CHƯƠNG 1 Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường đang ngày gia tăng và đang được sự quan tâm của nhiều nghành, nhất là đối với việc ô nhiễm do nước thải[.]
Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ LỜI MỞ ĐẦU Hiện vấn đề ô nhiễm môi trường ngày gia tăng quan tâm nhiều nghành, việc ô nhiễm nước thải Đối với nhiều nước thải có hàm lượng chất dinh dưỡng (N,P) trung bình cao, việc xử lý loại thành phần trước xả nhu cầu quan trọng, nhằm hạn chế ô nhiễm nước ngầm, nước mặt Một dạng hợp chất gây nên ô nhiễm nước phải nói đến hợp chất hữu chứa itơ Nếu hàm lượng Nitơ có nước xả thải sông, hồ mức gây tượng nhiễm, điển hình tượng phú dưỡng hóa kích thích phát triển nhanh rong, rêu, tảp làm bẩn nguồn nước Việc áp dụng phương pháp sinh học để xử lý nước thải vấn đề cần ý phát triển, phương pháp dùng vi sinh vật, chủ yếu vi khuẩn để phân hủy hợp chất hữu dễ phân hủy sinh học tạo sản phẩm có lợi carbonic, nước chất vơ khác SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH CHUYỂN HĨA HỢP CHẤT CỦA NITƠ 1.1 TỔNG QUAN VỀ NITƠ VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ Nitơ ngun tố hóa học bảng tuần hồn nguyên tố có ký hiệu N số nguyên tử Ở điều kiện bình thường chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị trơ tồn dạng phân tử nitơ, cịn gọi đạm khí Nitơ chiếm khoảng 78% khí Trái Đất thành phần thể sống Nitơ tạo nhiều hợp chất quan trọng axit amin, axit nucleic, ammoniac, axit nitrite, cyanua… Phân tử nitơ khí tương đối trơ, tự nhiên bị chuyển hóa chậm thành hợp chất có ích mặt sinh học công nghiệp nhờ số thể sống, chủ yếu vi khuẩn Khả kết hợp hay cố định nitơ đặc trưng quan trọng công nghiệp hóa chất đại, nitơ chuyển hóa thành amomniac Ammoniac sử dụng trực tiếp chủ yếu làm phân bón, hay làm nguyên liệu cho nhiều hóa chất quan trọng khác Các muối acid nitrite bao gồm nhiều hợp chất quan trọng hay diêm tiêu, thuốc súng nitrate amoni Các hợp chất nitrate hữu khác, TNT Acid nitrite sử dụng làm chất oxi hóa tên lửa dùng nhiên liệu lỏng Ammoniac hợp chất quan trọng N H Ammoniac có tính bazơ, dung dịch tạo cation amoni (NH4+) Các khác có cấu trúc tương tự dinitơ monoxit (N2O), nitơ monoxit (NO) nitơ dioxit (NO2) Các oxit tiêu chuẩn dinitơ trioxit (N2O3) dinitơ pentoxit (N2O5), thực tế tương đối không ổn định chất nổ Các axit tương ứng acid nitrơ (HNO2) acid nitrite (HNO3), với muối tương ứng gọi nitrite nitrate Acid nitrite axit mạnh hydroni SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Bảng 1.1 Trạng thái hóa trị hợp chất nitơ hợp chất hóa học Hợp chất Hóa trị Cơng thức hóa học Amoni/ ammoniac -3 NH4+/ NH3 Khí Nitơ N2 Dinitơ oxit +1 N2O Nitơ oxit +2 NO Nitrite +3 NO2- Dinitơ trioxit +3 N2O3 Nitơ dioxit +4 NO2 Nitrate +5 NO3- Dinitơ pentoxit +5 N2O5 1.2 Q TRÌNH CHUYỂN HĨA CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ 1.2.1 Chu trình sinh địa hóa nitơ Trong tự nhiên nitơ tồn nhiều dạng