Đăc điểm tính chất và ứng dụng của vi khuẩn khử sulphate

Đăc điểm tính chất và ứng dụng của vi khuẩn khử sulphate

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng tôi xin chân thành cảm ơn đến:

Ban giám hiệu Trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM nói chung và Viện Khoa Học Công Nghệ và Quản Lí Môi Trường nói riêng đã tạo điều kiện cho nhóm chúng tôi làm nên bài đồ án báo cáo cơ sở này GVHD thầy Nguyễn Khánh Hoàng đã tận tình dạy dỗ, giúp đỡ, hướng dẫn chúng tôi tìm hiểu rõ bộ môn Đồ Án Cơ Sở Ngành Thư viện Trường ĐH Công Nghiệp đã tạo điều kiên tốt nhất cho chúng tôi tra cứu tài liệu liên quan Phòng đa phương tiện ĐH Công Nghiệp Tp.HCM với hệ thống máy tính hoạt động liên tục đã tạo điều kiện cho chúng tôi tìm kiếm thông tin nhanh chóng Đồng cảm ơn sự góp ý của tất cả các bạn cung lớp đã tận tình góp ý, tham gia ý kiến

để nhóm chúng tôi hoàn thành tốt bài tiểu luận

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

PHỤ LỤC

Chương 1: Tổng quan 1

1.2 Nhiệm vụ đồ án 4

1.3 Cấu trúc đề tài 5

Chương 2: NỘI DUNG 6

2.1.1 Đặc điểm hình thái 6

2.2.1 Quá trình trao đổi chất và năng lượng 12

3.2.2 Xử lý rác thải giấy 19

3.2.3 Sản xuất chế phẩm vi sinh 20

3.2.4 Ứng dụng của vi khuẩn khử sulphate trong xử lý ô nhiễm dầu khí 20

Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 25

Tài liệu tham khảo 27

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

• Bảng 2.1 Các cơ chất mà vi khuẩn khử sunphat

sử dụng trong sinh trưởng

• Bảng 2.2 Đặc điểm một số vi khuẩn chính có trong các mỏ quặng

DANH SÁCH HÌNH VẼ

• Hình 2.1 Vị trí của SRB trong chu trình cacbon và lưu huỳnh

• Hình 2.2 Các bước khử sulfate ở SRB và các enzyme tham gia

• Hình 2.3 hình ảnh vi khuẩn aceterbaxtor

• Hình 2.4 Hình ảnh vi khuẩn desulfovibrio sp

• Hình 2.5 Sơ đồ mô hình thí nghiệm nghiên cứu tuần hoàn nước rỉ bãi chôn rác

• Hình 2.6 : Cơ chế phân giải ankan

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

• SRB (Sulfate reducing bacteria) : Vi khuẩn khử sunphat

Chương 1: Tổng quan

1.1 Tổng quan về vấn đề được nghiên cứu

Vi khuẩn khử sunfate là nhóm vi khuẩn rất đa dang có khả năng sử dụng sunfate làm chất nhận điện tử cuối cùng Chúng là những vi khuẩn kị khí bắt buộc phân bố khá rộng trên Trái đất Chúng có trong đất, trong các vùng trầm tích, bùn lắng ở các đáy ao

tù, cống rảnh, sông hồ, biển trong các vùng có điều kiện sống khắc nghiệt như: áp suất cao, nhiệt độ cao, độ mặn cao, hai môi trường quá kiềm, quá axit và đặc biệt tồn tại với một số lượng lớn trong các dầu mỏ Sự đa dạng cao của vi khuẩn khử sunfate được tìm thấy ở các trầm tích biển, nơi có nồng độ sunfate cao

