Bài giảng vi sinh vật học chương 5 ths nguyễn thành luân

CHƯƠNG CHU TRÌNH CHỦN HÓA CÁC CHẤT TỰ NHIÊN BỞI VSV Các hệ vi sinh vật • Hệ vi sinh vật đất • Hệ vi sinh vật nước • Hệ vi sinh vật khơng khí Vi sinh vật môi trường cạn - Vi sinh vật tăng trưởng chủ yếu bề mặt hạt đất - Độ đa dạng cao tồn nhiều vi môi trường khác Yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính vi sinh vật môi trường đất - Độ ẩm: ảnh hưởng mạnh đến hoạt tính vi sinh vật + Thay đổi với phạm vi rộng + Ảnh hưởng đến ôxi đất - Chất dinh dưỡng: ảnh hưởng mạnh đến mật độ hoạt tính vi sinh vật - Chất dinh dưỡng hữu tập trung bề mặt hạt đất vùng quanh rễ Vi sinh vật tầng sâu - Mẫu đất độ sâu đến 300m có đa dạng cao vi sinh vật kỵ khí, kỵ khí tùy ý hiếu khí: + Chất dinh dưỡng từ nước ngầm thấm qua + Hoạt tính biến dưỡng thấp nhiều so với vi sinh vật mặt đất - Mẫu đất độ sâu 1.500m có đa dạng vi khuẩn kỵ khí: + Có hoạt động dạng hóa vô (khử sulfate, sinh methane, sinh acetate đồng hình) - Ý nghóa: + Vô hóa hợp chất hữu tạo thành phần hóa học nước ngầm + In situ bioremediation chất ô nhiễm Vi sinh vật hệ sinh thái ao hồ - Hầu hết vi sinh vật tham gia vào chu trình sinh đòa hóa nguyên tố diện - Vi sinh vật thành phần quang quan trọng nhất: + Quang hợp sinh ôxi: tảo lam, tảo + Quang hợp không sinh ôxi: vi khuẩn quang dưỡng - - Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần hoạt tính vi sinh vật: + O2 tan làm thay đổi môi trường vận tốc chuyển hóa chất hữu + Các chất vô (NO3-, PO43-) tạo phát triển bùng nổ tảo, ảnh hưởng đến O2 tan Vi sinh vật biển sâu - Đặc điểm hóa lý môi trường biển sâu: + Độ sâu 1000m, chiếm 75% tổng dung tích nước đại dương + Ít chất dinh dưỡng, ánh sáng, lạnh (2 - 3C), áp suất thủy tónh cao (+1atm/10m sâu) - Đặc điểm vi sinh vật: + Ưa hàn (psychrophilic) ưa hàn cực đoan (extreme psychrophilic) + Chòu áp (barotolerant): tăng trưởng áp suất bình thường 300atm + Ưa áp (barophilic): tăng trưởng tối ưu 400atm + Ưa áp cực đoan (extreme barophilic): tăng trưởng áp lực tên 300atm, tối ưu 700 - 800atm Vi sinh vật khe thủy nhiệt - Khe thủy nhiệt (hydrothermal vent): dòng phun nước nóng mang nhiều chất khoáng tạo vết nứt lòng biển sâu: + Khe ấm: dòng phun tốc độ 0,2 - 5cm/giây có nhiệt độ - 23C (so với 2C) + Khe nóng: dòng phun tốc độ - 2m/giây màu đen chứa nhiều khoáng chất, nhiệt độ 270 - 380C - Vi sinh vật khe thủy nhiệt: sinh vật sản xuất hóa vô + Mật độ cao vi khuẩn hóa vô ôxi hóa H2 , hợp chất khử lưu huỳnh, nitrogen, carbon, sắt + Có khả cố đònh CO2 Vai trò vi sinh vật chu trình sinh điạ hóa nguyên tố cần cho sống Chu trình carbon - Chu trình C có quan hệ chặt chẽ với chu trình O thông qua họat tính bổ trợ sinh vật tự dưỡng (cố đònh CO2 tạo O2) sinh vật dò dưỡng (phóng thích CO2, tiêu thụ O2) - Các dự trữ C tự nhiên: khí