BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU VỀ VI KHUẨN NITRAT HOÁ, PHƯƠNG PHÁP TĂNG SINH, PHÂN LẬP VÀ XÁC ĐỊNH HOẠT TÍNH CỦA VI KHUẨN Ngành CÔNG NGHỆ SIN[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU VỀ VI KHUẨN NITRAT HOÁ, PHƯƠNG PHÁP TĂNG SINH, PHÂN LẬP VÀ XÁC ĐỊNH HOẠT TÍNH CỦA VI KHUẨN Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : ThS: Huỳnh Văn Thành Sinh viên thực MSSV: 1191111033 : Hồ Thị Hạnh Nguyên Lớp: 11hsh02 TP Hồ Chí Minh, 2013 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH LỜI MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Các chế phẩm vi sinh vật sử dụng loại bỏ hàm lượng chất C, N, P…dư thừa nước theo trình khác như: tạo sinh khối tế bào vi sinh vật, oxy hoá chất thành sản phẩm cuối CO2 H2O, chuyển hoá Nitơ dạng hữu vơ thành dạng khí Nitơ ngồi mơi trường, tích tụ P thể tế bào…Quá trình loại bỏ Nitơ dư thừa nước hồ diễn chủ yếu trình amon hố, nitrat hố, phản nitrat hố Trong đó, nitrat hố q trình hiếu khí, NH4+ oxy hố thành nitrit NO2-, sau nitrit NO2- chuyển hoá thành nitrat NO3-, biến đổi thực vi khuẩn Nitrosomonas Nitrobacter Tiếp nitrit, nitrat chuyển thành Nitơ phân tử phát tán vào khơng khí nhờ tác dụng vi khuẩn phản Nitrat hoá Ngày nay, việc ứng dụng chế phẩm vi sinh vật để xử lý nước hồ bị ô nhiễm sử dụng ngày phổ biến Khác với phương pháp vật lý, hoá lý… việc bổ sung chế phẩm vi sinh vào hồ giúp tăng cường khả phục hồi thúc đẩy trình tự làm hệ sinh thái hồ Do vậy, phương pháp có tính ổn định cao hướng thân thiện với môi trường Ngành công nghiệp chế biến thủy sản nước ta phát triển không ngừng năm gần ngành mũi nhọn việc thúc đẩy phát triển kinh tế nước nhà, mang lại nhiều lợi nhuận kinh tế cho đất nước, tạo nhiều công ăn việc làm cho người dân … Tuy nhiên, bên cạnh mặt tích cực ấy, cịn nhiều cơng ty, nhà máy xí nghiệp chế biến thủy hải sản nước ta chưa có đầu tư vận hành hệ thống xử lý nước thải; nước thải chế biến thủy sản thải với lượng lớn ngồi mơi trường, gây nhiễm mơi trường nghiêm trọng, đặc biệt mơi trường nước Chính để khắc phục tình trạng nhiễm có nhiều biện pháp xử lý khác nhằm hạn chế giảm bớt hàm lượng chất thải hữu có chứa nitơ hệ thống xử lý nước thải trước nước thải Và phương pháp sử dụng phổ biến xử lý phương pháp sinh học để xử lý nước thải chế biến thủy sản, với việc bổ sung vi sinh vật 1 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH phân lập ni cấy từ bên ngồi vào hệ thống xử lý nước thải nhằm tăng cường hiệu xử lý trước nước thải Dựa vào điểm này, nên em định chọn đề tài “Tìm hiểu vi khuẩn nitrat hố: Nitrosomonas Nitrobacter, phương pháp tăng sinh, phân lập, xác định hoạt tính ứng dụng chúng việc xử lý nước thải” với mục đích biết rõ vi khuẩn nitrat hố, q trình tăng sinh, phân lập chủng vi khuẩn nitrate hóa, khả xử lý nitơ từ nguồn nước thải Tình hình nghiên cứu: 2.1 Trên giới: Sự phân lập vi khuẩn nitrate hóa mơi trường ni cấy khiết thực thành công Winogradsky (1890) Sự thành công ông biết đến vài năm trước q trình nitrate hóa tìm sinh vật sống thực (Schloesing & Muntz, 1877) cố gắng Frankland cộng (1890) để phân lập sinh vật phương pháp vi khuẩn học thường dùng gặp thất bại Năm 1950, phương pháp cải tiến từ phương pháp Winogradsky, Jane Meiklejohn thành công việc phân lập chủng Nitrosomonas europaea từ nuôi cấy khiết Và nghiên cứu này, bà tìm mơi trường thích hợp (có bổ sung thành phần vi lượng cần thiết) để trì hoạt