Trong những công trình nghiên cứu đầu tiên về vi khuẩn khử sunfat người ta đã nghĩ rằng vi khuẩn này là vi khuẩn kị khí tuyệt đối Tuy nhiên khoảng 20 năm trở lại đây quan điểm này đã thay đổi Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng vi khuẩn khử sunfat

có khả năng chống chọi được với oxy Theo báo cáo của Cypionka (2000), vi khuẩn khử sunfat không chỉ sống được trong môi trường có oxy nhiều giờ mà thậm chí nhiều ngày và nhiều loài thậm chí có thể khử được oxy thanh nước Qúa trình này có thể thực sự là quá trình hô hấp khi kết hợp với quá trình chuyển hóa năng lượng Người ta

đã phát hiện thấy một số lượng lớn vi khuẩn khử sunfat trong các vùng hiếu khí và vùng ranh giới giữa hiếu khí và kị khí của các trầm tích Hầu hết các loài vi khuẩn

khử sunfatphân lập được từ những vị trí hiếu khí đều thuộc hai chi Desulfovibrio và

Desulfomicrobium Theo Cord- Ruwisch và cộng sự, khả năng sống trong môi trường

có oxy của vi khuẩn khử sunfat có thể được giải thích như sau: Trước hết hô hấp của các vi khuẩn hiếu khí sẽ tiêu thụ oxy để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi chất của vi khuẩn khử sunfat Đồng thời, S do vi khuẩn khử sunfat tạo ra là một chất khử, nó sẽ tác dụng với oxy ở điều kiện thường làm giảm nồng độ oxy ở khu vực đó Mặc dù có thể thích nghi với môi trường, chúng có thể chống chọi với oxy Tuy nhiên,

do vi khuẩn này thường sủ dụng các sản phẩm lên men được tạo thành trong điều kiện

kị khí nên chúng không thể có những thuận lợi trong quá trình cạnh tranh với vi sinh

vật khác phát triển trong môi trường hiếu khí Do vậy, vi khuẩn khử sunfat vẫn là vi khuẩn kị khí

Trong môi trường hiếu khí, vi sinh vật dị dưỡng có thể thực hiện quá trình chuyển hóa hoàn toàn hợp chất hữu cơ thành Tuy nhiên trong hệ sinh thái kị khí thì sự chuyển hóa lại phức tạp hơn và đòi hỏi sự tương tác của một lượng lớn các nhóm vi khuẩn khác nhau Mỗi nhóm vi khuẩn thực hiện một quá trình oxy hóa một phần hợp chất hữu cơ và sản phẩm chuyển hóa cuối cùng của chúng lại được đồng hóa bởi các thành tiếp theo của chuỗi thức ăn cho đến khi kết thúc quá trình oxy hóa Vi khuẩn khử sunfat trong điều kiên kị khí thường được nghiên cứu đặt trong mối quan hệ với hai nhóm vi khuẩn kị khí khác nhau là vi khuẩn metan và vi khuẩn khử nitrat Các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam đã cho thấy có mối quan hệ hội sinh của vi khuẩn khử sunfat và vi khuẩn sinh metan, nhất là trong điều kiện nước biển

và nước và dầu mỏ Rõ ràng là vi khuẩn khử sunfat sống hội sinh với vi khuẩn sinh metan, khử không hoàn toàn các hợp chất hữu cơ có sẵn trong môi trường thành axetat

và chính nguồn axetat này lại là cơ chất cho các vi khuẩn sinh metan và các vi khuẩn

sử dủng axetat sinh trưởng phát triển Còn mối quan hệ của vi khuẩn khử sunfat và vi khuẩn khử nitrat đang dược các nhà nghiên cứu rất quan tâm vì có tính ứng dụng cao của nó

Lysnes gần đây đã phát hiện ra chủng khử nitrat ưa nhiệt phân lập từ giếng dầu vùng biển Bắc sử dụng cơ chất axit béo lại có khả năng sing trưởng trên những nguồn

cơ chất ưa thích của vi khuẩn khử sunfat Điều này tạo cơ sở mở ra hướng ứng dụng mới: sử dụng nhóm vi khuẩn khử nitrat cho việc ức chế sự phát triển của vi khuẩn khử sunfat trong các giếng khoan bằng phương pháp sinh học thay cho hóa học như hiện nay