hợp chất hóa học tham gia chuyển hóa nhiều q trình, quan trọng chuyển hóa dạng hợp chất vô hữu chứa nitơ SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Nitơ khí quyể n Nú i lửa Tia sét ure â Vi khuẩn cố định N rể Vi khuẩn cố định đất mư a Đồng hóa Xác động thực vật Năng lượng tỏa từ công nghiệp Phân bón Nhiên liệu hóa thạch Khử nitrat Phân hủy (vi khuẩn, Amon nấm) hóa Họat động người Họat động tự nhiên Hình 1.1 Chu trình sinh địa hóa nitơ SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Hợp chất nitơ vơ đơn giản hết nitơ tự khơng khí Nitơ vơ chuyển hóa thành nitơ hữu nhờ trình cố định nitơ vi sinh vật, thực vật Trong thể sinh vật, nitơ tồn chủ yếu dạng hợp chất đạm hữu protein, acid amin Khi thể sinh vật chết lượng nitơ hữu tồn đất Dưới tác dụng nhóm vi sinh vật hoại sinh thực q trình amon hóa phân giải thành acid amin Các acid amin lại nhóm vi sinh vật phân giải thành ammoniac Ammoniac tiếp tục chuyển hóa thành hợp chất nitrite, nitrate nhờ nhóm vi sinh vật nitrate hóa Dạng nitrate chuyển hóa thành nitơ phân tử nhờ q trình phản nitrate hóa trả lại nitơ tự cho khí Như vậy, vịng tuần hồn nitơ khép kín Trong hầu hết giai đoạn chuyển hóa vịng tuần hồn có tham gia vi sinh vật khác Nếu hoạt động nhóm ngừng lại, tồn chuyển hóa vịng tuần hồn bị ảnh hưởng nghiêm trọng Hợp chất nitơ (protein, urea…) Vi sinh vật thủy phân Tạo sinh khối Ammoniac Tế bào nitơ hữu Tế bào thực vật Phân hủy nội bào NO2Khử nitra t NO-3 Khí Nitơ Chất hữu Carbon Hình 1.2 Chu trình nitơ 1.2.2 Q trình amon hóa SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Q trình amon hóa q trình oxy hóa hợp chất nitơ hữu acid amin, protein, ure … thành nitơ vô cơ, CO2 nước Q trình amon hóa bao gồm q trình 1.2.2.1 Amon hóa ure Ure có thành phần nước tiểu người động vật, chiếm khoảng 22% nước tiểu Trong công thức cấu tạo, ure chứa tới 46,6% nitơ, nguồn dinh dưỡng đạm tốt với trồng Q trình amon hóa chia làm hai giai đoạn Đầu tiên, tác dụng enzyme urease tạo vi sinh vật, ure phân hủy tạo thành muối carbonat amoni Sau đó, carbonat amoni chuyển hóa thành NH 3, CO2 H2O phản ứng hóa học thơng thường CO(NH2)2 + 2H2O (NH4) CO3 (giai đọan 1) (NH4) CO3 2NH3 + CO2 + H2O (giai đoạn 2) Một số lồi vi sinh vật tiết enzyme urease có hoạt tính phân giải cao Bacillus amylovorum, planosarcina ureae, Micrococcus ureae Đa số chúng thuộc nhóm hiếu khí kỵ khí khơng bắt buộc, chúng ưa pH trung tính kiềm Bởi sử dụng ure làm phân bón người ta kết hợp với bón vơi, đồng thời xới xáo làm thống đất 1.2.2.2 Amon hóa protein Protein thành phần quan trọng tế bào sinh vật Khi sinh vật chết đi, protein tích lũy đất Protein chứa 15 – 17% nitơ trồng hấp thụ trực tiếp protein mà phải thông qua q trình amon hóa Q trình xảy điều kiện hiếu khí kỵ khí nhờ nhóm vi sinh vật phân hủy protein có khả tiết enzyme protease bao gồm proteinase peptidase Enzyme protease xúc tác trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n