ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA SINH – MÔI TRƯỜNG

ĐINH CÔNG DUY HIỆU

ĐANH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ Cr VÀ Zn
BẰNG VI TẢO Chlorella vulgaris

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA SINH – MÔI TRƯỜNG

ĐINH CÔNG DUY HIỆU

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ Cr VÀ Zn
BẰNG VI TẢO Chlorella vulgaris

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Người hướng dẫn: Th.S Trần Ngọc Sơn

Đà Nẵng – Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong khóa luận là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Đà Nẵng, ngày 7 tháng 5 năm 2019
Tác giả

Đinh Công Duy Hiệu


LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành khóa luận này tơi đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, động viên
của các thầy cơ giáo, gia đình và bạn bè.
Đầu tiên, tơi xin cảm ơn sâu sắc đến ThS. Trần Ngọc Sơn, Khoa Sinh – Môi trường,
trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho
tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài này. Thầy là người trực tiếp hướng dẫn tôi hồn
thành khóa luận cũng như tận tình truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho
tôi trong suốt quá trình hồn thành khóa luận.
Thứ hai, tơi xin cảm ơn đến TS. Trịnh Đăng Mậu, Khoa Sinh – Môi trường, trường
Đại học Sư phạm Đà Nẵng đã không ngại thời gian chỉ bảo truyền đạt thêm những kiến
thức tơi cịn thiếu giúp đỡ tơi trong q trình làm khóa luận.
Thứ ba, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ trong Khoa Sinh – Môi
trường, trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tơi trong
suốt q trình học tập và hồn thành khóa luận.
Lời cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và những người
thân bên tôi, đã tạo điều kiện về vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá trình học tập là động
lực để tơi phấn đấu hồn thành tốt khóa luận.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 7 tháng 5 năm 2019

Đinh Công Duy Hiệu



MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................... 1
2. Mục tiêu đề tài ................................................................................................................. 2
2.1. Mục tiêu tổng quát .................................................................................................... 2
2.2. Mục tiêu cụ thể .......................................................................................................... 2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài......................................................................... 2
3.1. Ý nghĩa khoa học ...................................................................................................... 2
3.2. Ý nghĩa thực tiễn ....................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................. 2
1.1. Tổng quan về độc chất kim loại nặng .......................................................................... 3
1.2.1. Độc chất Crom ....................................................................................................... 3
1.2.2. Độc chất Kẽm ......................................................................................................... 4
1.2. Tình hình ơ nhiễm kim loại năng trên thế giới và Việt Nam ....................................... 4
1.2.1. Tình hình ơ nhiễm kim loại nặng trên thế giới....................................................... 4
1.2.2. Tình hình ơ nhiễm kim loại nặng tại Việt Nam ..................................................... 5
1.3 Tình hình nghiên cứu sử dụng vi tảo xử lý kim loại nặng. ........................................... 6
1.3.1. Tình hình nghiên cứu sử dụng vi tảo xử lý kim loại nặng trên thế giới................. 6
1.3.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng vi tảo xử lý kim loại nặng tại Việt Nam ............... 8
1.4. Đặc điểm sinh học của tảo Chlorella vulgaris ............................................................. 8
1.5. Cơ chế loại bỏ kim loại nặng ở vi tảo ......................................................................... 10


1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kim loại nặng .......................................... 11
1.6.1. Các yếu tố sinh học ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng .......................... 11
1.6.2. Các yếu tố phi sinh học ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng .................... 13
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 14
2.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................. 15

2.2. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................. 15
2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 15
2.3.1. Phương pháp xác định mật độ tế bào vi tảo bằng buồng đếm Neubauer ............. 15
2.3.2. Phương pháp xác định hiệu suất xử lý KLN ........................................................ 16
2.3.3. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử Atomic Absorbtion Spectrometric
(AAS) ............................................................................................................................. 17
2.3.4. Phương pháp xử lý số liệu .................................................................................... 17
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ...................................................................... 17
3.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Cr và Zn của vi tảo Chlorella vulgaris ....... 18
3.2. Ảnh hưởng của mật độ tế bào vi tảo Chlorella vulgaris đến khả năng xử lý Cr và Zn
........................................................................................................................................... 21
3.3. Ảnh hưởng của nồng độ Cr và Zn ban đầu đến khả năng xử lý của vi tảo Chlorella
vulgaris .............................................................................................................................. 24
3.4. Đánh giá khả năng xử lý Cr và Zn bằng vi tảo Chlorella vulgaris trên nước thải
nhuộm chiếu ...................................................................................................................... 27
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 28
1. Kết luận.......................................................................................................................... 29


2. Kiến nghị ....................................................................................................................... 29
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 29


