một số vi sinh vật phân huỷ protein và ứng dụng trong xử lý nước thải thủy sản

Nguồn nước thải, thải ra từ việc nuôi trồng và chế biến gây ô nhiễm môi trường rất lớn: chủ yếu là các chất hữu cơ có nguồn gốc từ động vật thuỷ sản, mà trong đó protein chiếm tỉ lệ khá

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam là một quốc gia có diện tích ao,hồ, sông ngòi lớn Theo thống kê của Bộ Thuỷ sản (số liệu của Ban chỉ đạo chương trình Nuôi trồng thuỷ sản (NTTS),

Bộ Thuỷ sản 2008): tổng diện tích mặt nước sử dụng cho NTTS đến năm 2008 của

cả nước là 751.900 ha (tăng hơn năm 2000 là 192.501 ha) Trong vài năm gần đây, nhận thấy tầm quan trọng của nghề NTTS, Chính phủ và Bộ Thuỷ sản đã dành sự quan tâm mạnh mẽ cho phát triển bền vững trong NTTS Một trong những quan tâm

đó là tăng cường nguồn kinh phí cho nghiên cứu, phát triển và nâng cấp cơ sở hạ tầng của toàn bộ ngành nuôi trồng và chế biến thủy sản Chính vì thế ngành khai thác

và nuôi trồng thủy sản ở nước ta đã có những bước tiến vượt bậc Ngành thủy sản cùng với ngành dệt may và dầu khí có tốc độ tăng trưởng cao nhất và có đóng góp quan trọng vào tổng kim ngạch xuất khẩu của nước ta, góp phần giải quyết công căn việc làm cho hàng triệu lao động

cũng gây ra hiệu quả nghiêm trọng đó là vấn đề môi trường Việc khai thác quá mức nguồn lợi thủy sản, tăng diện tích nuôi trồng thủy sản, thiếu quy hoạch, sử dụng bừa bãi thuốc, hóa chất, chế phẩm sinh học làm cho môi trường ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng Việc đổ nước và chất thải chưa qua xử lý ra môi trường (suối,sông, hồ, biển…) cũng đã góp phần không nhỏ vào việc làm biến đổi môi trường theo chiều hướng xấu Nguồn nước thải, thải ra từ việc nuôi trồng và chế biến gây ô nhiễm môi trường rất lớn: chủ yếu là các chất hữu cơ có nguồn gốc từ động vật thuỷ sản, mà trong đó protein chiếm tỉ lệ khá cao Thường nguồn nước thải có mức độ ô nhiễm rất cao gấp 5 – 10 lần tiêu chuẩn cho phép, nếu không giải quyết triệt để thì đây là mối

đe doạ cho môi trường sống của chúng ta

Vì vậy, việc tìm ra giải pháp xử lý ô nhiễm môi trường, xử lý nước thải ngành thủy sản đang là một vấn đề mang tính thời sự cấp bách

Để thấy được tình hình nghành thủy sản ở nước ta, vấn đề ô nhiễm môi trường

do nuôi trồng và chế biến thủy sản gây ra, cần phải làm rõ những đặc điểm và tính chất của nước thải thủy sản Trong nước thải thủy sản protein là thành phần chủ yếu,

do vậy cần phải tìm hiểu đặc điểm của protein, cơ chế phân hủy protein, các enzyme tham gia vào quá trình phân hủy protein và hệ vi sinh vật phân hủy protein Từ đó có thể rút ra được nhũng phương pháp xử lý phù hợp và ứng dụng trong thực tiễn xử lý nước thải thủy sản ở nước ta Chúng tôi đã tiến hành đề tài nghiên cứu “ Vi sinh vật phân giải protein và ứng dụng trong xử lý nước thải thủy sản Trong nghiên cứu này, chúng tôi tìm hiểu phương pháp lý sinh học Phương pháp này có ưu điểm là không gây hại cho động vật thủy sinh, hiệu quả xử lý cao, giá thành rẻ, phù hợp khi ứng dụng vào xử lý nước thải nghành nuôi trồng và chế biến thủy sản

Hi vọng trong tương lai,khi khắc phục được vấn đề ô nhiễm môi trường do nuôi trồng và chế biến thủy sản gây ra Nghành thủy sản nước ta sẽ phát triển mạnh

mẽ góp phần vào công cuộc đổi mới và phát triển đất nước theo xu hướng phát triển bền vững

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGÀNH KHAI THÁC, NUÔI TRỒNG VÀ CHẾ BIẾN

THUỶ SẢN Ở VIỆT NAM

1.1 Hiện trạng khai thác, nuôi trồng thủy sản ở nước ta

Hiện nay, xuất khẩu thủy sản đang là một trong những mặt hàng mũi nhọn, đóng góp vào sự tăng trưởng chung của nền kinh tế Mặc dù, còn gặp nhiều khó khăn, nhưng ngành thủy sản nước ta sẽ phấn đấu hướng tới mục tiêu đạt tổng sản phẩm 4,8 triệu tấn thủy sản, trong đó khai thác hải sản đạt 2,2 triệu tấn, nuôi trồng thủy sản đạt 2,6 triệu tấn Theo ước tính, xuất khẩu thủy sản năm 2010 sẽ đạt khoảng 4,5 tỉ USD, tăng khoảng 7,1% so với năm 2009

Ngành thuỷ sản Việt Nam ngày càng khẳng định vị trí quan trọng trong nghề

cá thế giới Nếu như năm 2008 tổng sản lượng thuỷ sản đạt 4,6 triệu tấn, giá trị kim ngạch xuất khẩu đạt trên 4,5 tỷ USD thì năm 2009 mặc dù chịu tác động nhiều của cuộc khủng hoảng và suy thoái kinh tế toàn cầu nhưng tổng sản lượng thuỷ sản vẫn ước đạt 4,85 triệu tấn, tăng 5,3% so với năm 2008, giá trị kim ngạch xuất khẩu đạt trên 4,2 tỷ USD Việt Nam đã vươn lên đứng vị trí thứ 5 về xuất khẩu thuỷ sản trên thế giới, đứng thứ 3 về sản lượng nuôi trồng thuỷ sản (NTTS), và đứng thứ 13 về sản lượng khai thác thuỷ sản (KTTS)

Nếu năm 1995 thuỷ sản Việt Nam chiếm 2,9% GDP toàn quốc và 12% GDP toàn ngành nông, lâm nghiệp thì đến năm 2008 vươn lên chiếm 4% GDP toàn quốc

và 21,79% GDP toàn ngành nông, lâm nghiệp Như chúng ta biết ngành thuỷ sản chỉ chiếm tỷ trọng rất nhỏ trong cơ cấu kinh tế quốc dân nhưng ngành thuỷ sản lại có tốc

độ tăng trưởng vượt bậc so với các ngành kinh tế khác, trung bình giai đoạn

1995-2008 ngành thuỷ sản tăng trưởng bình quân 13,62%/năm, cao ngấp 1,2 lần so với mức tăng trưởng kinh tế toàn quốc và cao ngấp 1,4 lần so với mức tăng trưởng của ngành nông, lâm nghiệp (giai đoạn 2000-2008 GDP toàn quốc tăng bình quân 11,6%/năm, nông, lâm nghiệp tăng 9,7%/năm)

