Giáo trình vi sinh kỹ thuật môi trường

Giáo trình vi sinh kỹ thuật môi trường A. Nội dung cơ bản Chương 1. Tổng quan về vi sinh vật Chương 2. Các quá trình sinh lý cơ bản của vi sinh vật Chương 3. Sự chuyển hóa các hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ Chương 4. Sự chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ B. Ứng dụng Chương 5. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Chương 6. Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp sinh học

VI SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

VI SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNGA Nội dung cơbản

Chương 1 Tổng quan về vi sinh vật

Chương 2 Các quá trình sinh lý cơ bản của vi sinh vật

Chương 3 Sự chuyển hóa các hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ Chương 4 Sự chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ

B Ứngdụng

Chương 5 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Chương 6 Xử lý chất thải rắn bằng phương pháp sinh học

Tài liệu tham khảo:

Vi sinh kỹ thuật môi trường là học phần bắt buộc đối với sinh viên năm thứ 3 hệ Đại học và Cao đằng, thuộc khối kiến thức chuyên ngành bắt buộc.

Học phần này trình bày các kiến thức cơ sở về vi sinh vật, quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật cùng vai trò của chúng đối với hệ sinh thái và các ứng dụng trong công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường nhất là xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp, chất thải rắn có chứa hàm lượng chất hữu cơ cao.

Điều kiện tiên quyết: Kết thúc các môn học: Hóa hữu cơ, hóa sinh học, hóa môi trường.

Mục tiêu học phần

a Về kiếnthức:

- Hiểu rõ vai trò và tầm quan trọng của vi sinh vật đối với môitrường.

- Nắm được các khái niệm, đặc tính cơ bản của vi sinh vật, các quá trình sinh lý cơ bản của vi sinhvật.

- Nắm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật từ đó áp dụng hiệu quả vào trong quá trình xử lý môi trường nhờ vi sinhvật.

- Hiểu rõ quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ bởi vi sinh vật và ứng dụng trong công nghệ môitrường.

- Ứng dụng được quá trình sử dụng vi sinh vật vào xử lý nước thải và trong xử lý chất thải

- Nâng cao ý thức bảo vệ môitrường

- Đánh giá được tầm quan trọng của vi sinh vật và vai trò của vi sinh vật trong công nghệ môitrường.

- Chuẩn bị bài ở nhà và tích cực xây dựng bài trênlớp.

Mở đầu vi sinh vật và môi trường

Vi sinh vật là một thế giới sinh vật vô cùng nhỏ bé mà ta không thể quan sát thấy bằng mắt thường Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi, trong đất, trong nước, trong không khí, trong thực phẩm Vi sinh vật có mặt ở dưới những độ sâu tăm tối của đại dương Bào tử của nó tung bay trên những tầng cao của bầu khí quyển, chu du theo những đám mây Nó sống được trên kính, trên da, trên giấy, trên những thiết bị bằng kim loại

Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong thiên nhiên cũng như trong cuộc sống của con người Nó biến đá mẹ thành đất trồng, nó làm giàu chất hữu cơ trong đất, nó tham gia vào tất cả các vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên Nó là các khâu quan trọng trong chuỗi thức ăn của các hệ sinh thái Nó đóng vai trò quyết định trong quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên.

Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng vi sinh vật trong đời sống hàng ngày Các quá trình làm rượu, làm dấm, làm tương, muối chua thực phẩm đều ứng dụng đặc tính sinh học của các nhóm vi sinh vật Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò của vi sinh vật, thì việc ứng dụng nó trong sản xuất và đời sống ngày càng rộng rãi và có hiệu quả lớn Ví dụ như việc chế vacxin phòng bệnh, sản xuất chất kháng sinh và các dược phẩm quan trọng khác Đặc biệt trong bảo vệ môi trường, người ta đã sử dụng vi sinh vật làm sạch môi trường, xử lý các chất thải độc hại Sử dụng vi sinh vật trong việc chế tạo phân bón sinh học, thuốc bảo vệ thực vật không gây độc hại cho môi trường, bảo vệ mối cân bằng sinhthái.

Trong thiên nhiên ngoài những nhóm vi sinh vật có ích như trên, còn có những nhóm vi sinh vật gây hại Ví dụ như các nhóm vi sinh vật gây bệnh cho người, động vật và thực vật, các nhóm vi sinh vật gây ô nhiễm thực phẩm, ô nhiễm các nguồn nước, đất và không khí Nếu nắm vững cơ sở sinh học của tất cả các quá trình có lợi hay có hại trên, ta sẽ đưa ra được những biện pháp khoa học để pháthuynhững mặt có lợi và hạn chế những mặtgâyhại của vi sinh vật, đặc biệt là trong bảo vệ môi trường, bảo vệ sức khỏe cộngđồng.

Vi sinh vật là tên gọi chung để chỉ tất cả các sinh vật có hình thể bé nhỏ, muốn thấy rõ được người ta phải sử dụng tới kính hiển vi.

Virut là nhóm vi sinh vật đặc biệt, chúng nhỏ bé tới mức chỉ có thể quan sát được qua kính hiển vi điện tử Virut chưa có cả cấu trúc tế bào Các vi sinh vật khác thường là đơn bào hoặc đa bào nhưng có cấu trúc đơn giản và chưa phân hoá thành các cơ quan sinh dưỡng.

Vi sinh vật không phải là một nhóm riêng biệt trong sinh giới Chúng thậm chí thuộc về nhiều giới sinh vật khác nhau Giữa các nhóm có thể không có quan hệ mật thiết với nhau.

 Lịch sử phát triển của công nghệ sinh học và chế phẩm sinhhọc

Lịch sử phát triển của công nghệ sinh học (CNSH) đi từ sinh học mô tả đến sinh học thực nghiệm, những bước tiến bộ của khoa học về sự sống gắn liền với sự tiến bộ của vật lý, hoá học, cơ học và cả toán học Sự gắn bó ấy trước hết là do việc đưa vào ngành sinh học các phương pháp nghiên cứu mới, các thiết bị, công cụ có khả năng giúp con người ngày càng đi những bước sâu hơn vào thế giới vô cùng của sự sống Các phương pháp hóa học giúp chúng ta tìm hiểu thành phần của cơ thể và vai trò của các đại phân tử Kính hiển vi điện tử giúp chúng ta nhìn thấy và chụp ảnh các cấu trúc vi mô của tế bào, và gần đây còn chụp được cả phân tử protein đang hình thành với sự tham gia của các phân tử ARN thông tin trên riboxom Ảnh chụp chứng minh cho các giả thuyết trước đó và đến nay về cơ bản các quá trình quan trọng nhất của sự sống như di truyền, sinh trưởng phát triển, quang hợp, hô hấp đều đã được mô tả, lý giải chi tiết ở mức độ phân tử trong hầu hết các sách giáo khoa Tất cả mọi tích luỹ về lượng sẽ dẫn đến các bước nhảy vọt về chất Thập niên 1980 -1990 và các năm sau đó đang chứng kiến một sự kiện nhảy vọt về chất: đó là sự ra đời và bùng nổ của CNSH hay được gọi là Cuộc cách mạng CNSH Trong nông nghiệp còn gọi là “Cuộc cách mạng xanh lần thứhai”.

CNSH không phải là một môn khoa học như toán, lý, hoá, sinh học phân tử, mà là một phạm trù sản xuất Bản thân Công nghệ gen không phải là CNSH, mà chỉ là một thành phần chủ chốt và là cơ sở để giúp cho sự tiến bộ nhanh chóng của CNSH.

Các tác nhân dưới tế bào như Enzim cũng có thể tham gia vào quá trình CNSH, nó là một nhánh quan trọng của CNSH Nông nghiệp và công nghiệp truyền thống không phải là CNSH, vì không sử dụng tổng hợp các thành tựu hiện đại của nhiều bộ môn khoa học, nhưng CNSH có thể đóng góp rất lớn vào nông nghiệp và công nghiệp chế biến để đưa hai ngành sản xuất truyền thống này vào vị trímới.