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Ag

: Bạc

Al


: Nhôm

As

: Asen

Ca

: Caxi

Cd

: Cadimi

Co

: Coban

Cr

: Crom

Cu

: Cu

EC50

: Liều gây chết trung bình


Fe

: Sắt

Hg

: Thủy ngân

K

: Kali

KCN

: Khu công nghiệp

KLN

: Kim loại nặng

Mg

: Magie

Mn

: Mangan

Mo


: Molypden

Ni

: Niken


Pb

: Chì

Se

: Selen

Sn

: Thiếc

Sr

: Stronti

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

Ti

: Titan


UBND

: Ủy ban nhân dân

V

: Vanadi

Zn

: Kẽm


DANH MỤC BẢNG
Số hiệu

Tên bảng

Trang

bảng
3.1

Hiệu suất xử lý Cr ở các pH khác nhau

18

3.2


Hiệu suất xử lý Zn ở các pH khác nhau

19

3.3

Hiệu suất xử lý Cr ở các mật độ tế bào vi tảo Chlorella vulgaris

21

khác nhau
3.4

Hiệu suất xử lý Zn ở các mật độ tế bào vi tảo Chlorella vulgaris

22

khác nhau
3.5

Hiệu suất xử lý Cr ở các nồng độ ban đầu khác nhau

24

3.6

Hiệu suất xử lý Zn ở các nồng độ ban đầu khác nhau

26



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Tên hình ảnh

Số hiệu

Trang

hình ảnh
1.1

Vi tảo Chlorella vulgaris dưới kính hiển vi

8

1.2

Q trình sinh sản của vi tảo Chlorella vulgaris

9

2.1

Buồng đếm hồng cầu Neubauer

16

3.1

Ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Cr của Chlorella


19

vulgaris
3.2

Ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Zn của Chlorella

20

vulgaris
3.3

Ảnh hưởng của mật độ tế bào vi tảo Chlorella vulgaris đến

22

khả năng xử lý Cr
3.4

Ảnh hưởng của mật độ tế bào vi tảo Chlorella vulgaris đến khả

23

năng xử lý Zn
3.5

Ảnh hưởng của nồng độ Cr ban đầu đến khả năng xử lý của vi

25


tảo Chlorella vulgaris
3.6

Ảnh hưởng của nồng độ Zn ban đầu đến khả năng xử lý của vi

26

tảo Chlorella vulgaris
3.7

Khả năng xử lý Cr và Zn của vi tảo Chlorella vulgaris tại các
tỉ lệ nước thải khác nhau

27


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Kim loại nặng (KLN) là một thành phần tự nhiên của lớp vỏ trái đất và khơng có
định nghĩa rõ ràng về một KLN. Nói chung, KLN dùng để chỉ một nguyên tố kim loại có
thể gây độc dù ở nồng độ cao hay nồng độ thấp [46]. Tuy nhiên, trong sinh thái thì bất kỳ
kim loại nào gây ơ nhiễm mơi trường hoặc không thể bị suy giảm về mặt sinh học cũng có
thể được coi là một KLN [20]. Một số kim loại (Zn, Cu, Mn, Ni, Co) là các vi lượng cần
thiết cho sự phát triển của thực vật, một số kim loại khác dù nồng độ thấp vẫn gây độc (Pb,
Cd và Hg) [16].
Q trình cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa cùng với việc bùng nổ dân số làm cho
tình hình ơ nhiễm KLN tăng nhanh trong mơi trường, gây nguy hiểm cho hệ sinh thái. Các

hoạt động làm gia tăng hàm lượng KLN trong môi trường nước bao gồm: khai thác khoáng
sản, luyện kim, dệt nhuộm, thuộc da, nhựa, sơn, sản xuất lốp xe, pin, sản xuất thép [46].
Không giống như các chất gây ra ô nhiễm hữu cơ có thể bị phân hủy bởi q trình hóa học
hay sinh học, KLN phát tán vào mơi trường, tích lũy trong suốt chuỗi thức ăn, tồn tại trong
thời gian dài, và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và động thực vật [47].
Hiện nay, đã có một số phương pháp xử lý KLN như phương pháp kết tủa hóa học,
phương pháp trao đổi ion, phương pháp điện hóa,... các phương pháp này thường được áp
dụng ở quy mơ nhỏ, kinh phí xử lý cao, hiệu suất lại thấp [12]. Vì vậy, hiện nay việc ứng
dụng phương pháp sinh học sử dụng các loại thực vật, tảo, nấm xử lý kim loại nặng hiện
nay đang được quan tâm vì giá thành thấp, hiệu quả cao và thời gian xử lý ngắn. Trên thế
giới, việc sử dụng vi tảo trong xử lý KLN đã được nghiên cứu và đạt được những thành
công nhất định. Nghiên cứu của Edris (2012) đã sử dụng tảo Chlorella vulgaris hấp phụ
tối đa 6.7943 mg Pb trên 1g sinh khối vi tảo và 14,932 mg Cd trên 1 g sinh khối tảo [12].
Ngoài ra Ferraro (2018) loại bỏ Zn bằng Chlorella s.p với hiệu quả đạt trên 94% [14]. Bên
cạnh đó Shen (2018) đã nghiên cứu loại bỏ Cd (II) với hiệu suất tối đa 92,5% trong nước
bằng Chlorella vulgaris [43]. Tuy nhiên, tại Việt Nam việc sử dụng vi tảo để xử lý kim
loại nặng chưa được quan tâm và đầu tư đúng mức. Vì vậy, tơi quyết định chọn đề tài
“Đánh giá khả năng xử lý Crom (Cr) và Kẽm (Zn) bằng vi tảo Chlorella vulgaris”


2

2. Mục tiêu đề tài
2.1. Mục tiêu tổng quát
Đánh giá được hiệu quả xử lý Cr và Zn bằng vi tảo Chlorella vulgaris.
2.2. Mục tiêu cụ thể
Xác định được khoảng pH tối ưu cho khả năng xử lý Cr và Zn của vi tảo Chlorella
vulgaris.
Xác định mật độ vi tảo Chlorella vulgaris phù hợp cho quá trình xử lý Cr và Zn.
Xác định được nồng độ Cr và Zn ban đầu hiệu quả cho quá trình xử lý của vi tảo

Chlorella vulgaris.
Bước đầu ứng dụng vi tảo Chlorella vulgaris trong việc xử lý Cr và Zn từ nước thải
của làng nghề.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Đánh giá được khả năng xử lý Cr và Zn của vi tảo Chlorella vulgaris.
- Là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo trong việc ứng dụng vi tảo Chlorella
vulagris hoặc các vi tảo khác trong vấn đề xử lý ô nhiễm môi trường.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả của đề tài là cơ sở cho việc ứng dụng vi tảo Chlorella vulgaris xử lý kim
loại nặng tại các cơ sở có nguy cơ gây ra ô nhiễm môi trường.


