Phân lập, tuyển chọn & ứng dụng Một số vi khuẩn có khả năng phân giải xenlulo, góp phần xử lý rác thải sinh hoạt

1.5. Sự phân giải Lignin 1.2.2.2. Sự phân giải Lipit 1.2.2.3. Sự phân giải Protein 1.2.3. Vi sinh vật vòng tuần hoàn chuyển hoá Nitơ 1.2.4. Vi sinh vật vòng tuần hoàn chuyển hoá Photpho 1.2.5. Vi sinh vật vòng tuần hoàn chuyển hoá Lưu huỳnh 1.3. Phương pháp xử lý rác thải sinh hoạt 1.3.1. Xử lý chất thải hữu cơ trong điều kiện hiếu khí 1.3.2. Xử lý chất thải hữu cơ trong điều kiện kị khí 1.3.3. Nhu cầu các chất dinh dưỡng của vi sinh vật 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý 1.4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ rác 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước rác phần 2: Thực nghiệm 2.1. Mục đích của thực nghiệm 2.2. Một số phương pháp nghiên cứu vi sinh vật học 2.2.1. Phương pháp chuẩn bị môi trường dinh dưỡng 2.2.2. Chuẩn bị dụng cụ 2.2.2.1. Rửa dụng cụ thuỷ tinh 2.2.2.2. Làm nút bông và bao gói 2.2.2.3. Khử trùng dụng cụ thí nghiệm 2.2.2.4. Phương pháp tạo môi trường 2.2.3. Tiến hành phân lập vi khuẩn 2.2.4. Phương pháp nuôi cấy 2.2.5. Tinh sạch 2.2.6. Xác định hoạt tính phân huỷ Xenlulo của vi khuẩn bằng phương pháp đặt thạch 2.2.7. Hoá chất và dụng cụ 2.3. Phương pháp phân tích xác định chỉ số COD và nồng độ amoni, nồng độ Nitrat 2.3.1. Xác định chỉ số COD 2.3.2. Xác định amoni trong nước rác 2.3.3. Xác định Nitrat 3. Kết quả và thảo luận 3.1.Phân lập vi khuẩn có khả năng phân giải Xenlulo từ phần chất xơ trong dạ dày bò. 3.2. ứng dụng vi khuẩn từ phần chất xơ vào quá trình phân huỷ rác thải. 3.3. Phân lập vi khuẩn có khả năng phân giải Xenlulo có trong nước rác rò rỉ. 3.4. xác định khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ của vi khuẩn trong nước rác rò ri. 3.5. Hướng nghiên cứu mới. Kết luận Tài liệu tham khảo Mở đầu Môi trường hiện nay đang trở thành vấn đề mang tính toàn cầu. Nó đòi hỏi phải có sự phối hợp chặt chẽ, lâu dài, sự đầu tư hợp lý, đồng bộ nhằm giảm thiểu những ảnh hưởng có hại gây sự suy thoái và huỷ hoại môi trường. Cùng với sự phát triển của Khoa học- Công nghệ mức độ đô thị hoá ngày càng nhanh chóng, nhu cầu của con người cũng tăng rất nhanh trong những năm gần đây. Từ thực tiễn, do chất thải rắn chỉ được thu gom, mà không được phân loại và xử lý tại nguồn phát sinh nên đã gây ô nhiễm môi trường ở tất cả các khâu: từ thu gom, lưu giữ trong nhà, rơi vãi trên đường phố trong vận chuyển đến ô nhiễm tại bãi rác. Nếu cứ giữ nguyên phương thức thu gom xử lý chất thải rắn như hiện nay thì quy mô bãi rác cứ ngày càng tăng, chi phí cho xây dựng các bãi chứa rác càng lớn. Vấn đề di chuyển, quy hoạch một bãi rác mới không phải là đơn giản. Chất thải rắn sinh hoạt là mối quan tâm không chỉ của các nhà quản lý, các nhà khoa học mà cả chính của người dân ở địa bàn sinh sống. Vấn đề đặt ra là cần có một phương pháp xử lý rác thải phù hợp, tiện lợi, dễ tiến hành nhất, nhằm giữ gìn môi trường cảnh quan đồng thời giảm thiểu mức độ ô nhiễm. Dựa trên quan điểm đó, với hướng cần phân loại rác thải để phục vụ cho mục đích phân huỷ bằng phương pháp sinh học. Trong nội dung khoá luận này, chúng tôi tập trung nghiên cứu : Phân lập, tuyển chọn và ứng dụng một số vi khuẩn có khả năng phân giải xenlulo, góp phần xử lý rác thải sinh hoạt Tổng quan 1.1. Rác thải sinh hoạt 1.1.1. Nguồn gốc Rác thải sinh hoạt tạo ra từ các nguồn chủ yếu sau : Từ các khu dân cư. Từ các trung tâm thương mại. Từ các cơ sở trường học, công trình công cộng. Từ dịch vụ đô thị, sân bay. Từ các hoạt động xây dựng đô thị. Từ các trạm xử lý nước thải, đường ống thoát nước của thành phố. 1.1.2. Thành phần Rác thải sinh hoạt có thành phần rất phức tạp như : Những hợp chất vô cơ: kim loại, sành sứ, gạch ngói vỡ, đất đá. Những hợp chất hữu cơ: các loại