CNSH không chỉ tạo ra thêm của cải vật chất, mà còn hướng vào việc bảo vệ và tăng chất lượng cuộc sống con người.

a) Giai đoạn trước khi phát hiện ra thế giới vi sinhvật

Từ xa xưa, năm 372 - 287 trước Công nguyên, nhà triết học cổ Hy Lạp (theo Phrastes) trong tập “Những quan sát về cây cối” đã coi cây họ đậu như một nguồn bồi bổ lại sức lực cho đất Nhận xét này đã được những người cổ La Mã quan tâm vào những năm 30 trước công nguyên Họ đã đề nghị luân canh giữa cây hoà thảo với cây họ đậu Trước thế kỷ 15, tất cả những sự kiện xảy ra trong tự nhiên và trong cuộc sống con người đều được cho là "do Chúa trời định sẵn hay maquỷám hình" Nhưng con người khi đó cũng đã biết áp dụng một số quy luật tất yếu của thiên nhiên vào trong cuộc sống, như: ủ men nấu rượu, xen canh hoặc luân canh giữa cây hoà thảo với cây họ đậu Họ không có khái niệm về bản chất của

cácc ô n g n g h ệ , m à h o à n t o à n l à m t h e o k i n h n g h i ệ m v à c ả m t í n h T u y nhiên,t ổ t i ê n c ủ a

chúng ta đã rất thành thạo trong việc sử dụng các phương pháp vi sinh vật để chế biến thực phẩm.

b) Giai đoạn phát hiện ra thế giới vi sinhvật

Thế kỷ 17, nhà bác học nổi tiếng người Hà Lan An Tôn Van Lơ Ven Húc (1632 -1723) đã chế tạo được loại dụng cụ bằng nhiều lớp kính ghép lại với nhau có độ phóng đại 160 lần, đó là kính hiển vi nguyên thuỷ Bằng loại dụng cụ này An Tôn Van Lơ Ven Húc đã phát hiện ra một thế giới mới đó là thế giới huyền ảo của các loài vi sinh vật Ông không chỉ là người đầu tiên phát hiện ra thế giới vi sinh vật, mà còn có rất nhiều công trình khoa học cơ bản được ông viết trong tuyển tập “Những bí ẩn của thiên nhiên” năm1695.

Đầu thế kỷ 19, nhiều công trình khoa học ra đời trong đó phải kể đến các công trình nghiên cứu của nhà bác học nổi tiếng người Pháp - Pasteur (1822 - 1895), tiếp đó là Ivanopkii (1864), Helrigell và Uyn Fac (1886), Vinagratxki, BeyJerinh, Kôk Những công trình nghiên cứu của họ là cơ sở cho sự phát triển của công nghệ vi sinh, nhờ đó một loạt các loại chế phẩm vi sinh vật ra đời, Pasteur đã chỉ ra rằng vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình lên men Kết quả nghiên cứu của Pasteur là cơ sở cho sự phát triển của công nghiệp lên men và sản xuất dung môi hữu cơ như: axeton (acetone), ethanol, butanol, izopropanol

c) Giai đoạn sản xuất và ứng dụng công nghệ vi sinhvật

Cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 Pasteur đã chế thành công Vaccine phòng bệnh dại (1885); năm 1886 Hellrigel và Uyn Fac đã tìm ra cơchếcủa quá trình cố định nitơ phân tử; năm 1895 - 1900 tại Anh, Mỹ, Ba Lan và Nga bắt đầu sản xuất chế phẩm vi sinh vật cố định nitơ phân tử; năm 1907 ở Mỹ người ta gọi chế phẩm vi sinh vật này là những chỉ nitơ; năm 1900 - 1914 nhiều nước trên thế giới triển khai sản xuất chế phẩm vi sinh vật: Canađa, Tân Tây Lan, Áo Theo Fret và cộng sự, thì trong thời gian này có 10 nhà máy xí nghiệp sản xuất chế phẩm vi sinh vật cố định nitơ phân tử, trong đó có 9 xí nghiệp ở châu âu và một xí nghiệp ở Tân Tây Lan Từ đó nhiều công trình nghiên cứu được công bố Từ năm 1964 vấn đề cố định nitơ phân tử được coi là một trong hai vấn đề quan trọng nhất của Chương trình sinh học quốc tế (IBP) Nhiều nhà khoa học đã ví “Mỗi nốt sần ở rễ cây họ đậu là một nhà máy sản xuất phân đạm tíhon”.

Nhờ có Chương trình trên nhiều loại chế phẩm vi sinh vật được ra đời, được áp dụng trong nhiều lĩnh vực nông nghiệp như: Chế phẩm vi sinh vật đồng hoá nitơ phân tử; Chế phẩm vi sinh vật đa chức năng; Chế phẩm vi sinh vật dùng trong bảo vệ thực vật; Vaccine phòng chống các loại bệnh cho người, gia súc gia cầm; Chế phẩm vi sinh vật xử lý ô nhiễm môi trường

Tại Việt Nam, nghiên cứu về chế phẩm vi sinh vật được tiến hành từ những năm đầu của thập kỷ 60 đến sau những năm 80 mới được đưavào các chương trình khoa học cấp Nhà nước như: “Sinh học phục vụ nông nghiệp” giai đoạn 1982 - 1990, chương trình "Công nghệ sinh học" KC.08 giai đoạn 1991 - 1995, Chương trình "Công nghệ sinh học phục vụ phát triển nông, lâm nghiệp bền vững, bảo vệ môi trường và sức khoẻ con người" KHCN.02 giai đoạn 1996 - 2000 và chương trình "Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ sinh học" giai đoạn sau 2001 Ngoài các chương trình Quốc gia nhiều Bộ, Ngành cũng triển khai nhiều đề tài, dự án về vấn đềnày.

1 Tầm quan trọng và vai trò của vi sinh vật

Vi sinh vật có tầm quan trọng đặc biệt đối với môi trường và hệ sinh thái:

- Chúng phân giải các chất hữu cơ thành vôcơ,cung cấp dinh dưỡng cho thảm thực vật, độngvật

- Tham gia vào tất cà các chu trình vật chất như: chu trình Carbon, Nitơ, phốt pho, lưu huỳnh

- Tham gia vào quá trình sinh trưởng và phát triển của động thựcvật - Tham gia vào quá trình tiến hóa, chọn lọc của tựnhiên

- Nhiều vi sinh vật có khả năng gây bệnh cho con người và động thựcvật

Vi sinh vật được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực của đời sống con người như:

Nông nghiệp

Tạo chủng vi sinh vật mới để làm giống sản xuất chế phẩm vi sinh vật, áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi, thuỷ hải sản, thuỷ nông cải tạo đất, phân bón, bảo vệ thực vật ).

Sản xuất hàng hóa Sản xuất acid hữu cơ (xitric axit, itaconic axit, acetic axit ), sử dụng Enzim làm chất tẩyrửa

Năng lượng Gia tăng phạm vi sử dụng biogas, xây dựng các dự án sản xuất ethanol dùng làm nhiên liệu (Xăng E5).

Kiểm soát môi trường

Hoàn thiện các phương pháp kiểm soát và dự đoán tình trạng môi trường Tuyển chọn chủng vi sinh vật để xử lý phế thải

thựcp h ẩ m , s ử d ụ n g p r o t e i n đ ơ n b à o v à E n z i m t r o n g c ô n g

nghệ chế biến thực phẩm.

Vật liệu

Hoàn thiện quy trình tuyển khoáng, tuyển chọn chủng vi sinh vật có khả năng khai thác kim loại, đá quý hiếm và hoàn thiện các phương pháp kiểm soát quá trình phá huỷ sinh học.

Y tế

Dùng Enzim tạo các bộ cảm biến sinh học trong các thiết bị phân tích y tế Sử dụng Enzim và tế bào vi sinh vật trong sản xuất các loại thuốc Sử dụng Enzim và một số chủng vi sinh vật để chẩn đoán và chữa trị bệnh.

Vai trò của chế phẩm vi sinh vật trong sản xuất nông nghiệp

- Chế phẩm vi sinh vật không gây hại đến sức khỏe của con người, vật nuôi và câytrồng - Không gây ô nhiễm môi trường sinhthái.

- Chế phẩm vi sinh vật có tác dụng cân bằng hệ vi sinh vật trong môi trường sinhthái - Chế phẩm vi sinh vật không làm chai đất, mà làm tăng độ phì nhiêu củađất.

- Chế phẩm vi sinh vật đồng hóa các chất dinh dưỡng cho cây trồng, góp phần làm tăng năng suất và chất lượng nông sảnphẩm.

- Chế phẩm vi sinh vật có tác dụng tiêu diệt sâu hại và côn trùng gâyhại - Chế phẩm vi sinh vật có tác dụng làm tăng sức đề kháng của câytrồng.

- Chế phẩm vi sinh vật phân huỷ, chuyển hoá các chất hữu cơ bền vững, các phế thải sinh hoạt, phế thải nông công nghiệp làm sạch môitrường.

 Triển vọng của CNSH và công nghệ vi sinh vật trong thế kỷ21

Hàng năm thế giới sản xuất khoảng 150.000 tấn glutamate-Na làm bột ngọt và

15.0 tấn lysine làm chất bổ sung vào thực phẩm và thức ăn gia súc với tổng trị giá chừng 1,5 tỷ USD, chủ yếu được sản xuất tại NhậtBản.