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan về độc chất kim loại nặng
KLN được định nghĩa là các kim loại có tỉ khối lớn hơn 4 hoặc 5. Đối với các nhà độc
tố học, thuật ngữ “kim loại nặng” chủ yếu được dùng để chỉ các kim loại có nguy cơ gây
nên các vấn đề về môi trường, bao gồm: Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, Co, V, Ti, Fe, Mn,
Ag, Sn [39]. Ngoài ra các á kim như As và Se cũng được xem là các KLN.
Các KLN này khi nồng độ của chúng vượt quá giới hạn chịu đựng của sinh vật thì
chúng trở nên độc hại và được xem là các tác nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng. Các kim
loại nặng phổ biến nhất là: Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, và Zn. Trong đó, Cu và Zn là các ngun
tố vi lượng, có vai trị quan trọng đối với quá trình trao đổi chất trong tế bào và là thành
phần, cấu trúc của các protein và enzym. Tuy nhiên, các nguyên tố vi lượng nói riêng và
KLN nói chung khi ở nồng độ cao sẽ cực kì độc hại đối với quá trình trao đổi chất của tế
bào [44].
Trong những năm gần đây, số lượng người phơi nhiễm KLN đã gia tăng đột ngột, đó
là kết quả của việc sử dụng KLN trong công nghiệp gia tăng theo cấp lũy thừa. KLN xâm

nhập vào cơ thể người bằng nhiều con đường khác nhau như thực phẩm, nước uống, khơng
khí và hấp thụ thơng qua da. Trong xã hội cơng nghiệp hiện nay, con người khó có thể tránh
khỏi tiếp xúc với KLN độc hại [26].
Tác hại của KLN là làm tổn hại hoặc giảm chức năng của hệ thần kinh trung ương,
giảm năng lượng sinh học, tổn hại đến cấu trúc của máu, phổi, thận, gan, và các cơ quan
quan trọng khác. Tiếp xúc với KLN trong thời gian dài có thể ảnh hưởng kinh niên đến thể
chất, cơ và q trình thối hóa hệ thần kinh. Độc tính KLN và nguy cơ tích lũy sinh học
của KLN trong chuỗi thức ăn là một trong những vấn đề bức xúc về môi trường và sức
khỏe cộng đồng trong xã hội công nghiệp ngày nay.
1.1.1. Độc chất Crom
Crom và các hợp chất của nó là các chất ơ nhiễm thường được tìm thấy trong mơi
trường và xảy ra chủ yếu ở trạng thái oxy hóa từ 0 đến VI trong tự nhiên. Trong tất cả các
trạng thái oxy hóa này, Cr (II) có thể dễ dàng bị oxy hóa thành Cr (III) khi tiếp xúc với
khơng khí, trong khi Cr (IV) và Cr (V) là các chất trung gian khơng ổn định được hình


4

thành trong các phản ứng mang Cr. Cr (VI) và Cr (III) là hai dạng ion ổn định và do trạng
thái oxy hóa khác nhau, chúng có các tính chất lý hóa cũng như phản ứng hóa học và sinh
hóa khác nhau [51]. Cr (III) là trạng thái oxy hóa ổn định nhất của crom trong tự nhiên. Cr
(III) được coi là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho hoạt động sống của các sinh vật, 50
– 200 µg Cr (III) mỗi ngày là cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người và
động vật [7]. Cr (III) đóng vai trị thiết yếu trong q trình chuyển glucose, chất béo và
protein bằng cách kiểm soát hoạt động của insulin [2]. Khi tiếp xúc với Cr trong thời gian
dài có thể gây ra các kích ứng và một số thay đổi sinh hóa cũng như chức năng của phổi
[25]. Báo cáo của Yun và cộng sự chỉ ra rằng khi tiếp xúc lâu dài với Cr (III) có thể gây ra
ung thư và dị ứng da [54]. Khi ở trong tế bào, Cr (III) có thể gây đột biến và gây độc cho
gen do ái lực cao với DNA, tham gia vào q trình phosphoryl hóa khơng enzyme và có
thể ảnh hưởng đến việc vận chuyển canxi của các kênh trên màng tế bào [45].

1.1.2. Độc chất Kẽm
Kẽm là kim loại có màu trắng bạc, tỉ khối 6.77, nhiệt độ sôi 906,20C; Các muối tan
trong nước Clorua, sunfat, nitrat. Trong tự nhiên hàm lượng Zn thường rất thấp trong
khoảng từ 5,77 mg/l. Zn chủ yếu do các nguồn nước thải của các nhà máy luyện kim, hóa
chất. Zn và các hợp chất của nó ít ảnh hưởng đến các động vật thân nhiệt ổn định. Zn đóng
vai trị không thể thiếu đối với sức khỏe con người, cho dù chỉ chiếm khoảng vài phần triệu
trọng lượng khô của cơ thể, Zn là thành phần tự nhiên của thức ăn và được giới hạn người
trưởng thành sử dụng hằng ngày từ 10 – 15mg. Tuy nhiên, nếu cơ thể tiếp xúc với một
lượng Zn sẽ dẫn đến ngộ độc cấp tính có thể gây chết người với các triệu chứng như có vị
kim loại khó chịu dai dẳng trong miệng, nôn, ỉa chảy, mồ hôi lạnh, mạch đập khẽ, chết sau
10 đến 48 giây.
1.2. Tình hình ơ nhiễm kim loại nặng trên thế giới và Việt Nam
1.2.1. Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trên thế giới
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm KLN trên thế giới đã và đang ngày càng diễn biến theo
chiều hướng xấu. Nguyên nhân dẫn đến vấn đề này là hoạt động công nghiệp, nông nghiệp,
giao thông vận tải, hoạt động sinh hoạt của người dân đã trực tiếp hoặc gián tiếp đưa vào