thực phẩm dư thừa hoặc quá hạn sử dụng, xương động vật, rau xanh, vỏ hoa quả, các loại tre gỗ, lông gà, lông vịt, vải sợi, giấy, xác động - thực vật, cao su, nhựa... Những loại khác: các hợp chất dễ bay hơi, trong đó có những chất mang mùi nặng. 1.1.3. Phân loại Rác thải được đưa vào môi trường từ nhiều nguồn khác nhau. Dựa trên tính chất thành phần có thể chia rác thải sinh hoạt thành 3 nhóm sau: ãNhóm 1: Chất thải thực phẩm Đó là các loại thức ăn dư thừa, hoa quả, rau xanh... Chất thải thực phẩm là những hợp chất hữu cơ, mang bản chất sinh học. Vì vậy, chúng rất dễ bị phân huỷ bằng con đường sinh học. Quá trình phân huỷ của chúng tạo nên các mùi khó chịu của CO2, NH3, H2S.. đặc biệt trong thời tiết ẩm. ãNhóm 2: Chất thải từ hoạt động công nghiệp, xây dựng Gồm các loại phế thải: đất đá, gạch ngói, bê tông, các vật liệu bằng kim loại, thuỷ tinh, chất dẻo. Đây là nhóm chất thải khó phân huỷ, bền vững theo thời gian. Trong đó, vật liệu bằng kim loại, thủy tinh, các loại chất dẻo có thể tái sử dụng thành vật liệu composit và một số dạng đặc biệt khác. ãNhóm 3: Chất thải từ nông nghiệp Là những chất thải và mẩu thừa từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp (trồng trọt, thu hoạch) các loại cây trồng, các phế thải từ quá trình chế biến sữa, của lò giết mổ... Nhóm này được tập kết cùng với nhóm 1 để xử lý bằng phương pháp phân huỷ sinh học. 1.2. Vi sinh vật và vai trò của vi sinh vật trong các chu trình biến đổi chất 1.2.1. Vi sinh vật Vi sinh vật (Microbe, Microorganism) là các sinh vật rất nhỏ bé không thấy bằng mắt thường. Chúng gồm: vi rút, vi khuẩn, vi nấm, một số động vật nguyên sinh và tảo. Trong tự nhiên, vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hoá các chất, chúng có khả năng rất lớn trong quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ. Chúng tham gia vào việc phân giải và biến các chất có hại thành các chất vô hại. Tuy nhiên khả năng hoạt động của chúng còn tuỳ thuộc vào yếu tố môi trường: nồng độ của các hợp chất hữu cơ, các kim loại nặng có tính độc, các loại hoá chất độc hại khác, độ pH, điều kiện nhiệt độ, nồng độ oxy hoà tan... 1.2.2. Vai trò của vi sinh vật trong vòng tuần hoàn chuyển hoá nguyên tố cacbon Cacbon là nguyên tố rất phổ biến trong tự nhiên. Nó tham gia vào việc cấu thành những hợp chất có vai trò quan trọng đặc trưng cho sự sống của con người và động vật. Các hợp chất của cacbon quan trọng tới mức người ta gọi hệ thống sống là “hệ thống nền cacbon”. Các hợp chất cacbon hữu cơ có mặt trong động - thực vật, vi sinh vật. Khi các sinh vật này chết đi để lại một lượng chất hữu cơ khổng lồ trên trái đất. Nhờ hoạt động của các nhóm vi sinh vật dị dưỡng cacbon, các hợp chất hữu cơ này dần bị phân huỷ đến sản phẩm cuối cùng là CO2, H2O. Thực vật và một số vi sinh vật tự dưỡng quang năng sử dụng CO2, H2O trong quá trình quang hợp tổng hợp nên các hợp chất cacbon hữu cơ của thực vật. Động vật và con người sử dụng cacbon hữu cơ từ thực vật và động vật để tổng hợp nên những hợp chất cacbon hữu cơ đặc trưng cho mình thông qua con đường đồng hoá và dị hoá. Quá trình hô hấp của con người, động vật thải ra CO2. Sau khi chết xác động vật và người bị phân huỷ dưới tác dụng của vi sinh vật Chất hữu cơ trong đất Cacbon động vật Cacbon thực vật CO2 Hình 1: Vi sinh vật trong chu trình chuyển hoá cacbon 1.2.2.1. Sự phân giải các hợp chất Gluxit Các hợp chất Gluxit là thành phần chủ yếu của các chất khô trong thực vật (rau quả, cây cối..). Đồng thời, nó còn là nguồn năng lượng cho các quá trình sống của thực vật. Khi thực vật (cây cối, rau quả ..) chết đi để lại một lượng lớn các hợp chất Gluxit. Quá trình chuyển hoá các hợp chất Gluxit như sau: I.2.2.1.1. Sự phân giải các hợp chất đường Xenlulo và tinh bột bị phân giải tạo thành đường đơn. Đường đơn tiếp