tính chủng vi khuẩn nitrate hóa (qua nhiều lần cấy chuyển mơi trường để tăng sinh mà khơng bị hoạt tính ban đầu bà vấp phải bắt đầu nghiên cứu) Năm 1960, Watson cộng mở kỉ nguyên việc phân lập nuôi cấy loại vi khuẩn này, họ phát đặt tên cho 16 chủng vi khuẩn oxi hóa NH3 khác Năm 1968, S.Soriano N.Walker thành công việc phân lập tinh Nitrosomonas spp.và Nitrosocystis spp việc sử dụng môi trường agar tinh chế phương pháp thu nhận tập đoàn với pipet mao quản thủy tinh hoạt động máy vi thao tác đơn trước mô tả Soriano (1935) 2 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH 2.2 Tại Việt Nam: Trần Liên Hà, Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Thị Thanh (2007) phân lập chủng vi khuẩn nitrate hóa ứng dụng vào xử lý nước hồ bị nhiễm Hồng Phương Hịa, Trần Văn Nhị, Phạm Việt Cường, Nguyễn Thị Kim Cúc (2008) phân lập chủng vi khuẩn nitrate hóa từ nước lợ ni tơm ứng dụng xử lý nitơ ao nước nuôi tơm Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu q trình nitrat hố yếu tố ảnh hưởng đến trình Qui trình tăng sinh, phân lập, cách xác định hoạt tính vi khuẩn Nitrosomonas spp Nitrobacter spp Biết phương pháp định lượng nitrite amoni mẫu nước thải Tìm hiểu ứng dụng vi khuẩn nitrat hoá nghành cơng nghiệp Nhiệm vụ nghiên cứu Tìm hiểu qui trình tăng sinh, phân lập, xác định hoạt tính vi khuẩn Nitrosomonas spp Nitrobacterspp có nguồn gốc từ mẫu nước thải Tìm hiểu ứng dụng vi khuẩn nitrat hố nghành cơng nghiệp 3 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH 1.1 Những ảnh hưởng chất thải có chất nitơ đến môi trường sống nước thải: Sự diện chất thải có chất nitơ chất thải có chứa nitơ nước thải cuối hệ thống nước thải nhà máy hay xí nghiệp thải ra, tác động bất lợi gây ô nhiễm đến chất lượng nguồn nước tiếp nhận (các nguồn nước mặt như: sông, suối, ao, hồ…) Nguồn gốc chất thải có chất nitơ gây nhiễm nguồn nước nhận ion NH4+, NO2- NO3- Những tác động gây ô nhiễm quan trọng có liên quan tới diện chất thải có chất nitơ bao gồm: cạn kiệt oxi hòa tan (DO), độc tính (Toxicity), thiếu oxi nước (Eutrophications) làm khả vận hành oxi máu (Methemoglobinemia) Để giảm bớt ảnh hưởng bất lợi chất thải có chất nitơ cho nguồn nước tiếp nhận, hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) phải đảm bảo yêu cầu xử lý giảm lượng chất thải có chất nitơ xuống mức cho phép tiêu chuẩn xả thải nước thải đầu hệ thống xử lý nước thải Hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) phải đảm bảo q trình oxi hóa nitơ (nitrify) q trình khử nitơ (denitrify) chất thải có chất nitơ xảy hồn tất trình hoạt động hệ thống u cầu q trình nitrate hóa (nitrification) thường đưa giới hạn thải NH3 yêu cầu trình phản nitrate (denitrification) thường đưa giới hạn Tổng nitơ hay Tổng nitơ Kjeldahl (TKN) 1.1.1 Sự cạn kiệt oxi hòa tan (DO): Việc thải chất thải có chất nitơ vào nguồn nước nhận kết cạn kiệt nguồn oxi hòa tan nguồn nước nhận Sự cạn kiệt xảy thông qua tiêu thụ oxi hòa tan hoạt động vi khuẩn Đầu tiên, NH4+ oxi hóa thành NO2- NO2- oxi hóa thành NO3bên nguồn nước tiếp nhận Q trình oxi hóa ion xảy oxi hịa tan di chuyển từ nguồn nước tiếp nhận vào vi khuẩn gia tăng thêm NH4+ NO2- Tiếp theo, NH4+, NO2- NO3- đáp ứng nguồn nitơ dinh dưỡng cho 5 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH tăng trưởng thực vật sống nước, chủ yếu loài tảo Khi thực vật chết đi, oxi hòa tan di chuyển từ nguồn nước tiếp nhận vào vi khuẩn để