion và thẩm thấu ngược ở khả năng nhạy cảm với sự hiện diện của chất rắn lơ lửng, các chất hữu cơ, và sự hiện diện của các kim loại khác. - Có khả năng xử lý với một thể tích lớn nước thải với tốc độ nhanh. - Có tính chọn lọc cao nên nồng độ kim loại nặng còn lại sau xử lý sinh học có thể chỉ còn thấp hơn 1 ppm trong nhiều trường hợp. - Hệ thống xử lý sinh học không cần các thiết bị hóa chất đắt tiền, dễ vận hành, phù hợp với các điều kiện hóa lý khác nhau nên giá thành thấp (chỉ bằng khoảng 1/10 giá thành của phương pháp trao đổi ion). - Trong hoạt động quang hợp của mình, vi tảo còn thu nhận một lượng lớn khí CO2, các muối dinh dưỡng, có tác dụng làm giảm hiệu ứng nhà kính, ngăn ngừa và khắc phục tình trạng phì dưỡng (eutrophication) của môi trường nước. 7 Chính vì thế vi tảo có thể là một lựa chọn đơn giản và hiệu quả để loại trừ kim loại nặng trong nước thải công nghiệp. 2.1.7 Nghiên cứu sinh học và kĩ thuật nuôi trồng vi tảo và tảo ở Việt Nam Theo Nguyễn Lân Dũng và Nguyễn Hoài Hà (2006), ở Việt Nam có một số nghiên cứu sinh học và kỹ thuật nuôi trồng vi tảo như sau: Nâng cao các đặc tính di truyền của tảo bằng việc nuôi cấy mô tế bào trong điều kiện phòng thí nghiệm. Áp dụng một số phương pháp nghiên cứu dựa trên các kỹ thuật sinh học phân tử (như RAPD, AFLP, đọc trình tự các đoạn gen 16S, 18S, ITS-1-5, 8S-ITS2, phương pháp PCR đi từ 1 tế bào (Single - Cell PCR method), Real-Time PCR, điện di nồng độ gel biến tính, lai ADN hay lai RNA bằng phóng xạ hoặc huỳnh quang, kháng thể đơn dòng và đa dòng vv…) trong việc hỗ trợ định tên khoa học nhanh chóng và nghiên cứu tính đa dạng di truyền của các loài tảo Việt Nam. Nghiên cứu cấu trúc và chức năng quần thể tảo trong các hệ sinh thái khác nhau đặc biệt là hệ sinh thái nước ngọt và biển. Khảo sát thực vật phù du và sự xuất hiện và tồn tại của tảo độc và tảo lam và thiết lập mối quan hệ giữa sự nở hoa của nước và các yếu tố môi trường khác nhau (pH, nhiệt độ, cường độ ánh sáng, thành phần dinh dưỡng, nước thải công nghiệp và nước thải dân dụng, thành phần dinh dưỡng của môi trường biển). Nghiên cứu và phân tích độc tố tảo bằng phương pháp thử nghiệm sinh học trên chuột, thử nghiệm liên kết với chất nhận, ELISA, HPLC. Nghiên cứu thành phần loài, xác định và định tên nhanh chóng các loài tảo độc, hại ở các ao hồ và vùng biển Việt Nam dựa trên các đặc điểm hình thái và các phương pháp sinh học phân tử như đọc và so sánh trình tự nucleotit của một số gen 18SrRNA, 16S rRNA, ITS1-5, 8S-ITS2, 28S rRNA, 26S rRNA… và phương pháp Single – Cell PCR. Phát triển các kĩ thuật trong việc xử lí nước thải - Sử dụng các chất hấp thụ sinh học có sẵn ở Việt Nam để loại bỏ các kim loại nặng trong nước thải công nghiệp. - Áp dụng các phương pháp sinh học trong việc xử lí nước thải giàu N và P. - Xử lý sinh học môi trường (Bioremediation) của bùn hoạt tính và nước thải nuôi trồng thuỷ sản. - Nghiên cứu sử dụng vi tảo trong xử lý nước thải ở các làng nghề truyền thống như làng bún Phú Đô, sản xuất tinh bột sắn, miến, rong… theo định hướng sản xuất nguyên liệu cho công nghiệp như chất dẻo sinh học bioplastic. 