Bảng 1.1 Hiện trạng GDP thuỷ sản giai đoạn 1995-2008 (giá thực tế)

Tổng sản lượng khai thác thủy sản trong 10 năm gần đây tăng liên tục với tốc

độ bình quân khoảng 9%/năm Riêng giai đoạn 1998 – 2008 tăng bình quân 10%/năm Năm 2008 sản lượng khai thác đạt 1.395.783 tấn, đến năm 2009 tổng sản lượng khai thác đạt 1.434.800 tấn, tăng 2,8% so với năm 2008

Trong giai đoạn 1998 – 2008 số lượng tàu thuyền máy tăng nhanh, ngược lại tàu thủ công giảm dần Năm 2008, toàn Ngành có 78.978 tàu thuyền với tổng công suất 3.722.577 CV, trong đó số tàu khai thác hải sản xa bờ là 6.005 chiếc với tổng công suất trên 1.000.000 CV, bình quân 166,5 CV/tàu, tăng 109 chiếc so với năm

2007 Đến năm 2009, toàn Ngành có 81.000 tàu thuyền máy với tổng công suất 4.038.365 CV, bình quân 49 CV/tàu, trong đó có 6.075 tàu có công suất 90 CV trở lên, tăng 75 tàu so với năm 2008

Điều đó cho thấy hiệu quả quản lý của nhà nước về hạn chế đóng mới các loại tàu thuyền nhỏ đã phát huy tác dụng Sự chuyển đổi cơ cấu từ khai thác gần bờ sang khai thác xa bờ đã và đang diễn ra mạnh mẽ Tuy nhiên việc đầu tư cho khai thác thủy sản xa bờ chưa đồng bộ, mới chỉ chú trọng đến khâu đóng tàu, còn khâu khác như: dự báo nguồn lợi, hậu cần dịch vụ, tiêu thụ, chế biến, đào tạo nhân lực, tránh trú bão gió chưa được chú ý đúng mức Nhiều địa phương chỉ có tập quán khai thác gần

bờ với những loại nghề truyền thống, ngư dân chưa có kinh nghiệm và kỹ thuật khai

thác xa bờ Tình trạng thiếu thuyền trưởng và thủy thủ khai thác ở nhiều nơi diễn ra trầm trọng, nhất là ở các tỉnh Bắc Bộ và Nam Bộ

1.1.2 Tình hình nuôi trồng thủy sản và tác động của nó tới môi

trường

1.1.2.1 Tình hình nuôi trồng thủy sản

Ở Việt Nam trong thập niên 90 cũng như ba năm đầu thế kỷ 21, sản lượng thủy sản nuôi trồng có tốc độ tăng trưởng rất cao, vượt xa tốc độ tăng trưởng của khai thác (Hình 1) Trong thập niên cuối của thế kỷ trước, Việt Nam đã trở thành một trong 10 nước có sản lượng cá nuôi lớn nhất thế giới, sau Trung Quốc, Ấn Độ, Inđônêxia, Nhật Bản, Thái Lan, Băng la đét

1.1.2.2 Tác động của nó tới môi trường

Một số vấn đề môi trường nảy sinh trong hoạt động nuôi trồng thủy sản ở nước ta:

- Do thiếu quy hoạch, NTTS ven biển phát triển khá tự phát và ồ ạt, quy mô và phương thức nuôi cũng rất đa dạng, chủ yếu vẫn là quảng canh, tăng cường mở rộng diện tích Cho nên đã phá hủy phần lớn các nơi cư trú của các loài ở vùng ven biển, thu hẹp không gian vùng ven biển và đẩy môi trường vào tình trạng khắc nghiệt hơn

về mặt sinh thái, tăng rủi ro bệnh dịch cho vật nuôi do thiếu các yếu tố có vai trò điều hòa và điều chỉnh môi trường

- Nuôi trồng thủy sản ven biển tăng nhanh dẫn đến nguồn giống tự nhiên của một

số loài cá giống kinh tế cư trú ở các rạn san hô bị đối tượng nuôi lồng bè khai thác cạn kiệt Điều này làm ảnh hưởng đến chức năng duy trì nguồn lợi tự nhiên của các

hệ sinh thái đặc hữu và ảnh hưởng tới khả năng khai thác hải sản tự nhiên của vùng biển

- Việc thiết kế, xây dựng đầm ao NTTS ở vùng cửa sông ven biển dẫn đến những thay đổi về nơi sinh sống của quần xã sinh vật, độ muối, lắng đọng trầm tích và sói

lở bờ biển Một số hoạt động của nghề NTTS không dựa trên các căn cứ khoa học đã

tác động xấu đến nguồn giống thiên nhiên (cá, tôm hùm, cua), làm giảm sức sản xuất

tự nhiên và mất tính đa dạng sinh học

- Tại một số khu vực nuôi tôm, cá tập trung (trong đó có nuôi trên cát), do việc xả thải các chất hữu cơ phú dưỡng, chất độc vi sinh vật (cả mầm bệnh) và các chất sinh hoạt bừa bãi làm cho môi trường suy thoái, bùng nổ dịch bệnh (bệnh tôm năm 1993 – 1994) và gây thiệt hại đáng kể về kinh tế cũng như về điều kiện môi trường sinh thái

- Lạm dụng nước ngầm để nuôi tôm trên cát, không tuân thủ luật tài nguyên nước đang là hiện tượng khá phổ biến ở vùng cát ven biển miền Trung Hậu quả lâu dài sẽ làm cạn kiệt nguồn nước ngọt và nước ngầm, ô nhiễm biển và nước ngầm, gây mặn hóa đất và nước ngầm, thu hẹp diện tích rừng phòng hộ, làm tăng hoạt động cát bay

và bão cát

SL( Tấn ) SẢN LƯỢNG THỦY SẢN

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

1998 2000 2002 2004 2006 2008 Năm

Hình 1 Sản lượng cá nuôi và khai thác của Việt Nam trong 10 năm qua

(Trích: [3] Bộ Thủy Sản Tuyển tập báo cáo Khoa học về nuôi trồng thủy sản, 2008)

Hoạt động nuôi trồng thủy sản ở nước ta thực sự khởi sắc từ năm 1990 và đến năm 2000 – 2002 thì bùng phát cả về diện tích lẫn đối tượng nuôi Việc mở rộng diện tích nuôi trồng thủy sản được tiến hành chủ yếu trên các vùng đất ngập nước ven biển, trong các thủy vực nước mặn ven bờ, trên các vùng cát trũng thấp ven biển miền Trung và một phần diện tích từ canh tác nông nghiệp kém hiệu quả đã được chuyển sang nuôi trồng thủy sản Diện tích nuôi trồng thủy sản năm 2001 là 993.264

ha trong đó diện tích nuôi nước ngọt là 408.700 ha, diện tích nuôi mặn, lợ là 584.500 ha; Năm 2002 là 955.000 ha trong đó diện tích nuôi nước ngọt là 425.000 ha, diện tích nuôi măn, lợ là 530.000 ha Do thay đổi cơ cấu và đối tượng nuôi trồng thủy sản

đã dẫn đến tăng nhanh sản lượng nuôi trồng thủy sản và đóng góp phần đáng kể cho ngành chế biến hải sản xuất khẩu Sản lượng thủy sản năm 2008 đạt 891.695 tấn, năm 2009 đạt 976.100 tấn, tăng 9,47% so với năm 2008

Bảng 1.2 Các mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội chủ yếu của ngành thủy sản

2 Giá trị xuất khẩu tỷ USD 1,76 3,0 4,5

(Trích [1] Bộ Thủy Sản Cơ sở khoa học hình thành hệ thống quan trắc Môi trường

để cảnh báo Môi trường và dự báo của các thủy vực nước lợ, ngọt miền Bắc Việt Nam.)