5

môi trường một lượng lớn KLN. Sự cố nhiễm độc KLN đã được ghi nhận tại nhiều nơi trên
thế giới, tuy nhiên mức độ trầm trọng thường xảy ra cục bộ tại một số khu vực.
Viện nghiên cứu Blacksmith, New York đã liệt kê danh sách 10 thành phố ô nhiễm
nhất trên thế giới thì có 8 thành phố thì có 8 thành phố liên quan đến ơ nhiễm KLN đó là
Lâm Phần, Thiên An (Trung Quốc); Sukindan, Vapi (Ấn Độ); La Oroya (Peru);
Dzerzhinsk, Norilsk (Nga); Chernobyl (Ukraine); Sumgayit (Azerbaijan); Kabwe
(Zambia). Điển hình như Lâm Phần, Tianying (Trung Quốc) là nơi bị ô nhiễm nặng KLN.
Những KLN độc đã ngấm vào máu nhiều thế hệ trẻ em ở Tianying và làm giảm chỉ số
thơng minh. Ngay cả lúa mì ở Tianying cũng chứa Pb với nồng độ gấp 24 lần mức cho
phép của Trung Quốc. Trung Quốc còn là nước đứng đầu về ơ nhiễm Hg. Theo kết quả

phân tích thủy sản ở 4 hồ nước ngọt và khu vực biển phía đơng tỉnh Giang Tơ, có rất nhiều
kim loại khác nhau trong đó Hg, Cd, Cr, Zn và Pb tồn tại trong 41% thủy sản [48].
Ô nhiễm KLN ở nhiều vùng cửa sông, ven biển trên thế giới đã được biết từ lâu bởi
tính độc hại đe dọa đến sự sống của sinh vật thủy sinh, gây hại cho sức khỏe con người.
Trong đó ơ nhiễm Pb và Zn là một trong những điều đáng quan tâm do ảnh hưởng độc hại
của chúng. Tại vùng cửa cửa sông Úc với hàm lượng 1000 µg/g Pb, 2000 µg/g Zn có thể
tìm thấy trong trầm tích bị ơ nhiễm.
1.2.2. Tình hình ô nhiễm kim loại nặng tại Việt Nam
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của q trình cơng nghiệp hóa đất nước, chất thải
công nghiệp cũng đang ngày một gia tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại gây ô nhiễm
môi trường nói chung và môi trường đất nói riêng. Ơ nhiễm KLN do nước thải cơng nghiệp
đang là một vấn đề rất bức xúc của môi trường Việt Nam. KLN rất khó xử lí để loại bỏ ra
khỏi nguồn đất bị ơ nhiễm, đây chính là nguy cơ tiềm ẩn đe dọa đến sức khỏe của con
người và hệ sinh thái xung quanh. Qua nghiên cứu đánh giá hàm lượng KLN (As, Cd, Pb,
Cu, Zn) trong môi trường đất tại làng nghề đúc nhơm, chì ở Văn Mơn – Yên Phong – Bắc
Ninh. Hàm lượng Cu có 8 mẫu đất trong tổng số 23 mẫu dùng cho mục đích nơng nghiệp
vượt q TCCP. Hàm lượng Zn có 7 mẫu vượt TCCP trong tổng số 23 mẫu.
Tại thành phố Đà Nẵng, tại các khu vực xung quanh khu công nghiệp Hòa Khánh
như Hòa Khánh Bắc, Hòa Hiệp Nam, Đa Phước I cũng đã có những dấu hiệu ơ nhiễm


6

KLN. Đây là khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp từ những hoạt động xả thải của khu cơng
nghiệp Hịa Khánh. Theo báo cáo của UBND TP.Đà Nẵng cho biết trên địa bàn thành phố
có năm khu vực bị ơ nhiễm nghiêm trọng đều do chất thải của nhà máy sản xuất cơng
nghiệp trong đó nặng nhất là sơng Cu Đê với hàm lượng KLN vượt 1 – 10 lần. Cụ thể Cd
vượt 1,4 – 1,6 lần, Cr vượt 3 lần, nồng độ Pb trong khơng khí vượt tiêu chuẩn đến 11 lần.
Theo số liệu vào tháng 10/2014 của Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật môi trường
Đồng Nai, môi trường đất tại một số KCN và vùng phụ cận các bãi chôn lấp chất thải rắn