8 - Nghiên cứu sử dụng tảo biển Kappaphycus alvarezii, Gracilaria v.v… trong xử lý nước thải nuôi thuỷ sản tập trung và trong việc làm sạch nước thải sau quá trình đã nuôi trồng thuỷ sản. - Nghiên cứu cơ sở sinh lý, sinh hoá và các kĩ thuật nuôi sinh khối một số loài vi tảo (Spirulina, Chlorella, Dunalliella, Chaetoceros, Skeletonema, Labyrinthula, Thraustochytrium, Schizochytrium…) làm thuốc, thực phẩm chức năng và thức ăn tươi sống và nhân tạo cho nuôi trồng thuỷ sản. - Xây dựng một tập đoàn giống vi tảo (biển và nước ngọt) phân lập tại Việt Nam theo định hướng ứng dụng chúng trong thực phẩm chức năng cho người, làm thuốc chữa bệnh, phục vụ trong nuôi trồng thuỷ sản, khai thác các chất có hoạt tính sinh học, phục vụ cho xử lý các loại hình nước thải khác nhau và trong thời gian tới được sử dụng cho việc làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học, chất dẻo sinh học (thân thiện với môi trường và dễ phân huỷ). - Nghiên cứu sử dụng vi tảo biển (quang tự dưỡng và dị dưỡng) làm thực phẩm chức năng cho người. - Nghiên cứu và đưa vào ứng dụng tại các trại nuôi trồng Thuỷ sản miền Bắc (Hải Phòng, Quảng Ninh, Nam Định, Thái Bình v.v…) qui trình công nghệ nuôi trồng một số loài tảo biển chính như Isochrysis, Chaetoceros, Nannochloropsis, Tetraselmis, Chlorella, Chroomonas... làm thức ăn tươi sống cho các đối tượng thuỷ hải đặc sản trong nuôi trồng thuỷ sản như: cá, tôm, ngao, cua, tu hài… - Nghiên cứu, khai thác và ứng dụng các chất có hoạt tính sinh học từ vi tảo và tảo biển Việt Nam. - Nghiên cứu và hai thác các chất có hoạt tính sinh học từ tảo biển như chất kháng viêm, chất chống bám, các axit béo không bão hoà đa nối đôi (EPA, DHA, n-6DPA). - Nghiên cứu sử dụng sinh khối tảo biển sau khi đã chiết rút các chất có hoạt tính (như agar, alginate, làm giấy…) để sản xuất Ethanol và dầu Diessel sinh học; nghiên cứu quá trình chuyển hoá sinh khối vi tảo biển tự dưỡng và dị dưỡng giàu hydrate carbon, lipit và PUFAs làm nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học. 9 2.2 PHÂN LẬP VI TẢO 2.2.1 Thu mẫu Đối với mẫu vi tảo sống trôi nổi có thể thu bằng lưới phiêu sinh (có kích thước khoảng 33-40 µm) hoặc có thể thu cả mẫu nuóc bằng chai, lọ đối với những thủy vực mà nước có màu do sự phát triển của tảo. Đối với vi tảo sống ở đáy có thể thu mẫu bùn hoặc nước sát đáy ao. Một vài tảo sống bám trên giá thể (lá cây, nhánh cây hay những thực vật thủy sinh) hay những tảo có kích thước lớn hơn có thể thu bằng tay hoặc dao với một phần hay toàn bộ giá thể mà chúng bám vào. Đối với mẫu tảo sống trên đất có thể dùng dao lấy lớp đất mỏng có màu khác so với vùng đất xung quanh (L. Barsanti và P. Gualtỉei, 2006). Việc dán nhãn, ghi một số thông tin về thời gian và địa điểm, đo đạc các thông số (cường độ ánh sáng, nhiệt độ, pH, độ mặn) nơi thu mẫu là rất quan trọng. Các thông tin này không những giúp mô tả môi trường sống tự nhiên của loài tảo phân lập được mà còn được dùng để thiết kế môi trường và điều kiện nuôi tảo. Sau đó, mẫu được kiểm tra bằng kính hiển vi nhằm xác định sự xuất hiện hay ưu thế của tảo mục tiêu cũng như mức độ nhiễm các vi sinh ật không mong muốn trong mẫu (Waterbury, 2006). 