Xu hướng nuôi đang chuyển từ phương thức nuôi quảng canh sang nuôi bán thâm canh Nhiều vùng nuôi tập trung theo kiểu thâm canh công nghiệp và sản xuất hang hóa lớn đã hình thành Hình thức và đối tượng nuôi cũng khá phong phú, nhưng

ở vùng nước lợ chủ yếu là tôm và một số loài nhuyễn thể có giá trị xuất khẩu Sản phẩm nuôi mặn, lợ đã mang lại giá trị xuất khẩu rất cao cho nền kinh tế quốc dân và thu nhập đáng kể cho người lao động Hình thức nuôi lồng bè trên biển cũng đang là hướng mở mới cho ngành Thủy sản, với các loài tôm hùm, cá giò cá mú, cá tráp, trai ngọc…

Đối với nuôi thủy sản nước ngọt, hình thức nuôi lồng bè và kết hợp với khai thác cá trên sông đang ngày càng phổ biến Hình thức này đã tận dụng được diện tích

mặt nước, tạo được việc làm và tăng thu nhập Ở các tỉnh phía Bắc và miền Trung đối tượng nuôi lồng chủ yếu là trắm cỏ với quy mô lồng nuôi khoảng 12 – 24 m2, năng suất 450 – 600 kg/lồng Ở các tỉnh phía Nam đối tượng nuôi chủ yếu là cá basa,

cá lóc, cá bống tượng và cá he Nuôi các đối tượng loài đặc sản có giá trị kinh tế cao như: ba ba, tôm càng xanh, cá sấu, lươn, ếch…đang được mở rộng và làm tăng giá trị kinh tế của các mô hình nuôi nước ngọt

Bảng 1.3 Chỉ tiêu kế hoạch giai đoạn từ 2006 – 2010 của ngành thuỷ sản

Tốc độ tăng bình quân 5 năm (%)

200 2.000

103,1 102,9 105,3 147,1

0,62 0,57 1,05 9,41

B Giá trị kim

ngạch XK

1.000.000

( Trích:[1] Bộ Thủy Sản Cơ sở khoa học hình thành hệ thống quan trắc Môi trường

để cảnh báo Môi trường và dự báo của các thủy vực nước lợ, ngọt miền Bắc Việt

Nam)

1.2 Tình hình chế biến thủy sản

Theo thống kê chưa đầy đủ hiện nay nước ta có hơn 300 cơ sở chế biến thuỷ

sản, và khoảng 220 nhà máy chuyên sản xuất các sản phẩm đông lạnh phục vụ xuất khẩu có tổng công suất 200 tấn/ngày

1.3 Tình hình x ử lý nước thải của các xí nghiệp, nhà máy, công

ty

Đặc thù của nước thải trong các xí nghiệp chế biến thuỷ sản có thành phần gây

ô nhiễm cao, phải được xử lý triệt để trước khi thải ra môi trường Nhưng do phần lớn các xí nghiệp được xây dựng trước khi luật môi trường ra đời, điều kiện tài chính hạn hẹp, công nghệ và thiết bị xử lý đắt tiền, mặt khác do công tác tư vấn, quản lý môi trường chưa làm tốt, chưa nghiêm nên hiện tại chỉ có hơn 50 cơ sở chế biến thuỷ sản, trong tổng số hơn 200 cơ sở có hệ thống xử lý nước thải Trong đó chỉ có khoảng 20 cơ sở có hệ thống xử lý nước thải có thể đạt tiêu yêu cầu bảo vệ môi

1.4 Hi ện trạng và vấn đề đặt ra đối với môi trường

ngành công nghiệp khác nhưng so với thế giới vẫn bị coi là quá chậm Đó là một trong những nguyên nhân tạo ra những tác động xấu cho môi trường Xuất phát từ tính bất hợp lý trong không gian Vấn đề phát triển các cơ sở chế biến thuỷ sản không theo quy định hoặc có nhưng lại thiếu yếu tố môi trường là một hiện tượng phổ biến trong ngành - những thiếu sót này vừa làm chậm quá trình phát triển của ngành vừa làm hao tốn nhân lực Có tới 50% số nhà máy khi xây dựng không có yếu tố môi trường, bố trí đặt không đúng vị trí nên phải di dời hoặc không hoạt động được,

Lượng chất thải lỏng trong chế biến thuỷ sản được coi là quan trọng nhất, các nhà máy chế biến đông lạnh thường có lượng chất thải lớn hơn so với các cơ sở chế biến hàng khô, nước mắm, đồ hộp, bình quân khoảng 50.000 m3/ngày Mức ô nhiễm của nước thải từ các nhà máy chế biến tuỳ thuộc vào loại mặt hàng chủ yếu

mà nhà máy đó sản xuất Một số rất ít chất thải từ chế biến surimi có các chỉ số BOD5 lên tới 3.120mg/l, COD tới 4.890mg/l nước thải từ chế biến Agar có chứa các hoá chất như NaOH, H2SO4, Javel, Borate nhưng liều lượng không cao và tải lượng cũng không nhiều, tuy nhiên nếu loại nước thải này không được pha đủ loãng mà trực tiếp thải ra môi trường có thể gây hại cho môi trường

Nước thải từ các nhà máy chế biến thuỷ sản có các chỉ số ô nhiễm cao hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn nước thải công nghiệp loại B dùng cho nuôi trồng thuỷ hải sản (Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 5945-1995) như BOD5 vượt từ 10 –30 lần, COD

từ 9-19 lần Nitơ tổng số từ sấp sỉ bằng tiêu chuẩn đến cao hơn 9 lần Tuy nhiên cũng phải nói là mức ô nhiễm dù có ở mức cao nhất trong các công đoạn chế biến thuỷ sản cũng vẫn chỉ ở mức ô nhiễm trung bình so với các loại nước thải từ các ngành công nghiệp khác như dệt, nhuộm da dày Mức ô nhiễm của nước thải chế biến thuỷ sản

về mặt vi sinh hiện vẫn chưa có số liệu thống kê, nhưng có thể khẳng định là chỉ số

vi sinh vật như coliform sẽ vượt qua tiêu chuẩn cho phép bởi vì các chất thải từ chế biến thuỷ sản phần lớn có hàm lượng protein, lipid cao là môi trường tốt cho vi sinh vật phát triển đặc biệt là trong điều kiện nóng ẩm như ở Việt Nam

