Cơ chế hoạt động của Enzyme Cellulase

Enzyme này có khả năng phân cắt cả 2 loại liên kết 1,4 và1,6 glucoside VSV phân giải tinh bột • Vi nấm: Aspergillus, Fusarius, Rhizopus • Vi khuẩn: Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas • Xạ

ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC VI SINH MÔI TRƯỜNG

1 Giải thích chu trình carbon và vai trò của vi sinh vật trong việc chuyển hóa tinh bột và cellulose?

GIẢI THÍCH CHU TRÌNH CACBON

CO2 trong kk  TV hấp thu cùng với NLMT và nước thực hiện quá trình quang hợp,một

số VSV cũng nhận CO2 thực hiện quá trình hóa tổng hợp  tạo ra hợp chất hữu cơ  dd cho ĐV

ĐV hô hấp thải CO2 vào kk Khi chúng chết VSV phân giải chúng thành những hợp chất dầu mỏ  khai thác và sử dụng trong công nghiệp  thải CO2 vào kk

TV hô hấp  thải CO2 vào kk Và khi chết sẽ được phân giải tạo nhiên liệu  khai thác

và sử dụng trong công nghiệp  thải CO2 vào kk

VSV chết và những sản phẩm thải sẽ được phân giải tạo nhiên liệu  khai thác và sử dụng trong công nghiệp  thải CO2 vào kk

CO2 thải vào kk tiếp tục vòng tuần hoàn

VAI TRÒ CỦA VSV TRONG CHUYỂN HÓA TINH BỘT

Tinh bột trong tự nhiên

Tinh bột là chất dự trữ chủ yếu của thực vật, đặc biệt là cây có củ

Gồm 2 thành phần amylose và amylosepectin

Cơ chế phân giải tinh bột

VSV phân giải tinh bột nhờ tiết ra hệ enzyme amylase gồm có 4 enzyme

– α – amylase

Tác động vào bất kỳ mối liên kết 1,4 glucoside nào trong phân tử tinh bột Bởi thế

α – amylase còn được gọi là endoamylase

• Tinh bột được cắt thành nhiều đoạn ngắn gọi là sự dịch hóa tinh bột

• Sản phẩm của sụ dịch hóa thường là đường 3 carbon gọi là maltotriose

– β – amylase

β – amylase chỉ có khả năng cắt đứt liên kết 1,4 glucoside ở cuối phân tử tinh bột bởi thế còn gọi là exoamylase

sản phẩm của β – amylase thường là đường disaccharide maltose

– Amylose 1,6 – glucosidase có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,6 glucoside tại những chổ phân nhánh của amylosepectin

– Glucoamylase phân giải tinh bột thành glucose và các oligosacharide Enzyme này có khả năng phân cắt cả 2 loại liên kết 1,4 và1,6 glucoside

VSV phân giải tinh bột

• Vi nấm: Aspergillus, Fusarius, Rhizopus

• Vi khuẩn: Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas

• Xạ khuẩn

VAI TRÒ CỦA VSV TRONG CHUYỂN HÓA CELLULOSE

Cellulose trong tự nhiên

Là thành phần chủ yếu của màng tế bào thực vật

Cellulose được tích lũy nhiều trong đất do các sản phẩm tổng hợp của thực vật thải

ra, cây cối chết và từ các hoạt động của con người

 nhờ VSV phân giải cellulose

Cơ chế phân giải cellulose của VSV

Được phân giải nhờ vào hệ enzyme cellulase gồm có 4

– β - glucosidase: thủy phân cellobiose thành glucose

VSV phân giải cellulose

Vi nấm: Tricoderma (viride, reesei), Aspergillus,

Trong tự nhiên, N tồn tại trong nhiều dạng khác nhau.

