giáo trình sinh học môi trường Bài 1 Trao đổi chất

giáo trình sinh học môi trường Bài 1 Trao đổi chất

CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG THẠC SĨ VƯU NGỌC DUNG BÀI NỘI DUNG TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI XỬ LÝ NITO VÀ PHOTPHO BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ XỬ LÝ KHÍ THẢI XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT BÀI 1: TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIỚI THIỆU SINH KHỐI VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CÁC NGUYÊN TẮC PHÂN HỦY CỦA VI KHUẨN CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM CÔNG NGHỆ XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG VI SINH VẬT ĐÁNH GIÁ CHỌN LỰA HỆ THỐNG XỬ LÝ HIẾU KHÍ HAY KỴ KHÍ GIỚI THIỆU SỰ PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT CÓ NGUỒN GỐC CARBON SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT SỰ PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT CÓ NGUỒN GỐC CARBON  Sự phân hủy chất ô nhiễm hữu :  là phân hủy/khoáng hoá hoàn toàn phần hợp chất hữu và hữu sinh học tự nhiên môi trường nhân tạo là q trình biến dưỡng của nhiều loại khác như: vi khuẩn, nấm, tảo, nguyên sinh động vật và động thực vật  Tùy theo công nghệ xử lý mà người ta sử dụng nhóm này hay nhóm khác  Phân hủy bao gồm hai trình sở: sinh trưởng và đồng trao đổi chất Trong trình sinh trưởng: chất hữu  làm nguồn carbon và nguồn lượng nhất  kết quả: phân huỷ hoàn toàn (khoáng hoá) chất hữu Quá trình đồng trao đổi chất: là trình trao đổi chất của chất hữu có mặt của chất sinh trưởng là nguồn carbon và lượng  Q trình phân huỷ sinh học xảy điều kiện:  Có sự diện của oxy phân tử thơng qua hơ hấp hiếu khí,  Trong điều kiện khơng đủ oxy thông qua việc khử nitrate (lên men), điều kiện kỵ khí thơng qua q trình tạo methane và sulfide  Q trình hơ hấp chất hữu carbohydrate, protein, chất béo lipid … CO2, nước và sinh khới…  Một NH3 và H2S hình thành qúa trình phân huỷ amino acid chứa lưu huỳnh hợp chất dị vịng  Vi sinh vật hiếu khí hơ hấp sử dụng nitrate nitrite là chất nhận điện tử cuối điều kiên thiếu oxy  Trong điều kiện kỵ khí: vi khuẩn sinh methane và vi khuẩn khử sulfate phân huỷ bước hợp chất carbon  CH4, CO2, NH3 và H2S  Trong môi trường kỵ khí và khơng có sulfate methane và CO2 là sản phẩm  Trong mơi trường có sự diện của sulfate sản phẩm là CO2 và sulfide SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT  Là trình sinh sản và tăng sinh khối quần thể vi sinh vật  Hiệu của sự dinh dưỡng (đồng thời là sự giảm BOD, COD, TOC ) là trình tổng hợp phận của thể tế bào và sự tăng sinh khối  Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài, đặc tính sinh lý và trạng thái tế bào  Vi sinh vật sinh sản chủ yếu cách phân bào, thời gian sinh trưởng/ thời gian thế hệ thường từ 20 phút đến vài ngày  Khi chất dinh dưỡng, pH và nhiệt độ… của môi trường thay đổi ngoài trị sớ tới ưu q trình sinh sản bị dừng lại  Nuôi cấy tĩnh/ nuôi cấy theo mẻ  Là phương pháp suốt thời gian nuôi cấy không thêm chất dinh dưỡng không