1.4.2 V ấn đề đặt ra

Tải lượng ô nhiễm do các xí nghiệp chế biến thuỷ sản gây ra là rất lớn nếu không được xử lý nó sẽ là một yếu tố “tích cực” làm tăng mức độ ô nhiễm môi trường trên sông rạch và xung quanh khu chế biến Ô nhiễm nước thải chế biến thuỷ sản nhiều khi chưa nhận ra ngay do lúc đầu kênh rạch còn khả năng pha lỏng và tự làm sạch nước với lượng thải tích tụ ngày càng nhiều thì dần dần chúng làm xấu đi nguồn nước mặt sông, rạch, ao, hồ…mất khả năng tự làm sạch và ảnh hưởng xấu đến đời sống khu dân cư xung quanh

Ngoài ra nước thải của ngành chế biến còn khả năng lan truyền dịch bệnh từ xác thuỷ sản bị chết, thối rữa , và điều đáng quan tâm nữa là gây ảnh hưởng trực tiếp đến người lao động, đến môi trường nuôi trồng thuỷ sản, đến sự phát triển bền vững của ngành nuôi trồng thủy sản

Hình 1.2 Hiện trạng ô nhiễm do nước thải thủy sản chưa qua xử lý

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI

THỦY SẢN

2.1 Tổng quan về nước thải thủy sản

2.1.1.Các chỉ số sinh học trong nước thải nghành thủy sản

2.1.1.1 Màu

Nuớc có thể có màu , đặc biệt là nuớc thải thuờng có màu đen nâu hoặc đỏ nâu Màu trong nuớc thải thuỷ sản do:

• Các chất hữu cơ phân rã tạo thành

• Một số chất ở dạng keo và dạng hoà tan

Nuớc có hai loại màu: màu thực và màu biểu kiến Màu thực tạo ra do các chất hoà tan hoặc ở dạng hạt keo Màu biểu kiến là do các chất lơ lửng tạo ra trong nuớc tạo ra.Trong thực tế nguời ta chỉ xác định màu thực của nuớc, nghĩa là sau khi lọc bỏ các chất không tan

2.1.1.2 Mùi

Mùi trong nuớc thải thuỷ sản do các chất hữu cơ như:protein,lipid,…của

2.1.1.3 Các chất rắn

sản do quá trình chế biến tạo ra như: xuơng cá ,vẩy , đầu tôm cá…các chất này gây cản trở cho quá trình xử lý,vì vậy cần tách lắng chúng truớc khi đưa vào các hệ thống

xử lý sinh học

2.1.1.4 Các vi sinh vật

Trong nuớc thải thuỷ sản có rất nhiều loại vi sinh vật , các vi sinh vật này có sẵn trong ruột của các nguyên liệu chế biến trong đó có thể có nhiều loại vi khuẩn

gây bệnh , đặc biệt là các bệnh về đuờng tiêu hoá như:tả, lỵ, thuơng hàn,các vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm.Vi khuẩn đuờng ruột gồm có 2 nhóm:

Nhóm coliform đặc trưng là Escherichia coli(E.coli)

Nhóm Streptococcus đặc trưng là Streptococcus faecalis

Nhóm Clostridium dặc trưng là Clostridium perfringens

2.1.1.5 Chỉ số BOD (Biochemical Oxygen Demand)

BOD là lượng oxy(thể hiện bằng gam hoặc miligam oxy theo đơn vị thể tích)

do vi sinh vật tiêu thụ để oxy hoá sinh học các chất hữu cơ có trong nuớc bằng vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn hoại sinh hiếu khí Quá trình này đuợc gọi là quá trình oxy hoá sinh học trong tối ở điều kiện tiêu chuẩn về nhiệt độ và thời gian Như vậy BOD phản ánh đuợc luợng các chất hữu cơ dễ bị phân huỷ trong mẫu nuớc Quá trình này đuợc tóm tắt như sau:

Chất hữu cơ + O2 -> CO2+H20

Vi sinh vật -> Tế bào mới

Thông số BOD có tầm quan trọng trong thực tế vì đó là cơ sở để thiết kế và vận hành

hệ thống xử lý nước thải , BOD còn là thông số cơ bản để đánh giá mức độ ô nhiễm của nguồn nuớc Giá trị BOD càng lớn nghĩa là mức độ ô nhiễm hữu cơ càng cao.Vì mức độ BOD phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian ổn định nên việc xác định BOD cần tiến hành ở điều kiện tiêu chuẩn

Vì vậy việc xác định thông số BOD được dung rộng rãi trong kỹ thuật môi trường để:

• Tính gần đúng lượng oxy cần thiết để oxy hoá các chất hữu cơ dễ phân huỷ

có trong nuơc thải

• Làm cơ sở tính toán kích thước các công trình xử lý

• Đánh giá chất lượng nuớc thải sau khi xử lý được phép thải vào các nguồn nuớc Trong thực tế, người ta không thể xác định luợng oxy cần thiết để phân huỷ hoàn toàn chất hữu cơ bằng phương pháp sinh học, mà chỉ xác

trong tối(để tránh hiện tượng quang hợpở trong nước) chỉ số này được gọi

là BOD Chỉ số này được sử dụng hầu hết các nước trên thế giới

2.1.1.6 Chỉ số COD (Chemical Oxygen Demand)

Chỉ số này được sử dụng rộng rãi để đặc trưng cho hàm lượmg chất hữu cơ của nước thải và sự ô nhiễm của nước tự nhiên COD là chất ôxy hoá học(thể hiện bằng gam hoặc miligam Oxy theo đơn vị thể tích cần để oxy hoá hoàn toàn các chất

Để xác định COD người ta thường sử dụng một chất oxy hoá mạnh trong môi

Do đó tỷ số COD/BOD luôn luôn lớn hơn 1

2.1.1.7 Chỉ số oxy hoà tan DO (Dissolved Oxygen )

Oxy hoà tan trong nước rất cần thiết cho vi sinh vật hiếu khí Bình thường oxy hoà tan trong nước khoảng 8 – 10 mg/l,chiếm 70 – 80% khi oxy bão hoà, mức oxy hoà tan trong tự nhiên và trong nước thải phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm chất hữu

cơ, vào hoạt động của động vật thủy sinh,các hoạt động hoá sinh,hoá học vật lý của nước Trong môi trường nước bị ô nhiễm nặng,oxy được dùng nhiều cho các quá trình hoá sinh và xuất hiện hiện tượng thiếu oxy trầm trọng

2.1.1.8 Chỉ số pH

này cho thấy cần thiết phải trung hoà hay không và tính lượng hoá chất cần thiết trong quá trình xử lý đông keo tụ , khử khuẩn Sự thay đổi chỉ số pH làm thay đổi

trong nước Vì vậy giá trị pH ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo men trong tế bào và quá trình hấp thụ chất dinh dưỡng vào tế bào đối với đa số vi sinh vật khoảng giá trị

pH tối ưu là 6.5 – 8.5

2.1.1.9 Chỉ số SS.(Suspended Soilid )

Biểu diễn hàm lượng chất rắn lơ lửng trong một đơn vị thể tích nước phân tích

2.1.1.10 Nhiệt độ nước thải

Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinh vật

Ngoài ra trong nước thải thủy sản còn chứ nhiều hợp chất của nitro, sunphate và phosphate …