phân hủy thực vật chết + + O2 - + O2 NO2 NH4 NO3- 1.1.2 Độc tính (Toxicity): Ba ion có chất nitơ (NH4+, NO2- & NO3-) độc chất cho sống loài thủy sinh vật, đặc biệt cá Những ion NH4+ NO2- vô độc Và NO2- độc loại ion có chất nitơ Mặc dù NH4+ nguồn dinh dưỡng nitơ ưa thích cho phần lớn sinh vật sống, NH4+ biến đổi thành NH3 với tăng lên pH gây độc cho sống thủy sinh vật 1.1.3 Sự thiếu oxi nước (Eutrophication): Trong phosphate (PO42-) nguồn gốc yếu thiếu oxi nước chất thải có chất nitơ góp phần quan trọng cho vấn đề ô nhiễm nước Sự thiếu oxi nước nói đến thải chất dinh dưỡng thực vật (chủ yếu là: phốt nitơ) vào nước (như: hồ ao) Sự diện chất dinh dưỡng kích thích tăng trưởng nhanh chóng hay hoa thực vật thủy sinh, bao gồm tảo Khi thực vật thủy sinh già chết đi, xác chúng làm cho nguồn nước thiếu oxi trình hoạt động phân hủy hiếu khí vi sinh vật diễn Sự thiếu oxi nước dẫn đến lão hóa nhanh chóng nguồn nước chúng nhiều oxi cho phân hủy Và tích lũy xác thực vật thủy sinh ngày nhiều dẫn đến khả phân hủy nguồn nước bị giảm đến mức chúng phân hủy nữa, khơng tự làm dẫn đến nguồn nước bị ô nhiễm 6 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH 1.1.4 Sự làm khả vận hành oxi máu (Methemoglobinemia): Từ “Methemoglobinemia” hay “Hội chứng da xanh trẻ em” nói đến bệnh đứa trẻ cịn nhỏ (dưới tháng tuổi) ăn uống phải nước ngầm nhiễm bẩn NO3- Khi đứa bé ăn uống thứ làm từ nước ngầm bị nhiễm bẩn NO3- ion dễ dàng biến đổi thành NO2- đường tiêu hóa đứa bé Ion NO2- xâm nhập vào hệ tuần hoàn đứa trẻ nhanh chóng liên kết với Fe nhân Hemoglobin hay tế bào hồng cầu Sự diện NO2- nhân ngăn cản Hemoglobin thu oxi qua phổi đứa trẻ Sự thiếu oxi thể đứa trẻ dẫn đến da đứa trẻ trở nên xanh xao, có thuật ngữ “Blue baby syndrome” Nếu thiếu oxi não đứa trẻ, chứng liệt hay chết xuất Methemoglobinemia thường xuất vùng nông thôn, nơi mà nước dùng để uống thu từ nước ngầm Methemoglobinemia khơng có dấu hiệu để cảnh báo xuất với người trưởng thành, độc nhiều với đứa trẻ sơ sinh pH thể chúng thấp trọng lượng thể chúng thấp so sánh với người trưởng thành Và ion NO3- nồng độ cao làm tăng nguy gây ung thư dày lứa tuổi 1.2 Chu trình nitơ nước thải (The Wastewater Nitrogen Cycle): 7 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH Hình 1.1: Chu trình nitơ nước thải Có nhiều hợp chất có chất nitơ tồn mơi trường sống hệ thống xử lý nước thải Phần lớn nitơ tìm thấy mơi trường sống tồn dạng nitơ phân tử (N2) bầu khí (chúng chiếm tới 76% bầu khí so với khí khác) Mặc dù cấu thành khơng nhiều nitơ sinh khối so với carbon hay oxi nitơ yếu tố thiết yếu tất sống sinh vật Nó kết hợp chặt chẽ nguyên liệu tế bào dùng cho tăng trưởng, tạo enzyme thông tin di truyền học Tuy nhiên, nitơ phân tử cấu tạo từ nguyên tử nitơ nối với dây nối N N, khó để hầu hết sinh vật bẻ gãy May thay, nitơ phân tử tạo sẵn có cho sống sinh vật mà liên kết bị bẻ gãy nhóm vi khuẩn cố định lại hay biến đổi thành NH4+ 8 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH Những vi khuẩn biến đổi nitơ phân tử thành NH4+ vi khuẩn cố định nitơ Những vi khuẩn sống tự đất xung quanh rễ thực vật hay tăng trưởng cộng sinh rễ họ đậu Sự cố định nitơ tức chuyển đổi nitơ phân tử thành NH4+, hồn thành enzyme nitrogenase tìm thấy vi khuẩn cố định nitơ Trước sử dụng phân bón nitơ lan rộng, thực vật tăng trưởng nốt sần hay họ đậu cung cấp nitơ cho đất Ví dụ họ đậu bao gồm: Cỏ linh lăng, Cỏ ba Đậu nành