2.2.2 Kỹ thuật phân lập vi tảo 1) Kỹ thuật dùng micropipette Đây là phương pháp phổ biến có thể dùng cho nhiểu loại tảo điều quan trọng trong kỹ thuật này là tạo được một micropipette hay pasteur pipette có đường kính phù hợp với loại tế bào cần hút (ít nhất cũng phải gấp đôi tế bào cần hút) nhưng không được quá lớn. Nếu đầu micropipette quá nhỏ thì lực mao dẫn lớn làm tổn thương tế bào tảo khi được hút vào micropipette. Ngược lại, nều quá lớn so với tế bào tảo thì dể hút luôn các tế bào không mong muốn. Khi phân lập những tế bào dạng sợi hay chuỗi hoặc tế bào dài, nên đưa đầu pipette đến một đầu của sợi, chuỗi hay tế bào đó; tránh hút vuông góc vì có thể làm tổn thương tế bào tảo. Mục tiêu của kỷ thuật hút vi tảo bằng micropipette là thu được tế bào thuần không bị nhiễm để chuyển vào môi trường nuôi cấy vì vậy trong quá trình hút tế bào tảo cần rửa với nước cất hoặc môi trường (môi trường nuôi tảo) thích hợp. Kỹ thuật này được kết hợp với kính hiển vi để quan sát và phân lập tế bào (Adersen, 2005). 10 2) Kỹ thuật pha loãng Kỹ thuật này chỉ có hiệu quả đối với những loài tảo chiếm số lượng lớn trong mẩu hay nói cách khác là mẫu tảo có sự đa dạng thấp. Kỹ thuật này dựa trên xác suất đế tính nồng độ pha loãng với một thể tích nhất định (100 µl, 1 ml hay 2 ml…) chứa duy nhất một tế bào tảo hay một tản (đối với tảo tập đoàn hay đa bào). Sau đó hút một lượng mẫu với ở nồng độ và thể tích đã tính toán chuyển vào ống nghiệm. Kỹ thuật này đơn giản dễ thực hiện nhưng tốn nhiều dụng cụ và xác suất thành công thấp (Adersen, 2005). 3) Kỹ thuật phun: thông qua kỹ thuật này tảo được đưa vào bề mặt thạch nghiêng đã khử trùng. Sau vài ngày có thể thu được tế bào tảo hay tập hợp tế bào tảo sạch vi khuẩn để chuyển sang cấy truyền. 4) Kỹ thuật thay đổi áp suất thẩm thấu: có thể loại bớt nguyên sinh động vật và một số cá thể mẫn cảm (Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999). 5) Dùng thạch nghiêng: lấy khoảng 0,1-0,5 ml dịch tảo hòa với lớp thạch mỏng rồi rót lên bề mặt thạch đã cứng. Sau vài ngày có thể thu được tập hợp tế bào đồng nhất mà ta cần phân lập (Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999). 6) Dùng ánh sáng: dòng điện hoặc dùng chất kích thích: dúng để phân lập những dòng tảo có phản ứng với các tác nhân này. 2.3 TINH SẠCH MẪU TẢO 2.3.1 Phương pháp ly tâm Đây là phương pháp đơn giản nhất để nhận tảo sạch thuần nhất. Mục đích của ly tâm là tách tế bào tảo ra khỏi vi khuẩn, nấm và các vi tảo cực nhỏ ra khỏi mẫu tảo. Phương pháp này dựa trên sự chênh lệch về kích thước và trọng lượng giữa tảo cần phân lập vàvi sinh vật tạp nhiễm. Yếu tố quyết định cho sự thành công của phương pháp này là thời gian và vận tốc ly tâm. Hai yếu tố này phụ thuộc vào trọng lượng của loài tảo mục tiêu, phải ly tâm vừa đủ cho tảo lắng xuống nhưng nghững sinh vật tạp nhiễm vẫn còn lơ lửng. Tuy nhiên, phương pháp này không hiệu quả đối với những vi khuẩn liên kết chặt với tảo. (Andersen, 2005). 2.3.2 Phương pháp chiếu tia cực tím Nhiều loài tảo nhân thực chống chịu tia cực tím tốt hơn so với tế bào vi khuẩn do tảo có chứa sắc tố quang hợp. những sắ tố này hấp thu một phần năng lượng của tia cực tím nên tế bào ít bị tổn thương hơn hay bị chết như các sinh vật tạp nhiễm. Tuy nhiên không chiếu tia cực tím trong thời gian dài để tránh gây đột biến ở tảo. (Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999). 11 2.3.3 Phương pháp lọc có thể dùng để tách tảo dạng sợi ra khỏi vi khuẩn. Những sợi tảo bị đứt chỉ còn 3-5 tế bào do siêu âm có thể lọc qua màng lọc đã khử trùng trong điều kiện lọc chân không. (Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng Phước Hiền, 1999). 2.3.4 Sử dụng kháng sinh có nhiều loại kháng sinh được dùng khá hiệu quả để tách vi khuẩn ra khỏi tảo. Điều quan trọng là dùng liều lượng tối thiểu mà có hiệu quả là được vì lục lạp và tảo lam mẫn cảm với đa số các kháng sinh diệt vi khuẩn. 