tục bị phân giải dưới tác dụng của vi sinh vật theo con đường lên men (etylic, lactic, butyric, focmic). Nhiều loài vi khuẩn kị khí và hiếu khí tuỳ tiện tham gia vào quá trình lên men. Saccharomyces cerevisae - một loại nấm men-là tác nhân lên men mạnh nhất, được sử dụng trong quá trình lên men rượu, bia. Phản ứng : S.cerevisae C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 Quá trình lên men lactic dưới tác dụng của vi khuẩn họ Lactobacteriaccae và Streptococcus lactics . Phản ứng : Lactobacteriaccae C6H12O6 2CH3CHOCOOH Quá trình lên men Butyric thực hiện bởi chi vi khuẩn Clostridium . Ngoài ra, trong quá trình trao đổi chất nhóm vi sinh vật dị dưỡng hiếu khí tham gia vào quá trình phân giải đường Glucoza thành CO2, H2O. 1.2.2.1.2. Sự phân giải tinh bột Tinh bột (C6H10O5)n là những hợp chất hydratcacbon cao phân tử. Tinh bột chiếm tỷ lệ lớn trong thực vật, dưới dạng hạt tinh bột. Nhiều vi sinh vật tiết ra hệ enzym amylaza (- amylaza, -amylaza, -amylaza) phân huỷ tinh bột thành những hợp chất đơn giản: đường và các axit hữu cơ. Bảng 1: Một số vi sinh vật có khả năng phân giải tinh bột: Nấm Vi khuẩn Aspergillus awarmorii A.candidus A.niger Candida japonica Bacillus amyloliquefaciens B.subtilis B.coagulans Clotridium amyloliticum 1.2.2.1.3. Sự phân giải Xenlulo Xenlulo là thành phần của màng tế bào thực vật. Xenlulo có trong rau quả (vỏ hạt, vỏ tế bào, vỏ quả..). Thực vật khi chết để lại một lượng lớn xenlulo ở trong thân cây, cành lá rụng xuống..Hàm lượng xenlulo trong xác thực vật thường thay đổi trong khoảng 50-80%. Một phần khác do con người tạo ra ở dạng chất thải: rác, rơm rạ, giấy vụn, mùn cưa, vỏ bào, .. Có thể tính toán rằng tổng lượng xenlulo trên trái đất vào khoảng 3500 tỉ tấn. Nếu như không có quá trình phân giải xenlulo thì lượng chất này sẽ ngập tràn trên trái đất. Trong tự nhiên có nhiều loài vi sinh vật - mang hệ enzym xenluloza ngoại bào - có khả năng phân hủy xenlulo.Việc vi sinh vật phân huỷ xenlulo có ý nghĩa rất lớn trong vòng tuần hoàn địa hoá, góp phần nâng cao độ phì nhiêu cho đất cũng như vào việc tiêu hoá thức ăn ở các loài động vật nhai lại. Hệ vi sinh vật phân giải xenlulo khá phong phú bao gồm : nấm, xạ khuẩn, vi khuẩn. Chúng bao gồm cả những hệ vi sinh hiếu khí và yếm khí. Do đó, quá trình phân huỷ xenlulo diễn ra theo hai con đường hiếu khí và yếm khí. ã Phân giải xenlulo trong điều kiện hiếu khí. Một số vi sinh vật tham gia phân huỷ Xenlulo trong điều kiện hiếu khí: Nấm Xạ khuẩn Vi khuẩn Alternaria Aspergillus ustus a.candidus Botritis Chaetomiumglobosum C.thermophil Fusariumoxysporum Actinomyces Micromonospora Streptomyces Str.cellulosae Str.celluloflavus Acetobacter xylinum Achromobacter Pseudomonasflourescens Trong điều kiện hiếu khí các vi sinh vật này thực hiện phân huỷ xenlulo rất mạnh. Đặc biệt xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces có khả năng phân giải xenlulo được ứng dụng trong quá trình phân huỷ rác thải sinh hoạt. Những xạ khuẩn này thuộc nhóm ưa nóng, sinh trưởng, phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 45- 50 °C, rất thích hợp với quá trình ủ rác . Hai enzym chính tham gia phân huỷ xenlulo là xenlulaza C1 và xenlulaza Cx. enym xenlulaza C1 tác động sơ bộ vào các phân tử xenlulo thiên nhiên và biến chúng thành những chuỗi xenlulo mạch thẳng. Sau đó, dưới tác dụng của enzym xenlulaza Cx , xenlulo bị phân huỷ thành xenlobiose (gồm 2 phân tử gluco). Loại đường này có thể tan trong nước, dưới tác dụng của b- glucosidase biến thành gluco. ã Phân giải xenlulo trong điều kiện yếm khí . Ngoài các vi sinh vật hiếu khí còn một số vi sinh vật yếm khí cũng tham gia tích cực vào quá trình phân huỷ xenlulo. Clotridium thermocellum, Clotridium omelianskii.. tham gia phân huỷ xenlulo bằng con đường “ lên men