2.2 Tác hại của các chất ô nhiễm trong nước thải tới môi trường

2.2.1 Tác hại của các chất hữu cơ (chủ yếu là thành phần protein)

Lượng chất hữu cơ trong nước quá cao sẽ dẫn đến suy giảm nồng độ oxy hoà tan trong nước, do vi sinh vật sử dụng oxy hoà tan để phân huỷ các chất hữu cơ Nồng độ oxy hoà tan dưới 50% nồng độ oxy bão hoà có khả năng gây ảnh hưởng tới

sự phát triển của tôm cá

Oxy hoà tan giảm không chỉ gây tác hại nghiêm trọng đến tài nguyên thủy sinh mà còn làm giảm khả năng tự làm sạch của nước

2.2.2 Tác hại của các chất lơ lửng

Các chất rắn lơ lửng làm hạn chế độ sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống, gây ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của rong,rêu,tảo… do đó cũng là tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực đến tài nguyên thuỷ sinh

Các chất lơ lửng cũng là tác nhân gây tắc cống, làm tăng độ đục các nguồn nước, bồi lắng lòng kênh, ảnh hưởng tiêu cực đến tài nguyên thủy sinh, đồng thời gây tác hại về mặt cảm quan

2.2.3 Tác hại của dầu mỡ

Dầu mỡ khi xả vào nguồn nước sẽ loang trên mặt nước tạo thành màng dầu gây cạn kiệt oxy của nước,một phần nhỏ hoà tan trong nước hoặc tồn tại ở dạng nhũ tương Cặn chứa dầu khi lắng xuống sẽ tích tụ trong bùn đáy

Ô nhiễm dầu mỡ dẫn đến mất khả năng tự làm sạch của các nguồn nước do giết chết các vi sinh vật phiêu sinh, sinh vật đáy tham gia vào quá trình tự làm sạch

Ngoài ra , dầu trong nước còn có tác động tiêu cực đến đời sống thủy sinh và ảnh hưởng đến mục đích cấp nước sinh hoạt,nuôi trồng thủy sản

Bảng 2.1 Thành phần các chất trong nước thải của nhà máy chế biến thủy sản

(Trích: [4] Hoàng Huệ Xử lý nước thải NXBXD, 1996)

2.3 Khả năng gây ô nhiễm và sự cần thiết xử lý nước thải

nghành nuôi trồng và chế biến thủy sản

2.3.1 Khả năng gây ô nhiễm nước thải nghành nuôi trồng thủy sản

- Hiện nay, môi trường đô thị bị ô nhiễm do các chất thải rắn, lỏng, khí, chưa được thu gom và xử lý kịp thời Mặt do khác tỷ lệ dân số tăng nhanh, các khu công nghiệp, chế biến dịch vụ cũng đang phát triển mạnh Hiện nay, khoảng 90% cơ sở sản xuất chưa xử lý nước thải của mình mặc dù đã có luật môi trường Môi trường nông thôn đã bị suy thoái và đang bị ô nhiễm do các điều kiện vệ sinh, sử dụng quá nhiều thuốc trừ sâu, cơ sở hạ tầng yếu kém, hoá chất đã theo hệ thống kênh mương thuỷ lợi thoát ra các sông và có thể theo dòng chảy tới vùng khác, gây nguy hại cho

môi trường thuỷ sản Sự bón phân mất cân đối, sử dụng chất thải, phân tươi mất vệ sinh gây ô nhiễm môi trường nước và lây lan dịch bệnh cho ngưòi và vật nuôi, kể cả thuỷ sinh vật Hoạt động giao thông và du lịch cũng là những vấn đề ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường ven biển trong đó chủ yếu nguồn phế thải sinh hoạt và dư lượng dầu, tập trung vào mùa hè trùng với mùa nuôi trồng thuỷ sản nước lợ, nước mặn

- Nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp xả trực tiếp vào kênh mương,

ao sông hồ Nước sông, ao,hồ là nguồn nước cung cấp cho nuôi trồng thủy sản và nơi sinh sống của các thuỷ sinh vật Kết quả điều tra nghiên cứu những năm gần đây của Viện nghiên cứu nuôi trồng thuỷ sản 1 cho thấy hàm lượng BOD, COD, NO2 trong nước của những thuỷ vực đều cao hơn tiêu chuẩn cho phép đối với đời sống thuỷ sinh vật Năm 2001 hàm lượng của một số kim loại nặng trong các nguồn nước cung cấp cho NTTS ở Hải Phòng, Quảng Ninh, Nghệ An (báo cáo kết quả nhiệm vụ quan trắc cảnh báo môi trường dịch bệnh của các thuỷ vực ngọt, lợ phục vụ ngành thuỷ sản phía Bắc Việt Nam) đều cao hơn so với TCVN6774 – 2000

- Hiện nay, có rất nhiều loại sản phẩm thuốc, hoá chất và chế phẩm sinh học (CPSH) được dùng rộng rãi trong nuôi trồng thuỷ sản trên thế giới Hoá chất được dùng trong NTTS trên thế giới thường ở các dạng sau: thuốc diệt nấm (antifoulants), thuốc khử trùng (disinfectants), thuốc diệt tảo (algicides), thuốc trừ cỏ (herbicides), thuốc trừ sâu (pesticides), thuốc diệt ký sinh trùng (parasiticides) và thuốc diệt khuẩn (antibacterials) và chất kháng sinh

Các chế phẩm này được sử dụng đáng kể trong NTTS hoặc để chữa các bệnh lây nhiễm hoặc phòng bệnh đã nêu trên

Những hoá chất trên có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sức khoẻ động vật thuỷ sản nếu như sử dụng đúng, nhưng khi lạm dụng dẫn đến những hậu quả khôn lường, gây rủi do cho người lao động, tồn dư các chất độc trong sản phẩm thuỷ sản gây hại cho người tiêu dùng, làm giảm giá trị thương phẩm và còn tạo các chủng

vi khuẩn kháng thuốc làm giảm hiệu quả trong điều trị bệnh

-Thành phần lớp bùn trong các đầm, ao NTTS chủ yếu là các chất hữu cơ như protein, lipid, acid béo với công thức chung CH3(CH2)nCOOH , phospholipid, sterol- vitamin D3, các hormone, carbohydrate, chất khoáng và vitamin, vỏ tôm lột

xác, Lớp bùn này luôn ở trong tình trạng ngập nước, yếm khí, các vi sinh vật yếm khí phát triển mạnh, phân huỷ các hợp chất trên tạo thành các sản phẩm là hydrosulphur (H2S), ammonium (NH3), khí methane (CH4), rất có hại cho thuỷ sinh vật, ví dụ nồng độ 1,3ppm của H2S có thể gây sốc, tê liệt và thậm chí gây chết tôm Khí ammonium (NH3) cũng được sinh ra từ quá trình phân huỷ yếm khí thức ăn tồn dư gây độc trực tiếp cho tôm, làm ảnh hưởng đến độ pH của nước và kìm hãm sự phát triển của thực vật phù du (Hassanai Kongkeo,1990) [12]