phân tử protein, polypeptide tạo sản phẩm acid amin Dưới tác dụng enzyme proteinase phân tử protein phân giải thành polypeptide oligopeptide Các chất tiếp tục phân hủy thành axit amin nhờ enzyme peptidase ngoại bào tế bào vi khuẩn hấp thụ sau phân hủy tiếp thành acid amin tế bào Một phần axit amin tế bào vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối Một phần acid amin theo SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ đường phân giải khác để sinh NH 3, CO2 sản phẩm trung gian khác Với protein có chứa S, nhờ enzyme desulfurase nhóm vi khuẩn Hấplưu thụhuỳnh vào tế bào nhóm dị dưỡng hiếu khí khác, bị phân hủy tạo H 2S, scatol, indol hay mercaptan Protease Protein peptitdase Oligopeptide, Acid amin polypeptide NH3, NH4+ Khử acid amin Trong điều kiện hiếu khí, acid amin bị vơ hóa tạo sản phẩm ammoniac, carbonic nước Trong điều kiện kỵ khí lại diễn q trình khử amin tạo nhiều loại hợp chất hữu axit hữu cơ, rượu H 2S sản phẩm bốc mùi khó chịu indol scatol Khử amin xảy theo phương thức sau: R – CH(NH2)COOH R – CHCOOH + NH3 R – CH(NH2)COOH +H2O R – CH2OH – COOH + CO2 + NH3 R – CH(NH2)COOH + ½ O2 R – CO – COOH + NH3 R – CH(NH2)COOH + O2 R – COOH + CO2 + NH3 R – CH(NH2)COOH +H2O R – CO – COOH +NH3 + 2H Các nhóm vi sinh vật hiếu khí có khả phân hủy protein: Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B mesentericus, B.subtilis, Pseudomonas fluorescens Xạ khuẩn: Streptomyces rimosus, S griseus Vi nấm: Aspergillus oryzae, A flavour, A niger, Penicilium camemberti… Vi sinh vật yếm khí : Vi khuẩn Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum Vi sinh vật hiếu khí tùy tiện : Vi khuẩn Proteus vulgaris, Bacillus coli… 1.2.3 Quá trình Nitrate hóa Sau q trình amon hóa, NH3 hình thành phần thực vật hấp thụ, phần kết hợp với hợp chất đất tạo thành muối amon với ion NH4+ SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Một phần muối amon trồng vi sinh vật hấp thụ, phần oxy hóa thành nitrate Q trình nitrate hóa bao gồm giai đoạn: nitrite hóa nitrate hóa 1.2.3.1 Giai đoạn nitrite hóa Là q trình oxy hóa NH4+ tạo thành NO2- tiến hành vi khuẩn nitrate hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả oxy hóa NH 4+ oxy khơng khí tạo lượng NH4+ + 3/2 O2 NO2- + H2O + 2H + Năng lượng Năng lượng dùng để đồng hóa CO tạo carbon hữu Enzyme xúc tác cho trình enzyme q trình hơ hấp hiếu khí Nhóm vi sinh vật nitrite hóa bao gồm chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira 1.2.3.2 Giai đoạn nitrate hóa NO2- tạo thành tiếp tục oxy hóa thành NO 3- nhóm vi khuẩn nitrate Đây vi khuẫn tự dưỡng hóa năng, thực phản ứng oxi hóa nitrite để cung cấp lượng cho q trình đồng hóa Năng lượng CO2 NO2- + ½ O2 NO3- + Nhóm vi khuẩn nitrate gồm chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus Ngồi nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa nói trên, đất cịn có số lồi vi sinh vật dị dưỡng tiến hành q