xenlulo”. C.thermocellum là loài vi khuẩn có hoạt tính phân giải xenlulo đầu tiên được nghiên cứu và được phân lập từ phân ngựa. Đặc điểm của C.thermocellum : lúc còn non có hình que ngắn, khi trưởng thành có hình uốn cong, kích thước dài, bào tử sinh ra ở một đầu. Chúng phát triển tốt trong môi trường có nguồn xenlulo hoặc xenlubiose, nguồn NH4+, nhiệt độ thích hợp 60-65°C. Sản phẩm của quá trình lên men là : etanol, axit axetic, axit focmic, H2, CO2. Đặc biệt, còn một nhóm vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo rất mạnh trong điều kiện yếm khí là nhóm các vi sinh vật sống trong dạ cỏ của trâu, bò và các động vật nhai lại. Trong những nghiên cứu cho thấy: trong 1ml các chất lấy từ dạ cỏ của bò có khoảng 109-1010 tế bào vi khuẩn. Hệ vi khuẩn và động vật nguyên sinh ở dạ cỏ động vật nhai lại gồm rất nhiều loài có khả năng phân giải xenlulo : Bảng 3: Hệ vi khuẩn và động vật nguyên sinh trong dạ cỏ của động vật nhai lại. Hệ vi khuẩn Hệ động vật nguyên sinh Ruminococcus flaveciens Bacteroid succinogenes Clotridium cellobioparum Ophryoscolex Isotrich Nhờ có hệ vi sinh vật phong phú, số lượng lớn như vậy nên giúp cho trâu bò và các động vật nhai lại có thể tiêu hoá được cỏ, rơm rạ, và các hợp chất xenlulo khác. Chính vì những điểm đặc biệt như vậy. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đặc biệt chú ý đến hệ vi sinh vật sống trong dạ cỏ của những loài động vật nhai lại như : trâu, bò, ngựa. 1.2.2.1.4. Sự phân giải Xilan Xilan (Hemixenlulo) có nhiều trong xác thực vật. Hemixenlulo cấu tạo bởi các đơn vị nhỏ là các gốc b- Xylose. Trong rơm rạ và các cây khô Xilan chiếm 15-20%, trong bã mía 30%, trong gỗ thông 7-12%. Nhiều vi sinh vật như nấm mốc, nấm men, vi khuẩn tiết ra enzym Xilanaza có khả năng phân giải Xilan. 1.2.2.1.5. Sự phân giải Lignin Các hợp chất Lignin có trong gỗ chiếm 20-30%. Đơn vị cấu trúc của Lignin là các dẫn xuất phenylpropan. Trong đó có 69%C, 7%H, 24%O. Lignin có cấu tạo vô định hình không tan trong nước và axit vô cơ. Chỉ với kiềm, bisunfit natri, H2SO4 thì Lignin mới bị phân huỷ một phần và chuyển sang dạng hoà tan. Sự phân giải Lignin nhanh nhất và phổ biến nhất trong tự nhiên là các loại nấm. Các loại nấm này tiết ra enzym Phanerochaeto Chrysosporium phân huỷ hầu hết các thành phần của gỗ kể cả Lignin gồm 3 nhóm: - Nấm mục trắng: chủ yếu là Basidomyces và một số ascomycetes là nhóm phân huỷ Lignin hữu hiệu nhất. - Nấm mục nâu: gồm một số Basidomycetes tác dụng và tấn công vào polysacarit trong gỗ, Lignin không bị phân huỷ nhưng bị biến tính. - Nấm mục mềm: gồm một số actinomyces xâm nhập vào thành thứ cấp của các tế bào gỗ trong điều kiện ẩm cao, các vi sinh vật làm mềm các tế bào gỗ, làm giảm đáng kể trọng lượng . Khả năng phân huỷ Lignin ở vi khuẩn thấp. Lignin bền vững ở điều kiện yếm khí, chúng chỉ bị phân huỷ ở điều kiện hiếu khí mạnh mẽ. Thông thường, sự phân giải Lignin xảy ra khi đồng thời sử dụng các nguồn cacbon khác: glucose, xenlulo.. Riêng một mình Lignin thì vi sinh vật không thể sử dụng làm nguồn dinh dưỡng được. Nói chung sự phân huỷ Lignin rất khó khăn. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của quá trình xử lý ủ rác . 1.2.2.2. Sự phân giải các hợp chất Lipit Trong rác thải sinh hoạt ngoài những hợp chất Protein, Gluxit còn một phần khác là các hợp chất Lipit (este của Glixerin và các axit béo), các chất Sáp (este phức tạp của axit béo và rượu cao phân tử đơn chức). Sáp là lớp bao phủ bên ngoài của lá cây, vỏ quả, thân cây. Lipit, Sáp và các axit béo trong xác động- thực vật là nguồn thức ăn cacbon và là nguồn năng lượng cung cấp cho quá trình sống của vi sinh vật. Vi sinh vật (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc) có khả năng phân giải các hợp chất này nhờ xúc tác enzym nội bào Lipaza. Lipaza của vi sinh vật có phổ tác dụng khá rộng. Một số vi sinh vật sinh ra enzym Phospholipase xúc tác cho việc phân giải Phospholipit. Lipit Glyxerin + các axit béo Tuy nhiên, nhìn chung quá trình phân giải Lipit, Sáp thực vật, các axit béo diễn ra chậm. Sản phẩm của phản ứng phosphoril hoá là Glixerin. 