Tóm lại, các chất ô nhiễm chủ yếu trong nước thải NTTS bao gồm:

¾ Carbon hữu cơ (gồm thức ăn, phân bón, chế phẩm sinh học )

¾ Nitrogen được phân huỷ từ các protein

¾ Phosphore phân huỷ từ các protein

Nồng độ các chất ô nhiễm trên được biểu thị bởi một số chỉ tiêu chung như chỉ tiêu nhu cầu ôxy hoá sinh - BOD (Biochemical Oxygen Demand), tổng Nitơ và tổng Phosphore

2.3.2 Khả năng gây ô nhiễm chế biến thủy sản

Nước thải các cơ sở chế biến thủy sản chứa các thành phần chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng với hàm lượng cao, nếu thải ra môi trường sẽ tạo điều kiện cho các

vi sinh vật phát triển mạnh, gây ô nhiễm môi trường nặng nề

Nước thải của một xí nghiệp chế biến thủy sản bao gồm: Nước thải sản xuất, nước thải vệ sinh công nghiệp và nước thải sinh hoạt

- Nước thải sản xuất: Đây là nước thải rửa thuỷ sản, theo các số liệu thống

kê từ đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ KT02 thì lưu lượng nước thải từ

nghiệp chế biến thủy sản loại trung bình ( khoảng 200 – 300 công nhân)

Cả 3 loại nước thải trên có tính chất gần tương tự nhau,trong đó nước thải sản xuất có mức độ ô nhiễm cao hơn cả Tuỳ theo đặc tính của nguyên liệu sử dụng mà nuớc thải có tính chất hơi khác nhau 1 chút Nước thải của nghành chế biến thủy sản thừơng có:

• Hàm lượng COD dao động trong khoảng 600 – 1000mg/l

• Hàm lượng BOD cũng khá lớn từ 480 – 600mg/l

• Trong nước thường có các mảnh vụn của thuỷ sản nhưng các vụn này dễ lắng

• Lượng nitơ thường rất cao chứng tỏ mức độ ô nhiễm hữu cơ khá cao 50 – 100mg/l

• Ngoài ra trong nước thải của nghành chế biến thủy sản có chứa các thành phần hữu cơ khi bị phân hủy tạo ra các sản phẩm có chứa indol và các sản phẩm trung gian của sự phân hủy các acid béo không bão hoà tạo ra mùi rất khó chịu và đặc trưng, làm ô nhiễm về mặt cảm quan và ảnh hưởng đến sức khoẻ cho người công nhân trực tiếp làm việc

Nói chung nước thải của nghành chế biến thủy sản có các chỉ tiêu vượt quá nhiều lần so với quy định cho phép xả vào nguồn tiếp nhận do nhà nước quy định(từ

5 – 10 lần về chỉ tiêu BOD,COD,gấp 7- 15 lần về chỉ tiêu nitơ hữu cơ Ngoài ra chỉ

số về lưu lượng nước thải trên một đơn vị sản phẩm của nhà máy loại này cũng rất

nghành chế biến thủy sản gây ra rất lớn

sản nếu không được xử lý triệt để sẽ góp phần làm gia tăng mức độ ô nhiễm của môi trường trên các sông, kênh rạch khu dân cư ở các khu vực Các chất ô nhiễm do nước thải của các xí nghiệp nghành chế biến thủy sản là nguồn ô nhiễm nghiêm trọng đang từng ngày góp phần làm xấu đi trầm trọng chất lượng nguồn nước mặt tại đô thị và các khu dân cư Ngoài ra nước thải của nghành chế biến thủy sản còn có khả năng lan truyền bệnh dịch từ các xác thủy sản bị chết, thối rữa… và khi nguồn nước bị ô nhiễm sẽ tác động lên con người và động vật sử dụng nguồn nước này

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ PROTEIN

TRONG NƯỚC THẢI THỦY SẢN

3.1 Cấu tạo, tính chất và vai trò của protein

3.1.1 Cấu tạo

Protein là chất có phân tử lượng cao,cấu tạo bởi các nguyên tố chính là C, H,

O, N Ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng S, P, Fe.Sau đây là thành phần cấu tạo protein:

Protein Bậc Protein Bậc II Protein Bậc Protein Bậc IV

Hình 3.1 Các bậc cấu trúc của protein

3.1.1.1 Cấu trúc bậc I của protein

Cấu trúc bậc I biểu thị trình tự các gốc amino acid trong chuỗi polypeptide, cấu trúc này được giữ vững bằng liên kết peptide (liên kết cộng hóa trị)

3.1.1.2 Cấu trúc bậc II của protein

Biểu thị sự xoắn của chuỗi polypeptide, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở gần nhau trong mạch polypeptid

Bảng 3.1 Số lượng xoắn α và nếp gấp β trong chuỗi đơn một số protein

(Trích Công nghệ sinh học phân tử - Nguyễn Chiến Thắng)

Biểu thị sự xoắn và cuộn khúc của chuỗi polypeptide thành khối, đặc trưng cho potein cầu, là tương tác không gian giữa các gốc amino acid ở xa nhau trong chuỗi polypeptide Trong nhiều protein hình cầu có chứa các gốc Cys tạo nên liên kết disulphide giữa các gốc Cys xa nhau trong chuỗi polypeptide làm cho chuỗi bị cuộn lại (xem myoglobin hình 3.21) Ngoài ra cấu trúc bậc III còn được giữ vững bằng các loại liên kết khác như Van der Waals, liên kết hydrogen, liên kết tĩnh điện giữa các gốc amino acid v.v

Biểu thị sự kết hợp của các chuỗi có cấu trúc bậc III trong phân tử protein Hay nói cách khác, những phân tử protein có cấu trúc từ 2 hay nhiều chuỗi protein hình cầu, tương tác với nhau trong không gian tạo nên cấu trúc bậc IV

3.1.2 Tính chất của protein

- Tính tan của protein

Các loại protein khác nhau có khả năng hoà tan dễ dàng trong một số loại

dung môi nhất định, chẳng hạn như albumin dễ tan trong nước; globulin dễ tan trong

dung dịch muối loãng; prolamin tan trong ethanol, glutelin chỉ tan trong dung dịch

kiềm hoặc acid loãng

- Tính ngậm nước của protein

Trong môi trường nước, protein kết hợp với nước trương lên trở thành

dạng keo Các phân tử nước bám vào các nhóm ưa nước trong phân tử protein như

-NH

thành tủa

- Độ nhớt của dung dịch protein

Khi protein hoà tan trong dung dịch, mỗi loại dung dịch của những

protein khác nhau có độ nhớt khác nhau

- Hằng số điện môi của dung dịch protein

Hằng số điện môi của dung môi làm ngăn cản lực tĩnh điện giữa các

nhóm tích điện của protein và nước

- Tính chất điện li của protein

Cũng như các amino acid, protein là chất điện li lưỡng tính vì trong

phân tử protein có nhiều nhóm phân cực mạnh (bên gốc R) của amino acid

Cũng như nhiều chất hoá học khác, protein có khả năng hấp thụ và bức

xạ ánh sáng dưới dạng lượng tử hγ

- Kết tủa thuận nghịch và không thuận nghịch protein

Khi protein bị kết tủa đơn thuần bằng dung dịch muối trung tính có nồng

độ khác nhau hoặc bằng protein ethanol, acetone ở nhiệt độ thấp thì protein vẫn giữ