Một vài lồi tảo sử dụng nitơ phân tử để sản xuất amino acid protein Tảo lấy nitơ phân tử từ khơng khí đồng hóa chúng thành phân tử hữu Cuối cùng, phân tử hữu với nitơ liên kết thành cấu trúc chúng tiêu thụ suốt chiều dài chuỗi thức ăn; tảo tiêu thụ dạng sống cao Sự di chuyển nitơ thay đổi trạng thái oxi hóa từ khơng khí sang sinh vật sống đến hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) trở lại vào khơng khí chu trình nitơ nước thải Chu trình liên kết với hợp chất có chất nitơ then chốt liên tiếp như: nitơ phân tử (N2), amino acid, protein, urea, NH4+, NH3, NO2- NO3- Trong đó, amino acid protein dạng hữu nitơ; nitơ phân tử (N2), NH4+, NH3, NO2và NO3- dạng vô nitơ Sự sản sinh NO2- NO3- hệ thống cống rãnh thấy Những điều kiện hệ thống cống rãnh không phù hợp cho tạo hay q trình nitrate hóa ion Những điều kiện bất lợi hệ thống cống rãnh ngăn cản q trình nitrate hóa bao gồm: thiếu oxi thích hợp, quần thể vi khuẩn nitrate hóa nhỏ thời gian nước giữ lại ngắn Tuy nhiên, lượng lớn NO2và NO3- tìm thấy hệ thống cống rãnh chúng thải từ nguồn nước thải cơng nghiệp có ion này, nước thải nhà máy thép Những amino acid protein mô thực vật, rễ, hạt từ thịt vật nuôi thải trực tiếp vào hệ thống cống rãnh (rác vứt bỏ đi, nước thải chế 9 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH biến thực phẩm) gián tiếp vào hệ thống cống rãnh (chất thải có chất phân) Nhiều vi khuẩn hệ thống cống rãnh khử nhóm amino (-NH2) khỏi amino acid protein Sự khử nhóm NH2 hồn thành với enzyme deaminase đưa đến kết tạo NH4+ Sự tạo thành NH4+ biết đến q trình amơn hóa Sự khử nhóm NH2 amino acid phenylalanine cho thấy: Phenylalanine–Proteus NH4+ Phenylpyruvic acid Urea: hợp chất nitơ hữu cơ, chúng tìm thấy nước tiểu, phân bón chất thải từ chăn nuôi Khi mà thủy phân enzyme urease vi khuẩn, NH4+ giải phóng Enzyme urease tìm thấy nhiều sinh vật dị dưỡng hóa hữu liên kết với phân bao gồm: Citrobacter Sự thủy phân urea thành NH3 CO2 hoạt động vi khuẩn nhanh chóng Ở pH hệ thống cống rãnh NH3 nhanh chóng biến đổi thành NH4+ NH2COHN2 H2O –Citrobacter 2NH3 CO2 Những amino acid protein không phân hủy hệ thống cống rãnh phân hủy hệ thống xử lý nước thải (bể aerotank) Sự phân hủy amino acid protein bể aerotank đưa đến kết sản sinh NH4+ Những ion NH4+ hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) có vài nhiệm vụ Chúng dùng nguồn dinh dưỡng nitơ sinh vật dị dưỡng hóa hữu vi khuẩn nitrate hóa Chúng giải phóng ngồi khơng khí NH3 pH cao điều kiện hoạt động thích hợp, Nitrosomonas oxi hóa chúng thành NO2- Nếu ion NH4+ không sử dụng nguồn dinh dưỡng, hóa thành khí hay oxi hóa, chúng chảy vào hệ thống nhánh bể aerotank Dưới nhiệt độ lạnh hay điều kiện phương pháp hệ thống có giới hạn, ion NO2có thể tích lũy lại hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) NO2cũng có vài nhiệm vụ hệ thống bùn hoạt tính NO2- cịn oxi 10 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH hóa sinh học Nitrobacter tạo thành NO3- điều kiện hoạt động thuận lợi Nếu NH4+ NO2- khơng có sẵn bể aerotank, NO3- dùng nguồn dinh dưỡng nitơ sinh vật dị dưỡng hóa hữu Nếu ion NO2- khơng bị oxi hóa hay dùng nguồn dinh dưỡng nitơ, chúng chảy vào hệ thống nhánh bể aerotank Trong bể lắng 2, NO2- khử thành khí N2O N2 NO3- hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) có vài nhiệm vụ Trong vắng mặt NH4+ bể aerotank, NO3- dùng nguồn dinh dưỡng nitơ Nếu NO3- không dùng