Người ta sử dụng khả năng biến đổi sinh khối thực vật có hàm lượng protein cao của vi sinh vật để sản xuất SPC (Single Protein Cell) - Protein đơn Ở Đức đã hoạt động quy

trình công nghệ nuôi nấm menSaccharomyces cerevisiae,CandidaarboreavàCandidautilisđể sản xuất thực phẩm giàu protein cho người Nhiều công ty dầu

khí và hoá chất đã tiến hành áp dụng quy trình công nghệ sản xuất SPC từ dầu mỏ, khí

methane,rượumethanol và tinh bột ở Anh, hãng ICI sử dụngMethylophilusmethylotrophustrên môi trường methanol sản xuất được khoảng 70.000 tấn/năm SPC có tên

Pruteen.ở L i ê n X ô c ũ , h à n g n ă m t ừ n g u ồ n n g u y ê n l i ệ u c a r b o h y d r a t e v à p h ế l i ệ u n ô n g

nghiệp đã sản xuất hơn 1 tỷ tấn SPC dùng trong chăn nuôi Trong tương lai, hướng nghiên cứu sử dụng AND tái tổ hợp làm gia tăng khả năng đồng hoá đạm của vi sinh vật sản xuất SPC sẽ có nhiều hứa hẹn.

 Một số khía cạnh kinh tế của CNSH vàCNVS

Chỉ tính riêng ngành sản xuất bia rượu của Anh hàng năm có doanh thu khoảng 15 tỷ USD, hoặc trên thế giới hàng năm sản xuất khoảng 3 tỷ USD thuốc kháng sinh, 1,5 tỷ USD amino acit, hơn 500 triệu USD các chế phẩm Theo đánh giá chưa đủ, thì năm 2000 tổng doanh thu từ CNSH trên 100 tỷ USD.

Ở Việt Nam, CNSH đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, mặc dù CNSH và CNVS ở nước ta còn nhiều hạn chế, nhưng những năm qua đã thực sự góp phần thúc đẩy phát triển nền nông nghiệp nước nhà theo hướng công nghiệp hoá hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn Phương hướng phát triển kinh tế xã hội ở nước ta đến năm 2010 đã được Đảng và Nhà nước chỉ rõ đó là: “Cách mạng tin học và cách mạng CNSH giữ vai trò độnglực”.

Vi sinh vật(microbiologic; microorganisms)là tên gọi chung để chỉ tất cả các sinh vật

có hình thể nhỏ bé không thể quan sát được bằng mắt thường, muốn thấy rõ người ta phải sử dụng tới kính hiểnvi.

Virut(Virus)là nhóm vi sinh vật đặc biệt, chúng nhỏ bé tới mức chỉ có thể quan sát

được qua kính hiển vi điện tử Virut chưa có cả cấu trúc tế bào Các vi sinh vật khác thường là đơn bào hoặc đa bào nhưng có cấu trúc đơn giản và chưa phân hoá thành các cơ quan sinh dưỡng.

Vi sinh vật không phải là một nhóm riêng biệt trong sinh giới Chúng thậm chí thuộc về nhiều giới sinh vật khác nhau Giữa các nhóm có thể không có quan hệ mật thiết với nhau.

1.1.2 Đặc điểmchung

Chúng có chung những đặc điểm sau đây:

1 Kích thước nhỏbé

Mắt con người khó thấy được rõ những vật nhỏ hơn 1mm Vậy mà vi sinh vật thường được đo bằng micromet 1μm = 10m = 10-3mm (μm = 10m, picrometre), virut thường được đo bằng nanomet (nm, nanometre).; 1nm = 10-6mm, 1A (angstrom) = 10-7mm Vì vi sinh vật có kích thước nhỏ bé cho nên diện tích bề mặt của một tập đoàn vi sinh vật hết sức lớn Chẳng hạn số lượng cầu khuẩn chiếm thể tích 1 cm3có diện tích bề mặt là khoảng 6m2.

2 Cấu trúc đơngiản

Phần lớn các vi sinh vật chỉ có cấu trúc đơn bào, thậm chí còn chưa có cấu trúc tế bào như virus, có những vi khuẩn còn không có nhân thật.

3 Hấp thu nhiều, chuyển hoánhanh

Vi sinh vật tuy nhỏ bé chất trong sinh giới nhưng năng lực hấp thu và chuyển hoá của

chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao Chẳng hạn vi khuẩnLactic (Lactobacillus)trong

1h có thể phân giải một lượng đường lactozơ nặng hơn 1.000 - 10.000 lần khối lượng của chúng.

4 Sinh trưởng nhanh, phát triểnmạnh

So với các sinh vật khác thì vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và sinh sôinảynở cực kỳ

lớn Vi khuẩnEscherichia Colitrong các điều kiện thích hợp cứ khoảng 12 - 20 phút lại phâncắt một lần Nếu lấy thời gian thế hệ(generation time)là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần,

24 giờ phân cắt 72 lần, từ một tế bào ban đầu sẽ sinh ra 272tế bào Tất nhiên trong thực tế không thể tạo ra các điều kiện sinh trưởng lý tưởng nhưvậyđược cho nên số lượng vi khuẩn thu được trong 1ml dịch nuôi cấy thường chỉ đạt tới mức độ 108 - 109 tế bào Thời gian thế

hệ của nấm menSaccharomyces cerevisiaelà 120 phút Khi nuôicấyđể thu nhận sinhkhối(biomass)giàu protein phục vụ chăn nuôi người ta nhận thấy tốc độ sinh tổnghợp(biosynthesis)của nấm men này cao hơn của bò tới 100.000 lần Thời gian thế hệ củatảoChlorellalà 7 giờ, của vi khuẩn lamNostoclà 23giờ.

5 Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biếndị

Năng lực thích ứng của vi sinh vật vượt rất xa so với động vật và thực vật Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất bất lợi Người ta nhận thấy số lượng enzim thích ứng chiếm tới 10% lượng chứa protein trong tế bào vi sinh vật Sự thích ứng của vi sinh vật nhiều khi vượt quá trí tưởng tượng của con người Phần lớn vi sinh vật có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-1960C), thậm chí ở nhiệt độ của hydro lỏng (-2530C) Một số vi sinh vật có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 2500C, thậm chí 3000C Một số vi sinh vật có thể thích nghi với nồng độ 32% NaCl (muối ăn) Vi

khuẩnThiobacillusthioxidanscó thể sinh trưởng ở pH = 0,5 trong khi vi khuẩnThiobacillusdenitrificanscó thể sinh trưởng ở pH = 10,7 Vi khuẩnMicrococus radioduranscó thể chịu

được cường độ bức xạ tới 750.000 rad Ở nơi sâu nhất trong đại dương (11.034 m) nơi có áp lực tới 1.103,4 atm vẫn thấy có vi sinh vật sinhsống.

Nhiều vi sinh vật thích nghi với điều kiện sống hoàn toàn thiếu oxi(vi sinh vật kịkhíbắt buộc - obligate anaerobes) Một số nấm sợi có thể phát triển thành váng dày ngay

trong bể ngâm xác có nồng độ phenol rất cao.

Vi sinh vật rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống Hình thức biến dị thường gặp là đột biến gen và dẫn đến những thay đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, sản phẩm trao đổi chất, tính kháng nguyên, tính đề kháng Chẳng hạn khi mới tìm thấy khả năng sinh

chất kháng sinh của nấm sợiPenicillium Chrysogenumngười ta chỉ đạt tới sản lượng 20 đơn

vị penixilin trong 1ml dịch lên men Ngày nay trong các nhà máy sản xuất penixilin người ta đã đạt tới năng suất 100.000 đơn vị/ml Bên cạnh các biến dị có lợi, vi sinh vật cũng thường sinhranhữngbiếndịcóhạiđốivớinhânloại,chẳnghạnbiếndịvềtínhkhángthuốc.Năm

1946tỷlệ các chủngStaphylococcusaureuskháng thuốc phân lập được ở bệnh viện là khoảng

14%, năm 1996 đã tăng lên đến trên 97% Người ta chỉ tiêm cho bệnh nhân mỗi ngày khoảng 100.000 đơn vị penixilin, ngày nay có lúc phải tiêm đến 10.000.000 - 200.000.000 đơnvị.

6 Phân bố rộng, chủng loạinhiều

Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất Chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong đất, trong nước, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm cho đến nước biển Trong đường ruột của người thường có không dưới 100 - 400 loài vi sinh vật khác nhau, chúng chiếm tới 1/3 khối lượng khô của phân Chiếm số lượng cao nhất trong đường ruột của người là vi

khuẩnBacteroides fragilis, chúng đạt tới số lượng 1010- 1011/g phân (gấp 100 - 1000 lần số

lượng vi khuẩnEscherichiacoli).

Ở độ sâu 10.000 m của Đông Thái Bình Dương, nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo và có áp suất rất cao người ta vẫn phát hiện thấy có vi khuẩn sinh sôi và phát triển.

1.1.3 Vi sinh vật có vai trò to lớn đối với hệ sinh thái cũng như đối với đời sống conngười

- Vi khuẩn và vi nấm là sinh vật phân giải các chất hữu cơ thành các chất vô cơ trong chu trình chuyển hoá vật chất của hệ sinhthái.