trên địa bàn đã bị ô nhiễm KLN cụ thể khu vực đất tại vị trí tiếp nhận nguồn nước thải của
KCN Biên Hịa có hàm lượng Zn, Pb vượt mức 2.56 đến 3.55 lần so với tiêu chuẩn cho
phép, tại vị trí tiếp nhận nước thải của KCN Loteco cũng phát hiện hàm lượng Zn vượt tiêu
chuẩn 1.2 lần, vị trí tiếp nhận nước của KCN Long Thành chỉ tiêu Zn cũng vượt 1.2 lần.
Khu vực đất phụ cận khu xử lý chất thải rắn xã Quang Trung, huyện Thống Nhất hàm
lượng As và KLN cũng vượt tiêu chuẩn. Trong đó, hàm lượng Cu vượt tiêu chuẩn cho phép
4,8 lần.
1.3 Nghiên cứu ứng dụng dụng vi tảo xử lý kim loại nặng
1.3.1. Tình hình nghiên cứu sử dụng vi tảo xử lý kim loại nặng trên thế giới
Việc sử dụng các phương pháp sinh học để loại bỏ các ion kim loại từ nước thải
được xem là giải pháp đạt được hiệu suất cao, chi phí thấp hơn so với các cơng nghệ xử lý
nước thải thông thường. Khả năng hấp phụ sinh học của vi tảo đã được nghiên cứu rộng
rãi. Các chủng vi tảo được lựa chọn, nuôi trồng và xử lý có chủ đích cho các ứng dụng sinh
học cụ thể, có khả năng mang lại những cải tiến đáng kể trong việc xử lý các vấn đề ô
nhiễm kim loại trên toàn thế giới [46].
Theo Mehta (2001) đã nghiên cứu và báo cáo rằng 70 và 80% Ni (II) và Cu (II) ở
nồng độ 2,5 mg/L có thể được loại bỏ bởi Chlorella vulgaris, trong khi chỉ có 37 và 42%
Ni (II) và Cu (II) bị loại bỏ nếu nồng độ kim loại ban đầu là 10 mg/L [30].
Cải thiện môi trường bị ảnh hưởng bởi KLN dựa trên việc sử dụng vi tảo là một
bước đột phá công nghệ quan trọng. Nghiên cứu của Ferraro (2018) chỉ ra rằng các hạt oxit
sắt (IOP) và đất sét tự nhiên (NMC) được phủ bằng polyethylenimine (PEI) đã được áp
dụng thành công trong việc thu hồi Chlorella sp. kết hợp với việc khắc phục các ion kẽm


7

với hiệu suất đạt 94%. Mặc dù sự hiện diện của kim loại nặng khơng ảnh hưởng đến q
trình thu hồi, việc thêm IOP gây ra sự dịch chuyển kim loại làm tăng khả năng loại bỏ Zn
khi thu hồi [14].
Nồng độ của các ion KLN trong môi trường nước là một vấn đề gây ô nhiễm lớn do

sự bền vững và không bị phân hủy sinh học của chúng đã gây suy thoái cho hệ sinh thái và
ảnh hưởng sức khỏe con người. Theo nghiên cứu của Rugnini (2017) kết quả cho thấy sự
hấp thụ sinh học của cả loài vi tảo Chlorella vulgaris và Desmodesmus sp. đạt hiệu quả
loại bỏ tối đa trong ngày thứ tư (với sự hấp phụ kim loại là 67 mg/g Cu và 37 mg/g Ni). Qua
đó cho thấy tiềm năng của việc sử dụng vi tảo xanh để xử lý sinh học các khu vực bị ô
nhiễm kim loại, do khả năng phát triển của chúng với nồng độ KLN cao và loại bỏ chúng
một cách hiệu quả [41].
Nghiên cứu của Wenxuan (2012) chỉ ra rằng vi tảo Chlorella miniata có khả năng
loại bỏ Cr (VI) khỏi nguồn nước bị ô nhiễm. Ở độ pH ban đầu là 2.0 và sinh khối 5,0 g/l tỉ
lệ hấp phụ đạt 65% Cr (VI) đã được loại bỏ khỏi nguồn nước bị ô nhiễm chứa 100 mg/l Cr
(VI) trong hai giờ đầu tiên, trong khi Cr (VI) được loại bỏ hoàn toàn tại thời gian 150 giờ.
Vị trí hấp phụ chính của Cr (VI) trong là nhóm amin, trong khi Cr (III) bị hấp phụ chủ yếu
bởi nhóm carboxyl. Hấp phụ sinh học đã được chứng minh là chính cơ chế liên quan đến
việc loại bỏ Cr (VI) bằng Chlorella miniata và mơ hình động học được phát triển dựa trên
cơ chế phản ứng sinh học, hấp thụ sinh học, đã có một sự thay đổi đáng kể. R2 cao hơn so
với mơ hình phản ứng sinh học trực tiếp, điều này khẳng định thêm rằng trình tự loại bỏ Cr
(VI) bởi Chlorella miniata tuân theo sự hấp phụ sinh học của Cr (VI) [51].
Vi tảo hấp phụ với các kim loại đã được ứng dụng trong việc làm sạch nước thải
đặc biệt là Chlorella và Scenedesmus là các vi tảo được lựa chọn để loại bỏ kim loại [9].
Tuy nhiên, Brinza và cộng sự cho ta thấy các lồi tảo khác cũng có khả năng loại bỏ các
ion kim loại (K, Mg, Ca, Fe, Sr, Co, Cu, Mn, Ni, V, Zn, As, Cd, Mo, Pb, Se và Al). Họ đề
cập đến công dụng đặc biệt của các loài vi tảo sau: Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella
salina, Chlorella sorokiniana, C. Vulgaris, Chlorella miniata, Chlorococcum spp.,
Cyclotella cryptica Lyngbya taylorii, Phaeodactylum tricornutum, porphyridium
purpureum,