nguồn dinh dưỡng nitơ chúng chảy vào hệ thống nhánh bể aerotank Trong bể lắng 2, NO3- khử nitrate Những ion NO3- quan trọng chủ yếu chu trình nitơ nước thải Chúng sản phẩm q trình nitrate hóa, chất q trình phản nitrate hóa nguồn dinh dưỡng nitơ mà NH4+ khơng có sẵn NO3- sử dụng nguồn dinh dưỡng nitơ thông qua hệ thống sinh học biết đồng hóa nitrate Những ion NO3- dồi dào, nguồn nitơ vơ nguồn nước Sự phản nitrate xảy lớp bùn bể lắng (trong Hệ thống xử lý nước thải) mà điều kiện kỵ khí xảy lớp bùn Ở vi khuẩn kỵ khí tùy nghi sử dụng NO2- NO3- để phân hủy cBOD hòa tan (carbonaceous BOD) Sự phân hủy liên kết với giải phóng phân tử nitơ Những ion NH4+ loại bỏ hoạt động trộn hay hóa khí vào khơng khí NH3 Tuy nhiên lượng NH3 qua hóa khí nhỏ, tức 10% Khi mà chất thải nitơ hữu khơng cịn có sẵn để giải phóng NH4+, lượng NH4+ giảm Sự giảm NH4+ xảy chúng dùng nguồn dinh dưỡng nitơ bị oxi hóa thành NO2- NO3- Nếu q trình nitrate hóa bắt đầu cách đắn, khơng có tích lũy NO2- xảy Một vài ion NO3- loại bỏ nguồn dinh dưỡng nitơ mà NH4+ bị cạn kiệt Nếu trình phản nitrate xảy lượng NO3- bị giảm lớn, có lẽ loại trừ 11 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH 1.3 Quá trình nitrate hố 1.3.1 Giới thiệu q trình nitrate hóa mơi trường (Introduction to Nitrification): Q trình nitrate hóa sinh học biến đổi hay oxi hóa NH4+ thành NO2- sau thành NO3- Trong thời gian oxi hóa NH4+ NO2-, oxi cộng thêm vào ion nhóm sinh vật nhất, vi khuẩn nitrate hóa Q trình nitrate hóa xảy tự nhiên hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) Q trình nitrate hóa đất đặc biệt quan trọng tự nhiên, nitơ hấp thu thực vật nguồn dinh dưỡng dạng NO3- Quá trình nitrate hóa nước có liên quan đến xử lý nước thải, đảm bảo yêu cầu xả thải theo quy chuẩn cho phép NH4+ NH3 dạng hợp chất nitơ, chúng oxi hóa suốt q trình nitrate hóa Số lượng NH4+ NH3 bể aerotank hệ thống xử lý nước thải định pH nhiệt độ hệ thống Sự oxi hóa NH4+ NO2- hồn thành thơng qua thêm vào oxi hịa tan bên tế bào vi khuẩn Bởi q trình nitrate hóa hay thêm vào oxi phản ứng hóa sinh xảy bên tế bào sinh học, q trình nitrate hóa xảy thơng qua phản ứng hóa sinh Những ion NH4+ tạo nước thải từ thủy phân urea phân hủy hợp chất nitơ hữu Sự thủy phân phân hủy hợp chất nitơ hữu đưa đến kết giải phóng nhóm amino (-NH2) tạo thành NH4+ Mặc dù có nhiều sinh vật có khả oxi hóa NH4+ NO2-, sinh vật ban đầu chịu trách nhiệu trước cho trình nitrate hóa hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) giống vi khuẩn nitrate hóa, Nitrosomonas Nitrobacter Những giống sở hữu enzyme cấu trúc tế bào đặc biệt cho phép chúng hồn thành q trình nitrate hóa quan trọng 12 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH Tốc độ q trình nitrate hóa đạt vi khuẩn nitrate hóa thường 1.000 – 10.000 lần lớn tốc độ trình nitrate hóa sinh vật khác Bên cạnh vi khuẩn nitrate hóa, có Protozoa chúng diện với số lượng lớn lúc trình nitrate hóa diễn nhanh Những Protozoa là: Epistylis Vorticella Mặc dù hệ thống bùn hoạt tính dùng cho q trình nitrate hóa, hệ thống khơng phải lý tưởng cho q trình nitrate hóa Vì kích thước quần thể lớn tăng trưởng nhanh chóng sinh vật khác bể aerotank so sánh với kích thước quần thể nhỏ tăng trưởng chậm vi khuẩn nitrate hóa, kích thước quần thể vi khuẩn nitrate hóa làm giảm từ từ, tạo khó khăn để đạt trì q trình nitrate hóa mong muốn Khoảng chừng 90% đến 97% vi khuẩn hệ thống bùn hoạt