Trong cơ thể sinh vật N tồn tại ở dạng các phân tử hữu cơ như protein, aa

_ Sinh vật chết  VSV hoại sinh phân giải  aa

_ Các aa  NH3 hoặc NH4+  vi khuẩn amon hóa

_ NH4+  NO3- vi khuẩn nitrate hóa

_ NO3- N2  vi khuẩn phản nitrate hóa

_ N2 các hợp N hữu cơ  vi khuẩn cố định đạm

_ Nếu sự hoạt động của 1 nhóm nào đó ngừng lại, toàn bộ sự chuyển hóa của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng

Quá trình amon hóa

Sự amon hóa urê

Urea có trong thành phần nước tiểu của người và động vật Urea chứa tới 46.6% nitrogen,

vì thế nó là 1 nguồn dd đạm tốt nhất đối với cây trồng

Tuy nhiên thực vật không thể đồng hóa trực tiếp urea mà phải qua quá trình amon hóaQuá trình amon hóa urea chia làm 2 giai đoạn

Giai đoạn đầu dưới tác dụng của enzyme urea tiết ra bởi các VSV, urea sẽ bị thủy phân tạo thành muối carbonate amoni

Giai đoạn 2 carbonate amoni chuyển hóa thành NH3, CO2 và H2O

Trong nước tiểu còn có acid uric, tồn tại trong đất một thời gian acid uric sẽ bị phân giải thành ureavà acid tartronic Sau đó urea tiếp tục bị phân giải thành NH3

Nhóm VSV phân giải urea và acid uric còn có khả năng amon hóa cyanamid calci là 1 loại phân bón hóa học Chất này sau khi đi vào đất cũng bị chuyển hóa thànhurea rồi sau

đó qua quá trình amon hóa được chuyển thành NH3

Nhiều loại vi khuẩn có khả năng amon hóa ure chúng đều tiết ra enzym urease Đa số VSV phân giải ure thuộc nhóm hiếu khí hoặc kị khí không bắt buộc, chúng ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm Sử dụng ure làm thoáng đất kết hợp vôi, tro

Quá trình amon hóa protein

Protein là thành phần quan trọng của tế bào

Prtein chứa tới 15% - 17% nitrogen, nhưng cây trồng không thể hấp thu trực tiếp protein

mà phải qua sự phân hủy của VSV VSV phân giải protein có khả năng tiết ra enzym protease bao gồm cả proteinase và peptidase

Các acid amin bị deamin hoá bởi vi sinh vật nhờ enzyme deaminase, sau đó tạo ra sản phẩm cuối cùng là amôn

_ Các acid amin có vòng như tryptophan, khi phân giải sẽ tạo thành các hợp chất có mùi thối như indole và skatole

_ Các acid amin chứa S như methionine, cystein, vi sinh vật giải phóng ra H2S, chất này độc đối với cây trồng

_ Một số hợp chất amin sinh ra trong quá trình amôn hoá có tác dụng độc đôi với người

và động vật Ví dụ Aladeaminose như histamin, armatin…đó chính là nguyên nhân bị nhiễm độc thức ăn thịt cá thiu thối hoặc thịt hộp để quá lâu (ô nhiễm thực phẩm)

Tỉ lệ C:N trong dất rất quan trọng dối với nhóm vi sinh vật phân huỷ protein

_ Nếu như tỉ lệ này quá cao, trong đất quá ít đạm vi sinh vật sẽ tranh chấp thức ăn đạm đối với cây trồng, chúng phân huỷ được bao nhiêu là hấp thu bấy nhiêu

_ Nếu tỉ lệ C:N quá thấp, đạm dư thừa, quá trình phân huỷ sẽ chậm lại, cây trồng không

có đạm khoáng để hấp thu

_ Tỉ lệ C:N bằng 20 là thích hợp nhất cho quá trình amôn hoá protein, có lợi nhất đối với cây trồng

Nhiều VSV có khả năng amon hoá protein : vk, vi nấm, xạ khuẩn

Quá trình nitrate hóa

Sau quá trình amon hóa NH3, một phần phản ứng với các anion trong đất tạo thành các muối amon Một phần muối amon cũng được cây trồng hấp thụ, phần còn lại được oxi hóa thành nitrate gọi là quá trình nitrate hóa

Nhóm VSV thực hiện quá trình này gọi chung là vi khuẩn nitrate hóa bao gồm 2 nhóm tiến hành qua 2 giai đoạn

Là quá trình oxi hóa NH4+ thành NO2

-NH4 +3/2O2 NO2- + H2O + 2H + Q

Nhóm vk nitrate hóa gồm 4 chi khác nhau nitrosomonas, nitrosocystis, notrosolobus và notrosospira

Là quá trình oxi hóa NO2- thành NO3

-NO2- + ½ O2  NO3- + Q

_ Nhóm vi khuẩn tiến hành oxy hoá NO2- thành NO3- bao gồm 3 chi khác nhau:

Nitrobacter, Nitrospira và Nitrococcus

Quá trình nitrate hóa là 1 khâu quan trong trong vòng tuần hoàn nitrogen nhưng đối với nông nghiệp nó co nhiều bất lợi

Quá trình phản nitrate hóa

Là quá trình các hợp chất đạm dạng nitrate ở trong đất rất dễ bị khử biến thành nitrogne phân tử

Phản ứng khử NO3- thành N2 chỉ xảy ra trong điều kiện kị khí

_ Nhóm vi sinh vật thực hiện quá trình phản nitrate hoá phân bố rộng rãi trong đất Thuộc

nhóm tự dưỡng hoá năng có Thiobacillus denitrificans, Hydrogenomonas

agilis… Thuộc nhóm dị dưỡng có Pseudomonas denitrificans, Micrococcus

denitrificanas, Bacillus licheniformis…

_ đối với nông nghiệp quá trình phản nitrate hoá là một quá trình bất lợi vì nó làm cho đất mất đạm

Quá trình cố định nitrogen

Quá trình cố định nitơ sinh học là một quá trình khử N2 thành NH3 dưới tác dụng của men nitrogenase sinh ra bởi vi sinh vạt

NH3 được hình thành đến một mức độ nào đó sẽ kìm hãm sự hoạt động của nitrogenase,

nó chính là yếu tố điều hoà hoạt tính của enzyme

Tại nốt sần, vi khuẩn tiến hành quá trình cố định nitơ, sản phẩm cố định được 1 phần sử dụng cho vi khuẩn, 1 phần sử dụng cho cây

_ Rhizobium

Vi khuẩn nốt sần thuộc loại vk hiếu khí, ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm, thích hợp với nhiệt độ 28 – 30 0C, độ ẩm 60- 80%

_ Chúng có khả năng đồng hoá các nguồn carbon khác nhau như các loại đường

đơn,đường kép, acid hữu cơ,glycerin v.v

_ Trong đất có hai họ vi khuẩn chủ yếu: Azotobacter, Clostridium

Azotobacter trong môi trường nhân tạo có đặc tính đa

hình:

_ Khi còn non chúng có dạng trực khuẩn hình que, có tiên mao, có khả năng di động._ Khi già Azotobacter mất khả năng di động, tế bào chuyển thành dạng hình cầu, xung quanh được bao bọc bởi một lớp vỏ nhày

_ Clostridium là một loại vi khuẩn kị khí sống tự do trong đất có khả năng hình thành bào

tử loài phổ biến nhất trong đất là Clostridium pasteurianum

_ Khi còn non có khả năng di động bởi tiên mao

_ Khi già mất khả năng di động Khi hình thành bào tử thường có hình con thoi do bào tử hình thành lớn hơn kích thước tế bào

3 Bùn hoạt tính và vai trò của các vi sinh vật hiện diện trong bùn hoạt tính?

Phương pháp bùn hoạt tính

• Là quá trình xử lý sinh học hiếu khí, trong đó vi sinh vật với mật độ cao mới được tạo thành được trộn đều với nước thải trong bể hiếu khí

• Bùn hoạt tính gồm những sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bông với

trung tâm là các chất rắn lơ lửng

• Bùn hiếu khí ở dạng bông bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vô định hình còn bùn

kỵ khí ở dạng bông hoặc dạng hạt màu đen

• Những sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật khác

• A eutrophos có khả năng loại bỏ đến 99% Cadmium trong môi trường và có thể

xử lý một số kim loại nặng như arsen, chrom, thủy ngân …

• A feacalis là chủng vi khuẩn phản nitrate có khả năng khử nitrate thành N2O

• Một số chủng Alcaligenes có khả năng phân giải O - nitrobenzaldehyde

• Alcaligenes sp có khả năng khử phenol trong nước thải đến 99% và làm giảm 40% COD trong nước thải.