nguyên được mọi tính chất của nó kể cả hoạt tính sinh học và có thể hoà tan trở lại

gọi là kết tủa thuận nghịch

3.1.3 Vai trò của protein

3.1.3.1 Chức năng tạo hình

Ngoài các protein làm nhiệm vụ cấu trúc như vỏ virus, màng tế bào, còn gặp những protein thường có dạng sợi như: sclerotin có trong lớp vỏ ngoài của sâu bọ; fibroin của tơ tằm, nhện; collagen, elastin của mô liên kết, mô xương Collagen đảm bảo cho độ bền và tính mềm dẻo của mô liên kết

cơ thể

3.1.3.5 Chức năng vận động

Nhiều protein làm nhiệm vụ vận động co rút như myosin, actin ở sợi cơ, chuyển vị trí của nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào

3.1.3.6 Chức năng dự trữ và dinh dưỡng

chức mô, phôi phát triển

3.1.3.7 Chức năng điều hoà

Các protein làm nhiệm vụ điều hoà quá trình trao đổi chất thông qua tác động lên bộ máy thông tin di truyền

3.1.3.8 Chức năng cung cấp năng lượng

sống trong cơ thể Trong cơ thể các protein bị phân giải thành các amino acid, từ đó tiếp tục tạo thành hàng loạt các sản phẩm, trong đó có các ceto acid, aldehyde và carboxylic acid

3.2 Nguồn gốc của protein trong nước thải thủy sản

Chủ yếu protein trong nước thải thủy sản có bản chất và nguồn gốc từ động vật

¾ Nước thải trong quá trình sản xuất như: rửa nguyên liệu,máy móc sau khi chế biến

¾ Các thức ăn dành cho việc nuôi trồng thủy sản có hàm lượng protein cao

¾ Nước sinh hoạt của các công nhân

3.3 Sự cần thiết phải xử lý protein trong nước thải thủy sản

Nghành nuôi trồng và chế biến thủy sản, trong đó cụ thể là các xí nghiệp chế biến thủy sản đều có nước thải chứa protein Khi được thải ra dòng chảy, protein

chứa S, N và P, có tính độc và mùi khó chịu

Ê Điều này dẫn đến các hệ quả:

¾ Góp phần gây nên hiện tượng phú dưỡng hoá: trong protein có nồng độ chất dinh dưỡng N, P cao, tỷ lệ P/N cao do sự tích luỹ tương đối P so với

N, sự yếm khí và môi trường khử của lớp nước đáy thuỷ vực, sự phát triển mạnh mẽ của tảo và nở hoa tảo

¾ Sự kém đa dạng của các sinh vật nước, đặc biệt là cá

¾ Gây mất mỹ quan môi trường: nước có màu xanh đen hoặc đen, có mùi khai thối do thoát khí H2S

¾ Gây ô nhiễm nguồn nước: Nước ngầm và nước mặt

3.3 Sự phân hủy protein trong nước thải thủy sản

3.3.1 Cơ chế phân hủy protein

Protein là một chất hữu cơ có chứa các hợp chất cần thiết cho sự sinh trưởng

và phát triển vi sinh vật

Protein ở môi trườmg bên ngoài sẽ là nguồn thức ăn của vi sinh vật Để có thể sử dụng được protein làm thức ănvi sinh vật tiết ra một loại Enzyme để thủy phân các liên kết peptide hoặc các polypeptide thành các peptide có phân tử lượng nhỏ hơn Tiếp theo là sự phân hủy các peptide trên thành các acid amin tự do ở môi trường ngoài

Sau đó được các vi sinh vật hấp thụ các acid amin tự do ở môi trường ngoài vào trong tế bào Trong tế bào vi sinh vật các acid amin sẽ được phân giải thành năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của tế bào

Hình 3.2 Cơ chế phân hủy protein

3.3.2 Vòng tuần hoàn của các chất có trong thành phần của protêin

triển của sự sống trên trái đất, các hợp chất của carbon tạo nên nền tảng cho mọi loại

Protein

(ở môi trường ngoài)

Acid amin (ở môi trường ngoài)

Enzyme protease

Vi sinh vật

Acid amin (Trong tế bào) Năng lượng

Hoạt động sống của

tế bào

Phân giải

hình sự sống.Vòng carbon quan trọng nhất là dạng thông qua CO2 của khí quyển và của sinh khối

Thông qua mạng lưới thức ăn động vật và con người sử dụng các carbon hữu

cơ của thực vật, chuyển hóa chúng thành các carbon hữu cơ của động vật và con người Đặc biệt, con người đã sử dụng một lượng lớn carbon trong các nguồn carbon biến chúng thành năng lượng và nguyên liệu để phục vụ cho sản xuất và đáp ứng các nhu cầu đời sống Trong quá trình sống thì thông qua hoạt động hô hấp, con người và

gần đây với quá trình công nghiệp hóa cùng với sự thu hẹp diện tích rừng đã gây ra

290ppm (ở thế kỉ 19) lên đến 325ppm (ngày nay)

Trong chu trình carbon vi sinh vật là một mắt xích có vai trò rất quan trọng Người, động vật, thực vật và ngay cả vi sinh vật khi chết đi sẽ được vi sinh vật phân giải thành các dạng carbon trong hợp chất bán phân giải như than đá, dầu mỏ, các hợp chất trung gian, hợp chất mùn và cabon trong hữu cơ không đạm và cuối cùng

lại được thực vật sử dụng và một lần nữa đi vào chu trình

ÊVi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong một số khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn này:

Hình 3.3 Vòng tuần của carbon

3.3.2.2 Vòng tuần hoàn của nitrogen

dạng khí cho tới các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong cơ thể thực vật, động vật và con người

Trong cơ thể sinh vật, nitrogen tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ như protein, các acid amin Dưới tác dụng của các nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân giải thành các acid amin Các acid amin lại được một nhóm vi sinh vật

hoá thành nitrogen phân tử, quá trình này được gọi là phản nitrat hoá được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn phản nitrat

được chuyển hoá thành dạng nitrogen hữu cơ nhờ nhóm vi sinh vật cố định nitrogen Như vậy vòng tuần hoàn nitrogen được khép kín trong hầu hết các khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn và có sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau Nếu sự hoạt động của một nhóm nào đó dừng lại thì toàn bộ sự chuyển hoá của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng

Ê Vi sinh vật đóng một vai trò quan trọng trong một số khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn này:

Hình 3.4 Vòng tuần hoàn của nitrogen

3.3.2.3 Vòng tuần hoàn của lưu huỳnh

Sự chuyển hóa của lưu huỳnh trong thiên nhiên tạo thành một chu trình khép kín Những giai đoạn phân giải hợp chất hữu cơ có lưu huỳnh khá phức tạp, cho đến nay chưa được nghiên cứu thật rõ ràng, trừ một vài hợp chất như cistin, methionin

amin có S như cystin, cystein, Mothionin Thực vật tích lũy S trong cơ thể nó (đặc biệt là thực vật chịu mặn tích lũy S rất cao) Động vật ăn thực vật tích lũy S, và người ăn thực vật, động vật lại tích lũy S trong cơ thể Sau khi chết đi, xác động vật, thực vật và người trả S lại cho đất nhờ vi sinh vật phân hủy Trong đó có cả những vi sinh vật tự dưỡng hóa năng, vi sinh vật tự dưỡng quang năng và cả vi sinh vật dị dưỡng Ở đó S lại được chuyển hóa

được các sinh vật hấp thu, để rồi chu trình S lại tiếp tục, hoặc trầm tích lại trong than

đá, dầu hỏa và chỉ quay trở lại chu trình khi bị đốt cháy

Hình 3.5 Vòng tuần hoàn của lưu huỳnh

3.3.2.4 Vòng tuần hoàn của phosphore

Phosphore là nguyên tố rất phổ biến trong thiên nhiên và có vai trò rất quan trọng đối với sự sống của sinh vật

Qua quá trình phong hóa đá và khoáng hóa các hợp chất hữu cơ phosphore được giải phóng ra tạo thành các muối của acid phosphoric chứa các ion

vi sinh vật sử dụng Để rồi chúng tạo ra các acid amin chứa phosphore và các

S

H2S

S hữu cơ thực vật

S hữu cơ động vật

SO4

2-enzyme phosphate, chuyển các liên kết cao năng phosphore thành năng lượng cho cơ thể : ATP thành ADP và giải phóng năng lượng Phosphore là nguyên tố không thể thiếu được của thực vật Khi động vật ăn thực vật, phosphore lại biến thành chất liệu của xương của các liên kết, các enzyme Khi chết đi động vật thực vật và con người trả lại phosphore trong cơ thể thành phosphore cho môi trường sinh thái đất

Một lượng phosphore đi vào đại dương sau khi phosphore bị hòa tan dần dần trong đá nham thạch chảy qua kênh rạch, sông hồ và làm giàu cho nước mặn, trở thành nguồn dinh dưỡng cho các loài sinh vật sử dụng

Hình 3.6 Vòng tuần hoàn của phosphore

3.3.3.1 Cấu tạo

Protease vi sinh vật là một hệ thống rất phức tạp bao gồm nhiều enzyme giống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồng nhất

Do là phức hệ gồm nhiều enzyme khác nhau nên protease vi sinh vật thường

có tính đặc hiệu rộng rãi cho sản phẩm thủy phân triệt để và đa dạng

Phosphate vô cơ

Lửa cháy rừng, đồng cỏ Động vật ăn thực vật

Sinh vật tự dưỡng

Thải vào môi trường

Phong hóa Tích lũy phosphate

trong trầm tích

Sinh vật phân hủy Xác chết và chất thải

Cấu trúc trung tâm hoạt động (TTHĐ) của protease

Trong TTHĐ của protease vi sinh vật ngoài gốc acid amin đặc trưng cho từng nhóm còn có một số gốc acid amin khác Các kết quả nghiên cứu chung về TTHĐ của một số Protease vi sinh vật cho phép rút ra một số nhận xét chung như sau:

- TTHĐ của protease đủ lớn và bao gồm một số gốc acid amin và trong một

số trường hợp còn có cả cofactor kim loại

thành sáu tiểu đơn vị, mỗi tiểu đơn vị tương ứng với mỗi gốc acid amin trong phân tử

cơ chất

+ Đối với các protease acid, theo nhiều nghiên cứu về cấu trúc TTHĐ của các

tinh thể protease acid của Phizopus chinensis và Endothia parasilica đã cho thấy

phân tử của các protease này gồm có hai hạt, giữa chúng có khe hở vào khoảng

đối diện nhau trong khe ấy

- Đối với các protease không chứa cysteine, TTHĐ của chúng có tính mềm dẻo hơn do cấu trúc không gian không được giữ vững bởi các cầu disulphide

Mặc dù TTHĐ của các protease vi sinh vật có khác nhau nhưng các enzyme này đều xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết peptide theo cùng một cơ chế chung như sau:

E + S E – S E – S + P1 E + P2

Hình 3.8 Cơ chế xúc tác của enzyme Hình 3.7 Cấu trúc không gian enzyme Protease

Nhóm enzyme protease (peptide – hydrolase 3.4) xúc tác quá trình thuỷ phân

phẩm cuối cùng là các acid amin Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển acid amin

Hình 3.9 Cơ chế hoạt động thủy phân protein của enzyme protease

(Trích [8] Trần Xuân Ngạch (2007), Công nghệ enzym, Trường Đại Học Bách

Khoa Đà Nẵng)

+ Aminopeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu N tự do của chuỗi

polypeptide để giải phóng ra một amino acid, một dipeptide hoặc một tripeptide

+ Carboxypeptidase: xúc tác phản ứng thủy phân liên kết peptide ở đầu C của chuỗi polypeptide và giải phóng ra một amino acid hoặc một dipeptide

+Dipeptihydrolase: xúc tác phản ứng thủy phân các liên kết dipepit

+ Proteinase: xúc tác phản ứng thủy phân các liên kết peptid nội mạch

3.3.3.3 Chức năng sinh học của protease vi sinh vật

có thể có những vai trò khác nhau đối với hoạt động sống của vi sinh vật

Các protease ngoại bào phân giải protein và các cơ chất cao phân tử khác có trong môi trường dinh dưỡng thành các dạng phân tử thấp để vi sinh vật dễ dàng hấp thu Các vi sinh vật mất khả năng tiết protease ngoại bào nên không thể sử dụng protein làm nguồn đạm dinh dưỡng Mặt khác quá trình tiết protease ngoại bào cũng như quá trìnhtổng hợp chúng ở nhiều vi sinh vật bị giảm khi môi trường có chứa một lượng lớn acid amin

thì protease nội bào có vai trò quan trọng hơn protease ngoại bào, chúng có thể hoàn thành chức năng sau đây :

¾ Phân giải các peptide được đưa từ môi trường ngoài vào thành các acid amin

để tổng hợp tế bào hoặc đôi khi làm nguồn C , N , S , P Theo Gedbery và Dice (1974 ), tốc độ phân giải protein trong tế bào tăng lên khi vi sinh vật bị thiếu C, N, S, P sự phân hủy protein cũng tăng lên nhanh chóng trong quá trình sinh trưởng

¾ Các protease nội bào có thể tham gia quá trình cải biến một số phân tử protein, enzyme Điều này có nghĩa đối với việc hình thành và nảy mầm của bào tử vi sinh vật

¾ Các protease nội bào cũng có thể tham gia vào việc hoàn thiện chuỗi polypeptide đã có sẵn Ngoài ra, protease nội bào cũng có tác dụng phân hủy các protein vô dụng được tổng hợp sai do đột biến