loại bỏ sản phẩm cuối của trình trao đổi chất  Sự sinh trưởng/ sự tăng sinh khối của vi sinh vật biểu thị lượng bùn hoạt tính theo thời gian  Ni cấy liên tục/ dịng liên tục  Là phương pháp śt thời gian nuôi cấy, liên tục cho thêm chất dinh dưỡng và loại bỏ sản phẩm cuối của q trình trao đổi chất khỏi mơi trường nuôi cấy  Vsv luôn điều kiện ổn định chất dinh và sản phẩm trao đổi chất, tốc độ sinh sản phụ thuộc chất dinh dưỡng 10  Các hydrocarbon béo bão hịa bị tấn cơng sinh học cách chậm chạp môi trường oxy Carbon áp ći chuyển hóa thành phân tử fumarat và dạng trung gian ankyl succinate  Các hydrocarbon khơng bão hoà  hydrate hóa tạo  rượu  phân hủy hoàn toàn  Hợp chất có chứa halogen: vi khuẩn kị khí phân hủy theo kiểu phản ứng khử thế halogen  Phản ứng khử loại bỏ halogen: điện tử xuất phát từ phân tử hydrogen, formate… chuyển đến chất chứa clo để tạo thành chất hữu dạng khử và ion Clo (Cl ) 30  Một sớ trường hợp, phản ứng oxi hóa khử hình thành lượng chuyển hố thơng qua chuỗi hơ hấp  Sự phân huỷ kị khí xử lý số chất thải hữu cơ, sản phẩm thường là CH4 và CO2  lượng chất cho trình sinh tổng hợp  Quá trình phân huỷ kị khí xảy mơi trường thiếu khí  cần phải nghiên cứu nguy của hợp chất tổng hợp đối với sức khoẻ người và môi trường 31 Phân hủy chất ô nhiễm bền phối hợp vi khuẩn hiếu khí kỵ khí  Về mặt nguyên tắc, tính bền vững của hợp chất nhiễm hữu tăng lên với mức độ halogen hóa  Thay thế halogen, nitơ hay lưu huỳnh vòng thơm kèm với tăng lực điện tử, những hợp chất này kháng lại lực của enzyme oxygenase  Những chất tồn bền vững điều kiện hiếu khí: PCBs (Polychlorinated biphenyls), dioxins, DDT và Lindan  Vi khuẩn kị khí đóng vai trị quan trọng việc khử hợp chất xenobiotic chứa clo: Khử halogen giảm bậc halogen Vơ hóa vi khuẩn hiếu khí 32 CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM  Nấm men có khả phân huỷ sinh học hợp chất béo dầu thô và sản phẩm dầu mỏ, C10-C20 là thích hợp với hầu hết vi nấm  Hydrocarbon mạch ngắn (n.C5-C9) có độ độc cao, độc tính mất thêm vào hydrocarbon mạch dài: Candida sinh trưởng n-octan nếu có mặt 10% pristane Penicillium frequentans sử dụng hợp chất n-alkan chứa halogen và loại bỏ halogen hoàn toàn 33  Hydrocarbon béo không tan nước, nấm tiết chất hoạt động bề mặt để làm nhũ hoá hydrocarbon  Vi nấm khơng thể sử dụng alkan mạch nhánh hay mạch vịng no là nguồn carbon và lượng  Các ankan bị oxy hóa vị trí carbon ći tạo rượu bậc (n-ankan-1-OH) Oxy hóa vị trí áp cuối tạo rượu bậc Tiếp tục bị chuyển hóa  aldehyde, ester, acid acetic, rượu  acid béo  chu trình Krebs  Sản phẩm ći là oxit carbon (CO2) chu trình chuyển hố tricarbocylic axit (Krebs) 34  Nấm mớc và nấm men có khả sử dụng hợp chất hydrocarbon thơm làm chất để sinh trưởng Khả chuyển hoá theo kiểu đồng chuyển hoá  Penicillium frequentants:  Phenol chuyển hoá hoàn toàn thành sinh khối, carbonic và nước  Phenol chứa clo thành dạng catechol (như sản phẩm cuối cùng)  Nấm đảm có hệ thớng enzyme phân huỷ cellulose và lignin (dạng hợp chất carbon vòng thơm phổ biến nhất) hiệu