- Vi sinh vật có ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực y tế, đóng góp trong việc tìm kiếm nhiều loại dược phẩm quan trọng, chuẩn đoán và điều trị nhiều loại bệnh hiểm nghèo cho con người và gia súc giacầm:

o Vaccine: Trong quá trình tìm kiếm các biện pháp, thuốc phòng và trị các loại bệnh truyền nhiễm công nghệ vi sinh đã tạo ra vaccine, nhất là vaccine thế hệ mới Vaccine thế hệ mới có những ưu diểm là: Rất an toàn cho người sử dụng vì không chế từ các vi sinh vật gây bệnh, giá thành hạ vì không nuôi cấy virus trên phôi thai gà hay các tổ chức mô động vật rất tốn kém và phứctạp.

 Vaccine ribosome: Cấu tạo từ ribosome của từng loài vi khuẩn gây bệnh (thương hàn, tả, dịch hạch ), ưu điểm của loại vaccine này là ít độc và có tính miễn dịchcao.

 Vaccine các mảnh của virus: Là vaccine chế tạo từ glycoprotein của vỏ virus gây bệnh như viruscúm

 Vaccine kỹ thuật gen: Là vaccine chế tạo từ vi khuẩn hay nấm men tái tổ hợp có mang gen mã hóa việc tổng hợp protein kháng nguyên của một virus hay vi khuẩn gây bệnh nàođó.

o Insulin: Việc sản xuất insulin ở quy mô công nghiệp ngày càng là một thành công rực rỡ của công nghệ sinh học Insulin là một protein được tuyến tụy tiết ra nhằm điều hòa lượng đường trong máu Thiếu hụt insulin trong máu sẽ làm rối loạn hầu hết quá trình trao đổi chất ở cơ thể dẫn đến tích nhiều đường trong nước tiểu Để điều trị bệnh này người bệnh phải tiêm insulin Loại insulin chế từ tuyến tuỵ của gia súc hay được tổng hợp insulin bằng con đường hóa học Quá trình tổng hợp rất phức tạp, rất tốn kém Năm 1978, H Boger đã chế insulin thông qua kỹ thuật di truyền trên vi

khuẩnEscherichiacoli, cụ thể người ta đã chuyển gen chi phối tính trạng tạoinsulin của người sang choEscherichia coli VớiEscherichia coliđã tái tổ hợp

gen này, qua nuôi cấy trong nồi lên men có dung tích 1000 lít, sau một thời

thuđược200gaminsulintươngđươngvớilượnginsulinchiếtrúttừ8.000-10.000 con bò.

o Interferon: Interferon có bản chất protein, là chất giúp cho cơ thể chống lại được nhiều loại bệnh Để có được interferon người ta phải tách chiết chúng từ huyết thanh của máu nên rất tốn kém Cũng như insulin, người ta chế interferon thông qua con đường vi sinh vật Năm 1980, Gilbert đã thành công

trong việc chế interferon từEscherichia coli, năm 1981 họ thu nhận interferontừ nấm menSaccaromyces cerevisiaecho lượng tăng gấp 10.000 lần so với ở tếbàoEscherichiacoli.

o Kích tố sinh trưởng HGH (Human growth hocmone) HGH được tuyến yên tạo nên, thông thường muốn chế được HGH người ta phải trích từ tuyến yên tử thi, mỗi tử thi cho 4 - 6mg HGH, theo tính toán muốn chữa khỏi cho một người lùn phải cần 100 - 150 tử thi Năm 1983, sự thành công của công nghệ vi sinh đã giúp con người chế được HGH từ vi sinh vật Cứ 1 lít dịch lên

menEscherichia colithu được lượng HGH tương ứng với 60 tửthi.

o Chất kháng sinh Kháng sinh chế từ vi sinh vật được con người đầu tư sản xuất từ lâu Đến nay người ta đã tìm thấy có tới hơn 2.500 loại thuốc kháng sinh với cấu trúc phân tử đa dạng trong số đó chủ yếu có nguồn gốc từ vi sinhvật - Vai trò cùa vi sinh vật trong lĩnh vực nôngnghiệp:

o Cải tạo giống cây trồng: Thông quakỹthuật di truyền với sự hỗ trợ của vi sinh vật, con người đã tạo ra được giống cây trồng có nhiều tính ưu việt đó là cho năng suất cao, chất lượng nông sản tốt, sức đề kháng sâu bệnh cao

o Sản xuất phân bón vi sinh vật: Phân bón vi sinh vật là sản phẩm chứa một hay nhiều loài vi sinh vật sống đã được tuyển chọn có mật độ đảm bảo các tiêu chuẩnđãbanhànhcótácdụngtạoracácchấtdinhdưỡnghoặccáchoạtchất

sinh học có tác dụng nâng cao năng suất, chất lượng nông sản hoặc cải tạo đất Các loại phân bón vi sinh vật có thể kể đến là phân vi sinh vật cố định nitơ -đạm sinh học (Nitragin, Azotobacterin, Azospirillum), phân vi sinh vật phân

giải hợp chất phốtpho khó tan - phân lân vi sinh(Photphobacterin), chế phẩm

nấm rễ, chế phẩm tảo lam

o Sản xuất phân hữu cơ sinh học, một loại sản phẩm được tạo thành thông qua quá trình lên men vi sinh vật các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc khác nhau (phế thải nông, lâm nghiệp, phế thải chăn nuôi, phế thải chế biến, phế thải đô thị, phế thải sinh hoạt ), trong đó các hợp chất hữu cơ phức tạp dưới tác động của vi sinh vật hoặc các hoạt chất sinh học của chúng được chuyển hoá thành mùn.

o Sản xuất thức ăn chăn nuôi: Một loạt vi sinh vật có khả năng chuyển hoá các hợp chất cacbon hữu cơ thành protein và các axit amin, vitamin Có thể lợi dụng khả năng này của vi sinh vật để sản xuất các loại protein đậm đặc làm thức ăn chănnuôi.

o Sản xuất chất kích thích sinh trưởng Gibberellin, Aucin từ vi sinhvật.

o Sản xuất chế phẩm vi sinh vật dùng trong bảo vệ thực vật: Biospor, Enterobacterin,Bathurin,

- Vai trò của vi sinh vật trong lĩnh vực côngnghiệp:

o Sản xuất cồn làm nguồn năng lượng thay xăng dầu chạy xe các loại: vi sinh vật lên men nguyên liệu rẻ tiền như rỉ đường để sản xuất cồn chạy xe thay xăngdầu.

o Tạo khí sinh học (Biogas): Thường Biogas chứa khoảng 60 - 80% khí metan(CH4) được sinh ra trong quá trình lên men các phế thải hữu cơ Nguyên lýcủa quá trình này là lên men yếm khí của nhóm vi sinh vật yếm khí chịu nhiệt Trong quá trình phânhuỷchuyển hóa các hợp chất hữu cơ người ta thu được biogas, phần cặn bã còn lại làm phân bón cho câytrồng.

o Bảo vệ môi trường: Công nghệ vi sinh đã tham gia tích cực trong vấn đề xử lý phế thải công nông nghiệp, rác thải sinh hoạt, nước thải làm sạch môi trường bằng công nghệ vi sinh vật hiếu khí, bán hiếu khí và yếm khí Đây là vấn đề nóng hổi, cấp thiết trên toàn cầu hiệnnay.

Vi sinh vật mang lại lợi ích cho con người trong nhiều lĩnh vực công nghệ chế biến thực phẩm, dược phẩm, công nghệ sinh học và môi trường.

1.1.4 Các nhóm vi sinhvật

o Vi khuẩn (vitrùng) o Virut

Hình 1.1 Cấu tạo vi khuẩn

Đơn bào, cấu trúc rất đơn giản, cấu tạo tế bào gồm

- Màng tế bào vi khuẩn: Chủ yếu là Protetin vàLipoprotein - Màng Nguyên sinhchất:

- Các bào quan: Hay còn gọi là cơ quan của tế bào, là cấu trúc gồm các đại phân tử và phức hợp trên phân tử có chức năng nhất định trong tếbào.

Nếu vi khuẩn có nhân thật thì sẽ có màng nhân, nếu không có nhân thì sẽ không có màng nhân.

- Riboxom: Tổng hợpProtein

- Mezexom: Tổng hợp ATP (AdenosinTriphosphat)

ATPlà phân tử mangnăng lượng, có chức năng vận chuyển năng lượng đếncácnơi cần thiết chotế bàosử dụng Chỉ có thông qua ATP, tế bào mới sử dụng đượcthế năng hóa học cất giấu trong cấu trúc phân tử hữu cơ.

- Thể Golgi: Là một bào quan trong phần lớn tế bào nhân khuẩn kể cả động vật và thực vật nhưng không có ở nấm Chức năng chính là tổng hợp và bao gói Protein vàLipit.