• Vấn đề gây ra bởi vi khuẩn khử sulfate:

Trong kỹ thuật, vi khuẩn khử sulfate có thể tạo ra các vấn đề khi cấu kiện kim loại tiếp xúc với nước muối chứa sulfate : Tương tác của nước và kim loại tạo ra một lớp phân

tử hydro trên bề mặt kim loại; vi khuẩn khử sunfat sau đó khử hydro tạo ra hydrogen sulfide, góp phần vào sự ăn mòn

Hydrogen sulfide từ vi khuẩn khử sunfat cũng đóng một vai trò trong sự ăn mòn

sulfide hữu cơ của bê tông Nó cũng xảy ra trong dầu thô chua

Một số vi khuẩn khử sunfat đóng một vai trò trong quá trình oxy hóa kỵ khí metan

CH 4 + SO 42- → HCO3- + HS - + H 2 O

Một phần quan trọng của metan hình thành bởi methanogen dưới đáy biển bị oxy hóa bởi các vi khuẩn khử sunfat ở vùng chuyển tiếp tách methanogenesis từ các hoạt động giảm sulfate trong trầm tích Quá trình này cũng được coi là một bồn rửa chén lớn cho sulfate trong trầm tích biển

Trong thủy lực cắt phá chất lỏng được sử dụng để frack đá phiến hình để thu hồi khí metan (khí đá phiến) và các hydrocacbon, chất diệt khuẩn các hợp chất thường được thêm vào nước để ức chế hoạt động của vi khuẩn khử sunfat, để tránh quá trình oxy hóa metan kỵ khí và thế hệ của hydrogen sulfide Cuối cùng kết quả là giảm thiểu tổn thất tiềm năng sản xuất

• Tầm quan trọng và đánh dấu

Sunfat xảy ra rộng rãi trong nước biển, trầm tích, hoặc nước giàu đang phân hủy chất hữu cơ Vi khuẩn khử sunfat khá phổ biến ở môi trường kị khí là vi khuẩn hỗ trợ trong việc phân hủy các chất hữu cơ

Trong những môi trường yếm khí, vi khuẩn lên men lấy năng lượng từ các phân

tử hữu cơ lớn; kết quả các hợp chất nhỏ hơn như axit hữu cơ và rượu được tiếp tục bị oxy hóa bởi acetogens và methanogen và cạnh tranh vi khuẩn khử sunfat

Bùn thải từ ao; màu đen là do các sunfua kim loại, đó là kết quả của trình phân hủy các kim loại của vi khuẩn khử sunfat

Các độc hydrogen sulfide là một sản phẩm chất thải của vi khuẩn khử sunfat; mùi trứng thối của nó cho ta thấy đó là một dấu hiệu cho sự hiện diện của vi khuẩn khử sunfat trong tự nhiên

1.2 Nhiệm vụ đồ án

• Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay vi khuẩn khử sulfate đã và đang được ứng dụng nhiều trong vấn đề xử

lí rác thải, nước thải, và trong tương lai

• Lí do hình thành đề tài

Do đề tài do nhóm chúng em thấy đây là một đề tài được ứng dụng nhiều trong cuộc sống và xử lí môi trường

• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là vi khuẩn khử sulfate, phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu về đặc điểm tính chất và ứng dụng của vi khuẩn khử sulfate trong thực tiễn

và tương lai

• Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu thông qua tài liệu sách báo, các báo cáo khoa học các đề tài dự án đã và đang triển khai, các thí nghiệm và kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước và trên thế giới

• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Khi khoa học phát triển chúng ta biết rõ hơn về vai trò của vi khuẩn khử sulfate, thì việc ứng dụng trong đời sống hằng ngày và trong đời sống sản xuất cũng như trong công nghiệp và hướng đến tương lai