2.4 KIM LOẠI NẶNG Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3. Một số kim loại có thể cần thiết cho sinh vật, chúng được xem là nguyên tố vi lượng như sắt, đồng, kẽm, crom… cần dùng hằng ngày của một người trưởng thành khỏe mạnh ở vào khoảng từ một vài trăm micrôgam (cho selen và asen (thạch tín)) cho đến một vài miligam (sắt và iốt). Một số kim loại không cần thiết hoặc nếu vào cơ thể sinh vật với hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép thì có thể gây độc cho sinh vật. Đồng là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Cu và số nguyên tử bằng 29. Đồng là kim loại dẻo có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Đồng nguyên chất mềm và dễ uốn; bề mặt đồng tươi có màu cam đỏ. Nó được sử dụng làm chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng, và thành phần của các hợp kim của nhiều kim loại khác nhau. Là kim loại màu đỏ, tỉ khối 8,96. Nhiệt độ nóng chảy 10830C, nhiệt độ sôi 25430C; Các muối tan trong nước là Clorua, nitrat, sunfat (Doãn Văn Kiệt, 2010). + Hàm lượng đồng trong nước tự nhiên và nước thải (Doãn Văn Kiệt, 2010) Trong nước tự nhiên và nước sinh hoạt hàm lượng của đồng thường không lớn, dao động trong khoảng từ 0,001 mg/l đến 1mg/l. Các nguồn nước ở gần những xí nghiệp tuyển quặng đồng hàm lượng có thể lên đến 100 mg/l. Trong nước thải của các nhà máy, xí nghiệp thường có chứa lượng đồng cao và khác nhau: Nhà máy sản xuất Pb - Zn: 0,4-8 mg/l Nhà máy sản xuất Sn : trên dưới 0,1 mg/l Nhà máy sản xuất Mo - W: TB 27,2 mg/l Nhà máy sản xuất Ni - Co: 1-1,5 mg/l + Tính độc (Doãn Văn Kiệt, 2010) 12 Khi hàm lượng đồng trong cơ thể người là 10g/kg thể trọng gây tử vong, liều lượng 60-100 mg/kg gây nên buồn nôn, mửa oẹ. Với cá, khi hàm lượng Cu là 0,002 mg/l đã có 50% cá thí nghiệm bị chết. Với khuẩn lam khi hàm lượng Cu là 0,01 mg/l làm chúng chết. Với thực vật khi hàm lượng Cu là 0,1 mg/l đã gây độc, khi hàm lượng Cu là 0,17-0,20 mg/l gây độc cho củ cải đường, cà chua, đại mạch. + Nồng độ giới hạn cho phép (Doãn Văn Kiệt, 2010) Với nước uống và hồ chứa: 0,02-1,5 mg/l tuỳ theo tiêu chuẩn từng nước Nước tưới cây nông nghiệp: 0,2 mg/l Theo Đinh Phạm Thái (2010) đồng có nhiều ứng dụng như sau: Các ion đồng (II) tan trong nước với nồng độ thấp có thể dùng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm và làm chất bảo quản gỗ. Với số lượng đủ lớn, các ion này là chất độc đối với các sinh vật bậc cao hơn, với nồng độ thấp hơn, nó là một vi chất dinh dưỡng đối với hầu hết các thực vật và động vật bậc cao hơn. Nơi tập trung đồng chủ yếu trong cơ thể động vật là gan, cơ và xương. Đồng là một trong số kim loại quan trọng bậc nhất của công nghiệp. Nó có nhiều tính năng ưu việt: độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, ít bị ôxi hoá, có độ bền cao và độ chống ăn mòn tốt. Đồng có khả năng tạo nhiều hợp kim với các kim loại màu khác cho nhiều tính chất đa dạng. Đồng được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật điện (chiếm khoảng 50% tổng lượng đồng). Trong lĩnh vực này người ta dùng đồng làm dây và thanh dẫn điện, dùng làm các chi tiết trong máy điện, vô tuyến điện, điện tín, điện thoại v.v.. Với mục đích này đồng được dùng ở các dạng sạch (trên 99,95% Cu) để bảo đảm độ dẫn điện cao. Một phần lớn đồng được dùng để chế tạo đồng thau, đồng thanh và các