3H2O Lipaza Glyxerin sẽ tiếp tục chuyển hoá theo con đường embden –Meyerhof- Parnas. Các axit béo được đồng hoá nhờ quá trình b- oxy hoá. Nhờ nhóm vi khuẩn kị khí, các axit hữu cơ được lên men thành CH4. Nhiều loại nấm mốc thuộc chi Penicillum và aspergillus có thể oxy hoá các axit béo hữu cơ không hoàn toàn tạo những hợp chất Metylketon. Do đó, trong quá trình ủ rác thường xuất hiện những mùi khó chịu của Metan và Metylketon. 1.2.2.3. Sự phân giải Protein. Trong rác thải, Protein chiếm một lượng lớn. Protein là một trong những thành phần quan trọng của xác động - thực vật. Trong các loại thực phẩm thải bỏ, Protein thường chứa 15- 17,5 % Nitơ. Sự phân giải Protein có ý nghĩa rất lớn đối với vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên. Quá trình phân huỷ Protein dưới tác dụng của vi sinh vật có ý nghĩa quan trọng trong quá trình phân huỷ rác, ứng dụng vào việc sản xuất phân bón hữu cơ. Vi sinh vật phân huỷ Protein có khả năng tiết ra enzym Proteaza bao gồm: Proteinaza và Peptidaza. Enzym Proteinaza chuyển hoá Protein thành các hợp chất phân tử nhỏ polipeptit và oligopeptit. Sau đó, dưới tác dụng của enzym Peptidaza các polipeptit và oligopeptit sẽ bị phân giải thành các axit amin. Các axit amin này một phần sẽ được vi sinh vật hấp thu và chuyển hoá thành axit amin của tế bào vi sinh vật. Một phần khác sẽ tiếp tục bị phân giải thành các sản phẩm : CO2 , NH3 , H2S , CH4... Chính vì vậy, trong quá trình ủ rác thường xuất hiện những mùi hôi thối khó chịu. Bảng 4: Một số vi khuẩn có khả năng phân huỷ Protein Vi khuẩn Xạ khuẩn Nấm mốc Bacillusmyoides B.mesentericus B.subtilis Proteus vulgaris Streptomyces griseus Str.rimosus Aspergillus flavus a.niger Hình 2: Quá trình phân huỷ protein Polipeptit oligopeptit Protein Protein Các axit amin nội bào Sử dụng để sinh tổng hợp protein Chuyển amin và phân giải cacbon Khử amin Khử amin và Phân giải mạch cacbon 1.2.3. Vai trò vi sinh vật trong vòng tuần hoàn chuyển hóa Nitơ. Trong tự nhiên, Nitơ tồn tại ở các dạng khác nhau từ Nitơ ở dạng phân tử khí N2, ở trong các hợp chất hữu cơ phức tạp trong cơ thể động - thực vật và con người như: Protein, axit amin, axit nucleic, urê.. Các hợp chất này đi vào môi trường tự nhiên từ những nguồn khác nhau như: từ xác động- thực vật, các loại phân chuồng, phân xanh, rác sinh hoạt.. Đây là những chất hữu cơ cần thiết cho thực vật, nhưng thực vật không thể đồng hoá được dạng Nitơ phức tạp này mà chỉ sử dụng nó ở dạng amon NH4+ (NH3) sau quá trình amôn hoá. Quá trình phân huỷ Protein sinh amôn. Trong điều kiện hiếu khí, các vi khuẩn tự dưỡng oxy hoá amôn thành nitrat (NO3-). Dưới tác dụng của nhóm vi khuẩn phân huỷ và thuỷ phân, hợp chất chứa Nitơ (Protein, urê..) bị phân huỷ tạo NH3 (NH+4). Một phần NH3 được thực vật và một số vi sinh hấp thụ qua con đường đồng hoá. Phần còn lại được oxy hoá về dạng nitrát gọi là quá trình nitrát hoá. Nhóm vi khuẩn tiến hành quá trình này gọi là vi khuẩn nitrát hoá. Quá trình nitrát hoá gồm 2 giai đoạn: - Giai đoạn I: Quá trình nitrít hoá. Quá trình oxy hoá NH4+ tạo thành NO2- được tiến hành bởi nhóm vi khuẩn nitrít hoá. Chúng là những vi khuẩn tự dưỡng hoá năng vô cơ bắt buộc sử dụng oxy không khí để chuyển NH4+ thành NO2- và giải phóng năng lượng. Nitrozomonas NH4+ + O2 NO2- + 2H+ + H2O +273kj Nhóm vi khuẩn nitrít hoá gồm 4 chi:Nitrozomonas, Nitrozocystic, Nitrozolobus, Nitrosopira. -Giai đoạn 2 : Quá trình nitrát hoá Quá trình NO2- thành NO3- được thực hiện nhờ nhóm vi khuẩn nitrát