quyển, đất, đại dương, trầm tích, đá sinh khối - Tốc độ lưu chuyển C qua dự trữ khác nhau: tốc độ cao khí sinh khối phương thức cố đònh CO2 tự dưỡng hô hấp hữu hiếu khí dò dưỡng Chu trình nitrogen - Nitrogen: nguyên tố thiết yếu - Trong tự nhiên diện khử khác nhau: NH3, NH2-, N2, N2O, NO, NO2-, NO3- - Dự trữ nitrogen quan trọng N2 khí - Sự chuyển hóa qua lại dạng cần có vai trò vi sinh vật Cố đònh nitrogen + Được thực số vi sinh vật cố đònh đạm tự cộng sinh (nhờ enzyme nitrogenase) + Chuyển N từ dạng sử dụng đa số sinh vật thành dạng sử dụng + Dạng cố đònh NH3 chuyển từ khu vực phi sinh vật vào sinh khối (NH2-) vi sinh vật, thực vật VSV cớ định đạm  Vi sinh vật cố định N2 (đạm) sống tự do: - Azotobacter vi khuẩn hiếu khí, khơng có bào tử, tế bào hình trứng - Beijerinskii có tính chống chịu cao với acid, phát triển pH trung tính kiềm yếu - Clostridium vi khuẩn yếm khí, có khả cố định nitơ phân tử cao VSV cớ định đạm  Vi sinh vật cố định N2 sống cợng sinh: Vi khuẩn nốt sần họ đậu Rhizobium có vai trò cố định nito cộng sinh nốt sần Vi khuẩn lam cợng sinh với bèo hoa dâu Anabaena asollae Amôn hóa + NH3 tạo phân hủy N hữu + NH3 tái sử dụng thực vật, vi sinh vật, tồn bền dạng NH4+ điều kiện kỵ khí hấp phụ mạnh hạt đất, tan nước Quá trình nitrat hóa - Nitrat hóa: NH3 bò ôxi hóa vi khuẩn nitrite hóa nitrat hóa thành NO2- NO32NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H20 + 158Kcal NH3 NH2OH HNO HN(OH)2 HNO2 2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 48 Kcal HO-N=O CO2 + 4H + xKcal HO-N-OH HO-N=O OH O HCHO + H20 Vi khuẩn nitrat hóa lồi vi sinh vật tự dưỡng hóa Quá trình nitrat hóa Nitrosomonas NH4+ + 1.5 O2 → H+ + NO2- + H2O Nitrobacter NO2- + 0.5 O2 → NO3Vi khuẩn nitrate hố có tốc độ tăng trưởng chậm nhiều so với vi sinh vật hố dị dưỡng Tác nhân vi sinh vật Ứng dụng Q trình oxi hóa muối amơn Phát triển nơng nghiệp thành nitrit: Tồn đá granit, núi đá -Nitrosomonas: Hình bầu Ứng dụng cơng trình xử lí dục hình cầu, gram âm, nitrat nước thải bằng khơng có khả sinh bào phương pháp sinnh học (cần trì pH tới ưu 7,5 – 8,5 tử -Nitrosospira: Trực khuẩn dấu phảy, di động nhờ tiên mao, biến dạng Q trình oxi hóa nitrit thành nitrat -Nitrobacter: trực khuẩn gram âm, kích thước nhỏ, khơng sinh bào tử Khử nitrat (phản nitrat hóa) Phản nitrate hóa: + NO3- bò khử bới vi sinh vật kỵ khí thành N2 làm thất thoát đạm đất + Giảm NO3- nước, cản trở tượng nở hoa tảo làm ô nhiễm nước VSV Khử nitrate Heterotrophs Nguồn Tỷ lượng carbon: hợp chất hữu lệ C/N yếu tố quan trọng Lithotrophs Nguồn lượng: hợp chất có tính khử hydro, sulfur… Nguồn carbon: CO2 Chu trình lưu hùynh - Lưu huỳnh tồn chủ yếu ba dạng khử S2-, S0 S+6 - Dự trữ chủ yếu dạng CaSO4 FeS2 - Các phản ứng chuyển hóa dạng S vi sinh vật phản ứng hóa chất - H2S: + Được tạo khử sulfate