tính sinh vật dị dưỡng hóa hữu cơ, cịn khoảng chừng 3% đến 10% vi khuẩn nitrate hóa 1.3.2 Những vi khuẩn oxi hóa nitơ hay vi khuẩn nitrate hóa (Nitrifying Bacteria) Vi khuẩn nitrate hóa sống đa dạng mơi trường sống bao gồm: nước ngọt, nước uống được, nước thải, nước biển, nước lợ đất Mặc dù vài giống vi khuẩn nitrate hóa có khả sử dụng vài hợp chất hữu để thu carbon, giống chủ yếu vi khuẩn nitrate hóa hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính), Nitrosomonas Nitrobacter, sử dụng CO2 hay carbon vô nguồn carbon cho tổng hợp nguyên liệu tế bào Mỗi phân tử CO2 đồng hóa thành nguyên liệu tế bào vi khuẩn nitrate hóa, khoảng chừng 30 phân tử NH4+ hay 100 phân tử NO2- oxi hóa Vì lượng NH4+ NO2- lớn cần để đồng hóa CO2, vi khuẩn nitrate hóa có tốc độ sinh sản chậm Thậm chí điều kiện tốt tốc độ sinh sản vi khuẩn nitrate hóa nhỏ 13 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH Vi khuẩn nitrate hóa thu lượng q trình oxi hóa chất vô cơ, cụ thể NH4+ NO2- Ion NO2- sản phẩm oxi hóa NH4+ Nitrosomonas cung cấp chất cho Nitrobacter Nếu NO2- không thải khỏi hệ thống bùn hoạt tính NO2- sản sinh bể aerotank Nitrobacter dùng làm chất lượng Có phản ứng sinh lượng xảy suốt q trình nitrate hóa Nhiều lượng lấy từ dạng phản ứng đầu tiên, tức là, oxi hóa NH4+, phản ứng thứ 2, tức oxi hóa NO2- NH4+ 1.5O2–Nitrosomonas NO2- 2H+ H2O Năng lượng NO2- 0.5O2–Nitrobacter NO3- Năng lượng Phản ứng sinh lượng xảy tế bào vi khuẩn phản ứng sử dụng oxi phân tử tự Từ tích lũy NO2- khơng xuất Tồn phản ứng nitrate hóa điều khiển oxi hóa NH4+ sang NO3- Tồn phản ứng nitrate hóa kết hợp phản ứng sinh lượng trên: NH4+ 2O2–Vi khuẩn Nitrate hóa NO3- 2H+ H2O Mặc dù NH4+ dùng nguồn lượng vi khuẩn nitrate hóa, khơng phải tất NH4+ có tế bào vi khuẩn nitrate hóa Một vài ion NH4+ dùng nguồn dinh dưỡng nitơ đồng hóa thành nguyên liệu tế bào (C5H7O2N) Sự tăng trưởng tế bào hệ thống bùn hoạt tính tạo thành tăng lên chất rắn lơ lửng huyền phù trộn lẫn nước (MLVSS) (Mixed liquor volatile suspended solids) 4CO2 HCO3- NH4+ 4H2O C5H7O2N 5O2 3H2O Có vài giống vi khuẩn nitrate hóa Các giống tập hợp lại thành nhóm với dựa vào oxi hóa NH4+ hay NO2- 14 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH Bảng 1.1 Các giống vi khuẩn nitrat hố tập hợp lại thành nhóm dựa vào oxi hoá NH4+ hay NO2Cơ chất lượng Sản phẩm oxi hóa Các giống vi khuẩn (Energy Substrate) (Oxidized Product) nitrate hóa (Genera of Nitrifying Bacteria) NH4+ NO2- Nitrosococcus Nitrosocystis Nitrosolobus Nitrosomonas Nitrosospira NO2- NO3- Nitrobacter Nitrococcus Nitrospira Những vi khuẩn nitrate hóa khơng có khả gây bệnh, chúng khơng có đường ruột người Vì vi khuẩn nitrate hóa khơng vào hệ thống cống rãnh hệ thống xử lý nước thải với lượng lớn thơng qua nước thải gia đình Vi khuẩn nitrate hóa xuất xứ từ đất nước Những vi khuẩn nitrate hóa Nitrosomonas Nitrobacter có mức độ lớn, khơng hồn tồn, ngun nhân q trình nitrate hóa đất Bởi vi khuẩn nitrate hóa bị tiêu diệt ánh sáng tử ngoại, chúng khơng tìm thấy lượng lớn bề mặt đất Tuy nhiên, chúng tìm thấy với số lượng lớn trực tiếp bên bề mặt đất nơi ánh sáng cực tím khơng thể lọt vào Trong hệ thống xử lý nước thải, loài vi khuẩn nitrate hóa chịu trách nhiệm cho oxi hóa NH4+ NO2- Nitrosomonas europeae Nitrobacter 15 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH winogradsky Những giống vi khuẩn nitrate hóa khác quan trọng không hệ thống xử lý