Scenedesmus

abundans,


Scenedesmus

quadricauda,

Scenedesmus


8

subspicatus, Spirogyra spp., Spirulina platensis, Stichococcus bacillaris và Stigeoclonium
tenue [4].
1.3.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng vi tảo xử lý kim loại nặng tại Việt Nam
Hiện nay, sử dụng vi tảo xử lý môi trường ở Việt Nam đã được các nhà nghiên cứu
trong nước quan tâm. Nhưng đa số chỉ dừng lại ở việc xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ. Việc
ứng dụng vi tảo để xử lý KLN vẫn cịn khá mới và hiện chưa có nghiên cứu nào về việc sử
dụng vi tảo để xử lý KLN.
1.4. Đặc điểm sinh học của tảo Chlorella vulgaris
+ Đặc điểm phân loại
Về phân loại khoa học, vi tảo Chlorella vulgaris thuộc:
Giới (Domain): Plantae (Thực vật)
Ngành (Phylum): Chlorophyta
Lớp (Class): Chlorophyceae
Bộ (Ordo): Chlorococcales
Họ (Familia): Occystaceae
Chi (Genus): Chlorella
Lồi (Species): Chlorella vulgaris

Hình 1.1. Vi tảo Chlorella vulgaris dưới kính hiển vi



9

+ Hình thái và đặc điểm sinh học
Chlorella vulgaris là một vi tảo đơn bào, có dạng trịn, với kích thước chỉ khoảng
2- 10 µm [52]. Chlorella vulgaris có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp chlorophyll a
và b trong lục lạp. Màng tế bào có vách cellulose bao bọc, có khả năng chịu được những
tác động cơ học.
+ Sinh sản
Chlorella vulgaris khơng có khả năng di chuyển, nên hình thức sinh sản là vơ tính.
Trong điều kiện dinh dưỡng tốt (mơi trường dinh dưỡng thích hợp, nhiệt độ, độ ẩm, ánh
sáng) mỗi tế bào tảo có thế cho từ 4 – 32 bào tử. Trong quá trình phân chia tạo tế bào con
khi các tế bào này trưởng thành tế bào mẹ vỡ ra giải phóng các tế bào con, các mảnh vụn
của tế bào mẹ vỡ ra sẽ thành thức ăn cho các tế bào con mới hình thành [42], [52], [53].

Hình 1.2. Quá trình sinh sản của vi tảo Chlorella vulgaris
Trong nghiên cứu về vòng đời của vi tảo Chlorella vulgaris đã chia vòng đời của
tảo làm 4 giai đoạn [19]:
Giai đoạn tăng trưởng: Ở giai đoạn này các bào tử sẽ tăng nhanh về kích thước nhờ
các sản phẩm sinh tổng hợp.
Giai đoạn bắt đầu chín: Tế bào mẹ chuẩn bị q trình phân chia.
Giai đoạn chín mùi: Tế bào nhân lên trong điều kiện có ánh sáng hoặc trong bóng
tối.
Giai đoạn phân cắt: Màng tế bào mẹ bị vỡ ra, các bào tử được phóng thích ra ngồi.
+ Thành phần dinh dưỡng
Các nhà nghiên cứu đã xác minh trong Chlorella vulgaris có chứa rất nhiều chất dinh
dưỡng. Thành phần dinh dưỡng của tảo tùy thuộc theo tốc độ sử dụng môi trường dinh


10


dưỡng trong quá trình phát triển. Chlorella vulgaris là nguồn thức ăn giàu Protein và chất
béo, Carbohydrat, chất xơ, chất khống và Vitamin.
Thành phần dinh dưỡng của tảo: Có chứa 65-68% protein, 17% đường (glucan), 6%
chất béo (Axit béo) …
Tế bào Chlorella có chứa 23 amino acid trong đó có các amino acid không thay thế như
lysine, methionine, tryptophan, leucine…
1.5. Cơ chế loại bỏ kim loại nặng ở vi tảo
Các q trình sinh học tích lũy KLN thường rơi vào một trong hai loại dựa trên mức
độ và sự phụ thuộc của quá trình trao đổi chất [15]. Đặc biệt, các cơ chế mà vi sinh vật loại
bỏ KLN khỏi dung dịch bao gồm: (1) Tích lũy / kết tủa ngoại bào, (2) Sự hấp phụ trên bề
mặt tế bào, (3) Tích lũy nội bào [8]. Vi tảo có khả năng hấp phụ các chất độc hại từ môi
trường [35]. Hấp phụ sinh học của KLN là một hiện tượng phức tạp, tuy nhiên Monterio
và cộng sự (2012) nhấn mạnh rằng sự tích lũy của KLN bằng vi tảo thường bao gồm hai
giai đoạn: (1) Loại bỏ kim loại ban đầu (thụ động) nhanh chóng, xảy ra tại bề mặt tế bào;
(2) Loại bỏ kim loại ban đầu (chủ động) chậm, xảy ra bên trong tế bào. Quá trình đầu tiên
(thụ động), xảy ra ở cả tế bào sống và không sống. Ở đây các ion KLN được hấp phụ vào
các nhóm chức hiện diện trên bề mặt tế bào bằng các tương tác tĩnh điện. Tuy nhiên, những
nhóm chức này khác nhau về ái lực và tính đặc hiệu với từng kim loại. Quá trình này bao
gồm hấp phụ vật lý, trao đổi ion, hấp phụ hóa học, kết hợp, tạo phức, khuếch tán qua thành
tế bào và màng [32]. Tuy nhiên, giai đoạn thứ hai (xảy ra trong tế bào) là một quá trình thụ
thuộc vào quá trình trao đổi chất, liên quan đến việc vận chuyển các ion kim loại qua màng
tế bào và sự tích lũy tiếp theo bên trong tế bào, với sự gắn kết sau với kết hợp với các chất
nội bào. Quá trình hấp thụ kim loại này chỉ giới hạn ở tế bào vi tảo sống và thời gian lâu
[31]. Theo Al – Qunaibit (2004) cho thấy giai đoạn thứ hai này có thể là do một số cơ chế
như liên kết cộng hóa trị, kết tủa bề mặt, phản ứng oxi hóa khử, kết tinh trên bề mặt tế bào
hoặc thường thấy nhất là khuếch tán vào bên trong tế bào [1]. Khi nồng độ ngoại bào của
các ion kim loại là cao hơn đáng kể so với nồng độ nội bào của nó, liên kết các nhóm trên
bề mặt có thể cho phép vận chuyển các cation đó qua màng tế bào và tế bào chất. Theo đó,
các ion kim loại cạnh tranh để liên kết với các chất mang ion đa hóa trị hoặc các ion kim