- Các thể vùi: Các dạng dự trữ (Lipit dưới dạng hạt lipit, Gluxit dưới dạng hạt tinh bột, và hạt Volutin – các hợp chất hữu cơ chứaNitơ)

Các chất dinh dưỡng của vi sinh vật (các chất ô nhiễm) được khuyếch tán vào trong tế bào, nếu các chất có phân tử lượng lớn trong môi trường kích thích vi sinh vật tổng hợp Enzim để phân hủy thành các chất có phân tử lượng nhỏ hơn Các sản phẩm trao đổi chất sẽ được đẩy ra tế bào ra môi trường ngoài, ngoại trừ các Enzim nội bào và sinh khối Protein Màng tế bào của:

- Vi khuẩn: Chủ yếu là Protein vàLipoprotein - Nấm men: Gluxit dưới dạng Manman vàGlucan

o Tụ cầu khuẩnHình que (trực khuẩn):

Hình 1.4 Trực khuẩn

 Trực khuẩn có bào tử:Bacilaceaecó hainhóm

 Bacillus: mảnh nhỏ, bào tử nhỏ không làm biến dạng tếbào

 Clostridium: kích thước lớn, bào tử lớn đến mức làm biến dạng

 Trực khuẩn không bào tử:Bacteriaceae

 Kích thước khác nhau, có nhiều hình dạng khácnhau.

 Có thể xếp chuỗi, bên ngoài có màng để chúng dính bám vào vớinhau

o Hình xoắn (Xoắn khuẩn –Spirochaetae) có haidạng:

Hình 1.5 Xoắn khuẩn

 Xoắn khuẩn nửa vòng xoắn(phẩy khuẩn -Vibrio)

Có một số phẩy khuẩn có lợi.

Thường thấy phẩy khuẩn gây bệnh tả(Vibrio Choleras)

 Xoắn khuẩn(Spirillum)

 Xoắn khuẩn giang mai: nhiều vòng xoắn và vòng xoắn rất đều, có thể xâm nhập vào cơ thể bằng nhiều con đường khác nhau, niêm mạc mắt, viêm loét da, đường sinhdục.

 Xoắn khuẩn Fe và S: vòng xoắn dãn không đều, có khả năng vô cơ hóa Fe vàS

o Vi khuẩn dạng sợi(Micro –Thithrix)

Hình 1.6 Vi khuẩn dạng sợi

Trong quá trình xử lý nước thải, các vi khuẩn dạng sợi làm khối bông bùn xốp trắng, làm cho bông bùn nhẹ, lớn, tỷ trọng nhỏ khó lắng, gây khó khăn trong quá trình lắng bùn, tuần hoàn bùn, xử lý nướcthải.

3 Đặc tính sinh lý quan trọng của vi khuẩna, Sự diđộng

- Di động nhờ tiêm mao: Tiêm mao là sợi nguyên sinh chất kéo dài từ tếbào.

o Đơn mao khuẩn (1 tiêm mao):monotricha

o Chùm tiêm mao: thông thường có từ 3 đến 5 tiêm mao ở đầu:lophotrichao Hai chùm tiêm mao ở hai đầu: chuyển động lắc lư:amphitricha

o Tiêm mao xung quanh: gần như không chuyển động:peritricha

Tiêm mao giúp vi khuẩn chuyển động trong môi trường từ nơi này đến nơi khác - Di động nhờ đàn hồi uốn khúc:

Có hai dạng đàn hồi uốnkhúc:

o Đàn hồi uốn khúc nguyên sinh chất: ở vi khuẩn màng nhày(Myxobacterium),là tế

bào xung quanh là khối nhày, khối nhày có thể co dãn để giúp vi khuẩn diđộng o Uốn khúc: đối với xoắn khuẩn, uốn khúc vòng xoắn để di động.

Nhờ đàn hồi mà giúp vi khuẩn phát tánnhanh.

b, Sự tạo nha bào

Chức năng của nha bào là bảo vệ tế bào vi khuẩn, giúp vi khuẩn bám dính vào giá thể và bám dính vào nhau.

- Nha bào giống màng nhày bên ngoài vi khuẩn, giúp cho tế bào vi khuẩn có thể liên kết vớinhau.

- Bản chất của nha bào làGluxit.

- Vi khuẩn liên kết với nhau tạo bông sinh học (bùn hoạttính).

- Nha bào được hình thành trong môi trường giàu Gluxit (giàu C, nghèoN).

Trong bể xử lý nước thải Aeroten: với tỉ lệ C/N/P = 100/5/1 Vi khuẩn tạo nha bào cho ta khối bông bùn ở kích thước tiêu chuẩn 50 - 200µm, có lợi trong xử lý nước thải.

Đối với quá trình xử lý sinh học sự tạo nha bào rất quan trọng giúp vi khuẩn bám dính vào giá thể, tạo bông bùn sinhhọc.

c, Sự tạo bào tử

Chức năng của bào tử là giúp vi khuẩn tồn tại khi môi trường bất lợi; nhiệt độ cao, phóng xạ, tia tử ngoại, các chất độchại…

- Điều kiện tạo bàotử:

Vi khuẩn tạo bào tử khi môi trường không thích hợp:

o pH, nhiệt độ vượt quá ngưỡng giớihạn o Các chất độc với vi sinhvật

o Các điều kiện vật lý như tia phóng xạ, tia tửngoại…

Các vi khuẩn tạo bào tử sẽ tồn tại được, các vi khuẩn không tạo bào tử sẽ chết - Bào tử của vi khuẩn là dạng tĩnh, gần như không trao đổichất.

- Sự hình thành bào tử, gồm các giai đoạnsau: o Mất nước tựdo:

Nước trong tế bào gồm Nước tự do và Nước liên kết:

 Nước tự do chiếm khoảng 55% thành phần tế bào vi khuẩn, với chức năng hòa tan, khuếch tán chất dinh dưỡng và hoạt hóa Enzim Khi mất nước tự do sẽ làm rối loạn quá trình trao đổichất.

 Nước liên kết: nằm trong cấu trúc tế bào, mất nước liên kết cấu trúc tế bào sẽ bị phá vỡ, dẫn đến quá trình tạo bàotử.

Quá trình mất nước tự do: Không trao đổi chất, Enzim vô hoạt, Nguyên sinh chất co lại tạo vùng bào tử Đồng thời với quá trình mất nước tự do, xảy ra quá trình hấp phụ Canxi rất mạnh và tổng hợp Axit dipicolinic tạo Canxidipicolinat tạo màng bào tử (cấu trúc lên màng bào tử).

o Tạo màng bàotử:

Bào tử không trao đổi chất, vòng bào tử được hình thành từ màng Nguyên sinh chất Trong điều kiện thuận lợi trở lại tế bào vi khuẩn sẽ tái sinh từ bào tử.

o Quá trình tái sinh (bào tử nảymầm):

Để tái sinh bào tử hấp thụ nước tự do, hoạt hóa các Enzim, phá vỡ màng bào tử, Nguyên sinh chất trương nở, tổng hợp màng Nguyên sinh chất, màng tế bào.

Thời gian hình thành bào tử từ 4 đến 8h.

Thời gian tồn tại của bào tử khi ở nhiệt độ thấp có thể lên đến hàng nghìn năm - Tính chất của bàotử:

o Bền nhiệt, có thể chịu được nhiệt độ cao Muốn khử được bào tử thì dùng hơi quá nhiệt 1210C Thanh trùng bằng sức nóng khô trong 2h ở nhiệt độ1700C.

o Chịu được nồng độ hóa chất cao:

 5% Phenol trong 15h (tế bào dinh dưỡng sẽ chết ngay ở 1%phenol)

 1% HgCl2trong 45 phút (tế bào dinh dưỡng chỉ chịu được 5phút)

Do bào tử có Lipoprotein rất dày làm quá trình khuếch tán chất độc vào trong tế bào khó khăn và chậm Bên cạnh đó bào tử còn có Peptidoglucan hạn chế thẩm thấu chất độc vào tếbào.

o Khả năng chịu được các tia năng lượng, phóng xạ và tia tử ngoại do có axit amin; Xistin và Reratin giàu năng lượng,bền.

1.2.2 Nhóm xạ khuẩn(Actinomyeetes)

Hình 1.7 Xạ khuẩn và khả năng tạo khuẩn lạc của xạ khuẩn

Cấu trúc hoàn toàn khác với vi khuẩn Xạ khuẩn có cấu trúc dạng sợi chủ yếu là sợi đa bào tạo khuẩn lạc dày, xù xì Tạo bào tử dưới dạng bào tử đính.

Dạng sợi (khuẩn ty):

- Ăn sâu vào môi trường: khuẩn ty cơ chất, có chức năng lấy dinh dưỡng từ môi trường.

- Bám dính trên bề mặt môi trường: khuẩn ty kí sinh,lấyoxy từ môi trường để thực hiện trao đổi chất, mang cơ quan sinh sản là bàotử.

Đặc tính sinh lý:

- Phương thức hô hấp: hô hấp hiếukhí

- Phương thức dinh dưỡng: dị dưỡng Carbon (Xạ khuẩn chỉ có thể chuyển hóa Carbon dưới dạng các hợp chất hữucơ).

Xạ khuẩn có phần giống vi khuẩn như: - Có cấu tạo tế bào đơngiản - Sinh sản bằng phân đôi đơngiản.