• Giới hạn đề tài

Về mặt nội dung đề tài chủ yếu làm rõ đặc điểm, tính chất và ứng dụng của vi khuẩn khử sulfate trên cơ sở lí thuyết, các chứng minh khoa học và các báo cáo thí nghiệm liên quan tới đề tài

dầu khí3.5 Ứng dụng trong oxy hóa các khoáng vật sulfurChương 3: Tổng kết

Chương 2: NỘI DUNG 2.1Đặc điểm

2.1.1 Đặc điểm hình thái

Vi khuẩn khử sunfat là nhóm vi khuẩn có sinh lý phức tạp nhưng có đặc điểm nổi bật là chúng sử dụng sunfat làm chất nhận điện tử cuối cùng Các loại vi khuẩn khử sunfat khác nhau thể hiện ở hình thái tế bào, khả năng di động, khả năng hình thành bào tử, hàm lượng GC chứa trong ADN, desulfovibrin, hệ thống

cytochrome, nhiệt độ tối ưu cho sinh trưởng và khả năng trao đổi chất (oxy hoàn toàn hay không hoàn toàn cơ chất)

Nhóm vi khuẩn khử sunfat có hình dạng tế bào rất đa dạng tùy theo từng chi ( với kích thước tế bào khoảng 0.3 – 1.5 m x 0.8 – 10 m ): Hình que như

Desulfobulbus, Desulfotomaculum, Thermodesulfobacterium, Thermodesulfohabdus, Thermodesulfatator; hình dấu phẩy như Desulfovibiro, Thermodesulfovibrio; hình

ovan như Desulfobacter, Desulfobacterium; hình cầu như Desulfococcus; hình túi

Desulfosarcina; hình sợi như Desulfonema

Trong tự nhiên, vi khuẩn khử sunfat bơi tự nhiên hoặc bám vào giá thể nào đó, nhất là các mẫu sắt, ống sắt Tùy loại mà chúng có thể đứng đơn độc hay kết đôi, hoặc xếp chuỗi ngắn, cũng có khi chúng tập hợp lịa thành một đám lộn xộn

Một số loài vi khuẩn khử sunfat chuyển động nhờ tiêm mao hoặc một chùm tiêm mao, trong khi một số khác chi di động trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển sau đó khả năng giảm dần và mất hẳn Một số khác lại không có khả năng di chuyển

Cho đến thời điểm này, đã có rất nhiều loại vi khuẩn khử sunfat được phát hiện

và phân loại Với sự phát triển của kỹ thuật phân tích trình tự gen 16S rARN kết hợp với các đặc điểm sinh lý trên đã xây dựng được cây phát sinh loài của vi khuẩn này Cây phát sinh loài cho thấy sự đa dạng rất cao số lượng loài của nhóm vi khuẩn khử sunfat

Dựa trên trình tự phân tích rARN, vi khuẩn khử sunfat được chia thành bốn nhóm chính: vi khuẩn khử sunfat Gram âm ưa ấm; vi khuẩn khử sunfat Gram dương

sinh bào tử; vi khuẩn khử sunfat ưa nhiệt và vi khuẩn khử sunfat cổ ưa nhiệt.2.1.1 Đặc

điểm sinh lý, sinh hóa

Các vi khuẩn khử sunfat đã được coi là một nhóm kiểu hình, cùng với các vi khuẩn khử lưu huỳnh khác, cho mục đích nhận dạng Chúng được tìm thấy trong một vài dòng phát sinh loài khác nhau Tính đến năm 2009, 60 chi có chứa 220 loài vi khuẩn khử sunfat đã được biết đến