phân hủy amino acid chứa -SH: + Môi trường kỵ khí có hiên diện sulfate chất hữu + Có độc tính sinh vật hiếu khí Chu trình lưu hùynh - Ôxi hóa hợp chất sulfide: • + H2S bò ôxi hóa hóa học điều kiện có ôxi • + Trong môi trường vi hiếu khí bò ôxi hóa vi sinh vật • + Trong môi trường có ánh sáng, ôxi, bò ôxi hóa kỵ khí vi khuẩn quang hợp - Ôxi hóa lưu huỳnh vi sinh vật thành SO42- H+ làm giảm pH - Chuyển hóa lưu huỳnh hữu (dimethyl sulfide) vi sinh vật: + Chất cho điện tử để tạo lực khử vi khuẩn tía + Chất cho điện tử để thu lượng + Chất nhận điện tử hô hấp kỵ khí + Cơ chất lên men sinh methane 10 Chu trình sắt - Hai dạng khử sắt tự nhiên Fe2+ Fe3+ phụ thuộc vào pH O2 - Fe3+: tan nước pH axít dạng phức hợp với hợp chất hữu cơ; bò khử thành Fe2+ phản ứng hóa học vi sinh vật - Fe2+ bò ôxi hóa O2 thành Fe3+ + Bền điều kiện O2 môi trường có O2 pH axít + Trong không khí pH axít, Fe2+ chất cho điện tử vi sinh vật (Thiobacillus ferrooxidans) tạo Fe3+ 11 Chu trình sắt tượng nước rỉ chứa axít mỏ khoáng + Pyrite FeS2 diện quặng khoáng bò ôxi hóa thành Fe2+ H2SO4 + Fe2+ bò ôxi hóa Thiobacillus ferrooxidans thành Fe3+ + Fe3+ phản ứng hóa học với FeS2 thành Fe2+ H2SO4 + Ô nhiễm môi trường xít Fe2+ rò rỉ vào nước 12 Chu trình phơtpho tự nhiên Vòng t̀n hoàn phospho tự nhiên P vơ dễ tan P vơ khó tan P vơ đất Phân ( chất bài tiết) P hữu thực vật P hữu đợng vật 13 [...]... bò khử thành Fe2+ bằng phản ứng hóa học hoặc bởi vi sinh vật - Fe2+ bò ôxi hóa bởi O2 thành Fe3+ + Bền trong điều kiện không có O2 hoặc trong môi trường có O2 ở pH axít + Trong không khí ở pH axít, Fe2+ là chất cho điện tử của vi sinh vật (Thiobacillus ferrooxidans) tạo Fe3+ 11 Chu trình sắt và hiện tượng nước rỉ chứa axít ở các mỏ khoáng + Pyrite FeS2 hiện diện trong quặng khoáng bò ôxi hóa thành Fe2+... trình sắt và hiện tượng nước rỉ chứa axít ở các mỏ khoáng + Pyrite FeS2 hiện diện trong quặng khoáng bò ôxi hóa thành Fe2+ và H2SO4 + Fe2+ bò ôxi hóa bởi Thiobacillus ferrooxidans thành Fe3+ + Fe3+ phản ứng hóa học với FeS2 thành Fe2+ và H2SO4 + Ô nhiễm môi trường xít và Fe2+ rò rỉ vào nước 12 Chu trình phơtpho trong tự nhiên Vòng t̀n hoàn phospho trong tự nhiên P vơ cơ dễ tan P vơ cơ khó tan P vơ ... thành phần hóa học nước ngầm + In situ bioremediation chất ô nhiễm Vi sinh vật hệ sinh thái ao hồ - Hầu hết vi sinh vật tham gia vào chu trình sinh đòa hóa nguyên tố diện - Vi sinh vật thành phần... đònh NH3 chuyển từ khu vực phi sinh vật vào sinh khối (NH2-) vi sinh vật, thực vật VSV cớ định đạm  Vi sinh vật cố định N2 (đạm) sống tự do: - Azotobacter vi khuẩn hiếu khí, khơng có bào... lại dạng cần có vai trò vi sinh vật Cố đònh nitrogen + Được thực số vi sinh vật cố đònh đạm tự cộng sinh (nhờ enzyme nitrogenase) + Chuyển N từ dạng sử dụng đa số sinh vật thành dạng sử dụng +