hợp kim khác dùng trong chế tạo máy, chế tạo tàu biển, ôtô và nhiều thiết bị khác (25-30% tổng lượng đồng). Hợp kim đồng với Niken có tính chống ăn mòn cao và dễ gia công, được dùng để chế tạo máy chính xác, y cụ, hoá tinh vi và dùng để dập tiền kim loại. Đồng là vật liệu tốt để chế tạo thiết bị hoá học: thiết bị chân không, thiết bi trao đổi nhiệt, nồi chưng cất v.v.. Đồng còn được dùng làm chất cho thêm vào thép kết cấu để tăng tính chống ăn mòn và tăng giới hạn chảy của thép. Ngoài ra đồng còn được dùng trong xây dựng. Muối đồng dùng để chế tạo sơn, thuốc trừ sâu và thuộc da. Trong thời gian gần đây người ta có xu hướng dùng vật liệu thay thế đồng như dùng nhôm thay thế đồng trong kỹ thuật điện, dùng hợp kim cơ sở kẽm thay thế cho đồng 13 thanh. Những biện pháp đó chỉ có tính chất tiết kiệm đồng mà không hề làm giảm vai trò quan trọng của đồng. Mọi hợp chất của đồng là những chất độc. Đồng kim loại ở dạng bột là một chất dễ cháy. 30 g sulfat đồng có khả năng gây chết người. Đồng trong nước với nồng độ lớn hơn 1 mg/lít có thể tạo vết bẩn trên quần áo hay các đồ vật được giật giũ trong nước đó. Nồng độ an toàn của đồng trong nước uống đối với con người dao động theo từng nguồn, nhưng có xu hướng nằm trong khoảng 1,5-2 mg/lít. Mức cao nhất có thể chịu được về đồng theo DRI trong chế độ ăn uống đối với người lớn theo mọi nguồn đều là 10 mg/ngày. 2.5 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 2.5.1 Một số nghiên cứu trong nước Theo Đặng Đình Kim và Đặng Hoàng Phước Hiền (1999), nghiên cứu cho thấy các chất hấp thu sinh học khi được sử dụng có thể tách kim loại nặng có những ưu điểm sau: - Có thể loại bỏ kim loại nặng với nồng độ thấp một cách chọn lọc Hoạt động hiệu quả trong khoảng pH và nhiệt độ rộng Do có ái lực thấpvới Ca2+ và Mg2+ nên hệ thống vận hành tương đối hiệu quả Đầu tư ban đầu và giá vận hành hệ thống thấp Vật liệu để chế tạo chất hấp thu sinh học đa dạng, dễ kiếm và tương đối rẻ. Theo Nguyễn Thị Hà và cộng tác viên, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã “Nghiên cứu khả năng hấp thu một số kim loại nặng (Cu2+, Pb2+, Zn2+) trong nước của nấm men Saccharomyces cerevisiae” thực hiện năm 2006. Các phương pháp tách kim loại nặng trong nước đang được áp dụng thường phải sử dụng hoá chất và có chi phí khá cao. Do vậy việc nghiên cứu các biện pháp hiệu quả hơn như phương pháp hấp thu sinh học để tách kim loại nặng là rất cần thiết. Trong nghiên cứu này đã khảo sát khả năng hấp thu sinh học một số kim loại nặng (Cu2+, Pb2+ và Zn2+) của Saccharomyces cerevisiae. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thu như pH, nồng độ ban đầu của kim loại nặng cũng được khảo sát. Kết quả cho thấy S. cerevisiae sinh trưởng tốt trong môi trường pH = 5, kết quả này cũng phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Khả năng hấp thu ion Cu2+, Pb2+ và Zn2+ chủ yếu xảy ra ở 6 giờ đầu khi bắt đầu quá trình hấp thu. Khả năng hấp thu tăng khi nồng độ ban đầu của kim loại tăng. Khả năng hấp thu cực đại của Cu2+ đạt 63% sau 48 giờ. Nồng độ Cu2+ còn lại trong dung dịch giảm từ 250 đến 92, 7mg/l; và trong sinh khối là 89mg/g. Khả năng hấp thu kim loại nặng của S. cerevisiae theo thứ tự: Pb2+, Cu2+, Zn2+ với nồng độ đầu vào 50mg/l, sau 48 giờ nồng độ của Pb2+, Cu2+ và Zn2+ trong dịch giảm xuống tương ứng còn 2,8; 37,5 và 39,5mg/l. Hiệu suất hấp thu đạt tương ứng 95; 14