11

loại liên kết với các protein. Cơ chế kháng KLN của vi tảo bao gồm các giai đoạn sau: liên
kết các ion kim loại ở bề mặt tế bào; sự kết tủa của các phức kim loại khơng hịa tan trên
đó; thay đổi trạng thái oxy hóa, vì vậy một dạng độc hại của kim loại có thể được chuyển
đổi thành một loại ít độc hơn [32].
1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kim loại nặng
Mặc dù các tế bào vi tảo có một số cơ chế tự bảo vệ để tồn tại trong môi trường chứa
kim loại nhưng các yếu tố khác nhau cũng ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng. Nói
chính xác, độc tính của KLN đối với sinh vật dưới nước có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu
tố sinh học và phi sinh học. Các yếu tố sinh học bao gồm: Kích thước, giai đoạn sống, lồi,
diện tích bề mặt, tùy thuộc vào sự phân chia của vi tảo và dinh dưỡng trong quá trình sống.
Các yếu tố phi sinh học bao gồm kích thước ion, trọng lượng nguyên tử hoặc khả năng khử
của kim loại, các chất hữu cơ, pH, nhiệt độ, độ mặn, độ cứng [10], [50]. Không phân biệt
bản chất của tế bào, tương tác kim loại, sự hấp thụ kim loại của vi tảo ảnh hưởng bởi một
số thông số chẳng hạn như nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại ban đầu sự hiện diện của các
kim loại khác, nồng độ sinh khối [32]. Ngoài ra, một điều quan trọng cần lưu ý là sự hiện
diện của axit amin, chất hữu cơ, axit humic, axit fulvic và EDTA có thể tạo phức với các
ion KLN và khiến chúng khơng cịn khả dụng. Hơn nữa, nước cứng cũng được biết đến là
làm giảm độc tính KLN. Ngược lại, sự hiện diện của một số ion như Ca, Mg, P có thể làm
giảm độc tính kim loại [38].
1.6.1. Các yếu tố sinh học ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng
+ Loài vi tảo
Khả năng xử lý KLN ở mỗi loại tảo là khác nhau. Ví dụ, theo nghiên cứu của
Monterio báo cáo ảnh hưởng của Cd đến sinh trưởng của Scenedesmus obliquus và
Desmodesmus pleiomorphus tương ứng với giá trị EC50 = 0.058 là 1.92 mg/l [33]. Các
lồi vi tảo thuộc cùng một chi có thể có khả năng hấp phụ khác nhau như Chlorella miniata,
Chlorella vulgaris được nghiên cứu để loại bỏ các KLN hóa trị hai (Hg, Cd, Pb, Ni, Cu và
Zn), trong khi các KLN hóa trị ba (Fe và Cr) được loại bỏ bởi Chlorella vulgaris và

Spirulina platensis.
+ Sinh khối vi tảo


12

Một số tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc tăng sinh khối để loại bỏ kim loại.
Quan sát lượng KLN được loại bỏ đã được cải thiện rõ ràng bằng cách tăng nồng độ sinh
khối điều này có thể giải thích là vì khi tăng nồng độ sinh khối sẽ làm tăng các liên kết kim
loại có sẵn. Ngược lại, trong một vài trường hợp, việc loại bỏ kim loại giảm thường là ở
mức sinh khối rất cao. Điều này có thể giải thích là do khi mật độ tế bào quá cao làm giảm
diện tích bề mặt cho sự hấp phụ vì khoảng cách giữa các vị trí hấp phụ trên bề mặt vi tảo
giảm trên cùng một đơn vị thể tích [3], [32]. Bishnoi (2004) cho thấy hiệu suất xử lý kim
loại Cu cao nhất đạt 85% khi sử dụng 0.5g/l sinh khối vi tảo. Tuy nhiên khi tăng khối lượng
sinh khối vượt quá 0.5 g/l thì hiệu suất sẽ giảm từ 85% xuống 58% [3]. Theo Gong (2005)
cho thấy hiệu suất loại bỏ Pb2+ đạt từ 24% với sinh khối 0,1g g/l sẽ tăng đến 84% với sinh
khối 2,0 g/l. Tuy nhiên khi sử dụng sinh khối vi tảo vượt quá 2,0 g/l để loại bỏ kim loại
nặng thì hiệu suất xử lý bị giảm xuống [18]. Vì vậy, việc tăng sinh khối chỉ tối ưu ở một
mức độ nhất định để cho sự hấp phụ KLN tốt nhất [13].
+ Kích thước của vi tảo
Kích thước của sinh vật được biết là có ảnh hưởng quan trọng đến độ nhảy cảm của
nó với độc tính kim loại. Kích thước là một yếu tố quan trọng của vi tảo vì thành phần sinh
hóa, q trình trao đổi chất, tăng trưởng và chết của chúng, tất cả đều phụ thuộc vào kích
thước. Các lồi vi tảo nhỏ có hiệu quả cao hơn do tốc độ quang hợp, tốc độ tăng trưởng
cao hơn và cũng như là sự vận chuyển chất dinh dưỡng nhanh hơn trên một đơn vị sinh
khối [24]. Các lồi vi tảo nhỏ có tỷ lệ bề mặt so với thể tích lớn nhất thường có hiệu quả
nhất trong việc cơ lập kim loại [27]. Ví dụ: tế bào nhỏ (với tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể
tích lớn) được báo cáo là nhạy cảm với Cu so với các loài lớn hơn [37]. Trong một nghiên
cứu so sánh giữa hai loài Micromonas pusilla và Minutocellus polymorphus trong đó
Micromonas pusilla có diện tích bề mặt nhỏ hơn một nữa so với Minutocellus polymorphus.