2 Achromobacter

• Có khả năng phân hủy pyridine và các hợp chất nitrogen khác vòng (NHC)

• Có khả năng phân hủy và khử độc đối với endosulfan trong đất

• Achromobacter có thể được phân lập từ đất nhiễm pentachlorophenol và xử lý được một số hợp chất của phenol

• Có thể chuyển hóa một số kim loại nặng trong đất, xỉ như chrom

• Có khả năng khử màu của malachite green và phân hủy methylhydrazine trong nước thải

3 Pseudomonas

• P.stutzeri có khả năng loại nitơ từ NO3- giải phóng N2

• P.stutzeri có thể phân hủy maltose và tinh bột nhưng không phân hủy gelatin

• Là vi khuẩn hiếu khí, phân bố rộng rãi trong các vùng địa lý nhưng được tìm thấy chủ yếu trong đất và nước

• Chúng có khả năng chuyển hóa, làm giảm các chất độc cho môi trường và các hợp chất có trọng lượng phân tử cao như polyethylene glycols

• Một vài dòng có thể chuyển hóa các hợp chất thơm như naphthalene và mathylnapthalenes Hai hợp chất thơm này hiện diện nhiều trong dầu thô, là chất

có tiềm năng gây độc

• Có khả năng là giảm nitrate chuyển khí N2

• Có thể ứng dụng vào xử lý môi trường nước vì có khả năng khử đạm mạnh trong nước thải ao cá tra ở Đồng Bằng Sông Cửu Long và ứng dụng nó vào xử lý nước thải vì nó khả năng khử nguồn đạm trong nước để giảm thiểu ô nhiễm

4 Athrobacter

• A crystallopoites có khả năng khử các phân tử chrom hóa trị 6 trong đất

• A chlorophenolicus có khả năng phân hủy 4 – chlorophenol ở nồng độ cao và

chúng cũng có thể phân hủy được các hợp chất thơm bao gồm các hợp chất đồng vòng như hydroxybenzoate cũng như các hợp chất khác vòng như pyridine và pycoline

• Arthrobacter sp H65-7 sản xuất ra enzyme inulase II để chuyển hóa inulin thành

4 Mô tả các giai đoạn xử lý nước thải của bùn hoạt tính

Quá trình xử lý nước thải của bùn hoạt tính

Xảy ra gồm 3 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Bùn hoạt tính hình thành và phát triển

• Giai đoạn 2: Sự phát triển ổn định của VSV

• Giai đoạn 3: Kết thúc quá trình làm việc của aerotank

Giai đoạn 1: Bùn hoạt tính hình thành và phát triển Lúc này, cơ chất và chất dinh dưỡng đang rất phong phú, sinh khối bùn còn ít Theo thời gian, quá trình thích nghi của

vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh

Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần vào cuối giai ñoạn này rất cao Tốc độ tiêu thụ oxy

vào cuối giai đoạn này có khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2 Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần

Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzym đạt Max và kéo dài trong thời gian tiếp theo Tốc độ phân hủy chất hữu cơ đạt Max, các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất Tốc độ tiêu thụ oxy gần như không thay đổi sau một thời gian khá dài

Giai đoạn 3: Tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng lên Tốc

độ phân hủy chất bẩn hữu cơ giảm dần và quá trình Nitrat hóa amoniac xảy ra Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc của Aerotank kết thúc

5 Phương pháp lọc sinh học và kết cấu của vi sinh vật trong màng sinh học

• Có kết cấu xốp, nhiều lỗ nhỏ, diện tích bề mặt lớn ◊ có tác dụng hấp phụ rất mạnh

• Khi màng sinh vật dày thêm, những lớp màng già cỗi bị bóc ra và thay thế màng mới

Kết cấu vi sinh vật

• Lớp bên ngoài là lớp vi khuẩn hiếu khí như trực khuẩn Bacillus

• Lớp giữa là vi khuẩn kỵ khí tùy nghi như Alcaligenes, Pseudomonas,

Flavobacterium, Micrococus và cả Bacillus.

• Lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kỵ khí khử S và nitrate như Desulfovibrio

• Lớp cuối cùng của màng là động vật nguyên sinh và một số sinh vật khác

6 Nêu cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý kỵ khí

Cơ sở lý thuyết của xử lý kỵ khí

• Khi bùn hoạt tính được duy trì trong môi trường kỵ khí ◊ VSV sử dụng nguồn bùn

dư để thực hiện quá trình lên men

• Sản phẩm của quá trình lên men là methane và CO2 Quá trình tạo thành methane và CO2 gồm có 4 giai đoạn:

– Thủy phân

– Acid hóa

– Acetate hóa

– Methane hóa

Giai đoạn 1: Thủy phân

- Các đại phân tử như protein, chất béo, polysaccharide được phân giải thành các tiểu đơn vị