trình nitrate hóa Đó lồi vi khuẩn xạ khuẩn thuộc chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces 1.2.4 Quá trình phản nitrate Các hợp chất đạm dạng nitrate đất dễ bị khử thành nitơ phân tử Quá trình gọi trình phản nitrate hóa thực điều kiện kỵ khí nhờ vi sinh vật phản nitrate hóa Khi đó, NO 3- chất nhận điện tử cuối chuổi hơ hấp kỵ khí lượng tạo thành dùng để tổng hợp nên ATP cho tế bào Nhóm vi khuẩn thực q trình phản nitrate hóa phân bố rộng rãi đất Thuộc nhóm tự dưỡng hóa có Thiobacillus denitrificans, hydrogenomonas agilis thuộc nhóm dị dưỡng có Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Trong mơi trường tự nhiên ngồi q trình phản nitrate sinh học nói cịn có q trình phản nitrate hóa học khơng có tham gia vi sinh vật thường xảy pH < 5.5 1.2.5 Quá trình cố định Nitơ Quá trình cố định nitơ sinh học trình khử nitơ thành NH tác dụng enzyme enzyme nitrogenase vi sinh vật Đây trình quan trọng để chuyển hóa nitơ vơ thành nitơ hữu Có nhóm vi sinh vật có khả cố định nitơ: Nhóm cộng sinh với họ đậu, nhóm sống tự đất nhóm tảo Trong đó, góp phần quan trọng nhóm Rhizobium sống cộng sinh với họ đậu Cơ chế trình cố định nitơ cần enzyme nitrogenase vi sinh vật, leghemoglobin thực vật lượng tế bào Nitrogenas e N2 + 6e + 12ATP + 12H2O 2NH4+ + 12ATP + 12P + 4H+ Nitrogenase bao gồm thành phần khác nhau, phần gồm protein Fe, phần gồm protein, Fe, Mo Electron chất khử vào thàh phần thứ nitrogenase (phần chứa protein Fe) sau chuyển sang thành phần thứ hai, qua electronic hoạt hóa phản ứng với nitơ Nitơ qua hai thành phần nitrogenase hoạt hóa Hydro hoạt hóa nhờ enzyme hệ thống hydrogenase Năng lượng dùng trình ATP tế bào Cuối NH hình thành NH3 hình thành đến mức độ kiềm hãm họat động Nitrogenase, yếu tố điều hịa hoạt tính enzyme Như vậy, tóm tắt q trình chuyển hóa hợp chất nitơ tự nhiên sau: Vi khuẩn nitrate hóa SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ nitrosomo nas NH3 Phân hủy Protein nitrobact er NO2- NO3- Vi khuẩn phản nitrate hóa NO3- NO3- NO N2O N2 N2 Quá trình quang hợp e Leghemoglobin e ATP Nitrogenaza NH3 Bảng 1.2 Tóm tắt q trình chuyển hóa nitơ tự nhiên Q trình Cơ chất Sản phẩm Amon hóa Hợp chất nitơ Nitơ vô cơ, CO2 hữu nước 10 Vi sinh vật tham gia Bacillus mycoides, B mesentericus, SVTH Phạm Thị Huệ ... khí Trong q trình chuyển hóa vật chất, vi sinh vật luôn ưu tiên sử dụng vật chất dễ chuyển hóa trước, sau sử dụng đến vật chất khó chuyển hóa Do đó, đường cong sinh trưởng vi sinh vật nước thải. .. phú Q trình trao đổi chất vi sinh vật nước thải gồm hai q trình q trình đồng hóa q trình dị hóa Q trình đồng hóa xảy bên tế bào vi sinh vật, trình cần lượng để tổng hợp sản phẩm cấu thành sinh. .. Q TRÌNH CHUYỂN HĨA CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ 1.2.1 Chu trình sinh địa hóa nitơ Trong tự nhiên nitơ tồn nhiều dạng hợp chất hóa học tham gia chuyển hóa nhiều q trình, quan trọng chuyển hóa dạng hợp