Nhóm vi khuẩn khử sunfat Gram âm ưa ấm gồm hai họ lớn là

Desulfovibrioaceae (gồm hai chi Desulfovibrio và Desulfomicrobium) và

Desulfobacteriaceae Họ Desulfobacteriaceae phong phú về số chi hơn với khoảng

gần 23 chi như Desulfobulbus, Desulfobacter, Desulfobotulus, Desulfobacterium

Điều thú vị của họ Desulfobacteriaceae là khả năng hình thành cụm vi khuẩn

giúp chống lại những điều kiện bất lợi của môi trường như quan sát thấy ở

Desulfosarcina hay khả năng di động cho phép chúng di chuyển đến những vùng có

nhiều chất dinh dưỡng hơn

Ngược lại với nhóm vi khuẩn khử sunfat Gram âm ưa ấm, nhóm vi khuẩn khử sunfat Gram dương sinh bào tử có một số loài thích nghi được với mội trường sống có

sự thay đổi nhiệt độ từ ấm lên cao do chúng có cơ chế hình thành bào Tuy vậy, nhiệt

độ tối ưu cho sinh trưởng của nhóm vi khuẩn này là từ 25 – 40 , một vài loài có thể là

từ 40 -65 Đến nay chúng ta mới chỉ khám phá ra một chi Gram dương có khả năng

sinh bào tử duy nhất là chi Desulfotomaculum Với khả năng hình thành bào tử khi gặp điều kiện sống bất lợi nên chi Desulfotomaculum thường được tìm thấy trong các môi

trường sống mà ở đó khi bắt gặp các chi vi khuẩn khử sunfat ưa ấm khác (như các cánh đồng lúa nước nơi có sự xen kẽ của điều kiện có oxy và thiếu oxy do sự thay đổi của mùa nước lên

Hai nhóm vi khuẩn khử sunfat còn lại là nhóm vi khuẩn khử sunfat ưa nhiệt và nhóm vi khuẩn cổ ưa nhiệt (Archaea) đều được phân lập tại các môi trường có nhiệt độ cao như các giếng khoan sâu dưới mặt đất có nhiệt độ lên tới 80 Các vi khuẩn khử

sunfat ưa nhiệt chủ yế là vi khuẩn Gram âm, thuộc các chi Thermodesulfovibrio Mặc

dù nhóm này có nhiệt độ tối ưu cho sinh trưởng ở 55 - 75 nhưng chúng vẫn có thể

sống dược ở nhiệt độ thấp hơn Các loài thuộc chi Archaeoglobus, Caldivirga và

Thermocladium (đều được phân lập tại các hệ thống biển nóng) là những đại diện duy

nhất của vi khuẩn khử sunfat trong nhóm vi khuẩn cổ Archaea

Vi khuẩn khử sulfate (SRB) là các vi khuẩn sinh trưởng kỵ khí, sử dụng sulfate làm chất nhận điện tử cuối cùng để oxy hóa hydro hay các hợp chất hữu cơ và tận thu năng lượng cho mục đích sinh trưởng (phản ứng 1.10)

2CH2O + SO42- + H+ H2S + 2HCO3- (1.10)

SRB phổ biến trong môi trường kỵ khí, nơi chúng có vai trò quan trọng trong

cả chu trình lưu huỳnh và chu trình cacbon (hình 2.1)

Hình 2.1 Vị trí của SRB trong chu trình cacbon và lưu huỳnh

2.1.2 Nhu cầu dinh dưỡng của SRB

Hầu hết SRB có nhu cầu dinh dưỡng đơn giản và sinh trưởng tốt trong môi trường có nguồn cacbon/năng lượng ổn định Nguồn cacbon và điện tử thích hợp đối với SRB bao gồm các axit hữu cơ mạch ngắn như acetate, lactate, pyruvate và rượu

Phụ thuộc vào cách oxy hóa chất hữu cơ mà SRB có thể được phân chia thành hai nhóm trao đổi chất như sau:

- Nhóm oxy hóa không hoàn toàn: oxy hóa các hợp chất hữu cơ đến acetate

Thuộc nhóm này chủ yếu là các loài thuộc chi Desulfovibrio spp

- Nhóm oxy hóa hoàn toàn: Oxy hóa các hợp chất hữu cơ (bao gồm cả acetate) hoàn toàn thành CO2. Trong nhóm này có đa dạng các loài SRB khác nhau, như