nước thải (Hệ thống bùn hoạt tính) Nitrosomonas Nitrobacter vi khuẩn gram âm hiếu khí bắt buộc, chúng yêu cầu oxi phân tử tự hay oxi hòa tan nhằm để oxi hóa chất Mặc dù vi khuẩn nitrate hóa sinh trưởng phát triển sinh sản diện phần lớn hợp chất hữu cơ, vài dạng hợp chất hữu ức chế hoạt động chúng, tức là, ức chế q trình nitrate hóa Những hợp chất ức chế bao gồm: Cồn Acid Một vài hợp chất hữu có chứa nhóm amino (-NH2), Methylamine (CH2NH2), ức chế hoạt động vi khuẩn nitrate hóa Với vài ngoại lệ, vi khuẩn nitrate hóa sinh vật tự dưỡng bắt buộc (nghiêm ngặt) Bởi chúng vi sinh vật tự dưỡng bắt buộc, vài dạng hợp chất hữu đơn giản cịn lại bể aerotank ức chế vi khuẩn nitrate hóa, tức là, ức chế q trình nitrate hóa Vì quần thể sinh vật tự dưỡng hóa hữu lớn đa dạng diện bể aerotank oxi hóa hợp chất hữu có dạng đơn giản Vi khuẩn nitrate hóa tăng trưởng sinh sản tế bào riêng biệt hay khối tập hợp nhỏ dính chặt vào chất nhờn Trong hệ thống bùn hoạt tính, vi khuẩn nitrate hóa tìm thấy hút bám bề mặt hạt keo lơ lửng bể Những vi khuẩn nitrate hóa sinh sản vơ tính Nitrosomonas: sinh sản tự phân đơi hay phân cắt hồn tồn thành hai phần; đó, Nitrobacter: sinh sản cách nảy chồi Vì vi khuẩn nitrate hóa thu lượng nhỏ lượng từ oxi hóa NH4+ NO2-, sinh sản hay thời gian hệ chậm quần thể nhỏ Kích thước quần thể vi khuẩn nitrate hóa hệ thống bùn hoạt tính nhỏ mà so sánh với kích thước quần thể sinh vật dị dưỡng hóa hữu 16 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH Sự khác kích thước quần thể vi khuẩn nitrate hóa vi khuẩn dị dưỡng hóa hữu lý Thứ nhất, hầu hết hệ thống bùn hoạt tính thành phố cơng nghiệp, nồng độ chất thải có chất carbon vượt giới hạn nồng độ chất thải có chất nitơ Vì nhiều chất có giá trị để tăng trưởng nhiều vi khuẩn dị dưỡng hóa hữu Thứ hai, vi khuẩn dị dưỡng hóa hữu thu nhiều lượng từ sinh sản vi khuẩn nitrate hóa chúng oxi hóa chất tương ứng chúng Vì vi khuẩn dị dưỡng hóa hữu sinh sản nhanh nhiều vi khuẩn nitrate hóa sinh sản So sánh thời gian hệ vi khuẩn dị dưỡng hóa hữu với vi khuẩn nitrate hóa vi khuẩn nitrate hóa dài nhiều Thời gian hệ hầu hết vi khuẩn dị dưỡng hóa hữu hệ thống bùn hoạt tính 15 đến 30 phút Dưới điều kiện thuận lợi,thời gian hệ vi khuẩn nitrate hóa hệ thống bùn hoạt tính 48 đến 72 Trong quần thể vi khuẩn nitrate hóa có kích thước quần thể khác biệt Nitrosomonas Nitrobacter Kích thước quần thể Nitrosomonas lớn Nitrobacter Bởi Nitrosomonas thu nhiều lượng từ oxi hóa NH4+ Nitrobacter thu từ oxi hóa NO2-, Nitrosomonas có thời gian hệ ngắn tăng nhanh chóng số lượng so sánh với Nitrobacter Một kích thước quần thể lớn Nitrosomonas Nitrobacter hệ thống bùn hoạt tính đáp ứng cho khả oxi hóa NH4+ nhiều khả oxi hóa NO2- Sự khác thời gian hệ Nitrosomonas Nitrobacter ảnh hưởng trực tiếp đến trình nitrate hóa Sự khác nguyên nhân gây nên tích lũy NO2- suốt thời gian điều kiện hoạt động không thuận lợi hệ thống bao gồm: nhiệt độ lạnh, q trình rửa trơi học, mức oxi hịa tan thấp, độc chất… Mặc dù kích thước quần thể vi khuẩn nitrate hóa phụ thuộc vào lượng chất sẵn có (NH4+ NO2-), tăng trưởng sinh sản quần thể bị ảnh hưởng mạnh vài yếu tố hoạt động bao gồm: oxi hịa tan, tính kiềm pH, 17 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH nhiệt độ, chất ức chế, chất độc phương thức hoạt động hệ thống xử lý nước thải 1.4 Những sinh vật thị hay chất thị cho q trình Nitrate hóa (Indicators of Nitrification): Hệ thống bùn hoạt tính (của hệ thống xử lý nước thải) oxi hóa nitơ NO2- NO3- sinh bể aerotank Dù có nhiều chế khác sinh NH4+ bể aerotank, đó, giảm nồng độ NH4+ bể aerotank khơng biểu lộ q trình nitrate hóa Q trình nitrate hóa chứng minh sản sinh NO2- hay NO3- Tuy nhiên, kiểm tra NO2- hay NO3- hệ thống không thực hiện, q trình nitrate hóa nghi ngờ diện sinh vật thị sinh học, chất thị hóa học sinh vật báo hiệu tự nhiên khác Những sinh vật thị sinh học q trình nitrate hóa bao gồm: tăng trưởng Tảo Bèo bể lắng 2, tăng lên có ý nghĩa nhu cầu oxi pha trộn nước giảm có ý nghĩa mức oxi hịa tan hệ thống Tảo Bèo thu chất dinh dưỡng nitơ từ NO3- Vì diện chúng bể lắng thị sản sinh NO3- hay trình nitrate hóa bể aerotank Bèo tấm: thực vật có hoa bé nhỏ đơn giản Bèo sinh sơi nảy nở nhanh chóng mặt nước Có giống Bèo chúng tìm thấy hệ thống bùn hoạt tính hệ thống xử lý nước thải Những giống là: Lemna, Spirodella, Wolffia Khi mà q trình nitrate hóa xảy bể aerotank, lượng lớn oxi hòa tan tiêu thụ vi khuẩn nitrate hóa chúng oxi hóa NH4+ NO2- Vì vậy, q trình nitrate hóa xảy ra, địi hỏi có ý nghĩa sinh khối oxi hòa tan xuất mức độ oxi hòa tan bể aerotank giảm Những chất thị hóa học q trình nitrate hóa bao gồm tăng lên nhu cầu Cl2 để khử trùng phụ lưu bể lắng Nếu trình nitrate hóa khơng hồn 18 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP – GVHD: ThS HUỲNH VĂN THÀNH tất xảy ra, NO2- tích lũy NO2- phản ứng nhanh chóng với Cl2, đưa đến kết tiêu diệt coliform phụ lưu bể lắng Sự sản sinh NO2- bể aerotank đưa đến kết phá hủy tính kiềm Sự phản nitrate hóa bể lắng (do kết nitrate hóa bể aerotank) trả lại tính kiềm cho nước thải Sự trả lại tính kiềm đưa đến tăng tính kiềm hay pH Nếu vài sinh vật thị sinh học, hóa học hay tự nhiên q trình nitrate hóa xảy hệ thống bùn hoạt tính chúng khơng yêu cầu nitrate hóa, nitrate hóa bị nghi ngờ Để xác định dạng nitrate hóa xảy ra, kiểm tra nước hệ thống nồng độ NH4+, NO2- NO3- thực 1.5 Cơ chế hoạt động vi khuẩn Nitrat hoá Các loại vi khuẩn hố vơ (chemolithotrophic) thường loại tự dưỡng, sử dụng chu trình Calvin để cố định CO2 nguồn carbon Ở vi khuẩn nitrate hoá xếp vào loại tự dưỡng sử dụng lượng thu từ trình oxi hoá ammonia hay nitrite để phục vụ cho việc khử CO2 thành carbonhydrat Khi phân tử CO2 vào chu trình Calvin, cần đến phân tử ATP phân tử NADH Điều khó khăn lượng thu từ q trình oxi hố phân tử vơ (nói chung) vi khuẩn nitrate lại nhỏ nhiều so với việc oxi hố hồn tồn glucose loại vi khuẩn thơng thường Tỉ lệ P/O q trình oxi hố phosphoryl hố vi khuẩn nitrate hố thường 1, tỉ lệ q thấp nên vi khuẩn nitrate hố nói riêng loại vi khuẩn hố vơ khác nói chung cần oxi hố lượng lớn hợp chất vô để sinh trưởng sinh sản, điều nói lên tác động hệ vi khuẩn môi trường sống sâu sắc 19 SVTH: HỒ THỊ HẠNH NGUYÊN ... em định chọn đề tài ? ?Tìm hiểu vi khuẩn nitrat hoá: Nitrosomonas Nitrobacter, phương pháp tăng sinh, phân lập, xác định hoạt tính ứng dụng chúng vi? ??c xử lý nước thải” với mục đích biết rõ vi khuẩn. .. nghiên cứu Tìm hiểu qui trình tăng sinh, phân lập, xác định hoạt tính vi khuẩn Nitrosomonas spp Nitrobacterspp có nguồn gốc từ mẫu nước thải Tìm hiểu ứng dụng vi khuẩn nitrat hoá nghành công nghiệp. .. sinh, phân lập, cách xác định hoạt tính vi khuẩn Nitrosomonas spp Nitrobacter spp Biết phương pháp định lượng nitrite amoni mẫu nước thải Tìm hiểu ứng dụng vi khuẩn nitrat hố nghành công nghiệp Nhiệm