- Do vi sinh vật sản xuất ra các enzyme ngoại bào

- Đây là một quá trình xảy ra chậm và bị giới hạn bởi quá trình phân hủy kỵ khí

Giai đoạn 2: Acid hóa

- Đây là quá trình chuyển hóa các sản phẩm của quá trình thủy phân tạo thành các phân tử có trọng lượng phân tử thấp như acid béo bay hơi, alcohol, aldehyde và các khí như CO2, H2 và NH3

- Giai đoạn này bị ảnh hưởng bởi các chủng vi khuẩn, chủ yếu là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc

- Vi khuẩn phân giải các chất hữu cơ và tạo ra môi trường pH thấp (khoảng 4)

Giai đoạn 3: Acetate hóa

- Sản phẩm của giai đoạn acid hóa được chuyển đổi thành acid acetic, H2 và CO2

- Trong quá trình phân hủy kỵ khí, ba giai đoạn này tập hợp lại gọi là sự lên men acid ◊ chuyển các vật chất hữu cơ thành các cơ chất thích hợp cung cấp cho quá trình methane hóa

Giai đoạn 4: Methane hóa

- Sản phẩm của quá trình lên men acid (chủ yếu là acid acetic) được chuyển thành

- Bao gồm các điều kiện: nhiệt độ, pH, không có chất độc và đầy đủ các thành phần dinh dưỡng

7 Nêu các phương pháp khống chế vi sinh vật trong nước thải?

Kỹ thuật khống chế vi sinh vật trong nước thải

Khử trùng bằng hóa chất

 Do trong nước thải tồn tại rất nhiều vi sinh vật gây bệnh ◊ phải tiến hành khử trùng trước thải vào môi trường

 Mặc dù trong quá trình xử lý đã tiêu diệt phần lớn các vi sinh vật gây bệnh (90 – 95%) nhưng một số lượng lớn vẫn còn

- OCl- mang điện tích âm  khó xâm nhập vào tế bào vi khuẩn

 pH trong nước càng thấp  HOCl càng nhiều  hiệu quả khử trùng càng tốt

 Khi trong nước có NH3

a pH: càng kiềm thì khả năng diệt khuẩn càng mạnh

b Nhiệt độ: càng cao ◊ diệt khuẩn càng tốt

c Tăng hiệu quả khi kết hợp với ozone

d Có khả năng diệt tảo và không sinh ra các chất gây ung thư

Nhược điểm: Khi cho ClO2 vào nước ◊ 50 – 70% biến thành ClO2 và ClO3

e gây hại đến hồng cầu

f Cản trở sự hấp thu Iod  cholesterol tăng lên

3 Khử trùng bằng khí ozone

Nguyên lý khử trùng

 Là chất đồng chất dị hình của oxy, có khả năng oxy hóa rất mạnh

 Có năng lượng rất cao ◊ không ổn định ◊ tự phân giải thành O2 và O

 O có hoạt tính mạnh ◊ có khả năng oxy hóa mạnh đối với vi khuẩn, virus

 O3 có khả năng phân giải enzyme glucosidase, phá vỡ DNA, RNA, protein, lipid, polysaccharide, làm rối loạn quá trình trao đổi chất

Ưu điểm

 Có khả năng diệt khuẩn mạnh, tác dụng nhanh,

 Không gây phản ứng phụ, không sinh các chất gây ung thư

 Ozone được sản xuất từ không khí nên không cần phải tốn chi phí tồn trữ nguyên vật liệu

 Có khả năng tiêu diệt hầu hết các vi sinh vật gây bệnh trong thời gian ngắn

Nhược điểm

 Ozone là khí dễ phân giải, thời gian tiếp xúc ngắn ◊ phải xử lý nhanh

 Là một loại khí độc, có thể gây kích thích mũi và ảnh hưởng đến sức khỏe

 Chi phí cao do máy phát sinh ozone cần những kim loại quý, thiết bị phức tạp

 Độ xuyên sâu của tia cực tím: phụ thuộc vào độ dày của tầng nước

 Loại và số lượng vi sinh vật: tia UV có thể tiêu diệt được vi khuẩn, virus, nấm, bào

tử nhưng các vi sinh vật khác nhau có tính nhạy cảm khác nhau