- Không có giới tính: không sinh sản hữutính - Cấu trúc nhân tế bào đơngiản.

Xạ khuẩn có vai trò:

- Xạ khuẩn có khả năng tổng hợp các chất kháng sinh Ví dụ:Streptomycestổng hợp

kháng sinhStreptomycin.

- Xạ khuẩn có khả năng tông hợp Enzim Zenlulaza rất mạnh, rất bền, ứng dụng nhiều trong xử lý nước thải nhà máygiấy.

- Một số xạ khuẩn có khả năng tổng hợp các chất kích thích sinh trưởng thực vật dạng

- Là nấm đơn bào, kích thước 5 - 10µm, phương thức hô hấptùytiện:

o Nếu không có oxy: thực hiện quá trình lên men (lên men rượu, bia, thức ăn chăn nuôi, nước giảikhát…).

o Nếu có oxy: thực hiện quá trình oxy hóa, sản xuất sinh khối Trong môi trường đủ oxy nấm men sinh trưởng rất nhanh, thời gian thế hệ từ 2 - 4h, tốc độ sinh trưởng riêngµmaxtừ 0,3 - 0,4 Được ứng dụng trong sản xuất bánh mì, bánhbao.

- Phương thức dinh dưỡng: dị dưỡng Carbon, chỉ có khả năng chuyển hóa Carbon dinh dưỡng hữu cơ Đặc biệt chuyển hóa rất nhanh đường, tinh bột (chủng

Tại Nhật sản xuất đường Glucoza từ tinh bột bằng nấm men, đường thu được rất tinh khiết và không phải tẩy màu.

- Phương thức sinhsản:

a, Sinh sản bằng nảy chồi, chồi phát triển to ra đến khi bằng ½ tế bào mẹ thì tách ra.

Hình 1.9 Sự nảy chồi ở nấm men

Dựa vào tỉ lệ nảy chồi để đánh giá canh trường già hay trẻ: o Canh trường trẻ số tế bào nảy chồi >75%

o Canh trường già số tế bào nảy chồi<15%.

Trong cấu trúc của nấm men có không bào, khi nấm men nhỏ không bào nhỏ, khi nấm mem già không bào của nấm men rất lớn có thể làm biến dạng tếbào.

Nảy chồi là phương thức sinh sản dinh dưỡng (cùng một tế bào nấm men có thể có nhiều điểm nảy chồi, từ điểm mắt này có thể nảy chồi khác), nên nấm men sinh sản rất nhanh.

b, Sinh sản vô tính bằng bào tử

Quá trình hình thành bào tử khác hoàn toàn với vi khuẩn.

Điều kiện: ở tế bào già phân chia nhân 2, 3 lần tạo 4, 8 bào tử vẫn nằm trong tế bào trong một túi gọi là túi nang Nang già giải phóng ra 4, 8 tế bào phát triển thành 4, 8 tế bào dinh dưỡng.

c, Sinh sản hữu tính

Có khả năng sinh sản hữu tính bằng hợp tử, chỉ xảy ra trong quá trình lai tạo nấm men trong phòng thí nghiệm, đây là quá trình lai tạo hai nấm men khác dấu tạo thành hợp tử Hợp tử phân chia 1, 2, 3 lần tạo thành đẳng giao tử và dị giaotử:

- Đẳng giao tử: sản phẩm tạo thành giống nhau y hệt, hình dạng và kích thước như nhau.

- Dị giao tử: đặc tính sinh lý giống nhau nhưng khác nhau về hình dạng và kíchthước.

2 Nấmmốc

Hình 1.10 Nấm mốc

- Dạng sợi đơn bào – đa bào phânnhánh

- Sợi dưới dạng khuẩn ty, trong cấu trúc sợi có thể phát sinh tế bào dày (do nghèo dinh dưỡng) giữa các sợi nấm, tại đó tế bào dày hay đứtgãy.

- Đặc tính sinhlý:

o Phương thức dinh dưỡng: dị dưỡng Carbon, sinh trưởng ký sinh hoặc hoạisinh o Phương thức hô hấp: hô hấp hiếukhí.

o Phương thức sinhsản

 Sinh sản dinh dưỡng bằng một đoạn sợi (hạchnấm)

 Sinh sản vô tính bằng bào tử (bào tử luôn tồn tại trong môi trường khôngkhí).

 Nấm mốc đa bào sinh sản vô tính bằng bào tử ngoại sinh (bào tử dính, gọi là bào tử dính vì không có túi bọc, sinh ra thường dính vàonhau)  Nấm mốc đơn bào sinh sản bằng bào tử nộisinh

 Sinh sản hữu tính bằng hai đoạn sợi tạo thành hợp tử (trong phòng thí nghiệm)

1.2.4 Nhóm vi tảo(Algue)

Trong công nghệ môi trường chỉ quan tâm đến các chủng loại vi tảo: đơn bào hoặc đa bào, dạng sợi, kích thước nhỏ và có cấu trúc đơn giản.

Đặc trưng của vi tảo:

- Quang hợp tự dưỡng Carbon và tạo sinh khối rất mạnh, trong quá trình dinh dưỡng một số tảo còn có khả năng đồng hóa Nitơ khôngkhí.

- Vi tảo khác với vi sinh vật khác: Tảo tự dưỡng Carbon và tự dưỡng Nitơ, hàm lượng Protein trong vi tảo rất cao 40 - 45%, giàu vitamin, đặc biệt là vitamin nhóm C và nhóm B (viên tảo có khả năng phục hồi sức khỏetốt).

1.2.4.1 Đặc tính, hình thái cấu trúc của vitảo

oCó đặc điểm không tạo sợi, liên kết của chuỗi tế bào (ví dụ:Spinuniacó 5 - 7 vòng

xoắn do các tế bào dính vào nhau, môi trường tốt có 7 vòng xoắn nếu môi trường không đảm bảo thì các vòng xoắn sẽ giãn và gãy ra, tảo không còn màu xanh nữa mà ngả sang màu vàng).

- Tảo sợi đơnbào

Khác với nấm là sợi tảo rất ít phân nhánh và chia làm hai loại:

o Dạng sợi: các tế bào có kích thước tương tự nhau và rất đều nhau (quan sát dưới kính hiển vi có thể thấy Nguyên sinh chất đảo trộn trongđó)

o Dạng dị sợi: kích thước không đều, phân nhánhmạnh

- Trong quá trình sinh trưởng một số tảo có khả năng chuyển động (chỉ trong giai đoạn sinh trưởng) bằng tiêm mao Do chuyển động được nên nó phát tán nhanh, tảo chuyển động có tiêm mao liên kết thành một khối đặc tạo thành một tập đoàn chuyển động.

Tạo dạng sợi không chuyển động

2 Cấutrúc

Cấu trúc của tảo gồm:

- Sắc tố của tảo tồn tại dưới badạng:

o Diệp lục tố (chlorophyl): tảo lam, tảolục o Tiền Vitamin A (Carotenoit): tảo đỏ, tảovàng

o Sắc tố vàng ngả xanh (phycobilin): màu vàng nhạt thường có ở tảo vàng, tảo lục

- Sắc tố của tảo được cấu trúc bởi các sắcthể.

o Sắc thể là các bản mỏng như thấu kính chứa đầy Protein Tất cả các bản mỏng này đều liên kết với nhau trong một cấu trúc gọi là Quantoxom (Quang tụ thể) Quantoxom chứa 230 phân tử diệp lục tố, trọng lượng phân tử khoảng 2,1 triệu đơnvị.

o Chức năng: quang tụ thể tiếp nhận năng lượng mặt trời chuyển đến Mitochondrien và Golgiapparat tại đây năng lượng mặt trời sẽ được chuyển thành năng lượng hóa năng Năng lượng hóa năng được dùng cho quá trình trao đổi chất, di động và tổng hợpATP.

- Khôngbào

o Không bào của vi khuẩn: chứa các sản phẩm trao đổi chất, trong trường hợp cần thiết nó thải ra ngoài giúp điều hòa áp xuất thẩm thấu của tếbào.

o Không bào nấm men: chứa các sản phẩm trao đổi chất và hạt muối giúp điều hòa áp xuất thẩmthấu

Khác với vi khuẩn và nấm men:

Không bào của vi tảo chứa khí giúp tảo nổi lên bề mặt môi trường để tiếp nhận được năng lượng mặttrời.

- Điểm mắt(Stigma)

Là điểm màu đỏ nằm trong tảo, thực chất là một dạng lạp thể chuyển hóa.

Điểm mắt có chức năng nhận biết ánh sáng mặt trời, trong trường hợp tảo vận động điểm mắt giúp tảo cảm nhận được ánh sáng mặt trời và chuyển động đến.

1.2.4.2 Đặc tính sinh lý củatảo

Dinh dưỡng của tảo

Tảo có sắc tố có khả năng sử dụng năng lượng mặt trời đồng hóa Carbon dạng vô cơ(CO2) Tảo thuộc nhóm tự dưỡng Carbon bằng quá trình quang hợp nên gọi là tự dưỡngquang năng (giống cây xanh).