Desulfobacter spp., Desulfobaterium spp., Desulfosarcina spp

SRB thực hiện trao đổi chất oxy hóa các cơ chất hữu cơ sử dụng sulfate làm chất nhận điện tử cuối cùng Sự khử sulfate thành sulfide tiêu thụ 8 điện tử và các quá trình sinh hóa thông qua nhiều bước trung gian với sự tham gia của nhiều enzyme

Hình 2.2 Các bước khử sulfate ở SRB và các enzyme tham gia

Phản ứng có thể được tóm tắt như sau:

SO42- → SO32- → HSO3-→ HS- → S

2-Bảng 2.1 Các cơ chất mà vi khuẩn khử sunphat sử dụng trong sinh trưởng:

Loại hợp chất Các hợp chất được sử dụng

Axit monocarboxylic Focmat;axetat; propionat; butyrat; isobutyrat;

2-metylbutyrat; 3-2-metylbutyrat; 3-metylvalerat; pyrurat; lacratAxit monocarboxylic Succinal; fumarat; malat; oxalat; malenat; glutarat

Rượu

Metanol; etanol; propanol; butanol; pentanol; isobutanol; etylen glycol (mono-,di-, và tetra); 1,2-propandiol; 1,3-propandiol; glyxerol

Axit amin Glyxin; serin; alanin; cystein;cystin; treonin; valin; leuxin;

isoleuxin; aspartat; glutamat; phenyl alaninCacbonhydrat Fructoz; glucoz; mannoz; xyloza; rhamnoz; tinh bột

Hydrocacbon Hexadecan; hexadecanoat; benzoat; 2-,3-, và 4-

hydroxybenzoat; phenol; p-cresol;catechol; resorcinol; hydroquinon; phlorglucinol; pyrogallol; axit nicotinic; indol; quiolin; phenylacet; naphthalen, 2-methylnaphthalen; tetralin; xylen; toluene; ethylbenzen; ethylcyclopentanCác hợp chất khác Cholin; betain; oxamat; axeton; cyclohexanol;và một số các

hợp chất vòng no khác

Như vậy ta có thể thấy vi khuẩn khử sunphat sử dụng các loại cơ chất khác nhau từ những hợp chất hữu cơ đơn giản như hydro, lactat… cho đến những hợp chất phức tạp hơn như các hydratcarbon, hydrocarbon

Đặc biệt là trong những năm gầnđây, các nhà nghiên cứu ngày càng phát hiện

ra nhiều hợp chất hydrocarbon dầu mỏ mà vi khuẩn khử sunphat có thể làm nguồn cơ chất

2.1.3 Một số ví dụ và hình ảnh của vi khuẩn khử sulfate.

Hình 2.3: Hình ảnh vi khuẩn aceterbaxtor

Hình 2.4 Hình ảnh vi khuẩn desulfovibrio sp.

2.2 Tính chất

2.2.1 Quá trình trao đổi chất và năng lượng

Vi khuẩn khử sunfat thực hiện quá trình trao đổi chất và năng lượng của chúng trong điều kiện kị khí nghiêm ngặt và có thể oxy hóa khử Eh< -150mV Sự có mặt của oxy ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của chúng Nếu trong môi trường có oxy thì chỉ một số ít loài có thể tiếp tục sinh trưởng Trong điều kiện kị khí, dựa vào quá trình trao đổi chất vi khuẩn khử sunfat được chia thành hai nhóm chính Các loài thuộc nhóm thứ nhất tiến hành oxy hóa không hoàn toàn các hợp chất hữu cơ với axetat là

sản phẩm cuối cùng Đại diện của nhóm này có thể kể đến chi Desulfovibrio,

Desulfobulbus, Archaeoglobus Các loài thuộc nhóm thứ hai oxy hóa hoàn toàn chất

hữu cơ kể cả axetat thành nhờ Desulfobacterium, Desulfococcus, Desulfonema,

Thermodesulfobacterium Hầu hết các loài thuộc nhóm một sinh trưởng nhanh hơn