hoá. Chúng là những vi khuẩn vi sinh vật tự dưỡng hoá năng vô cơ bắt buộc có khả năng oxy hoá NO2- bằng O2 không khí và tạo thành NO3-, đồng thời giải phóng năng lượng. Nitrobacter NO2- + O2 NO3- + 75 kj. Nhóm vi khuẩn nitrát hoá gồm 3 chi : Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococus. Phản ứng tổng cộng: Vi khuẩn NH4+ + 2O2 NO3- +2H+ + H2O + 350 kj. Năng lượng sinh ra được sử dụng trong quá trình sinh tổng hợp, tạo tế bào mới, phát triển sinh khối và giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt. Điều kiện chung cho sự phát triển của các vi khuẩn nitrát hoá là : pH = 5.5- 9, tốt nhất ở pH = 7.5. oxy hoà tan: 0.5 mg/l. Nhiệt độ: 5- 40 0 C. 1.2.4. Vi sinh vật trong vòng tuần hoàn chuyển hoá phospho. Phospho là nguồn dinh dưỡng quan trọng nhất đối với mỗi vi sinh vật, là thành phần của cơ thể sống. Trong cơ thể động vật, vi sinh vật, phospho tồn tại dạng H3PO4 có tác dụng như một hệ đệm. Phospho là thành phần cơ bản cấu tạo nên các phân tử sinh học trong cơ thể động vật, sinh vật: axit nucleic, photphoprotein, photpholipit, ATP (adenozintriphosphat), UTP (uridintriphosphat). Khi động vật, các sinh vật này chết đi để lại một lượng lớn phospho dưới dạng phosphat hữu cơ khó tan và phosphat vô cơ tan. Chu trình tuần hoàn của phospho trong tự nhiên gồm hai quá trình : Trao đổi phospho giữa các phosphat vô cơ. Trao đổi phospho hữu cơ trong quá trình sống của sinh vật. Photpho ở dạng photphat tham gia vào việc cấu trúc các phân tử sinh học của cơ thể sống. 1.2.5. Vi sinh vật trong vòng tuần hoàn chuyển hoá sunphua (lưu huỳnh). Trong cơ thể động - thực vật, vi sinh vật, Protein, các axit amin là thành phần quan trọng đóng vai trò cấu trúc tế bào sống. Khi động- thực vật, sinh vật chết đi. Trong điều kiện yếm khí, một số vi sinh vật có khả năng phân huỷ protein và các axit amin thành NH3 và giải phóng khí H2S từ các axit amin chứa sulfur ( Metionin, Cystein, Cystin). Quá trình chuyển hoá sulfur rất phức tạp gồm cả 2 quá trình oxy hoá hoá học và oxy hoá sinh học . Có hai nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình chuyển hóa lưu huỳnh. +Vi khuẩn lưu huỳnh: Beggiatoa, Thiothrix, Thiobacilus. + Vi khuẩn sulfat : Nhóm vi khuẩn này có khả năng oxy hoá H2S, S và các hợp chất khác chứa lưu huỳnh. H2S + O2 S2 + H2O + năng lượng S2 + 3O2 + 2H2O 2H2SO4 + năng lượng Năng lượng sinh ra được vi khuẩn dùng để đồng hoá CO2. H2S được tạo ra: + Do quá trình thối rữa protein hiếm khí. +Trong trường hợp kị khí, H2S tạo nên do quá trình khử sunphat nhờ vi khuẩn (phản sunfat hoá): Desulfovibrio desulforicans. 1.3. Phương pháp xử lý rác thải sinh hoạt . Rác sinh hoạt là hỗn hợp rơm rạ, phần bỏ đi của rau cỏ.. chúng là những hợp chất hữu cơ. Ngoài ra, các chất vô cơ cũng chiếm một hàm lượng lớn. Các vi sinh vật dùng trong xử lý rác: vi khuẩn, nấm, tảo, nguyên sinh động vật và động - thực vật . Tuỳ theo công nghệ xử lý mà người ta sử dụng những nhóm vi sinh vật khác nhau. Có nhiều giai đoạn trong quá trình xử lý ủ rác thải sinh hoạt: phương pháp cơ học, hoá học, hoá lý học, sinh học. Trong đó giai đoạn xử lý bằng phương pháp sinh học được quan tâm hơn cả. ãNguyên tắc của phương pháp : Dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ, hoặc vô cơ làm nguồn năng lượng và nguồn cácbon để thực hiện quá trình sinh tổng hợp, phát triển sinh khối. Cả 2 nhóm vi sinh vật dị dưỡng và vi sinh vật tự dưỡng tham gia vào quá trình phân huỷ rác . Trong đó vi sinh vật dị dưỡng chia làm 3 nhóm: +Vi sinh sật hiếu khí. +Vi sinh vật kị khí. +Vi sinh vật tuỳ tiện . 