Quá trình dinh dưỡng của tảo (quá trình đồng hóa):

Là một chuỗi các phản ứng hóa học, gồm hai giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Dưới tác dụng của các Enzim quang hóa và năng lượng mặt trời xảy ra quá trình phân lynước:

Enzim quang hóa

O2-Diệp lục tố (Chlorophyl)

- Giai đoạn 2: khử CO2, thực chất là chuyển Carbon vô cơ thành Carbon hữucơ

Enzim quang hóa

Năng lượng Mặt trời

HCHO là nguyên liệu để tổng hợp Gluxit Quá trình tổng hợp Polysacarit xảy ra ở ánh sáng đỏ, quá trình tổng hợp Protein xảy ra ở bước sóng nhỏ hơn như lam, tím Polysacarit và Protein là sinh khối củatảo.

Cường độ quang hợp của tảo phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường: o Nồng độ CO2càng lớn thì cường độ quang hợp của tảo cànglớn o Cường độ chiếusáng

o Nhiệt độ môitrường

Có một số tảo có khả năng đồng hóa Nitơ trong không khí như tảo cộng sinh với Bèo hoa dâu.

1.2.5 Nhóm nguyên sinhvật

Nguyên sinh vật là các sinh vật mang tính nguyên thủy (nguyên sơ), có khoảng 30.000 loài trong đất và trong nước.

1 Các đặc tính cơbản

- Kích thước nhỏ nhưng là lớn nhất trong nhóm vi sinh vật, kích thước biến động lớn từ 40 -100µm.

- Có một số đặc điểm giống động vậtnhư:

o Có khả năng bắt mồi qua lỗ miệng bằng tiêmmao o Co bóp tế bào để tiêu hóa và bàitiết.

o Một số nguyên sinh vật có sợi tơ corút.

o Có điểm mắt để nhận biết ánh sáng môi trường và vận động tới, điểm mắt khá nhạy.

o Ăn được vi khuẩn và cặn lơ lửng (làm trong nước trong quá trìnhxửlý tại bể Aeroten).

- Có một số đặc điểm giống thựcvật:

o Giống vi khuẩn và thực vật: sống ký sinh chủ yếu ở độngvật o Có tiêm mao giống vikhuẩn.

o Một số nguyên sinh vật có sắc tố dưới dạng diệp lụctố.

o Trong môi trường nuôi cấy đặc một số nguyên sinh vật có khả năng tạo khuẩn lạc.

o Sinh sản bằng phân cắt đôi đơn giản nên nguyên sinh vật sinh sảnnhanh.

2 Các nhóm nguyên sinh vật quantrọng

- Lớp giả túc trùng(Pseudopodien):

o Thực chất là khối nguyên sinh chất có màng hoặc không có màng, không có hình dạng cố định (biến hìnhtrùng).

o Có thể vận động bằng đàn hồi uốn khối nguyên sinhchất o Sinh sản bằng phân đôi đơngiản.

o Bắt mồi bằng chân giả và tiêu hóa trong khối nguyên sinh chấtđấy.

o Có trong nước đặc biệt là nướcthải.

o Một số nguyên sinh vật có trong lớp bùn đáy có khả năng tổng hợp Xenlulaza, hay có khả năng phân hủy Xenlulo trong lớpcặn.

o Trong công nghệ môi trường nguyên sinh vật này không có lợi do; ký sinh tạo màng nhày trên ống dẫn gây đục, làm tắc, làm nước có vị lạ để khắc phục phải tăng hàm lượng Clo dư trongnước.

o Có khả năng gây bệnh lỵ gồm 2loại:

o Các tiêm mao thường có kích thước nhỏ, ngắn và dày, phân phối phần lớn xung quan lỗ miệng, ngoài chức năng giúp trùng tơ chuyển động nó còn dùng để bắtmồi.

o Trong công nghệ môi trường mao trùng ăn vi khuẩn và bám vào bùn làm bùn dễ lắng, lắng nhanh trong bểlắng.

- Trùng roi(Euglena)

o Khác trùng tơ: là đơn bào có một hoặc một vài tiêm mao, tiêm mao lớn, nếu gãy tiêm mao có thể mọc tiêm maokhác.

o Một số có khả năng tạo khuẩn lạc trong môi trường nuôi cấyđặc.

o Một số có diệp lục tố khi có ánh sáng mặt trời, khi không có ánh sáng mặt trời thì sẽ không có diệp lụctố.

o Có nhiều trong nướcthải.

o Một số có khả năng gây bệnh cho con người đặc biệt là bệnh ngủ ChâuPhi.

Bệnh ngủ là một bệnh do nhiễm ký sinh trùng (KST) thuộc giống Trypanosoma:

Giai đoạn đầu (giai đoạn haemolymphatic), ký sinh trùng tăng sinh ở mô dưới da, máu và bạch huyết,cácdấu hiệu: sốt, nhức đầu, đau khớp và ngứa.

Giai đoạn thần kinh (giai đoạn meningoencephalic): ký sinh trùng vượt qua hàng rào máu - não đểgâynhiễm cho hệ thần kinh trung ương Ở giai đoạn này, các dấu hiệu và triệu chứng xuất hiện rõ ràng hơn:thay đổi hành vi, lú lẫn, rối loạn cảm giác và phối hợp kém Rối loạn giấc ngủ, ban đầu là đảo lộn nhịp ngủ, sauđó ngủ mê man.

Nếu không được điều trị, bệnh nhân sẽ suy kiệt dần đến chết hoặc chết nhanh hơn do một bệnh trunggianphát Nếu được điều trị trước giai đoạn thần kinh thì bệnh sẽ khỏi và không để lại di chứng, nếu điều trịmuộn, khi KST đã vào hệ thần kinh trung ương thì kết quả không bảo đảm.

CHƯƠNG 2 CÁC QUÁ TRÌNH SINH LÝ CƠ BẢN CỦA VI SINH VẬT2.1 Các quá trình sinh lý cơ bản của vi sinhvật

2.1.1 Cấu trúc và thành phần hóa học của tế bào vi sinhvật1 Cấu trúc tế bào vi sinhvật

- Màng tế bào: bảo vệ tếbào

- Màng nguyên sinh chất: bảo vệ nguyên sinh chất, màng lưỡng thấm chọnlọc - Nguyên sinh chất chứa nhân (mang mã di truyền), Riboxom, thể golgi, khôngbào - Bào quan và các thể vùi (thể vùi là các hợp chất hữu cơ không chứa Nitơ, hạt

glycogen, có chứa Nitơ: hạt volatin, giọt Lipit, giọt lưuhuỳnh.

2 Thành phần hóa học

- Nước

o Nước tự do: chiếm 55 -60%

o Nước liên kết: 40 - 45% nằm trong cấu trúc tế bào (Ví dụ khi rán thịt, nhiệt độ cao làm mất nước liên kếtthịt bịcứng).

- Chấtkhô

o Protein: trong vi sinh vật biến động rất lớn có trong cấu trúc màng nguyên sinh chất, khối nguyên sinh chất, vàEnzim.

 Vi khuẩn lượng Protein từ 50 -60%  Nấm men từ 35 -40%

 Vi tảo khoảng40%  Nấm mốc khoảng15%

o Gluxit (CxHyOz): chủ yếu trong màng tế bào và nha bào chủ yếu dưới dạngpolysacarit Trong nấm men Gluxit tồn tại dưới dạng manman và glucan và khó phân hủy, tuy nhiên trong nấm men nó có khả năng tựhủy.

o Lipit: hàm lượng khá thấp khoảng 5 - 7% (rất ít khi đến 10%) có trong cấu trúc tế bào dưới dạng Lipoprotein, một số vi khuẩn dự trữ dưới dạng giọt Lipit.

o Các chất hoạt động sinh học: Enzim, vitamin; hàm lượng rất nhỏ nhưng rất quan trọng với tế bào

o Tro: 4 - 6%, khoáng đa lượng; Ca, K, Mg, Na, P, S…, vi lượng; Mo, Co, Zn, Cu… có thể nằm trong cấu trúc tế bào hoặc trong cácEnzim.

2.1.2 Quá trình dinh dưỡng của vi sinh vật

Quá trình dinh dưỡng của vi sinh vật (quá trình đồng hóa) là quá trình vi sinh vật nhận chất dinh dưỡng từ môi trường ngoài để tổng hợp nên tếbào.

Trong môi trường vi sinh vật lấy các chất dinh dưỡng là các chất ô nhiễm làm nguồn thức ăn, nhưng nếu quá nhiều chất dinh dưỡng các vi khuẩn hoại sinh phát triển mạnh tổng hợp tế bào và chết đi tạo váng gây mùi hôi thối.

1 Sự hấp thụ các chất dinh dưỡng của vi sinhvật:

Vi sinh vật hấp thụ các chất dinh dưỡng qua màng tế bào và qua màng nguyên sinh chất, quá trình hấp thụ này là quá trình hấp thụ có chọn lọc, phụ thuộc vào:

- Trạng thái sinh lý của tế bào, tế bào trẻ quá trình hấp thụ mạnh hơn, trạng thái tế bào

o Chất dinh dưỡng phân tử lượng lớn khó chuyển hóa tuy nhiên vi sinh vật đã tổng hợp được Enzim phân cắt thành các chất có phân tử lượng nhỏ hơn, dễ hấp thuhơn.

- Hệ số oxy hóa: nhu cầu oxy lớn hay nhỏ, khả năng oxy hóa nhanh haychậm.

2 Quá trình dinh dưỡngCarbon

Tùy thuộc vào nguồn Carbon mà vi sinh vật sử dụng người ta phân biệt 2 quá trình: o Nguồn Carbon vô cơ từ CO2(vi sinh vật tự dưỡngCarbon)

o Nguồn Carbon hữu cơ từ các nguyên liệu hữu cơ hoặc từ các cơ thể sống (vi sinh vật dị dưỡngCarbon).

 Quá trình tự dưỡng Carbon: dinh dưỡng vôcơ

Tùy thuộc vào nguồn năng lượng vi sinh vật sử dụng để đồng hóa Carbon có 2 dạng:

- Đồng hóa Carbon (CO2) bằng ánh sáng mặt trời: tự dưỡng Carbon bằng quang năng,quá trình này xảy ra ở các vi sinh vật có sắc tố (Điều kiện tiên quyết là phải có sắc tố và năng lượng mặttrời).

Tảo dùng nước phân ly để khử CO2:

o Giai đoạn 1: Dưới tác dụng của các Enzim quang hóa và năng lượng mặt trời xảy ra quá trình phân lynước:

Enzim quang hóa

2-o Giai đ2-oạn 2: khử CO2, thực chất là chuyển Carbon vô cơ thành Carbon hữucơ

Enzim quang hóa

Năng lượng Mặt trời

Chất nhường H+là nước, sản phẩm quá trình giải phóng ra Oxy phân tử.

Vi khuẩn lưu huỳnh có sắc tố tím (tử tố), chất nhường H+là H2S vi sinh vật sử dụng H2S để khử CO2.

Enzim quang hóa

Tử tố, Năng lượng Mặt trời

Quá trình tạo mỏ lưu huỳnh.

- Quá trình đồng hóa Carbon bằng năng lượng hóa học: tự dưỡng hóa năng, vi sinh vật phải thực hiện các quá trình oxy hóa để khai thác năng lượng Quá trình nàyxảyra tương đối chậm nên sinh khối tạo ra thấp trong bểAeroten.

 Dị dưỡngCarbon

Các vi sinh vật sử dụng hợp chất hữu cơ từ các cơ thể sống động, thực vật: o Dị dưỡng Carbon hoại sinh: sử dụng nguyên liệu hữu cơ đãcó o Dị dưỡng Carbon kí sinh: sử dụng nguyên liệu hữu cơ từ cơ thểsống

Các vi khuẩn hoại sinh có ý nghĩa rất lớn trong môi trường (đặc biệt là 80 - 90% vi khuẩn là vi khuẩn hoại sinh) có khả năng vô cơ hóa các hợp chất hữu cơ (các chất ô nhiễm).

3 Quá trình dinh dưỡngNitơ

Quá trình tự dưỡng Nitơ: Nitơ vôcơ

- Tự dưỡng bằng đồng hóa Nitơ trong khôngkhí

o Có rất ít vi khuẩn có khả năng đồng hóa Nitơ phân tử (quá trình cố định đạm làm tăng độ phì nhiêu củađất).

o Các nhóm vi khuẩn vàtảo

 Vi khuẩn nốt sần ở rễ cây họđậu

 Vi khuẩn hiếu khí Azotobacter có năng lực cố định đạm lớn 1 - 3mg Nitơ/gam Vi khuẩn này có rất nhiều trong đất Cày ải làm đất tơi xốp, cung cấp nhiều oxy cho vi khuẩn làm quá trình cố định đạm tăng lên, hay tăng độ phì nhiêu củađất.

o Đồng hóa Nitơ dạng NH4+, NH3và NO3-gọi là vi khuẩnA m o n i - Dị dưỡng Nitơ: sử dụng Nitơ hữu cơ, có haidạng:

o Kí sinh: sử dụng Nitơ từ cơ thểsống

o Hoại sinh: sử dụng Nitơ từ môi trường sống, vi khuẩn này có ý nghĩa lớn trong xử lý môi trường, xử lý nước thải, đặc biệt trong quá trìnhxửlý nước thải giàuNitơ.

2.1.3 Quá trình hô hấp của vi sinhvật

Quá trình hô hấp (quá trình dị hóa): vi sinh vật phân hủy các chất dinh dưỡng thu nhận được trong môi trường để khai thác năng lượng.

Năng lượng này:

- Năng lượng cơ năng: giúp vi sinh vật vậnđộng

- Năng lượng hóa năng: sử dụng trong quá trình trao đổichất - Năng lượng nhiệt, quangnăng

Bản chất hóa sinh học của quá trình hô hấp thực chất là quá trình vận chuyển H+từ chất nhường đến chất nhận.

Các nguyên liệu hô

(NADH2(Enzim - Reductase Hydroxylamine) sẽ mang H+đến chất nhận, chấtnhậnsẽnhận H+và bị khử tồn tại dưới dạng khử Mục tiêu là khai thác năng lượng chủ yếu là nănglượng hóahọc).

Tùy theo mối quan hệ giữa vi sinh vật và oxy mà phân biệt các dạng cơ bản: - Vi sinh vật cần oxy: vi sinh vật hô hấp hiếukhí

Cần oxy để thực hiện quá trình oxy hóa, chất nhận H+cuối cùng là O2, sản phẩm là H2O và CO2 Các vi sinh vật hô hấp hiếu khí: vi khuẩn, nấm mốc, nguyên sinh vật, xạ khuẩn.

Nhu cầu oxy hóa lớn: oxy hóa hoàn toàn Ví dụ:

Chất nhận H+cuối cùng là chất hữu cơ, sản phẩm cuối cùng là chất hữu cơ Ví dụ: lên men axit lactic

CH3-CO-COOH VK Lactic CH3-CHOH-COOH

Vi sinh vật hô hấp hiếu khí tồn tại ở thế oxy hóa khử cao Vi sinh vật hô hấp yếm khí tồn tại ở thế oxy hóa khử thấp.

- Vi sinh vật hô hấp tùytiện o Có oxy: hô hấp hiếukhí

o Không có oxy: hô hấp yếmkhí

Ví dụ như nấm men: Có oxy sinh trưởng phát triển mạnh, sinh khối tăng mạnh, khi không có oxy xảy ra quá trình lên men rượuEtanol.

Vi khuẩnE.Coli:

o Yếm khí lên men trong môi trường đường Lactoza tại 430C sinh khí metan(CH4).

o Hiếu khí khi nuôi trên bề mặt môi trường Endo (sunfit natric fucxin) tạo ra các khuẩn lạc có màu đỏ ánhkim.

X (mg/l)

EB

2.1.4 Quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinhvật

Trong môi trường sống bình thường vi sinh vật phát triển theo quy luật sau:

Hình 2.1 Quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật1 Quy luật sinh trưởng

Gồm 4 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: (AB) pha tiềm phát, vi sinh vật chưa thích nghi được với môi trường và hàm lượng sinh khối có giảm nhẹ Đến cuối pha khi vi sinh vật thích ứng được với môi trường thì hàm lượng sinh khối (X) tăng nhẹ Trong sản xuất cũng như trong xử lý môi trường nếu khoảng thời gian này (T1) càng lớn thì hiệu quả kinh tế cànggiảm - Giai đoạn 2: (BC) Pha lũy tiến (1 – 2 – 4 – 8 - … - 2n) vi sinh vật phát triển với tốc

độ cực đại Sau thời gian thế hệ số lượng vi sinh vật tăng lên hai lần Tốc độ sinh trưởng tiến tới tốc độ sinh trưởng cực đại v tiến tớiµmax

- Giai đoạn 3: (CD) pha cân bằng, tốc độ phát triển giảm dần và ổn định, nguyên nhân là do hàm lượng chất dinh dưỡng ít, các sản phẩm trao đổi chất tạo thành chất ức chế, tại pha này số lượng vi sinh vật sinh ra tương đương với số vi sinh vật già chếtđi - Giai đoạn 4: (DE) pha suy vong, hàm lượng thức ăn rất ít, các vi sinh vật già chết đi

làm hàm lượng oxy hòa tan trong nước giảm (DO) quá trình tái sinh (quá trình phát triển sinh khối mới) xảy ra rất chậm Trong quá trình nuôicấyvà vận hành hệ thống xử lý nước thảiduytrì đến ½ pha cân bằng để đảm bảo ổn định sinhkhối.