Kết quả chỉ ra rằng loài Micromonas pusilla nhạy cảm với Cu hơn Minutocellus
polymorphus [29].


13

1.6.2. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng
- Yếu tố pH
pH có thể ảnh hưởng đến độ hịa tan và độc tính của KLN trong nước, nó có lẽ là
thơng số quan trọng nhất ảnh hưởng hấp phụ kim loại bằng sinh khối [4], [23], [46]. Nó
ảnh hưởng đến sự liên kết của kim loại với vi tảo [4]. Ở pH thấp thành tế bào liên kết chặt
chẽ với các ion H3O+ tạo ra lực đẩy làm hạn chế sự liên kết của các cation KLN. Khi pH
tăng lên các nhóm chức như carboxyl, phosphate, imidazole, amino,… những nhóm này
tích điện âm sẽ hút các cation KLN thơng qua q trình hấp phụ sinh học trên bề mặt tế
bào [7]. Theo Monterio cũng cho rằng ở mức pH thấp các nhóm chức liên kết với các ion
H+ (vì ion H+ linh động hơn so với các cation KLN) do đó làm cản trở các cation KLN liên
kết. Họ tuyên bố rằng khi độ pH cao các điện tích âm tăng và điều này tạo điều kiện gắn
kết với các cation kim loại được nâng cao. Tóm lại, khi pH giảm bề mặt tế bào trở nên
nhiều điện tích dương làm giảm sức hút giữa sinh khối và ion kim loại. Do đó, khi pH cao
hơn dẫn đến bề mặt được tích điện âm hơn làm tăng khả năng gắn kết các cation kim loại
trên bề mặt [32]. Theo nghiên cứu của Bishnoi (2004) trên vi tảo Spirogyra ở mức pH từ
1.0 đến 10.0. Cho thấy sự gia tăng hiệu suất loại bỏ kim loại khi giá trị pH tăng từ 31% đến
86% [3]. Hơn nữa, khi pH nâng lên khả năng liên kết của KLN (Cu, Cd, Zn) của vi tảo
Chroococcus paris đã được báo cáo là tăng [49]. Nghiên cứu của Hargreaves (1976) ở giá
trị pH cao độc tính Zn đã được báo cáo là giảm trong tảo Hormidium sp. [22]. Một số nhóm
chức có sẵn để liên kết cation kim loại ở các phạm vi pH 2 – 5 các nhóm carboxyl chiếm
ưu thế, nhưng ở pH 5 – 9 các nhóm phosphate cao và pH 9 – 12 các nhóm carboxyl,
phosphate và hydroxyl (hoặc amin) [6], [32]. Tuy nhiên, ảnh hưởng của độ pH trên độc
tính của KLN rất phức tạp và chủ yếu phụ thuộc vào loại kim loại.
- Yếu tố nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đến một số yếu tố quan trọng đối với sự hấp thụ ion kim loại.
Chúng bao gồm sự ổn định của kim loại, phối tử và phức chất phối tử cũng như độ hịa tan
của các ion kim loại. Nó ảnh hưởng quan trọng đến sự hình thành kim loại, bởi vì hầu hết
các tốc độ phản ứng hóa học là rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Nhiệt độ cao dẫn đến


14

độ hòa tan lớn hơn của các ion kim loại trong dung dịch và do đó làm giảm sự hấp thụ sinh
học của các ion kim loại [28].
- Yếu tố hóa trị của kim loại
Sự liên kết của cation kim loại lên vi tảo phụ thuộc vào hình thức của chúng và tích
điện trong dung dịch phụ thuộc vào pH [32]. Pagnanelli đã báo cáo một số ảnh hưởng của
các hóa trị kim loại đến sự hấp phụ bởi Sphaerotilus natans [34]. Khả năng hấp phụ của
Spirulina sp. với Cr3+ và Cr6+ lần lượt là 304 mg/g và 333 mg/g cho thấy cùng một loại vi
tảo nhưng với mỗi hóa trị khác thì khả năng xử lý của vi tảo là khác nhau [11]. Mặc dù
thực tế là kim loại có nhiều dạng hóa trị khác nhau (các ion tự do, phức chất với các phối
tử vô cơ/ hữu cơ…) trong nước thải, trong đó ion KLN tự do trong là dạng độc hại nhất đối
với các sinh vật sống [40].