quả, gọi tên là nấm trắng hoại gỗ (white rot fungi)  Tiêu biểu là Trametes versicolor, Pleurotus ostreatus, Nematoloma flrowardii và những loài phân huỷ rác thải Agaricus bisporus, Agrocybepraecox Stropharia coronilla 35  Lignin phân hủy không là nguồn carbon và lượng để nấm sinh trưởng  Nguyên lý phân hủy là đồng chuyển hóa: chất sinh trưởng là hầu hết chất đường sinh từ phản ứng thủy phân hemicellulose  Enzyme dạng oxydoreductase (phân rã lignin): peroxidase và laccase  xúc tác và tấn công lignin theo chế khơng đặc trưng 36 CƠNG NGHỆ XỬ LÝ Ơ NHIỄM BẰNG VI SINH VẬT 5.1 Tăng cường sinh học 5.2 Kích hoạt sinh học 5.3 Xét vị trí xử lý 37 TĂNG CƯỜNG SINH HỌC 38 KÍCH HOẠT SINH HỌC 39 XÉT VỀ VỊ TRÍ XỬ LÝ  phương pháp áp dụng: “siết chặt”(securing) và “xử lý” (remediation)  “Xử lý” là phương thức để làm giảm hàm lượng chất ô nhiễm hay khử độc  “Siết chặt” giúp tạo những rào cản bảo để vệ môi trường  Các phương pháp phân loại theo vị trí:  Dạng xử lý chỗ (in-situ): thực vị trí nhiễm mà khơng cần phải đào đất lên  Bên ngoài (ex-situ): đòi hỏi đất ô nhiễm phải đào lên xử lý cạnh vị trí nhiễm (on-site remediation) hay đưa tới nơi nào để xử lý (off-site remediation) 40 Đánh giá tổng quát chọn lựa hệ thống xử lý nước thải hiếu khí hay kỵ khí Nếu thiết lập hệ thớng xử lý nước thải cần lưu ý số điểm :  Xử lý kỵ khí nhìn chung khơng cho kết giá trị tiêu ô nhiễm COD, BOD hay TOC thấp hệ thớng hiếu khí và khơng đủ để đạt tiêu chuẩn theo luật môi trường  Xử lý kỵ khí cho rác thải và nước thải thường xem là quy trình tiền xử lý để làm tới giảm nhu cầu oxy và sự hình thành bùn thừa cho giai đoạn xử lý hiếu khí tiếp theo sau  Nước thải có hàm lượng chất nhiễm cao nên xử lý theo phương pháp kỵ khí có khả tái tạo lượng nhờ khí sinh học và tạo lượng bùn thừa cần thải bỏ nhiều 41  Nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm hữu thấp nên xử lý phương pháp hiếu khí  Hiệu phân huỷ COD đối với sinh khối bùn thải hay nước thải đậm đặc thể tích lớn nhìn chung dường là tương đương giữa vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí  Tớc độ phân huỷ quy trình xử lý hiếu khí nhanh quy trình xử lý kỵ khí  Hệ thớng xử lý hiếu khí có giá thành cao và tạo lượng bùn dư cần thải bỏ nhiều  Hệ thống xử lý kỵ khí có chi phí thiết kế cao chi phí vận hành thấp so với hệ thớng xử lý hiếu khí 42 PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐẤT KHƠNG KHÍ NƯỚC 43 VI SINH VẬT HẾT CÔNG CỤ XỬ LÝ ĐỘNG VẬT KHÔNG XƯƠNG SỐNG THỰC VẬT 44 ... ći của q trình trao đổi chất khỏi môi trường nuôi cấy  Vsv luôn điều kiện ổn định chất dinh và sản phẩm trao đổi chất, tốc độ sinh sản phụ thuộc chất dinh dưỡng 10  Vùng 1: Giai đoạn... hố) chất hữu Q trình đồng trao đổi chất: là trình trao đổi chất của chất hữu có mặt của chất sinh trưởng là nguồn carbon và lượng  Q trình phân huỷ sinh học xảy điều kiện:  Có... 8 91, 6 kJ / Mol CH 95 % = 2726,5 kJ 25 41 kJ = 88,5 % Mol Glucose = 18 0 g = 2870 kJ 4,2 Mol ATP % = 14 3,5 kJ Bảo tồn lượng dạng Thuỷ phân glucose sinh hoá 13 1 kJ / Mol Glucose 44 kJ / Mol ATP 0,1