1.3.1. Xử lý chất thải hữu cơ trong điều kiện hiếu khí. Các vi sinh vật hiếu khí cần oxy hoà tan để oxy hoá, phân huỷ các hợp chất hữu cơ thành các sản phẩm đơn giản. Phương trình tổng quát của quá trình oxy hoá các hợp chất hữu trong điều kiện hiếu khí: CHO)nNS + O2 CO2 + H2O + Tế bào vi sinh+ Các sản phẩm dự trữ + NH4++ H2S + năng lượng (60% ) 40% NO3- SO42- Quá trình oxi hoá tạo nguồn năng lượng giúp vi sinh vật phát triển sinh khối. Đồng thời sự có mặt và hoạt động của các nhóm vi khuẩn khác nhau thực hiện phản ứng oxi hoá khử để chuyển các hợp chất trung gian về dạng bền vững: NH4+ về dạng NO3- nhờ nhóm vi khuẩn nitrát hoá, H2S về dạng SO42- nhờ nhóm vi khuẩn sulfat hoá. 1.3.2. Xử lý chất thải hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. Trong điều kiện kị khí, nhóm vi sinh vật kị khí có khả năng oxy hoá các hợp chất hữu cơ bằng cách sử dụng O2 trong các hợp chất như NO3- ,SO42-. Quá trình phân huỷ kị khí tạo nên các sản phẩm trung gian với hàm lượng lớn. Quá trình phân huỷ kị khí tốn nhiều cơ chất hơn so với quá trình phân huỷ hiếu khí. Tuy nhiên, do quá trình phân huỷ kị khí thường có tạo nên nhiều hợp chất có mùi gây hôi, thối độc hại của (NH3, H2S, CH4..) (CHO)n NS + O2 CO2+H2O+Tế bào vi sinh + Các sản phẩm dự trữ+ Các sản phẩm trung gian+ CH4+H2+ NH4++H2S + Năng lượng (NO3-, SO42-) Vì vậy, trong thực tế để đảm bảo cho quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ diễn ra tốt nhất, người ta kết hợp sử dụng cả phương pháp phân huỷ kị khí và phương pháp phân huỷ hiếu khí để quá trình phân huỷ nhanh, đồng thời không tạo mùi gây nguy hại cho con người. Metan (CH4) là sản phẩm của quá trình phân huỷ hữu cơ trong điều kiện kỵ khí, dưới tác dụng của hàng trăm chủng loại vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và kỵ khí không bắt buộc . Quá trình lên men sinh khí Metan gồm 3 giai đoạn : ã Giai đoạn 1: Dưới tác dụng của các men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như chất béo, hydratcacbon (xenlulo, tinh bột), protein bị phân huỷ thành các hợp chất hữu cơ đơn giản, dễ tan trong nước: đường đơn, peptit, glyxerin , axit amin.. ãGiai đoạn hai: Dưới tác dụng của nhóm vi sinh vật sinh axit, các chất tan nói trên sẽ biến thành các axit hữu cơ có phân tử lượng nhỏ ( axit axetic, axit propionic..), các aldehytancol và khí CO2, H2, NH3, N2.. Do các phản ứng thuỷ phân và các phản ứng oxy hoá khử xảy ra nhanh chóng và đồng bộ trong cùng một pha nên nhu cầu oxy sinh học gần như bằng không . Do sinh nhiều axit nên độ pH của môi trường có thể giảm mạnh. ãGiai đoạn ba: Giai đoạn sinh Metan. Dưới tác dụng của các vi khuẩn sinh Metan, các axit hữu cơ và các hợp chất đơn giản khác biến thành CH4, CO2, O2.. Có hai cách sinh Metan: Dưới tác dụng của vi khuẩn, CO2 bị khử thành CH4, trong đó chất cấp điện tử là H2 và rượu. Vi khuẩn 2CH3CH2OH + 2 H2O 2CH3COOH + 8H Vi khuẩn H2+CO2 CH4 + 2H2O - axit hữu cơ biến thành CH4: CH3COOH O2+ CH4. Do có quá trình sinh Metan mà làm cho nước rác có mùi khó chịu, quá trình sục khí hạn chế được một phần. 1.3.3. Nhu cầu các chất dinh dưỡng của vi sinh vật. Để tồn tại và phát triển, vi sinh vật cần đến các chất dinh dưỡng. Chất dinh dưỡng dùng với hai mục đích: - Trong quá trình sinh tổng hợp những thành phần cuả tế bào. - Tạo ra năng lượng để tế bào hoạt động. Tuỳ theo đặc điểm của từng loài vi sinh vật mà nhu cầu dinh dưỡng có sự khác nhau. Các chất dinh dưỡng cần thiết và bắt buộc với vi sinh vật: 1: Nước. 2: Nguồn dinh dưỡng cacbon. 3: Nguồn dinh dưỡng Nitơ. 4: Nguồn dinh dưỡng khoáng 5: Các chất sinh trưởng. Các nguyên tố đa lượng, vi lượng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Trong môi trường tự nhiên (môi trường khoai tây, nước thịt, sữa, huyết thanh, giá đậu, pepton..) khi nuôi cấy vi sinh vật không cần bổ xung các nguyên tố khoáng. Với môi trường tổng hợp (nguyên liệu là hoá chất) cần phải bổ xung thêm nguyên tố khoáng. Những nguyên tố khoáng mà vi sinh vật đòi hỏi với một liều lượng lớn gọi là các nguyên tố đa lượng. Những nguyên tố mà vi sinh vật đòi hỏi với liều lượng nhỏ gọi là nguyên tố vi lượng. Nồng độ cần thiết của từng nguyên tố vi lượng trong môi trường chỉ khoảng 10-6 đến 10-8 M. Hàm lượng các nguyên tố khoáng ở nguyên sinh chất của vi sinh vật khác nhau là khác nhau, tuỳ loài, tuỳ giai đoạn, tuỳ điều kiện nuôi cấy. Bảng 5: Nồng độ cần thiết về muối khoáng với vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn như sau: Muối khoáng Nồng độ cần thiết Vi khuẩn Nấm và xạ khuẩn K2HPO4 02á 0,5 1 á 2 KH2PO4 0,2á 0,5 1 á 2 MgSO4.7H2O 0,1 á 0,2 0,2 á 0,5 MnSO4.4H2O 0,005 á 0,01 0,02 á 0,1 FeSO4.7H2O 0,005 á 0,01 0,005 á 0,02 Na2MoO4 0,001 á 0,005 0,01 á 0,02 ZnSO4.7H2O 0,001 á 0,005 0,02á 0,1 CoCl2 <0,03 <0,06 CaCl2 0,01 á 0,03 0,02 á 0,1 CaSO4.5H2O 0,001 á 0,005 0,01 á 0,05 Thành phần môi trường có thể theo tính toán nào đó để cho nồng độ chung của mỗi cation hoặc anion phù hợp với số lượng nêu trên. *Phospho (P). Phospho chiếm tỷ lệ cao nhất trong các nguyên tố khoáng của tế bào vi sinh vật. Phospho là thành phần cấu trúc: axit nucleic, phosphoprotein.., có trong một số vitamin : Tiamin, Biotin. Để bảo đảm nguồn dinh dưỡng P người ta bổ xung hỗn hợp muối KH2PO4 và K2HPO4 với tỷ lệ thích hợp. * Lưu huỳnh (S). Lưu huỳnh là nguyên tố khoáng quan trọng trong tế bào vi sinh vật. S có mặt trong một số axit amin (Xistin, Xystein, Metionin..), một số vitamin (Biotin, Tiamin..). Những hợp chất này vừa tham gia cấu trúc vừa tham gia vào quá trình sinh hoá tế bào. Nguồn dinh dưỡng S được bổ xung từ nguồn S vô cơ, trong muối S2O32- H2S.. * Sắt (Fe). Là nguyên tố rất cần thiết để giúp vi sinh vật có thể tổng hợp được một số enzym loại pocphirin chứa Fe (Xitocrom, Catalaza..). Một số vi sinh vật tự dưỡng quang năng còn sử dụng Fe để tổng hợp ra một số sắc tố quang hợp có cấu trúc pocphirin (clorophin, bacterclorophin..). * Magiê (Mg). Là nguyên tố vi sinh vật đòi hỏi với lượng cao 10-3 –10-4 M. Mg mang tính chất một cofacto, chúng tham gia vào phản ứng enzym trong quá trình photphoryl hoá. Mg2+ có thể hoạt hoá các hexokinaza, ATP-aza, pirophotphataza, photphopheraza, các enzym trao đổi protein, các enzym oxy hoá khử của chu trình Kreps. Mg2+ còn có vai trò trong việc liên kết các tiểu phân Ribôxôm. *. Canxi (Ca) Là nguyên tố có vai trò quan trọng trong việc xây dựng cấu trúc tinh vi của tế bào. Ca là cầu nối trung gian giữa nhiều thành phần của tế bào sống (giữa ADN và Protein trong nhân, giữa các nucleotit với nhau, giữa ARN và protein trong riboxom). Ca tham gia hình thành cấu trúc không gian ổn định của nhiều bào quan như: riboxom, ti thể, nhân... *. Kẽm ( Zn). Kẽm là một cofacto ntham gia vào nhiều quá trình enzym. Zn có tác dụng trong việc hoạt hoá các enzym: cacboanhydraza, enonaza.. *. Mangan( Mn). Mn có trong một số enzym hô hấp đồng thời đóng vai trò hoạt hoá một số enzym: ATP- aza, enonaza.. *. Kali (K). Kali chiếm tỷ lệ lớn trong thành phần khoáng của tế bào vi sinh vật. Cho đến nay người ta chưa tìm thấy K tham gia vào bất kỳ thành phần nào của nguyên sinh chất, không tìm thấy enzym nào chứa K. K tồn tại ở dạng K+ ở bề mặt ngoài của cấu trúc tế bào, tồn tại trạng thái liên kết hoá lý không bền vững với protein và các thành phần của nguyên sinh chất. K có tác dụng ảnh hưởng đến tính chất hoá keo và hoạt động xúc tác của các enzym. K tham gia vào việc hoạt hoá một số enzym : amylaza, invectaza, ATP-aza...K có ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất, quá trình tổng hợp, quá trình hô hấp của vi sinh vật. *. Na và Cl. Vi sinh vật đòi hỏi lượng Na và Cl không nhỏ, nhưng người ta biết rất ít về vai trò sinh lý của chúng.Với các vi sinh vật khác nhau đòi hỏi hàm lượng Na và Cl khác nhau. Nhóm ưa mặn ít cần : 2-5 % khối lượng muối NaCl. Nhóm ưa mặn vừa : 5-20 % khối lượng muối NaCl. Nhóm ưa mặn cao : 20-30 % k._.